EFFECTS OF NEUROMODULATION ON NEUROVASCULAR COUPLING

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URI: http://hdl.handle.net/10900/79987
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-799876
http://dx.doi.org/10.15496/publikation-21382
Dokumentart: Dissertation
Date: 2019-10-10
Language: English
Faculty: 7 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Department: Biologie
Advisor: Logothetis, Nikos (Prof. Dr.)
Day of Oral Examination: 2017-06-02
DDC Classifikation: 500 - Natural sciences and mathematics
610 - Medicine and health
Keywords: Neurotransmitter , Nervenstimulation
License: Publishing license including print on demand
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Inhaltszusammenfassung:

Die Kommunikation zwischen den Neuronen innerhalb neuronalen Schaltkreise beruht auf Neurotransmitter (Glutamat, γ-Aminobuttersäure (GABA)) und Neuromodulatoren (Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, etc.). Neurotransmitter und Neuromodulatoren sind jedoch unterschiedliche Klassen von Molekülen und verschiedenen Aspekte der neuronalen Aktivität und den Stoffwechsel vermitteln. Neurotransmitters sind einerseits verantwortlich für die synaptische Signalübertragung (klassische Übertragung), während ihre Funktionen ausüben, Neuromodulatoren durch verschiedene postsynaptischen Ereignisse zu vermitteln, die in Änderungen an der Balance zwischen Erregung und Hemmung führen. Neuromodulation , während wesentlich Funktion des Nervensystems hat sich als Neurotransmission wesentlich schwieriger gewesen, zu studieren. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, die durch Neuromodulatoren sind in der Regel von langsamen Beginn, langlebig, und sind nicht einfach Anregung oder Hemmung ausgelöst beeinflusst. Im Gegensatz zu den Wirkungen von Neurotransmittern, Neuromodulatoren ermöglichen Neuronen flexibler zu sein in ihrer Fähigkeit, verschiedene Arten von Informationen (beispielsweise sensorische Informationen) auf einer Vielzahl von Zeitskalen zu kodieren. Im Gegensatz zu den Wirkungen von Neurotransmittern, Neuromodulatoren ermöglichen Neuronen flexibler zu sein in ihrer Fähigkeit, verschiedene Arten von Informationen (beispielsweise sensorische Informationen) auf einer Vielzahl von Zeitskalen zu kodieren. Im Gegensatz zu den Wirkungen von Neurotransmittern, Neuromodulatoren ermöglichen Neuronen flexibler zu sein in ihrer Fähigkeit, verschiedene Arten von Informationen (beispielsweise sensorische Informationen) auf einer Vielzahl von Zeitskalen zu kodieren. Jedoch ist es wichtig, dass eine der Herausforderungen bei der Untersuchung von Neuromodulations zu schätzen ist, das Ausmaß, in dem Neuromodulatoren Aktionen koordiniert sind auf allen Ebenen der Gehirnfunktion zu verstehen. Das heißt, von der zellulären und metabolischen Ebene zu vernetzen und kognitive Kontrolle. Daher die Moleküle zu verstehen, die Gehirn Netzwerke Interaktionen vermitteln ist wesentlich für das Verständnis des Gehirns dynamisch, und hilft auch, die zellulären und molekularen Prozesse in Perspektive zu setzen. Funktionellen Kernspintomographie (fMRI) ist eine Technik, die Zugang zu verschiedenen zellulären und metabolischen Aspekte der Netzwerk-Kommunikation ermöglicht, die schwer zugänglich sind, wenn zu der Zeit eines Neurons zu studieren. Seine nicht-Invasivität Natur ermöglicht den Vergleich von Daten und Hypothesen des Primatengehirn zu der des menschlichen Gehirns. Somit wurde das Verständnis der Auswirkungen der Neuromodulation auf lokale Mikro benötigt. Darüber hinaus sind die massiven Projektionen der neuromodulatorischen diffuse Aufstiegsanlagen gegeben, kombiniert fMRI mit pharmakologischen und neurophysiologischen Methoden wahren Einblick in ihre Organisation und Dynamik liefern. Allerdings ist nur wenig darüber bekannt, wie die Auswirkungen der Neuromodulations in fMRI und neurophysiologische Daten zu interpretieren, zum Beispiel, wie Blutoxydation pegelabhängig (BOLD) Signaländerungen in Bezug auf kognitive Veränderungen (vermutlich neuromodulatorischen Einflüsse) von Stimulus-driven oder Wahrnehmungseffekte zu entwirren. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die kausale Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und hämodynamischen Reaktionen unter dem Einfluss der Neuromodulations zu verstehen. Zu diesem Zweck stellen wir die Ergebnisse von sechs Studien. In der ersten Studie wollten wir eine auf Massenspektrometrie basierende Technik einzurichten, um die Verteilung von verschiedenen Metaboliten, Neurotransmittern und Neuromodulatoren in Makakengehirn aufzudeckenWir maßen gleichzeitig die Konzentrationen dieser Biomoleküle im Gehirn und im Blut. In einer zweiten Studie entwickelten wir einen multimodalen Ansatz, bestehend aus fMRI (BOLD und zerebralen Blutflusses oder CBF), elektrophysiologische Aufzeichnung mit einer laminaren Sonde und Pharmakologie, die Auswirkungen der Neuromodulation auf neurovaskulären Kopplung zu beurteilen. Wir entwickelten eine pharmakologische Injektionsverabreichungssystem druckbetriebenen Pumpen mit zuverlässiger Medikamente gelten entweder systemisch oder intrakortikale im NMR-Scanner. In unserer dritten Studie injizierten wir systemisch Laktat und Pyruvat zu untersuchen, ob die Plasmakonzentration von entweder dieser Metaboliten die BOLD-Antworten beeinflusst. Dies ist wichtig, dass beide gegeben Metaboliten in einem Stoffwechselgleichgewicht sind; wenn dieses Gleichgewicht gestört ist, Veränderungen in den NAD und NADH-Konzentrationen würden Veränderungen in der CBF entlocken. In einer vierten Studie untersuchten wir den Einfluss von dopaminergen (DA-erge) -Neuromodulation im BOLD, CBF und neurophysiologische Aktivität. Hier fanden wir, dass DAerge -Neuromodulation die BOLD-Antworten von der zugrunde liegenden neuronalen Aktivität distanzierte. Interessanterweise waren verbunden, um die Veränderungen in der neuronalen Aktivität eng auf die in den CBF Reaktionen gesehen Wirkungen. In einer nachfolgenden Studie untersuchten wir, ob die Wirkungen von Dopamin (DA) auf die elektrophysiologischen Reaktionen sind Rindenschicht abhängig, und ob bestimmte Muster der neuronalen Aktivität verwendet werden kann, die Wirkungen von Neuromodulations auf die neurale Aktivität zu schließen. Dies ist wichtig, da verschiedene Arten von neuralen Aktivität liefern unabhängige Informationen über die Amplitude und die Dynamik von BOLD-Antworten, und Studien haben gezeigt, dass diese Bands aus verschiedenen kortikalen Schichten stammen. Was diese Studie ergab, dass lokale Feldpotentiale (LFP) in den mittleren Frequenzen in der Tat Hinweise über die nachhaltige Wirkung der Neuromodulation auf die kortikale sensorische Verarbeitung zur Verfügung stellen kann. In Anbetracht der Ergebnisse der früheren Studie, in unserer sechsten Studie wollten wir auf das Verständnis, wie die verschiedenen kortikalen Schichten verarbeiten kann ein- und ausgehenden Informationen in den verschiedenen LFP-Bands. Diese Ergebnisse belegen, dass -Neuromodulation profunde Auswirkungen auf die neurovaskulären Kopplung hat. Durch die Veränderung der Erregungs Hemmung Gleichgewicht neuronaler Schaltkreise vermitteln Neuromodulatoren nicht nur die neurale Aktivität, sondern auch die metabolischen Anforderungen anzupassen. Daher verstehen, wie die verschiedenen Arten von Neuromodulatoren beeinflussen die BOLD-Antwort für eine effektive Interpretation von fMRI-Daten notwendig ist, nicht nur in Aufgaben attentional und Belohnung bezogenen Prozessen mit, sondern auch für zukünftige diagnostische Verwendung von fMRI, da viele psychiatrische Störungen sind das Ergebnis von Veränderungen in neuromodulatorischen Systemen.

Abstract:

The communication between neurons within neural circuits relies on neurotransmitters (glutamate, γ-aminobutyric acid (GABA)) and neuromodulators (acetylcholine, dopamine, serotonin, etc.). However, despite sharing similar molecular elements, neurotransmitters and neuromodulators are distinct classes of molecules and mediate different aspects of neural activity and metabolism. Neurotransmitters on one hand are responsible for synaptic signal transmission (classical transmission) while neuromodulators exert their functions by mediating different postsynaptic events that result in changes to the balance between excitation and inhibition. Neuromodulation, while essential to nervous system function, has been significantly more difficult to study than neurotransmission. This is principally due to the fact that effects elicited by neuromodulators are usually of slow onset, long lasting, and are not simply excitation or inhibition. In contrast to the effects of neurotransmitters, neuromodulators enable neurons to be more flexible in their ability to encode different sorts of information (e.g. sensory information) on a variety of time scales. However, it is important to appreciate that one of the challenges in the study of neuromodulation is to understand the extent to which neuromodulators’ actions are coordinated at all levels of brain function. That is, from the cellular and metabolic level to network and cognitive control. Therefore, understanding the molecules that mediate brain networks interactions is essential to understanding the brain dynamic, and also helps to put the cellular and molecular processes in perspective. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a technique that allows access to various cellular and metabolic aspects of network communication that are difficult to access when studying one neuron at the time. Its non-invasiveness nature allows the comparison of data and hypotheses of the primate brain to that of the human brain. Hence, understanding the effects of neuromodulation on local microcircuits is needed. Furthermore, given the massive projections of the neuromodulatory diffuse ascending systems, fMRI combined with pharmacological and neurophysiological methods may provide true insight into their organization and dynamics. However, little is known about how to interpret the effects of neuromodulation in fMRI and neurophysiological data, for instance, how to disentangle blood oxygenation level dependent (BOLD) signal changes relating to cognitive changes (presumably neuromodulatory influences) from stimulus-driven or perceptual effects. The purpose of this dissertation is to understand the causal relationship between neural activity and hemodynamic responses under the influence of neuromodulation. To this end we present the results of six studies. In the first study, we aimed to establish a mass-spectrometry-based technique to uncover the distribution of different metabolites, neurotransmitters and neuromodulators in the macaque brain. We simultaneously measured the concentrations of these biomolecules in brain and in blood. In a second study, we developed a multimodal approach consisting of fMRI (BOLD and cerebral blood flow or CBF), electrophysiological recording with a laminar probe and pharmacology to assess the effects of neuromodulation on neurovascular coupling. We developed a pharmacological injection delivery system using pressure-operated pumps to reliably apply drugs either systemically or intracortically in the NMR scanner. In our third study, we systemically injected lactate and pyruvate to explore whether the plasma concentration of either of these metabolites affects the BOLD responses. This is important given that both metabolites are in a metabolic equilibrium; if this equilibrium is disrupted, changes in the NAD and NADH concentrations would elicit changes in the CBF. In a fourth study, we explored the influence of dopaminergic (DAergic) neuromodulation in the BOLD, CBF and neurophysiological activity. Here we found that DAergic neuromodulation dissociated the BOLD responses from the underlying neural activity. Interestingly, the changes in the neural activity were tightly coupled to the effects seen in the CBF responses. In a subsequent study, we explored whether the effects of dopamine (DA) on the electrophysiological responses are cortical layer dependent and whether specific patterns of neural activity can be used to infer the effects of neuromodulation on the neural activity. This is important, given that different types of neural activity provide independent information about the amplitude and dynamics from BOLD responses, and studies have shown that these bands originate from different cortical layers. What this study revealed, is that local field potentials (LFPs) in the midrange frequencies can indeed provide indications about the sustained effects of neuromodulation on cortical sensory processing. Given the results from the previous study, in our sixth study, we aimed at understanding how different cortical layers may process incoming and outgoing information in the different LFP bands. These findings provide evidence that neuromodulation has profound effects on neurovascular coupling. By changing the excitation-inhibition balance of neural circuits, neuromodulators not only mediate the neural activity, but also adjust the metabolic demands. Therefore, understanding how the different types of neuromodulators affect the BOLD response is essential for an effective interpretation of fMRI-data, not only in tasks involving attentional and reward-related processes, but also for future diagnostic use of fMRI, since many psychiatric disorders are the result of alterations in neuromodulatory systems.

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