Optische Methoden wie die Erfassung sogenannter instrinsischer Signale am eröffneten Kortex, sowie die nichtinvasive Technik der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) ermöglichen die direkte, biochemisch spezifische Erfassung von Veränderungen der zerebralen Hämoglobinoxygenierung sowie der Hämoglobinkonzentration. Während die invasive Messung intrinsischer Signale auf tierexperimentelle Untersuchungen sowie intraoperative Messungen beschränkt ist, bietet die nichtinvasive NIRS die bisher einzigartige Perspektive eines Monitorings dieser Parameter am Krankenbett. Die nichtinvasiven NIRS-Messungen waren allerdings bislang zumeist auf einzelne Messorte begrenzt. Daneben ist der Einfluß bestimmter anatomischer Strukturen sowie die Bedeutung der gemessenen NIRS Parameter im Sinne zugrundeliegender physiologischer Vorgänge im Rahmen der neurovaskulären Kopplung bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der voliegenden Untersuchung war es das räumlich-zeitliche Muster von Veränderungen der Blutoxygenierung bei funktioneller Aktivierung des Gehirns nichtinvasiv im Menschen zu erfassen und im Zusammenhang mit den zugrundeliegenden topographisch anatomischen Strukturen zu beschreiben. Mithilfe multilokulärer Messungen sollte die Möglichkeit einer räumlich aufgelösten Messung geprüft werden und damit die Grundlage für die bildgebende Darstellung von Veränderungen der Blutoxygenierung geschaffen werden. Die Möglichkeit der räumlichen Diskrimination der Signale sollte anhand der Aktivierung unterschiedlicher motorischer Kortexareale evaluiert werden. Weiterhin sollte durch den Vergleich der mit der NIRS gemessenen Veränderungen der Blutoxygenierung mit Veränderungen der Blutflußgeschwindigkeit in den entsprechenden hirnversorgenden arteriellen Gefäßen der Einfluß hämodynamischer Veränderungen im Rahmen der neurovaskulären Kopplung auf den Zeitverlauf der an der Hirnoberfläche gemessenen Veränderungen der Blutoxygenierung untersucht werden. Der methodische Ansatz dieser Arbeit beinhaltete die multilokuläre Erfassung von Verän-derungen der Blutoxygenierung mittels NIRS bei Durchführung verschiedener motorischer Aktivierungsparadigma und die Integration der dabei gewonnenen Daten mit dreidimensionalen kernspintomographischen Daten an denselben Probanden, um eine anatomische Zuordnung der NIRS-Daten zu ermöglichen. In einem zweiten Versuchsansatz wurden simultan zur NIRS-Messung Veränderumgen der Blutflußgeschwindigkeit in der Arteria cerebri media mithilfe der transkraniellen Dopplersonographie (TCD) erfaßt. Insgesamt wurden 18 Probanden untersucht, davon wurde bei fünf Probanden mithilfe multilokulärer Messungen ein NIRS-Mapping und bei 13 Probanden eine simultane TCD-NIRS Messung bei funktioneller Aktivierung des Gehirns durchgeführt. Mithilfe des NIRS Mapping konnte ein lokalisierter Anstieg der Blutoxygenierung bei moto-rischer Bewegung von Finger, Fuß und Ellbogen dargestellt werden. Als typisches Muster dieser lokalen Veränderungen zeigte sich ein Anstieg der oxy-Hb Konzentration sowie ein Abfall der deoxy-Hb Konzentration. Durch den Vergleich mit den kernspintomographischen Daten konnte gezeigt werden, daß die gemessenen Veränderungen mit den topographisch-anatomischen Lokali-sationen der mutmaßlich aktivierten Hirnareale entsprechend der bekannten somatotopischen Gliederung des motorischen Kortex übereinstimmten. Dabei waren die Veränderungen der deoxy-Hb Konzentration stärker lokalisiert und wiesen einen engeren topographischen Bezug zu den aktivierten Hirnstrukturen auf als die Veränderungen der oxy-Hb Konzentration. In der simultanen TCD-NIRS Messung konnte ein enger Zusammenhang zwischen Ver-änderungen der Blutoxygenierung und den Veränderungen der Blutflußgeschwindigkeit in der dieses Gebiet versorgenden Arteria cerebri media gezeigt werden. Es zeigte sich, daß Veränderungen der deoxy-Hb Konzentration linear, Veränderungen der oxy-Hb Konzentration jedoch nichtlinear mit der Blutflußgeschwindigkeit korrelierten. Die vorliegenden Untersuchungen lassen die Schlußfolgerung zu, daß mithilfe multilokulärer NIRS-Technik die Untersuchung des räumlichen und zeitlichen Verlaufes von Veränderungen der Blutoxygenierung und damit eine nichtinvasive bildgebende Erfassung von Veränderungen der zerebralen Oxygenierung analog des invasiven optischen Imaging am offenen Kortex prinzipiell möglich ist. Außerdem konnte die Kombination von NIRS und TCD als einem neuen Instrument zur gleichzeitigen nichtinvasiven Erfassung von Hämodynamik großer hirnzuführender Arterien und zur Messung der Hämoglobinoxygenierung im davon abhängigen Gefäßterritorium etabliert werden. / Modern neuroimaging techniques like PET and fMRI use signals based on changes in blood flow, blood oxygenation and oxygen metabolism associated with neurovascular coupling to map brain function. Optical techniques provide measurements of changes in blood oxygenation with high biochemical specifity as well as othe important parameters like cytochrome oxidase and light scattering which may be directly related to neuronal activity. Optical imaging of intrinsic signals from exposed brain tissue in animals and intraoperatively in humans permit the assessment of brain activity with high spatial and temporal resolution. In recent years using the transcranial approach of near infrared spectrscopy noninvasive assessment of brain activity through the intact skull in humans has become possible. However due to technical difficulties and the complex photon migration pattern of light in the tissue the measurements have a low spatial resolution and have only be used for spectroscopic measurements from single measurement sites. The purpose of the present study was to investigate whether the conventional noninvasive technique of Near infrared spectroscopy can be used to map the spatiao-temporal pattern of functional active areas in the human brain. Using a multilocal measurement approach was measured and characterized the spatio-temporal pattern of changes in [oxy-Hb] and [deoxy-Hb] during functional activation of the motor cortex in five subjects. The signals were used to recontruct maps and images and the spatial pattern of changes in oxy-Hb and deoxy-Hb concetration was described in relation to the underlying brain structures in combination with 3D MRI in the same subject. The somatotopic organisation of the motor cortex was used to evaluate the possibility to discriminate between the spatial localization of distinct cortical areas activated along the motor cortex during finger, ellbow and foot movement. It was furthermore tested whether transcranial measurements of changes in blood oxygenation measured with NIRS reflect a specific functional response due to neurovascular coupling and the relationship between changes in hemoglobin oxygenation over the activated cortical area and changes in blood flow velocity in the supplying artery was described was described in 13 additional subjects during performance of a ipsi- and contralateral finger movement task. Using multilocal NIRS mapping is was found that functional activation is associated with a localised increase in hemoglobin oxygenation. The typical response was an increase in [oxy-Hb] and a decrease in [deoxy-Hb]. These changes colocalise topographically with the underlying activated cortical region and follow the somatotpoic organisation of the motor cortex. However changes in [deoxy-Hb] seem to be more localised and demonstrate a closer topographical relationship to the respective activated area than changes in [oxy-Hb]. Simultanous TCD-NIRS measurements demonstrated a similar time course for changes in hemoglobinoxygenation and changes in blood flow velocity. A close correlation was found between the increase in blood flow velocity and the increase in [oxy-Hb] and [total-Hb] and the decrease in [deoxy-Hb]. Changes in [deoxy-Hb] showed a linear and changes in [oxy-Hb] a nonlinear relationship with changes in CBFV. The present study demonstrates that multilocal NIRS measurements can be used to map the spatio-temporal pattern of functional active areas in the human brain. Similar to the invasive optical imaging on the exposed cortex functional imaging with NIRS seems to be potentially possible however with low spatial resolution. Changes in hemoglobinoxygenation reflect a specific functional response associated with hemodynamic mechanism of neurovascular coupling. Simultaneous TCD-NIRS measurements provide a noninvasive intruments for multimodal assessment of hemodynamic changes and changes in hemoglobinoxygenation during functional activation of the human brain. With further technical development of the technique of near infrared spectroscopy has the potentail of a new and noninvasive and flexible functional imaging technique at the bedside and can shed further light on the physiological basisi of functional imaging signals based on blood oxygenation.

Die Arbeit stellt die optische Methode der Nahinfraotspektroskopie (NIRS) in der Anwendung zur Messung von Oxygenierungsänderungen am Kopf des Erwachsenen dar. Dabei werden zunächst methodische Aspekte behandelt. Dies schließt (i) die Frage ein ob Änderungen des Redox-Status der Cytochromoxidase mit der NIRS bestimmt werden können; (ii) diskutiert die Ergebnisse zur Darstellbarkeit schneller optischer Signale, wie sie in invasiven Studien als Korrelat der elektrophysiologisch messbaren neuronalen Prozesse bekannt sind und (iii) richtet sich auf die bessere Definition des Messvolumens, sowohl im Sinne einer zweidimensionalen Bildgebung der Oxygenierungs-änderungen an der Hirnoberfläche als auch die Möglichkeiten zu einer Tiefenauflösung. Bezüglich der grundlegenden physiologischen Fragestellungen thematisiert die Arbeit im zweiten Teil Fragestellungen der neuro-vaskulären Kopplung. Dies ist die Frage, wie sich die neuronale, elektrophysiologisch meßbare Aktivität von Neuronen in eine hämodynamische Antwort übersetzt. Hier sind die Einordnung der NIRS-Befunde in ein Modell der vaskulären Antwort aber auch gleichzeitige Messungen mit elektrophysiologischen Methoden und weiteren vaskulär-basierten Methoden, insbesondere der funktionellen Kernspintomographie, Fokus. Schließlich stellt die Arbeit die klinischen Perspektiven in der Neurologie dar, wie sie sich besonders für die vaskulären Erkrankungen des Gehirns aber auch für Fragestellungen bei Epilepsie und Migräne ergeben. / We here present a optical method, near-infrared spectroscopy (NIRS), and its application for non-invasive measurement of oxygenation changes in the adult head. The first part deals with methodological aspects of NIRS. This includes (i) the question whether changes of cytochrome-oxidase redox state can be monitored by NIRS; (ii) the discussion of study results investigating the non-invasive detectability of fast optical signals , known to reflect electrophysiological changes in invasive animal preparations; (iii) and finally the issue how the sampling volume can be better defined, and with respect to a two-dimensional imaging approach of cortical oxygenation changes and the methodological options to achieve a depth resolution. In a second chapter we then focus on the underlying physiological issues mainly raising questions concerning neuro-vascular coupling. Neuro-vascular coupling means the translation of neuronal activity, as can be measured by electrophysiological methods, into the haemodynamic response. Here the focus is on how the results of functional NIRS studies can be interpreted in the light of a model of the vascular response. Also the simultaneous assessment of electrophysiological parameters or the parameters of other methods based on the vascular response, especially fMRI, are dealt with in this chapter. Finally the here presented work gives perspectives of potential clinical applications of the method. This primarily means the application in stroke and other vascularly diseases in neurology, but also includes questions in the clinical fields of epilepsy and migraine.

Die Suche nach einem Zielobjekt in einer komplexen visuellen Szene ist ein alltäglicher Wahrnehmungsvorgang und ein etabliertes experimentelles Paradigma für die Untersuchung selektiver Aufmerksamkeit. Einem klassischen Modell zufolge ist der Suchprozeß seriell: Die Objekte werden nacheinander vom Aufmerksamkeitsfokus selektiert und so für die Identifikation bereitgestellt. Ein Alternativmodell postuliert einen parallelen Suchprozeß, bei dem alle Objekte in der Szene gleichzeitig vom Sehsystem verarbeitet werden. Beide Modelltypen sind gleich gut mit den Resultaten bisheriger Verhaltensexperimente kompatibel. In der vorliegenden Arbeit wurden die neuronalen Grundlagen des Suchprozesses mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) im menschlichen Gehirn untersucht. Es ist bekannt, dass das frontale Augenfeld (FEF) und drei Subregionen (AIPS, PIPS und IPTO) des posterioren parietalen Cortex (PPC) den im seriellen Suchmodell postulierten Teilprozeß der Verschiebung des Aufmerksamkeitsfokus (ohne Augenbewegungen) kontrollieren. In Experiment 1 wurde geprüft, ob diese Regionen auch am Suchprozeß beteiligt sind. Dazu wurde das fMRT-Signal zwischen einer schwierigen Suche nach einer Verknüpfung zweier visueller Merkmale und einer einfachen Suche nach einem einzelnen Merkmal verglichen. Motorische Anforderungen und Reizmuster waren in beiden Bedingungen so ähnlich wie möglich und in Kontrollexperimenten wurde sichergestellt, dass Aktivierungsunterschiede zwischen beiden Bedingungen keine motorischen oder sensorischen Prozesse reflektieren, sondern spezifisch den Prozeß der Verknüpfungssuche. FEF, AIPS, PIPS und IPTO wurden differentiell aktiviert. In Experiment 2 wurde getestet, ob die Beteiligung dieser Areale an der visuellen Suche von der Notwendigkeit einer Merkmalsverknüpfung abhängt. Dazu wurde eine schwierige Merkmalssuche mit der einfachen Merkmalssuche verglichen und kontrolliert, dass auch dieser Vergleich sensorische und motorische Faktoren eliminierte. Differentielle Aktivierungen in diesem Experiment reflektierten nun nicht mehr den Merkmalsverknüpfungsprozeß, sondern allein die höhere Schwierigkeit der Suche. Auch hier fand sich eine differentielle Aktivierung des FEF, AIPS, PIPS und IPTO. Dabei unterschieden sich die Schwierigkeit auf der Verhaltensebene wie auch die differentielle Aktivierung von PIPS auf der neuronalen Ebene nicht zwischen Verknüpfungs- und schwieriger Merkmalssuche. Die Ergebnisse demonstrieren, dass das FEF und drei Subregionen des PPC an der schwierigen visuellen Suche beteiligt sind. Dies ist gut mit der Annahme eines seriellen und nur schwer mit der eines parallelen Suchprozesses vereinbar. Darüber hinaus suggerieren die Befunde, dass der Beitrag des PPC und FEF zur visuellen Suche nicht auf den Prozeß der Merkmalsverknüpfung beschränkt ist, sondern allgemeiner die Anforderung an den Suchprozeß reflektiert. / The search for a target object in a complex visual scene is an all-day process of visual perception and an established experimental paradigm for the study of selective attention. A classical model postulates a serial search process. That is, objects are selected sequentially by the focus of attention and are thereby routed to the identification stage. An alternative model postulates a parallel search process, in which all objects within the scene are processed simultaneously. Both models are equally consistent with the current behavioural data. In this thesis, the neural basis of the search process in the human brain was investigated with functional magnetic resonance imaging (fMRI). The frontal eye field (FEF) and three sub-regions (AIPS, PIPS und IPTO) of the posterior parietal cortex (PPC) are known to control the shifting of the focus of attention in space (without eye movements), which is postulated by the serial model to be an essential sub-process of visual search. Experiment 1 tested whether the same areas are also engaged in the search process. The fMRI signal was compared between a difficult search for a feature conjunction and an easy search for a single feature. Motor requirements and stimuli were as similar as possible across conditions and control experiments demonstrated that activation differences between conditions do not reflect sensory or motor factors, but rather the process of conjunction search. The FEF, AIPS, PIPS, and IPTO were differentially activated. Experiment 2 tested whether the involvement of these areas in visual search depends on the necessity for conjoining features. A difficult feature search was compared with the easy feature search. This comparison also eliminated sensory and motor factors according to control experiments. Differential activations in this experiment did not reflect the feature conjunction process, but only the higher search difficulty. Again, a differential activation of the FEF, AIPS, PIPS, and IPTO was found. The conjunction and the difficult feature search did not differ in their difficulty at the behavioral level as well as in PIPS activation strength at the neural level. The results show that the FEF and three PPC sub-regions contribute to difficult visual search. This is consistent with the assumption of a serial, but much less consistent with the assumption of a parallel, search process. Furthermore the results suggest that the contribution of the PPC and FEF to visual search is not restricted to the feature conjunction process, but more generally reflects the demands on the search process.