La salute vascolare nella corteccia cerebrale può essere misurata attraverso la capacità dei vasi di restringersi o dilatarsi in condizioni fisiologiche variabili. La misurazione della reattività vascolare può essere utile nella diagnosi e nella gestione delle condizioni neurologiche associate alla disfunzione microvascolare cerebrale, come la demenza, le lesioni cerebrali traumatiche (TBI) e persino l'invecchiamento 1,2,3,4. Inoltre, la CVR può essere utilizzata come biomarcatore predittivo e/o farmacodinamico per disturbi neurologici come l'Alzheimer5 o il trauma cranico 6,7,8,9,10. Esistono metodi di imaging consolidati per studiare la CVR in soggetti umani e animali. Un metodo tipico include la risonanza magnetica funzionale (fMRI) in combinazione con uno stimolo esogeno o endogeno, come l'ipercapnia11, l'apnea o l'acetazolamide2. Lu et al.12,13 hanno dimostrato che un semplice sistema di erogazione di gas accoppiato con l'imaging MRI-Blood Oxygen Level Dependent (MRI-BOLD) genera mappe CVR accurate dell'intero cervello.
Le interruzioni del flusso sanguigno, del volume e del tasso metabolico di ossigeno della vascolarizzazione cerebrale producono cambiamenti nelle concentrazioni tissutali di HbO e HbR. L'assorbimento tissutale della luce nel vicino infrarosso è sensibile ai cambiamenti nella concentrazione delle specie di emoglobina, come HbO e HbR. Pertanto, la misurazione della luce retrodiffusa nel tempo può quantificare le variazioni della concentrazione di HbO e HbR nella corteccia più esterna (circa 2 cm)15 e può essere utilizzata per valutare le variazioni emodinamiche temporali16 , inclusa la reattività cerebrovascolare (CVR)17.
Nel nostro paradigma di ricerca, impieghiamo lo strumento fNIRS con funzione d'onda continua. Il dispositivo è composto da 4 sorgenti e 10 rivelatori, che creano 16 coppie sorgente-rivelatore (vedi Figura 1). Le coppie sorgente-rivelatore sono modellate insieme su una cinghia in silicone che può essere facilmente posizionata sulla fronte e tenuta in posizione con un involucro autoaderente. Il dispositivo misura l'intensità della luce a 730 e 850 nm e ha una frequenza di acquisizione di 2 Hz. Questo sistema è stato scelto perché è facile da indossare per il paziente e raccoglie dati dalla corteccia prefrontale, una regione del cervello particolarmente vulnerabile al trauma cranico. Fortunatamente, la maggior parte degli altri sistemi fNIRS sono compatibili con la nostra tecnica di acquisizione CVR, differendo solo nelle regioni corticali misurate in base all'area cerebrale di interesse.
Mentre la fMRI è considerata il gold standard per l'imaging cerebrale funzionale, la tecnologia fNIRS presenta vantaggi unici per la valutazione della CVR rispetto alla fMRI. La tecnica di imaging fNIRS fornisce un'elevata risoluzione temporale (con una granularità di millisecondi) e può quantificare le variazioni sia della concentrazione di HbO che di HbR, mentre la fMRI misura solo le variazioni di HbR 18,19,20. Inoltre, gli strumenti fNIRS sono portatili, economici e più facili da utilizzare rispetto alla fMRI. Infine, la tecnologia fNIRS risolve meglio il movimento del soggetto, il che è necessario dato che le sfide vascolari come l'ipercapnia sono spesso utilizzate in combinazione con attività di studio cognitive o fisiche21.
In questo articolo, viene presentata una sfida di ipercapnia, combinata con la tecnologia fNIRS. Abbiamo misurato i valori di CVR e studiato la riproducibilità di questo metodo, sperando di offrire un'alternativa affidabile alle misure fMRI CVR.