Blood Oxygen Level Dependency

Blood Oxygen Level Dependency (BOLD) ist ein bildgebendes Verfahren der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT), mittels dessen sich lokale Änderungen der Gehirnaktivität bestimmen lassen.

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1990 entdeckte Seiji Ogawa, dass sich die bereits 1935 von Linus Pauling und Charles D. Coryell nachgewiesenen Änderungen der magnetischen Eigenschaften des Blutfarbstoffs Hämoglobin mit dessen Sauerstoffbeladung durch das BOLD-Signal kernspintomografisch erfassen lassen.

Mittels des BOLD-Signals ist es möglich (auf den Millimeterbereich) begrenzte Aktivitätsschwankungen des Gehirns zu messen, die mit der Verarbeitung sensorischer Information oder mentaler Aktivität jeglicher Art einhergehen (siehe auch: neuronales Korrelat des Bewusstseins). Das BOLD-Signal bildet mithin die Grundlage für die funktionelle Magnetresonanztomografie, bei der nicht nur die mit Röntgen-Aufnahmen vergleichbaren anatomischen Bilder des Gehirns gewonnen werden, sondern zudem auch lokale Änderungen der Gehirnaktivität bestimmt werden.

Steigt die durchschnittliche Impulszahl und damit die elektrochemische Aktivität der Gehirnzellen eines Hirnareals an, so steigt auch ihr Bedarf an Sauerstoff und Glukose, der durch einen komplizierten und im Einzelnen immer noch unverstandenen Regulationsmechanismus (Neurovaskuläre Kopplung) der Gehirngefäße ausgeglichen wird. Die Änderungen des Blutflusses, der vorhandenen Blutmenge sowie der Sauerstoffsättigung des Bluts ziehen Veränderungen des lokalen Magnetfelds (Änderung der Relaxationszeit T2*) mit sich, die sich bei der Verwendung geeigneter MRT-Sequenzen im BOLD-Signal widerspiegeln.

Der genaue Zusammenhang zwischen der Aktivität einzelner Nervenzellen, der zum EEG aufsummierten Aktivität größerer Zellpopulationen, und ihre Auswirkung auf die Sauerstoff-Beladung des Blutes ist momentan Gegenstand intensiver Forschung. Simultane Messungen der elektrischen Gehirnaktivität und des BOLD-Signals ergaben, dass unterschwellige Fluktuationen der lokalen Feldpotentiale teilweise stärker mit BOLD korreliert sind als die Impulsraten der Neuronen (Logothetis et al. 2001). Dies wird als Bestätigung dafür gesehen, dass die Änderungen des BOLD-Signals ein indirektes Abbild der Nervenaktivität darstellen.

Literatur

• Pauling, Linus: The Oxygen Equilibrium of Hemoglobin and Its Structural Interpretation. Proc Natl Acad Sci U S A. 1935 Apr;21(4):186–191.
• Pauling, Linus & Coryell, Charles D.: The Magnetic Properties and Structure of the Hemochromogens and Related Substances. Proc Natl Acad Sci U S A. 1936 Mar;22(3):159–163.
• Ogawa, S., Lee, T.M., Kay, A.R. & Tank, D.W.: Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87, 9868−9872 (1990).
• Logothetis NK, Pauls J, Augath M, Trinath T, Oeltermann A: Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature 412, 150-157, 2001