Mit Licht ins Gehirn blicken. -optische Methoden zur Untersuchung von Hirnaktivität im Tierexperiment -

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1 Mit Licht ins Gehirn blicken -optische Methoden zur Untersuchung von Hirnaktivität im Tierexperiment - Ute Lindauer Experimentelle Neurochirurgie Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

2 MRT: Funktionelle Bildgebung des Gehirns Fingersomatotopie t im somatosensorischen n Kortex des Menschen DIG 5 DIG 4 DIG 3 DIG 2 DIG 1 Ruben, Krause, Curio, Villringer

3 Bildgebende Methoden zur Untersuchung von Hirnfunktion - (f)mrt (BOLD, CBF) - PET (Metabolismus, CBF, Neurotransmitter) - Optische Bildgebung

4 Extink ktionsk koeffizie ent [mm -1 cm -1 ] Tierexperiment invasive Methode Optisches Fenster Eindringen i in biologisches Gewebe (nicht invasive Messung) Oxy-Hb Deoxy-Hb Wasser x20 Cyt-Ox [mm -1 ] µ a Wellenlänge [nm]

5 Veränderung der Eigenschaften des Lichts Charakteristika des einstrahlenden Lichts Charakteristika des reflektierten Lichts Differenz: Information über Hirnfunktion

6 Wechselwirkungen mit dem Gewebe - Streuung: durch Volumenänderung von Zellen / Organellen - Absorption: wichtigste Chromophoren im zerebralen Gewebe: intravaskulär: Hämoglobin im Parenchym: Cyt-Oxidase - Fluoreszenz: intrinsisch: (Auto)Fluoreszenz: NADH / Flavoproteine (FAD, FMN) extrinsisch: Fluoreszenzfarbstoffe - optischer Doppler Effekt: ausgelöst durch Blutfluß (Bewegung der Erythrozyten)

7 Licht Hirnaktivität elektrisch metabolisch vaskulär Streuung: Ionen- verteilung Absorption: Cyt-Oxidase Autofluoreszenz: NADH / FAD Absorption: Hämoglobin Opt.Doppler Effekt: Blutfluß

8 Verwendung vaskulärer Signale zur Untersuchung von Hirnaktivität Neurovaskuläre Kopplung

9 Neurometabolische / neurovaskuläre Kopplung ität ++ + neuronale Aktivität x Energie Metabolismus f(x) Blutfluß g(f(x)) g(x) Hohe zeitliche und räumliche Auflösung

10 Tiermodell der funktionellen Aktivierung Whisker Haare der Ratte Knott et al., Neuron, Vol 34, , 2002

11 Tiermodell der funktionellen Aktivierung Whisker Haare der Ratte whisker barrel Kortex ausgedünnter Knochen oder kranielles Fenster Lindauer et al., Am J Physiol 1993 acsf Lichtleiter whisker barrel Kortex Deckglas Superfusion Knochen Dura mater (intakt oder entfernt)

12 Wechselwirkungen mit dem Gewebe - optischer Doppler Effekt: ausgelöst durch Blutfluß (Bewegung der Erythrozyten)

13 Prinzip der Laser Doppler Blutflußmessung 780 nm Translucent bone/dura mater Surface vessel 'shifted' photons Microcirculation 'unshifted' photons 'lost' photons Brain parenchyma absorbed' photons

14 Somatosensorische Stimulation an der Ratte: regionale zerebrale Blutflußantwort 26 2,0 LDF-rCB BF [AU] LDF-rCB BF [AU] 1,8 1,6 1,4 1, ,0 0, time [s] time [s] Whisker Haar Auslenkung sensible elektrische Stimulation der Vorderpfote

15 Bildgebung von Blutflußveränderungen: Laser Speckle Kontrast Analyse Royl, Leithner et al.

16 Wechselwirkungen mit dem Gewebe - Absorption: wichtigste Chromophoren im Absorption: wichtigste Chromophoren im zerebralen Gewebe: Hämoglobin

17 Berechnung der Konzentration eines licht-absorbierenden bi Moleküls d Lichtquelle X Detektor Modifizierter Lambert-Beer Algorithmus A = ε x c x d x DPF (λ)

18 Somatosensorische Stimulation an der Ratte: regionale zerebrale Blutoxygenierungsantwort (Absorptionsveränderungen bei nm) x 10-3 t=3.6 s attenuation fit residues Δ Kon nzentrati ion [mm] x10-3 oxy-hb deoxy-hb Zeit [s] Lindauer et al., NeuroImage 2001

19 optische Bildgebung im Tierexperiment: RGB Reflektometrie

20 Visuelle Stimulation beim Menschen: regionale zerebrale Blutoxygenierungsantwort (Absorptionsveränderungen bei nm) Detektor Lichtquelle Δ c [µm] -0.2 Oxy-Hb Deoxy-Hb 0.00 Cyt-Ox time / s Heekeren, Kohl, Obrig, Villringer Heekeren et al., J Cereb Blood Flow Metab 1999

21 optische Bildgebung beim Menschen: ( nm) 5 cm L 3 D 8 L 13 D L D 4 L 9 D 14 L D 22 L 5 D 10 L 15 D L 10 cm Laser: 760 nm, 850 nm Kohl, Buckow, Obrig, Villringer

22 optische Bildgebung beim Menschen: ( nm) x ,05 0 0,04 0,03 0,02 0,01 Δ Ko onzentrat tion Δ Konzentra ation oxy-hb , deoxy-hb Kohl, Buckow, Obrig, Villringer

23 Wechselwirkungen mit dem Gewebe Fluoreszenz: Applikation von Fluoreszenz -Fluoreszenz: Applikation von Fluoreszenzfarbstoffen

24 Molekulare Bildgebung unter Verwendung von NIRF-Farbstoffen

25 Molekulare Bildgebung: Prinzip Optische Bildgebung von Tumoren NIR Farbstoff Ligand Antikörper Rezeptor Zelle Becker et al., Nature Biotech, 2001

26 NIRF-Bildgebung beim experimentellen Schlaganfall an der Maus in vivo ex vivo Darstellung der Störung der Blut-Hirn-Schranke mit NIRF-BSA (Klohs et al., 2009) Darstellung von Inflammation mittels NIRF-antiCD40-AK (Klohs et al., 2008)

27 Zusammenfassung: Beispiele zur Untersuchung von Hirnaktivität mittels optischer Methoden intrinsisch: Blutfluß- und Blutoxygenierungsveränderungen geben Rückschlüsse auf neuronale Aktivität (Neurovaskuläre Kopplung): Optischer Doppler Effekt; LASCA Bildgebung Absorptionsveränderungen: Hämoglobin intrinsisch: elektrische Aktivität und metabolische Signale: Änderungen der Streueigenschaften des Gewebes Autofluoreszenz: NADH / Flavoproteine extrinsisch: molekulare NIRF-Bildgebung extrinsisch: molekulare NIRF Bildgebung Applikation von spezifisch bindenden NIRF-Farbstoffen

28 Experimentelle Neurologie Charité Berlin: Georg Royl, Christoph Leithner Jan Klohs, Andreas Wunder, Jens Steinbrink Ulrich Dirnagl Fachhochschule Koblenz / Remagen: Matthias Kohl-Bareis