Malignant Brain Tumors

ABSTRACT

Task-based blood oxygen-dependent (BOLD) fMRI measures relative changes in regional blood oxygenation during a behavioral task. Increases in net neuronal activity in a cortical or subcortical region lead to increased regional blood flow through specific metabolic signals that dilate local arterioles. This increase in perfusion of oxygenated blood to typically exceeds the increased metabolic demand, resulting in a radoxical rise in oxygen saturation (the fraction of hemoglobin carrying oxygen) within the capillary bed and draining veins of brain regions that are neuronally active. Because oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin differ in their magnetic susceptibility, rising oxygen saturation alters the local magnetic field: As oxyhemoglobin arrives in the capillary beds, the local magnetic field becomes more homogeneous, MR T2* relaxation becomes longer, and MR signal intensity increases. It is this contrast in T2* signal between baseline and task periods that is the basis of the BOLD fMRI mapping. The activity-driven fMRI signal (or hemodynamic response function) is transient on the order of seconds and is small: only approximately a 5% change from baseline in the healthy brain . A proportionally longer resting epoch is often used to allow the hemodynamic response to recover more completely, and task/rest epochs are repeated and the results averaged in order to increase the contrast between the two behavioral states and increase detection of the fMRI signal.

INTRODUCTION

Where task-based fMRI shows regions of the brain that are active during a specific task, resting state fMRI (RS-fMRI) measures spontaneous low-frequency fluctuations in the BOLD signal at rest in order to discern patterns of cortical participation in spontaneous brain activity . It reveals regions or networks with temporally correlated variations in BOLD signal. Many intrinsic networks have been described using this technique including a somatosensory network , a visual network, an auditory network, a language network, and a dorsal and ventral attention network among others . RS-fMRI not only localizes members of a network, but also provides a quantitative measure of the degree of correlation which may relate to the degree of network participation or “connectedness.” This measure has been recently exploited in a number of pathologies including brain tumors to study the effects of a tumor on intrinsic connectivity . While the reliability of these networks has been demonstrated in control subjects , the clinical utility of RS-fMRI is still in the process of being validated. What follows is a discussion of both task-based fMRI and RS-fMRI as they demonstrate different but complimentary components of brain function in the presurgical planning toolbox.

چکیده

fMRI وابسته به اکسیژن خون (BOLD) مبتنی بر وظیفه تغییرات نسبی در اکسیژن خون منطقه ای را در طول یک وظیفه رفتاری می سنجد. افزایش فعالیت خالص نورونی در ناحیه قشر یا زیرکوریتی منجر به افزایش جریان خون منطقه ای از طریق سیگنال های خاص متابولیک می شود که باعث گسترش آرترول های موضعی می شود. این افزایش پرفیوژن خون اکسیژن به طور معمول بیش از افزایش تقاضای متابولیسم است که منجر به افزایش جذب اشباع اکسیژن (کسری هموگلوبین حمل اکسیژن) در بستر مویرگی و تخلیه رگهای مناطق مغزی که فعالیت عصبی دارند. از آنجا که اکسي هموگلوبين و دايکسي هموگلوبين در حساسيت مغناطيسي آنها متفاوت است، افزايش نفوذ اکسیژن باعث تغيير ميدان مغناطيسي موضعي مي شود: همانطور که اکسي هماگلوبين وارد تخت مويرگها مي شود، ميدان مغناطيسي موضعي همگن تر مي شود، آرام سازي MR T2 * بلندتر مي شود و شدت سيگنال MR افزايش مي يابد. این تفاوت در سیگنال T2 * بین دوره های اولیه و کار است که پایه نقشه برداری BOLD fMRI است. سیگنال fMRI مبتنی بر فعالیت (و یا عملکرد پاسخ همودینامیکی) به ترتیب ثانیه ها تغییر می کند و کوچک است: فقط تقریبا 5٪ تغییر از سطح پایه در مغز سالم است. به طور کلی مدت زمان استراحت طولانی تر، به طور کامل اجازه می دهد تا پاسخ همودینامیک به طور کامل بهبود یابد و دوره های کار / استراحت تکرار شود و نتایج به طور متوسط برای افزایش کنتراست بین دو حالت رفتاری و افزایش تشخیص سیگنال fMRI مورد استفاده قرار گیرد.

مقدمه

در جایی که fMRI مبتنی بر کار مبتنی بر مکان های مغز است که در طول یک کار خاص فعال هستند، حالت fMRI حالت استراحت (RS-fMRI) میزان نوسانات خودبخودی کم فرکانس در سیگنال BOLD را در حالت استراحت به منظور تشخیص الگوهای مشارکت قشر در فعالیت مغز خود به خود . این مناطق یا شبکه ها را با تغییرات زمانبندی مرتبط در سیگنال BOLD نشان می دهد. بسیاری از شبکه های ذاتی با استفاده از این تکنیک شامل یک شبکه اجتماعی، یک شبکه تصویری، یک شبکه شنوایی، یک شبکه زبان، و یک شبکه توجه و پشت گوش و دیگران، توصیف شده است. RS-fMRI نه تنها اعضای شبکه را محلی سازی می کند، بلکه اندازه گیری کمی از میزان همبستگی را که ممکن است مربوط به میزان مشارکت شبکه یا “ارتباط” باشد، ارائه می دهد. این اندازه گیری اخیرا در تعدادی از آسیب های ناشی از تومورهای مغزی مورد استفاده قرار گرفته است برای بررسی اثرات تومور بر روی ارتباطات ذاتی. در حالی که قابلیت اطمینان این شبکه ها در افراد کنترل دیده شده است، کاربرد بالینی RS-fMRI همچنان در حال اعتبار است. آنچه در ادامه می آید، بحث در مورد هر دو fMRI مبتنی بر کار و RS-fMRI است، زیرا آنها اجزای متفاوتی از عملکرد مغز را در جعبه ابزار برنامه ریزی پیشگیرانه نشان می دهند.

Year: 2016

Publisher: SPRINGER

By : Jennifer Moliterno Günel · Joseph M. Piepmeier , Joachim M. Baehring