Messung neuronaler Aktivität mit kombinierten, mulitfunktionalen Mikro NMR Proben und Mikroelektroden

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Anders; Professor Klaus Scheffler, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258291162

Konventionelle fMRT Experimente basieren auf dem BOLD-Effekt, der die Messung neuronaler Aktivität über die korrespondierenden lokalen Suszeptibilitätsveränderungen ermöglicht. Diese werden in der Regel mit Hilfe T2*-gewichteter EPI Sequenzen gemessen, wobei eine zeitliche Auflösung im Bereich von Sekunden und räumliche Auflösungen im Mikroliterbereich erzielt werden. Das beantragte Forschungsprojekt zielt auf die Überwindung dieser Beschränkungen in der zeitlichen und räumlichen Auflösung, um so feinere Details der neurovaskulären Kopplungskaskade untersuchen zu können.Das Hauptziel des Projektes ist dabei die Detektion der mit neuronaler Aktivität in Zusammenhang stehenden Änderung der Protonenmagnetisierung innerhalb sehr kleiner Volumina und mit verbesserten zeitlichen und räumlichen Auflösungen, sowie die simultane elektrische Messung dieser neuronalen Aktivität. Die Volumenselektivität der verwendeten MR Mikrospulen ermöglicht es darüber hinaus, lokale Veränderungen der Konzentration von Neurotransmittern sowie den Energiemetabolismus mit Hilfe von lokaler 1H- bzw. 31P-Spektroskopie zu untersuchen. Um diese Ziele zu erreichen, wird ein Mikrosystem bestehend aus einer miniaturisierten MR Spule, Mikroelektroden zur Erfassung elektrischer Signale und einem ASIC entworfen. Alle genannten Komponenten werden auf einem gemeinsamen, nadelförmigen Substrat angeordnet, dessen Form die Gewebeschäden bei der Einführung in die relevanten Areale minimiert. Die ASICs enthalten die erforderliche Elektronik zur Signalkonditionierung sowohl der gemessenen MR als auch der erfassten elektrischen Signale, so dass an den Ausgängen des ASICs robuste Signalpegel vorhanden sind, die eine direkte AD-Umsetzung mit Hilfe kommerzieller ADUs ermöglichen. Zusätzlich zu den beschriebenen Signalkonditionierungs-ASICs, werden auch TX/RX-ASICS entworfen, die über einen Leistungsverstärker zur lokalen Anregung des Spinensembles verfügen und so die Gewebserhitzung minimieren.Insgesamt wird das konzipierte System in der Lage sein, die lokalisierte Aktivität innerhalb einzelner Schichten und vorzugsweise innerhalb von Regionen mit unterschiedlichem biologischem Aufbau (Dendriten, Körper, etc.) zu erfassen. Die simultane Messung von MR und elektrischen Signalen erlaubt die direkte Untersuchung neurovaskulärer Kopplungen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung und damit die Abschätzung der räumlichen Abhängigkeit der hämodynamischen Antwortfunktionen. Darüber hinaus wird es das konzipierte miniaturisierte multimodale Messsystem ermöglichen, die neurovaskuläre Kopplung mit extrem hoher zeitlicher Auflösung darzustellen. Dadurch kann die Korrelation zwischen elektrischen Signalen und Veränderungen der Protonenmagnetisierung mit Verzögerungen weit unterhalb der momentan angenommenen Verzögerungen im Sekundenbereich messtechnisch erfasst werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Nikos K. Logothetis