Monitoring Pharmacological Manipulations in the Brain by fMRI in Combination with Neurochemistry and Electrophysiology: Setting the Technical Prerequisites for the Use of fMRI in Drug Screening and Diagnostics

Abstract

In the drug development of neurological disorders and in the early diagnostic of such diseases fMRI can become a powerful tool due to its non-invasiveness. However the systematic use of this method needs a deeper understanding of the nature of the measured BOLD signal. The BOLD signal is not a direct measure of neuronal activation but relies on a cascade of metabolic and vascular responses generated by the energy demands of activated cells. We perform pharmacological manipulations to target single steps in this cascade and study the underlying mechanisms of neurovascular coupling. To correctly interpret drug induced BOLD fMRI changes we need corroborating evidence: In parallel to the BOLD fMRI studies we use electrophysiological measurements to define the underlying neuronal activity and neurochemical analysis to define the neurotransmitters or metabolites responsible for changes in the BOLD and electrophysiological signal. The correlation of these different signals and the drug induced changes thereof give further insights into the underlying mechanisms of neurovascular coupling and the generation of the BOLD signal. In our preliminary studies we set the technical prerequisites for a combined and parallel use of fMRI, EEG and systemic neurochemistry for drug screening and diagnostics in the future. We studied the impact of lidocaine on the electrophysiological signal, BOLD signal and EEG. This manipulation dissociates the BOLD and the EEG signals due to a different impact of neuronal synchrony on those signals. Simultaneous EEG-fMRI is becoming more and more a standard technique in clinics and therefore can have important implications in early diagnostics; our results will help to elucidate the relation and possible dissociations of simultaneous EEG-fMRI data. In addition, we examined the relation of different neurotransmitters and metabolites trough blood brain barrier. To study these relations we used microdialysis in brain and blood followed by neurochemical analyses. In the future these findings will help us to extrapolate brain concentrations of relevant compounds from non-invasively measured blood concentrations. This approach can be applied to study blood brain barrier penetrability parameters of drugs or if neurochemical changes in neurodegenerative diseases are reflected in the blood. Furthermore we can trace even subtle changes of plasma lactate concentrations with an increase of the BOLD signal. This finding indicates that the metabolite lactate plays an important role in the neurovascular coupling cascade: The physiologic formation of lactate during neuronal activation is one of the mechanisms causing the vasodilatation which is responsible for the BOLD effect. On the other hand during neurodegenerative diseases like Alzheimer’s this mechanisms are disrupted. Therefore our lactate challenge might be of diagnostic use having a different impact in healthy subjects versus Alzheimer patients.

Durch seine nicht Invasivität hat fMRI das Potential in Zukunft eine sehr wichtige Rolle in der Entwicklung von Medikamenten gegen neurologische Pathologien und in der Früherkennung derselben zu spielen. Zur systematischen Anwendung dieser Methode braucht man allerdings ein klareres Verständnis des gemessenen BOLD Signals und seiner Grundlagen. Dieses Signal entsteht durch eine Kaskade von metabolischen und vaskulären Abläufen, die die Antwort auf den metabolischen Bedarf aktivierter Neuronen sind. Deshalb kann dieses Signal nicht als direktes Maß der neuronalen Aktivität gesehen werden. Um die Mechanismen, die das BOLD Signal erzeugen zu erforschen, beeinflussen wir einzelne, spezifische Schritte in der Kaskade der neurovaskulären Kopplung mit entsprechenden Medikamenten. Um diese durch Medikamente hervorgerufenen Effekte auf die neurovaskuläre Kopplung besser zu verstehen brauchen wir zusätzliche, ergänzende Informationen: Deshalb messen wir neben dem BOLD Signal auch noch die neuronale Aktivität mit Elektrophysiologie und definieren mit neurochemischen Analysen welche Neurotransmitter oder Metaboliten für die BOLD und elektrophysiologischen Effekte verantwortlich sind. Die Korrelation dieser verschiedenen Signale und die durch pharmakologische Manipulationen induzierten Veränderungen dieser Korrelationen helfen uns die Grundlagen der neurovaskulären Kopplung und die Entstehung des BOLD Signals besser zu verstehen. Mit unseren Experimenten versuchen wir die technischen Voraussetzungen zu erarbeiten um die gleichzeitige Anwendung von fMRI, EEG und systemischer Neurochemie in der Entwicklung vom Medikamenten und der klinischen Diagnostik zu etablieren. Wir haben den Einfluss von Lidokain auf das elektrophysiologische Signal, das BOLD Signal und EEG analysiert. Die lokale Injektion von Lidokain in V1 verursacht die Verstärkung des EEG Signals durch Zunahme der neuronalen Synchronität bei gleichzeitger Abschwächung der lokalen individuellen Aktivität der Neuronen und des BOLD Signals. Dieses Ergebnis unterstreicht die Wichtigkeit der neuronalen Synchronität in der Bildung des EEG Signals. Andererseits könnte der fehlende verstärkende Einfluss der neuronale Synchronität auf das BOLD Signal die Dissoziation zwischen EEG und BOLD Signal erklären. Unsere Beobachtungen sind sehr wichtig in der Interpretation von gleichzeitig gemessenen EEG-fMRI Daten. In einem anderen Experiment haben wir das Verhältnis verschiedener Neurotransmitter und Metaboliten in Hirn und Blut erforscht. Wir entnahmen dafür Proben der extrazellulären Hirnflüssigkeit und des Blutplasmas mit Mikrodialyse und führten neurochemische Analysen durch. In Zukunft werden diese Ergebnisse uns helfen durch die Analyse der Konzentration einer Substanz im Blut Rückschlüsse auf deren Konzentration im Hirn zu ziehen. Diese Herangehensweise könnte dazu benutzt werden die Permeabilität der Blut-Hirn Schranke für Medikamente zu testen oder ob neurochemische Veränderungen in neurodegenerativen Krankheiten im Blut feststellbar sind. Ausserdem haben wir bestätigt, dass auch kleinste Konzentrationsveränderungen eines Metaboliten wie Laktat mit dem BOLD Singal messbar sind. Dieses Resultat bestätigt die Theorie dass Laktat eine wichtige Rolle in der neurovaskulären Kopplung spielt: Aktivierte Neuronen produzieren Laktat und dieser Metabolit erweitert die Gefäße. Des Weiteren ist eine Gefäßerweiterung als Antwort auf neuronale Aktivität einer der Faktoren die dem BOLD Effekt zu Grunde liegen. Diese Mechanismen sind in neurodegenerativen Pathologien dereguliert. Deshalb können wir annehmen, dass Laktat unterschiedlichen Einfluss auf das BOLD Signal von gesunden Subjekten und Alzheimer Patienten hat. Unser Laktat fMRI Protokoll könnte darum auch in der Früherkennung von Alzheimer benutzt werden.