Beyond BOLD: Optimizing functional imaging in stroke populations

Abstract

Blood oxygenation level-dependent (BOLD) signal changes are often assumed to directly reflect neural activity changes. Yet the real relationship is indirect, reliant on numerous assumptions, and subject to several sources of noise. Deviations from the core assumptions of BOLD contrast functional magnetic resonance imaging (fMRI), and their implications, have been well characterized in healthy populations, but are frequently neglected in stroke populations. In addition to conspicuous local structural and vascular changes after stroke, there are many less obvious challenges in the imaging of stroke populations. Perilesional ischemic changes, remodeling in regions distant to lesion sites, and diffuse perfusion changes all complicate interpretation of BOLD signal changes in standard fMRI protocols. Most stroke patients are also older than the young populations on which assumptions of neurovascular coupling and the typical analysis pipelines are based. We present a review of the evidence to show that the basic assumption of neurovascular coupling on which BOLD-fMRI relies does not capture the complex changes arising from stroke, both pathological and recovery related. As a result, estimating neural activity using the canonical hemodynamic response function is inappropriate in a number of contexts. We review methods designed to better estimate neural activity in stroke populations. One promising alternative to event-related fMRI is a resting-state-derived functional connectivity approach. Resting-state fMRI is well suited to stroke populations because it makes no performance demands on patients and is capable of revealing network-based pathology beyond the lesion site.

Ischemic brain injury in cerebral amyloid angiopathy

“…159 Since fMRI relies on a vascular response, the challenge for future fMRI studies will be to disentangle the vascular effects of SVD from its neuronal effects in altering the BOLD response. Several methods have been proposed to deal with this issue (for review, Veldsman et al 160 ).…”

Characteristics of structural and functional organization of the brain

“…При этом функциональная МРТ (фМРТ) в BOLD-режиме (англ. : Blood Oxygenation LevelDependent), используемая для оценки нейрональной ак-тивности, рассматривается как весьма чувствительный метод, по своей информативности имеющий определен-ные преимущества по сравнению с ЭЭГ, магнитоэнцефа-лографией и ПЭТ [35][36][37]. Ключевым для BOLD-режима фМРТ является оценка изменений оксигенации крови, отражающих метаболические потребности, связанные с нейрональной активностью [37].…”

“…: Blood Oxygenation LevelDependent), используемая для оценки нейрональной ак-тивности, рассматривается как весьма чувствительный метод, по своей информативности имеющий определен-ные преимущества по сравнению с ЭЭГ, магнитоэнцефа-лографией и ПЭТ [35][36][37]. Ключевым для BOLD-режима фМРТ является оценка изменений оксигенации крови, отражающих метаболические потребности, связанные с нейрональной активностью [37]. Особую ценность ре-зультаты фМРТ в BOLD-режиме имеют для оценки так называемой «черной энергии», что предоставляет уни-кальную возможность изучения происходящих в состоя-нии «покоя» церебральных процессов [20].…”

“…фМРТ рассматривается как метод, с помощью кото-рого, в частности, можно оценивать риск возникновения БА [38], изучать возрастные изменения различных отде-лов головного мозга [37], прогнозировать характер восста-новления после перенесенного инсульта [39]. Таким об-разом, удается прижизненно оценить церебральный ре-зерв, потенциальные возможности процессов нейропла-стичности.…”

“…Следует заме-тить, что при УКР на определенном этапе развития пато-логического процесса может визуализироваться повыше-ние нейрональной активности в средних отделах височ-ной доли при выполнении нейропсихологических тестов, позволяющих оценить состояние памяти, что связывают с процессами компенсации нарушений, обусловленных на-чальными этапами альцгеймеровского процесса [36]. С возрастом мозговой кровоток снижается, однако этот процесс не носит линейного характера и по своей выра-женности весьма различен в тех или иных отделах коры головного мозга и базальных ганглиях, и может быть не связан со степенью церебральной атрофии [37]. При нор-мальном старении он остается относительно сохранным в зрительной и моторной коре и в большинстве субкорти-кальных структур [37].…”