Open Access

Christoph Mayer

• Ziel der vorliegenden Arbeit war der Nachweis der bekannten Tonotopie im auditorischen Cortex der Katze mittels optical recording intrinsischer Signale (ORIS) mit der Frage, ob ORIS eine funktionelle Bildgebung ermöglicht, die den etablierten elektrophysiologischen Ableitungsmethoden an räumlicher und zeitlicher Auflösung ebenbürtig oder sogar überlegen ist. Hierzu wurde ein ORIS- Setup erstellt, dessen Schwankungsbreiten von Beleuchtungseinheit und aufzeichnendem System in Ableitung mit grünem Licht bei einer Größenordnung von 0,03% hinreichend niedrig lagen, um stimulusassoziierte Signale in den von den meisten Autoren berichteten Amplituden sicher ableiten zu können. Es wurden spontane wie durch elektrische und akustische Stimuli evozierte Änderungen in den Reflexionseigenschaften des primären auditorischen Cortex (A1) der Ketamin- und Isofluran- anästhesierten Katze beobachtet. In Ruhe stellten sich bei 540nm in sämtlichen Versuchstieren (n=4) spontane Absorptionsoszillationen mit einer Grundfrequenz von 0,1Hz und einer Amplitude zwischen 1 und 3,5% dar („Mayer-waves“), deren Ursprung (intra- versus extracerebral) jedoch nicht gesichert werden konnte und die sich von den anliegenden Stimuli unbeeinflußt zeigten. Ein der bekannten Tonotopie korrespondierendes Muster aktivierter Areale nach Stimulation konnte lediglich bei ¼ der Versuchstiere nachgewiesen werden (P124, elektrische Reizung, 30 Mittelungsdurchgänge). Die erreichten Absorptionsmaxima nach 12dB überschwelliger elektrischer Reizung des Hörnerven lagen bei etwa 0,5% mit einer Latenz bis zum Signalmaximum von 5,5 sec. Bei P126 war erst nach Mittelung von 18 Durchgängen ein zeitlicher Zusammenhang zwischen optisch erhobenen Daten und Stimulus nachweisbar. Bei P125 stellte sich nach 30 Mittelungsschritten zwar ein caudo-rostraler Shift der optischen Maxima bei Stimulation von 1kHz auf 4kHz dar, was der bekannten cortikalen Frequenzrepräsentation entsprach, doch ließ die darauffolgende Reizung mit 16 kHz keinen weiteren Shift nach rostral erkennen. Das cortikale Gebiet maximaler optischer Aktivität lag gegenüber dem Ort der 4kHz-Repräsentation caudomedial versetzt. Dies widerspricht der bekannten cortikalen Cochleotopie. Es fand sich nach Mittelung über 18 (P126) bzw. 30 (P124 und P125) Durchgänge gleicher Stimulation bei allen Tieren ein fleckiges, stimulusassoziiertes, jedoch nicht tonotop verteiltes Signal in Form einer Absorptionszunahme mit Maximum nach 6-8,5 Sekunden. Es erreichte Amplituden zwischen 1% und 2,5%. Die optischen Aktivitätsmuster zeigten eine erhebliche Varianz unter Durchgängen bei gleichem Stimulus. In einem Experiment (P126) fand ein Vergleich der optisch generierten Ergebnisse mit elektrophysiologischen Multiunit-Messungen statt. Es konnte nur bei einer Stimulationsfrequenz (8kHz) eine schwache Korrelation der lektrophysiologischen Multiunit-Antworten mit den optisch erhobenen Reflexionsänderungen festgestellt werden. Wir schließen daher, dass die Darstellung einer Tonotopie mittels ORIS nur in einem Bruchteil der untersuchten Versuchstiere mit gegenüber elektrophysiologischen Methoden deutlich geringerer Reliabilität, Validität und räumlicher Auflösung machbar ist, möglicherweise, weil ORIS am primären auditorischen Cortex der Katze lediglich ein grobes Signal der Tonotopie liefert, ohne hierbei auf die Lokalisation aktiver Neurone beschränkt zu sein. ORIS ist demnach zum Ersatz der etablierten Elektrophysiologie am A1 der Katze nicht geeignet.
• It was the aim of this study to record the known Cochleotopy in the primary auditory cortex of the adult cat by means of optical recording of intrinsic signals (ORIS) in order to determine whether this method was sufficient to assist or even replace the well-established electrophysiological technique in both temporal and spatial resolution. Therefore, an ORISsetup with sufficient signal/noise ratio was planned and built. Spontanueos as well as tone- evoked changes in light reflectance were recorded from the primary auditory cortex (A1) of anesthetized cats (ketamine and isoflurane). Spontaneous 0.1Hz- oszillations of reflectance at 540nm light were recorded in quiet and showed unaltered by external stimuli. Stimulation with tone-pips evoked localized reflectance decreases at 540nm in ¼ cats. The absorption maxima after 12dB suprathreshold stimulation showed an amplitude around 0,5% with a peak- latency of 5,5 sec. In P126, a stimulus- associated alteration in reflectance was only evident after successive averaging over 18 takes. In animal P125, a caudo- rostral shift of maxima was seen after 30 averages, which, however, was not continued when stimulated with 16kHz. The location of maximum activity was then located caudomedially to that of the 4kHz- representation, hereby contradicting the known cochleotopy. The optical recorded patterns showed significant variances, when stimulated equally. In one experiment, stimulusevoked optical signals at 540nm were compared with multiunit responses to the same stimuli recorded at multiple sites. Only in one stimulus- frequency (8kHz) we saw a weak correlation between electrophysiology and optical data. Our results suggest, that local cerebral blood volume changes reflect the gross tonotopic organization of A1 but are not restricted to the sites of spiking neurons. We conclude therefore, that determination of tonotopy in the A1 of the adult cat by means of ORIS in concern of reliability and validity is markedly less sufficient than the well- established electrophysiologic technique by means of multiunit- recordings.