Effect of Visual Stimulation on Blood Oxygenation in the Optic Nerve Head of Miniature Pigs: a Pilot Study

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Abstract
Hintergrund: Visuelle Stimulation wird vermehrt zur Untersuchung der Kopplung zwischen neuronaler Aktivität, Blutfluss und Metabolismus im Nervengewebe des Augenhintergrundes verwendet. Zur Abklärung, ob der Sauerstoffmetabolismus bei dieser Kopplung beteiligt ist, haben wir die Veränderungen des Sauerstoffpartialdrucks des venösen Blutes (pO2,blood) im Sehnerv von Schweinchen als Antwort auf zwei verschiedene visuelle Reize untersucht. Material und Methoden: Bei 3 Miniaturschweinchen wurde der pO2,blood im Sehnervenrand mittels der Methode der Phosphoreszenzlöschung durch Sauerstoff gemessen. Diese Messgröße wurde alle 8 Sekunden registriert, entweder während eines Dunkel-Hell-Übergangs oder bei diffusem Luminanzflicker (30°-Feld, zentriert am Sehnerv, Frequenz 2 bis 80 Hz). Ergebnisse: Die Höhe des venösen pO2,blood änderte sich zwischen Dunkel- und Helladaptation nicht (26,2 ± 5,3 bzw. 26,0 ± 6,2 mm Hg, Mittel ± St. Abw.), außerdem beobachteten wir keine transienten Änderungen des pO2,blood während der Helladaptationsphase. Anderseits erhöhte sich der venöse pO2,blood im Mittel, verglichen mit dessen Höhe bei kontinuierlicher Beleuchtung (24,5 ± 1,9 mm Hg), um mindestens 6 % bei allen Frequenzen, mit einer maximalen Antwort von 14 % bei 15 Hz. Schlussfolgerungen: Die Phosphoreszenzlöschungsmethode kann die durch visuelle Stimulation induzierten Änderungen des venösen pO2,blood sichtbar machen. Unsere Resultate zeigen, dass sich der pO2,blood im Sehnerv von Miniaturschweinchen bei verändertem Adaptationszustand der Netzhaut nicht ändert, dass dieser aber während Flickerstimulation bandpassartig ansteigt. Die vorher beobachtete Erhöhung des Blutflusses im Sehnervengewebe bei Flickerstimulation könnte für die Zunahme des pO2,blood verantwortlich sein. Background: Visual stimulation is increasingly used to investigate the coupling between neuronal activity, blood flow and metabolism in the neural tissue of the ocular fundus. In an attempt to clarify whether the oxygen metabolism is involved in this coupling, we investigated the changes in the partial pressure of oxygen of venous blood (pO2,blood) in the optic nerve head of pigs in response to two different visual stimuli. Materials and methods: In 3 miniature pigs, the pO2,blood was measured in the optic disk rim using the technique of phosphorescence quenching by oxygen. This parameter was recorded every 8 seconds during a dark-to-light transition and during diffuse luminance flicker (field of 30° centered at the optic disk, temporal frequencies of 2 to 80 Hz). Results: The venous pO2,blood level (mean ± standard deviation) did not change between dark- and light-adapted conditions (26.2 ± 5.3 and 26.0 ± 6.2 mm Hg, respectively), nor did we observe any transient change of pO2,blood during the light adaptation phase. On the other hand, the venous pO2,blood increased, on average, relative to its level during continuous light conditions (24.5 ± 1.9 mm Hg) by at least 6 % for all flickering frequencies, with a maximum response of 14 % at 15 Hz. Conclusions: The phosphorescence quenching technique can reveal changes in venous pO2,blood induced by visual stimulation. Our results show that the pO2,blood in the optic nerve head of miniature pigs does not change with the light adaptation state of the retina, but increases during flicker stimulation with a band-pass type response. The previously reported increase of the ONH blood flow in response to flicker stimulation could lead to this increase of pO2,blood.

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