Kombination von funktioneller Nahinfrarotspektroskopie mit Magnetoenzephalographie basierend auf optisch-gepumpten Magnetometern für die detaillierte Beschreibung der neurovaskulären Kopplung

• Antragsteller: Dr. Tilmann Sander-Thömmes
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505063244

Die neurovaskuläre Kopplung (NVK) ist der grundlegende Zusammenhang, der den Energietransport in aktive Gehirnregionen beschreibt. Um die NVK zu verstehen benötigt man Daten von zwei verschiedenen nicht-invasiven Messmethoden. Dazu wollen wir in diesem Projekt zwei Messmethoden der Gehirnforschung miteinander kombinieren: Funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) und Magnetoenzephalographie (MEG). fNIRS-Daten sind ein Abbild der kortikalen hämodynamischen Aktivität, da es Änderungen in der Oxy- und Deoxy-Hämoglobinkonzentration aufzeichnet. MEG-Messdaten sind ein Abbild der kortikalen neuronalen Aktivität, da es die Magnetfelder in der Nähe des Kopfes aufgrund neuronaler Ströme aufzeichnet. Das bisher übliche MEG benötigt flüssiges Helium um die supraleitenden Quanteninterferenzsensoren (SQUIDs) zu kühlen. In diesem Projekt hingegen werden wir neuartige optisch-gepumpte Magnetometer (OPM) benutzen. MEG basierend auf OPMs (oMEG) benötigt keine Kühlflüssigkeit und deswegen können die OPM-Sensoren einfach am Kopf angebracht werden ähnlich zu fNIRS-Optoden. Dies erlaubt einzigartige Ansätze um die NVK besser zu untersuchen indem z.B. ein Proband währen der Messung natürliche Aufgaben ausführt auch mit Bewegungen. Bis vor kurzem konnten solche Messungen nur in der Kombination der Messmethoden Elektroenzephalographie und fNIRS aufgezeichnet werden. Das hier benutzte oMEG hat den großen Vorteil der besseren Ortsbestimmung gegenüber dem EEG, da die Lösung des inversen Problems genauer ist. Am Kopf angebrachte fNIRS-Optoden sind paramagnetisch und haben keine direkte Elektronik. Deswegen gibt es keine Beeinflussung des MEGs, wie wir mittels Pilotmessungen zeigen konnten. Das kombinierte oMEG-fNIRS-Messsystem besteht aus drei wesentlichen Teilen: fNIRS-Optoden, OPM-Sensoren, und einem Sensorhalter, der beide Sensortypen aufnehmen kann. Dieser Sensorhalter ist so gebaut, dass die Sensoren in nächster Nähe zur Kopfoberfläche angebracht sind. Der Sensorhalter wird mittels 3D-Druck individuell für jeden einzelnen Probanden gefertigt, indem Magnetresonanzdaten des Kopfes in ein geometrisches Modell der Kopfoberfläche umgewandelt werden. Es ist das Ziel dieser Studie eine hochentwickelte Methode zur Untersuchung der NVK zu beschreiben und ihre Anwendung zu demonstrieren. Deswegen werden wir mit dem oMEG-fNIRS-Messsystem eine Gruppe von Probanden untersuchen, die einer passiven oder komplexen Stimulation ausgesetzt sind. Passive Aufgaben sind z.B. das Hören von Tönen oder auch Ruhezustandsmessungen, eine komplexe Stimulation beinhaltet eine motorische Antwort als Folge einer zu lösenden Aufgabe. Die zu lösende Aufgabe mit Antwort erzeugt Netzwerkaktivität zwischen z.B. visuellen und motorischen Gehirnarealen. Um die dabei auftretenden Effekte der NVK zu beschreiben werden wir etablierte numerische Methoden anwenden wie z.B. eine Korrelations- oder Spektralauswertung oder auch eine Berechnung von Aktivitätszentren und deren Wechselwirkung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen, Slowenien
• Partnerorganisation: Slovenian Research Agency (ARRS)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Zvonko Jaglicic; Professor Adam Stefan Liebert, Ph.D.