Resting state functional connectivity: its physiological basis and application in neuropharmacology - Lu and Stein, 2014 - Artikel

Samenvatting bij het artikel: Resting state functional connectivity: its physiological basis and application in neuropharmacology - Lu and Stein, 2014

Hersenstructuren functioneren niet los van elkaar, maar op basis van onderlinge verbindingen. Met resting state magnetic resonance imaging (rsMRI) kan onderzoek gedaan worden naar activiteit op het niveau van functionele netwerken. Dit is een opkomende techniek die volgens steeds meer onderzoek het identificeren van ruimtelijk-temporele patronen in hersenactiviteit mogelijk maak. Hoewel de techniek daarom op grote schaal wordt toegepast, is de kennis over de fysiologische basis van deze activiteit nog incompleet. In dit artikel worden fysiologische studies op het gebied van elektrische, metabolische en hemodynamische activiteit die het meest van belang zijn voor rsMRI besproken, evenals recente toepassingen in de neurofarmacologie.

Wat is rsMRI?

In tegenstelling tot bij functionele MRI (fMRI) wordt bij rsMRI geen specifieke taak uitgevoerd door de proefpersoon. Sinds de ontdekking van het default mode network (DMN) is de consensus dat rsMRI van fundamenteel belang is.

De afgelopen tien jaar zijn meerdere grootschalige corticale en subcorticale netwerken geïdentificeerd. Deze netwerken zijn gerapporteerd door verschillende onafhankelijke onderzoeksinstituten. Er is bewijs voor veranderingen tijdens de ontwikkeling en verschillen in deze netwerken bij neurodegeneratieve en psychiatrische stoornissen. Bovendien zijn de netwerken ook bij dieren geobserveerd.

Fysiologische kenmerken van spontane hersenactiviteit

Sinds de jaren ’50 is uitgebreid onderzoek gedaan naar spontane activiteit in de hersenen op basis van de beschikbaarheid van zuurstof (oxygen availability, O₂a) en cerebrale bloeddoorstroming (cerebral bloof flow, CBF). Met oude technieken, waarbij activiteit via elektroden in de hersenen werd onderzocht, kwamen soortgelijke resultaten naar voren als bij het BOLD-signaal bij MRI: bloedtoevoer en zuurstoftoevoer lopen temporeel gelijk. Dit suggereert dat er een gedeeld onderliggend mechanisme is. De meest opvallende bevinding is dat O2a in langzame golven optreedt, minder dan 0.1 Hz.

Daarnaast zijn spontane fluctuaties in metabolische activiteit bestudeerd op basis van redox-reacties. Ook hierbij werd spontane activiteit op zeer lage frequentie waargenomen.

Neuronale correlaten van spontane activiteit

Elektrische hersenactiviteit kan ingedeeld worden naar snelheid. De snelste activiteit bestaat uit losse actiepotentialen, die een aantal milliseconden duren, terwijl postsynaptische potentialen afnemen over enkele tientallen milliseconden. De langzamere potentialen worden ingedeeld in frequentiebanden: delta (1-4 Hz), theta (5-8 Hz), alpha (9-14 Hz), beta (15-24 Hz) en gamma (> 24 Hz). De corticale potentialen van < 0.1 Hz worden ‘infraslow potentials’ genoemd. Daarnaast zijn er langzame fluctuaties met een frequentie van 0.5-1.5 Hz, die geassocieerd worden met hyperpolarisatie (deactivatie) en depolarisatie (activatie). Deze elektrische activiteit kan gemeten worden met EEG, ECoG of LFP.

Bij de ontwikkeling van fMRI is veel onderzoek gedaan om de basis van het BOLD-signaal te valideren. LFP bleek hier de meest geschikte techniek voor, waarbij het BOLD-signaal sterk correleert met veranderingen in pre- en postsynaptische lokale veldsignalen gemeten met LFP.

Voor rsMRI is tot nog toe onbekend welke neuronale processen tot de langzame spontane fluctuaties in hersenactiviteit leiden.

Toepassingen van rsMRI bij verslaving

Ondanks het beperkte inzicht in de neuronale basis van rsMRI wordt de techniek op grote schaal toegepast in onderzoek naar verschillende neuropsychiatrische aandoeningen. Bij onderzoek naar verslaving is bijvoorbeeld gekeken naar veranderingen in netwerken na de toediening van cocaïne, regionale specificiteit in connectiviteit en genetische biomarkers bij nicotineverslaving. Deze studies zijn tot op heden exploratief van aard en hebben tot conflicterende bevindingen geleid. Desalniettemin kan rsMRI tot nieuwe ontwikkelingen in preklinisch onderzoek leiden die zonder deze techniek niet mogelijk waren.

Toekomstig onderzoek

Omdat rsMRI een relatief nieuwe techniek is die nog in de kinderschoenen staat, zijn er nog enkele belangrijke vragen die nader onderzocht moeten worden:

• Wat is het onderliggende fysiologische mechanisme van spontane langzame fluctuaties in hersenactiviteit?

• In hoeverre is functionele connectiviteit gebonden aan anatomische netwerken?

• Is rsMRI mogelijk op de schaal van synchronisatie tussen neuronen, in plaats van alleen grootschalige netwerken?

• Op wat voor manier is functionele connectiviteit gerelateerd aan gedrag?