Simultaner Einsatz der Magnetenzephalographie und Nahinfrarotspektroskopie zur nicht invasiven Analyse der neurovaskulären Kopplung am Beispiel eines simplen und komplexen Fingerbewegungsparadigmas bei jungen und alten Menschen

Abstract

Die modernen funktionell bildgebenden Verfahren sind ein wichtiger Bestandteil der Neurowissenschaften, um Einsichten in die komplexen neuronalen Vorgänge beim Menschen zu gewinnen. Dabei kann zwischen elektrophysiologischen Verfahren einerseits, die die neuronale Aktivierung im Gehirn direkt darstellen, und vaskulären, hämodynamischen und metabolischen Methoden auf der anderen Seite, die die neuronale Aktivierung nur indirekt darstellen, differenziert werden. Um die Signale dieser Methoden möglichst exakt interpretieren zu können, ist ein detailliertes Verständnis der sich verändernden Eigenschaften des regional zerebralen Blutflusses, des zerebralen Blutvolumens und der Oxygenierung des Hämoglobins in den Gefäßen in Abhängigkeit der sich ändernden lokalen neuronalen Aktivität, also der neurovaskulären Kopplung, unabdingbar. Es sind verschiedene Faktoren (z. B. die arterielle Hypertonie oder das Alter) beschrieben, die auf die neuronale oder vaskuläre Ebene Einfluss nehmen und Parameter modifizieren, die schließlich in einer Alterierung der neurovaskulären Kopplung münden. In dieser Arbeit wurde neurovaskuläre Kopplung nicht invasiv bei zwei Gruppen gesunder Probanden unterschiedlichen Alters mit Breitband- Magnetenzephalographie und zeitaufgelöster Nahinfrarotspektroskopie untersucht. Es wurde ein simples und komplexes Fingerbewegungsmuster von den Probanden ausgeführt, um simultan neuronale und vaskuläre Veränderungen mit einer hohen zeitlichen Auflösung zu erfassen. Dabei wurde zum einen die zeitliche Reagibilität untersucht, also die Geschwindigkeit eines neuronalen und vaskulären Anstiegs und Abfalls nach Beginn und Ende der motorisch induzierten kortikalen Aktivierung, und zum anderen die absolute Höhe der neuronalen und vaskulären Aktivierung. Die komplexitätsabhängigen neuronalen und vaskulären Veränderungen konnten simultan erfasst und intra- und interindividuell verglichen werden. Im Ergebnis konnte die neue kombinierte Messtechnik das neuronale und vaskuläre Signal mit hoher zeitlicher Auflösung qualitativ und quantitativ reliabel darstellen. Bezüglich des neurovaskulären Signalverhaltens wurden im Wesentlichen Linearitäten, aber auch nichtlineare Verhältnisse beobachtet. So fanden sich allgemein zeitlich verzögerte vaskuläre Signale im Vergleich zu den neuronalen Signalen. Es zeigten sich Nichtlinearitäten des neuronalen und vaskulären Signalanstieges beim Vergleich zwischen den simplen und komplexen Fingerbewegungen. Ein weiteres Resultat der vorliegenden Arbeit ist, dass im Vergleich der nach Alter differenzierten Probandengruppe bei den älteren Probanden eine verlangsamte und in der Höhe verminderte neuronale Reaktion auftrat, die bei der vaskulären Antwort kaum zu beobachten war. Dies kann Implikationen für die funktionell bildgebenden Verfahren haben.

To disentangle the complex neuronal interaction in humans, modern functional imaging techniques are an important tool in the field of neuroscience. Electrophysiological methods that measure neuronal activity directly can be distinguished from vascular, hemodynamic and metabolic methods that monitor neuronal activity only indirectly. For an exact interpretation of signals from these methods, a detailed understanding of the changing properties of the regional cerebral blood flow, blood volume and oxygenation of hemoglobin - depending on the changing neuronal activity, i. e. neurovascular coupling - is vital. Different variables, e. g. hypertension and age, can change neuronal and vascular parameters and thereby lead to an altered neurovascular coupling. Here, neurovascular coupling was investigated in two groups of healthy subjects with a different age structure (young and old group) with broadband magnetoencephalography and time-resolved near-infrared spectroscopy. For the simultaneous acquisition of neuronal and vascular changes with high temporal resolution, a simple and complex finger movement paradigm was performed by the subjects. The speed of the neuronal and vascular signal increase and decrease after the beginning and end of the cortical activity - induced by the finger movements – as well as the amplitude of the neuronal and vascular signals were recorded. The complexity-dependent neuronal and vascular changes were simultaneously captured and compared inter-individually and intra- individually. The new combined measuring technique illustrates reliably the neuronal and vascular signal with a high temporal resolution on a qualitative and quantitative basis. Regarding the neurovascular signal behavior, mostly linear but also non-linear conditions were found. The vascular signals were delayed, compared to the neuronal signals. Additionally, comparing the neuronal and vascular signal increase between simple and complex movements, non-linearities were found. Comparing the two groups, the older subjects showed a slower increase and weaker amplitude in neuronal reaction, which was hardly demonstrable for the vascular signal. This could have implications for the interpretation of results from functional imaging techniques.