Nicht-invasive Untersuchung der neurovaskulären Kopplung am Modell der Habituation des Visuell Evozierten Potentials (VEP) und der Oxygenierungsantwort

Abstract

Moderne nicht-invasiv bildgebende Verfahren des Gehirns basieren auf dem Prinzip der neurovaskulären Kopplung, dem Phänomen, dass aktivierte Hirnareale aufgrund eines erhöhten Energieverbrauches stärker durchblutet werden. Wie die Übersetzung neuronaler Aktivität in die resultierende vaskuläre Antwort erfolgt, ist bislang nur unvollständig verstanden. Unter lang anhaltender Stimulation wurde eine Amplitudenreduktion der vaskulären Antwort beschrieben. Dies führte zu der Annahme, dass eine transiente „Entkopplung" zwischen neuronaler Aktivität und vaskulärem Signal auftrete, die aufgrund unterschiedlicher metabolischer Prozesse zu Beginn und im Verlauf der Stimulation erklärt wurden. Bisher ist jedoch ungeklärt, inwieweit dies allein auf metabolischen Umstellungen oder neuronalen und vaskulären Gewöhnungseffekten an den wiederkehrenden Reiz, im Sinne einer Habituation, beruht. In der vorliegenden Studie werden neuronale und vaskuläre Habituation unter visueller Stimulation (3 Hz Kontrastumkehr) simultan mittels Visuell Evozierten Potentialen (VEP) und Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) untersucht. Habituationseffekte wurden auf zwei Zeitskalen untersucht. Innerhalb eines einminütigen Stimulationsblockes zeigte sich eine signifikante Reduktion der P100N135-Amplitude des VEPs in Korrelation mit einer Reduktion der vaskulären Parameter (Konzentrationsänderungen des oxygenierten und deoxygenierten Hämoglobins; [oxy-Hb] und [deoxy-Hb]). Über 13 sukzessive Stimulationsblöcke zeigte sich nur ein schwacher Trend hinsichtlich einer neuronalen Habituation ohne Relation zur vaskulären Antwort. Anhand der Ratio zwischen Veränderungen der P100N135-Amplitude des VEPs und der Konzentrationsänderungen der vaskulären Parameter ([oxy-Hb] und [deoxy-Hb]) innerhalb des einminütigen Stimulationsblockes konnte ein Kopplungsindex definiert werden. Es ergab sich ein Abfall des [deoxy-Hb] um 0,02 µM und ein Anstieg des [oxy-Hb] um 0,06 µM pro 1 µV Zunahme der P100N135-Amplitude. Dieser Kopplungsindex war sowohl für den Stimulations- als auch den Habituationseffekt konstant. Diese Ergebnisse unterstützen die Vorstellung eines linearen Verhältnisses der neurovaskulären Kopplung und sprechen gegen eine transiente Entkopplung neuronaler Aktivität und vaskulärer Antwort aufgrund metabolischer Umstellungen.

Non-invasive imaging methods of the brain are based on the neurovascular coupling, the phenomenon of an increased regional blood flow of functionally activated brain regions due to an increased energy demand. There are, however, a number of unresolved questions, i.e. regarding the translation from the neuronal activation to the vascular response. For prolonged stimulations a reduction of the vascular response has been shown. This led to the assumption of an transient uncoupling of neuronal activity and vascular signal due to a shift from non-oxidative to oxidative metabolism. So far, it is unclear, whether these changes could also be explained by neuronal habituation that will be mirrored by the closely linked vascular response. In this study, visually evoked potentials (VEP) and cerebral oxygenation changes, as measured by near-infrared spectroscopy (NIRS), are assessed to elucidate the relation between electrophysiological and vascular responses to a checkerboard stimulus reversing at 3 Hz. Habituation of either response is analysed on two time scales. Within the 1-min stimulation period a significant decrease in P100N135-component amplitude was closely coupled to a significant decrease in the amplitude of the oxygenation parameters (concentration changes in oxygenated and deoxygenated haemoglobin, [oxy-Hb] and [deoxy-Hb]). The analysis across the 13 successive stimulation blocks yields a trend for a decrease in the VEP-components' amplitude, not reflected in the vascular response. When calculating a ratio between the amplitude of the P100N135-component and the concentration changes in the vascular parameters a "coupling index" of a 0,02 µM decrease in [deoxy-Hb] and an increase of 0,06 µM in [oxy-Hb] is found per 1 µV increase in the P100N135-component amplitude. The ratio is the same irrespective of its assessment from the stimulation effect or the habituation effect. These results support the notion that the coupling between neuronal activation and the vascular response exhibits linear aspects and thus might argue against a transient uncoupling of neuronal activity and vascular response due to oxidative metabolism.