dc.contributor.author
Köhncke, Clemens
dc.date.accessioned
2018-06-07T14:44:04Z
dc.date.available
2010-07-06T07:30:20.465Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/321
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4525
dc.description.abstract
Die Zunahme neuronaler exzitatorischer Aktivität geht mit einem Anstieg des
regionalen kortikalen Blutflusses einher. Dieser Anstieg bewirkt, verschiedene
interpretatorische Ansätze zulassend, im Ergebnis eine lokale
Hyperoxygenierung (Fox and Raichle, 1986). Entsprechend wird in Studien die
auf indirekten Methoden beruhen, wie z.B. der fMRI, der BOLD-Kontrast als ein
Surrogatparamter neuronaler Aktivität akzeptiert, in dem Sinne als dass ein
BOLD-Kontrast Anstieg, der im wesentlichen auf einem Abfall des [deoxy-Hb]
beruht, als ein Anstieg neuronaler Aktivität interpretiert und gleichgesetzt
wird. Weithin unbekannt hingegen ist der Einfluss neuronaler Inhibition auf
den lokalen Blutfluss. Auf der einen Seite stellt efferente synaptische
Inhibition als Transmitter vermittelter Prozess sicher einen Energie
verbrauchenden Prozess dar und lässt einen Anstieg des zerebralen Metabolismus
sowie des Blutflusses plausibel erscheinen. (Ackermann, 1984; Nudo und
Masterton, 1984). Auf der anderen Seite reduziert neuronale Inhibition die
Spike Rate efferenter Neurone, so dass Energieverbrauch und Fluss in diesem
lokalen Netz ebenfalls reduziert werden müssten. Zur Untersuchung der
fundamentalen Frage, wie Inhibition die lokale Blutoxygenierung (CBO)
beeinflusst, benutzten wir in dieser Arbeit das Modell der transkallosalen
Inhibition (IHI) des menschlichen Motorkortex provoziert durch kontralaterale
Magnetstimulation, TMS (Meyer, 1995). Die Änderungen der CBO wurden mit einem
NIRS-Imaging System über dem primären Motorkortex (C4) aufgezeichnet. Der
Effekt der IHI auf die CBO während verschiedener Erregungszustände wurde
untersucht: Zunächst der Effekt efferenter Inhibition auf den Motorkortex, der
sich durch eine niedrige exzitatorische Grundaktivität auszeichnete. Hierbei
zeigten sich ein signifikanter Anstieg von oxygeniertem Hämoglobin [oxy-Hb]
und eine Abnahme des desoxygenierten Hämoglobin [deoxy-Hb]. Diese
Veränderungen entsprechen in ihrem charakteristischen zeitlichen Verlauf
qualitativ denen, die mit den koppelnden Verfahren klassischerweise bei einer
neuronalen Exzitation gemessen werden. Durch die Minderung des [deoxy-Hb]
resultierte entsprechend ein positives BOLD-Signal in der fMRI. Damit ergibt
sich ein mögliches Paradoxon der indirekten Messmethoden, da in diesem
Paradigma nicht sicher zwischen einer Inhibition und Exzitation unterschieden
werden könnte. Die Frage, ob ein hohes exzitatorisches Erregungsniveau des
Motorkortex den Effekt der IHI auf die CBO beeinflusst, wurde anschließend
getestet. IHI führte in diesem Zusammenhang zu einer gespiegelten CBO-Antwort:
Es resultierte ein Anstieg von [deoxy-Hb] sowie eine Abnahme von [oxy-Hb].
Dieses Muster wird in der Literatur gemeinhin als ‚Deaktivierung’ bezeichnet
und als verminderte Exzitation des Areals interpretiert. Dieses kann als
mögliches 2. Paradoxon interpretiert werden, da der Effekt einer direkten
Inhibition eines Areals mit hohem exzitatorischen Erregungsniveau nicht von
einer neuronalen Deaktivierung im Sinne eines verminderten exzitatorischen
inputs unterschieden werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen
die Ansicht, dass die cerebrale Blutoxygenierung und somit der lokale
cerebrale Blutfluss abhängig ist vom afferenten Eingangssignal eines lokalen
neuronalen Netzes und den intrakortikalen Prozessen in diesem
(Kontextsensitivität) und nicht die Aktivität der efferenten Neurone
wiedergibt.
de
dc.description.abstract
An increase in neural excitatory activity is associated with an increase in
cortical cerebral blood flow resulting in local hyperoxygenation (Raichle,
1998). This coupling ist the physiological basis of widely used functional
imaging methods and stimulus induced increases of synaptic activity as
reflected by local field potential have been demonstrated to be highly
correlated with increases of the blood oxygenation dependent (BOLD) signal
(Logothesis, 2001). The relationship between neuronal inhibition and the
vascular response, however, remains elusive. Efferent synaptic inhibition is
mediated by transmitter release, which is supposed to increase energy demands
(Nudo+Masterton, 1984). Under the assumption of a coupling of cerebral
metabolism and flow, this would also induce an increase in cerebral blood flow
(CBF) (Ackermann, 1986). On the other hand, with respect to local circuitry,
net spike rate in efferent neurons decreases and energy consumption and blood
flow may therby be lowered. Direct investigations how inhibition affects the
BOLD-signal or CBF yielded incongruous results (Waldvogel, 2000; Mathiesen,
1998). To further elucidate the fundamental issue of how efferent inhibition
affects local cerebral blood oxygenation (CBO), we meassured changes in CBO
over primary human motor cortex (M1) by means of multichannel near-infrared
spectroscopy and used interhemisperic inhibition (IHI) as a model for a
neuronal inhibitory process. IHI denotes the inhibition of the motor response
to a transcranial magnetic stimulation (TMS) over opposite M1 (Ferbert, 1992).
This interhemispheric inhibition is deemed to be mediated by transcallosally
projecting fibers producing an inhibition of the contralateral M1. We first
investigated the effect of inhibition on CBO while the inhibited M1 (M1i) had
a low excitatory drive. Subject kept both hands relaxed, while IHI was
elicited by suprathreshold TMS over the contralateral M1. IHI induced a
significant increase in oxygenated [oxy-Hb] and a decrease in deoxygenated
hemoglobin [deoxy-Hb] in M1i. This pattern of CBO changes is typically
observed during neuronal excitation with a similar time course and would give
a posititve BOLD signal. We further tested whether an increased excitatory
preload in M1 modulates the effect of inhibition on CBO. Subjects tonically
contracted the hand ipsilateral to the stimulation site while IHI was
provoked. Here IHI evoked an opposite pattern in CBO with a rise of [deoxy-Hb]
an a decrease of [oxy-Hb]. Our results show that efferent inhibition of
pyramidal neurons can induce local hyperoxygenation, but that this effect
depends on excitatory drive and the level of neuronal processing in the
inhibited local circuitry. The finding of focal hyperoxygenation during IHI at
rest is well in line with the metabolic demands on ihibition. The current
design however does not allow seperating between increased activity of
GABAergic interneurons and the effects of inhibitory synaptic transmission.
During voluntary contraction of the hand, M1 receives sustained increased
excitatory input mainly from premotor and somatosensory areas and from
thalamus. Intracortical spiking and synaptic activity is presumably on a high
level. Here, the net effect of cortical inhibition of pyramidal cells is a
reduction in cerebral oxygenation, which would result in a negative BOLD
signal. Our findings indicate that CBO and BOLD are more likely dependent on
afferent input and intracortical processing, rather than on activity of the
principal efferent neurons.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Cortical Inhibition
dc.subject
Neuro-vascular coupling
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit
dc.title
Zerebrale Oxygenierungsänderungen bei Inhibition in einem Modell der
transkallosalen Inhibition
dc.contributor.contact
clemens.koehncke@charite.de
dc.contributor.firstReferee
Priv.-Doz. Dr. med. H. Obrig
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. G. Curio
dc.contributor.furtherReferee
Priv.-Doz. Dr. med. M. L. Schroeter
dc.date.accepted
2010-09-03
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000017628-7
dc.title.translated
Cerebral blood oxygenation changes during cortical inhibition in a model of
interhemispheric (transcallosal) inhibition
en
refubium.affiliation
Charité - Universitätsmedizin Berlin
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000017628
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000007642
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access