Empirische hemodynamische modellen van micro- en macrovaten in de hersenen: een fMRI en RespirActTM aanpak

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is een veel gebruikte techniek
binnen de neurowetenschappen en de medische kliniek om hersenfuncties
non-invasief bij de mens te kunnen bestuderen. fMRI meet de hersenfunctie
indirect via lokale hemodynamische veranderingen die voortvloeien uit neuronale
activatie. Ondanks de brede toepassing van fMRI, bestaat er nog veel
onduidelijkheid over de interpretatie en kwantificatie van het fMRI-signaal,
hetgeen bestaat **uit een combinatie van hemodynamische componenten, die o.a.
worden veroorzaakt door de vasculaire organisatie (bijv. passieve bloedstroom
in macro-vaten) en metabole processen van actieve neuronen (bijv
bloedoxygenatie in micro-vaten). De uitdaging van het scheiden van neuronale en
vasculaire signalen heeft reeds de ontwikkeling van toegepaste modellen
geïnspireerd, maar zijn voornamelijk gebaseerd op dierproeven. Vertaling van
dierlijke modellen voor de mens is echter problematisch als gevolg van
verschillen in vasculaire anatomie en organisatie tussen soorten. Aangepaste
modellen specifiek voor de menselijke hersenen zullen worden geconstrueerd door
empirische modificatie van dierlijke modellen. Scheiding van neuronaal gedreven
en vasculaire signalen kan worden bereikt via reproduceerbare inspiratie van
CO2 en O2 tijdens fMRI. CO2 en O2 inspiratie beïnvloedt vasculaire signalen
onafhankelijk van neuronale activiteit en wordt meestal gebruikt om de
reactiviteit van de vasculatuur in de hersenen te beoordelen. De toediening van
CO2 en O2 wordt digitaal gecontroleerd door middel van een continue analyse van
uitgeademd gas en model-gecontroleerde inspiratie van O2 en CO2 om een
betrouwbare en herhaalbare toediening te bereiken met behulp van de
RespirActTM. De metingen worden uitgevoerd op veldsterktes van 3 Tesla (T) en
7T. De vasculaire bron van het fMRI signaal verschilt van 7T tegenover 3T als
gevolg van de magnetische eigenschappen van bloed en verhoogde
signaal-ruisverhouding. Gedetailleerde 7T metingen zullen leiden tot
gedetailleerde analyses en modellen, die vervolgens worden vertaald zodat ze
ook op grote schaal kunnen worden ingezet bij 3T scanners. De modellen zullen
worden getest bij een aparte groep proefpersonen voor een reeks van neuronaal
gedreven signalen zonder respiratoire toediening.

Het belangrijkste doel van de studie is het karakteriseren, kwantificeren en
modelleren van hemodynamische veranderingen van verschillende vaatgroepen in
het menselijk brein in reactie op externe stimulatie.

Gezonde vrijwilligers zullen worden opgenomen in een beschrijvend onderzoek
voor de ontwikkeling van hemodynamische modellen van het MR-signaal. Het
onderzoek bestaat uit twee delen met twee proefpersonencohorten. Deel I: fMRI
met een eenvoudige taak en een respiratoire uitdaging (n=28), deel II: fMRI met
een aantal eenvoudige taken zonder respiratoire uitdaging (n=28). In deel I,
zullen parameters die de hemodynamiek beschrijven als gevolg van vasculaire
(respiratoire uitdaging) en neuronale (eenvoudige taak) processen worden
bepaald en gemodelleerd. In deel II, worden de gemodelleerde parameters getest
tijdens een aantal eenvoudige taken.

Er worden geen voordelen verwacht voor de groep vrijwilligers. Er zijn geen
bekende risico's die samenhangen met fMRI en de last kan als minimaal worden
beschouwd. Twee of drie bezoeken zal per deelnemer worden vereist.
Respiratoire uitdaging: De gecontroleerde ademhaling vereist een gesloten
ademhalingssysteem, waardoor proefpersonen zullen ademen door een masker.
Proefpersonen kunnen ongemak ervaren als gevolg van verhoogde CO2-concentraties
in het bloed. Echter, de hoogste CO2 partiële druk niveaus van 40-57 mmHg (+5 -
10 mmHg boven de beginwaardes van een proefpersoon) blijven binnen een normaal
fysiologisch bereik en worden regelmatig dagelijks ervaren door de meeste
mensen tijdens fysieke inspanning. Als proefpersonen ongemak ervaren vanwege de
hoge CO2-niveaus, kunnen ze een klep openen op het masker of kan er direct
worden overgeschakeld op 100% zuurstof door middel van een knop bij de
gasblender. In de MRI scanner kunnen proefpersonen in de noodknop knijpen.
Proefpersonen kunnen het onderzoek op elk gewenst moment beëindigen. Ca. 6,5%
van de proefpersonen (11 van de 168) kan tijdens de CO2 inademing ongemak
ervaren en zal het onderzoek beëindigen en ca. 8,9% van de proefpersonen (15
van de 168) kan tijdens de CO2 inademing ongemak en claustrofobie ervaren en
zal het onderzoek beëindigen, zoals gerapporteerd in eerdere studies uitgevoerd
in het Universitair medisch Centrum (UMC) Utrecht. Risico's in verband met het
inademen van hogere CO2-niveaus met behulp van de RespirActTM zijn minimaal,
omdat het minimale O2-niveau in alle gasmengsels ten minste 10% bedraagt.
Gasconcentraties in het bloed wordten gecontroleerd door een digitaal
gecontroleerde gasblender, die wordt gestuurd door de CO2- en O2-gasdruk in
het bloed. Dus, CO2- en O2-niveaus evenals de ademhalingsfrequentie worden
online gemonitord. Onafhankelijk monitoren van bloed-zuurstofsaturatie en
ademhalingsfrequentie zal worden uitgevoerd tijdens de MRI-metingen met een
vingertop pulsoximetrie en een druksensor voor de ademhaling. Al het personeel
dat met de RespirActTM zal werken, is getraind door ervaren en gecertificeerde
operators van de fabrikant.