Differential regional cerebral blood flow reactivity to alterations in end-tidal gases in healthy volunteers.

ABSTRACT

PURPOSE: Anesthesia is associated with alterations in end-tidal (ET) respiratory gases from the awake state. These alterations result in marked vasoactive changes in regional cerebral blood flow (rCBF). Altered regional cerebrovascular reactivity (rCVR) is linked to neurologic dysfunction. We examined these differences in reactivity from prior work by focusing on the ratio of vasoconstriction with hyperoxia/hypocapnia (HO/hc)vasodilation with hypercapnia (HC) using magnetic resonance imaging pseudo-continuous arterial spin labelling (pCASL) to measure rCBF and compare rCVR The distribution and magnitude of these ratios could provide insights into rCBF during clinical anesthesia and inform future research into the origins of postoperative delirium (POD). METHODS: Ten healthy subjects underwent cerebral blood flow (CBF) studies using pCASL with computer-controlled delivery of ET gases to assess flow effects of hyperoxia, hypercapnia, and hyperoxia/hypocapnia as part of a larger study into cerebrovascular reactivity. The vasoconstrictor stimulus was compared with the vasodilator stimulus by the ratio HO/hcHC. RESULTS: Hyperoxia minimally decreased whole brain CBF by - 0.6%/100 mm Hg increase in ETO2. Hypercapnia increased CBF by +4.6%/mm Hg carbon dioxide (CO2) and with HO/hc CBF decreased by - 5.1%/mm Hg CO2. The brain exhibited markedly different rCVR-regional HO/hcHC ratios varied from 7.21 (greater response to vasoconstriction) to 0.491 (greater response to vasodilation). Many of the ratios greater than 1, where vasoconstriction predominated, were seen in regions associated with memory, cognition, and executive function, including the entorhinal cortex, hippocampus, parahippocampus, and dorsolateral prefrontal cortex. CONCLUSIONS: In awake humans, marked rCBF changes occurred with alterations in ET respiratory gases common under anesthesia. Such heterogeneous reactivity may be relevant to future studies to identify those at risk of POD.

RéSUMé OBJECTIF L'anesthésie est associée à des altérations des gaz respiratoires télé-expiratoires par rapport à l'état d'éveil. Ces altérations entraînent des changements vasoactifs marqués dans le débit sanguin cérébral régional (DSCR). Une altération de la réactivité cérébrovasculaire régionale (rCVR) est liée au dysfonctionnement neurologique. Nous avons examiné ces différences de réactivité dans des études antérieures en nous concentrant sur le rapport entre la vasoconstriction et l'hyperoxie/hypocapnie (HO/hc)vasodilatation et l'hypercapnie (HC), en utilisant une technique d'imagerie par résonance magnétique dite pCASL (pour pseudo-continuous arterial spin labelling) pour mesurer le DSCR et comparer la rCVR. La distribution et l'ampleur de ces rapports pourraient fournir des renseignements concernant le DSCR pendant l'anesthésie clinique et éclairer la recherche future sur les origines du delirium postopératoire (DPO). MéTHODE Dix volontaires sains ont subi des études de débit sanguin cérébral (DSC) à l'aide d'une pCASL avec un contrôle géré par ordinateur des gaz télé-expiratoires pour évaluer les effets sur le débit de l'hyperoxie, de l'hypercapnie, et de l'hyperoxie/hypocapnie dans le cadre d'une plus grande étude sur la réactivité cérébrovasculaire. Le stimulus vasoconstricteur a été comparé au stimulus vasodilatateur par le rapport de HO/hcHC. RéSULTATS L'hyperoxie a diminué de façon minimale le DSC du cerveau entier de − 0,6 %/100 mmHg en ETO2. L'hypercapnie a augmenté le DSC de +4,6 %/mmHg de dioxyde de carbone (CO2) et avec le HO/hc, le DSC a diminué de − 5,1 %/mmHg CO2. Le cerveau a exhibé une rCVR nettement différente ­-les rapports régionaux HO/hcHC allaient de 7.21 (plus grande réponse à la vasoconstriction) à 0.491 (plus grande réponse à la vasodilatation). Beaucoup des rapports supérieurs à 1, où la vasoconstriction était prédominante, ont été observés dans les régions associées à la mémoire, à la cognition et à la fonction exécutive, y compris le cortex entorhinal, l'hippocampe, le parahippocampe et le cortex préfrontal dorsolatéral. CONCLUSION: Chez une personne éveillée, des changements marqués de DSCR se sont produits lors des changements dans les gaz respiratoires télé-expiratoires survenant communément sous anesthésie. Une telle réactivité hétérogène pourrait être pertinente pour les études futures afin d'identifier les personnes à risque de DPO.