Obrig, Hellmuth : Nahinfrarotspektroskopie des Gehirns

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Physiologie: Zusammenfassung und Ausblick

Im vorangehenden Kapitel wurden die Studien zusammengefaßt, die sich mit Fragen zur neuro-vaskulären Kopplung beschäftigen. Wir konnten zeigen, daß über einem funktionell aktivierten, cortikalen Areal die NIRS-Parameter einem typisches Muster folgen, das aus einem Anstieg der oxy-Hb- bei gleichzeitigem Abfall der deoxy-Hb-Konzentration besteht. Dieses Ergebnis ist vereinbar mit dem Modell eines fokalen Anstiegs des cerebralen Blutfluß (rCBF) und einer daraus resultierenden lokalen Hyperoxygenierung, die die Grundlagen der vaskulär-basierten bildgebenden Verfahren darstellen. Der Vergleich des Antwortverhaltens in simultanen Messungen mit der fMRT, der PET und der TCD belegt, daß die Verfahren unterschiedliche Aspekte der gleichen vaskulären Antwort auf eine neuronale Aktivierung abbilden. Für die fMRT ergab sich eine erste methodenunabhängige Bestätigung dafür, daß die lokale Konzentrationsänderungen des [deoxy-Hb] die wichtigste Einflußgröße für den BOLD-Kontrast darstellt. In einer weiteren Studie untersuchten wir ein Modell der Habituation bei visueller Stimulation und registrierten gleichzeitig die evozierten Potentiale und die cerebrale Hämoglobinoxygenierung. Damit steht ein Ansatz zur Verfügung, der einen methodisch einfachen Zugriff auf die nicht-invasive Untersuchung der neuro-vaskulären Kopplung beim Menschen erlaubt.

Wie bereits in der Zusammenfassung des ersten Teils der Arbeit erwähnt, ist die räumliche Zuordnung der gemessenen Änderungen auf ein dreidimensional definiertes Meßvolumen eine methodische Limitation. Daher halten wir es für notwendig bei der Untersuchung physiologischer Fragestellungen Modelle zu nutzen, die es erlauben, aufgrund einfacher Studiendesigns eine Validierung der Annahmen zur räumlichen Auflösung möglich zu machen. Die in Teil B dargestellten Studien verfolgen diesen Ansatz. Die in Teil A dargestellten Möglichkeiten der optischen Bildgebung und der Tiefenauflösung stellen auch für physiologische Fragestellungen zur neuro-vaskulären Kopplung eine wichtige Perspektive dar. Es ist davon auszugehen, daß die Methode ein dem EEG vergleichbares Potential zur topographischen Differenzierung der Hirnoberfläche erlangt.

Die Quantifizierung der gemessenen Änderungen ist zur Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Probandenkollektiven, mehr noch bei einem Vergleich zwischen pathologischem und physiologischem Antwortverhalten wünschenswert. Dies ist eng mit der Definition des Meßvolumens verknüpft. Es ist allerdings zu berücksichtigen, daß die NIRS im Vergleich zum BOLD-Kontrast signalphysiologisch spezifischere Daten liefert und die Approximationen einer absoluten Quantifizierung hier im Vergleich einen Vorteil der Methode darstellen. Sollen absolute Werte des regionalen Blutfluß nicht-invasiv im Menschen bestimmt werden, ist derzeit weiterhin die PET als führendes, wenn auch aufwendiges und partiell-invasives Verfahren einzuschätzen.


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Die zeitliche Auflösung der NIRS ist einer der großen Vorteile der Methode, die insbesondere für Fragen zur Kopplung eine wertvolle Ergänzung zu den bildgebenden vaskulären Methoden darstellt. Die in den Studien dargestellte einfache Durchführbarkeit kombinierter Ansätze eröffnet so die Perspektive, spatiale Information etwa in der PET, die temporale Auflösung jedoch über die NIRS zu erhalten.

Eine relevante Stärke der Methode, insbesondere bei Fragen zum Verständnis der physiologischen Grundlagen vaskulär-basierter bildgebender Techniken, ist die hohe Parameterspezifität und die Option, einen metabolischen Parameter ([Cyt-ox]) simultan zu registrieren. Sollte die technische Weiterentwicklung einen relevanten Schritt zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnis leisten, wäre eine simultane Registrierung des neuronalen, metabolischen und vaskulären Antwortverhaltens möglich (siehe ‚fast optical signals’, A.2.).

Es ist in den hier zusammengefaßten Studien gezeigt worden, daß sich die NIRS in Studien zur Physiologie der bildgebenden Techniken besonders gut als Verfahren eignet, das mit weiteren Verfahren kombiniert werden kann. Multimodale Ansätze sind im Rahmen der meisten in Exkurs 2 thematisierten Fragestellungen zur neuro-vaskulären Kopplung essentiell. Wie bereits oben erwähnt, dient der multimodale Ansatz dem Bestreben, nicht verschiedene Abbilder, sondern ein auf signalphysiologischem Verständnis beruhendes Bild der Hirnfunktion zu erhalten.

In diesem Zusammenhang ist auch die relativ einfache Anwendung der Methode hervorzuheben, die Studien-Designs erlaubt, die im Magneten oder PET-Scanner nur schwerlich durchzuführen sind (z.B. Untersuchung des Ganges (Miyai et al. 2001)). Die Ko-Registrierung weiterer physiologischer Variablen (RR, Puls, EKG) aber auch die unaufwendige Kontrolle der psychophysischen Parameter stellt einen großen Vorteil der Methode auch bei Messungen zu physiologischen Fragestellungen dar.

In diesem Kapitel wurde gezeigt, daß die NIRS Beiträge zur Erforschung der neuro-vaskulären Kopplung und zu den Grundlagen der bildgebenden, vaskulär-basierten Verfahren liefert und hier für bestimmte Fragestellungen einen konkurrenzlosen Pfeiler darstellt. Neben der Anwendung auf physiologische Fragestellungen bietet sich die Methode aufgrund des portablen Charakters aber auch für bed-side Messungen und damit für die Anwendung auf pathophysiologische Fragestellungen an. Diese weitere Perspektive wird im folgenden Teil C der Arbeit skizziert.


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Fri Jan 10 11:15:00 2003