Effekte lang anhaltender, willkürlicher Hyperventilation auf Blutgase, Hirnperfusion und Bewusstsein : Eine funktionelle Magnetresonanztomographie-Studie mit Arterial-Spin-Labeling-Technik

Abstract

In der vorliegenden Studie wurden Veränderungen von physiologischen Parametern (Blutgase, pH-Wert, Elektrolyte), des Bewusstseins und der zerebralen Durchblutung auf eine willkürliche, 30 Minuten andauernde, Hyperventilation untersucht. Fünf Probanden mit Erfahrung in Hyperventilationstechniken hyperventilierten in einem 1,5 Tesla-MRT, woran sich eine ebenfalls 30 Minuten andauernde Ausklangphase anschloss. Es wurden in regelmässigen Zeitabständen Blutproben entnommen, und über die ganze Zeit mittels einer ASL-Technik die absolute Hirndurchblutung in fünfminütigen Blöcken bestimmt. Bewusstseinsveränderungen wurden mit Hilfe von Fragebögen (PCI und OAVAV) sowie mit halboffenen Interviews erfasst. Es zeigte sich, dass die induzierten Veränderungen der Blutgase und der Elektrolyte schwere Dysregulationen in der Homöostase nach sich zogen, welche sich zum Teil nach der Ausklangphase noch nicht normalisiert hatten. Die Bestimmung der zerebralen Durchblutung mit der ASL-Technik ergab auf das gesamte Gehirn betrachtet über alle Probanden nur eine geringe Reduktion (ca. 4ml/100g Gewebe/Minute). Dabei erwies sich die Technik als nicht bewegungsstabil. Durch atemassoziierte Bewegungen konnten die oberen und unteren Schichten nicht vollständig erfasst werden. In Folge dessen konnte eine Untersuchung bestimmter Regions-of-Interests nicht für alle Probanden über den gesamten Versuchsablauf durchgeführt werden. Lediglich die Darstellung der einzelnen Regionen in der Ausklangphase gelang für alle Probanden. Es wurde eine tendenzielle Abnahme der Durchblutung des Frontalhirns gesehen. Somit ergaben sich Hinweise auf die Richtgkeit der so genannten Hypofrontalitätshypothese. Die Veränderungen des Bewusstseins wurden durch die Hyperventilation im MRT im Vergleich mit einer Vorstudie als nicht vermindert festgestellt. Ein direkter Zusammenhang zwischen zerebraler Durchblutung und der Entwicklung der Blutgase konnte nicht festgestellt werden. Die Autoregulation hielt die CBF-Verläufe im gesamten Gehirn annähernd stabil, während die Untersuchungen der Blutproben eindrückliche Normabweichungen der physiologischen Parameter aufweisen. Die gemessenen CBF-Werte für die einzelnen Regionen zeigen sich sehr heterogen, während die Blutparameter bei allen Probanden sehr homogen verlaufen. Lediglich gemeinsame Trends sind zu erkennen. Auch im Vergleich zwischen den durchgängigen Bewusstseinsveränderungen und den Durchblutungsverläufen der einzelnen Hirnregionen findet sich kein klarer Zusammenhang. Die festgestellten Befunde sind aktuell nicht vollständig zu erklären. Aufschluss könnten weitere Studien mit größeren Probandengruppen liefern. Limitationen sind über die nicht ausreichende Motion-Correction für atemassoziierte Bewegungen und das geringe Signal-zu-Rauschen-Verhältnis der ASL-Technik gegeben. In the following study, changes in physiological parameters (blood gases, pH value, electrolytes), consciousness and of the cerebral blood flow (CBF) caused by an intentional hyperventilation of 30 minutes were analyzed. Five test persons with expert knowledge in hyperventilation were tested in a 1,5 Tesla-MRT during hyperventilation and a 30 minute recuperation period afterwards. Blood samples were taken in regular intervals, and the cerebral blood flow was averaged in five minutes intervals, during the whole experiment. Changes in consciousness and awareness were detected with the help of questionnaires (PCI und OAVAV) and half-structured interviews. The changes of the blood gasses and electrolytes induced severe dysregulations of the homeostasis, which did not completely normalize until the end of the 30 minute recuperation-period. The quantification of the cerebral blood flow of the complete brain in ASL-technique for all test persons showed only a small reduction (4ml/100g tissue/minute). The technique proved to be sensitive to movement caused by the heavy breathing, making it impossible to measure upper and lower layers completely. As a result, certain regions of interest could not be aligned for all test persons. Only during the recuperation period it was possible to picture some regions of interest in all test persons. The blood flow of the frontal cortex tended to decrease. This gives clues to the correctness of the so called Hypofrontalitätshypothese (thesis of hypofrontality). The changes in consciousness and awareness due to hyperventilation proved to be not reduced, compared to an earlier study. A direct link could not be detected between the blood flow and the development of the blood gasses. Autoregulation kept the CBF in the brain stable, while the blood samples showed massive deviations of the physiological parameters. The CBF for the individual regions of interest proved very inhomogeneous, while the blood parameters of all test persons showed homogenous results. Only a common tendency was found. There was no certain correlation between the changes in consciousness in all test persons and the blood flow in the regions of interest. These results are not completely explainable at this time. Experiments with larger groups of test persons might bring more findings. Limits to this sort of experiment are due to the insufficient motion correction for breathing induced movements and the small signal-to-noise-ratio of the ASL-technique.