Fokalität und Frequenzabhängigkeit der vaskulären Antwort bei visueller Stimulation mit der Nahinfrarotspektroskopie

Abstract

Die Nahinfrarotspektroskopie ist eine Methode, mit der Konzentrationsänderungen von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin im cerebralen Gewebe gemessen werden können. In dieser Arbeit wurde ein Multikanalsystem verwendet, das in der Lage ist, diese Änderungen über einem 10x5 cm großen Areal zu messen. Im Vergleich zu fMRT und PET besitzt die Nahinfrarotspektroskopie deutlich geringere technologische Anforderungen, so dass dieses Gerät portabel und somit direkt am Patientenbett einsetzbar ist. Die Ziele der Arbeit waren die Entwicklung einer Methodik zur Auswertung der mit dem System messbaren Rohdaten sowie der Einsatz des Systems für funktionale Aktivierungsstudien des visuellen Kortex. Diese Studien ergänzen die bislang zur Validierung des Systems durchgeführten Untersuchungen, indem insbesondere die Sensitivität der Nahinfrarotspektroskopie gegenüber parametrischen Designs des Stimulus überprüft wird. Mittels Halbfeldstimulation durch ein kontrastinvertiertes Schachbrettmuster wurde die Fokalität der vaskulären Antwort und somit der kortikal cerebrale Ursprung der gemessenen Signale nachgewiesen. Dabei konnte die Fähigkeit des Multikanalsystems zur topografischen Darstellung des untersuchten Gewebes ausgenutzt werden, um automatisch dasjenige Volumen zu ermitteln, in dem sich die beste Reizantwort darstellt. Individuelle Unterschiede in Lage und Größe des visuellen Kortex konnten auf diese Weise ausgeglichen werden. Zusätzlich wurden die relativen Konzentrationsänderungen von [oxy-Hb] und [deoxy-Hb] bei Kontrastumkehr des Schachbrettmusters mit 3, 5 und 8 Hz ermittelt. Die Frequenzabhängigkeit der vaskulären Antwort wurde ergänzend auch bei Ganzfeldstimulation mit 1, 3, 5, 8 und 10 Hz untersucht. Die im Vergleich zu den Halbfeldexperimenten stärkere vaskuläre Antwort bei Aktivität einer größeren Neuronenpopulation im visuellen Kortex spiegelte sich in der höheren Signifikanz der Ergebnisse wider.

Near infrared spectroscopy (NIRS) is a method to determine changes in the concentration of oxygenated hemoglobin (oxy-Hb) and desoxygenated hemoglobin (deoxy-Hb) in the central nervous system. Compared to functional magnet resonance imaging or positron emission tomography, NIRS is a less expensive method with portable devices suitable for bed-side testing. Here, a multi- channel imaging system was used able to collect data from an area of 10 x 5 centimeters. The main objectives of this study were to develop methods to evaluate raw data and to demonstrate potential applications in functional studies of the human visual system. Visual hemifield stimulation demonstrated a focal vascular response proving the cortical source of the signal. The multi channel detection suitable for topographic visualization of the observed area, allowed for the automatic determination of the best possible measurement position. Thereby, the system could be adjusted for individual difference in the size, shape and location of the visual cortex. Relative changes in the concentration of oxy-Hb and deoxy-Hb were also determined during checkerboard pattern-reversal at stimulation frequencies of 3, 5 and 8 Hz. In addition, the frequency tuning curves for full-view visual stimulation at 1, 3, 5, 8 and 10 Hz were determined. Compared to hemifield stimulation, full-view stimulation improved the reliability of the results due to an increased neuronal activity.