Neurovascular coupling studied in a rat model during pathophysiological states: implications for functional brain imaging in patients

Abstract

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) with BOLD (blood oxygen level- dependent) has become a standard tool for psychological and neurological research. It relies on the local adaptation of blood flow to increased neuronal activity - a phenomenon known as neurovascular coupling. The effects of pathophysiological conditions on neurovascular coupling and its corresponding BOLD signal are largely unknown, restricting its implementation as a clinical tool for research and diagnosis. This PhD-thesis summarizes findings relevant to this issue from three studies each exposing neurovascular coupling in the rat somatosensory cortex to a different pathophysiological challenge. As common experimental procedure, anesthetized rats underwent surgical preparation of a closed cranial window over the somatosensory cortex. Using Laser Doppler Flowmetry and optical spectroscopy, changes in cerebral blood flow (CBF), cerebral blood volume, deoxygenated hemoglobin (deoxy-Hb) and cerebral metabolic rate of oxygen were measured during electrical forepaw stimulation. Neuronal activity was monitored by somatosensory evoked potentials. The first study evaluated the effect of hypothermia. Cooling down the brain by 10 °C preserved neurovascular coupling. Functional brain imaging (e.g. fMRI or near infrared spectroscopy) therefore offers the potential to evaluate neurovascular function in a patient undergoing hypothermia. The second study investigated pharmacological blocking of the neurovascular coupling response employing the cyclooxygenase (COX)-inhibitor indomethacin and the adenosine-receptor-inhibitor theophyllin, medications commonly used in patients. While CBF responses were reduced by 70 - 80 %, the deoxy-Hb response (correlate of the BOLD signal) was abolished. It was shown that medications potentially can interfere with neurovascular coupling, thereby rendering BOLD- fMRI impossible. The third study explored the influence of raised intracranial pressure (ICP). A stepwise ICP elevation to 28 mmHg reduced and eventually reversed the deoxy-Hb response to somatosensory activation. In addition, the post-stimulus response of deoxy-Hb regularly detectable at physiological conditions was abolished by increased ICP. Intracranial hypertension, a common condition in patients with an intracranial lesion or disease, can seriously disturb neurovascular coupling and preclude reliable brain mapping with fMRI. Future studies investigating these pathophysiological states in patients should be performed prior to an establishment of fMRI in the clinical setting.

Die funktionelle Kernspintomographie (fMRT) mit BOLD (blood oxygen level dependent) ist zu einem Standardinstrument der psychologischen und neurologischen Forschung geworden. Sie beruht auf der lokalen Adaptation des Blutflusses an erhöhte neuronale Aktivität-ein Phänomen, welches als neurovaskuläre Kopplung bekannt ist. Die Effekte pathophysiologischer Bedingungen auf die neurovaskuläre Kopplung und auf das korrespondierende BOLD-Signal sind grösstenteils unbekannt und beschränken somit die Implementierung der Kernspintomographie als klinisches diagnostisches Instrument. Die vorliegende Doktorarbeit fasst relevante Ergebnisse aus drei verschiedenen Studien zusammen. In jeder Teilstudie wurde die neurovaskuläre Kopplung im somatosensorischen Cortex der Ratte verschiedenen pathophysiologischen Konditionen ausgesetzt. Hierfür wurde anästhesierten Ratten ein geschlossenes kranielles Fenster über dem somatosensorischen Cortex präpariert. Unter Verwendung von Laser Doppler Flowmetry und optischer Spektroskopie wurden Veränderungen im zerebralen Blutfluss (CBF), zerebralen Blutvolumen (CBV), deoxygeniertem Hämoglobin (deoxy-Hb) und in der zerebralen metabolischen Rate von Sauerstoff während elektrischer Vorderpfotenstimulation gemessen. Die neuronale Aktivität wurde durch die Ableitung von somatosensorisch evozierten Potentialen überprüft. Die erste Studie evaluierte den Effekt der Hypothermie. Die neurovaskuläre Kopplung blieb während der Abkühlung des Gehirns um 10°C intakt. Die funktionelle Bildgebung (z.B. fMRT oder Nahinfrarotspektroskopie) bietet demzufolge das Potenzial, neurovaskuläre Funktionen in Patienten unter hypothermen Bedingungen zu bestimmen. Die zweite Studie untersuchte den Effekt einer pharmakologischen Inhibition der neurovaskulären Kopplungsantwort unter Verwendung des Cyclooxygenase- Inhibitors Indomethacin und des Adenosin-Rezeptor-Inhibitors Theophyllin, die in der klinischen Praxis häufig Anwendung finden. Während die CBF-Antworten um 70-80% reduziert waren, wurde die Antwort des deoxy-Hb (Korrelat des Bold- Signals) aufgehoben. Dieses Ergebnis impliziert, dass Medikationen mit der neurovaskulären Kopplung interferieren können und somit BOLD-fMRI unmöglich machen. Die dritte Studie erforschte den Einfluss von gesteigerten intrakraniellen Druck (ICP). Eine stufenweise Erhöhung des ICP auf 28mmHg reduzierte und kehrte letztlich das deoxy-Hb-Signal um. Desweiteren konnte die post-Stimulus-Antwort, die regelmässig unter physiologischen Bedingungen nachweisbar ist, nicht mehr detektiert werden. Intrakranielle Hypertension könnte demzufolge die neurovaskuläre Kopplung ernsthaft stören und die verlässliche Bildgebung des Gehirns mittels fMRT in Frage stellen. Zukünftige Studien, die diese pathophysiologischen Konditionen in Patienten erforschen, sollten im Vorfeld der Etablierung des fMRT für den klinischen Einsatz durchgeführt werden.