Mit Licht ins Gehirn blicken

- optische Methoden zur Untersuchungp gvon Hirnaktivität im Tierexperiment -

Ute Lindauer

Experimentelle NeurochirurgieKlinikum rechts der IsarKlinikum rechts der Isar

Technische Universität München

MRT: Funktionelle Bildgebung des GehirnsFin m t t pi im m t n i h n Fingersomatotopie im somatosensorischen

Kortex des MenschenDIG 5 DIG 4 DIG 3 DIG 2 DIG 1

Ruben, Krause, Curio, Villringer

Bildgebende Methoden zurBildgebende Methoden zur Untersuchung von Hirnfunktion

(f)MRT (BOLD CBF)- (f)MRT (BOLD, CBF)

- PET (Metabolismus, CBF, Neuro-i )transmitter)

- Optische Bildgebung

Optisches FensterEi d i iEindringen in

biologisches Gewebe (nicht invasive Messung)

Tierexperimentinvasive Methode

( g)

-1cm

-1]

161820

0 05

0.06Oxy-HbDeoxy-Hb

ent [

mM

121416

0.04

0.05yWasser

x 20 Cyt-Ox

koef

fizie

81012

0.03

[mm

-1]Cyt Ox

ktio

nsk

46

0.01

0.02 µ a

Extin

k

500 600 700 800 900 1000

02

0.00

0.01

Wellenlänge [nm]

500 600 700 800 900 1000

Veränderung derVeränderung der Eigenschaften des LichtsEigenschaften des Lichts

Charakteristika des einstrahlenden Lichts

Charakteristika des reflektierten LichtsCharakteristika des reflektierten Lichts

Differenz: I f ti üb Hi f ktiInformation über Hirnfunktion

Wechselwirkungen mit dem Gewebe

- Streuung: durch Volumenänderung von Zellen / Organellen

- Absorption: wichtigste Chromophoren imAbsorption: wichtigste Chromophoren im zerebralen Gewebe: intravaskulär: Hämoglobinintravaskulär: Hämoglobinim Parenchym: Cyt-Oxidase

- Fluoreszenz: intrinsisch: (Auto)Fluoreszenz: NADH / Flavoproteine (FAD, FMN)

f ffextrinsisch: Fluoreszenzfarbstoffe

i h D l Eff k lö d h- optischer Doppler Effekt: ausgelöst durch Blutfluß (Bewegung der Erythrozyten)

Licht

Hirnaktivität

elektrisch metabolisch vaskulärStreuung:

Ionen-verteilung

Absorption:Cyt-Oxidase

Autofluoreszenz:

Absorption:Hämoglobin

Opt Doppler Effekt:verteilung Autofluoreszenz:NADH / FAD

Opt.Doppler Effekt:Blutfluß

Verwendung vaskulärerVerwendung vaskulärerSignale

zur Untersuchungvon Hirnaktivitätvon Hirnaktivität

Neurovaskuläre Kopplung

Neurometabolische / neurovaskuläre K lKopplung

l Akti ität+++

neuronale Aktivitätx

Energie Metabolismusf(x)f(x)

Blutflußg(f(x))g(x)

Hohe zeitliche und räumliche Auflösung

Tiermodell der funktionellen Aktivierung

Whisker Haare der Ratte

Knott et al., Neuron, Vol 34, 265-273, 2002

Tiermodell der funktionellen Aktivierung

‘whisker barrel‘ Kortex

ausgedünnter Knochen oder kranielles Fenster

Whisker Haare der Ratte

Deckglas

ausgedünnter Knochen oder kranielles Fenster

Lichtleiter

aCSF

Knochen

Superfusion

Deckglas

Lindauer et al.,

‘whisker barrel‘ Kortex Dura mater (intakt oder entfernt)

,Am J Physiol

1993

Wechselwirkungen mit dem Gewebe

- optischer Doppler Effekt: ausgelöst durch Blutfluß (Bewegung der Erythrozyten)Blutfluß (Bewegung der Erythrozyten)

Prinzip der Laser Doppler Blutflußmessung

780 nm

Translucent bone/dura mater

Surface vessel

'unshifted' photonsMicrocirculation

'shifted' photons

'lost' photons

Brain parenchyma ‘absorbed' photons

Somatosensorische Stimulation an der Ratte:regionale zerebrale Blutflußantwort

26 2,0

20

22

24

1,6

1,8

BF [AU]

BF [AU]

16

18

20

1,2

1,4

LDF-

rCB

LDF-

rCB

0 30 60 90 120 150 1800

14

16

0 30 60 90 120 150 1800,01,0

L Ltime [s] time [s]

0 30 60 90 0 50 80

Whisker Haar sensible elektrischeWhisker Haar Auslenkung

sensible elektrischeStimulation der Vorderpfote

Bildgebung von Blutflußveränderungen:Laser Speckle Kontrast AnalyseLaser Speckle Kontrast Analyse

Royl, Leithner et al.

Wechselwirkungen mit dem Gewebe

- Absorption: wichtigste Chromophoren imAbsorption: wichtigste Chromophoren im zerebralen Gewebe: Hämoglobin

Berechnung der Konzentration eines li ht b bi d M l küllicht-absorbierenden Moleküls

d

Detektor

X

LichtquelleDetektor

Lambert-Beer AlgorithmusModifizierter

A = ε x c x d x DPF (λ)

Somatosensorische Stimulation an der Ratte:regionale zerebrale Blutoxygenierungsantwort

(Absorptionsveränderungen bei 480-680 nm)

regionale zerebrale Blutoxygenierungsantwort

x10-3x 10 -3 t=3.6 s

ion

[mM

]

2 oxy-Hb

deoxy-Hb

attenuationfitresidues

nzen

trati

0

1

Δ K

o n-1

Zeit [s]0 2 4 6 8 10 12 14 16

Lindauer et al., NeuroImage 2001

optische Bildgebung im Tierexperiment:RGB ReflektometrieRGB Reflektometrie

Visuelle Stimulation beim Menschen:regionale zerebrale Blutoxygenierungsantwort

(Absorptionsveränderungen bei 700-1000 nm)

regionale zerebrale Blutoxygenierungsantwort

0.2Lichtquelle

D t kt

-0.2

0.0

Oxy-Hb[µM

]

Detektor

0.05

0.10Deoxy-Hb

C t OΔ

c [

time / s

0 5 10 15 20 25 30-0.05

0.00 Cyt-Ox

0 5 10 15 20 25 30

Heekeren Kohl Obrig VillringerHeekeren et al.,

J Cereb Blood Flow Metab1999

Heekeren, Kohl, Obrig, Villringer

optische Bildgebung beim Menschen: (700-1000 nm)

5 cm

L

LL

DD

D543

21

76

LL

L

D

DD

151413

109876

1211

10 cm

L

L

L

D

D

D18 2019

21 22

1514131716

m

LL D21 22

Laser:760 nm, 850 nm60 , 850

Kohl, Buckow, Obrig, Villringer

optische Bildgebung beim Menschen:

x 10-3

(700-1000 nm)

0,050

0,04

tion -5

atio

n

0,02

0,03

onze

ntra

t

10 Kon

zent

ra

0,01Δ

Ko -10

ΔK

0 01

0 -15oxy-Hb deoxy-Hb

-0,01

Kohl, Buckow, Obrig, Villringer

Wechselwirkungen mit dem Gewebe

Fluoreszenz: Applikation von Fluoreszenz-Fluoreszenz: Applikation von Fluoreszenz-farbstoffen

M l k l Bild bMolekulare Bildgebung unter

Verwendung von NIRF-Farbstoffen

Optische Bildgebung von TumorenMolekulare Bildgebung:

P i iPrinzip

NIR Farbstoff

Ligand

NIR Farbstoff

gAntikörper

Rezeptor

Zelle

Becker et al., Nature Biotech, 2001

NIRF-Bildgebung beim experimentellen Schlaganfallan der Maus

in vivo

ex vivo

Darstellung der Störung der Darstellung von Inflammation g gBlut-Hirn-Schranke mit NIRF-BSA

(Klohs et al., 2009)

gmittels NIRF-antiCD40-AK

(Klohs et al., 2008)

Zusammenfassung: Beispiele zur Untersuchung von Hirnaktivität mittelsUntersuchung von Hirnaktivität mittels

optischer Methodenintrinsisch: Blutfluß- und Blutoxygenierungsveränderungen geben Rückschlüsse auf neuronale Aktivität (Neurovaskuläre K l )Kopplung):Optischer Doppler Effekt; LASCA Bildgebung Absorptionsveränderungen: HämoglobinAbsorptionsveränderungen: Hämoglobin

intrinsisch: elektrische Aktivität und metabolische Signale:intrinsisch: elektrische Aktivität und metabolische Signale:Änderungen der Streueigenschaften des GewebesAutofluoreszenz: NADH / Flavoproteinep

extrinsisch: molekulare NIRF-Bildgebungextrinsisch: molekulare NIRF BildgebungApplikation von spezifisch bindenden NIRF-Farbstoffen

Experimentelle Neurologie CharitéExperimentelle Neurologie Charité Berlin:

Georg Royl, Christoph LeithnerJan Klohs, Andreas Wunder, Jens SteinbrinkUlrich Dirnagl

Fachhochschule Koblenz / Remagen:

Matthias Kohl-Bareis