fMRI & Neurochemie

Cholinerge Mechanismen des Lernens und der Kognition

Das Gehirn ist das komplexeste Organ unseres Körpers. Es versetzt uns in die Lage, komplizierte Verhaltensaufgaben durchzuführen und brauchbare Lösungen für abstrakte Probleme zu finden. Das Gehirn bedient sich vieler verschiedener Subsysteme, um auf einen Stimulus aus der Umgebung auf angemessene Art zu reagieren. Eines dieser Systeme ist das cholinerge Netzwerk, das im basalen Vorderhirn angesiedelt ist und sich von dort aus über den gesamten Kortex erstreckt. Das Lernen und die Kognition hängen in hohem Maße von einem intakten cholinergen System ab, das garantiert, dass wichtigen und relevanten Reizen der Außenwelt Aufmerksamkeit geschenkt wird, und das auch die darauf folgende Bildung einer Erinnerung an diese Reize sicherstellt, um eine integrierte und zuverlässige Erfahrung für angemessenes Verhalten im späteren Leben zu schaffen. Die Bedeutung des cholinergen Systems offenbart sich dramatisch in den verheerenden Auswirkungen einer fortgeschrittenen Alzheimer-Krankheit. Im Projekt bei dem wir die neurovaskuläre Kopplung bei pharmakologischem MRI unter zur Hilfenahme von Methoden des maschinellen Lernens untersuchen, werden wir die Wirkung verschiedener Drogen (Antagonisten und Agonisten der cholinergen Ausschüttung) auf das BOLD- und auf das neuronale Signal untersuchen. Um die Aussagekraft des BOLD- und des neuronalen Signals nach Verabreichung von Drogen zu verbessern, verwenden wir Maschinenlernmethoden, wodurch wir die zwei Signale beinahe in Echtzeit analysieren können.

Das Projekt zur Untersuchung der Neurotransmission und des Energiestoffwechsels durch neurochemische Analyse auf MS-Basis wird sich die Tatsache zunutze machen, dass der extrazelluläre Raum ein integrierter, funktioneller Teil der Informationsprozessierung im Gehirn ist. Die Ausschüttung chemischer Substanzen in den extrazellulären Raum zur Signalisierung bietet eine interessante Gelegenheit, Signalübertragung im lebenden Gehirn zu beobachten. Wir verfolgen den cholinergen Effekt auf die Dynamik der Neurotransmitter Glutamat und GABA und der Neuromodulatoren Serotonin und Dopamin. Wir sind auch in der Lage, Metaboliten zu verfolgen, die mit dem Prozess der neurovaskulären Kopplung in Zusammenhang stehen, wie etwa Laktat. Die neurochemische Überwachung dieser Verbindungen erfolgt bei gleichzeitiger Messung des BOLD-Signals. So können wir sehen, wie die neurochemische Dynamik mit dem BOLD-Signal interagiert, und wir gewinnen zusätzliche Erkenntnisse über den neurovaskulären Kopplungsprozess.

Durch die Kombination der drei Methoden befinden wir uns auch in einer guten Ausgangsposition, um den Mechanismus der neurovaskulären Kopplung an sich aufzuklären. Die entsprechenden Untersuchungen erfolgen an narkotisierten Affen und konzentrieren sich auf die Effekte von Neuromodulatoren auf die neuronalen und die fMRI-BOLD-Signale.

Wir arbeiten mit endogenen Neuromodulatoren oder mit Subrezeptoragonisten (1), um die Übertragung unserer Ergebnisse auf spätere Stadien zu erleichtern, wenn physiologische Manipulationen vorgenommen werden, um die Ausschüttung von Neuromodulatoren auszulösen, beispielsweise während einer Aufmerksamkeitsaufgabe an einem wachen Affen. Ein genaues Verständnis des Einflusses von Neuromodulatoren auf die neurovaskuläre Kopplung ist deshalb von Bedeutung, weil viele wichtige neuromodulatorische Systeme an Krankheiten beteiligt sind, die die betroffenen Menschen schwer beeinträchtigen. In diesem Zusammenhang steckt in fMRI ein beträchtliches diagnostisches Potenzial, da es sich um eine nichtinvasive Methode handelt.

Literatur

1. Rauch A., G. Rainer, N. K. Logothetis: The Effect of a Serotonininduced Dissociation between Spiking and Perisynaptic Activity on BOLD functional MRI. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 6, 105(18), 6759 – 6764 (2008).