Die Grundlage der modernen funktionellen Bildgebung des Gehirns mit der BOLD-fMRT ist die neurovaskuläre Kopplung. Sie ist in ihren Mechanismen wenig verstanden und führt zu einem komplexen Zusammenspiel von Blutfluß, Blutvolumen und Oxygenierung. Die Aufklärung der Blutflußantwort mit ihren Auswirkungen auf die Meßsignale ist für eine genaue Interpretation des BOLD-Signals kritisch. Zudem stellt sich seit einigen Jahren die Frage, ob es bei funktioneller Aktivierung aufgrund eines vermehrten neuronalen Sauerstoffverbrauchs zu einer frühen Deoxygenierung kommt. Diese könnte sich als initialer BOLD-Abfall für eine hochauflösende Bildgebung eignen. Ein Vergleich von optischen Methoden und funktioneller Magnetresonanztomographie am gleichen Stimulationsmodell kann diesen Fragen nachgehen. Wir haben die kortikale Blutflußantwort auf somatosensorische Stimulation der Ratte mit den optischen Methoden Optical Imaging und Imaging Spectroscopy sowie mit BOLD-fMRT und blutvolumengewichteter MION-fMRT gemessen. Bei der Stimulation eines einzelnen Whisker-Haares grenzte sich die entsprechende kortikale Kolumne über eine optische Abschwächung ab. Spektroskopisch zeigte sich, daß diesem Signal eine initiale Blutvolumenzunahme zugrundeliegt. Eine Lambert-Beer-Analyse, die die differentiellen Pfadlängen des Lichtes im streuenden Gewebe vernachlässigt, konnte die gemessenen Spektren nicht linear anpassen. Mit einer Annäherung errechnete sie einen artifiziellen Anstieg des Deoxy-Hb in der frühen Antwort. Die quantifizierte Lambert-Beer-Analyse unter Einschluß der differentiellen Pfadlängen konnte die gemessenen Spektren linear anpassen. Im berechneten Konzentrationsverlauf stieg Oxy-Hb zum Stimulationsbeginn an, Deoxy-Hb blieb zunächst auf dem Ruhewert und fiel dann ab. Diese Verzögerung lag im Bereich der kapillären Transitzeit. Die spektroskopisch gemessene frühe Antwort fand sich auch in der Messung der Antwort auf Vorderpfotenstimulation. Zum Vergleich wurden fMRT-Messungen an diesem Stimulationsmodell herangezogen. Die MION-fMRT erfaßte einen initialen Anstieg des plasmatischen Blutvolumens (pCBV), das BOLD-Signal delta-R2* eine verzögerte Hyperoxygenierung. Die Hyperoxygenierung im weiteren Verlauf der Blutflußantwort zeigte in Imaging Spectroscopy und fMRT einen linearen Zusammenhang mit der Dauer der Stimulation. Dabei korrelierte die delta-R2* stark mit der spektroskopisch gemessenen Deoxy-Hb-Konzentration. Auch die Antwort auf das Stimulationsende stellte sich als von der Stimulationsdauer abhängig heraus und wurde als vaskuläres Speicherphänomen interpretiert. BOLD und Deoxy-Hb zeigten beide eine Hypooxygenierung nach dem Stimulationsende. pCBV und das spektroskopisch gemessene korpuskuläre Blutvolumen, cCBV, verhielten sich nach dem Stimulationsende spiegelbildlich. Die pCBV-Zunahme bildete sich nur allmählich zurück, während das cCBV steil unter seinen Ruhewert abfiel. Im Laufe der Messung nahm das cCBV wieder zu und erreichte seinen Ruhewert zeitgleich mit dem pCBV. Eine vermehrte Volumenspeicherung als Folge venöser Streßrelaxation und eine Verschiebung des Hämatokrits aufgrund des Fahraeus-Lindquist-Effekts werden als Grund für diese Veränderungen in Betracht gezogen. Die experimentellen Daten belegen, daß optische und magnetresonanztomographische Methoden korrespondierende Signale von Oxygenierung und Blutvolumen messen. Eine frühe Deoxygenierung wurde nicht gemessen. Allerdings zeigte sich die frühe Komponente der Blutvolumenzunahme an die initiale Kapillarnetzfüllung einer kortikalen Kolumne gebunden. Ihre Detektion mit der fMRT bietet eine Perspektive auf dem Weg zu einer hochauflösenden funktionellen Bildgebung des Gehirns. / Neurovascular coupling forms the basis of modern functional brain imaging with BOLD-fMRI. Its mechanisms are poorly understood as it leads to a complex interaction of blood flow, blood volume and oxygenation. The investigation of the blood flow response with its influences on measured signals is critical for the exact interpretation of the BOLD-Signal. In addition to that, the question on whether or not an increase in oxygen consumption during functional activation leads to an early deoxygenation is not resolved yet. This early deoxygenation could cause an initial BOLD decrease suitable for high resolution imaging. A comparison of optical methods and functional magnetic resonance imaging on the same stimulation model can help to answer these questions. We have measured the cortical blood flow response on somatosensory stimulation of the rat with the optical methods Optical Imaging and Imaging Spectroscopy and with BOLD-fMRI and blood volume weighted MION-fMRI. During stimulation of a single whisker vibrissa the corresponding cortical column delineated itself as an area of increased optical attenuation. A spectroscopical analysis showed an initial blood volume increase responsible for this signal. A Lambert-Beer-Analysis that ignored the differential pathlength of light in scattering tissue could not fit the measured spectra. The result of its closest approximation showed an artificial increase of deoxy-Hb during the early response. The quantified Lambert-Beer-Analysis with inclusion of differential pathlengths succeeded in fitting the measured spectra. The calculated concentration time course showed an increase of oxy-Hb at stimulus onset with deoxy-Hb staying at baseline values and then decreasing. This delay was as long as the capillary mean transit time. The spectroscopically measured early response was also found when measuring the response to forepaw stimulation. For comparison, fMRI measurements on this stimulation model were done. MION-fMRI detected an early increase of plasmatic blood volume (pCBV), the BOLD-Signal delta-R2* a delayed hyperoxygenation. The time course of the hyperoxygenation during the blood flow response showed a linear relationship with the stimulus duration in Imaging Spectroscopy and fMRI. The delta-R2* correlated strongly with spectroscopically measured concentration changes of deoxy-Hb. In addition to that, the response on the stimulus offset was dependent on the stimulus duration. It was interpreted as a vascular storage phenomenon. Both BOLD and deoxy-Hb showed a hypooxygenation after stimulus offset. pCBV and the spectroscopically measured corpuscular blood volume, cCBV, showed mirroring signals after stimulus offset. While pCBV returned to baseline values gradually, cCBV fell below baseline values immediately. During the further measurement cCBV increased and returned to baseline values at the same time as pCBV. To explain this, an increased volume storage due to venous stress relaxation and a hematocrit shift due to the Fahraeus-Lindquist effect are taken into consideration. The experimental data proves that optical and fMRI methods measure corresponding signals of oxygenation and blood volume. An early deoxygenation was not seen. However, the early component of the blood volume increase seems to be restricted to the initial filling of the capillary net supplying a cortical column. Its detection with fMRI offers a perspective on the way to high resolution functional imaging of the brain.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/15443 |
| Date | 09 December 2002 |
| Creators | Royl, Georg Andreas |
| Contributors | Kleinschmidt, A., Hoehn, M., Dirnagl, U. |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin, Medizinische Fakultät - Universitätsklinikum Charité |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf, application/octet-stream, application/octet-stream |
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