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Methoden der kognitiven Neurowissenschaften (Subject) / NIRS (Lesson)

Near-Infrared Spectroscopy

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  • NIRS - Funktionsweise nicht-invasives optisches Verfahren zur Messung des Gehirnstoffwechsels, des Sauerstoffgehaltes, des Blutvolumens und des Blutflusses Erfassung der relativen Konzentrationsänderungen von oxygeniertem, deoxygeniertem und totalem Hämoglobin im Blut in den oberen Schichten des zerebralen Kortex Veränderung im zerebralen Blutvolumen kann an verschiedenen Punkten gleichzeitig erhoben werden frequenzmoduliertes Nah-Infrarot-Licht wird mittels Optoden (Emittern), die auf der Kopfhaut aufsitzen, eingestrahlt Das Licht passiert die Kopfhaut, den Schädel und die oberen Schichten des Kortex, wird vom Hämoglobin im Blut absorbiert, abhängig von der Oxygenierung zurückreflektiert und wieder von den Optoden (Detektoren) aufgefangen Die gemessenen Veränderungen im zerebralen Blutvolumen geben Rückschluss auf die Gehirnaktivität Das Anwendungsgebiet ist breit, z. B. die Überwachung der Sauerstoffversorgung auf der Intensivstation, während Operationen, bei Durchblutungsstörungen, in der Sportmedizin (Durchblutung von Muskeln,Trainingsoptimierung) usw.
  • Abgrenzung zu anderen non-invasiven Verfahren - Vorteile im Bezug auf... Flexibilität fMRT, PET, MEG etc.: große Geräte bzw. Instrumente nötig> problematisch während sonstiger klinischer Überwachung von Patienten, bei bestimmten Patientengruppen (Kinder, demente Personen, etc.), nicht möglich unter „natürlichen“ Umständen (im Stehen, Gehen) NIRS: lediglich Verbindung mit Lichtquelle erforderlich > ermöglicht z.B. Untersuchung am Krankenbett, bei Babys, im Gehen
  • Abgrenzung zu anderen non-invasiven Verfahren - Vorteile im Bezug auf... Spezifität Nachteil anderer Verfahren (z.B. fMRT): Mangel an klarer Beziehung zwischen gemessenem Signal und eindeutigem physiologischen bzw. biochemischen Parameter NIRS: höhere biochemische Spezifität des Signals, einfachere, direktere Quantifizierung der Substanzkonzentrationen
  • Abgrenzung zu anderen non-invasiven Verfahren - Vorteile im Bezug auf... Sensitivität NIRS ist sensitiver bezüglich besonders niedriger Substanzkonzentrationen > ähnlich wie PET, aber ohne radioaktive Belastung
  • Abgrenzung zu anderen non-invasiven Verfahren - Vorteile in Bezug auf ... Mögliche Messungen Messbar jeweils durch andere Verfahren:• Vaskuläre Aktivität (fMRI)• Neuronale Aktivität (MEG, EEG)• Intrazellulär-metabolische Aktivität (PET)> häufig Kombination, ABER: oft technisch schwierig & verringertes Signalrauschverhältnis NIRS: Möglichkeit zur Messung all dieser Aktivitäten & unproblematische Kombinierbarkeit mit anderen Verfahren
  • Optical Window Tiefendurchdringung des Lichts abhängig von der Wellenlänge  „Optical Window“ im Bereich zwischen 650nm und 950nm wird verwendet für nah-infrarot Spektroskopie Begrenzt durch Wasser- bzw. Hämoglobinabsorption: • über 950nm zu hohe Absorption durch Wasser • unter 650nm zu hohe Absorption durch Hämoglobin
  • Transmission Weg von Quelle zu Detektor (dazwischen Absorption durch Hämoglobin) „Pfad“ des Lichts nicht geradeaus, sondern repräsentiert durch das Produkt aus geometrischer Distanz (d) und dem sog. differential path lengthfactor (DPF) bei Objekten mit geringem Durchmesser
  • Reflektion Reflektion (von Licht) bei großen Objekten
  • Lambert-Beer‘sches Gesetz Dient der quantitativen Messung der absorbierenden Chromophore Besagt: Die Lichtabschwächung (A) verhält sich proportional zur Konzentration des absorbierenden Moleküls (c) Der Proportionalitätsfaktor wird als spezifischer Extinktionskoeffizient (ε) bezeichnet! A = ε * c * d (abhängig vom ph-Wert) Bisher: Annahme infinitesimaler Konzentrationen und Missachtung von Streuung > Modifizierung nötig Streuung verlängert den Weg des Lichtes > der Weg ist länger als die tatsächliche Entfernung zwischen Sender und Empfänger Einführung des DPF = differential path-length factor (B) Empfänger kann nicht unterscheiden, ob Licht durch Absorption oder durch Streuung verloren geht > Einführung des Faktors G (hängt von der Größe des Detektors und der Geometrie des Systems ab) Modifiziertes Lambert-Beer‘sches Gesetz: A = ε * c * d * B + G Annahme, dass B und G konstant: ΔA = ε * Δc * d * B
  • Weitere optische Parameter Doppler shift = spezieller Fall von Lichtstreuung Wird Licht durch sich bewegende Partikel zerstreut, verändert sich die Frequenz> Frequenzänderung abhängig von• der Geschwindigkeit des bewegenden Partikels• der Richtung der Bewegung• der Zahl an Interaktionen mit sich bewegenden Partikeln > Möglichkeit zur Erfassung der Bewegung von Partikeln im Gewebe = laser-Doppler flowmetry (LDF) zur Messung des zerebralen Blutflusses
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  • Technische Ansätze für NIRS Verschiedene Möglichkeiten bezüglich... ... der Art der Datenerfassung (zeitaufgelöst bzw. pulsierende Lichtquelle, „continuous wave“) ... technische Spezifikationen (Verwendung einiger bestimmter Wellenlängen vs. Verwendung des gesamten Spektrums) ... Anzahl der für die Datenerfassung verwendeten „Kanäle“
  • Technische Ansätze für NIRS Verwendung einer „continuous wave“ Lichtquelle entweder mit einer bestimmten Anzahl von Wellenlängen oder mit einer Lichtquelle, die das gesamte NIRS-Spektrum umfasst lediglich Messung der Lichtdämpfung Mögliche Lichtquellen: Laser, LED, Halogen > Vorteile: einfache Anwendung, Flexibilität, gutes Signalrauschverhältnis > Nachteile: starke Beteiligung an denbSignaländerungen der oberflächlichen und der extrazerebralen Strukturen > Verwenden möglichst vieler Sender-Empfänger-Paare
  • Technische Ansätze für NIRS Verwendung einer pulsierenden Lichtquelle Messung der Lichtintensität und der Ankunftszeit der Photonen ermöglicht eine bessere Quantifizierung von Konzentrationsänderungen Bessere zeitliche Auflösung durch eine pulsierende Lichtquelle
  • Veränderung Physiologischer Parameter als Antwort auf Funktionelle Gehirnaktivierung Oxygeniertes und deoxygeniertes Hämoglobin Veränderte oxy-Hb und deoxy-Hb Konzentrationen hauptsächlich verantwortlich für die optische Veränderung bei Gehirnaktivierung Typisches Verhalten bei Gehirnaktivierung: steigende oxy-Hb und sinkende deoxy-Hb-Konzentration > Hyperoxygenierung bedingt durch erhöhten zerebralen Blutfluss und weniger hohen Sauerstoffverbrauch
  • Veränderung Physiologischer Parameter als Antwort auf Funktionelle Gehirnaktivierung Cytochrom-c-Oxidase Redoxzustand Absorbierungsgrad ändert sich ebenfalls je nach Oxidationszustand Der Unterschied zwischen oxidierter und nicht oxidierter Form wird im NIRS genutzt, um metabolische Veränderungen als Antwort auf funktionelleAktivation zu messen > Blob: hohe Cyt-Ox Konzentration vs. > Interblob: niedrige Cyt-Ox Konzentration
  • Praktische Aspekte bei der NIRS-Messung Testumgebung Schwach beleuchteter Raum, Lichtveränderungen vermeiden evtl. Abschirmung der optischen Sonden Bewegungen der Versuchsperson sind normalerweise weniger problematisch;Bewegungen der Sonden bzw. Veränderung der Position kritisch Gute Fixierung der Sonde am Kopf des Probanden > bei Veränderung der Lage: Veränderung des Lichtpfades usw.
  • Praktische Aspekte bei der NIRS-Messung Lokalisation der Sonde Nach dem 10-20 System> Mittelpunkt zwischen 2 Proben wird als der Bereich angenommen, der am meisten zu dem Signal beiträgt Individuelle Informationen durch CT oder MRT möglich Bei MRT nach NIRS: Position der Sonden markieren
  • Praktische Aspekte bei der NIRS-Messung Interoptode Distance (IOD) Abstand zwischen den Sonden Abstand zwischen Lichtquelle und Detektor Bei größerem Abstand: + Beteiligung tieferer Gewebeschichten, + Noise Normalerweise IOD zwischen 2,5 cm und 5 cm Auf Pbn abstimmen (z.B. Haarfarbe)
  • Praktische Aspekte bei der NIRS-Messung Sampling Rate Möglichst hohe Sampling Rate (aber langsame Software) „Noise“-Frequenzen beachten• Atmung: ca. 0.2 Hz• Herzschlag: ca. 1 Hz Empfohlene Sampling Rate: 4-10 Hz
  • Praktische Aspekte bei der NIRS-Messung Miterfassung von grundlegenden physiologischen Parametern Blutfluss der Haut > zur Unterscheidung von intra- & interzellulären Veränderungen Herzrate - EKG (weniger sinnvoll) Blutdruck > bei komplexen Aufgaben meist erhöht > Veränderungen im Blutfluss > Veränderungen im NIRS-Signal  

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