Hviletilstand fMRI ved bevissthetsforstyrrelser

Bevissthetsforstyrrelser (DoC) er tilstander av endret bevissthet som stammer fra en ervervet skade på hjernenettverk som regulerer opphisselse og bevissthet, karakterisert ved tap av eksitatorisk nevral aktivitet over kortikokortikale, thalamokortikale og thalamostriatale forbindelser. DoC kan skyldes flere årsaker, inkludert traumatisk hjerneskade, anoksisk hjerneskade fra hjertestans, hjerneslag, alvorlige hjerneinfeksjoner, langvarige anfall eller andre. En primær utfordring i den kliniske håndteringen av DoC er nøyaktig å bestemme type DoC og bevissthetsnivå, samt potensialet for bedring. Dette er avgjørende for beslutningstaking og klinisk ledelse, med feildiagnosefrekvenser så høye som 40 % på grunn av begrensninger i klinisk evaluering. Nyere forskning har vist at bevissthet som ikke kan påvises ved bedside-evaluering kan være tilstede hos så mange som 15-20 % pasienter med DoC. For å forbedre den kliniske vurderingen av DoC og til slutt utvikle målrettede intervensjoner for å fremme nevrologisk utvinning, må bedre metoder for å vurdere DoC hos individuelle pasienter utvikles, valideres og oversettes til klinisk bruk. Bruken av rs-fMRI i studiet av DoC har ført til viktig innsikt i de biologiske mekanismene for koma samt gjenoppretting av bevissthet, men likevel har oversettelsen av rs-fMRI til den kliniske behandlingen av individuelle pasienter med nedsatt bevissthet blitt hemmet av flere faktorer. For det første reflekterer BOLD fMRI en kompleks kombinasjon av signaler avledet ikke bare fra nevral aktivitet, men også fra ikke-nevrologiske kilder som til slutt utgjør så mye som 25 % av BOLD-signalet som skjuler ekte nevrale tilkoblinger og introduserer falsk tilkobling. Denne begrensningen har vanligvis blitt omgått ved å analysere fMRI på gruppenivå, og utnytte de statistiske fordelene ved å beregne gjennomsnittsdata på tvers av individer. Bedre strategier for å skille mellom nevrale og ikke-nevrale bidragsytere til BOLD-signalet er nødvendig for å oversette rs-fMRI til klinisk bruk hos individuelle pasienter. I tillegg har konvensjonelle anskaffelses- og analysestrategier generelt vist seg å gi pålitelige estimater av funksjonell tilkobling bare ved klinisk uoverkommelige skannetider. Nyere bevis tyder på at svært pålitelige mål for funksjonell tilkobling kan oppnås på individnivå ved klinisk gjennomførbare skannetider ved bruk av mer avanserte bildebehandlingsprotokoller, og utkonkurrerer enda flere ganger lengre konvensjonelle anskaffelser. Det målte FET-signalet kan representeres som en funksjon av signalintensiteten ved eksitasjon (S0), ekkotiden og signalforfallskonstanten. Nevral aktivitet påvirker BOLD-signalet ved å indusere en økning i blodstrømmen, noe som reduserer den lokale konsentrasjonen av deoksyhemoglobin og i sin tur reduserer den lokale magnetiske følsomheten og dermed redusere hastigheten på tverrgående magnetiseringsnedbrytning. Ved å undersøke signalnedgangen over flere ekkotider, kan endringer i T2* skilles fra endringer i S0 og dermed tillate at nevrale og ikke-nevrale signaler fra BOLD-data kan differensieres. Med følsomhet for BOLD-signal som er maksimal nær T2*, kan multi-ekko-innsamlinger også forbedre BOLD-følsomheten ved å legge større vekt på de ekkoene som er nærmest T2* til en bestemt voxel ("optimal combining"), som er kjent for å variere på tvers av hjernen. Til slutt har prosessen med å kombinere FET-data på tvers av ekko fordelen av å dempe termisk støy som er tilfeldig organisert og har en tendens til å oppheve ved gjennomsnittsberegning. Når kombinert med tilleggsstrategier for å fjerne globale bevegelsesrelaterte signaler, kan påvirkningen av bevegelse på BOLD-data nesten elimineres. Først nylig med integrasjonen av andre tekniske fremskritt som simultan multi-slice har det blitt mulig å skaffe multi-echo rs-fMRI uten store kompromisser i romlig eller tidsmessig oppløsning. Praktiske utfordringer for å oppnå avansert MR hos kritisk syke pasienter inkluderer behovet for å transportere pasienter til forsknings-MR-instrumenter som er i stand til de nyeste innsamlingsmetodene som tradisjonelt har vært plassert i andre etasjer eller til og med andre bygninger enn intensivavdelinger (ICUs). Som et resultat har avanserte MR-metoder som multi-ekko rs-fMRI hovedsakelig blitt brukt på friske forsøkspersoner. Dette prosjektet vil dra nytte av et nylig installert forskningsdedikert toppmoderne 3 Tesla MR-system utstyrt med raske gradienter, en 32-kanals mottakerarray innebygd i nevrointensivavdelingen (NICU). Dette systemet er i stand til multi-ekko rs-fMRI ved høy spatiotemporal oppløsning, og et hovedmål med dette prosjektet er å finne ut om funksjonell nettverksintegritet hos pasienter med DoC kan oppdages mer pålitelig ved bruk av multi-ekko rs-fMRI enn med standard rs- fMRI. Optimale metoder vil være uten tilsyn, i stand til å imøtekomme interindividuelle forskjeller i funksjonell topologi, og i stand til å redusere komplekse tilkoblingsdata til diskrete, klinisk handlingsdyktige innsikter. Et annet sentralt mål med dette prosjektet er å sammenligne tre tilnærminger til konnektorkonstruksjon og karakterisering i deres pålitelighet på individuell pasientnivå og grad av assosiasjon med kliniske mål på nevrologisk dysfunksjon og utfall. Den første og mest tradisjonelle tilnærmingen vil være avhengig av transformasjon av hver data til en malplass og nodedefinisjon basert på metaanalyse på gruppenivå. Den andre tilnærmingen vil bruke en tidligere beskrevet metode for parsellering på emnenivå basert på tilkoblingsgradienter og til slutt sammenlignet på tvers av individer basert på graden av likhet med malnettverk. Den endelige tilnærmingen vil bruke et radiologisk tolkningsskjema der ekspertnevrobildere som er opplært til å gjenkjenne typiske romlige mønstre av hviletilstandsnettverk, vil gjengi en tolkning av gradnettverkskartene hentet fra uavhengig komponentanalyse.