Influence of Stimulus Duration on the Neurovascular Coupling Response

Zusammenfassung

Studienziel: Der Mechanismus der neurovaskulären Kopplung gleicht die Hirndurchblutung der jeweiligen Hirnaktivität an. Dies erfolgt schnell, reproduzierbar und in einer fein abgestimmten Weise, so dass die Frage nach der Linearität des Mechanismuss aufkam. Eine Nicht-Linearität wurde aufgrund unterschiedlicher Zeitverläufe der Flussregulation bei unterschiedlichen Stimulationsdauern angenommen. Kurze Stimulationszeiten führten zu einer „peak”- Antwort, während längere Stimulationszeiten zu einer „peak”- und Plateau-Charakteristik führten. Wir vermuten, dass die unterschiedlichen Antworten durch dynamische Eigenschaften der Kopplung bedingt werden. Methode: Ein funktioneller transkranieller Doppler-Test über ein visuelles Paradigma wurde bei 10 gesunden Freiwilligen (Alter 25,8 ± 0,5 Jahre, 7 Männer) durchgeführt. Zwei Tests mit unterschiedlichen Stimulationsdauern wurden verwendet (20 s versus 40 s). Dabei war bekannt, dass der kurze Test in der dynamischen und der lange in der statischen Phase endeten. Die Daten des langen Tests wurden mittels eines mathematischen Regelkreisansatzes analysiert. Das so erhaltene Modell wurde verwendet, um hypothetische Daten einer 20 s-Stimulation zu errechnen. Ein paariger t-Test wurde benutzt, um gemessene und errechnete Daten für die kurze Stimulationsphase zu vergleichen. Ergebnisse: Das Flussverhalten war für die ersten 20 s Stimulation identisch. Mit dem Ende der Stimulation im kurzen Test kehren die Flussgeschwindigkeiten zu den Ruhewerten zurück, was zu einer „peak“- Antwort führt, während sich die Geschwindigkeiten im längeren Test auf ein konstantes Niveau über der Ruhelinie stabilisieren, was zu einer „peak“- und Plateau-Charakteristik führt. Schlussfolgerungen: Die unterschiedlichen Flussantworten durch verschieden lange Stimulationsdauern werden durch die dynamischen Eigenschaften der Kopplung bedingt und weisen nicht auf eine Nicht-Linearität hin.

Abstract

Aim: The neurovascular coupling mechanism adapts cerebral blood flow in accordance with cortical activity. It reacts rapidly, reliably and in a finely tuned manner. Therefore, the question emerged at to whether this might be a linear mechanism. Recently, non-linearity was concluded from different time curves of flow regulation, resulting from stimulation of varying duration. Short lasting stimulation resulted in a peak response, whereas longer stimulation led to a peak and plateau characteristic of flow response. We suggest the different responses may be caused by dynamic properties of the coupling. Method: A functional transcranial Doppler test was performed using a visual stimulation paradigm in 10 healthy volunteers (age 25.8 ± 0.5 years, 7 men). Two tests with different stimulus duration were used (20 s versus 40 s). The short test was known to result in the dynamic pattern, and the long test in the static phase of flow regulation. The data from the long test were evaluated according to a control system approach. The resultant model was used to calculate data of an assumed 20 s stimulation. A paired t-test was used to compare the measured and calculated flow data for the short stimulation test. Results: The flow velocity responses were identical when comparing the first 20 s of stimulation. At the termination of stimulation in the short test, flow velocity returned to baseline leading to a peak response, whereas flow velocity stabilised at a constant level above baseline in the long stimulation paradigm, resulting in the peak and plateau characteristic. Conclusion: The different flow responses due to different stimulus duration are caused by dynamic properties of the coupling mechanism and are not indicative of non-linearity.

Schlüsselwörter

Hirnaktivität - Doppler - Hirndurchblutung - Aktivitäts-Fluss-Kopplung - Metabolismus

Key words

Cerebral activity - doppler - cerebral blood flow - activation flow coupling - metabolism

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