Multimodal investigation of fMRI and fNIRS derived Breath Hold BOLD signals with an expanded balloon model

Abstract

Kanın Oksijenlenme Seviyesi Bağımlılıığı (KOSB) işaretinin İşlevsel Yakın Kızıl Ötesi Spektroskopi (İYKÖS) ve İşlevsel Manyetik Rezonans Görüntüleme (İMRG) gibi birden cok aletle incelenmesi, sinir-damar tepkisinin dalgalanma dinamikleri ve altında yatan fizyolojik temeller hakkında daha fazla bilgi verebilir. Nefes tutma görevi (NTG) kullanarak, oksijensiz hemoglobin (HbR) ve oksijenli hemoglobin (HbO) değişimleri İYKÖS ile ölçülürken, KOSB işareti İMRG ile ölçüldü. Ölçümler ayrı zamanlarda dört gönüllüden alındı. Her iki aletten gelen veriler dikkatlice zamansal olarak eşleştirildi. NTG'de temel uyaranı tanımlayabilmek için karbondioksid kısmibasınç (PaCO2) değişkeni balon modele beyin kan akışını (BKA) sürecek şekilde eklendi. Böylece genişletilmiş balon model (GBM) geliştirildi. NTG sırasında KOSB tepesinden sonra ölçülen HbR artışının KOSB'daki uyaran sonrası düşüşe zamansal olarak denk geldiği gözlemlendi. Bu dalgalanmaların PaCO2 eklenmiş balon model ile detaylı analizi, KOSB'da görülen uyaran sonrası düşüşün beyin kan hacminden (BKH) kaynaklandığını önermektedir. Bu bulgu İYKÖS ölçümleriyle de desteklenmektedir. Bunlara ek olarak, GBM'den elde edilen PACO2 başlangıçç seviyesi artışı, KOSB işaretinde azalışa neden olmaktadır ki bu da temel BKA seviyesinin KOSB işareti üzerindeki etkisi ile açıklanabilmektedir. Sonuç olarak, birden fazla aletli ölçüm yaklaşımı ile bunlara uygun biyofiziksel model, NTG sırasında beyin kanlanma tepkisi hakkında kapsamlı bilgi vermektedir.

Multimodal investigation of blood oxygenation level-dependent (BOLD) signal, using both functional near infrared spectroscopy (fNIRS) and functional magnetic resonance imaging (fMRI), may give further insight to the underlying physiological principles and the detailed transient dynamics of the vascular response. Utilizing a breath hold task (BHT), we measured deoxy-hemoglobin (HbR) and oxy-hemoglobin (HbO) changes via fNIRS and blood oxygen level dependent (BOLD) changes by fMRI. Measurements were taken in four volunteers asynchronously and carefully aligned for comparative analysis. In order to describe the main stimulus in BHT, partial pressure of carbon dioxide (PaCO2) parameter was integrated into the balloon model as the driving function of cerebral blood fow (CBF) which led to the development of an expanded balloon model (EBM). During BHT, the increase in HbR was observed later than the BOLD peak and coincided temporally with its post stimulus undershoot.Further investigation of these transients with PaCO2 integrated balloon model suggests that post stimulus undershoot measured by fMRI is dominated by slow return of cerebral blood volume (CBV). This was confirmed by fNIRS measurements. In addition,BOLD signal decreased with the increase of the initial level of PaCO2 derived from EBM, indicating an effect of basal CBF level on the BOLD signal. In conclusion, a multimodal approach with an appropriate biophysical model gave a comprehensive description of the hemodynamic response during BHT.