Die Großhirnrinde stellt beim Säuger einen wichtigen Bereich des Zentralnervensystems dar, der sich mit der Verarbeitung von sensorischen Informationen befasst. Anatomisch ist diese Struktur durch ihren kolumnären Aufbau gekennzeichnet. Diese Kolumnen oder Zellsäulen sind hoch spezialisierte neuronale Entitäten, die z.B. im visuellen Kortex hoch spezialisiert einzelne Aspekte visueller Stimuli analysieren und repräsentieren. Zum Verständnis der neuronalen Mechanismen, die der Verarbeitung sensorischer Informationen zugrunde liegen, ist es allerdings von großer Bedeutung, nicht nur Signale von einzelnen Orten in der Großhirnrinde zu sammeln, sondern neuronale Aktivität großflächig und simultan über weite Bereiche eines Rindenareals abzuleiten. Dies lässt sich sehr gut mit optischen Ableitverfahren bewerkstelligen. Besonders die Methodik des Voltage Sensitive Dye Imagings (VSDI) ist für solche Zwecke prädestiniert, denn mit dieser Methode können simultan die Aktivität tausender Neurone im visuellen Kortex der Katze in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung visualisiert werden.

Während der Datenanalyse hat sich herausgestellt, dass die Antwortstärke auf einen Stimulus trotz konstanter Versuchsbedingungen sehr stark variieren kann. Dies ist sowohl auf der Basis von elektrophysiologisch gewonnen Daten der Fall wie auch auf der Basis von optischen Ableitungen aufgefallen. Um zu überprüfen, ob diese Variationen zumindest in den optisch gewonnenen Daten auf Störeinflüsse durch Artefakte resultierend aus den Kreislauffunktionen des Versuchstieres, wie z.B. dem Herzschlag der Katze, wurden die Daten mit Hilfe einer Independent Component Analyse (ICA) von Artefakten bereinigt. Durch Einsatz der ICA konnte insbesondere das Herzschlagartefakt beseitigt und die Datenqualität signifikant erhöht werden. Die Variationen innerhalb der neuronalen Antwortstärke waren jedoch weiterhin feststellbar. Um zu überprüfen, ob diese Variationen auf technische Störsignale zurückzuführen sind, wurden die das VSDI beeinflussenden Störsignale untersucht und durch die Integration eines neuen Aufnahmesystems minimiert. Zu diesem Ziel wurde das bisherige CCD-basierte Kamerasystem auf ein CMOS Kamerasystem gewechselt. Wie sich dann zeigte, konnte nach weitgehender Beseitigung aller biologischen und Minimierung aller technischen Störquellen die Variationen innerhalb der optischen Daten trotz konstanter Versuchsbedingungen weiterhin festgestellt werden. Diese Ergebnisse führten zu der Hypothese, dass die Variationen neuronalen Ursprungs sind und auf Schwankungen innerhalb der neuronalen Spontanaktivität zurückzuführen sind.

Die raum-zeitliche Analyse der Spontanaktivität hat ergeben, dass spontan Aktivitätsmuster auftreten, die den entsprechenden Mustern der evozierter Aktivität sehr stark ähneln. Unabhängig von diesen Mustern war zu beobachten, dass auch die Aktivitäten innerhalb der Spontanaktivität variieren - Phasen hoher und Phasen geringer Spontanaktivität konnten identifiziert werden. Da die Aktivität innerhalb der spontanen- und der evozierten Aktivität variiert, wurde untersucht, ob die neuronale Spontanaktivität innerhalb des primären visuellen Kortex die Stimulus evozierte Aktivität der Neurone beeinflusst. Es ließ sich zeigen, dass während Phasen hoher Spontanaktivität die Antwort auf den Stimulus signifikant erhöht und während Phasen geringer Spontanaktivität signifikant erniedrigt ist. Zurückzuführen sind diese Ergebnisse auf den Erregungsgrad der Neurone kurz vor Beginn der Stimulation.

Nach der Hypothese von Romei und Lange (Romei et al., 2008a, Romei et al., 2010, Lange et al., 2013) wird die Erregbarkeit kortikaler Neurone von der oszillatorischen Aktivität im Alphaband stark beeinflusst. Die Hypothese besagt, dass während Phasen hoher Alphaaktivität die kortikale Erregbarkeit reduziert ist. Da es noch keinen direkten Beweis für diese Hypothese gibt, habe ich sie mit Hilfe meiner Daten überprüft. Aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung der VSD-Daten war es möglich, den Erregungsgrad der Neurone und die vorherrschende oszillatorische Power im Alphaband zeitgleich zu visualisieren. Simultan zu den optischen Daten wurde die Alphaaktivität innerhalb der elektrophysiologisch abgeleiteten Daten in Area 18 und im posteromedialen lateralen Teil des suprasylvischen Kortex (PMLS) gemessen. Die Analyse hat ergeben, dass während Phasen geringer Spontanaktivität und somit eines niedrigem kortikalen Erregungsgrads die Alphaaktivität in Area 18 und in PMLS signifikant erhöht ist. Diese Daten liefern somit zum ersten Mal den direkten Nachweis zur Bestätigung der Hypothese (Romei et al., 2008a, Romei et al., 2010, Lange et al., 2013), dass während Phasen hoher Alphaaktivität die Erregbarkeit kortikaler Neurone reduziert ist. Weiterführend erbrachte eine Kohärenzanalyse den Nachweis, dass eine Interaktion zwischen den neuronalen Netzwerken in Area 18 und PMLS besteht. Die Kohärenz zwischen beiden Arealen ist während Phasen hoher Alphaaktivität hoch (>0.5) und die Berechnung der Phasenverschiebung ergab, dass die Alphaaktivität von PMLS ausgeht. Die Daten liefern einen Hinweis auf eine top-down gesteuerte Modulation der neuronalen Erregbarkeit im primären visuellen Kortex. Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass die Variationen innerhalb der optischen Daten im Wesentlichen nicht auf biologische oder technische Störeinflüsse zurückzuführen sind, sondern neuronalen Ursprungs sind. Das Ausmaß der Spontanaktivität kurz vor Einsatz der Stimulation beeinflusst die Amplitude der evozierten Aktivität durch den Stimulus. Die Spontanaktivität wiederum ist abhängig von der oszillatorischen Aktivität im Alpha-Band, die vermutlich durch top-down gesteuerte Prozesse moduliert wird.