Mapping of cerebral reactivity without vasoactive stimulation: an imaging study in resting state

A reatividade cerebrovascular (CVR) representa a habilidade da musculatura lisa vascular de dilatar-se ou contrair-se em resposta às alterações de demanda metabólica ou a estímulos vasoativos para regular o fluxo sanguíneo cerebral quando necessário. Essa resposta pode ser afetada em diversas doenças neurológicas, principalmente em doenças cerebrovasculares, tanto em magnitude quanto em atraso temporal. Esse último sendo observado como um deslocamento temporal (time shift, TS) da resposta. Tais grandezas são importantes para reportar o estado hemodinâmico cerebral, e tem despertado interesse em diversos estudos que podem prever o risco de acidente vascular cerebral em pacientes com estenose de carótidas. No entanto, os métodos de medições requerem condições específicas, como por exemplo, administração de acetazolamida ou inalação de CO2 enquanto são adquiridas imagens de ressonância magnética (IRM). Nesse trabalho, avaliamos CVR e TS a partir das flutuações do sinal de IRM baseadas no contraste dependente da oxigenação sanguínea (BOLD) em estado de repouso, sem a realização de desafios de hipercapnia. Na primeira parte do estudo, identificamos a faixa de frequência adequada de filtragem temporal do sinal de repouso para obtenção de mapas de CVR, com base na correlação espacial com mapas de CVR padrão obtidos com a inalação de CO2 e pausa respiratória. Cinco pacientes com estenose de carotídea assintomática unilateral severa (70 ± 3 anos) e cinco sujeitos controles (65 ± 3 anos) realizaram o experimento com inalação de CO2; e 23 indivíduos idosos saudáveis (67 ± 6 anos) realizaram o experimento com pausa respiratória. Mapas de CVR obtidos através do modelo de regressão linear geral mostraram maior correlação espacial quando usado o regressor do sinal global filtrado em 0,02 a 0,04 Hz, quando comparados com mapas de referência. Assim, essa banda de frequências foi utilizada para a segunda parte do estudo, em que avaliamos CVR e TS em 20 pacientes com estenose de carotídea assintomática unilateral severa (12 mulheres; 8 homens; idade média = 67 ± 10 anos) comparando com um grupo controle saudável (8 mulheres; 12 homens; idade média = 68 ± 7 anos), nas principais regiões de irrigação arterial. Nos pacientes, valores de CVR reduzidos foram observados bilateralmente em regiões irrigadas pela porção intermediário da artéria cerebral anterior (ACA) quando comparada à porção proximal, e para a artéria cerebral média (ACM) proximal quando comparada à distal (p < 0,05). Os valores de TS foram maiores nos pacientes nas três porções do território do ACM e na porção distal do território da artéria cerebral posterior (ACP), no hemisfério ipsilateral à estenose, quando comparados às regiões correspondentes do grupo controle (p < 0,04). Além disso, nos pacientes, TS foi maior na ACM distal ipsilateral à estenose em comparação com a mesma região do hemisfério contralateral (p = 0,0025). Alterações regionais semelhantes de CVR e TS foram observadas ao analisar visualmente mapas individuais sugerindo que as metodologias são complementares. Os resultados sugerem que esses parâmetros podem refletir alterações hemodinâmicas subclínicas e são úteis para investigar áreas com maior risco de dano neuronal ou acidente vascular cerebral isquêmico em um nível individual. Portanto, o estudo da hemodinâmica cerebral por meio de IRM em estado de repouso pode se tornar uma ferramenta não invasiva para ajudar na estratificação de pacientes com estenose carotídea assintomática quanto à probabilidade de evolução para um acidente vascular cerebral.Cerebrovascular reactivity (CVR) represents the ability of the vascular smooth muscle to dilate or contract in response to changes in metabolic demand changes or vasoactive stimuli to regulate cerebral blood flow when necessary. This response can be affected in several neurological diseases, mainly cerebrovascular diseases, both in magnitude and in time delay. The latter is observed as a temporal shift (TS) of the response. Such measures are valuable to report the hemodynamic state of the brain and are of interest in several studies trying to predict the risk of stroke, such as in patients with carotid artery stenosis. However, standard methods require specific conditions, such as administering acetazolamide or inhalation of CO 2 while magnetic resonance images (MRI) are acquired. In the present study, we evaluated CVR and TS from fluctuations in the MRI signal based on the blood oxygenation-dependent contrast (BOLD) at rest, without performing hypercapnia challenges. In the first part of the study, we identified an adequate frequency range for temporal filtering of the resting-state signal to obtain CVR maps, based on the spatial correlation with standard CVR maps obtained with CO 2 inhalation and breath-holding. Five patients with unilateral severe asymptomatic carotid stenosis (70 ± 3 years) and five controls (65 ± 3 years) performed the experiment with CO 2 inhalation, and 23 healthy elderly (67 ± 6 years) performed the experiment with breath-holding. CVR maps obtained through the general linear regression model showed a more significant spatial correlation when using the regressor of the global signal filtered at 0.02 to 0.04 Hz when compared with referencemaps. Thus, this frequency band was used for the second part of the study, in which we evaluated CVR and TS in 20 patients with unilateral severe asymptomatic carotid stenosis (12 women; 8 men; mean age = 67 ± 10 years) comparing with a group of healthy control (8 women; 12 men; mean age = 68 ± seven years). In patients, reduced CVR values were observed bilaterally in regions irrigated by the intermediary portion of the anterior cerebral artery (ACA) when compared to the proximal portion and for the proximal, middle cerebral artery (MCA) when compared to the distal (p < 0.05). TS values were higher in patients in the three portions of the MCA territory and the distal portion of the posterior cerebral artery (PCA) territory, in the hemisphere ipsilateral to the stenosis, when compared to the corresponding regions of the control group (p < 0.04 ). In addition, in patients, TS was higher in the distal MCA ipsilateral to the stenosis compared to the same region in the contralateral hemisphere (p = 0.0025). Similar regional changes in CVR and TS were observed when visually analyzing individual maps suggesting that the methodologies are complementary. These parameters may reflect subclinical hemodynamic changes and help investigate areas with a higher risk of neuronal damage or ischemic stroke at an individual level. Therefore, the study of cerebral hemodynamics through MRI at rest can become a non-invasive tool to help stratify patients with asymptomatic carotid stenosis regarding the likelihood of a stroke