Intuizioni sulla fisiopatologia del disaccoppiamento neurovascolare nei pazienti con lesioni cerebrali. (NVUCVR)

Il metabolismo cerebrale e il flusso sanguigno sono strettamente accoppiati con l'attività neuronale. I cambiamenti nell'attività neuronale comportano la modulazione del consumo di glucosio da parte dei neuroni. Entrambi i livelli di glucosio e lattato tornano immediatamente al basale quando cessa l'attività neuronale, un fenomeno noto come accoppiamento neurometabolico. Date le riserve energetiche limitate nel sistema nervoso centrale, l'attività neuronale si basa fortemente sull'offerta finemente regolata di glucosio dal flusso sanguigno. Tuttavia, l'aumento dinamico del flusso sanguigno cerebrale (CBF) durante l'attivazione neuronale supera di gran lunga l'aumento del metabolismo ossidativo. Questa risposta iperemica relativa garantisce un aumento del gradiente di ossigeno tra vasi sanguigni e tessuto, fornendo ampia offerta di ossigeno. Lo stretto legame temporale e regionale tra i cambiamenti nell'attività neuronale e l'aumento del CBF è indicato come accoppiamento neurovascolare (NVC) e comporta una complessa cascata di eventi. I neurotrasmettitori, come il glutammato, rilasciati nelle sinapsi si legano ai recettori su neuroni e astrociti, portando al rilascio di vari mediatori chimici, come l'ossido nitrico e le prostaglandine, che agiscono direttamente sul tono della muscolatura liscia arteriosa. Si presume anche che percorsi di segnalazione più complessi e compresi, inclusi meccanismi di segnalazione degli astrociti mediati da Na+ e Ca2+, contribuiscano a NVC.

La stretta relazione tra attività neuronale e flusso sanguigno regionale e metabolismo ha fornito la base per metodi di imaging cerebrale funzionali non invasivi, tra cui la tomografia a emissione di positroni (PET) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI). PET che utilizza [18fruor] -fluorodeoxyglucosio (FDG) è una tecnica basata sull'accumulo di FDG metabolizzato (cioè FDG-6-fosfato) nel complesso di astrociti-neuron, che riflette il livello di consumo di glucosio. Poiché le opere seminali di Sokoloff et al., L'utilizzo del glucosio è considerato un indicatore valido, accurato e quantitativo del livello di attività neuronale locale all'interno del cervello. Al contrario, la fMRI, che si basa sul segnale del livello di ossigeno nel sangue (BOLD), fornisce informazioni indirette sull'attività neuronale studiando i cambiamenti legati alla perfusione accoppiati all'attività neuronale. Nelle aree di aumento del CBF a causa delle modulazioni nell'attività neuronale, il rilascio di ossigeno supera il tasso di utilizzo dell'ossigeno, inducendo un aumento locale del rapporto ossia-/deossi-emoglobina. Ciò porta ad un aumento rilevabile del segnale MRI ponderato dalla sospensione magnetica.

Una delle prime e ancora riconosciute applicazioni cliniche di fMRI è stata la mappatura funzionale preoperatoria della corteccia sensomotoria primaria nei pazienti con tumori cerebrali. Questa tecnica ha influito in modo significativo sulla pianificazione chirurgica, consentendo spesso approcci più aggressivi di quelli considerati senza localizzazione funzionale. La fMRI è stata anche sempre più utilizzata nella valutazione preurgica di pazienti con lesioni vascolari o epilettogeniche. Tuttavia, nonostante il crescente uso di fMRI in grassetto nei pazienti con lesioni cerebrali, questa tecnica ha importanti limitazioni che devono essere prese in considerazione nell'interpretazione dei risultati di fMRI in tali popolazioni. La limitazione principale è la compromissione dei cambiamenti del segnale in grassetto a causa della perdita legata alla lesione dell'accoppiamento vascolare normale con l'attività neuronale, un fenomeno indicato come disaccoppiamento neurovascolare (NVU). Ciò può comportare risultati falsi negativi o falsi positivi in ​​corteccia eloquente critica. Se l'attività neuronale viene preservata nella corteccia malata ma vitale, si presume che la NVU si verifichi a causa di astrocitica, neurotrasmettitore o disfunzione vascolare.

La NVU è stata riportata principalmente in pazienti con tumori gliali di alto grado e meningiomi. In tali pazienti, è stato dimostrato che il volume di aumenti del segnale fMRI basato sulle attività è ridotto adiacente al tumore rispetto ai cambiamenti del segnale di fMRI omologa nell'emisfero controvesionale, nonostante l'assenza di deficit neurologico. In linea con i dati sperimentali in soggetti sani che mostrano che il segnale BOLD può diminuire all'aumentare del volume del sangue cerebrale (CBV), la reattività cerebrovascolare compromessa (CVR) nei pazienti con tumore cerebrale può essere spiegato dai cambiamenti nella perfusione locale. Nei tumori ipervascolarizzati come gliomi di alto livello e meningiomi, è stato suggerito l'iperperfusione locale per spiegare il ridotto segnale BOLD sulla fMRI basata sulle attività. Tuttavia, recenti studi hanno dimostrato che NVU può verificarsi anche nei gliomi di basso grado. Data l'assenza di iperperfusione in questo tipo di tumore, è necessario considerare diversi meccanismi. Nei gliomi di basso grado, la NVU osservata è attualmente ritenuta, almeno in parte, a causa dell'interruzione dell'accoppiamento astrocita-vascolare (disaccoppiamento glivascolare). I pazienti con malformazioni artero-venose possono presentare una riserva cerebrovascolare peri-nidale compromessa a causa di shunt ad alto flusso, rendendo inaffidabile i segnali di mappatura dipendente dalla perfusione. I pazienti con epilessia possono anche mostrare una compromissione regionale della CVR a causa di drammatici aumenti del metabolismo cerebrale e CBF durante il periodo ictale, interruzione della barriera a sangue cerebrale e una perdita acuta di autoregolazione della pressione cerebrale.

Secondo ricerche precedenti, il CVR può essere studiato attraverso la "sfida ipercapnia" durante le registrazioni di fMRI, tra cui la fMRI del respiro (BH fMRI) e l'inalazione di carbogen fMRI. L'ipercapnia è un potente vasodilatatore che aumenta il segnale di base in grassetto rilevando un aumento dell'ossigenazione tissutale derivante dagli aumenti del CBF mentre si considerano le richieste di metabolismo ossidativo per rimanere costanti. Tuttavia, l'influenza dell'ipercapnia sull'attività neurale e sull'accoppiamento neurometabolico/neurovascolare non è ben compresa e rimane dibattuta. In pratica, si presume che le aree di aumento ridotto o assente indotto dall'ipercapnia nel segnale fMRI sulle mappe CVR rispetto all'attivazione controlaterale omologa indicano NVU. Studi recenti suggeriscono potenziali vantaggi nell'uso della fMRI dello stato di riposo (RS) come tecnica preoperatoria. RS-FMRI è una tecnica di neuroimaging funzionale che consente la misurazione dell'attività cerebrale spontanea nei pazienti a riposo. Le fluttuazioni del segnale in grassetto spontaneo sono altamente correlate in regioni cerebrali distinte e di lunga durata, indicando la connettività funzionale all'interno di reti neuroanatomiche specifiche e altamente organizzate. Studi di connettività funzionale hanno anche dimostrato un alto grado di correlazione spaziale tra la connettività cerebrale funzionale RS-FMRI e quelli studiati durante una sfida ipercapnia. È interessante notare che recenti ricerche suggeriscono che il segnale RS-BOLD può essere compromesso nei pazienti in cui gli aumenti basati sulle attività nei segnali di fMRI sono ridotti o assenti a causa della NVU. Pertanto, le alterazioni della connettività cerebrale funzionale studiate con RS-FMRI potrebbero fornire approfondimenti sulla presenza di NVU come studiato con CVR durante l'ipercapnia. Tali risultati sarebbero interessanti per la pratica clinica in quanto potrebbero evitare la necessità di mappatura del CVR con una sfida ipercapnia.