BOLD signal

Opphavet til Blood Oxygen Level dependent (BOLD) signalet

Blood oxygen level dependent (BOLD) eller blod oksygeneringsgradsavhengig signal målt med funksjonell MR (BOLD fMRI) er det mest benyttede MR metoden for å undersøke hjerneaktivitet og hvor den er lokalisert.

Det finnes flere ulike måter å forklare BOLD signalet på, for eksempel basert på mekaniske eller fysiologisk modeller. En god forståelse av de ulike aspektene ved BOLD signalet er lettest å få med en sammensatt modell som tar i betraktning anatomiske, fysiologiske, metabolske og MR-messige forhold da alle har innflytelse på BOLD signalet. Under følger en forklaring av BOLD signalet som er basert på alle disse ulike elementene.

Hjernens energi behov

Hjernen er alltid aktiv, om du sover eller er våken.  I våken tilstand er det kun en liten forskjell i energibruken mellom et område som aktivt bearbeider impulser utenfra og/eller sender kommandoer med aktuelle respons, sammenliknet med et annet område som ikke et involvert i disse prosessene i akkurat det øyeblikket. Dette kommer av at hjernen har et veldig høyt generelt energiforbruk. Alle nevroner (hjernecellene) har høy aerob aktivitet med forbrenning av glukose (sukker) i sitronsyresyklusen og oksidativ fosforylering (også kalt celleånding eller respirasjon) i mitokondriene for å få ut maksimalt med ATP (adenosin trifosfat) som er cellenes energienhet. Hjernecellene bruker denne energien først og fremst til å opprettholde cellemembranpotensialet som er svært kostbart. Spesielt mye energi går til å gjenopprette det postsynaptiske cellemembranpotensialet etter aktivering med nevrotransmittere som er signalmolekylene til nevronene. Det er beregnet at ca.  80% av hjernens energi brukes til å reversere natriumione-gradientene forårsaket av aksjonspotensialer og glutaminerg nevrotransmisjon. Andre beregninger angir at 60% av hjernens energi går til prosesser som har med nevrotransmisjon og 40% til andre cellulære prosesser (vedlikehold, transport, transkripsjon etc.). Siden hjernen ikke kan lagre glukose eller oksygen, er det nødvendig med jevn høy blodtilførsel. Hjernen som utgjør 2% av kroppen, bruker ca. 20 % av oksygenet som pustes inn i forbrenningen av glukose i mitokondriene.

Blodforsyning til hjernen

Cirka 10 % av det intrakranielle volumet er blod. Arteriesystemet fører friskt blod til hjernen mens det venøse systemet fører blod fra hjernen (Figur 1). Kapillærsengen er overgangen mellom det tilførende arterie- og fraførende venesystemet (Figur 2), og består av et nettverk tynne blodårer som er så små at kun ett rødt blodlegeme kan passere om gangen. På grunn av de mange forgreningene av blodårer i kapillærsengen er arealet av kapillærsengen mye større enn arealet av arterie- og venesystemet. Dette gjør at blodfløden er svært lav i kapillærsengen (Figur 2 A). Kombinasjonen stort areal og tynne vegger er tenkt å optimere utvekslingen av oksygen og glukose fra blodbanen til hjernevevet.

Glukose transporteres inn i hjernevevet via spesifikke transportproteiner i blodhjernebarrieren, mens oksygen diffunderer passivt over blodåreveggen inn i hjernevevet langs sin egen konsentrasjonsgradient. I hjernen er det blodgjennomstrømming til enhver tid i alle blodkar, selv i de minste kapillærene. Den totale blodfløden til hjernen er nøye regulert under normale forhold (les om autoregulering om du vil vite mer) fordi det intrakranielle volumet må holdes konstant ellers vil hjernes volum bli for stort i forhold til skallen (Monroe-Kelly doktrinen). I tillegg reguleres blodfløden til kapillærsengen lokalt i forbindelse med nevronal aktivitet, dette kalles nevrogen blodfløde eller nevrovaskulær kobling (Figur 2A-D). I begge tilfeller reguleres blodfløden til hjernen ved endringer i diameteren av blodkarene på arteriesiden; de store arteriene tar seg av autroregulering og de små arteriolene den nevrovaskulær kobling. Små endringer i arteriediameter har stor påvirkning på blodfløden (blodflødeendringer er i 4. potens av karradiusen fordi Q = DP P r ⁴, der Q er blodfløde, P er trykkforskjellen fra venstre hjertekammer til venesystemet, og r er karradius).  Økning i blodfløden gir også økning i blodvolumet. Den nevrovaskulær koblingen fører til relaksasjon av muskelen i arterioleveggen som igjen gir økt blodfløde inn i kapillærsengen (Figur 2B og C). Samtidig er det også noe økning i blodvolumet.  Det er også data som tyder på at det skjer en dilatasjon av karene i kapillærsengen. Pericytter, en spesiell type sammentrekkbare celler som ligger rundt kapillærsengens og venulenes (venule= minste venene) vegger, kan trekke seg sammen eller slappe av. Dette resulterer i henholdsvis redusert eller øket diameter på det underliggende karet.  Når blodfløden og kardiameteren øker i kapillærene, vil de røde blodlegemene legge seg tett inntil hverandre og flere røde blodlegemer vil derfor befinne seg i kapillærsengen enn i hvile (Figur 2C). Det er allikevel alltid lavere tetthet av røde blodlegemer i kapillærsengen enn i andre deler av kartreet. Blodfløden er regnet for å være ulik i ulike deler av kapillærsengen, spesielt i hvile. Ved nevronal aktivitet vil blodføden bli mer lik i hele kapillærsengen og dette øker diffusjonskapasiteten for f.eks. oksygen mellom blodet og vevet rundt.

Etter å ha passert kapillærsengen går blodet over i venesystemet. I motsetning til arteriesystemet er veggene i venesystemet uten muskulatur. Men, det finne pericytter rundt venulene og dermed er det mulig at også venulenes utvidelse har en viss aktiv komponent, men det er ikke vist ennå. Netto resultatet av den øket blodfløden og blodvolumet igjennom kapillærsengen er en rask dilatasjon av venulen (Figur 2C).

Nevronal aktivitet og nevrovaskulær kobling

Et nevron aktiverer et annet nevron ved hjelp av frisetting av nevrotransmitter. Frisetting av nevrotransmitter påvirker også astrocyttene som er en funksjonell og anatomisk del av synapsen (den tripartite synapsen). Normalt er det flere enn ett nevron som aktiveres. I forbindelse med nevrotransmitterfrisetting i synapsen vil astrocytter frisette ulike produkter fra fettsyre-nedbrytingen (prostaglandiner, eikosanioder) og ioner (K⁺ og H⁺).

Produkter fra fettsyre-nedbrytingen fra astrocyttene er spesielt effektive til å dilatere arterioler og pericytter, og dermed øker blodfløden i kapillærsengen. Arterioler kan også dilateres via nerver som innerverer (har direkte kontroll over via neurotransmitter frisetting) arterieveggen. Det er nevroner med nevrotransmitterene GABA (gamma amino butyric acid, på norsk gammaaminosmørsyre), noradrenalin, acetykolin, serotonin eller dopamin som direkte påvirker arteriole diameteren. Glutaminerg nevronal aktivitet, som utgjør 80 % av nevrotransmitterne i hjernen, er ikke ansett å ha slik direkte effekt på blodfløden. Man regner med at glutamat påvirker kardiameteren indirekte ved å indusere for eksempel produksjon og frisetting av NO (nitrogenoksid) i andre nevroner, og via astrocytter som nevnt over. Det finnes data som tyder på at glutaminerge nevroner kan påvirke blodfløden og diameteren av karene i kapillærsengen direkte. Dette skjer via glutamats effekt på protoplasmiske astrocytter som har lange utstikkere, kalt endeføtter, som omfavner kapillærene. Når glutamat reseptorer på astrocyttene aktiveres, vil Ca²⁺ mengden øke intracellulært og føre til tilbaketrekking av astrocyttens endeføtter. Slik vil diameteren i kapillærene utvides. Dette er en veldig treg prosess og er derfor ikke regnet som like sentral som de overnevnte prosessene for øket blodfløde ved nevronal aktivitet. Avslapping av pericyttene er derimot regnet å ha stor betydning for dilatasjon av kapillærsengen og venulene. Pericytt-avslapping initieres av prostaglandiner og krever NO og er således også avhengig av astrocyttene.

De ulike prosessene som fører til øket blodfløde ved nevronal aktivering kalles nevrovaskulær kobling. Legg merke til at disse prosessene er direkte forårsaket av og skjer samtidig som den økte nevronale aktiviteten, dvs. nevrotransmitter frisettingen. Den økte blodfløden er altså en naturlig del av den økte nevronale aktiviteten, og ikke noe som oppstår i etterkant som et svar på den nevronale aktiviteten. På engelske kaller man dette en feedforward prosess. Det er også viktig å huske at BOLD fMRI er en indirekte metode for mål av hjerneaktivitet. Vi undersøker ikke direkte nevronal elektrisk aktivitet, men effekter av nevronal aktivitet på blodfløde, blodvolum og mengden oksygenert/deoksygert hemoglobin.

Den økte blodfløden fører til økt mengde oksygenerte røde blodlegemer i kapillærsengen (Figur 2B-C). Denne økningen er større enn økningen i oksygen forbruket. Dette kommer antakelig av at det kreves en stor forskjell i oksygenkonsentrasjonen mellom blodkaret og hjernevevet for at diffusjonsgradienten skal bli så stor at mer oksygen diffunderer ut til de delene av hjernevevet som ligger lengst unna blodkaret. Denne forklaringsmodellen kalles oksygen diffusjonsbegrensingsmodellen. Forskjellene i mengden oksygenert blod mellom hvile og under nevronal aktivitet er fundamentet for «blood oxygenation level dependent (BOLD) fMRI» som beskrevet av Seiji Ogawa første gang i 1990 (Figur 2A-D). Røde blodceller som har oksygen budet til hemoglobin (hemoglobin er et jernholdig protein som oksygenet fester seg til for frakt fra lungene til ulike vev i kroppen) blir også kalt oksyhemoglobin. Både oksygen og jern i hemoglobinet har uparrede elektroner, og er derfor paramagnetiske.  Når oksygen er festet til jernet i hemoglobin skjer det en endring som gjør at det netto ikke er noen uparrede elektroner, og oksyhemoglobin er derfor diamagnetisk. Paramagnetiske forbindelser, som deoksygenert hemoglobin, gir raskere T1 og T2 relaksasjon i omliggende vev. Det kalles en positiv magnetisk susceptibilitets effekt. I hvile vil det paramagnetiske deoksygenerte hemoglobinet lede til magnetisk susceptibilitetsforskjeller mellom innsiden og utsiden av blodkaret. Dette fører til tap av fasekoherens i vannprotonene i nærheten (dvs. endring av T2 relaksasjon), med kortere T2 og T2* relaksasjonstider. Når man bruker T2/T2* sekvenser, vil man kunne se defasingen som tap av MR signal. Når mengden oksyhemoglobin øker under aktivitet, vil det føre til en økning av fasekoherens og dermed høyere signal. Essensen i BOLD fMRI er lokale endinger i mengden oksygenert/deoksygnert (dvs. diamagnetisk/paramagnetisk) hemoglobin i forbindelse med nevronal aktivitet som man kan måle over tid som oftest ved å bruke T2* sekvenser.

Sekundært til den økte blodfløden skjer det også en økning av blod volumet (Figur 2 A-D). Volum økningen er regnet å være spesielt markert i venulen der kapillærkarene munner ut for videre oppsamling i venesystemet. I motsetning til arteriolen har ikke venulen noe ordentlig muskellag og er dermed elastisk. Derfor kan venulen passivt utvide seg når det tilføres større mengder blod enn det renner av (Figur 2C-D). Dette fenomenet er sentralt i ballong- eller blåsebelgmodellen av BOLD signalet. I denne modellen følger volumendringer på venesiden passivt og treigt de aktive endringer indusert av den nevrovasulære koblingen på arteriesiden. Når den nevronale aktiveringen stopper, vil hvileforhold med hensyn til kardiameter og oksy-/deoksyhemogobin nivå raskt re-etableres på arteriesiden og i kapillærsengen, mens det tar lengre tid før blodvolumet i den passive og elastiske venulen gjenopprettes til hviletilstand (Figur 2C-D). I ballongmodellen er BOLD signalet først og fremst drevet av passive endringer på venesiden sekundært til aktive prosesser på arteriesiden og i kapilliærsengen.

Figur 3 er en illustrasjon av et idealisert BOLD signal målt i hjernen som respons på nevronal stimulering. Figur 4 er et eksempel på BOLD signal i ett individ, og viser samme BOLD signal kurve som det idealiserte signalet i Figur 3. BOLD signalet starter på hvilenivå (engelsk baseline) (Figur 1A, 2 og 3). Ved aktivering er det helt i starten ofte beskrevet et lite signal tap, «initial dip» med 1-2 sekunders varighet (figur 2B og 3). «Initial dip» måles ikke alltid og er et omdiskutert fenomen. «Initial dip» representerer økt defasing pga. øket mengde deoksyhemoglobin. Helt i starten av nevronal aktivitet er det postulert øket oksygen ekstraksjon før blodfløde økingen er kommet skikkelig i gang (Figur 2B).  Med dilatasjon av arteriolen og økt blodfløde øker også blodvolumet, men oksygen forbruket øker ikke parallelt og derfor vil BOLD signalet øke («overshoot» fase i Figur 3). Maksimal signal økning kommer etter ca. 5-6 sekunder (Figur 3). Når den nevronale aktiviteten stopper, reduseres BOLD signalet til under tidligere hvilenivå. Dette signaltapet kalles «post-stimulus undershoot» (Figur 2D og 3). «Post-stimulus undershoot» er det minst forståtte fenomenet i BOLD signalet. De fleste bruker ballongmodellen til å forklare det. Når nevronal aktivitet stopper, vil hvile blodfløde gjenopprettes raskt på arteriesiden og i kapillærsengen. Den passive dilatasjonen av venulen gjenopprettes saktere.  Det vil derfor fylles på med mer deoksyhemoglobin i den dilatert venulen som gir en relativ lokal økning av deoksygenert hemoglobin. Den økte mengden deoksygenert hemoglobin øker defasingen og gir signaltap (Figur 2D og 3). En alternativ forklaring er at nevronene, evt. også astrocyttene, øker sin metabolske aktivitet i etterkant av aktiveringen. Den økte metabolske aktiviteten er ikke assosiert med endringer i blodtilførsel. Økt oksygenforbruket vil gi høyere deoksyhemoglobin konsentrasjon og dermed signal tap som man ser som «post-stimulus undershoot».  

Forholdet mellom BOLD signalet, nevronal elektrisk aktivitet, blodfløde og metabolisme

Det er korrelasjon mellom økning i BOLD signalet og det lokale feltpotensialet. Lokalt feltpotensiale er den elektriske aktiviteten som anses å oppstå fra nevronal bearbeiding av innkommende impulser uten nødvendigvis videresending av signaler til andre hjerneområder, eller ut til det perifere nervesystemet. Det er også en korrelasjon mellom BOLD signalet og flerenhetsaktivering (engelsk multiunit activity), som er et mål på at lokal bearbeiding som fører til videresending av signaler til det andre steder i det sentrale eller perifere nervesystemet, og dermed til endringer for eksempel i atferd. Korrelasjonene mellom BOLD og flerenhetsaktivering er ikke like sterk som for lokalt feltpotensiale. Videre korrelerer lokalt feltpotensiale mer uttalt med blodfløde, blodvolum og oskygenforbrenning i hjernen enn flerenhetsaktivering. At de fysiologiske prosessene som danner BOLD fMRI signalet først og fremst reflekterer lokalt feltpotensiale og dernest flerenhetsaktivering er viktig å huske på. En viktig metodesvakhet for BOLD fMRI er at det ikke er mulig å bedømme hvilke aktiveringer som er nødvendig for en prosess/atferd/oppgaveløsning, og hvilke aktiveringer som opptrer samtidig uten at de nødvendige for enderesultatet. Med god design av fMRI oppgaver kan man komme nærmere dette svaret, eller ved å benyttekombinasjonen transkraniell stimulering og BOLD fMRI.

MR sekvenser som er BOLD sensitive

BOLD effekten kan avbildes med ulike typer T2 og T2* vektede MR sekvenser. Andre MR metoder som er følsomme for blodfløde endringer, som for eksempel arterial spin labeling (ASL), kan også brukes til å se på hjerneaktivitet.  Det er desidert T2* vektede gradient ekko sekvenser som er mest brukt til fMRI. Dette er fordi disse sekvensene har det høyeste funksjonelle signal/støy forholdet av kommersielt tilgjengelige sekvensene. 

 Historisk perspektiv

At det er en sammenheng mellom hjernens blodfløde, blodvolum, metabolisme og aktivitet og at den er lokalisert til de områdene som er aktive i bearbeiding har vært erkjent i over 100 år.

 “…blood supply to any part of the cerebral tissue is varied in accordance with the activity of the chemical changes which underlie the functional action of that part…”   

- Roy & Sherrington, 1890

“We must suppose a very delicate adjustment whereby the circulation follows the needs of the cerebral activity. Blood very likely may rush to each region of the cortex according as it is most active, but of this we know nothing.”             

- W. James, 1890

“… cerebral blood flow is proportional to the complexity of the cognitive task… and variability between subjects may be due to …age. . .and education..”

-  A Mosso, 1935