Näkemykset neurovaskulaarisen irrottamisen patofysiologiasta potilailla, joilla on aivovaurioita. (NVUCVR)

Aivojen aineenvaihdunta ja verenvirtaus liittyvät tiukasti hermosolujen aktiivisuuteen. Neuronaalisen aktiivisuuden muutokset johtavat hermosolujen glukoosin kulutuksen modulointiin. Sekä glukoosi- että laktaattitasot palaavat lähtötasoon heti, kun hermosolujen aktiivisuus lakkaa, ilmiö, joka tunnetaan nimellä neurometabolinen kytkentä. Kun otetaan huomioon keskushermoston rajoitetut energiset varannot, hermosolujen aktiivisuus riippuu voimakkaasti verenkiertosta hienosti säänneltyyn glukoosin tarjontaan. Aivojen verenvirtauksen (CBF) dynaaminen lisääntyminen hermosolujen aktivaation aikana ylittää kuitenkin huomattavasti oksidatiivisen aineenvaihdunnan lisääntymisen. Tämä suhteellinen hypereminen vaste varmistaa lisääntyneen happigradientin verisuonten ja kudoksen välillä, mikä tarjoaa runsaasti happea. Neuronaalisen aktiivisuuden ja CBF: n lisäyksen välisen läheisen ajallisen ja alueellisen yhteyden viitataan neurovaskulaarisena kytkentänä (NVC), ja siihen sisältyy monimutkainen tapahtumien kaskadi. Neurotransmitterit, kuten glutamaatti, vapautuvat synapsiin, sitoutuvat neuronien ja astrosyyttien reseptoreihin, mikä johtaa erilaisten kemiallisten välittäjien vapautumiseen, kuten typpioksidiin ja prostaglandiiniin, jotka vaikuttavat suoraan valtimoiden sileän lihaksen sävyyn. Monimutkaisempien ja puutteellisesti ymmärrettävien signalointireittien, mukaan lukien Na+ ja Ca2+ -välitteisten astrosyyttien signalointimekanismien, oletetaan myös vaikuttavan NVC: hen.

Neuronaalisen aktiivisuuden ja sekä alueellisen verenvirtauksen että aineenvaihdunnan välinen tiukka suhde on tarjonnut perustan ei-invasiivisille funktionaalisille aivojen kuvantamismenetelmille, mukaan lukien positroniemissiotomografia (PET) ja funktionaalinen magneettikuvaus (FMRI). PET [18Fluor] -fluorodeoksiglukoosilla (FDG) on tekniikka, joka perustuu metaboloidun FDG: n (ts. FDG-6-fosfaatin) kertymiseen astrosyyttikompleksissa, mikä heijastaa glukoosin kulutustasoa. Koska Sokoloff et al., Glukoosin käyttöä pidetään pätevänä, tarkkaan ja kvantitatiivisena indikaattorina aivojen paikallisen hermosolujen aktiivisuuden tasolle. Sitä vastoin fMRI, joka perustuu veren happeasta riippuvaiseen (BOLD) signaaliin, tarjoaa epäsuoraa tietoa hermosolujen aktiivisuudesta tutkimalla perfuusioon liittyviä muutoksia yhdistettynä hermosolujen aktiivisuuteen. Nurseenin aktiivisuuden modulaatioiden lisääntyneen CBF-alueen alueilla hapenkuljetus ylittää hapen hyödyntämisen nopeuden, mikä indusoi happea/deoksi-hemoglobiinisuhteen paikallista kasvua. Tämä johtaa havaittavissa olevaan lisääntymiseen magneettisen alttiuden painotetussa MRI-signaalissa.

Yksi fMRI: n varhaisimmista ja edelleen tunnustetuista kliinisistä sovelluksista on ollut primaarisen sensorimoottorin aivokuoren preoperatiivinen funktionaalinen kartoitus aivokasvaimia sairastavilla potilailla. Tämä tekniikka on vaikuttanut merkittävästi kirurgiseen suunnitteluun, mikä mahdollistaa usein aggressiivisempia lähestymistapoja kuin ilman funktionaalista lokalisaatiota. FMRI: tä on käytetty myös yhä enemmän verisuonten tai epileptogeenisten leesioiden potilaiden presurgisessa arvioinnissa. Huolimatta lihavoidun fMRI: n kasvavasta käytöstä aivovaurioilla olevilla potilailla, tällä tekniikalla on merkittäviä rajoituksia, jotka on otettava huomioon tulkittaessa fMRI -tuloksia tällaisissa populaatioissa. Tärkein rajoitus on lihavoidun signaalin muutosten heikkeneminen johtuen vauriosta aiheutuvan normaalin verisuonikytkennän menetyksestä hermosolujen aktiivisuuden kanssa, ilmiön, jota kutsutaan neurovaskulaariseksi irrottamiseksi (NVU). Tämä voi johtaa väärien negatiivisten tai väärien positiivisten tulosten kriittisessä kaunopuheisessa aivokuoressa. Jos hermosolujen aktiivisuus säilyy sairaana, mutta elinkelpoisessa aivokuoressa, NVU: n oletetaan tapahtuvan astrosyyttisen, välittäjäaineen tai verisuonen toimintahäiriön vuoksi.

NVU: ta on ilmoitettu pääasiassa potilailla, joilla on korkealaatuisia glia-kasvaimia ja meningioomia. Tällaisilla potilailla tehtäväpohjaisen fMRI-signaalin lisääntymisen määrän on osoitettu vähenevän kasvaimen vieressä verrattuna homologisiin fMRI-signaalimuutoksiin vastakkaisessa pallonpuoliskossa, huolimatta neurologisen alijäämän puuttumisesta. Terveiden koehenkilöiden kokeellisten tietojen mukaisesti, jotka osoittavat, että lihavoitu signaali voi vähentyä aivojen veren määrän (CBV) lisääntyessä aivokasvainpotilailla heikentynyt aivo -verisuonireaktiivisuus (CVR) paikallisen perfuusion muutoksilla. Hypervaskularisoiduissa kasvaimissa, kuten korkealaatuisilla glioomilla ja meningioomilla, paikallista hyperperfuusiota on ehdotettu selittämään vähentyneen lihavoidun signaalin tehtäväpohjaisessa fMRI: ssä. Viimeaikaiset tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että NVU voi esiintyä myös heikkolaatuisissa glioomissa. Koska hyperperfuusio ei ole tässä kasvaintyypissä, on otettava huomioon erilaisia ​​mekanismeja. Heikkolaatuisissa glioomissa havaitun NVU: n ajatellaan tällä hetkellä olevan ainakin osittain astrosyyttivaskulaarisen kytkennän häiriöiden vuoksi (gliovaskulaarinen irrottaminen). Potilailla, joilla on valtimovenoosisia epämuodostumia, voi olla heikentynyt peri-nidal aivo-verisuonireservi korkean virtauksen vaihtamisen vuoksi, mikä tekee perfuusiosta riippuvaisista kartoitussignaaleista epäluotettavia. Epilepsiapotilailla voi myös olla CVR: n alueellinen heikentyminen aivojen aineenvaihdunnan ja CBF: n dramaattisten lisääntymisten vuoksi Ictal-ajanjakson aikana, aivoveren esteen häiriöt ja aivojen paineen autoregulaation akuutti menetys.

Aikaisemman tutkimuksen mukaan CVR: ää voidaan tutkia "HyperCapnia-altistuksen" kautta fMRI-tallenteiden aikana, mukaan lukien hengitysfMRI (BH FMRI) ja Carbogenin inhalaatio FMRI. Hyperkapnia on voimakas verisuoniaine, joka lisää rohkeaa lähtökohtaista signaalia havaitsemalla kudoksen hapettumisen lisääntymisen, joka johtuu CBF: n lisääntymisestä, kun taas oksidatiivisen aineenvaihdunnan vaatimusten katsotaan pysyvän vakiona. Hyperkapnian vaikutusta hermoaktiivisuuteen ja neurometabolisiin/neurovaskulaarisiin kytkimiin ei kuitenkaan ymmärretä hyvin ja sitä keskustellaan. Käytännössä vähentyneen tai puuttuvan hyperkapnian aiheuttaman fMRI-signaalin lisääntymisen alueiden CVR-karttoissa verrattuna homologiseen kontralateraaliseen aktivaatioon oletetaan osoittavan NVU: ta. Viimeaikaiset tutkimukset viittaavat mahdollisiin etuihin lepotilan (RS) fMRI: n käyttämisessä preoperatiivisena tekniikkana. RS-FMRI on toiminnallinen neurokuvaustekniikka, joka mahdollistaa spontaanin aivojen aktiivisuuden mittaamisen potilailla levossa. Spontaanit lihavoidut signaalin vaihtelut korreloivat suuresti erillisillä ja pitkäaikaisilla aivoalueilla, mikä osoittaa funktionaaliset yhteydet spesifisissä ja erittäin organisoiduissa neuroanatomisissa verkoissa. Funktionaaliset yhteydet ovat osoittaneet myös korkean alueellisen korrelaation RS-FMRI-funktionaalisen aivoyhteyden ja hyperkapnia-haasteen aikana tutkittujen välillä. Mielenkiintoista on, että viimeaikainen tutkimus viittaa siihen, että RS-Bold-signaali voi heikentyä potilailla, joilla fMRI-signaalien tehtäväpohjaiset nousut vähenevät tai puuttuvat NVU: sta. Siksi RS-FMRI: n kanssa tutkittujen funktionaalisten aivojen yhteyksien muutokset saattavat antaa käsityksen NVU: n läsnäolosta CVR: n kanssa tutkittuna hyperkapnian aikana. Tällaiset havainnot kiinnostavat kliinistä käytäntöä, koska ne voisivat välttää CVR-kartoituksen tarvetta hyperkapnia-haasteella.