The blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) signal is one of the most recently developed imaging techniques used to identify localized changes in brain activity. The BOLD signal is a function of cerebral blood flow (CBF), the cerebral metabolic rate of oxygen consumption (CMRO2), and cerebral blood volume (CBV). Normally coupled changes in these physiological parameters during regional increases in neural activity will result in BOLD signal increases. This makes the BOLD signal useful as a tool for identifying areas of increased neural activity. Moreover, it can also be used to infer changes in neurophysiology as a response to certain stimuli in the healthy brain, in individuals with certain neurological conditions affecting the cerebrovasculature and under the effect of some types of drugs. There is a major challenge to be faced when using the BOLD signal to study neurophysiological changes that occur under the effect of certain drugs or in the case of neurovascular disease. Under these circumstances, the underlying physiology and normally coupled vascular/metabolic response to a stimulus will be altered. Consequently, changes seen in the BOLD signal during regional increases in neural activity may not be associated with the same neurovascular changes that would occur in the healthy brain. Caffeine is an example of a widely used drug which has been shown to elicit such changes in the neurophysiological state. Two experiments were performed on a group of healthy volunteers in order quantify the effects of caffeine on both baseline neurophysiology and the BOLD signal changes evoked during a visual stimulus. The first involved the measurement of the oxygen extraction fraction(OEF) by performing venous blood magnetic resonance (MR) relaxometry and the second, the measurement of the BOLD and CBF response to a visual stimulus. The results obtained demonstrate that after caffeine consumption there is an increase in baseline OEF (OEF0) and a decrease in baseline CBF (CBF0), but a non-significant change in baseline CMRO2 (CMRO2,0). The caffeine-induced change in the individual BOLD and CBF response to a visual stimulus was found to correlate negatively with individual caffeine-induced change in CBF0. However, the average percent change in visually evoked BOLD and CBF signals across all subjects remained unaltered following caffeine consumption, whereas the CMRO2 response to a visual stimulus was found to increase. / L'effet BOLD (blood oxygenation level dependent) est l'une des plus récentes techniques d'imagerie par résonance magnetique (IRM) utilisée pour identifier les changements localisés d'activité cérébrale. Le signal BOLD varie en fonction de la circulation sanguine cérébrale (CBF), du taux métabolique cérébral de la consommation d'oxygène (CMRO2), et du volume sanguin cérébral (CBV). Les changements normalement-couplés de ces paramètres physiologiques lors d'une augmentation régionale d'activité neurale causeront une augmentation du signal BOLD. Cela rend le signal BOLD utile comme outil pour identifier les régions d'augmentation de l'activité neuronale. Deplus, le signal BOLD permet de déterminer quels changements neurophysiologiques suivent certains stimulus dans les cas suivants : le cerveau sain; le cerveau de personnes atteintes d'affections neurologiques affectant la cérébrovasculature; et le cerveau sous l'effet de certains types de médicaments. Un défi majeur se présente lorsque le signal BOLD est utilisé pour étudier les changements neurophysiologiques se produisant sous l'effet de certains médicaments ou en cas de maladie neuro-vasculaire. Lors de ce type d'utilisation, la physiologie sous-jacente et la réponse normalement-couplée vasculaire/métabolique à un stimulus est altérée. Par conséquent, les changements observés dans le signal BOLD au cours des augmentations régionales d'activité neuronale ne correspondent pas aux changements neurovasculaires qui se produisent normalement dans le cas du cerveau sain. La caféine est un médicament couramment utilisé qui a suscité de tels changements dans l'état neurophysiologique. Deux expériences ont été réalisées sur un groupe de volontaires sains dans le but de quantifier les effets de la caféine sur la neurophysiologie de base et les changements évoqués sur le signal BOLD lorsd'un stimulus visuel. La première expérience mesure la fraction de l'extraction d'oxygène (OEF) en effectuant de la relaxométrie par résonance magnetique sur le sang veineux. La deuxième expérience mesure la réponse du signal BOLD et CBFà un stimulus visuel. Les résultats montrent que, après la consommation de caféine il y a une augmentation de l'OEF, une augmentation de la réponse du CMRO2 au stimulus visuel, une diminution de la CBF de base (CBF0) et un changement non-significatif du CMRO2 de base (CMRO2,0). On observe une corrélation négative entre les changements générés par la consommation de caféine sur les réponses du signal BOLD et de la CBF au stimulus visuel et les changements générés par la consommation de caféine sur la CBF0. Néanmoins, en moyenne, la consommation de caféine ne génére aucun changement sur la réponse du signal BOLD et de la CBF au stimulus visuel.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.106308 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Alonso Ortiz, Eva |
| Contributors | Gilbert Bruce Pike (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Medical Physics Unit) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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