Einblicke in die Pathophysiologie der neurovaskulären Entkopplung bei Patienten mit Hirnläsionen. (NVUCVR)

Der Hirnstoffwechsel und der Blutfluss sind eng mit der neuronalen Aktivität verbunden. Veränderungen der neuronalen Aktivität führen zur Modulation des Glukoseverbrauchs durch Neuronen. Sowohl die Glukose- als auch die Laktatspiegel kehren sofort zu ihrer Grundlinie zurück, wenn die neuronale Aktivität aufhört, ein Phänomen, das als neurometabolische Kopplung bekannt ist. Angesichts der begrenzten energetischen Reserven im Zentralnervensystem beruht die neuronale Aktivität stark auf der fein regulierten Glukoseversorgung aus dem Blutkreislauf. Der dynamische Anstieg des zerebralen Blutflusses (CBF) während der neuronalen Aktivierung übersteigt jedoch weit den Anstieg des oxidativen Stoffwechsels. Diese relative hyperemische Reaktion sorgt für einen erhöhten Sauerstoffgradienten zwischen Blutgefäßen und Gewebe und sorgt für ausreichende Sauerstoffversorgung. Der enge zeitliche und regionale Zusammenhang zwischen Veränderungen der neuronalen Aktivität und der CBF -Zunahme wird als neurovaskuläre Kopplung (NVC) bezeichnet und umfasst eine komplexe Kaskade von Ereignissen. Neurotransmitter wie Glutamat, die bei Synapsen freigesetzt werden, binden an Rezeptoren auf Neuronen und Astrozyten, was zur Freisetzung verschiedener chemischer Mediatoren wie Stickoxid und Prostaglandine führt, die direkt auf arterielles glattes Muskeltonus wirken. Es wird auch vermutet, dass auch komplexere und unvollständig verstandene Signalwege, einschließlich Na+ und Ca2+-vermittelter Astrozyten-Signalmechanismen, zu NVC beitragen.

Die enge Beziehung zwischen der neuronalen Aktivität und sowohl regionaler Blutfluss als auch Metabolismus hat die Grundlage für nicht-invasive funktionelle Gehirnbildgebungsmethoden dargestellt, einschließlich der Positronenemissionstomographie (PET) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (FMRI). PET mit [18fluor] -Fluorodeoxyglucose (FDG) ist eine Technik, die auf der Akkumulation von metabolisierten FDG (d. H. FDG-6-phosphat) im Astrozyten-Neuron-Komplex basiert und den Niveau des Glucosekonsums widerspiegelt. Da die wegweisenden Werke von Sokoloff et al. Im Gegensatz dazu liefert FMRI, das sich auf das blutsauerstoff-abhängige (BOLD) -Signal (BOLD) stützt, indirekte Informationen über die neuronale Aktivität durch Untersuchung der perfusionsbedingten Veränderungen in Verbindung mit der neuronalen Aktivität. In Bereichen mit erhöhtem CBF aufgrund von Modulationen in der neuronalen Aktivität übersteigt die Sauerstoffabgabe die Sauerstoffverbrauchsrate, was zu einem lokalen Anstieg des Oxy/Deoxy-Hämoglobin-Verhältnisses führt. Dies führt zu einer nachweisbaren Zunahme des mit magnetischempfindlich gewichteten MRT-Signals.

Eine der frühesten und immer noch anerkannten klinischen Anwendungen des fMRI war die präoperative Funktionskartierung des primären sensomotorischen Kortex bei Patienten mit Hirntumoren. Diese Technik hat die chirurgische Planung erheblich beeinflusst und oft aggressivere Ansätze ermöglicht als diejenigen, die ohne funktionelle Lokalisierung betrachtet werden. FMRI wurde auch zunehmend bei der presurgischen Bewertung von Patienten mit vaskulären oder epileptogenen Läsionen eingesetzt. Trotz des wachsenden Einsatzes von mutigem FMRT bei Patienten mit Gehirnläsionen weist diese Technik große Einschränkungen auf, die bei der Interpretation fMRI -Ergebnisse in solchen Populationen berücksichtigt werden müssen. Die Hauptbegrenzung ist die Beeinträchtigung von BOLD-Signaländerungen aufgrund des läsionsbedingten Verlusts der normalen Gefäßkopplung mit neuronaler Aktivität, einem Phänomen, das als neurovaskuläre Entkopplung (NVU) bezeichnet wird. Dies kann zu falsch negativen oder falsch positiven Ergebnissen zu einem kritischen eloquenten Kortex führen. Wenn die neuronale Aktivität in erkrankten, aber lebensfähigen Kortex erhalten bleibt, wird angenommen, dass NVU aufgrund von Astrozyten, Neurotransmitter oder vaskulärer Dysfunktion auftritt.

NVU wurde hauptsächlich bei Patienten mit hochgradigen Glia-Tumoren und Meningiomen berichtet. Bei solchen Patienten wurde gezeigt, dass das Volumen der aufgabenbasierten fMRI-Signalsteigerungen neben dem Tumor im Vergleich zu homologen fMRI-Signalveränderungen in der kontralisionalen Hemisphäre trotz des Fehlens eines neurologischen Defizits reduziert sind. In Übereinstimmung mit experimentellen Daten bei gesunden Probanden, die zeigen, dass das BOLD -Signal mit zunehmendem zerebralem Blutvolumen (CBV) abnimmt, kann eine beeinträchtigte zerebrovaskuläre Reaktivität (CVR) bei Hirntumorpatienten durch Veränderungen der lokalen Perfusion erklärt werden. Bei hypervaskularisierten Tumoren wie hochgradigen Gliomen und Meningiomen wurde vorgeschlagen, das verringerte BOLD-Signal für aufgabenbasierte FMRI zu erklären. Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass NVU auch bei niedriggradigen Gliomen auftreten kann. Angesichts des Fehlens einer Hyperperfusion in diesem Tumortyp müssen verschiedene Mechanismen berücksichtigt werden. Bei minderwertigen Gliomen wird die beobachtete NVU derzeit zumindest teilweise aufgrund einer Störung der Astrozyten-Vaskulärkopplung (gliovaskuläres Entkoppeln) angesehen. Patienten mit arteriovenösen Fehlbildungen können aufgrund eines hohen Flusses eine beeinträchtigte peri-nidale zerebrovaskuläre Reserve aufweisen, wodurch die Perfusions-abhängige Kartierungssignale unzuverlässig sind. Epilepsiepatienten können auch eine regionale Beeinträchtigung der CVR aufgrund eines dramatischen Anstiegs des Hirnstoffwechsels und des CBF während der Iktalperiode, der Störung der Hirnblutbarriere und eines akuten Verlusts des Gehirndrucks Autoregulation aufweisen.

Laut früheren Untersuchungen kann CVR während der fMRI-Aufzeichnungen "Hypercapnia Challenge" während fMRI-Aufzeichnungen untersucht werden, einschließlich atemhaltiger fMRI (BH fMRI) und Carbogeninhalation fMRI. Hyperkapnie ist ein starker Vasodilatator, der das BOLD -Baseline -Signal erhöht, indem ein Anstieg der Gewebe -Sauerstoffversorgung erfasst, die sich aus einer Erhöhung der CBF ergeben, während die Anforderungen des oxidativen Stoffwechsels als konstant angesehen werden. Der Einfluss von Hyperkapnie auf die neuronale Aktivität und neurometabolische/neurovaskuläre Kopplungen ist jedoch nicht gut verstanden und bleibt diskutiert. In der Praxis wird angenommen, dass Bereiche mit reduziertem oder fehlender Hyperkapnie-induziertem Anstieg des fMRI-Signals auf CVR-Karten im Vergleich zur homologen kontralateralen Aktivierung auf NVU hinweisen. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass potenzielle Vorteile bei der Verwendung von RSS-FMRI (RSS) als präoperative Technik verwendet werden. RS-FMRI ist eine funktionelle Neuroimaging-Technik, die die Messung der spontanen Gehirnaktivität bei Patienten in Ruhe ermöglicht. Spontane BOLD-Signalschwankungen sind in unterschiedlichen und langreichen Hirnregionen stark korreliert, was auf funktionelle Konnektivität in spezifischen und hoch organisierten neuroanatomischen Netzwerken hinweist. Funktionelle Konnektivitätsstudien haben auch einen hohen Grad an räumlicher Korrelation zwischen der funktionellen RS-FMRI-Konnektivität des Gehirns und denen, die während einer Hyperkapnia-Herausforderung untersucht wurden, gezeigt. Interessanterweise deuten jüngste Untersuchungen darauf hin, dass das RS-Bold-Signal bei Patienten beeinträchtigt sein kann, bei denen aufgabenbasierte Erhöhungen der fMRI-Signale aufgrund von NVU reduziert oder nicht vorhanden sind. Daher könnten Veränderungen der mit RS-FMRI untersuchten funktionellen Gehirnkonnektivität Einblicke in das Vorhandensein von NVU liefern, die während der Hyperkapnie mit CVR untersucht wurden. Solche Ergebnisse wären von Interesse an der klinischen Praxis, da sie die Notwendigkeit eines CVR-Mapping mit einer Hyperkapnia-Herausforderung vermeiden könnten.