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fMRT und neurovaskuläre Kopplung
 
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Fexx



Anmeldungsdatum: 05.11.2011
Beiträge: 279

BeitragVerfasst am: 30. Mai 2013 22:53    Titel: fMRT und neurovaskuläre Kopplung Antworten mit Zitat

Hallo zusammen!

Funktionelle Magnetresonanztomographie nutzt, soweit ich das verstanden habe, die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von Sauerstoffreichem Blut (also oxygeniertem (?) Hämoglobin und dem ohne gebundenen Sauerstoff) um etwa im Gehirn die Bereiche zu detektieren, in denen relativ gesehen eine höhere Sauerstoffkonzentration vorliegt. Darüber wiederum schließt man auf die Aktivität der dortigen Neuronen.
Man setzt also voraus, dass eine vermehrte Versorgung eines Bereichs mit Sauerstoffreichem Blut dann vorliegt, wenn die Zellen dieses Bereichs mehr Sauerstoff verbrauchen, also besonders dann, wenn sie feuern - macht ja absolut Sinn. Aber wie siganlisieren Zellen, dass sie mehr Sauerstoff benötigen und wie wird dieses Signal dahingehend interpretiert, dass genau in die nächstliegenden Gefäßen mehr Sauerstoffreiches Blut als zuvor gepumpt wird?

Wenn Zellen weniger Sauerstoff zur Verfüung steht, fällt pro Zeiteinheit vermutlich mehr ADP an, was angeblich als Signal dafür dienen könnte, die Sauerstoffverdorgung temporär zu steigern. Doch wie wird das Signal weitergeleitet?
Wenn es auf neuronalem Weg erfolgt, würde das der Interpretation des BOLD-Kontrastes des fMRTS doch eine Strich durch die Rechnung machen. Also wird das wohl nicht der Fall sein, oder doch?

Wenn das Signal des erhöten Sauerstoffbedarfs aber nicht neuronal vermittelt wird, wie kann es dann spezieifisch genug sein und weit genug reichen? Ich könnte mir ja noch vorstellen, dass etwa erhöhte ADP Konzentration z.B. eine Weitung der Gefäße in der Nähe verursachen könnte und sich so absolut betrachet die Menge des mit Sauerstoff beladenen Hämoglobins in diesem Gefäß erhöht.
Aber das reicht doch nicht aus für eine effektiv verbesserte Sauerstoffverdorgung des benachbarten Gewebes und erst recht nicht für einen erkennbaren Kontrast im fMRT, oder?

Wie ist also die Kausaltität und wie funktioniert sie in dem Falle? Signalisieren beanspruchte Neurone tatsächlich, dass sie mehr O2 benötigen? (oder sind sie womöglich von sich aus aktiver, wenn mehr O2 vorliegt?) Und wie wird dieses Signal vermittelt, ohne selbst an eine relevante Menge Sauerstoff zu benötigen?

Gruß und Danke,
Fexx
Firelion



Anmeldungsdatum: 27.08.2009
Beiträge: 1878

BeitragVerfasst am: 31. Mai 2013 10:55    Titel: Antworten mit Zitat

Hi,

genau fMRT nutzt die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von oxygenieniertem und deoxygeniertem Hämoglobin.

Wenn Zellen aktiv sind, fallen mehr Metabolite wie CO2 und Adenosin an. Der Anstieg von CO2 bewirkt nun auch einen Ansteieg der Protonen ( H+) da aus CO2 und Wasser Kohlensäure entsteht.

H+ und Adenosin zeigen als Metabolite den höheren Sauerstoffbedarf des Gewebes an und wirken dilatierend auf die Blutgefäße. Durch die Dilatation der Blutgefäße kann nun mehr Blut zu dem aktiven Gewebe, gelangen wodurch dort auch mehr oxygeniertes Hämoglobin ist.


Da die Metabolite lokall wirken (also auf die nächst gelegenden Blutgefäße) kann man durch die Änderung der Durchblutung auf die Aktivität schließen.

Allerdings muss man sagen, dass das die Auflösung beim fMRT geringer ist als beim anatomischen Scan. Die Bilder die du hier erhälts sind die errechneten Änderungen der Durchblutung.7

Und ohne anatomischen Scan kann man fMRT Bilder nicht auswerten.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/50/Mrt_big.jpg

http://www.neuroradiologie.uk-wuerzburg.de/uploads/pics/fmrt.jpg

Bei den Bildern die man sieht, ist die Änderung der Aktivität über den anatomischen Scan gelegt:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aktivitaethinten.jpg

LG Firelion

_________________
It is well known that a vital ingredient of success is not knowing that what you’re attempting can’t be done - Terry Pratchett
Fexx



Anmeldungsdatum: 05.11.2011
Beiträge: 279

BeitragVerfasst am: 01. Jun 2013 15:20    Titel: Antworten mit Zitat

Danke für die Antwort, Firelion!

Die Weitung umligender Blutgefäße durch Metabolite der Zellatmung kann uch nachvollziehen, schließlich ist hier keine lange reizleitung erforlderlich und durch Weitung der Bulutgefäße fließt mehr Blut nach und absolut gesheen ist im Bereich der geweiteten Gefäße dann auch mehr oxygeniertes Hämoglobin.

Was ich noch nicht verstehe, ist, wie dann durch fMRT dieser Bereich, an dem die Blutgefäße geweitet sind, erkannt wird. Wenn sich ein Gefäß weitet, strömt mehr Blut hindurch, prozentual dürfte aber der Sauerstoffgehat des Blutes derselbe bleiben. Betrachtet man also (nur als Beispiel!) ein Kubikmikrometer Blut, so dürfte sich der Sauerstiffgehalt in diesem Volumen Blut doch nicht ändern, nur weil sich das Gefäß weitet, oder?
Demnach ändert sich auch das detektierbare Signal aus diesem Bereich nicht.
Aber vermutlich ist die Auflösung der Geräte einfach bei Weitem nicht so hoch, sodass der gleichbleibende prozentuale Sauerstiffgehalt des Blutes überhaupt keine Rolle spielt. Ist das richtig?

Dann nur noch etwas zu neurovaskulären Kopplung: Besteht die lediglich darin, das Metabolite der Zelltamung umliegende Gefäße weiten (Oberflächenvergrößerung --> mehr Sauerstoff diffundiert ins Gewebe), oder gehört da noch mehr dazu? Wird in diesem Fall etwa doch irgendwie die Sauerstoffkonzentration im Blut reguliert?
Firelion



Anmeldungsdatum: 27.08.2009
Beiträge: 1878

BeitragVerfasst am: 01. Jun 2013 15:36    Titel: Antworten mit Zitat

Naja, der prozentuale Anteil des Sauerstoffes im Blut bleibt gleich. Trotzdem wird durch das mehr an Blut mehr Sauerstoff geliefert.

Wenn ich mich rechzt erinnere ist beruht der Effekt dareauf, dass die Antwort überschießt also mehr Sauerstoff geliefert wird als die aktiven Neurone verbrauchen. Dadurch steigt der O2 Gehalt des venösen Blutes, denn O2 venös = o2 arteruiell - Verbrauch.

Allerdings ist die räumliche Auflösung von fMRT Aufnahmen wie gesagt nicht sonderlich gut.

Also:

Gehirnareal ist aktiv --> Metabolite sammeln sich an --> Arterien weiten sich --> das O2 Angebot pro Zeit steigt --> es ist mehr O2 da als gebraucht wird --> der O2 Gehalt des vebösen Blutes steigt --> damit auch der prozentuale Anteil des oxygeniertem Hämoglobins --> das Signal ändett sich.


fMRT Bilder zeigen Unterschiede im Verhältnis oxygeniertem versus desoxygeniertem Hämologlobin zwischen Ruhe und Aktivität an.
Du misst nicht den Sauerstoff sondern das oxygeniete Hämoglobin


EDIT:
Wenn in einer bestimmten Situation das Gehirnareal weniger aktiv ist, werden die Gefäße auch weniger dilatiert, das O2 Angebot pro Zeit sinkt und ein größerer Teil des Angenots wird genutzt. Damit steigt der Anteil desoxygeniertem Hämoglobins und das Signal ändert sich.

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Fexx



Anmeldungsdatum: 05.11.2011
Beiträge: 279

BeitragVerfasst am: 04. Jun 2013 19:24    Titel: Antworten mit Zitat

Firelion hat Folgendes geschrieben:

Gehirnareal ist aktiv --> Metabolite sammeln sich an --> Arterien weiten sich --> das O2 Angebot pro Zeit steigt --> es ist mehr O2 da als gebraucht wird --> der O2 Gehalt des vebösen Blutes steigt --> damit auch der prozentuale Anteil des oxygeniertem Hämoglobins --> das Signal ändett sich.


Okay, das macht Sinn. Somit steigt der Anteil an oxygeniertem Blut auch prozentual im Breich von erhöhter "Zellaktivität".

Wenn meist also ein Überschuss an Sauerstoffreichem Blut vorhanden ist, sobald sich die gefäße weiten, dann bedeutet das ja auch, dass die benachbarten, inaktiven zellen (bei denen die Gefäße vielleicht nicht einmal nicht dilatiert sind) ebenfalls Blut höherer Sauerstoffkonzentration erhlaten. Wird hierdurch auch die Aktivität dieser zellen qusi rückwirkend beeinflusst?
Oder bewirkt die höhere O2-Konzentration im Blut in diesen nicht-aktiven bereichen, dort eine Verengnung der Gefäße, so dass die absolute menge an Sauerstoff auf dem Normalellevel bleibt?
Dann allerdings würde auch der Blutfluss im aktiven geweben verlangsamt werden, wenn sich die Gefäße "weiter hinten" aufgrund des nichzt benötigten O2-Angebots extra verengen. das macht also auch keinen Sinn.
Wimit ich wieder beim Anfang wäre: Hat das erhöte Sauerstofangebot als Folge lokaler zellaktivität auch in eigentlich nicht aktiven Bereichen eine potentiell erhöhte Aktivität zur Folge? (Z.b. wenn nach einmaligem Feuern des neurons im vorher inaktiven, aber bereits gut durchbkuteten bereich, die Ionenpumpen schneller arbeiten können etc.)

Wenn der Überschuss on Sauerstoffreichem Hämoglobin, der im "akitven gewebe" anfällt, nicht irgendwo verbraucht würde, würde der Scanner ja den gesamten Bereich, in den die Gefäße reichen, als aktiv anzeigen, auch wenn es nur ein kleiner Teil wäre.
Firelion



Anmeldungsdatum: 27.08.2009
Beiträge: 1878

BeitragVerfasst am: 04. Jun 2013 20:58    Titel: Antworten mit Zitat

Wie gesagt die räumliche Auflösung eines fMRT ist nicht sonderlich gut.
Du bekommst einen Bereich mit verändertem oxygenierte Hämoglobingehalt angezeigt. Wieviel davon wirklich aktiver bzw wenig aktiv ist - who knows.



O2 sorgt meines Wissens nicht dafür, dass ein Neuron feuert. Ein Neuron wird entweder durch Neurotransmitter eines anderen Neurons oder durch Rezeptoren (Mechano-, Chemo-oder Thermorezeptoren) "aktiviert".

Das Neuron verbraucht, wenn es aktiv ist mehr ATP also auch mehr O2 und produziert mehr CO2. Das CO2 bzw der Anstieg der H+ Konzentration durch das CO2 weirkt auf dioe Gefäßzellen ein. Das mehr an O2 macht nichts. Das O2 ist weiter an Hämoglobin genunden und das Hirngebiet nimmt sich was des braucht.

Wenn ein Gebiet weniger Aktiv ist wird entstehrt auch weniger CO2 (und Adenosin). Damit sinkt die H+ Konzentration und die Gefäßzellen werden weniger in Richtung Dilatation beinflusst.

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Fexx



Anmeldungsdatum: 05.11.2011
Beiträge: 279

BeitragVerfasst am: 04. Jun 2013 22:49    Titel: Antworten mit Zitat

Firelion hat Folgendes geschrieben:


O2 sorgt meines Wissens nicht dafür, dass ein Neuron feuert. Ein Neuron wird entweder durch Neurotransmitter eines anderen Neurons oder durch Rezeptoren (Mechano-, Chemo-oder Thermorezeptoren) "aktiviert".



Ja, unmittelbar bestimmt. Ich habe das auch dumm formuliert: Wenn mehr Sauerstof verfügbar ist, kann ja effektiver bzw. mehr ADP regneriert werden, was ja zumindest die Beritschaft des Neurons, zu feuern, erhöhen könnte.

Ich hatte da im Hinterkopf, dass das ja ein Grund sein könnte, warum gehrinjogging funktionieren kann: Eiegntlich sollte man ja denken, dass nur die netzwerke konsolidiert werden, die durch die "Denksportaufgaben" explizit beansprucht werden, aber kein Effekt darüber hinaus eintretritt. Alerdings wird ja genau damit immer geworben und allgemein gilt ja auch, das "Denksport" (was es auch immer sein mag) positive Folgen auf großer Bandbreite hat.
Wenn die Aktivität bestimmter Neuronen nun durch die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration im Blut naher Gefäße nach sich zieht und so auch andere (inaktive) Bereiche womöglich leichter erregbar würden, könnte das doch ein Grund sein, warum kognitive leistungen allgemein die mentale Gesundheit steigern (sollen) und nicht nur eine spezielle Fähigkeit, wie etwa Schach zu spielen.
Firelion



Anmeldungsdatum: 27.08.2009
Beiträge: 1878

BeitragVerfasst am: 04. Jun 2013 23:01    Titel: Antworten mit Zitat

fMRT asrbreitet eher mit dem mehr an O2 im venösen Blut. In den Arterien bleibt die Sauerstoffsättigung gleich.
Ich vermute mal die Neurone generien nur so viel ATP neu wie sie brauchen. ATP idst nicht sonderlich stabil. Sie ignorieren mehr oder weniger das zu viel an O2.

Vielleicht findfest du das hier ganz interessant:
http://www.fmri.ecnu.edu.cn/open/downloading/function%20MRI1.pdf
(Seite 1-5).
Zum Denksport:

Viele Studiern haben inszwischen gezeigt, dass Gehirnjogging das Gehirn speziell für diese Aufgabe trainert. Einen globalen Nutzen hat das Gehirntrainig wohl leider nicht. Dennoch ist es Gedächtnistraining zum Beispiel für ältere Leute gut.


Die Funktionen die man trainert werden besser. Bereiche die man nicht trainiert werden wohl nicht besser. Trotzdem will auch das Gehirn genutzt werden.

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