Biophysical modeling of human brain physiology in functional magnetic resonance imaging

• Main Author: Mark, Clarisse
• Other Authors: Gilbert Bruce Pike (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2011
• Subjects: Engineering - Biomedical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=104527

The work undertaken in this dissertation was motivated by the pressing need to enlighten the intricate relationship between cerebral metabolic and haemodynamic changes underlying blood oxygenation level-dependent (BOLD) signals, all three widely employed in functional magnetic resonance imaging (fMRI) as surrogate markers of neuronal activity. To this end, a methodology was developed to improve the calibration procedure essential to a BOLD biophysical model in quantifying cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) responses to brain activation. A computerized gas delivery and rebreathing circuit was implemented in the magnetic resonance (MR) environment of a 3 T scanner to achieve precise and independent manipulation of end-tidal (i.e., end-exhaled) partial pressures in oxygen and carbon dioxide (PETO2 and PETCO2). The improvement in cerebrovascular responses (CVR) attainable via end-tidal control was investigated in a comparative fMRI study involving healthy young adults where the novel system was applied along side the traditional hypercapnic (HC) calibration technique of fixed increases in inspired concentration of carbon dioxide (FICO2) via a nonrebreathing face mask. Rapid near square-wave changes in PETCO2 and constrained PETO2 (i.e., baseline iso-oxic state) translated to reduced methodological and physiological uncertainties for greater predictability and stability in the induced BOLD and cerebral blood flow (CBF) signals. These findings indicated that while the common fixed inspired maneuver suffers from inconsistencies between administered gas concentrations and measured MR signal responses, prospective end-tidal targeting generates precise iso-oxic HC stimulation, invaluable in the regulation of cerebral haemodynamics in BOLD calibrated fMRI studies. Based on the progress made with the new modality, the subsequent study aimed at demonstrating the reduction of uncertainties in the calibration constant (M) achievable under the fine control of graded iso-oxic HC as well as isocapnic (i.e., baseline PETCO2) hyperoxic (HO) challenges. The results illustrated impressively smaller M-value variability than typically reported under the fixed inspired methods (FICO2 and FIO2, respectively), with HO showing a factor of 0.3-0.5 further improvement over HC, suggesting the appropriateness of this alternate procedure for increased precision of per-subject and per-brain-region calibration. Finally, the last manuscript examined and established that diminished M-variability translates to more accurate estimations of CMRO2 changes in the activated visual and sensorimotor cortices. Together, the performed studies represent the first experimental demonstration that rigorous prospective end-tidal targeting and HO challenges, both, independently, provide remarkably reduced variability in estimates of M, CMRO2 and CMRO2-CBF coupling, vital in diminishing biases currently encountered in the field of quantitative BOLD calibrated fMRI. === Le travail entrepris dans cette dissertation a été motivé par la nécessité d'éclaircir les relations complexes entre les changements métaboliques et hémodynamiques cérébraux sous-jacents à l'effet BOLD (signal qui dépend du taux d'oxygénation sanguin), les trois étant fréquemment employés en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) comme marqueurs d'activité neuronale. À cette fin, une méthodologie a été développée pour améliorer la procédure de calibration essentielle à un modèle BOLD biophysique pour estimer la consommation métabolique cérébrale en oxygène (CMRO2) en réponse à l'activité neuronale. Un système automatisé d'apport de gaz couplé d'un circuit de réinspiration ont été installés dans l'environnement d'un appareil de résonance magnétique (RM) de 3 T afin de permettre une manipulation précise et indépendente des pressions partielles en oxygène et dioxide de carbone en fin d'expiration (PETO2 et PETCO2). L'amélioration des réponses cérébrovasculaires (RCV) réalisable par ce contrôle de pression a été examinée lors d'une étude d'IRMf sur de jeunes adultes sains en comparant le nouveau système à la technique traditionnelle de calibration hypercapnique (HC), consistant en des augmentations fixes de concentration inspirée en dioxide de carbone (FICO2) par l'entremise d'un masque facial ne permettant pas la réinspiration. En offrant des transitions rapides entre niveaux de PETCO2, tout en gardant la PETO2 constante (i.e., état de référence iso-oxique), le nouveau système a réduit les incertitudes méthodologiques ainsi que physiologiques, engendrant une prévisibilité et une stabilité accrue des signaux produits en BOLD et en débit sanguin cérébral (CBF). Ces conclusions indiquent que, tandis que la manoeuvre commune d'inspiration fixe souffre de désaccord entre les concentrations de gaz administrées et les réponses de signaux RM mesurées, le ciblage en perspective de fin d'expiration génère une stimulation précise en HC iso-oxique, de valeur inappréciable dans la régulation hémodynamique cérébrale employée par les études d'IRMf-BOLD calibrées. En employant les progrès réalisés à travers la nouvelle modalité, l'étude ultérieure a visé à déterminer la réduction réalisable dans l'incertitude de la constante de calibration (M) par le contrôle étroit d'un étalonnage de défis HC iso-oxiques ainsi qu'hyperoxiques (HO) isocapniques (i.e., états de références PETCO2). Les résultats ont démontré une impressionnante diminution de la variabilité des valeurs M par rapport à celles généralement rapportées sous les méthodes d'inspiration fixe (respectivement, FICO2 et FIO2), l'HO démontrant une amélioration additionnelle d'un facteur de 0.3-0.5 sur l'HC, suggérant la pertinence de cette procédure alternative pour une calibration par sujet et par region du cerveau de plus grande précision. Enfin, le dernier manuscrit a examiné et établi que l'atténuation de variabilité en M se traduit par des estimations plus précises des changements en CMRO2 dans les cortex visuel et sensorimoteur activés. Conjointement, les études réalisées représentent la première démonstration expérimentale que le ciblage rigoureux en perspective de fin d'expiration et les défis d'HO, à la fois, indépendamment, fournissent de remarquables réductions de variabilités dans l'estimation de M, CMRO2 et couplage CMRO2-CBF, vitales dans la diminution des biais actuellement rencontrés dans le domaine de l'IRMf-BOLD calibrée.