Zwischen neuronaler und glialer Aktivierung, dem Energiemetabolismus und dem zerebralen Gefäßbett besteht eine enge Beziehung - als Phänomen der neurometabolischen und neurovaskulären Kopplung bekannt. Diese Korrelation von elektrischer und metabolischer Aktivität sowie dem regionalen zerebralen Blutfluß besteht räumliche und zeitliche fokussiert und ist charakteristisch für das Gehirn. Das Verständnis um die Mechanismen und Mediatoren der neurovaskulären Kopplung ist von grundlegender Bedeutung für die korrekte Interpretation moderner bildgebender Verfahren im klinischen Einsatz. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Überprüfung der Hypothese eines frühen Sauerstoff-oder Glukose-Mangels im Gewebe unter funktioneller Stimulation als mögliches primäres Signal für eine nachfolgende vaskuläre Antwort. Anhand der Befunde kann jedoch ausgeschlossen werden, daß ein möglicherweise kurzzeitig auftretender Substratmangel im Gewebe registriert wird, und auf diesem Wege die Blutflußantwort auf funktionelle Stimulation initiiert wird. Die Frage nach dem eigentlichen Signal für die Blutflußantwort und dem primären Ort der Regulation (Arteriole, Kapillare, Venole) bleibt weiterhin ungeklärt. Die qualitative wie auch quantitative Charakterisierung des Verlaufs der Blutfluß- und Blutoxygenierungsveränderungen unter somatosensorischer Stimulation bildet die Grundlage für die Untersuchung von Veränderungen dieses Musters unter pathophyiologischen Bedingungen als sogenannter Fingerabdruck spezifischer zerebraler Schädigungen. Im Rahmen des zweiten Schwerpunkts beschäftigt sich vorliegende Arbeit mit der Rolle des Bioradikals Stickstoffmonoxid (NO) bei der neurovaskulären Kopplung. Ein im kortikalen Gewebe physiologisch vorhandener basaler NO Spiegel moduliert über die Bereitstellung einer basalen cyclischen Guanosin-3',5'-Monophosphat (cGMP) Konzentration vornehmlich in glatten Gefäßmuskelzellen die Reaktivtät zerebraler Gefäße sowohl auf globale vasodilatatorische Stimuli wie die Hyperkapnie als auch auf funktionelle Aktivität wie die Whisker-Stimulation der Ratte. Da die Bereitstellung des basalen NO / cGMP Spiegels im zerebralen Gewebe für physiologische vaskuläre Antworten von grundlegender Bedeutung ist, ist zu erwarten, daß eine Störung desselben durch pathophysiologische Vorgänge weitreichende Folgen für die adequate Versorgung aktivierter Hirnareale haben dürfte. / A tight relation exists between neuronal and glial cell activation, cerebral energy metabolism, and cerebral vasculature - a phenomenon known as neurometabolic and neurovascular coupling. The correlation of electrical and metabolic activity, and regional cerebral blood flow occurs at high temporal and spatial resolution, and is characteristic for the brain. We need to understand the physiology of neurometabolic and neurovascular coupling to fully exploit the potential of modern functional brain imaging, which utilizes vascular responses to map brain activity. Therefore, understanding the signalling cascade of regional vasodilation due to functional activation is of great importance. In the present work, we have shown that there is no evidence neither for an early deoxygenation nor for an early decrease in glucose concentration in the tissue at the onset of increased neuronal activity. The first event inducing regional cerebral blood flow increase as well as the vascular compartment, at which vasodilation starts (arteriole, capillary, venule), is still not known so far and has to be further investigated. In disease neurovascular coupling may be disturbed, while this disturbance may itself further contribute to tissue damage. Therefore a thorough elucidation of the physiology and pathophysiology of neurometabolic and neurovascular coupling may contribute to the development of treatment strategies in acute and chronic CNS disorders. Beside the mechanisms, little is known concerning the mediators of neurovascular coupling. The involvement of the highly diffusible vasodilator bioradical nitric oxide (NO) in the regulation of regional cerebral blood flow is widely accepted. In the present work, it has been shown that NO acts as a modulator rather than a mediator of vascular relaxation due to functional activation or systemic hypercapnia in the cerebral cortex, permitting vasodilation mediated by other agents. This modulation mainly occurs via a basal cyclic guanosin-3',5'-monophosphate (cGMP) production within the vascular smooth muscle cell. The basal modulatory concentration of NO / cyclic GMP may be disturbed during cerebrovascular disease, leading to a mismatch of regional cerebral blood flow and metabolic demand.

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.