Bilder des Gehirns verstehen PD Dr. phil. Bruno Weber Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis Universitätsspital Zürich Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin Universität Zürich UniversitätsSpital Zürich

Der Titel meiner Vorlesung “Bilder des Gehirns verstehen” lässt sich auf verschiedene Arten verstehen. Es liesse sich z.B. über die Bilder sprechen, die IM Gehirn in einem schöpferischen Akt entstehen. Ich werde in dieser Vorlesung aber leider strikt nur von den Bildern sprechen, die wir mit technischen Hilfsmitteln VOM Gehirn anfertigen. Gerhard Richter Seestück (Welle), 1969

Vor mehr als 100 Jahren haben Roy und Sherrington in dieser bahnbrechenden Arbeit zum ersten Mal postuliert, dass das Gehirn den Blutfluss lokal reguliert und den Energiansprüchen anpasst. Dies ist auf gewisse Weise der Grundstein für die modernen nicht-invasiven bildebenden Methoden in den Neurowissenschaften. Weil das Gehirn keine Energiereserven besitzt, muss bei einer gesteigerten Gehirnaktivität der Blutfluss erhöht werden, um eben diesen Mehraufwand durch die Zuführung zusätzlicher Energiesubstrate zu decken. Dies ist der Grund, warum wir mit so über den Blutfluss Informationen über die lokale Aktivität der Hirnzellen gewinnen können. J. Physiol. 11, 1890

Die Milchbüechli-Rechnung der funktionellen Hirnbildgebung Aufgabe A . - Aufgabe B . Differenz In den allermeisten Fällen wîrd folgendes experimentelles Prinzip angewendet, um die LOKALISATION einer bestimmten Hirnfunktion zu bestimmen. Die Versuchsperson wird im Scanner positioniert und aufgefordert, die Aufgabe A durchzuführen (hier z.B. handelt es sich um eine visuelle Aufgabe, die Versuchsperson soll diesen Punkt in der Mitte des Gesichtsfeldes fixieren). Während dieser Aufgabendurchführung werden nun ein oder mehrere Bilder des Gehirns mit funktioneller Information (meistens eine Aufnahme des Blutflusses) aufgenommen. Dann wird eine zweite Aufgabe B durchgeführt, hier wiederum die Fixierung des Punktes in der Mitte des visuellen Stimulus. Eine solche Aufgabe wird meist Baseline genannt. Die Differenz der beiden Aufgaben soll möglichst einen ganz spezifischen Verarbeitungsvorgang im Hirn repräsentieren. Um die LOKALISATION dieses Vorgangs vorzunehmen, werden nun einfach die beiden Hirnbilder voneinander subtrahiert. In diesem Falle sehen sie, dass die Stimulation eines Teils des rechten Gesichtsfeldes zu einer umschriebenen Blutflusssteigerung im linken hinteren Hirnabschnitt führt.

Scanner am UniversitätsSpital Zürich Nicht-invasivle Blutflussmessungen können am Menschen seit cirka 25 Jahren mit Positronen Emissions Tomographie und seit etwas über 10 Jahren mit der funktionellen Kernspintomographie durchgeführt werden. Hier sehen sie 2 der Scanner am Unispital Zürich, die oft für solche Experimente verwendet werden. Links ist der Magnetresonanz Scanner des Instituts für Biotechnologie abgebildet, rechts sehen sie den Positronenemissionstomographen der Nuklearmedizin. In Zürich wurden seit Anfang/Mitte der Neunziger Jahre eine dreistellige Zahl von Studien der vorher erwähnten Art von den verschiedensten Gruppen mit den verschiedensten Fragestellungen durchgeführt. Weltweit sind in den letzten 20 Jahren mehrere Zehntausend solcher Studien durchgeführt worden. MRI PET

Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (1999) Neurology 51 (1998) Hippocampus 7 (1997) Hier sehen sie 3 Beispiele von Studien die wir in den Neunziger Jahren in Zürich durchgeführt haben, und an denen ich teilweise noch als Student habe mitgearbeiten können. Zu jener Zeit habe ich zum ersten Mal die Frage gestellt, was wir denn tatsächlich mit diesen tollen Geräten messen. Ich habe feststellen können, dass wir zu jener Zeit wie auch noch heute auf diese Frage nur ungenügende Antworten haben. Die Milchbüechli-Rechnung scheint eben doch nicht SO EINFACH, wie man geglaubt hat. ZIEL dieses heutigen Vortrags ist es, ihnen einige Aspekte der Grundlagen dieser Neurobildgebungs Methoden aufzuzeigen und ihnen diese Art von Grundlagenforschung näher zu bringen.

1 Anatomie der Blutgefässe: Corrosion Casts Anti-Collagen Immunohistochemie Synchrotron CT 2 In-vivo Experimente in der Ratte: Laser speckle Flussmessung, Autofluoreszenz Metabolismusmessung 3 In-vivo Experimente im Affen: Hochauflösende MRI Messungen Gleichzeitige fMRI/optische Messungen Hier eine kurze Uebersicht über die Themen, die ich in der nächsten guten halben Stunde abhandeln möchte. 1. möchte ich ihnen die Grundlagen der Anatomie und Struktur der Blutgefässe des Gehirns vermitteln. 2. möchte ich ihnen Resultate präsentieren, die wir mittels verschiedener Verfahren im Gehirn der Ratte erhoben haben. Dann im 3. Teil möchte ich ihnen Experimente zeigen, die sich teilweise noch im Aufbau befinden, Experimente die in Tübingen durchgeführt werden, wo wir Kernspin und optische Verfahren kombinieren.

BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie Sauerstoff O2 O2 Auf den nächsten 3 Dias möchte ich ihnen das Prinzip des Blood Oxygenation Level Dependent Effekts bildlich verdeutlichen. Das auch BOLD genannte Prinzip ist die Grundlage der allermeisten funktionellen Magnetresonanzexperimente. Sie sehen hier einen sehr kleinen Ausschnitt des Gehirns. Die Nervenzellen brauchen ständig Sauerstoff, den sie aus der Blutbahn erhalten. Rot abgebildet ist das sauerstoffhaltige Hämoglobin, blau das Hömoglobin, dass den Sauerstoff bereits abgegeben hat zur Versorgung des Hirngewebes. Ganz zentral ist nun, dass das reduzierte blaue Hämoglobin (auch Deoxyhämoglobin genannt) paramagnetisch ist, das Oxyhämoglobin jedoch ist diamagnetisch. Der Magnetresonanztomograph vermag eben diesen Unterschied zu messen. In anderen Worten messen wir das Verhältnis zwischen Oxy- und Deoxyhämoglobin. O2 O2

BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie Sauerstoff O2 Wird jetzt das hier betrachtete Hirnareal aktiver, brauchen die Neuronen mehr Energie und benötigen für die Verbrennung dringend mehr Sauerstoff. Man würde annehmen, dass es zu einer Abnahme des Sauerstoffhaltigen Hämoglobins kommt (hier rot) und zu einer gleichzeitigen Zunahme des hier blau gezeichneten Deoxyhämoglobin. Nun, dies ist interessanterweise wenn überhaupt nur ganz kurzzeitig so. O2

BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie Sauerstoff O2 Denn das Gehirn vergrössert lokal sofort den Fluss des Blutes sehr deutlich. Dieser Prozess liefert quasi ein Ueberangebot an sauerstoffhaltigem Hämoglobin. Dieses Prinzip verdeutlicht ganz klar, wie wichtig es ist, mehr über diese Blutgefässe zu wissen, um zu verstehen, wie das Gehirn den Blutfluss verändert. O2

1 Anatomie der Blutgefässe Es macht Sinn, den Bauplan eines Organs genau zu Untersuchen, um die Funktionsweise desselben in den Griff zu bekommen. Deshalb haben wir uns in den letzten Jahren ganz intensiv mit dem Bauplan der Blutgefässe des Gehirns auseinandergesetzt. Einige Aspekte hiervon möchte ich ihnen in den nächsten Dias zeigen.

I II III IV V VI

Rhesus Affe Gyrus temporalis superior 500 mm Hier sehen sie einen Gefässausguss eines ganz kleinen Ausschnittes des Gehirns eines Rhesusaffen. Gefässausgüsse werden folgendermassen gemacht: Das Blut eines getöteten Tieres wird durch einen flüssigen Kunststoff ausgetauscht, der nach wenigen Minuten aushärtet. Das Hirngewebe selbst wird dann mit einer Lauge entfernt, was übrig bleibt ist der Kunststoff, der dann nach einer Aufbereitung im Elektronenmikroskop betrachtet werden kann. Sie sehen hier die Oberfläche einer Hirnwindung in der visuellen Hirnrinde des Affen. Oben die grossen zu und abführenden Blutgefässe, hier die rechtwinklig zur Oberfläche verlaufenden zuführenden Arterien und abführenden Venen. Ebenfalls gut zu erkennen ist das überaus feinmaschige Netz der Kapilllaren, wo der grösste Anteil des Austauschs von Gasen und Energiesubstraten abläuft. 500 mm

Rhesus Affe Gyrus temporalis superior 100 mm 50 mm 50 mm 20 mm Wir zoomen jetzt ganz nah rein und sehen rechts eine Arterie die in die Hirnrinde eintaucht. Rechts nochmals eine stärkere Vergrösserung, dieses Gefäss hat etwa einen Durchmesser von 50 Tausendstel Millimeter. Sie sehen auch ringartige Umschlüsse um die Gefässe. Dies sind Ausgüsse von Glattmuskeln, die für die Regulation des Blutflusses verantwortlich gemacht werden. Sie ziehen sich sphinkterartig zusammen und verkleinern so den Gefässdurchmesser und somit auch den Durchfluss des Blutes.

Arterie in der Hirnrinde der Ratte Hier sehen wir einen kleinen Ausschnitt aus einem Gefässausguss bei der Ratte. Diese stromlinienförmigen Punkte sind Einkerbungen verursacht durch die Zellkerne der Endothelzellen. Sind diese Einkerbungen stromlinienförmig wie hier, handelt es sich um eine Arterie, sind sie rund wie links, dann handelt es sich um ein venöses Gefäas.

zur Quantifizierung der Gefässe Anti-Kollagen Färbung der Basalmembran Immunohistochemie zur Quantifizierung der Gefässe Anti-Kollagen Färbung der Basalmembran Die vorher gezeigten Bilder lassen sich nur schwer quantifizieren. Darum haben wir auch andere Methoden eingesetzt, um die Gefässe zahlenmässig zu erfassen. Hierzu haben wir Färbungen von Hirnschnitten durchgeführt, die ein Protein der Basalmembran spezifisch darstellen. Es handelt sich um die Anwendung von Antikörpern gegen Kollagen, das in allen Blutgefässen des Gehirns vorhanden ist, und eben NUR in den Blutgefässen. Präkapilläre Arteriolen Postcapilläre Venulen Kapillaren

A B C D E I II III IVa IVb IVc-a IVc-b V VI wm Die Färbungen führen zur Darstellung der Hirngefässe. Diese Bilder können jetzt durch automatische Bildverarbeitung und einfacher Umformungen in wichtige Grössen übersetzt werden. Das blaue Bild zeigt eine Anfärbung der Zellkerne, hier die Oberfläche des Gehirns, hier der Uebergang zur weissen Substanz, die anderen Bilder zeigen die Gefässe. Diese Färbungen sind alle an Hirnschnitten durchgeführt worden, die eine dicke von 60 Tausendstel Millimeter besitzen. 500 mm

v2 ec lu ip la v3 v3a sts sf v1 v3 v5 io pmts v2 v4 v1 v2 v4 5 10 15 20 25 1 2 1 10 3 4a 2 4b 3 8 4c- a 4c- b 4a 5 4b 6 Häufigkeit [%] 6 4c- a 4c- 4 b 5 V1 all Sie sehen hier die Werte der Längendichte der Gefässe in speziellen Abschnitten des Hirns von 4 Affen. Die Längendichte misst die Länge aller Gefässe in einem Volumen und ist eine der wichtigen Kennzahlen für die Gefässdichte. Sie sehen dass in einem Kubikmillimeter etwa 500 mm oder ein halber Meter Blutgefässe drin sind. Die haben natürlich nur deshalb Platz, weil sie sehr sehr dünn sind. Trotz dieser unglaublichen Dichte, sind nur etwa 2 Prozent des Gesamtvolumens Gefässe, 98 Prozent werden mit Nerven und anderen Zellen sowie dem Extrazellulärraum ausgefüllt. Uebrigens, in einem solchen Kubikmillimeter der Gehirnrinde sind etwa 100‘000 Nervenzellen und etwa 4 Kilometer Nervenfasern drin. Diese Zahlen sprechen doch eher dafür, dass wir mit den Hirnzellen und nicht mit den Blutgefässen denken. Wolle ½ Meter mitnehmen und präsentieren. 6 2 N=228 wm 500 1000 1 2 3 Längendichte [mm/mm3] Volumen [%] Gefässdurchmesser [Mikrometer]

Synchrotron-basierte Mikro-Computertomographie Swiss Light Source SLS Paul Scherrer Institut, Villigen 1.4 Mikrometer Auflösung FOV 1.4x1.4x1.4 mm Monochromatische Röntgenstrahlung 17.5 keV Eine dritte Methode zur Messung der Gefässe haben wir in Zusammenarbeit mit der Swiss Light Sourse SLS vom Paul Scherrer Institut in Villigen durchgeführt. Das SLS muss man sich als gigantische Lichtquelle vorstellen. Wir brauchen für dieses Projekt Röntgenstrahlen, und zwar Röntgenstrahlen von einer unglaublichen Brillianz, um eine dreidimensionale Darstellung der Gefässe mit ausreichender räumlicher Auflösung zu erhalten. Die Probe sitzt hier und die Röntgenstrahlung die durch Ablenkung von Elektronen, die sich im Umlauf dieses gigantischen Rings befinden, wird von hier nach hier durch die Probe geschickt. Probe Zusammenarbeit M. Stampanoni, A. Graso, R. Abela

Barium Sulfat als CT Kontrastmittel 500 mg / ml BaSO4 (0.7 mm Partikelgrösse) Präfixierung mit Formalin (transkardial) BaSO4 Injektion Torlon Probenhalter Die Blutbahn wird mit einem Röntgenkontrastmittel gefüllt und kleine Proben der gefüllten Hirnrinde werden in diese kleinen Behälter platziert und gescannt. Vorteile dieser Probenaufbereitung Relativ einfach Ermöglichst nachfolgende Histologie

Digitale Segmentierung Projektionen @ 0-180 Grad Rekonstruierte Schnitte Wir erhalten Projektionsbilder von einer elektronischen Kamera, diese Projektionen werden dann zu Schnitten rekonstruiert, wie bei einem herkömmlichen Computertomographen. Digitale Segmentierung Volume rendering

Hier sehen sie die Blutgefässe von einer Hirnprobe Hier sehen sie die Blutgefässe von einer Hirnprobe. Die Ausdehnung von oben nach unten ist etwa 1.4 Millimeter. Ein Bildpunkt entspricht etwas mehr als ein Tausendstel Millimeter. Die Oberfläche des Gehirns befindet sich hier, der Uebergang zur weissen Substanz befindet sich hier unten. Sie sehen hier wie kompliziert und dicht die Blutgefässanordung in der Tat ist. Versuchen sie sich aber vorzustellen, dass die Gefässe aber nur 2 Prozent des gesamten Volumens einnehmen. 100 mm

Im nächsten Bild werden sie dann eine Fahrt erleben durch die Blutgefässe dieses kleinen Teils der Hirnrinde von unten nach oben. 100 mm

Wir beginnen jetzt also unten in der weissen Substanz und gehen in Tausendstel Millimeter Schritten nach oben. Sie sehen wir die Geometrie sich ändert, die grossen Gefässe verlaufen erst horizontal und dann v.a. vertikal nach oben. Die Dichte nimmt erst deutlich zu und bleibt dann praktisch konstant. 100 mm

Das letzte Bild zeigt ihnen jetzt einen kleinen Ausschnitt aus dem vorherigen Volumen. Hier möchte ich illustrieren, dass es uns jetzt möglich ist, jedes einzelne Gefäss in seiner Geometrie zu verfolgen und für weiter Modellrechnungen zu verwenden. 100 mm

2 In-vivo Experimente in der Ratte Wir verlassen jetzt den Bauplan und wenden uns dynamischer in-vivo Messungen zu.

Flavoprotein-Autofluoreszenz Oxidativer Metabolismus Laser Speckle Kontrast Blutfluss CCD Kamera 785 nm Laser 450-490 nm Anregungs- Licht Fluoreszenz Mikroskop Ich möchte in den nächsten 5 Minuten auf optische Verfahren eingehen, die wir benützen, um die Hirnaktivität mit hervorragender räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Es gibt verschiedenste zum Teil bereits länger bekannte optische Methoden in der Hirnforschung, auf die ich im Moment nicht näher eingehen möchte. Hier kommen die sogenannte Flavoprotein Autofluoreszenz Messung und die Laser Speckle Messung zum Einsatz. Beide Methoden sind sehr neu. Bei beiden wird Licht auf die exponierte Hirnrinde gestrahlt und man untersucht das reflektierte Licht. Vibrissae Barrel- Cortex 500 mm

1 mm c = s / <I> Hier sehen sie die Reflektion vom Rattenhirn, wenn man mit einem Laser die Oberfläche bescheint. Es ist eine vorerst uninteressante Verteilung von Grautönen. Rechnet man nun auf diesem Bild den lokalen Kontrast aus, so erhält man den sogenannten Laser Speckle Kontrast, der für uns sehr interessante Informationen trägt. Je kleiner nämlich dieser Kontrast ist (hier auf dem Bild je dunkler), desto höher ist der Blutfluss. Auf diese Weise können wir sehr schnell (im Bereich von wenigern Millisekunden) und mit einer sehr guten räumlichen Auslösung (im Bereich von Zehntel Millimetern) den Blutfluss untersuchen.

Die zweite Methode, die wir gleichzeitig angewendet haben, ist die sogenannte Flavoprotein Autofluoreszenz. Mit ihr lässt sich der oxidative Metabolismus messen. Scheint man mit blauem Licht auf die Hirnrinde so werden die Flavoproteine angeregt und fluoreszieren im grünen Bereich. Diese Fluoreszenz hängt jetzt aber ab vom Zustand der Flavoproteine. Sind sie stoffwechselaktiv, oder anders gesagt, sind sie Sauerstoffträger, so fluoreszieren sie mehr. Wir können also über die Intensität der Fluoreszenz Messungen machen des Sauerstoffmetabolismus.

Zeitliche Aspekte Vibrissae Barrel- Cortex 500 mm In diesem Experiment haben wir ein einzelnes Barthaar der Ratte während 2 Sekunden ausgelenkt, was eine kurze Anregung des sensorischen Kortex zur Folge hat. Wir sehen blau abgetragen die Reaktion des oxidativen Metabolismus. Der beginnt bereits kurz nach dem Start der Stimulation anzusteigen. Die gesamte Dauer der Stimulation war 2 Sekunden und ist hier grau eingezeichnet. Konzentrieren wir uns auf den Blutfluss so sehen wir, dass dieser erst viel später ansteigt und sogar erst deutlich nach der Stimulation seinen maximalen Anstieg erreicht. Wir sehen hier, dass der oxidative Stoffwechsel zeitlich offenbar sehr viel enger an die eigentliche Nervenzellaktivität gekoppelt ist, als der Blutfluss.

AF (Metabolismus) LSI (Blutfluss) A B Räumliche Aspekte 13 % A 1 % 1 mm 1 % B Räumlich sieht es ähnlich aus. Rechts sehen sie die Aktivtitätskarte des Stoffwechsels nach Stimulation des Schnauzhaars. Diese roten Hügel stellen die maximal aktivierten Gebiete dar. Lenkt man das Schnauzhaar C2 aus, so erhält man diese sehr genau umschriebene Antwortkarte. Bewegt man das benachbarte Schnauzhaar, so kann man feststellen, dass die Antwortkarte sich deutlich verlagert. Beim Blutfluss sieht die Geschichte anders aus. Die Aktivierungskarten sind weniger deutlich umschrieben und die beiden Stimulationsbedingungen lassen sich nur schwer unterscheiden.

(oxidativer) Metabolismus zeitlich: neuronale Aktivität (oxidativer) Metabolismus Blutfluss Zeit [s] 0.0 > 0.1 > 0.7 räumlich: Blutfluss Metabolismus Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl zeitlich als auch räumlich, der oxidative Stoffwechsel enger mit der elektrischen Aktivität im Zusammenhang steht als der Blutfluss. Wir glauben deshalb, dass sich Weiterentwicklungen im Bereich der nicht-invasiven bildgebenden Methoden auf Stoffwechselvorgänge konzentrieren sollten, weil der Blutfluss doch eine sowohl zeitlich als auch räumlich eher unspezifische Grösse ist. Distanz [mm] - 500 500

3 In-vivo Experimente im Affen Wir kommen im folgenden auf Experimente im Affen zu sprechen. Experimente in unserem Gebiete sind am Affen sehr wichtig. Hierbei spielt die relative Aehnlichkeit des Affen mit uns Menschen die bedeutende Rolle. Ich möchte in diesem Zusammenhang 2 Punke erwähnen: 1. Wir können nicht davon ausgehen, dass die Vorgänge im Gehirn des Nagers tatsächlich so organisiert sind wie im Menschen. Ein sehr gutes Beispiel hierfür ist die Tatsache, dass viele Rezeptorproteine im Affen und im Nager nicht identisch oder anders lokalisiert sind. 2. Wir können beim Affen invasive und nicht-invasive Methoden kombinieren, was für die Grundlagenforschung auf unserem Gebiet enorm wichtig ist. Diese Methodenkombinationen sind für das Verständnis und die Weiterentwicklung der bildgebenden Verfahren, die schliesslich im Menschen angewendet werden können, von sehr grosser Wichtigkeit.

MRI Labor am Max Planck Institut, D-Tübingen Visuelle Stimulation RF-Spule Affenstuhl Hier sehen sie unser MRI Labor in Tübingen. Es handelt sich um einen vetikalen Magnetresonanz Tomographen.Die Tiere werden sitzend in Stühlen hochgefahren. Meine Experimente werden ausschliesslich am anästhesierten Rhesusaffen durchgeführt, hierzu steht eine sehr schonende Anesthesie und Ueberwachung im Vordergrund. Sie sehen hier rechts die vewendeten Anästhesiegeräte.

20 mm Spule Am Affen verwenden wir oft sehr kleine Spulen, die wir z.T. in die Schädeldecke implantieren, was eine hervorragende Auflösung in der Magnetresonanzbildgebung ermöglicht, weil der Abstand zwischen Spule und Gehirn minimal ist. Sie sehen rechts zwei Beispiele von anatomischen Aufnahmen des visuellen Kortex des Affen. 20 mm

Optische Bildgebung im Magnetresonanz-Scanner Messung der Blutoxygenierung sowohl optisch als auch mittels fMRI Probleme: MR-Kompatibilität aller Komponenten Umbau der Elektronik sehr beschränkte Platzverhältnisse Miniaturisierung des Systems 10 m 10 m Linsensystem Kamera Elektronik Kamera Elektronik 150 mm 150 mm Meine Aufgabe war es, in Tübingen die gleichzeitige Aufnahme von funktioneller Magnetresonz und von optischen Signalen zu entwickeln. Hierfür mussten folgende Gesichtspunkte beachtet werden: Es mussten alle Komponenten MR-kompatibel gemacht werden. Einerseits musste selbverständlich alles nicht-magnetisch sein, andererseits musste auch ganz speziell darauf geachtet werden, dass die Kameraelektronik und die MR Signale einander gegenseitig nicht stören. Zudem musste alles sehr klein gebaut werden, weil die Platzverhältnisse sehr knapp sind. Hier sehen sie links den schematischen Aufbau. Wir haben ein Miniaturlinsensystem aufgebaut, bei dem das Licht via flexibler Lichtleiter eingekoppelt wird. Der Kamera Chip wurde MR kompatibel gemacht und sitzt etwa 7cm vom Hirn entfernt am Ende des Linsensystems. Die Kameraelektronik ist nochmals etwa 15 cm abgesetzt befindet sich aber im Magneten. Die Daten werden dann über ein langes Kabel auf den Computer geleitet. CCD CCD Computer Computer Licht Einkopplung ~ 70 mm ~ 70 mm Linsen Linsen Licht Einkopplung system system ~ 5 mm ~ 5 mm Hirnoberfl Hirnoberfl ä ä che che MR MR ~ 5 mm ~ 5 mm

Chronische optische Kammer Optisches System Hier sehen sie, wie dieses System in der Tat aussieht. Sie sehen hier die Kammer mit direktem Blick auf die Hirnoberfläche. Gut zu erkennen die Oberflächengefässe. Das Gehirn wird geschützt von einer Glasplatte. Die obere Zeichnung zeigt den Aufbau dieser chronischen optischen Kammer, die nur aus hochwertigem Kunststoff und einer Glasplatte besteht. Unten sehen die den Aufbau mit aufgesetzter Optik und Kameraelektronik. Optisches System

Hirnoberfläche Optische Bildgebung MR Angiogramm Diese Entwicklung erlaubt es uns nun tatsächlich, optische Signale gleichzeitig mit fMRI Signalen aufzunehmen und den MRI Signalen, die immer noch so wenig verstanden sind, auf die Spur zu kommen. Rechst sehen sie ein MRI Bild des Gerhirns, in der Mitte eine optische Aufnahme und rechts sehen wo wir uns auf dem Gehirn befinden.

Zusammenspiel von: 1. Hirnaktivität 2. Sauerstoffverbrauch 10 Zusammenspiel von: 1. Hirnaktivität 2. Sauerstoffverbrauch 3. Blutfluss 5 Signaländerung [%] Ich möchte ihnen hier auf diesem letzten Dia unsere ersten Resultate präsentieren. Beim Affen stimulieren wir das visuelle System, in diesem Falle mit einem solchen Stimulus. Zuerst schauen wir uns das fMRI BOLD Signal an. Vielleicht erinnern sie sich an den Cartoon am Anfang des Vortrags. Sie sehen, dass es zu einer kurzen minimalen Abnahme des Systems kommt bevor dann das bekannte grosse positive BOLD Signal folgt. Schauen wir was die optische Bildgebung zu liefern hat. Wir konzentrieren uns am erst auf die DeoxyßHämoglobin Konzentration, die wir spektroskopisch ermittelt haben. Sie steigt erst etwas an und fällt dann drastisch ab. Sie stellt sozusagen ein Spiegelbild zur BOLD Signal Antwort dar, natürlich genau das, war zu erwarten war, widerspiegelt doch BOLD eben die Konzentration des deoxygenierten Hämoglobins. Schauen wir noch kurz auf die Konzentration des Sauerstoff-gesättigten Hämoglogins hier rot abgebildet, diese schiesst sofort in die Höhe, die violette Kurve zu guter Letzt zeigt uns wie das gesamte Blutvolumen sich hier verhält. Diese erste Resultat zeigt nunmehr, dass es uns tatsächlich gelungen ist, diese aufwändige gleichzeitige Messungen vorzunehmen, die eigentlichen Experimente sind am Laufen und werden mich in Kollaboration mit dem Max Planck Institut noch viele Male nach Tübingen reisen lassen. BOLD HbO HbR -5 -5 5 10 15 20 25 Zeit [sec]

Zürich, Universitätsspital Nikos Logothetis Mark Augath Stefan Weber Axel Oeltermann Anna Lena Keller Gustav v. Schulthess Matthias Wyss Frank Scheffold Charles Voelker Pavel Zakharov Amela Groso Marco Stampanoni D-Tübingen, MPI Zürich, Universitätsspital Fribourg, Physik Institut Villigen, SLS Cyrill Burger Alfred Buck