Messung neuronaler und vaskulärer Signale mittels DC-Magnetenzephalographie und Nahinfrarot-Spektroskopie: anwendungsorientierte Etablierung einer nichtinvasiven Messtechnik

Abstract

Die Möglichkeit einer nicht-invasiven Erfassung von DC-Signalen ist in der klinischen Neurologie von großem Interesse. Neben der physiologischen Charakterisierung von funktions-gebundener DC-Aktivität und von funktionellen kortikalen Netzwerken ist auch die Erfassung pathologischer DC-Aktivität bedeutsam. Bisher sind nicht-invasive Verfahren zum Erfassen und Monitoren von DC-Signalen klinisch nicht etabliert. In Kooperation mit der Physikalisch- Technischen Bundesanstalt wurde eine innovative, weltweit einzigartige Messtechnologie verwendet. Ziel der Arbeit war es, die Signalqualität der nicht-invasiven DC-Magnetenzephalographie über dem primär motorischen Kortex während motorischer Stimulation bei gesunden Probanden und nachfolgend bei Patienten mit Hirninfarkt zu validieren. Darauf aufbauend wurde die erweiterte kombinierte Messtechnologie mit zusätzlicher zeitaufgelöster Nahinfrarot- Spektroskopie verwendet, um das neuro-vaskuläre Antwortverhalten nicht-invasiv zu untersuchen. Im Ergebnis konnten mittels DC-Magnetenzephalographie stabile und reproduzierbare DC-Signale sowohl quantitativ als auch qualitativ nicht- invasiv erfasst und hinsichtlich Amplitudenstärke, Dynamik und räumlichem Feldmuster charakterisiert werden. Die DC-Signale konnten über Zeiträume von 30 bzw. 60 Minuten direkt und ohne Mittelung von Reiz- oder Aktivierungsantworten aufgezeichnet werden. Bei Verwendung differenter Stimulusmodalitäten konnten die analysierten DC-Signale mit Stimulus-bezogenen differenten Signalcharakteristika dargestellt werden und damit die neuronale Genese der gemessenen Signale unterstreichen. Die kombinierte nicht-invasive Messtechnologie von DC-Magnetenzephalographie und zeitaufgelöster Nahinfrarot- Spektroskopie erlaubte ebenfalls eine reproduzierbare quantitative und qualitative Analyse stimulus-bezogener neuronaler und vaskulärer Signale von 30 Minuten Aufzeichnungsdauer. Der Einsatz der zeitlich hochaufgelösten Breitband-Magnetenzephalographie mit zeitaufgelöster Nahinfrarot-Spektroskopie zeigte darüber hinaus weitgehende Linearitäten des neuro-vaskulären Signalverhaltens sowie Hinweise für Nicht-Linearitäten. So führten beispielhaft komplexe Fingerbewegungen im Vergleich zu einfachen Fingerbewegungen bei älteren Probanden nur zu einer signifikanten vaskulären Amplitudenzunahme, nicht aber zu einer neuronalen Amplitudenzunahme. In allen kombinierten MEG-NIRS-Arbeiten zeigte sich eine im Sekundenbereich verzögerte vaskuläre Signalantwort im Vergleich zur neuronalen Signalantwort. Dieses war besonders ausgeprägt am Ende einer motorischen Stimulationsperiode. Der Aktivierungsanstieg verlief weitgehend parallel zwischen neuronaler und vaskulärer Antwort. In den anwendungsorientierten Untersuchungen der Messtechnik am Patienten mit subakutem Hirninfarkt zeigte sich, dass auch klinisch schwer betroffene und eingeschränkt lagerungsfähige Patienten mit hinreichender Signalqualität über mindestens 15 Minuten untersuchbar waren. Das Signal-Rausch-Verhalten erlaubte bei etwa 60 Prozent der Patienten eine quantitative und qualitative Signalauswertung ohne Notwendigkeit einer Mittelung. Dabei zeigte sich ein Amplitudenverlust des neuronalen DC-Signales über den betroffenen Hemisphären sowohl bei kortikalen Infarkten, aber auch -schwächer ausgeprägt- bei rein subkortikalen Läsionen als Zeichen des betroffenen Funktionssystemes einschließlich seiner kortiko-subkortikalen Bahnen. Zusammenfassend konnte die Methode der DC-Magnetenzephalographie, aber auch der kombinierten DC-Magnetenzephalographie und Nahinfrarot-Spektroskopie als zuverlässig für die Erfassung von neuronalen Signalen bzw. vaskulären Signalen gezeigt werden. Im Ausblick soll die etablierte Messtechnologie beim gesunden Probanden zur weiteren Charakterisierung linearer bzw. nicht-linearer Komponenten der neuro-vaskulären Kopplung verwendet werden, was insbesondere für die valide Auswertung funktioneller Bildgebungsstudien bedeutsam ist. Potentiell ist die Messtechnologie auch am Patienten einsetzbar, um akute pathologische DC-Aktivität nach Hirninfarkt zu erfassen oder um funktionelle zerebrale Erholung besser zu charakterisieren.

In cooperation with the Physikalisch-Technische Bundesanstalt Berlin we used combined dc-magnetoencephalography (MEG) and near-infrared spectroscopy (NIRS) to study the cerebral motor network. The non-invasive 'dual' setup with broadband MEG and NIRS was elaborated and tested to be capable of characterizing simultaneously the complementary aspects of the 'hemodynamic inverse problem', i.e., the coupling of neuronal and vascular/metabolic signals with a time resolution of milliseconds in healthy subjects and in subacute stroke patients. Basic physiological signals, such as heart rate, respiration, and electromyographical activity were correlated with the DC-MEG and tr-NIRS signals. We were able to monitor the time course of motor-related neuronal and vascular signals up to 60 minutes. The signals were visible even in a single trial mode without the need of averaging. In conclusion we confirmed that the combined MEG and NIRS technique provides a clinically feasible, non-invasive 'dual' measuring tool to examine physiological and pathophysiological cerebral coupling concepts of the motor network.