Interpreting BOLD: towards a dialogue between cognitive and cellular neuroscience

Cognitive neuroscience depends on the use of blood oxygenation level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) to probe brain function. Although commonly used as a surrogate measure of neuronal activity, BOLD signals actually reflect changes in brain blood oxygenation. Understanding the mechanisms linking neuronal activity to vascular perfusion is, therefore, critical in interpreting BOLD. Advances in cellular neuroscience demonstrating differences in this neurovascular relationship in different brain regions, conditions or pathologies are often not accounted for when interpreting BOLD. Meanwhile, within cognitive neuroscience, increasing use of high magnetic field strengths and the development of model-based tasks and analyses have broadened the capability of BOLD signals to inform us about the underlying neuronal activity, but these methods are less well understood by cellular neuroscientists. In 2016, a Royal Society Theo Murphy Meeting brought scientists from the two communities together to discuss these issues. Here we consolidate the main conclusions arising from that meeting. We discuss areas of consensus about what BOLD fMRI can tell us about underlying neuronal activity, and how advanced modelling techniques have improved our ability to use and interpret BOLD. We also highlight areas of controversy in understanding BOLD and suggest research directions required to resolve these issues

Effects of normobaric hypoxia on the activation of motor and visual cortex areas in functional magnetic resonance imaging (fMRI)

Aims: Hypoxia due to high altitude or otherwise altered fraction of inspired O2 affects cerebral mechanisms. Human brain function can be assessed indirectly via examination of local changes in haemodynamics in fMRI. The aim of this study was to examine if adaptation to normobaric hypoxia determines divergent activation in the brain regions supplied by the main cerebral arterial vessels. Methods: Visual and motor paradigms were used to shed light on the activation of different brain regions in fMRI under normobaric hypoxic conditions in 16 healthy male subjects. Hypoxia was produced by reducing the percentage of O2 in an inhaled gas mixture resulting in normobaric hypoxia with an FiO2 of 13 %. Participants had to complete a total of 3 MRI sessions to study different oxygen conditions: normoxia (FiO2 = 0.21, normal pressure), short-time (7 ± 1 min, FiO2 = 0.13, normal pressure), longtime hypoxia (8 h and 29 ± 24 min, FiO2 = 0.13, normal pressure). Each session lasted approximately 30 min, consisting of two fMRI runs (1 visual task, 1 motor task) which were pseudo-randomized between participants, followed by the structural sequence. Cerebral symptoms of AMS were assessed by means of the LLS and it was examined if symptomatic AMS has consequences on brain activation patterns measured as ∆S values. Results: Mean ∆S during normoxia was 2.43 ± 0.80 % due to motor stimulation, and 3.49 ± 1.41 % due to visual stimulation. During motor stimulation, the mean signal change due to short-time hypoxia was 0.55 ± 0.30 % and 0.82 ± 0,62 % due to longtime hypoxia. During visual stimulation, the mean signal change due to short-time hypoxia was 1.79 ± 0.69 %. Long-time hypoxia led to a mean signal change of 2.02 ± 1.18 %. Repeated ANOVA measures with factors task (motor, visual) and the hypoxic conditions (short-time hypoxia, long-time hypoxia) showed a main effect of task (F (1,15) = 52.10, p < 0.001), but no main effect of the hypoxic condition (F (1, 15) = 1.79, p = ns). Conclusions: Hypoxia led to diminished cerebral activation during motor and visual stimulation in spite of a preserved cerebral function. The oxygenation changes associated with brain activation seem more influential on the motor area, rather than the visual cortex. Therefore, the capability of the human brain to acclimatise to chronic hypoxic conditions may vary in the motor and the visual system.Ziele: Hypoxie aufgrund großer Höhe oder eines anderweitig veränderten Anteils von eingeatmetem O2-Gehalts beeinflusst zerebrale Mechanismen. Die menschliche Gehirnfunktion kann indirekt über den Nachweis lokaler hämodynamischer Veränderungen im fMRT bestimmt werden. Das Ziel dieser Studie war es, zu untersuchen, ob die Anpassung an normobare Hypoxie eine unterschiedliche Aktivierung in von den drei Hauptgefäßen versorgten Gehirnregionen erzeugt. Methoden: Bei 16 gesunden, männlichen Probanden wurden visuelle und motorische Testparadigmen angewendet, um die Aktivierung verschiedener Hirnregionen im fMRT unter normobaren, hypoxischen Bedingungen aufzuklären. Hypoxie wurde mit Hilfe eines sauerstoffreduzierten Gasgemischs (O2-Anteil 13%) erzeugt. Die Probanden mussten insgesamt 3 MRT-Sitzungen absolvieren, um verschiedene Sauerstoffzustände zu untersuchen: Normoxie (FiO2 = 0,21), Kurzzeithypoxie (7 ± 1 min Hypoxie, FiO2 = 0,13), Langzeithypoxie (8 h und 29 ± 24 min Hypoxie, FiO2 = 0,13). Jede Sitzung dauerte ca. 30 min und bestand aus je zwei fMRI-Durchgängen (1 visuelle Aufgabe, 1 motorische Aufgabe). Die zerebralen Symptome einer Höhenkrankheit wurden mittels des LLS bewertet und der Einfluss einer Höhenkrankheit auf die Gehirnaktivierungsmuster im fMRT untersucht. Resultate: Die mittlere BOLD-Signalveränderung während Normoxie betrug bei motorischer Stimulation 2,43 ± 0,80% und bei visueller Stimulation 3,49 ± 1,41%. Bei motorischer Stimulation betrug sie nach Kurzzeithypoxie 0,55 ± 0,30% und 0,82 ± 0,62% nach Langzeithypoxie. Bei visueller Stimulation betrug die mittlere Signaländerung aufgrund von Kurzzeithypoxie 1,79 ± 0,69 und aufgrund Langzeithypoxie 2,02 ± 1,18%. ANOVA-Messungen mit den Faktoren Aufgabe (motorisch, visuell) und hypoxische Bedingungen (Kurzzeithypoxie, Langzeithypoxie) zeigten einen Effekt der Aufgabe (F (1, 15) = 52.10, p <0.001), aber keinen Effekt der hypoxischen Bedingung (F (1, 15) = 1,79, p = ns) auf die BOLD Signalwertänderungen. Schlussfolgerungen: Hypoxie führte zu einer verminderten Hirnaktivität im fMRT bei motorischer und visueller Stimulation trotz erhaltener Hirnfunktion. Die mit der Gehirnaktivierung verbundenen Veränderungen der Oxygenierung scheinen eher Einfluss auf den motorischen Bereich als den visuellen Kortex zu haben. Die Adaptationsfähigkeit an chronische hypoxische Zustände scheint sich demzufolge zwischen dem motorischen und dem visuellen System zu unterscheiden

Development of an Awake Behaving model for Laser Doppler Flowmetry in Mice

Bien que le cerveau ne constitue que 2% de la masse du corps chez les humains, il présente l’activité métabolique la plus élevée dans le corps, et en conséquence, constitue un organe hautement vascularisé. En fait, l’approvisionnement en sang dans le cerveau est strictement modulé au niveau régional par un mécanisme fondamental nommé couplage neurovasculaire (CNV), qui associe les besoins métaboliques locaux au flux sanguin cérébral [1, 2]. Notre compréhension du CNV sous des conditions physiologiques et pathologiques a été améliorée par un large éventail d’études menées chez les rongeurs. Néanmoins, ces études ont été réalisées soit sous anesthésie, soit chez la souris éveillée et immobilisée, afin d’éviter le mouvement de la tête pendant l'acquisition de l'image. Les anesthésiques, ainsi que le stress induit par la contention, peuvent altérer l'hémodynamique cérébrale, ce qui pourrait entraver les résultats obtenus. Par conséquent, il est essentiel de contrôler ces facteurs lors de recherches futures menées au sujet de la réponse neurovasculaire. Au cours de l’étude présente, nous avons développé un nouveau dispositif pour l'imagerie optique éveillée, où la tête de la souris est immobilisée, mais son corps est libre de marcher, courir ou se reposer sur une roue inclinée. En outre, nous avons testé plusieurs protocoles d'habituation, selon lesquels la souris a été progressivement entraînée pour tolérer l’immobilisation de tête, afin de minimiser le stress ressenti lors des sessions d'imagerie. Enfin, nous avons, pour la première fois, cherché à valider l'efficacité de ces protocoles d'habituation dans la réduction du stress, en mesurant l'évolution des taux plasmatiques de corticostérone tout au long de notre étude. Nous avons noté que les souris s'étaient rapidement adaptées à la course sur la roue et que les signes visibles de stress (luttes, vocalisations et urination) étaient nettement réduits suite à deux sessions d'habituation. Néanmoins, les taux de corticostérone n'ont pas été significativement réduits chez les souris habituées, par rapport aux souris naïves qui ont été retenues sur la roue sans entraînement préalable (p> 0,05). Ce projet met en évidence la nécessité d'une mesure quantitative du stress, car une réduction des comportements observables tels que l'agitation ou la lutte peut être indicative non pas d'un niveau de stress plus faible, mais plutôt d'un désespoir comportemental. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si la fixation de la tête lors de l'imagerie optique chez la souris peut être obtenue avec des niveaux de stress plus faibles, et si le stress induit par la contrainte effectuée avec notre dispositif est associé à des changements de la réponse hémodynamique.Whilst the brain only constitutes 2% of total body weight in humans, it exhibits the highest metabolic activity in the body, and as such is a highly vascularized organ. In fact, regional blood supply within the brain is strictly modulated through a fundamental process termed neurovascular coupling (NVC), which couples local metabolic needs with cerebral blood flow [1, 2]. A wide array of optical imaging studies in rodents has enhanced our understanding of NVC under physiological and pathological conditions. Nevertheless, these studies have been performed either under anesthesia, or in the awake mouse using restraint to prevent head-motion during image acquisition. Both anesthetics and restraint-induced stress have been clearly shown to alter cerebral hemodynamics, thereby potentially interfering with the obtained results [3, 4]. Hence, it is essential to control for these factors during future research which investigates the neurovascular response. In the present study, we have developed a new apparatus for awake optical imaging, where the mouse is head-restraint whilst allowed to walk, run or rest on an inclined wheel. In addition, we have tested several habituation protocols, according to which the mouse was gradually trained to tolerate head-restraint, in order to minimize the stress experienced during imaging sessions. Lastly, we have, for the first time, sought to validate the efficiency of these habituation protocols in reducing stress, by measuring the evolution of plasma corticosterone levels throughout the study. We noted that the mice had quickly adapted to running on the wheel, and that the overt signs of stress (struggling, vocalizations and urination) were clearly reduced within two habituation sessions. Nevertheless, corticosterone levels were not significantly reduced in habituated mice, relative to naïve mice that were restrained on the wheel without prior training (p > 0.05). This project highlights the necessity for a quantitative measure of stress, as a reduction in observable behaviors such as agitation or struggling may be indicative not of lower stress, but rather, of behavioral despair. Further research is needed to determine whether head-fixation during optical imaging in mice can be achieved with lower stress levels, and if restraint-induced stress using our apparatus is associated with changes in the hemodynamic response

Post-stimulus fMRI and EEG responses: evidence for a neuronal origin hypothesised to be inhibitory

Post-stimulus undershoots, negative responses following cessation of stimulation, are widely observed in functional magnetic resonance (fMRI) blood oxygenation level dependent (BOLD) data. However, the debate surrounding whether the origin of this response phase is neuronal or vascular, and whether it provides functionally relevant information, that is additional to what is contained in primary response, means that undershoots are widely overlooked. We simultaneously recorded electroencephalography (EEG), BOLD and cerebral blood-flow (CBF) [obtained from arterial spin labelled (ASL) fMRI] fMRI responses to hemifield checkerboard stimulation to test the potential neural origin of the fMRI post-stimulus undershoot. The post-stimulus BOLD and CBF signal amplitudes in both contralateral and ipsilateral visual cortex depended on the post-stimulus power of the 8-13 Hz (alpha) EEG neuronal activity, such that trials with highest EEG power showed largest fMRI undershoots in contralateral visual cortex. This correlation in post-stimulus EEG-fMRI responses was not predicted by the primary response amplitude. In the contralateral visual cortex we observed a decrease in both cerebral rate of oxygen metabolism (CMRO2) and CBF during the post-stimulus phase. In addition, the coupling ratio (n) between CMRO2 and CBF was significantly lower during the positive contralateral primary response phase compared with the post-stimulus phase and we propose that this reflects an altered balance of excitatory and inhibitory neuronal activity. Together our data provide strong evidence that the post-stimulus phase of the BOLD response has a neural origin which reflects, at least partially, an uncoupling of the neuronal responses driving the primary and post-stimulus responses, explaining the uncoupling of the signals measured in the two response phases. We suggest our results are consistent with inhibitory processes driving the post-stimulus EEG and fMRI responses. We therefore propose that new methods are required to model the post-stimulus and primary responses independently, enabling separate investigation of response phases in cognitive function and neurological disease

EFFECTS OF NEUROMODULATION ON NEUROVASCULAR COUPLING

The communication between neurons within neural circuits relies on neurotransmitters (glutamate, γ-aminobutyric acid (GABA)) and neuromodulators (acetylcholine, dopamine, serotonin, etc.). However, despite sharing similar molecular elements, neurotransmitters and neuromodulators are distinct classes of molecules and mediate different aspects of neural activity and metabolism. Neurotransmitters on one hand are responsible for synaptic signal transmission (classical transmission) while neuromodulators exert their functions by mediating different postsynaptic events that result in changes to the balance between excitation and inhibition. Neuromodulation, while essential to nervous system function, has been significantly more difficult to study than neurotransmission. This is principally due to the fact that effects elicited by neuromodulators are usually of slow onset, long lasting, and are not simply excitation or inhibition. In contrast to the effects of neurotransmitters, neuromodulators enable neurons to be more flexible in their ability to encode different sorts of information (e.g. sensory information) on a variety of time scales. However, it is important to appreciate that one of the challenges in the study of neuromodulation is to understand the extent to which neuromodulators’ actions are coordinated at all levels of brain function. That is, from the cellular and metabolic level to network and cognitive control. Therefore, understanding the molecules that mediate brain networks interactions is essential to understanding the brain dynamic, and also helps to put the cellular and molecular processes in perspective. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a technique that allows access to various cellular and metabolic aspects of network communication that are difficult to access when studying one neuron at the time. Its non-invasiveness nature allows the comparison of data and hypotheses of the primate brain to that of the human brain. Hence, understanding the effects of neuromodulation on local microcircuits is needed. Furthermore, given the massive projections of the neuromodulatory diffuse ascending systems, fMRI combined with pharmacological and neurophysiological methods may provide true insight into their organization and dynamics. However, little is known about how to interpret the effects of neuromodulation in fMRI and neurophysiological data, for instance, how to disentangle blood oxygenation level dependent (BOLD) signal changes relating to cognitive changes (presumably neuromodulatory influences) from stimulus-driven or perceptual effects. The purpose of this dissertation is to understand the causal relationship between neural activity and hemodynamic responses under the influence of neuromodulation. To this end we present the results of six studies. In the first study, we aimed to establish a mass-spectrometry-based technique to uncover the distribution of different metabolites, neurotransmitters and neuromodulators in the macaque brain. We simultaneously measured the concentrations of these biomolecules in brain and in blood. In a second study, we developed a multimodal approach consisting of fMRI (BOLD and cerebral blood flow or CBF), electrophysiological recording with a laminar probe and pharmacology to assess the effects of neuromodulation on neurovascular coupling. We developed a pharmacological injection delivery system using pressure-operated pumps to reliably apply drugs either systemically or intracortically in the NMR scanner. In our third study, we systemically injected lactate and pyruvate to explore whether the plasma concentration of either of these metabolites affects the BOLD responses. This is important given that both metabolites are in a metabolic equilibrium; if this equilibrium is disrupted, changes in the NAD and NADH concentrations would elicit changes in the CBF. In a fourth study, we explored the influence of dopaminergic (DAergic) neuromodulation in the BOLD, CBF and neurophysiological activity. Here we found that DAergic neuromodulation dissociated the BOLD responses from the underlying neural activity. Interestingly, the changes in the neural activity were tightly coupled to the effects seen in the CBF responses. In a subsequent study, we explored whether the effects of dopamine (DA) on the electrophysiological responses are cortical layer dependent and whether specific patterns of neural activity can be used to infer the effects of neuromodulation on the neural activity. This is important, given that different types of neural activity provide independent information about the amplitude and dynamics from BOLD responses, and studies have shown that these bands originate from different cortical layers. What this study revealed, is that local field potentials (LFPs) in the midrange frequencies can indeed provide indications about the sustained effects of neuromodulation on cortical sensory processing. Given the results from the previous study, in our sixth study, we aimed at understanding how different cortical layers may process incoming and outgoing information in the different LFP bands. These findings provide evidence that neuromodulation has profound effects on neurovascular coupling. By changing the excitation-inhibition balance of neural circuits, neuromodulators not only mediate the neural activity, but also adjust the metabolic demands. Therefore, understanding how the different types of neuromodulators affect the BOLD response is essential for an effective interpretation of fMRI-data, not only in tasks involving attentional and reward-related processes, but also for future diagnostic use of fMRI, since many psychiatric disorders are the result of alterations in neuromodulatory systems.Die Kommunikation zwischen den Neuronen innerhalb neuronalen Schaltkreise beruht auf Neurotransmitter (Glutamat, γ-Aminobuttersäure (GABA)) und Neuromodulatoren (Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, etc.). Neurotransmitter und Neuromodulatoren sind jedoch unterschiedliche Klassen von Molekülen und verschiedenen Aspekte der neuronalen Aktivität und den Stoffwechsel vermitteln. Neurotransmitters sind einerseits verantwortlich für die synaptische Signalübertragung (klassische Übertragung), während ihre Funktionen ausüben, Neuromodulatoren durch verschiedene postsynaptischen Ereignisse zu vermitteln, die in Änderungen an der Balance zwischen Erregung und Hemmung führen. Neuromodulation , während wesentlich Funktion des Nervensystems hat sich als Neurotransmission wesentlich schwieriger gewesen, zu studieren. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, die durch Neuromodulatoren sind in der Regel von langsamen Beginn, langlebig, und sind nicht einfach Anregung oder Hemmung ausgelöst beeinflusst. Im Gegensatz zu den Wirkungen von Neurotransmittern, Neuromodulatoren ermöglichen Neuronen flexibler zu sein in ihrer Fähigkeit, verschiedene Arten von Informationen (beispielsweise sensorische Informationen) auf einer Vielzahl von Zeitskalen zu kodieren. Im Gegensatz zu den Wirkungen von Neurotransmittern, Neuromodulatoren ermöglichen Neuronen flexibler zu sein in ihrer Fähigkeit, verschiedene Arten von Informationen (beispielsweise sensorische Informationen) auf einer Vielzahl von Zeitskalen zu kodieren. Im Gegensatz zu den Wirkungen von Neurotransmittern, Neuromodulatoren ermöglichen Neuronen flexibler zu sein in ihrer Fähigkeit, verschiedene Arten von Informationen (beispielsweise sensorische Informationen) auf einer Vielzahl von Zeitskalen zu kodieren. Jedoch ist es wichtig, dass eine der Herausforderungen bei der Untersuchung von Neuromodulations zu schätzen ist, das Ausmaß, in dem Neuromodulatoren Aktionen koordiniert sind auf allen Ebenen der Gehirnfunktion zu verstehen. Das heißt, von der zellulären und metabolischen Ebene zu vernetzen und kognitive Kontrolle. Daher die Moleküle zu verstehen, die Gehirn Netzwerke Interaktionen vermitteln ist wesentlich für das Verständnis des Gehirns dynamisch, und hilft auch, die zellulären und molekularen Prozesse in Perspektive zu setzen. Funktionellen Kernspintomographie (fMRI) ist eine Technik, die Zugang zu verschiedenen zellulären und metabolischen Aspekte der Netzwerk-Kommunikation ermöglicht, die schwer zugänglich sind, wenn zu der Zeit eines Neurons zu studieren. Seine nicht-Invasivität Natur ermöglicht den Vergleich von Daten und Hypothesen des Primatengehirn zu der des menschlichen Gehirns. Somit wurde das Verständnis der Auswirkungen der Neuromodulation auf lokale Mikro benötigt. Darüber hinaus sind die massiven Projektionen der neuromodulatorischen diffuse Aufstiegsanlagen gegeben, kombiniert fMRI mit pharmakologischen und neurophysiologischen Methoden wahren Einblick in ihre Organisation und Dynamik liefern. Allerdings ist nur wenig darüber bekannt, wie die Auswirkungen der Neuromodulations in fMRI und neurophysiologische Daten zu interpretieren, zum Beispiel, wie Blutoxydation pegelabhängig (BOLD) Signaländerungen in Bezug auf kognitive Veränderungen (vermutlich neuromodulatorischen Einflüsse) von Stimulus-driven oder Wahrnehmungseffekte zu entwirren. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die kausale Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und hämodynamischen Reaktionen unter dem Einfluss der Neuromodulations zu verstehen. Zu diesem Zweck stellen wir die Ergebnisse von sechs Studien. In der ersten Studie wollten wir eine auf Massenspektrometrie basierende Technik einzurichten, um die Verteilung von verschiedenen Metaboliten, Neurotransmittern und Neuromodulatoren in Makakengehirn aufzudeckenWir maßen gleichzeitig die Konzentrationen dieser Biomoleküle im Gehirn und im Blut. In einer zweiten Studie entwickelten wir einen multimodalen Ansatz, bestehend aus fMRI (BOLD und zerebralen Blutflusses oder CBF), elektrophysiologische Aufzeichnung mit einer laminaren Sonde und Pharmakologie, die Auswirkungen der Neuromodulation auf neurovaskulären Kopplung zu beurteilen. Wir entwickelten eine pharmakologische Injektionsverabreichungssystem druckbetriebenen Pumpen mit zuverlässiger Medikamente gelten entweder systemisch oder intrakortikale im NMR-Scanner. In unserer dritten Studie injizierten wir systemisch Laktat und Pyruvat zu untersuchen, ob die Plasmakonzentration von entweder dieser Metaboliten die BOLD-Antworten beeinflusst. Dies ist wichtig, dass beide gegeben Metaboliten in einem Stoffwechselgleichgewicht sind; wenn dieses Gleichgewicht gestört ist, Veränderungen in den NAD und NADH-Konzentrationen würden Veränderungen in der CBF entlocken. In einer vierten Studie untersuchten wir den Einfluss von dopaminergen (DA-erge) -Neuromodulation im BOLD, CBF und neurophysiologische Aktivität. Hier fanden wir, dass DAerge -Neuromodulation die BOLD-Antworten von der zugrunde liegenden neuronalen Aktivität distanzierte. Interessanterweise waren verbunden, um die Veränderungen in der neuronalen Aktivität eng auf die in den CBF Reaktionen gesehen Wirkungen. In einer nachfolgenden Studie untersuchten wir, ob die Wirkungen von Dopamin (DA) auf die elektrophysiologischen Reaktionen sind Rindenschicht abhängig, und ob bestimmte Muster der neuronalen Aktivität verwendet werden kann, die Wirkungen von Neuromodulations auf die neurale Aktivität zu schließen. Dies ist wichtig, da verschiedene Arten von neuralen Aktivität liefern unabhängige Informationen über die Amplitude und die Dynamik von BOLD-Antworten, und Studien haben gezeigt, dass diese Bands aus verschiedenen kortikalen Schichten stammen. Was diese Studie ergab, dass lokale Feldpotentiale (LFP) in den mittleren Frequenzen in der Tat Hinweise über die nachhaltige Wirkung der Neuromodulation auf die kortikale sensorische Verarbeitung zur Verfügung stellen kann. In Anbetracht der Ergebnisse der früheren Studie, in unserer sechsten Studie wollten wir auf das Verständnis, wie die verschiedenen kortikalen Schichten verarbeiten kann ein- und ausgehenden Informationen in den verschiedenen LFP-Bands. Diese Ergebnisse belegen, dass -Neuromodulation profunde Auswirkungen auf die neurovaskulären Kopplung hat. Durch die Veränderung der Erregungs Hemmung Gleichgewicht neuronaler Schaltkreise vermitteln Neuromodulatoren nicht nur die neurale Aktivität, sondern auch die metabolischen Anforderungen anzupassen. Daher verstehen, wie die verschiedenen Arten von Neuromodulatoren beeinflussen die BOLD-Antwort für eine effektive Interpretation von fMRI-Daten notwendig ist, nicht nur in Aufgaben attentional und Belohnung bezogenen Prozessen mit, sondern auch für zukünftige diagnostische Verwendung von fMRI, da viele psychiatrische Störungen sind das Ergebnis von Veränderungen in neuromodulatorischen Systemen.La comunicación de las neuronas en los circuitos neuronales depende de los neurotransmisores (glutamato, acido γ-amino-butírico o GABA) y los neuromoduladores (acetilcolina, dopamina, serotonina, etc.). Sin embargo, tanto neurotransmisores como neuromoduladores son diferentes clases de moléculas y median diferentes aspectos de la actividad neuronal y del metabolismo, a pesar de compartir elementos moleculares muy similares. Los neurotransmisores, por una lado, son responsables de la transmisión sináptica de la información mientras que los neuromoduladores median diferentes eventos pos-sinápticos que resultan en cambios en el balance de la excitación e inhibición. La influencia de la neuromodulación es esencial para la función del sistema nerviosos, sin embargo es más difícil de estudiar que neurotransmisión. Esto se debe a que los efectos de los neuromoduladores suelen ser de un inicio lento, de larga duración, y no reflejan excitación o inhibición. En contraste a los efectos de los neurotransmisores, los neuromoduladores permiten que las neuronas sean más flexibles en su habilidad de codificar diferentes tipos de información (por ejemplo, información sensorial) en varias escalas temporales. Sin embargo, es importante darse cuenta que uno de objetivos primordiales en el estudio de neuromodulación es el de entender el grado en que la acción de los neuromoduladores está coordinada a todos los niveles de la función cerebral. Es decir, desde los aspectos celulares y metabólicos hasta los niveles de redes neuronales y control cognitivo. Por lo tanto, comprender los forma en la que diferentes moléculas median la interacción entre redes neuronal es esencial para el entendimiento de la dinámica cerebral, y también nos ayudara a comprender los procesos celulares y moleculares asociados a la percepción. La resonancia magnética funcional (fMRI, por sus siglas en inglés) es una técnica que permite acceder a varios aspectos celulares y metabólicos de la comunicación entre redes neuronales que suele ser de difícil acceso. Al mismo tiempo y debido que la fMRI es de naturaleza no invasiva, también permite comparar resultados e hipótesis entre humanos y primates. Por lo tanto, entender los efectos de la neuromodulación en la actividad de los circuitos neuronales es de alta relevancia. Dado que las proyecciones anatómicas de los sistemas de neuromoduladores, el uso de fMRI en combinación con farmacología y neurofisiología puede incrementar nuestro conocimiento sobre la estructura y dinámica de los sistemas de neuromoduladores. Sin embargo, poco se sabe sobre cómo interpretar los efectos de neuromodulation usando fMRI y neurofisiología, por ejemplo, como diferenciar los cambios en la señal BOLD que están relacionados a diferentes estados cognitivos (presumiblemente reflejando la influencia de neuromodulation). El propósito de esta disertación es la de comprender la relación causal que existe entre la actividad neural y la respuesta hemodinámica bajo la influencia de neuromodulación. Para tal fin presentamos los resultados de seis estudios que fueron producto de esta disertacion. En el primer estudio, desarrollamos una técnica basada en espectrometría de masa para detectar y medir la concentración de diferente metabolitos, neurotransmisores y neuromoduladores en el cerebro de primates. Dicha cuantificación se desarrollo simultáneamente tanto in sangre y cerebro. En un segundo estudio, utilizamos varias técnicas de fMRI (BOLD y flujo cerebral sanguíneo, CBF por sus siglas en ingles), registros electrofisiológicos con electrodos laminares y farmacología para acceder a los efectos de neuromodulation en el acople neurovascular. Para este fin, desarrollamos un sistema de inyecciones, basada en cambios de presión, para aplicar substancias sistémicamente o intracorticalmente dentro de un escáner de resonancia magnética. En nuestro tercer estudio, comparamos los efectos de lactato y piruvato para explorar como el desequilibrio metabólico de estas dos substancias afecta la respuesta BOLD. Esto es de gran importancia ya que ambas substancias metabólicas usualmente están en equilibrio. Sin embargo, cuando dicho equilibrio es interrumpido, los procesos metabólicos que acontecen en la mitocondria afectan las concentraciones de NAD y NADH causado cambios en el CBF. En un cuarto estudio, exploramos los efectos de las modulación dopaminergica (DAergic) en las señales BOLD, CBF y en la actividad neuronal. Encontramos que la modulación DAergic disocia las respuesta BOLD de la respuesta neuronal. Interesalmente, los cambios que observamos en la actividad de las neuronas estaba altamente acoplados a los efectos que observamos en la señal de CBF. En un estudio subsecuente, exploramos si los efectos de dopamina en la actividad neuronal es diferentes en las distintas capas de la corteza cerebral. Al mismo tiempo y ya que los neuromoduladores afectan la actividad de circuitos neuronales, exploramos si dichos efectos pueden usados como marcadores de la influencia de la neuromodulación . Esto es importante, ya que diferentes tipos de actividad neuronal brinda información sobre la amplitud y dinámica de la repuesta BOLD, y estudies han demostrado que estas bandas se originan de diferentes capas cortical. Este estudio revelo, que los potenciales de capo (LFPs, por sus siglas en ingles) en frecuencias intermedias puede ser indicativos sobre los efectos de neuromodulation en el procesamiento cortical. Dado los resultados en el estudio previo, en un sexto estudio, nos enfocamos a entender que tan diferentes las capas de la corteza procesan información entrante y saliente en diferentes frecuencias de los LFPs. Estos descubrimientos demuestran que los efectos de los neuromoduladores tiene una fuerte influencia en el acople neurovascular. Los neuromoduladores cambian el balance de excitación e inhibición de los circuitos neuronal, pero también median las demandas metabólicas. De esta manera, entender cómo interpretar los efectos de los neuromoduladores en la respuesta BOLD es esencial para una interpretación veraz y efectiva de los datos generados con fMRI. Estos resultados, no solo nos permiten comprender los procesos que están relacionados a la atención o de varios procesos cognitivos, sino que a su vez, nos permite comprender la señal de fMRI para su futuro uso en la medicina diagnostica, ya que muchas enfermedades psiquiátricas están asociadas a trastornos en el sistemas neuromoduladores

Effects of normobaric hypoxia on the activation of motor and visual cortex areas in functional magnetic resonance imaging (fMRI)

Aims: Hypoxia due to high altitude or otherwise altered fraction of inspired O2 affects cerebral mechanisms. Human brain function can be assessed indirectly via examination of local changes in haemodynamics in fMRI. The aim of this study was to examine if adaptation to normobaric hypoxia determines divergent activation in the brain regions supplied by the main cerebral arterial vessels. Methods: Visual and motor paradigms were used to shed light on the activation of different brain regions in fMRI under normobaric hypoxic conditions in 16 healthy male subjects. Hypoxia was produced by reducing the percentage of O2 in an inhaled gas mixture resulting in normobaric hypoxia with an FiO2 of 13 %. Participants had to complete a total of 3 MRI sessions to study different oxygen conditions: normoxia (FiO2 = 0.21, normal pressure), short-time (7 ± 1 min, FiO2 = 0.13, normal pressure), longtime hypoxia (8 h and 29 ± 24 min, FiO2 = 0.13, normal pressure). Each session lasted approximately 30 min, consisting of two fMRI runs (1 visual task, 1 motor task) which were pseudo-randomized between participants, followed by the structural sequence. Cerebral symptoms of AMS were assessed by means of the LLS and it was examined if symptomatic AMS has consequences on brain activation patterns measured as ∆S values. Results: Mean ∆S during normoxia was 2.43 ± 0.80 % due to motor stimulation, and 3.49 ± 1.41 % due to visual stimulation. During motor stimulation, the mean signal change due to short-time hypoxia was 0.55 ± 0.30 % and 0.82 ± 0,62 % due to longtime hypoxia. During visual stimulation, the mean signal change due to short-time hypoxia was 1.79 ± 0.69 %. Long-time hypoxia led to a mean signal change of 2.02 ± 1.18 %. Repeated ANOVA measures with factors task (motor, visual) and the hypoxic conditions (short-time hypoxia, long-time hypoxia) showed a main effect of task (F (1,15) = 52.10, p < 0.001), but no main effect of the hypoxic condition (F (1, 15) = 1.79, p = ns). Conclusions: Hypoxia led to diminished cerebral activation during motor and visual stimulation in spite of a preserved cerebral function. The oxygenation changes associated with brain activation seem more influential on the motor area, rather than the visual cortex. Therefore, the capability of the human brain to acclimatise to chronic hypoxic conditions may vary in the motor and the visual system.Ziele: Hypoxie aufgrund großer Höhe oder eines anderweitig veränderten Anteils von eingeatmetem O2-Gehalts beeinflusst zerebrale Mechanismen. Die menschliche Gehirnfunktion kann indirekt über den Nachweis lokaler hämodynamischer Veränderungen im fMRT bestimmt werden. Das Ziel dieser Studie war es, zu untersuchen, ob die Anpassung an normobare Hypoxie eine unterschiedliche Aktivierung in von den drei Hauptgefäßen versorgten Gehirnregionen erzeugt. Methoden: Bei 16 gesunden, männlichen Probanden wurden visuelle und motorische Testparadigmen angewendet, um die Aktivierung verschiedener Hirnregionen im fMRT unter normobaren, hypoxischen Bedingungen aufzuklären. Hypoxie wurde mit Hilfe eines sauerstoffreduzierten Gasgemischs (O2-Anteil 13%) erzeugt. Die Probanden mussten insgesamt 3 MRT-Sitzungen absolvieren, um verschiedene Sauerstoffzustände zu untersuchen: Normoxie (FiO2 = 0,21), Kurzzeithypoxie (7 ± 1 min Hypoxie, FiO2 = 0,13), Langzeithypoxie (8 h und 29 ± 24 min Hypoxie, FiO2 = 0,13). Jede Sitzung dauerte ca. 30 min und bestand aus je zwei fMRI-Durchgängen (1 visuelle Aufgabe, 1 motorische Aufgabe). Die zerebralen Symptome einer Höhenkrankheit wurden mittels des LLS bewertet und der Einfluss einer Höhenkrankheit auf die Gehirnaktivierungsmuster im fMRT untersucht. Resultate: Die mittlere BOLD-Signalveränderung während Normoxie betrug bei motorischer Stimulation 2,43 ± 0,80% und bei visueller Stimulation 3,49 ± 1,41%. Bei motorischer Stimulation betrug sie nach Kurzzeithypoxie 0,55 ± 0,30% und 0,82 ± 0,62% nach Langzeithypoxie. Bei visueller Stimulation betrug die mittlere Signaländerung aufgrund von Kurzzeithypoxie 1,79 ± 0,69 und aufgrund Langzeithypoxie 2,02 ± 1,18%. ANOVA-Messungen mit den Faktoren Aufgabe (motorisch, visuell) und hypoxische Bedingungen (Kurzzeithypoxie, Langzeithypoxie) zeigten einen Effekt der Aufgabe (F (1, 15) = 52.10, p <0.001), aber keinen Effekt der hypoxischen Bedingung (F (1, 15) = 1,79, p = ns) auf die BOLD Signalwertänderungen. Schlussfolgerungen: Hypoxie führte zu einer verminderten Hirnaktivität im fMRT bei motorischer und visueller Stimulation trotz erhaltener Hirnfunktion. Die mit der Gehirnaktivierung verbundenen Veränderungen der Oxygenierung scheinen eher Einfluss auf den motorischen Bereich als den visuellen Kortex zu haben. Die Adaptationsfähigkeit an chronische hypoxische Zustände scheint sich demzufolge zwischen dem motorischen und dem visuellen System zu unterscheiden

Physiologically informed dynamic causal modeling of fMRI data

AbstractThe functional MRI (fMRI) signal is an indirect measure of neuronal activity. In order to deconvolve the neuronal activity from the experimental fMRI data, biophysical generative models have been proposed describing the link between neuronal activity and the cerebral blood flow (the neurovascular coupling), and further the hemodynamic response and the BOLD signal equation. These generative models have been employed both for single brain area deconvolution and to infer effective connectivity in networks of multiple brain areas. In the current paper, we introduce a new fMRI model inspired by experimental observations about the physiological underpinnings of the BOLD signal and compare it with the generative models currently used in dynamic causal modeling (DCM), a widely used framework to study effective connectivity in the brain. We consider three fundamental aspects of such generative models for fMRI: (i) an adaptive two-state neuronal model that accounts for a wide repertoire of neuronal responses during and after stimulation; (ii) feedforward neurovascular coupling that links neuronal activity to blood flow; and (iii) a balloon model that can account for vascular uncoupling between the blood flow and the blood volume. Finally, we adjust the parameterization of the BOLD signal equation for different magnetic field strengths. This paper focuses on the form, motivation and phenomenology of DCMs for fMRI and the characteristics of the various models are demonstrated using simulations. These simulations emphasize a more accurate modeling of the transient BOLD responses — such as adaptive decreases to sustained inputs during stimulation and the post-stimulus undershoot. In addition, we demonstrate using experimental data that it is necessary to take into account both neuronal and vascular transients to accurately model the signal dynamics of fMRI data. By refining the models of the transient responses, we provide a more informed perspective on the underlying neuronal process and offer new ways of inferring changes in local neuronal activity and effective connectivity from fMRI