Wgląd w patofizjologię rozprzestrzeniania się nerwowo -naczyniowego u pacjentów ze zmianami mózgu. (NVUCVR)

Metabolizm mózgu i przepływ krwi są ściśle sprzężone z aktywnością neuronalną. Zmiany aktywności neuronalnej powodują modulację zużycia glukozy przez neurony. Zarówno poziom glukozy, jak i mleczanu powracają do ich wartości wyjściowej natychmiast wraz ze spadkiem aktywności neuronalnej, zjawiska znanego jako sprzężenie neurometaboliczne. Biorąc pod uwagę ograniczone rezerwy energetyczne w ośrodkowym układzie nerwowym, aktywność neuronalna w dużej mierze opiera się na drobno regulowanym podaży glukozy z krwioobiegu. Jednak dynamiczny wzrost mózgowego przepływu krwi (CBF) podczas aktywacji neuronalnej znacznie przekracza wzrost metabolizmu oksydacyjnego. Ta względna odpowiedź hiperemiczna zapewnia zwiększony gradient tlenu między naczyniami krwionośnymi a tkanką, zapewniając duży dopływ tlenu. Bliski związek czasowy i regionalny między zmianami aktywności neuronalnej a wzrostem CBF jest określany jako sprzężenie nerwowo -naczyniowe (NVC) i obejmuje złożoną kaskadę zdarzeń. Neuroprzekaźniki, takie jak glutaminian, uwalniane w synapsach wiążą się z receptorami na neuronach i astrocytach, co prowadzi do uwalniania różnych mediatorów chemicznych, takich jak tlenek azotu i prostaglandyny, które bezpośrednio działają na napięcie tętnicze mięśni gładkich. Zakłada się również, że bardziej złożone i niekompletnie rozumiane szlaki sygnałowe, w tym mechanizmy sygnalizacyjne astrocytów Na+ i Ca2+, przyczyniają się do NVC.

Ścisła związek między aktywnością neuronalną i regionalnym przepływem krwi i metabolizmu stanowiła podstawę dla nieinwazyjnych funkcjonalnych metod obrazowania mózgu, w tym pozytronowej tomografii emisyjnej (PET) i funkcjonalnym obrazowaniem rezonansu magnetycznego (FMRI). PET używa [18fluor] -fluorodeoksyglukozy (FDG) jest techniką opartą na akumulacji metabolizowanego FDG (tj. FDG-6-fosforanu) w kompleksie astrocytów-neuronu, odzwierciedlając poziom zużycia glukozy. Ponieważ przełomowe dzieła Sokoloffa i in., Wykorzystanie glukozy jest uważane za prawidłowy, dokładny i ilościowy wskaźnik poziomu lokalnej aktywności neuronalnej w mózgu. Natomiast FMRI, który opiera się na sygnał zależnym od poziomu tlenu krwi (BOLD), zapewnia pośrednią informacje o aktywności neuronalnej poprzez badanie zmian związanych z perfuzją w połączeniu z aktywnością neuronalną. W obszarach zwiększonego CBF z powodu modulacji aktywności neuronalnej dostarczanie tlenu przekracza szybkość wykorzystania tlenu, indukując lokalny wzrost stosunku oksy-/deoksy-hemoglobiny. Prowadzi to do wykrywalnego wzrostu sygnału MRI ważonego przez magnetyczną sesak.

Jednym z najwcześniejszych i wciąż rozpoznawalnych zastosowań klinicznych FMRI było przedoperacyjne mapowanie funkcjonalne pierwotnej kory sensomotorycznej u pacjentów z guzami mózgu. Ta technika znacząco wpłynęła na planowanie chirurgiczne, często umożliwiając bardziej agresywne podejścia niż te rozważane bez lokalizacji funkcjonalnej. FMRI jest również coraz częściej stosowany w ocenach wstępnej pacjentów ze zmianami naczyniowymi lub padaczkowymi. Jednak pomimo rosnącego zastosowania pogrubionego FMRI u pacjentów ze zmianami mózgu, technika ta ma poważne ograniczenia, które należy wziąć pod uwagę przy interpretacji wyników FMRI w takich populacjach. Głównym ograniczeniem jest upośledzenie pogrubionych zmian sygnału z powodu utraty normalnego sprzężenia naczyniowego związanego z zmianami z aktywnością neuronalną, zjawisko określane jako odłączenie neurowaczyniowe (NVU). Może to spowodować wyniki fałszywie ujemnych lub fałszywie dodatnich w krytycznej elokwentnej krze. Jeśli aktywność neuronalna jest zachowana w chorej, ale żywotnej kory, zakłada się, że NVU występuje z powodu dysfunkcji astrocytowej, neuroprzekaźnika lub naczyniowej.

NVU zgłaszano głównie u pacjentów z wysokim stopniem guzów glejowych i oponiak. U takich pacjentów wykazano, że objętość wzrostu sygnału FMRI jest zmniejszona w sąsiedztwie guza w porównaniu z homologicznymi zmianami sygnału FMRI w przeciwnej półkuli, pomimo braku deficytu neurologicznego. Zgodnie z danymi eksperymentalnymi u zdrowych osób wykazujących, że sygnał BOLD może zmniejszyć się wraz ze wzrostem objętości krwi mózgowej (CBV), upośledzona reaktywność naczyniowo -mózgowa (CVR) u pacjentów z guzami mózgu można wytłumaczyć zmianami lokalnej perfuzji. W nowotworach hiperwaskularyzowanych, takich jak glejaki wysokiej jakości i oponiaki, sugerowano lokalną hiperfuzję w celu wyjaśnienia zmniejszonego sygnału BOLD na FMRI. Jednak ostatnie badania wykazały, że NVU może również wystąpić w glejakach niskiej jakości. Biorąc pod uwagę brak hiperfuzji w tym typie guza, należy wziąć pod uwagę różne mechanizmy. W glejakach o niskiej jakości obserwowane NVU jest obecnie uważane za, przynajmniej częściowo, z powodu zakłócenia sprzężenia astrocytów-naczyniowego (odłączanie gliko-naczyniowe). Pacjenci z wadami tętniczkowymi może wykazywać upośledzoną okołopowoką naczyń mózgowych z powodu przeciwienia o wysokim przepływie, czyniąc zależne od perfuzji sygnały mapowania. Pacjenci z padaczką mogą również wykazywać upośledzenie regionalnego CVR z powodu dramatycznego wzrostu metabolizmu mózgu i CBF w okresie modyfikacji, zakłócenia bariery krwi i ostrej utraty autoregulacji ciśnienia mózgowego.

Według poprzednich badań CVR można badać za pomocą „Hipercapnia Challenge” podczas nagrań FMRI, w tym FMRI podnoszącego oddech (BH FMRI) i inhalacji karbogenu FMRI. Hiperkapnia jest silnym rozszerzeniem naczyń krwionośnych, który zwiększa śmiałym sygnał wyjściowy poprzez wykrycie wzrostu natleniania tkanek wynikających ze wzrostu CBF, podczas gdy wymagania metabolizmu oksydacyjnego są uważane za stały. Jednak wpływ hiperkapnii na aktywność nerwową i sprzężenia neurometaboliczne/nerwowo -naczyniowe nie jest dobrze poznane i pozostaje dyskutowane. W praktyce zakłada się, że obszary zmniejszonego lub nieobecnego wzrostu sygnału FMRI na mapach CVR w porównaniu z homologiczną aktywacją przeciwną wskazującą NVU. Ostatnie badania sugerują potencjalne zalety w stosowaniu FMRI stanu spoczynku (RS) jako techniki przedoperacyjnej. RS-FMRI jest funkcjonalną techniką neuroobrazowania, która umożliwia pomiar spontanicznej aktywności mózgu u pacjentów w spoczynku. Spontaniczne fluktuacje sygnału BOLD są wysoce skorelowane w różnych i długoterminowych obszarach mózgu, co wskazuje na łączność funkcjonalną w specyficznych i wysoce zorganizowanych sieci neuroanatomicznych. Funkcjonalne badania łączności wykazały również wysoki stopień korelacji przestrzennej między funkcjonalną łącznością mózgu RS-FMRI a badanymi podczas wyzwania hiperkapni. Co ciekawe, ostatnie badania sugerują, że sygnał RS może być upośledzony u pacjentów, u których podwyżki sygnałów FMRI są zmniejszone lub nieobecne z powodu NVU. Dlatego zmiany funkcjonalnej łączności mózgowej badane za pomocą RS-FMRI mogą zapewnić wgląd w obecność NVU, jak badano CVR podczas hiperkapnii. Takie ustalenia byłyby interesujące praktyką kliniczną, ponieważ mogłyby uniknąć potrzeby mapowania CVR z wyzwaniem hiperkapni.