Interaktionen zwischen neuronaler Aktivität und Blutfluss aufgedeckt

Das Gehirn ist ein komplexes Organ, das auf Neuronen angewiesen ist, um zu kommunizieren. Wissenschaftler untersuchen, wie Neuronen funktionieren, indem sie anschauen, wie sie auf verschiedene Aktivitäten reagieren, wie zum Beispiel beim Bewegen oder Sehen. Eine Methode, um die neuronale Aktivität zu beobachten, ist die optische Bildgebung, die Änderungen im Licht misst, das von speziellen Sensoren in Neuronen ausgesendet wird. Diese Sensoren können auf verschiedene Signale reagieren, wie zum Beispiel auf Kalziumspiegel, was auf neuronale Aktivität hinweist.

Wenn wir diese Änderungen messen, müssen wir jedoch die Auswirkungen des Blutflusses im Gehirn berücksichtigen. Der Blutfluss kann sich ändern, je nachdem, wie aktiv die Neuronen sind. Wenn Neuronen feuern, können sie nahegelegene Blutgefässe dazu bringen, sich zu erweitern oder zusammenzuziehen, was beeinflusst, wie Licht durch das Gehirngewebe reist. Diese Wechselwirkung zwischen Blutfluss und neuronaler Aktivität ist wichtig zu verstehen, da sie die Genauigkeit der Messungen mit optischen Bildgebungstechniken beeinflussen kann.

#Die Grundlagen der optischen Bildgebung

Optische Bildgebung ist eine Technik, die verwendet wird, um lebende Neuronen im Gehirn zu beobachten. Forscher nutzen häufig Sensoren, die auf Kalzium reagieren, eine Substanz, die in Neuronen eindringt, wenn sie aktiv sind. Wenn die Kalziumspiegel steigen, erzeugen die Sensoren eine Veränderung in der Fluoreszenz, die durch Bildgebungstechniken erkannt werden kann. Dadurch können Wissenschaftler sehen, welche Neuronen zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv sind.

In der realen Situation kann das Vorhandensein von Blut die Lichtmessungen stören. Änderungen im Blutfluss, die durch neuronale Aktivität verursacht werden, können ein Phänomen erzeugen, das als hämodynamische Okklusion bekannt ist. Das bedeutet, dass das Licht von den Sensoren durch das Blut, das durch nahegelegene Gefässe fliesst, blockiert oder verändert werden kann.

#Die Rolle der Hämodynamik

Hämodynamik bezieht sich auf das Studium des Blutflusses und seiner Auswirkungen im Körper. Im Gehirn, wenn Neuronen aktiv werden, senden sie Signale an nahegelegene Blutgefässe, die sich in der Grösse verändern. Wenn sich die Blutgefässe erweitern (Vasodilatation), fliesst mehr Blut in das Gebiet, während es bei einer Verengung (Vasokonstriktion) weniger wird. Diese Änderungen können beeinflussen, wie Licht durch das Gehirngewebe reist und die Interpretation der Ergebnisse der optischen Bildgebung komplizieren.

Es gibt eine klare Verbindung zwischen neuronaler Aktivität und Blutfluss, die als Neurovaskuläre Kopplung bekannt ist. Das bedeutet, dass sich die Blutgefässe anpassen, um diese Aktivität zu unterstützen, wenn Neuronen aktiv sind. Diese Beziehung kann jedoch auch Herausforderungen schaffen, wenn es darum geht, die tatsächliche neuronale Aktivität mit Sensoren zu messen, da hämodynamische Veränderungen die Ergebnisse verschleiern können.

#Untersuchung hämodynamischer Signale

Um die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und Änderungen im Blutfluss besser zu verstehen, führten Forscher Studien an Mäusen durch. Sie nutzten einen spezifischen Marker, GFP (grünes fluoreszierendes Protein), um neuronale Aktivität unabhängig von Änderungen der Kalziumspiegel zu visualisieren. Während sie das GFP bildeten, während die Mäuse mit einer virtuellen Umgebung interagierten, wollten sie sehen, wie die Marker auf verschiedene Verhaltensweisen reagierten, wie zum Beispiel Laufen oder visuelle Stimuli sehen.

Die Ergebnisse zeigten, dass das GFP-Signal während der Bewegung und als Antwort auf visuelle Stimuli signifikant variierte, ähnlich wie Kalziumindikatoren wie GCaMP reagierten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass hämodynamische Signale erheblich sein können und in verschiedenen Bereichen des Gehirns variieren.

#Bildgebungstechniken und Verfahren

In den Studien injizierten die Forscher einen AAV-Vektor, der das GFP enthielt, in spezifische Regionen des Mäusehirns, damit der Marker in kortikalen Neuronen exprimiert wurde. Dann verwendeten sie ein Zwei-Photonen-Mikroskop, um die GFP-Signale zu erfassen, während die Mäuse eine virtuelle Umgebung erkundeten. Dieses Virtual-Reality-Setup ermöglichte kontrollierte Experimente, die untersuchten, wie neuronale Aktivität und Blutfluss während verschiedener Aufgaben wechselwirkten.

Die Forscher fanden heraus, dass, als die Mäuse anfingen zu rennen, ein bemerkenswerter Anstieg der GFP-Fluoreszenz in den Neuronen zu verzeichnen war. Diese Reaktion war in der Grösse vergleichbar mit dem, was typischerweise bei Kalziumindikatoren zu sehen ist. Im Gegensatz dazu zeigte das GFP-Signal einen Rückgang, als die Mäuse bewegte visuelle Muster (Gitter) sahen, was darauf hinweist, dass visuelle Stimuli auch die Dynamik des Blutflusses beeinflussen.

#Analyse der Neuronenreaktionen

Die Forscher verglichen die Reaktionen aus verschiedenen Schichten des Kortex, wie Schicht 2/3 und Schicht 5 des visuellen Kortex (V1) und des anterioren cingulären Kortex (ACC). Sie beobachteten Variationen darin, wie die GFP-Fluoreszenz als Reaktion auf Stimuli je nach spezifischer kortikaler Region und Tiefe der Bildgebung variierte.

Zum Beispiel waren die Fluoreszenzänderungen während des Laufens in Schicht 5 kleiner im Vergleich zu denen in Schicht 2/3. Beide Schichten zeigten jedoch signifikante Reaktionen auf Lokomotion und visuelle Stimuli. Interessanterweise zeigte der ACC während des Laufens auch einen starken Anstieg der GFP-Fluoreszenz, was die geschichtete Komplexität der neuronalen und hämodynamischen Interaktionen verdeutlicht.

#Verständnis individueller Neuronenreaktionen

Die Forscher erkundeten weiter, ob einzelne Neuronen signifikant auf verschiedene Stimuli reagieren konnten. Sie massen die Reaktionen von Neuronen im visuellen Kortex während der Lokomotion und der Präsentation visueller Stimuli. Bemerkenswerterweise zeigte eine beträchtliche Anzahl von Neuronen signifikante Änderungen in der GFP-Fluoreszenz als Reaktion auf diese Ereignisse.

Obwohl die Gesamtpopulationreaktion zwischen GFP und Kalziumindikatoren ähnlich war, zeigten individuelle Neuronenreaktionen bei Kalziumindikatoren typischerweise ein umfangreicheres Spektrum an Spitzenaktivität. Das deutet darauf hin, dass, während hämodynamische Okklusion eine Rolle bei den Gesamtsignalen der Fluoreszenz spielt, individuelle Neuronen dennoch unterschiedliche Aktivitätsniveaus aufweisen können.

#Hämodynamischer Einfluss auf neuronale Aktivität

Eine der wichtigsten Erkenntnisse der Forschung ist, dass die Änderungen in der GFP-Fluoreszenz eng mit der Grösse und Dilatation der Blutgefässe verknüpft waren. Diese Beziehung zeigt an, dass, wenn sich die Blutgefässe erweitern oder zusammenziehen, die Übertragung von Licht betroffen ist, was die beobachtete Fluoreszenz aus den Neuronen beeinflusst.

Die Forschung zeigte, dass während spezifischer Experimente die Blutgefässe im beobachteten Bereich als Reaktion auf visuelle Stimuli dilatierten. Durch das Verfolgen sowohl der Grösse der Blutgefässe als auch der Änderungen in der GFP-Fluoreszenz fanden die Forscher eine starke Korrelation zwischen beiden. Das liefert Beweise dafür, dass hämodynamische Veränderungen die Messungen der neuronalen Aktivität beeinflussen können, was es entscheidend macht, diese Effekte in Bildgebungsstudien zu berücksichtigen.

#Untersuchung der Kontextsensitivität

Die Forscher untersuchten auch, wie der Kontext die GFP-Reaktionen über verschiedene Verhaltensweisen und Bedingungen hinweg beeinflusste. Sie fanden heraus, dass die Reaktionen zwischen verschiedenen visuomotorischen Kontexten variieren. Zum Beispiel unterschieden sich die Reaktionen während geschlossener und offener Schleifenbedingungen während der Lokomotion, was darauf hinweist, dass die Art des visuellen Inputs beeinflusst, wie Neuronen reagieren.

In Schicht 2/3 von V1 waren die Reaktionen während geschlossener und offener Schleifenbedingungen ähnlich und zeigten ein starkes lokomotionsbezogenes Signal. Im Gegensatz dazu waren die Reaktionen bei Dunkelheit geringer. Das hebt hervor, wie der visuelle Kontext neuronale und hämodynamische Reaktionen modulieren kann.

#Korrelationsanalyse während der Lokomotion

Ein weiterer interessanter Aspekt der Studie war die Korrelationsanalyse der GFP-Signale während der Lokomotion. Als die Lokomotion zunahm, nahmen auch die paarweisen Korrelationen zwischen den individuellen Neuronenreaktionen zu. Dieser Effekt wurde in verschiedenen Schichten des Kortex festgestellt.

Dieses Ergebnis stimmt mit früheren Forschungen überein, die darauf hindeuten, dass neuronale Aktivität während der Bewegung typischerweise dekorelliert. Allerdings schien das Vorhandensein hämodynamischer Signale ein anderes Ergebnis hervorzurufen, was darauf hindeutet, dass die Dynamik des Blutflusses zu einem Anstieg der Korrelationen während der Lokomotion führen könnte.

#Vergleich von Widefield- und Zwei-Photonen-Bildgebung

Um den Einfluss der Hämodynamik besser zu verstehen, verglichen die Forscher ihre Ergebnisse aus der Zwei-Photonen-Bildgebung mit der Widefield-Bildgebung. Sie wiederholten die GFP-Bildgebung in verschiedenen Bereichen des Gehirns und stellten fest, dass die mit Widefield-Bildgebung aufgezeichneten Reaktionen mit denen der Zwei-Photonen-Bildgebung übereinstimmten.

Lokomotion und visuelle Stimuli ergaben starke GFP-Reaktionen ähnlich über beide Bildgebungsverfahren hinweg, was darauf hindeutet, dass hämodynamische Okklusionsprobleme verschiedene Bildgebungstechniken beeinflussen. Die Konsistenz über die Methoden hinweg unterstreicht die Bedeutung, die Auswirkungen des Blutflusses bei der Interpretation neuronaler Aktivität zu berücksichtigen.

#GRAB-Sensoren und hämodynamischer Einfluss

Neben GFP untersuchten die Forscher die Verwendung von GRAB-Sensoren, die Neuromodulatoren wie Dopamin, Serotonin und Acetylcholin detektieren. Sie wollten herausfinden, ob diese Sensoren auch ähnliche Reaktionen zeigten, die von hämodynamischen Veränderungen beeinflusst wurden.

Die Ergebnisse zeigten, dass die mit den GRAB-Sensoren gemessenen Reaktionen die mit der GFP-Bildgebung beobachteten widerspiegelten. Allerdings war das Ausmass dieser Reaktionen im Allgemeinen geringer, was es schwieriger machte, den hämodynamischen Einfluss von den tatsächlichen Sensorreaktionen zu trennen.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass, obwohl GRAB-Sensoren weiterhin wertvolle Einblicke in neuronale Aktivität bieten können, der Einfluss der Dynamik des Blutflusses ein wesentlicher Faktor ist, der berücksichtigt werden muss.

#Implikationen für zukünftige Forschungen

Die Ergebnisse dieser Forschung bieten wichtige Einblicke in die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und hämodynamischen Veränderungen. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit zur Vorsicht bei der Interpretation von optischen Bildgebungsdaten, insbesondere in Fällen, in denen das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors nicht signifikant höher ist als die hämodynamischen Effekte.

Darüber hinaus deutet die Studie darauf hin, dass Forscher Methoden entwickeln müssen, um diese hämodynamischen Beiträge während der Bildgebung zu berücksichtigen. Das könnte separate Experimente umfassen, um die hämodynamischen Effekte zu quantifizieren oder fortschrittliche Bildgebungstechniken zu verwenden, die sowohl neuronale Aktivität als auch Blutflussdynamik gleichzeitig erfassen können.

#Fazit

Zusammenfassend verbessert diese Forschung unser Verständnis dafür, wie neuronale Aktivität mit Blutflussänderungen im Gehirn interagiert. Durch die Verwendung optischer Bildgebungstechniken und die Charakterisierung hämodynamischer Signale können Forscher tiefere Einblicke darin gewinnen, wie das Gehirn während verschiedener Verhaltensweisen funktioniert. Die Anerkennung der Auswirkungen der Dynamik des Blutflusses ist entscheidend, um Ergebnisse genau zu interpretieren und das Feld der Neurowissenschaften voranzubringen.