Simulating extravascular artifacts surrounding cortical draining veins to increase neuronal specificity of ultra-high-field fMRI
Cognitive, Systems and Behavioural Neurobiology
Medical Physics, Biomedical Technology
Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
Final Report Abstract
Die räumliche Genauigkeit von fMRT Messungen der Gehirnaktivität kann durch eine höhere räumliche Auflösung der fMRT Technologie nicht beliebig verbessert werden da in vielen Gehirnbereichen das Signal von Kapillaren vollständig vom Signal weit enfernter Venen überlagert wird. Da nur das Kapillare Signal das Potenzial besitzt die neuronale Aktivität gut abzubilden ist es notwendig Methoden zu entwickeln die Signale von Venen zu vermeiden. Wie unsere Simulationen demonstriert haben kann eine hohe räumliche Auflösung dazu genutzt werden die Bereiche in denen das Venensignal unbedeutend ist komplett auszunutzen. Wir waren auch dazu in der Lage Orientierungseffekte in der Amplitude zu untersuchen die experimentel nicht möglich sind. Um die verbleibenden Bereiche für eine Messung deskapillaren Signals zu erschließen kann die zeitliche Entwicklung des fMRT Signals genutzt werden. Um Zeitfenster zu finden in denen das fMRT Signal nur durch Kapillare gegeben ist, ist ein besseres Verständis der zugrunde liegenden Physiologie und der Einfluss der Adernanatomie notwendig. Wir verwenden dafür Simulationen und haben zunächst in einen Bereits bestehenden Code weitere physiologische Mechanismen implementiert um, zusätzlich zu kurzen, auch beliebig lange Aktivitätsdauern simulieren zu können. Dadurch wurde es möglich den Einfluss der Adernanatomie auf die fMRT Messung zu Charakterisieren. Dies betrifft nicht lineare Effekte die zeitabhängig und im wesentlichen durch eine Zunahme des Blutvolumens gegeben sind und regionale Unterschiede im Zeitverlauf des BOLD Signals die durch Unterschiede in der Anatomie der Adern gegeben sind. Ein Vergleich unserer Berechnungen mit dem zur Zeit sehr breit genutzten Balloonmodel wird zeigen inwiefern das Ballonmodel die Nicht-Linearität und die Effekte der Adernanatomie erfassen kann. Unsere ersten Berechnungen zeigen bisher eine wesentlich wichtigere Rolle der Kapillaren in der Signalentstehung als bisher vermutet wurde. Wir werden in den nächsten Monaten ausarbeiten ob sich das nutzen lässt um die räumlichen Genauigkeit von fMRT Untersuchungen zu erhöhen.
Publications
- (2019) Quantification of draining vein dominance across cortical depths in BOLD fMRI from first principles using realistic Vascular Anatomical Networks. ISMRM2019 Annual Conference, Montreal (Canada), Abstract #3715
Joerg P. Pfannmoeller, Avery J. L. Berman, Sreekanth Kura, Xiaojun Cheng, David A. Boas, and Jonathan R. Polimeni
- (2020) The role of rapid capillary resistance decreases in the BOLD response assessed through simulations in a realistic vascular network. ISMRM2020 Annual Conference, Virtual Meeting, Abstract #6721
Joerg P. Pfannmoeller , Louis Gagnon, Avery J.L. Berman, and Jonathan R. Polimeni
