Nahinfrarotspektroskopie und funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie: simultaner Ansatz bei motorischer Einzelstimulation

Abstract

Ziele: Die motorische Block-Stimulation in funktionellen Studien unterliegt Einflüssen der Habituation (intraindividuell) und Übungsartefakten (interindividuell), was die Vergleichbarkeit der so erzielten Ergebnisse erschwert. In der vorliegenden Arbeit wurde ein möglichst einfaches motorisches Stimulationsparadigma in der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) getestet, das für Untersuchungen der neurovaskulären Kopplung insbesondere bei Patienten mit vaskulären Erkrankungen tauglich sein soll. Es wurde der Einfluss möglicher stimulationsbezogener systemisch-hämodynamischer Veränderungen untersucht sowie die Wertigkeit der Lokalisation der Optoden für das NIRS-Signal aufgezeigt. Methoden: Verwendet wurde ein 2-Kanal-NIRS-System, das eine Spektralanalyse des gesamten NIR-Lichtes zwischen 720 und 920 nm ermöglicht. Zur kontinuierlichen Aufzeichnung der systemisch-hämodynamischen Antwort wurde der periphere arterielle Blutdruck über eine nicht-invasive Kapillarpulsdruckmanschette am V. Finger der linken Hand registriert. Um die Optodenlokalisation in Bezug auf das aktivierte Areal zu erfassen, wurden Simultanmessungen der NIRS und der funktionellen Magnetresonanz-Tomographie (fMRT) im MR-Tomographen mit Blood-Oxygen-Level-Dependent- (BOLD-) Kontrast- sensitiven Sequenzen durchgeführt. Ergebnisse: Die einzelne schnellende Fingerbewegung, durch Tastendruck registriert, ist in der Lage, eine ausreichend starke neurovaskuläre Antwort hervorzurufen, die eine lateralisierte [deoxy-Hb]-Änderung zur Folge hat und sowohl in der NIRS als auch der fMRT entsprechend registriert wird. Bei der motorischen Stimulation kommt es zu einer systemischen Mitreaktion des Blutdruckes, was sich besonders im [oxy-Hb] niederschlägt und bei der Kürze der Stimulationsdauer hier keine Lateralisierung erkennen lässt. Schlussfolgerung: Die exakte Positionierung der Optoden ist entscheidend für das hier verwendete 2-Kanal-NIRS-System. Liegt das in der BOLD-fMRT maximal aktivierte Areal nicht zwischen den Optoden im durchstrahlten Volumen, ist keine Lateralisierung im [deoxy-Hb] mehr festzustellen und damit die intrazerebrale Herkunft eines gemessenen NIRS- Signals fraglich. Die motorische Stimulation mittels Tastendrucks durch eine einzelne Fingerbewegung ist technisch gut durchführbar und eignet sich somit prinzipiell für die Anwendung insbesondere bei älteren Patienten. Der klinisch-routinehaften Anwendung der NIRS in dem hier verwendeten Aufbau steht die Problematik der unsicheren Optodenlokalisation entgegen. Weiterentwickelte Systeme, die eine großflächigere Untersuchung oder optische Bildgebung des Kortex ermöglichen und nicht auf die punktuelle Messung beschränkt sind, können in Zukunft dem Potential dieser Technik gerecht werden und ihre Vorteile im Konzert des bildgebenden diagnostischen Orchesters verstärkt zur Geltung bringen.

Objective: Block-designed paradigms for motor stimulations are known to influence results of functional brain studies by intra- and interindividual artifacts due to habituation and practical skills. The following thesis investigates an approach to an event-related motor stimulation paradigm in near-infrared spectroscopy (NIRS), which could be suited to conduct studies on neurovascular coupling especially in elderly patients. At focus of this work was 1) possible influences of a stimulation related systemic hemodynamic response and 2) the role of positioning of the optical leads (optodes) to the NIRS signal. Methods: A 2-channel NIRS-system was used for spectral analysis of the near-infrared light (720 nm to 920 nm). In 10 volunteers (female/male = 5/5, mean age 25.9 ± 1.7 years), motor stimulation was conducted and registered by a rapid push of a key by the right and left second finger in pseudorandomized alternation. For continuous monitoring of the systemic hemodynamic response, the peripheral arterial blood pressure (ABP) was registered by a non-invasive pneumatic capillary pressure cuff at the left 5th finger. To localize the optodes related to the activated cortical area, the same paradigm was used in a setup of simultaneous NIRS and Blood-oxygen-level- dependent [BOLD] contrast functional magnetic resonance imaging (fMRI). Results: 1) The single brisk finger movement evoked a lateralized change in deoxy-hemoglobin concentration ([deoxy-Hb]) in the primary motor cortex, strong enough to be registered by NIRS and fMRI. This motor stimulation is accompanied by systemic increase of ABP. This could also monitored by a simultaneous increase of [oxy-Hb] which was not lateralized. 2) Placing the optodes accurately was crucial with this 2-channel NIRS setup. Best accordance of NIRS and BOLD signals were found when the activated area was located right between the optodes with a highly significant correlation of [deoxy-Hb] and BOLD-contrast (p<0.0005). No lateralization however could be recorded when the activated cortex was out of a possible NIRS sampling volume. Conclusions: The event-related motor stimulation is a technically easy to use paradigm, which requires no special practicing or adroitness and is thus suited especially for elderly subjects. In clinical routine diagnostics the here used NIRS-setup is problematic due to a difficult localization of the optodes related to the volume of interest. In future, multi-channel NIRS systems will enable optical imaging of the cortex and investigation of a broader area of cortical neurovascular response.