Die regelrechte Denk- und Steuerungsleistung des Gehirns und damit der wesentliche Teil unseres menschlichen Daseins hängt grundsätzlich von einer ausreichenden Sauerstoffversorgung des Gehirngewebe ab. Sauerstoff (O₂) wird aus der Umgebungsluft durch die Lungenatmung aufgenommen, an das die Lunge durchströmende Blut abgegeben und dort mit Hilfe des Hämoglobins (Hb) in den roten Blutkörperchen gebunden. Mit Hilfe einer ausreichenden Herztätigkeit wird das Sauerstoff reiche Blut durch die arteriellen Gefäßsysteme der verschiedenen Organe gepumpt. Dort löst sich der Sauerstoff vom Hb und diffundiert als Energieträger in die Zellen, um die Energieversorgung und somit die Funktionsfähigkeit der Zellen zu gewährleisten. Aus den Organen fließt das Sauerstoff arme Blut in den venösen Gefäßsystemen zur Lunge zurück, um dort wieder mit Sauerstoff beladen zu werden. Eine Unterbrechung dieser Sauerstoffversorgung wie zum Beispiel durch Versagen der Herztätigkeit oder der Verstopfung eines Blutgefäßes führt zu katastrophalen Ausfällen von Organsystemen wie es beim Herzinfarkt oder Schlaganfall zu beklagen ist.

Die near infrared spectrocopy (NIRS) ist eine Methode, um mit Hilfe von langwelligem, infrarotem Laserlicht die Anteile der Gehirndurchblutung, die reich an Sauerstoff (O₂Hb) oder arm an Sauerstoff (HHb) sind, nicht invasiv zu vermessen,  Die oberste Abbildung zeigt einen Modellkopf mit einer Haube, in der auf der rechten wie der linken Frontalhirnseite vier NIRS Sensoren eingebaut sind. Des Weiteren sieht man auf der oberen Kopfhälfte 8 Elektroden zur gleichzeitigen bipolaren Ableitung elektrischer Hirnaktivität. Der PC-Bildschirm zeigt in Rot Bewegungen des O₂Hb, die bei einer Versuchsperson registriert worden sind.  Ergänzt werden diese Messungen durch simultane Registrierung der Sauerstoffbeladung des Blutes (SaO₂), der Herzschlagrate (HR) und des elektrischen Hautwiderstandes (galvanic skin resistance-GSR). Diese kompakte Anlage erlaubt es, Messungen der Hirndurchblutung in der ärztlichen Praxis, im ärztlichen Notfallwagen als auch in der Wohnung der Patienten durchzuführen.

Wir haben zwei einfache Methoden, die Atemanhalt Methode (Breath Hold) und die verstärkte Atmung Methode (Hyperventilation) gewählt, um SaO₂ und damit die Sauerstoffversorgung des Gehirngewebe zu verändern.

Die mittlere Abbildung zeigt die Breath Hold Methode für eine Zeit von ungefähr 23 Sekunden (siehe schwarze Eventlinie), die zum Anstieg von HR (grüne Linie) und einem verspäteten Abfall von SaO₂ (rote Linie) führt. Gleichzeitig mit dem HR-Anstieg kommt es im rechten als auch linken Frontal-Hirngewebe zu einem Anstieg von O₂Hb (rot) und HHb (blau). Die Sauerstoffversorgung des Gehirns scheint durch den HR-Anstieg so optimiert zu sein, dass der vorübergehende Abfall von SaO₂ keine negativen Folgen für die Sauerstoffversorgung hat. Die elektrische Hirnaktivität ist ungefähr 10 Sekunden nach Breath Hold Beginn teilweise erhöht wie aus den Ableitungen F3-F4 und C3-C4 zu ersehen ist. Das autonome Nervensystem jedoch ist schon ungefähr 2 Sekunden nach Breath Hold-Beginn als Notfallsystem aktiviert. Der Abfall der gelben GSR Linie weist auf eine Aktivierung des sympathischen Nervensystems und damit auf eine Tonuserhöhung des Blutgefäßsystems hin.

Die untere Abbildung zeigt die Hyperventilation Methode für eine Zeit von ungefähr 20 Sekunden (siehe schwarze Eventlinie), die 10 Sekunden nach Ende der Hyperventilation zum Abfall von HR (grüne Linie) und zu einem Anstieg von SaO₂ führt. Mit dem Abfall von HR kommt es zu einem Abfall von O₂Hb (rot) und HHb (blau) im rechten als auch linken Frontal-Hirngewebe trotz Anstieg von SaO₂.   Durch den Anstieg von   SaO₂ wird der Abfall besonders von O₂Hb (rot) kompensiert und es kommt zu einem zu einem Wiederanstieg. Der Abfall der gelben GSR Linie nach ungefähr 2 Sekunden weist wiederum auf eine Aktivierung des sympathischen Nervensystems hin ohne jedoch den Abfall von O₂Hb (rot) und HHb (blau) durch Tonuserhöhung des Blutgefäßsystems verhindern zu können. Dies weist vielleicht auf einen Mangel an CO₂ hin, das auf Grund der Hyperventilation vermehrt abgeatmet wurde und nicht mehr zur Regulation der Hirndurchblutung zur Verfügung steht. Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz und der Redescription Mining Analytik können wir die verschiedenen gemessenen Parameter verrechnen, um ein individuelles Profil der Sauerstoffversorgung des Gehirn für jeden einzelnen Patienten zu erstellen.

Wir können also auch mit beiden Methoden den Einfluss und die Bedeutung verschiedener Regelgrößen der Hirndurchblutung erhellen und zuverlässig und schnell die Qualität der Sauerstoffversorgung des Gehirngewebe beurteilen.  Eine entscheidende Größe zur Optimierung der Hirndurchblutung scheint die Herzschlagrate also die Blut- Förderleistung des Herzens zu sein, mit der Schwankungen der SaO₂ ausgeglichen werden können.  Dies weist auf die Wichtigkeit der Herzdruckmassage beim Herzstillstand hin, mit der die Sauerstoffversorgung des Gehirns im Notfall sichergestellt werden kann. Wir haben mit dieser NIRS Kompaktmessanlage ein zuverlässiges Instrument an der Hand, um Therapiemaßnahmen für jeden Patienten in verschiedenen klinischen Situationen ambulant und individuell kontrollieren und steuern zu können.