Neurovaskuläre Kopplung beschreibt die enge Verbindung zwischen neuraler Aktivität und zerebralem Blutfluss. Unter physiologischen Bedingungen gewährleistet diese Verbindung eine der Aktivität des jeweiligen Gewebes angepasste Blutversorgung. In zahlreichen neurovaskulären und neurodegenerativen Erkrankungen konnte eine abnorme neurovaskuläre Kopplung nachgewiesen werden, die einen potentiellen Zielmechanismus für eine therapeutische Intervention darstellt. Valide experimentelle in vivo Modelle zur Untersuchung der neurovaskulären Kopplung sind somit essentiell. Herkömmliche Modelle haben Nachteile wie die Notwendigkeit einer Kraniotomie oder die Anwendung einer peripheren Stimulation zur Aktivierung des Kortex über subkortikale Bahnen. Dies ist ein Störfaktor, falls die zu untersuchende Pathologie auch subkortikale Zentren beeinflusst. In dieser Studie verwendeten wir optogenetische Stimulation zur direkten Aktivierung des Barrel-Kortex in Thy1-Channelrhodopsin-2-YFP-transgenen Mäusen und quantifizierten die lokalen und räumlich entfernten Veränderungen des kortikalen Blutflusses mittels Laser Speckle Flowmetry. Wir fanden eine von Intensität und Frequenz des Lichtstimulus abhängige Hyperämie im stimulierten Barrel Kortex und im ipsilateralen Motorkortex. Der kontralaterale Barrel-Kortex zeigte eine oligäme Antwort, die elektrophysiologisch mit interhemisphärischer Inhibition korrelierte. Kortikale Streudepolarisierungen, welche bekannterweise die physiologische neurovaskuläre Kopplung unterbrechen, führten in unserem Modell zu einer anhaltenden Halbierung der optogenetisch induzierten Hyperämie. Zusammenfassend zeigen unsere Daten deutliche Überschneidungen der optogenetisch induzierten funktionellen Hyperämie mit der physiologischen neurovaskulären Kopplung und reflektieren bekannte kortikale Konnektivität. Diese Ergebnisse begründen den Einsatz unseres in vivo Modells zur minimal-invasiven Untersuchung von neurovaskulärer Kopplung in neurovaskulären und neurodegenerativen Erkrankungen.
Neurovascular coupling describes the close connection between neural activity and cerebral blood flow. Under physiological conditions, this connection ensures a match of supply and demand between blood flow and tissue. Abnormal neurovascular coupling has been demonstrated in several neurovascular and neurodegenerative diseases, representing a potential target mechanism for therapeutic intervention. Therefore, valid experimental in vivo models to study neurovascular coupling are essential. Conventional models have limitations, such as the need for craniotomy or the use of peripheral stimulation to activate the cortex via subcortical pathways. This is a confounding factor if the pathology studied in the model also affects subcortical centers. In this study, we used optogenetic stimulation to directly activate the barrel cortex in Thy1-channelrhodopsin-2-YFP transgenic mice and imaged local and distant changes in cortical blood flow using laser speckle flowmetry. We found hyperemia in the stimulated barrel cortex and the ipsilateral motor cortex, dependent on intensity and frequency of the light stimulus. The contralateral barrel cortex showed an oligemic response that correlated electrophysiologically with interhemispheric inhibition. Cortical spreading depression, which is known to disrupt physiological neurovascular coupling, resulted in a sustained decrease of optogenetically induced hyperemia in our model. In summary, our data show a clear overlap of optogenetically induced functional hyperemia with physiological neurovascular coupling and reflect known cortical connectivity. These results establish the use of our in vivo model for minimally invasive investigation of neurovascular coupling in models of neurovascular and neurodegenerative diseases.
