Inzichten in de pathofysiologie van neurovasculaire ontkoppeling bij patiënten met hersenletsels. (NVUCVR)

Hersenmetabolisme en bloedstroom zijn strak gekoppeld aan neuronale activiteit. Veranderingen in neuronale activiteit resulteren in de modulatie van glucoseconsumptie door neuronen. Zowel glucose- als lactaatniveaus keren onmiddellijk terug naar hun basislijn als neuronale activiteit ophoudt, een fenomeen dat bekend staat als neurometabole koppeling. Gezien de beperkte energetische reserves in het centrale zenuwstelsel, is neuronale activiteit sterk afhankelijk van de fijn gereguleerde glucoseaanbod uit de bloedbaan. De dynamische toename van cerebrale bloedstroom (CBF) tijdens neuronale activering overschrijdt echter de toename van het oxidatieve metabolisme. Deze relatieve hyperemische respons zorgt voor een verhoogde zuurstofgradiënt tussen bloedvaten en weefsel, waardoor voldoende zuurstoftoevoer oplevert. Het nauwe tijdelijke en regionale verband tussen veranderingen in neuronale activiteit en CBF -toename wordt neurovasculaire koppeling (NVC) genoemd en omvat een complexe cascade van gebeurtenissen. Neurotransmitters, zoals glutamaat, afgegeven bij synapsen binden aan receptoren op neuronen en astrocyten, wat leidt tot de afgifte van verschillende chemische mediatoren, zoals stikstofoxide en prostaglandines, die direct werken op arteriële gladde spiertonus. Meer complexere en onvolledig begrepen signaalroutes, waaronder Na+ en Ca2+ -gemedieerde astrocyten-signaalmechanismen, worden ook verondersteld bij te dragen aan NVC.

De strakke relatie tussen neuronale activiteit en zowel regionale bloedstroom als metabolisme heeft de basis gebracht voor niet-invasieve functionele hersenbeeldvormingsmethoden, waaronder positronemissietomografie (PET) en functionele magnetische resonantie-beeldvorming (FMRI). PET met behulp van [18fluor] -Fluorodeoxyglucose (FDG) is een techniek gebaseerd op de accumulatie van gemetaboliseerde FDG (d.w.z. FDG-6-fosfaat) in het astrocyt-neuron-complex, dat het niveau van glucoseverbruik weerspiegelt. Omdat de baanbrekende werken van Sokoloff et al., Wordt glucosegebruik beschouwd als een geldige, nauwkeurige en kwantitatieve indicator van het niveau van lokale neuronale activiteit in de hersenen. FMRI, die daarentegen afhankelijk is van het zuurstofniveau-afhankelijke (BOLD) signaal, biedt indirecte informatie over neuronale activiteit door het onderzoeken van perfusiegerelateerde veranderingen in combinatie met neuronale activiteit. In gebieden met verhoogde CBF als gevolg van modulaties in neuronale activiteit, overschrijdt de zuurstofafgifte de snelheid van zuurstofgebruik, waardoor een lokale toename van de oxy-/deoxy-hemoglobine-verhouding induceert. Dit leidt tot een detecteerbare toename van het gewogen MRI-signaal met magnetische gevoeligheid.

Een van de vroegste en nog steeds erkende klinische toepassingen van fMRI is preoperatieve functionele mapping van de primaire sensorimotorische cortex bij patiënten met hersentumoren. Deze techniek heeft de chirurgische planning aanzienlijk beïnvloed, wat vaak agressievere benaderingen mogelijk maakt dan die welke worden overwogen zonder functionele lokalisatie. FMRI is ook in toenemende mate gebruikt bij de presurgerende evaluatie van patiënten met vasculaire of epileptogene laesies. Ondanks het groeiende gebruik van Bold FMRI bij patiënten met hersenletsels, heeft deze techniek echter belangrijke beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden bij het interpreteren van fMRI -resultaten in dergelijke populaties. De belangrijkste beperking is de beperking van BOLD-signaalveranderingen als gevolg van laesie-gerelateerd verlies van normale vasculaire koppeling met neuronale activiteit, een fenomeen genoemd als neurovasculaire ontkoppeling (NVU). Dit kan resulteren in vals-negatieve of vals-positieve resultaten in kritische welsprekende cortex. Als neuronale activiteit wordt bewaard in zieke maar levensvatbare cortex, wordt verondersteld NVU op te treden als gevolg van astrocytische, neurotransmitter of vasculaire disfunctie.

NVU is voornamelijk gemeld bij patiënten met hoogwaardige gliale tumoren en meningiomen. Bij dergelijke patiënten is aangetoond dat het volume van taakgebaseerde fMRI-signaalstijgingen is verminderd naast de tumor in vergelijking met homologe fMRI-signaalveranderingen in de contralesische hemisfeer, ondanks de afwezigheid van neurologisch tekort. In overeenstemming met experimentele gegevens bij gezonde proefpersonen die aantonen dat het vetgedrukte signaal kan afnemen naarmate het cerebrale bloedvolume (CBV) toeneemt, kunnen cerebrovasculaire reactiviteit (CVR) bij hersentumorpatiënten worden verklaard door veranderingen in lokale perfusie. In gehypervasculariseerde tumoren zoals hoogwaardige gliomen en meningiomen is lokale hyperperfusie gesuggereerd om het verminderde BOLD-signaal op taakgebaseerde fMRI te verklaren. Recente studies hebben echter aangetoond dat NVU ook kan optreden bij lage gliomen. Gezien de afwezigheid van hyperperfusie in dit tumortype, moeten verschillende mechanismen worden overwogen. Bij lage gliomen wordt momenteel gedacht dat de waargenomen NVU, althans gedeeltelijk, te wijten is aan verstoring van astrocyten-vasculaire koppeling (gliovasculaire ontkoppeling). Patiënten met arterioveneuze misvormingen kunnen een verminderde peri-nidale cerebrovasculaire reserve vertonen als gevolg van high-flow shunting, waardoor perfusie-afhankelijke kaartsignalen onbetrouwbaar zijn. Epilepsiepatiënten kunnen ook regionale stoornissen van CVR vertonen als gevolg van dramatische toename van het hersenmetabolisme en CBF tijdens de ictale periode, verstoring van de hersenbloedbarrière en een acuut verlies van cerebrale drukautoregulatie.

Volgens eerder onderzoek kan CVR worden bestudeerd via de "Hypercapnia Challenge" tijdens fMRI-opnames, waaronder ademhouwde fMRI (BH FMRI) en carbogeninhalatie fMRI. Hypercapnia is een krachtige vaatverwijder die het gewaagde basislijnsignaal verhoogt door een toename van weefseloxygenatie als gevolg van toename van CBF te detecteren, terwijl de eisen van het oxidatieve metabolisme als constant worden beschouwd. De invloed van hypercapnie op neurale activiteit en neurometabolische/neurovasculaire koppelingen wordt echter niet goed begrepen en blijft gedebatteerd. In de praktijk wordt aangenomen dat gebieden met verminderde of afwezige hypercapnie-geïnduceerde toename van het fMRI-signaal op CVR-kaarten vergeleken met homologe contralaterale activering NVU. Recente studies suggereren potentiële voordelen bij het gebruik van Resting-State (RS) fMRI als een preoperatieve techniek. RS-FMRI is een functionele neuroimaging-techniek die de meting van spontane hersenactiviteit bij patiënten in rust mogelijk maakt. Spontane vetgedrukte signaalschommelingen zijn sterk gecorreleerd in verschillende en langdurige hersengebieden, wat duidt op functionele connectiviteit binnen specifieke en sterk georganiseerde neuroanatomische netwerken. Functionele connectiviteitsstudies hebben ook een hoge mate van ruimtelijke correlatie aangetoond tussen RS-FMRI-functionele hersenconnectiviteit en die bestudeerd tijdens een hypercapnia-uitdaging. Interessant is dat recent onderzoek suggereert dat RS-bold-signaal kan worden aangetast bij patiënten bij wie taakgebaseerde toename van fMRI-signalen zijn verminderd of afwezig vanwege NVU. Daarom kunnen veranderingen in functionele hersenconnectiviteit bestudeerd met RS-FMRI inzichten bieden in de aanwezigheid van NVU zoals bestudeerd met CVR tijdens hypercapnia. Dergelijke bevindingen zouden interessant zijn in de klinische praktijk, omdat ze de behoefte aan CVR-mapping kunnen voorkomen met een Hypercapnia-uitdaging.