Indsigt i patofysiologien af ​​neurovaskulær frakobling hos patienter med hjernelæsioner. (NVUCVR)

Hjernemetabolisme og blodgennemstrømning er tæt sammen med neuronal aktivitet. Ændringer i neuronal aktivitet resulterer i modulering af glukoseforbrug af neuroner. Både glukose- og laktatniveauer vender tilbage til deres basislinje øjeblikkeligt, da neuronal aktivitet ophører, et fænomen kendt som neurometabolsk kobling. I betragtning af de begrænsede energiske reserver i det centrale nervesystem er neuronal aktivitet stærkt afhængig af den finregulerede forsyning af glukose fra blodbanen. Imidlertid overstiger den dynamiske stigning i cerebral blodstrøm (CBF) under neuronal aktivering langt stigningen i oxidativ metabolisme. Denne relative hyperemiske respons sikrer en øget iltgradient mellem blodkar og væv, der giver rigelig iltforsyning. Den tætte tidsmæssige og regionale forbindelse mellem ændringer i neuronal aktivitet og CBF -stigning omtales som neurovaskulær kobling (NVC) og involverer en kompleks kaskade af begivenheder. Neurotransmittere, såsom glutamat, frigivet ved synapser binder til receptorer på neuroner og astrocytter, hvilket fører til frigivelse af forskellige kemiske mediatorer, såsom nitrogenoxid og prostaglandiner, der direkte virker på arteriel glat muskel tone. Mere komplekse og ufuldstændige forståede signalveje, herunder Na+ og Ca2+ -medierede astrocyt-signalmekanismer, antages også at bidrage til NVC.

Det stramme forhold mellem neuronal aktivitet og både regional blodgennemstrømning og stofskifte har givet grundlaget for ikke-invasive funktionelle hjerneafbildningsmetoder, herunder positronemissionstomografi (PET) og funktionel magnetisk resonansafbildning (FMRI). PET ved anvendelse af [18Fluor] -fluorodeoxyglucose (FDG) er en teknik baseret på akkumulering af metaboliseret FDG (dvs. FDG-6-phosphat) i astrocyt-neuronkomplekset, hvilket afspejler niveauet for glukoseforbrug. Siden sædværkerne fra Sokoloff et al. Betragtes glukoseudnyttelse som en gyldig, nøjagtig og kvantitativ indikator for niveauet for lokal neuronal aktivitet i hjernen. I modsætning hertil giver FMRI, der er afhængig af det blod iltniveauafhængige (BOLD) signal, indirekte information om neuronal aktivitet ved at undersøge perfusionsrelaterede ændringer kombineret med neuronal aktivitet. I områder med øget CBF på grund af modulationer i neuronal aktivitet overstiger iltlevering hastigheden for iltudnyttelse, hvilket inducerer en lokal stigning i oxy-/deoxy-hæmoglobinforholdet. Dette fører til en detekterbar stigning i den magnetiske følsomhedsvægtede MRI-signal.

En af de tidligste og stadig anerkendte kliniske anvendelser af fMRI har været præoperativ funktionel kortlægning af den primære sensorimotoriske cortex hos patienter med hjernesvulst. Denne teknik har påvirket kirurgisk planlægning markant, hvilket ofte muliggør mere aggressive tilgange end dem, der betragtes uden funktionel lokalisering. FMRI er også i stigende grad blevet anvendt i den presurgiske evaluering af patienter med vaskulære eller epileptogene læsioner. På trods af den voksende anvendelse af dristige fMRI hos patienter med hjernelæsioner har denne teknik imidlertid store begrænsninger, der skal overvejes, når fMRI fortolkes i sådanne populationer. Den vigtigste begrænsning er nedskrivningen af ​​BOLD-signalændringer på grund af læsionsrelateret tab af normal vaskulær kobling med neuronal aktivitet, et fænomen omtalt som neurovaskulær frakobling (NVU). Dette kan resultere i falsk-negative eller falsk-positive resultater i kritisk veltalende cortex. Hvis neuronal aktivitet er bevaret i syge, men levedygtig cortex, antages NVU at forekomme på grund af astrocytisk, neurotransmitter eller vaskulær dysfunktion.

NVU er hovedsageligt rapporteret hos patienter med glialtumorer i høj kvalitet og meningiomas. Hos sådanne patienter har mængden af ​​opgavebaseret fMRI-signalstigninger vist sig at være reduceret ved siden af ​​tumoren sammenlignet med homologe fMRI-signalændringer i den kontralesionelle halvkugle på trods af fraværet af neurologisk underskud. I tråd med eksperimentelle data hos raske forsøgspersoner, der viser, at BOLD -signal kan falde, når cerebral blodvolumen (CBV) øges, kan nedsat cerebrovaskulær reaktivitet (CVR) hos hjernesvulstpatienter forklares ved ændringer i lokal perfusion. I hypervaskulariserede tumorer, såsom høj kvalitet gliomas og meningiomas, er lokal hyperperfusion blevet foreslået for at forklare det nedsatte BOLD-signal på opgavebaseret FMRI. Nylige undersøgelser har imidlertid vist, at NVU også kan forekomme i gliomas med lav kvalitet. I betragtning af fraværet af hyperperfusion i denne tumortype skal forskellige mekanismer overvejes. I gliomas med lav kvalitet menes den observerede NVU i øjeblikket at være i det mindste delvist på grund af forstyrrelse af astrocyt-vaskulær kobling (gliovaskulær frakobling). Patienter med arteriovenøse misdannelser kan udvise nedsat peri-nidale cerebrovaskulære reserve på grund af højstrømningsforsyning, hvilket gør perfusionsafhængige kortlægningssignaler upålidelige. Epilepsipatienter kan også udvise regional svækkelse af CVR på grund af dramatiske stigninger i hjernemetabolismen og CBF i den ictal-periode, forstyrrelse af hjerneblodbarrieren og et akut tab af cerebral tryk autoregulering.

I henhold til tidligere forskning kan CVR undersøges gennem "Hypercapnia Challenge" under fMRI-optagelser, herunder Breath-Hold fMRI (BH fMRI) og carbogenindånding fMRI. Hypercapnia er en potent vasodilator, der øger det BOLD baseline -signal ved at detektere en stigning i vævsoxygenering, der er resultatet af stigninger i CBF, mens kravene til oxidativ metabolisme anses for at forblive konstante. Imidlertid er påvirkningen af ​​hypercapnia på neurale aktiviteter og neurometaboliske/neurovaskulære koblinger ikke godt forstået og forbliver diskuteret. I praksis antages områder med reduceret eller fraværende hypercapnia-induceret stigning i FMRI-signal på CVR-kort sammenlignet med homolog kontralateral aktivering at indikere NVU. Nylige undersøgelser antyder potentielle fordele ved at bruge hviletilstand (RS) fMRI som en præoperativ teknik. RS-FMRI er en funktionel neuroimaging-teknik, der tillader måling af spontan hjerneaktivitet hos patienter i hvile. Spontane BOLD-signalsvingninger er meget korrelerede i forskellige og langvarige hjerneområder, hvilket indikerer funktionel forbindelse inden for specifikke og stærkt organiserede neuroanatomiske netværk. Funktionelle forbindelsesundersøgelser har også vist en høj grad af rumlig sammenhæng mellem RS-FMRI-funktionel hjerneforbindelse og dem, der blev undersøgt under en hypercapnia-udfordring. Interessant nok antyder nyere forskning, at RS-Bold-signal kan være nedsat hos patienter, hvor opgavebaserede stigninger i fMRI-signaler reduceres eller fraværende på grund af NVU. Derfor kan ændringer i funktionel hjerneforbindelse undersøgt med RS-FMRI give indsigt i tilstedeværelsen af ​​NVU som undersøgt med CVR under hypercapnia. Sådanne fund ville være af interesse i klinisk praksis, da de kunne undgå behovet for CVR-kortlægning med en hypercapnia-udfordring.