Development of Magnetic Resonance Based Spin Labeling Techniques for Functional Brain Imaging

Abstract

Since its invention in 1992, arterial spin labeling (ASL) has become a widely used tool for noninvasively investigating brain function. Because ASL provides a direct and repeatable measurement of CBF, these methods are highly applicable in studies of cognitive neuroscience, in the evaluation of pharmacological treatments and in the diagnosis of CBF related diseases. The focus of this dissertation is on the development and implementation of arterial spin labeling techniques ultimately with applications in neuroscience. On the technical side, the systematic errors in ASL experiments such as transit delay time artifacts are investigated for various ASL methods including pulsed, pseudo-continuous and dual coil continuous sequences. Magnetization dispersion effects on quantitative CBF estimation are explored and the regional bias that occurs as a result of varying transit delay times is characterized. Different pulsed ASL encoding schemes are compared from the aspects of their relative signal-to noise ratio (SNR) and absolute CBF estimates. A new method is proposed to calculate the equilibrium magnetization of arterial blood which is required for absolute CBF quantification and compared with those other methods. Taking the advantage of better spatial localization and sensitivity profile of ASL compared to blood oxygenated level dependent (BOLD) signal, retinotopic mapping of human brain with perfusion contrast is performed and variations of hemodynamic delay times across the visual areas in BOLD and perfusion activations are investigated. Further on the application side, a number of neuroscience projects performed in collaboration are presented: i) The covariation of local anatomical connectivity, gray matter volume and perfusion is quantified by conducting an integrative MRI study utilizing a combination of diffusion tensor imaging, arterial spin labeling and anatomical imaging ii) Differential effects of intranasal insulin and caffeine on cerebral blood flow is investigated iii) the spatial sensitivities of widely used fMRI sequences such as gradient echo-BOLD, spin echo-BOLD and arterial spin labeling are compared with respect to optimal transcranial magnetic stimulation (TMS) sites for evoking highest motor responses. Overall, the results presented in this thesis are addressing the questions related to the technical and methodological problems in arterial spin labeling and its applications in functional brain imaging.

Seit ihrer Erfindung in Jahr 1992 hat sich die Arterial Spin Labeling (ASL) Technik zu einem weit verbreiteten Werkzeug für die nicht-invasive Untersuchung von Gehirnfunktionen entwickelt. Da ASL eine direkte und wiederholbare Messung des zerebralen Blutflusses (Cerebral Blood Flow, CBF) ermöglicht, ist diese Methode äußerst gut für Studien im Bereich der Kognitiven Neurowissenschaften, für die Beurteilung pharmakologischer Behandlungen und in der Diagnose von Krankheiten welche in Zusammenhang mit zerebralem Blutfluss stehen, geeignet. Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf der Entwicklung und Implementierung von ASL Techniken für neurowissenschaftliche Anwendungen. Von technischer Seite aus werden die systematischen Fehler in ASL Experimenten, wie beispielsweise Artefakte durch die Transportverzögerungszeit, für verschiedene ASL Methoden, einschließlich gepulsten, pseudo-kontinuierlichen und kontinuierlichen Dual-Spulen Sequenzen, untersucht. Effekte durch Dispersion von Magnetisierung auf die quantitative Abschätzung des CBF werden erforscht und regionale Abweichungen, verursacht durch unterschiedliche Transportverzögerungszeiten, werden charakterisiert. Verschiedene Kodierungsverfahren für gepulste ASL Techniken werden unter den Aspekten ihrer relativen Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) und ihrer absoluten CBF Abschätzungen verglichen. Eine neue Methode zur Berechnung der Gleichgewichtsmagnetisierung von arteriellem Blut, welche zur absoluten Quantifizierung des CBF benötigt wird, wird vorgeschlagen und mit anderen Methoden verglichen. Mit dem Vorteil einer besseren räumlichen Lokalisierung und Sensitivität der ASL Technik im Vergleich zum blood-oxygenated-level-dependent (BOLD) Signal wird eine retinotopische Kartierung mit Perfusionskontrast im menschlichen Gehirn durchgeführt und Variationen in den hämodynamischen Verzögerungszeiten über die visuellen Gehirnareale hinweg in BOLD sowie Perfusionsaktivierungen untersucht. Desweiteren werden einige anwendungsnähere, neurowissenschaftliche Projekte präsentiert welche in Kollaboration durchgeführt wurden: i) Das Kovariieren lokaler anatomischer Konnektivität, des Volumens der Grauen Substanz und der Perfusion werden in einer einheitlichen MRI Studie quantifiziert, welche eine Kombination aus Diffusions-Tensor-Bildgebung, ASL und anatomischer Bildgebung benutzt. ii) Unterschiedliche Effekte von intranasalem Insulin und Koffein auf den zerebralen Blutfluss werden untersucht. iii) Die räumlichen Sensitivitäten häufig benutzter fMRI Sequenzen wie Gradienten-Echo BOLD, Spin-Echo BOLD und ASL werden im Hinblick auf optimale Positionen für Transkranielle Magnetstimulation (TMS), solche die die stärksten motorischen Rückmeldungen hervorrufen, verglichen. Insgesamt richten sich die Ergebnisse welche in dieser Arbeit präsentiert werden an Fragestellungen im Zusammenhang mit technischen und methodischen Problemen der ASL Technik, sowie ihrer Anwendung in der funktionellen Gehirnbildgebung.