Untersuchung von Hämoglobin-Deoxygenierungs-abhängigen Mechanismen der neurovaskulären Kopplung im cerebralen Kortex der Ratte

Abstract

Das heutige Verständnis der Gehirnfunktion beruht zu einem großen Teil auf der Entwicklung funktioneller Bildgebungsmethoden. Dabei kann ein Anstieg der Aktivität von Nervenzellen indirekt durch einen erhöhten cerebralen Blutfluss (CBF) nachgewiesen werden. Dieser Zusammenhang zwischen neuronaler Aktivität und cerebralem Blutfluss wird als neurovaskuläre Kopplung bezeichnet. Die molekulare Grundlage dieser Kopplung ist bislang nur unvollständig verstanden. Eine vorherrschende Hypothese geht davon aus, dass die neurovaskuläre Kopplung von der Deoxygenierung des Hämoglobins abhängig sei. Unsere Versuche verfolgten das Ziel, diese Hypothese zu überprüfen und den Einfluss der Hämoglobin-Deoxygenierung auf die Neurovaskuläre Kopplung in vivo zu analysieren. Zur Überprüfung deoxy-Hämoglobin (deoxy-Hb)-abhängiger Regulationsmechanismen haben wir die kortikalen Blutflussantworten auf somatosensorische Stimulation der Ratte unter normobaren (1 Atmosphere of absolut pressure (ATA), 21%O2) und zum anderen unter hyperbaren Bedingungen (mittels 3 ATA, 100%O2) gemessen. Die hyperbare Hyper-oxygenierung verhindert, aufgrund der ausgeprägten Sauerstoffsättigung unter 3 ATA und 100%O2, die von dem Sauerstoffbedarf abhängige Deoxygenierung des Hämoglobins. Ein an die Hämoglobin-Deoxygenierung gekoppelter Mechanismus würde unter hyperbarer Hyperoxygenierung außer Kraft gesetzt und eine Zunahme der Blutflussantwort auf die somatosensorische Stimulation verhindern. Zur Analyse der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins verwendeten wir die optische Mikrofaser- Spektroskopie. Wir konnten zeigen, dass unter den hyperbaren Bedingungen eine 100%ige Hb-O2 Sättigung eintritt und sich die Konzentration des deoxy-Hb unter Stimulation nicht mehr verändert. Somit können wir davon ausgehen, dass die hyperbare Hyperoxygenierung (mittels 3 ATA, 100%O2) für die Unterbindung der Hämoglobin-Deoxygenierung ausreicht. Für die Messung der Blutflussantworten zogen wir die Laser-Doppler-Flussmessung heran. Unter hyperbaren Bedingungen konnte eine reproduzierbare, und im Vergleich zu Messungen unter normobaren Bedingungen sogar vergrößerte, CBF-Antwort auf somatosensorische Stimulation nachgewiesen werden. Durch diese Ergebnisse wird eindeutig gezeigt, dass die Hämoglobin-Deoxygenierung und nachgeschaltete Mechanismen für die Regulation der Neurovaskulären Kopplung nicht verantwortlich sein können.

Modern functional brain imaging techniques such as fMRI, PET, and optical imaging do not directly measure neuronal activity but rather changes of regional cerebral blood flow (rCBF) and oxygenation. It is well known that neuronal activation leads to an increase in rCBF, a phenomenon called neurovascular coupling. Although neurovascular coupling is widely used to monitor neuronal activity, the underlying molecular mechanisms are still poorly understood. A widely discussed model of neurovascular coupling implies the deoxygenation of hemoglobin. Our experiments were aimed to test this hypothesis in vivo and to analyse the influence of hemoglobin deoxygenation on neurovascular coupling. In the present study, the blood flow (rCBF) response to functional activation in the somatosensory cortex of rats (electrical forepaw stimulation) was comparatively analysed under hyperbaric oxygenation (HBO) and normobaric normoxia. Evidence from the literature as well as our own measurements demonstrate that under 3 ATA (atmospheres absolute) and 100% O2 (leading to ~ 2200 mmHg arterial pO2) oxygen supply to the tissues is completly provided through dissolved oxygen. Thus, no deoxygenation of hemoglobin can occur. Hemoglobin deoxygenation dependent mechanisms to regulate neurocascular coupling will be suppressed under these conditions and thus no increase in rCBF to functional activation should be seen according to the hemoglobin deoxygenation model. Changes of oxygenated and deoxygenated hemoglobin as well as Hb oxygen saturation were analysed with Microfiber Spectroscopy. Under hyperbaric conditions no changes in deoxygenated Hb could be observed. The levels of Hb oxygen saturation were found to reach up to 100%. Thus, we conclude that HBO (3 ATA/100%O2) completely prevents hemoglobin deoxygenation. Laser Doppler Flowmetry (LDF) was used to measure relative changes in rCBF. We found reproducible blood flow responses to functional activation under hyperbaric oxygenation. Taken together, these results demonstrate that rCBF regulation involves other mechanisms than hemoglobin deoxygenation.