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The BOLD fMRI Signal under Anaesthesia and Hyperoxia

Wibral, Michael :
The BOLD fMRI Signal under Anaesthesia and Hyperoxia.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: The BOLD fMRI Signal under Anaesthesia and Hyperoxia
Language: English
Abstract:

This study investigated modulations of stimulus induced hemodynamic responses in the macaque monkey brain under anesthesia and hyperoxia. Hyperoxia is present in many anaesthesia protocols used in animal blood oxygen level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies. However, little data exist on the influence of hyperoxia on the magnitude of stimulus-induced relative changes in BOLD fMRI signal (ΔBOLD%). No study to date has investigated these effects in a time-resolved manner, although cerebral vasoregulation offers sites for a time-dependent interaction of hyperoxia and ΔBOLD%. Here we investigated time-dependent effects of an inspiratory oxygen fraction of 90%. We tightly clamped end tidal CO2 and body temperature and recorded physiological parameters relevant to the regional cerebral blood flow (rCBF) in (fentanyl/isoflurane) anaesthetized monkeys while using visual stimulation to elicit ΔBOLD%. The stimulus induced hemodynamic responses were assessed using a general linear model with the visual stimulation time course as a predictor. To clarify whether changes in ΔBOLD% arose from changes in baseline blood oxygenation or rather altered neuronal or vascular reactivity, we directly measured changes in regional cerebral blood volume (rCBV) using monocrystalline ion oxide nanoparticles (MION) as contrast agent. In visual cortex we found a biphasic modulation of stimulus-induced ΔBOLD% under hyperoxia: We observed first a significant decrease in ΔBOLD% by −24% for data averaged over the time interval of 0 to 180min post onset of hyperoxia followed by a subsequent recovery to baseline. rCBVresponse amplitudes were decreased by 21% in the same time interval (0 to 180 min). In the LGN, we neither found a significant modulation of ΔBOLD% nor of MION response amplitude. The cerebrovascular effects of hyperoxia may, therefore, be regionally specific and cannot be explained by a deoxyhemoglobin dilution model accounting for plasma oxygenation without assuming altered neuronal activity or altered neurovascular coupling. In addition we supply quantitative data on the significant influence of the following anesthesia parameters: body temperature, isofulorane/fentanyl doses and the time since administration of the initial anaesthetic methohexital. Complementing the above univariate and model driven analysis of stimulus induced hemodynamic responses we also analyzed our data in a model free multivariate way using independent component analysis (ICA). Results of ICA decompositions were clustered using a hierarchical clustering approach to pick out reliable components for further analysis. Model free data analysis techniques like ICA suffer from the difficulty to assign a physical/physiological meaning to the decomposed signals. To solve this problem, we propose a new analysis technique that exploits the within-cluster variance with respect to certain anaesthesia variables to assign a physiological meaning to a given cluster. We were able to demonstrate that results from the model driven analysis could be replicated when analysing the cluster of components that contained the stimulus driven hemodynamic responses. In addition, our analysis helped to assign a meaning to several other components typically observed in ICA decompositions of fMRI data.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wurden Veränderungen von stimulusinduzierten hämodynamischen Antworten im Gehirn des Makaken durch Hyperoxie und Anästhesie mittels blutsauerstoffabhängiger (engl.: blood oxygen level dependent, BOLD) funktioneller Kernspintomographie (engl.: functional magnetic resonace imaging, fMRI) untersucht. Hyperoxie spielt eine wichtige Rolle in zahlreichen tierexperimentellen BOLD fMRI Studien. Es existieren jedoch kaum Daten zum Einfluss der Hyperoxie auf die Amplitude der relativen, stimulusinduzierten BOLD Signaländerung (ΔBOLD%). Zurzeit existiert keine Studie die diese Effekte zeitaufgelöst untersucht hat, obwohl die cerebrale Vasoregulation über Angriffspunkte für eine zeitabhängige Interaktion zwischen Hyperoxie und ΔBOLD% verfügt. Hier untersuchten wir die zeitabhängigen Effekte eines inspirierten Sauerstoffanteils im Atemgas von 90%. Wir kontrollierten sowohl das endtidale CO2 als auch die Körpertemperatur in engen Grenzen und nahmen die physiologischen Parameter, welche für die regionale cerebrale Durchblutung (engl.: regional cerebral blood flow, rCBF) relevant sind, im (Isofuloran/Fentanyl-) anästhesierten Makaken auf. Wir benutzten einen visuellen Stimulus um eine ΔBOLD% Antwort hervorzurufen. Die Analyse der stimulusinduzierten hämodynamischen Antworten erfolgte mittels eines allgemeinen linearen Modells mit dem Zeitverlauf der visuellen Stimulation als Prädiktor. Um zu überprüfen, ob ΔBOLD% Signaländerungen auf Änderungen der Blutsauerstoffsättigung in Ruhe oder auf einer veränderten neurovaskulären Kopplung beruhten, maßen wir direkt die Änderungen des lokalen cerebralen Blutvolumens (engl.: regional cerebral blood volume, rCBV) mittels eines Kontrastmittels aus Eisenoxid-Nanopartikeln (MION). Im visuellen Kortex wurde eine biphasische Modulation der stimulusinduzierten ΔBOLD% Signaländerungen gefunden: Ein anfänglicher Abfall um 24% gemittelt über das Zeitintervall von 0 bis 180min wurde gefolgt von einer Erholung auf das ursprüngliche Niveau. Die rCBV Antwortamplituden waren im selben Zeitintervall (0 bis 180 min) um 21 % vermindert. Im seitlichen Kniehöcker (engl.: lateral geniculate nucleus, LGN) wurden weder signifikante Modulationen der ΔBOLD% Signaländerungen gefunden, noch solche der MION Signaländerungen. Die cerebrovaskulären Effekte der Hyperoxie könnten daher abhängig von der Hirnregion sein. Sie können nicht durch ein Verdünnungsmodell für Deoxyhemoglobin einschließlich einer Berücksichtigung der Plasma-Sauerstoffsättigung erklärt werden, wenn nicht zusätzlich Änderungen in der neuronalen Aktivität oder in der neurovaskulären Kopplung angenommen werden. Über diese Ergebnisse hinaus enthält diese Arbeit quantitative Angaben zum signifikanten Einfluss der folgenden Anästhesie-Parameter auf die ΔBOLD% Signaländerungen: Körpertemperatur, Isofluorane/Fentanyl Dosen und Zeit seit der Gabe des initialen Anästhetikums Methohexital. Zusätzlich zu den vorgestellten univariaten, modellbasierten Analysen der stimulusinduzierten hämodynamischen Antworten wurden die vorliegenden Daten auch modellfrei und multivariat mittels einer sogenannten Independent Component Analysis (ICA) analysiert. Die Resultate der ICA Zerlegungen wurden mittels eines hierachischen Clustering Algorithmus geclustert, um die reliablen Komponenten für die weitere Analyse zu identifizieren. Modellfreie Analysen wie etwa die ICA leiden unter der Schwierigkeit, den erhaltenen Komponenten eine physikalische oder physiologische Bedeutung zuzuordnen. Zur Lösung dieses Problems schlagen wir hier eine neue Analysevariante vor, welche die durch bestimmte Anästhesievariablen erklärte Varianz innerhalb eines Clusters ausnutzt, um diesem eine physiologische Bedeutung zuzuordnen. Wir konnten zeigen, dass die Resultate der modellbasierten Analyse Bestand hatten, wenn die Komponenten desjenigen Cluster analysiert wurden, welcher die stimulusinduzierten hämodynamischen Antworten enthielt. Zusätzlich ermöglichte die neue Analysevariante eine physiologische Zuordnung mehrerer anderer typischer Komponenten aus ICA Zerlegungen von fMRI Daten.German
Uncontrolled Keywords: BOLD fMRI, anaesthesia, hyperoxia, macaque monkey, cerebral blood flow, neurovascular coupling
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
BOLD fMRI, anaesthesia, hyperoxia, macaque monkey, cerebral blood flow, neurovascular couplingEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000844
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8446
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Galuske, Prof. Dr. Ralf and Munk, PD Dr. Matthias Hans Joachim
Advisors: Munk, PD Dr. Matthias Hans Joachim
Refereed: 11 May 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/844
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