Innsikt i patofysiologien til neurovaskulær frakobling hos pasienter med hjerneskader. (NVUCVR)

Hjernemetabolisme og blodstrøm er tett koblet med neuronal aktivitet. Endringer i neuronal aktivitet resulterer i modulering av glukoseforbruk av nevroner. Både glukose- og laktatnivåene går øyeblikkelig tilbake til baseline deres umiddelbart ettersom nevronaktivitet opphører, et fenomen kjent som neurometabolsk kobling. Gitt de begrensede energiske reservene i sentralnervesystemet, er neuronal aktivitet sterkt avhengig av den finregulerte tilførselen av glukose fra blodomløpet. Imidlertid overstiger den dynamiske økningen i cerebral blodstrøm (CBF) under neuronal aktivering langt økningen i oksidativ metabolisme. Denne relative hyperemiske responsen sikrer en økt oksygengradient mellom blodkar og vev, og gir rikelig oksygentilførsel. Den nære tidsmessige og regionale koblingen mellom endringer i neuronal aktivitet og CBF -økning blir referert til som neurovaskulær kobling (NVC) og involverer en kompleks kaskade av hendelser. Nevrotransmittere, for eksempel glutamat, frigjøres ved synapser binder seg til reseptorer på nevroner og astrocytter, noe som fører til frigjøring av forskjellige kjemiske formidlere, som nitrogenoksid og prostaglandiner, som direkte virker på arteriell glatt muskel tone. Mer komplekse og ufullstendig forståtte signalveier, inkludert Na+ og Ca2+ -medierte astrocytt-signalmekanismer, antas også å bidra til NVC.

Det stramme forholdet mellom neuronal aktivitet og både regional blodstrøm og metabolisme har gitt grunnlaget for ikke-invasive funksjonelle hjerneavbildningsmetoder, inkludert positronemisjonstomografi (PET) og funksjonell magnetisk resonansavbildning (FMRI). PET som bruker [18 fluor] -fluorodeoxyglucose (FDG) er en teknikk basert på akkumulering av metabolisert FDG (dvs. FDG-6-fosfat) i astrocytt-neuron-komplekset, noe som reflekterer nivået av glukosekonsum. Siden seminalverkene fra Sokoloff et al., Anses glukoseutnyttelse som en gyldig, nøyaktig og kvantitativ indikator på nivået av lokal neuronal aktivitet i hjernen. I motsetning til dette gir fMRI, som er avhengig av signalet for oksygennivå av blod, indirekte informasjon om neuronal aktivitet ved å undersøke perfusjonsrelaterte endringer kombinert med neuronal aktivitet. I områder med økt CBF på grunn av modulasjoner i neuronal aktivitet, overstiger oksygentilførsel hastigheten på oksygenutnyttelse, noe som induserer en lokal økning i oksy-/deoksy-hemoglobinforholdet. Dette fører til en påvisbar økning i det magnetiske følsomhetsvektede MR-signalet.

En av de tidligste og fortsatt anerkjente kliniske anvendelsene av fMRI har vært preoperativ funksjonell kartlegging av den primære sensorimotoriske cortex hos pasienter med hjernesvulster. Denne teknikken har betydelig påvirket kirurgisk planlegging, noe som ofte muliggjør mer aggressive tilnærminger enn de som vurderes uten funksjonell lokalisering. FMRI har også blitt i økende grad brukt i den presurgiske evalueringen av pasienter med vaskulære eller epileptogene lesjoner. Til tross for den økende bruken av fet fMRI hos pasienter med hjerneskader, har denne teknikken imidlertid store begrensninger som må vurderes når man tolker fMRI -resulterer i slike populasjoner. Hovedbegrensningen er svekkelsen av dristige signalendringer på grunn av lesjonsrelatert tap av normal vaskulær kobling med nevronal aktivitet, et fenomen referert til som neurovaskulær frakobling (NVU). Dette kan resultere i falsk-negative eller falsk-positive resultater i kritisk veltalende cortex. Hvis neuronal aktivitet er bevart i syk, men levedyktig cortex, antas NVU å oppstå på grunn av astrocytisk, nevrotransmitter eller vaskulær dysfunksjon.

NVU er hovedsakelig rapportert hos pasienter med høykvalitets glialsvulster og meningiomer. Hos slike pasienter har volumet av oppgavebasert fMRI-signaløkning vist seg å bli redusert ved siden av svulsten sammenlignet med homologe fMRI-signalendringer i den kontralesjonelle halvkule, til tross for fraværet av nevrologisk underskudd. I tråd med eksperimentelle data hos friske personer som viser at fet signal kan avta når cerebralt blodvolum (CBV) øker, kan nedsatt cerebrovaskulær reaktivitet (CVR) hos hjernesvulstpasienter forklares med endringer i lokal perfusjon. I hypervaskulariserte svulster som høykvalitets gliomer og meningiomer, har lokal hyperperfusjon blitt foreslått for å forklare det reduserte BOLD-signalet på oppgavebasert fMRI. Nyere studier har imidlertid vist at NVU også kan forekomme i gliomer i lav kvalitet. Gitt fraværet av hyperperfusjon i denne tumortypen, må forskjellige mekanismer vurderes. I gliomer med lav kvalitet antas den observerte NVU for øyeblikket å være, i det minste delvis, på grunn av forstyrrelse av astrocytt-vaskulær kobling (gliovaskulær frakobling). Pasienter med arteriovenøse misdannelser kan utvise nedsatt peri-nidal cerebrovaskulær reserve på grunn av høye strømnings shunting, noe som gjør perfusjonsavhengige kartleggingsignaler upålitelige. Epilepsi-pasienter kan også utvise regional svekkelse av CVR på grunn av dramatiske økninger i hjernemetabolisme og CBF i ictal-perioden, forstyrrelse av hjerneblodsbarrieren og et akutt tap av autoregulering av cerebralt trykk.

I følge tidligere forskning kan CVR studeres gjennom "Hypercapnia-utfordringen" under fMRI-opptak, inkludert pustegående fMRI (BH fMRI) og karbogeninhalering FMRI. Hypercapnia er en potent vasodilator som øker det dristige baseline -signalet ved å oppdage en økning i oksygenering av vev som følge av økning i CBF, mens oksidativt metabolismebehov anses å forbli konstante. Imidlertid er hyperkapnias påvirkning på nevral aktivitet og nevrometabolsk/neurovaskulær koblinger ikke godt forstått og fortsatt diskutert. I praksis antas områder med redusert eller fraværende hyperkapnia-indusert økning i fMRI-signal på CVR-kart sammenlignet med homolog kontralateral aktivering for å indikere NVU. Nyere studier antyder potensielle fordeler ved bruk av hviletilstand (RS) fMRI som en preoperativ teknikk. RS-FMRI er en funksjonell neuroimaging-teknikk som tillater måling av spontan hjerneaktivitet hos pasienter i ro. Spontane BOLD signalsvingninger er sterkt korrelert i distinkte og langvarige hjerneområder, noe som indikerer funksjonell tilkobling i spesifikke og høyt organiserte neuroanatomiske nettverk. Funksjonelle tilkoblingsstudier har også vist en høy grad av romlig korrelasjon mellom RS-FMRI-funksjonell hjernekobling og de som ble studert under en hyperkapnia-utfordring. Interessant nok antyder nyere forskning at RS-Bold signal kan være svekket hos pasienter der oppgavebasert økning i fMRI-signaler reduseres eller fraværende på grunn av NVU. Derfor kan endringer i funksjonell hjerneforbindelse studert med RS-FMRI gi innsikt i tilstedeværelsen av NVU som studert med CVR under hypercapnia. Slike funn vil være av interesse for klinisk praksis, da de kan unngå behovet for CVR-kartlegging med en hypercapnia-utfordring.