脳酸素代謝の薬理学的調節のマッピング：デュアルキャリブレーションされたfMRIを使用して測定された絶対CMRO2に対するカフェインの効果

この研究は、灰白質酸素代謝と血行動態に対するカフェイン摂取の急性効果を、新しいMRI法とマッピングすることを目的としています。16人の健康なカフェイン消費者（男性8人、年齢= 24.7±5.1）が、この無作為化二重盲検プラセボ対照研究に募集されました。各参加者は、経口カフェイン（250mg）またはプラセボカプセルの配達の2日前後にスキャンされました。我々の測定は、脳血流と酸素化を調節するために過炭酸素症と高酸素症を使用するデュアルキャリブレーションFMRI実験のデータに適用された新たに提案された推定アプローチで得られました。推定値は、脳血流（CBF）の寄与と、獲得したデュアルエコーGRE信号へのCO2およびO2の測定された末端部分圧の寄与を分析的に記述する順方向モデルに基づいていました。この方法により、酸素抽出分率（OEF）、CBF、CBF関連の脳血管反応性（CVR）および脳代謝率（CMRO2）の灰白質マップの推定が可能になります。多逆回転時間ASL獲得（MTI-ASL）、カフェイン濃度の唾液サンプル、および行動測定からのその他の推定も報告されています。カフェインとプラセボの間に平均して灰白質全体で有意差が観察され、OEFはカフェインで15.6％（SEM±4.9％、P <0.05）の増加を示し、CBFとCMRO2は-30.4％の差を示しました（SEM±1.6％、P <0.01）および-18.6％（SEM±2.9％、P <0.01）カフェイン投与。発見された酸素代謝の減少は何らかの形で予想外ですが、EEGによるスペクトルパワーの低下を報告する以前の電気生理学的研究によってサポートされているエネルギー需要の減少の仮説と一致しています。さらに、推定された生理学的パラメーターのマップは、灰白質全体の変化の空間分布を示しており、カフェインの効果をボクセルごとの解像度で局在させることができます。以前の調査結果で報告されているようにCBFの変化は広く普及していたが、OEFの変化はより制限されていることがわかったため、主に前頭回、頭頂、および後頭葉における有意なCMRO2還元の前例のないマッピングにつながる。結論として、脳の酸素代謝と血行動態に対する薬物の効果をボクセルごとの解像度とマッピングするための実行可能なMRI法として、二重校正fMRI実験を備えた新しいフォワードモデルに基づく推定フレームワークを提案します。

This study aims to map the acute effects of caffeine ingestion on grey matter oxygen metabolism and haemodynamics with a novel MRI method. Sixteen healthy caffeine consumers (8 males, age=24.7±5.1) were recruited to this randomised, double-blind, placebo-controlled study. Each participant was scanned on two days before and after the delivery of an oral caffeine (250mg) or placebo capsule. Our measurements were obtained with a newly proposed estimation approach applied to data from a dual calibration fMRI experiment that uses hypercapnia and hyperoxia to modulate brain blood flow and oxygenation. Estimates were based on a forward model that describes analytically the contributions of cerebral blood flow (CBF) and of the measured end-tidal partial pressures of CO2 and O2 to the acquired dual-echo GRE signal. The method allows the estimation of grey matter maps of: oxygen extraction fraction (OEF), CBF, CBF-related cerebrovascular reactivity (CVR) and cerebral metabolic rate of oxygen consumption (CMRO2). Other estimates from a multi inversion time ASL acquisition (mTI-ASL), salivary samples of the caffeine concentration and behavioural measurements are also reported. We observed significant differences between caffeine and placebo on average across grey matter, with OEF showing an increase of 15.6% (SEM±4.9%, p<0.05) with caffeine, while CBF and CMRO2 showed differences of -30.4% (SEM±1.6%, p<0.01) and -18.6% (SEM±2.9%, p<0.01) respectively with caffeine administration. The reduction in oxygen metabolism found is somehow unexpected, but consistent with a hypothesis of decreased energetic demand, supported by previous electrophysiological studies reporting reductions in spectral power with EEG. Moreover the maps of the physiological parameters estimated illustrate the spatial distribution of changes across grey matter enabling us to localise the effects of caffeine with voxel-wise resolution. CBF changes were widespread as reported by previous findings, while changes in OEF were found to be more restricted, leading to unprecedented mapping of significant CMRO2 reductions mainly in frontal gyrus, parietal and occipital lobes. In conclusion, we propose the estimation framework based on our novel forward model with a dual calibrated fMRI experiment as a viable MRI method to map the effects of drugs on brain oxygen metabolism and haemodynamics with voxel-wise resolution.