Ursprung und Charakteristik aktivitätsinduzierter Sauerstoffpartialdruckveränderungen und Blutflussantworten im zerebellären Kortex der Ratte

Abstract

Die biologischen Grundlagen der neurometabolisch-neurovaskulären Kopplung des Gehirns sind nicht hinreichend bekannt. Lokale Änderungen der Nervenzellaktivität sind begleitet von regionalen Änderungen des zerebralen Blutflusses (CBF) und bedienen die Bedürfnisse eines gesteigerten Metabolismus in aktivierten Gehirnregionen und bilden zugleich die Grundlage funktionell- bildgebender Verfahren des Gehirns. Es ist derzeit ein intensives Bestreben die Mechanismen und die Art der neuronalen Aktivität zu klären, die diesen CBF Anstieg vermitteln und die Frage nach den individuellen metabolischen Kosten der an der Signaltransduktion beteiligten Prozesse und Zelltypen und die Art ihrer Energiegewinnung zu klären. In welchem Umfang exzitatorische neuronale Aktivierung zu einem gesteigerten Sauerstoffmetabolismus führt und in welcher Relation zum CBF, wird ebenso kontrovers diskutiert wie die Frage nach dem Regulationsprinzip und dem initialen Auslöser der Kopplungskaskade. Die Bedeutung inhibitorischer Einflüsse auf Energieverbrauch und CBF wurde bisher kaum untersucht. Ziel der vorgestellten Arbeiten war es, die neurophysiologische Grundlage aktivitätsinduzierter metabolischer und hämodynamischer Antworten im zerebellären Kortex der Ratte zu spezifizieren. Es wurde die Bedeutung von Variationen der synaptischen exzitatorischer Aktivität im Vergleich zur Veränderung der Aktionspotentialrate für die Induktion der CBF Antworten und den Sauerstoffverbrauch untersucht, die Relation der Antworten zueinander, sowie deren Beeinflussbarkeit durch Veränderungen des synaptischen inhibitorischen Tonus. Die kombinierte, dynamische Erfassung von Veränderungen des CBF, des Gewebssauerstoffpartialdruckes (tpO2) und der neuronalen Aktivität (mittels Laser-Doppler Flussmessung, Sauerstoff- und Glas-Mikroelektroden; Kletterfaser-Stimulation) ermöglichte es, die Beziehung der Signalantworten zueinander zu etablieren und die Abhängigkeit des tpO2 Signals von Sauerstoffverbrauch und CBF Antwort zu demonstrieren. Durch pharmakologische Disinhibition konnte gezeigt werden, dass im Zerebellum der Blutfluss unabhängig von der spontanen Aktionspotentialrate in Purkinje-Zellen ist und Aktionspotentialrate und hämodynamische Antwort in aktivierten Hirnregionen somit nicht proportional sein müssen. Blutflussanstieg und Sauerstoffverbrauch bedurften andererseits der postsynaptischen Aktivierung neuronaler ionotroper Glutamatrezeptoren. Zugleich erfuhren die stimulationsinduzierten Anstiege im CBF und Sauerstoffverbrauch eine gleichsinnige Modifikation bei Variation des inhibitorischen synaptischen Tonus. Zusammen liefern diese Studien experimentelle Evidenz für die hypothetisierte Vorwärts-vermittelte (engl.: Feed-forward) Regulation der neurometabolischen und neurovaskulären Kopplung und weisen auf eine in Folge der glutamatergen Signaltransduktion an exzitatorischen Synapsen initiierte neuronale Signalkaskade hin, die letzten Endes sowohl in der Steigerung des Blutfluss mündet, als auch im Anstieg des Sauerstoffmetabolismus.

In the normal brain, local variations in nerve cell activity are accompanied by regional changes in cerebral blood flow (CBF) and serve to sustain increased energy metabolism within activated brain regions. This neurovascular and neurometabolic coupling ensures energy homeostasis of the brain and is the basis of signals used in functional neuroimaging to map brain function non- invasively. There is a great effort to elucidate the mechanisms mediating activity induced blood flow increases and to determine the type of neuronal activity underlying evoked haemodynamic responses and to clarify the individual energetic costs of the different processes and cell types involved in information transfer and processing. To which extend transient changes in excitatory neurotransmission are associated with increases in oxygen consumption is under debate and the exact relationship between increases in blood flow and oxygen metabolism is unknown. Furthermore, there is a lack of studies on the influence of neuronal inhibition on energy consumption and CBF. Generally, the basic principle of neurovascular and neurometabolic coupling and the initial trigger for CBF and oxygen consumption increases need to be determined. Aim of the studies was to specify the neurophysiological basis of activity induced metabolic and haemodynamic responses in rat cerebellar cortex. The relevance of changes in synaptic excitatory input or spiking- output for changes in CBF and tissue oxygenation was investigated and the relation between activity induced changes in synaptic activity, blood flow and tissue oxygenation was studied. Lastly, the effect of variations in GABAergic tone on local oxygen consumption and blood flow evoked by synaptic excitation was investigated. Concurrent measures of neuronal activity by glass microelectrodes and changes in tissue oxygen partial pressure (tpO2) by polarographic microelectrodes and CBF by laser-Doppler flowmetry were made and response magnitudes for different levels of activation were calculated. Thereby the interrelation of the signal responses could be established. TpO2 responses within the activated region were shown to be the result of a temporally staggered interplay of oxygen consumption induced by synaptic excitation and increased oxygen supply due to the rise in CBF. By pharmacological disinhibition the studies showed that an isolated increase in Purkinje cell spike activity is not sufficient to increase CBF and demonstrated that changes in spike activity and CBF not necessarily have to be proportional. Importantly, activity induced rises in CBF and oxygen consumption were both shown to be dependent on postsynaptic excitatory activity. Moreover, CBF and oxygen consumption underwent similar modification by shifting inhibitory GABAergic tone. Taken together, the studies of this work provide experimental evidence for the hypothesized feed-forward regulation of neurometabolic and neurovascular coupling and support the idea of glutamatergic neurotransmission as being a common trigger of signalling cascades finally giving rise to blood flow and oxygen consumption increases within activated brain regions.