Abnormal functional MRI BOLD contrast in the vegetative state after severe traumatic brain injury


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Abstract

For the rehabilitation process, the treatment of patients surviving brain injury in a vegetative state is still a serious challenge. The aim of this study was to investigate patients exhibiting severely disturbed consciousness using functional magnetic resonance imaging. Five cases of posttraumatic vegetative state and one with minimal consciousness close to the vegetative state were studied clinically, electrophysiologically, and by means of functional magnetic resonance imaging. Visual, sensory, and acoustic paradigms were used for stimulation. In three patients examined less than 2 months after trauma, a consistent decrease in blood oxygen level dependent (BOLD) signal (‘negative activation’) was observed for visual stimulation; one case even showed a decrease in BOLD activation for all three activation paradigms. In the remaining three cases examined more than 6 months after trauma, visual stimulation yielded positive BOLD contrast or no activation. In all cases, sensory stimulation was followed by a decrease in BOLD signal or no activation, whereas auditory stimulation failed to elicit any activation with the exception of one case. Functional magnetic resonance imaging in the vegetative state indicates retained yet abnormal brain function; this abnormality can be attributed to the impairment of cerebral vascular autoregulation or an increase in the energy consumption of activated neocortex in severe traumatic brain injury.Aus der Perspektive der Rehabilitation gestaltet sich die Behandlung von Patienten, die Gehirnverletzungen in einem vegetativen Zustand überleben, nach wie vor als große Herausforderung. Ziel der vorliegenden Studie war die Untersuchung von Patienten mit schwerer Bewusstseinsstörung anhand einer funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT). Fünf Patienten im posttraumatischen vegetativen Zustand und ein Fall mit minimalem Bewusstsein und grenzwertigem vegetativem Zustand wurden klinisch, elektrophysiologisch und mit fMRT untersucht. Zum Zweck der Stimulation wurden visuelle, sensorische und akustische Paradigmen eingesetzt. Bei drei Patienten, die weniger als 2 Monate nach dem Trauma untersucht wurden, wurde bei der visuellen Stimulation eine beständige Abschwächung des BOLD-Signals (,,negative Aktivierung“) beobachtet, bei einem Patienten sogar eine Abschwächung der BOLD-Aktivierung bei allen drei Aktivierungsparadigmen. Bei den übrigen drei Patienten, die mehr als 6 Monate nach erfolgtem Trauma untersucht wurden, ergab die visuelle Stimulation einen positiven BOLD-Kontrast bzw. keine Aktivierung. In allen Fällen schloss sich an die sensorische Stimulation eine Abschwächung des BOLD-Signals oder keine Aktivierung an, während die akustische Stimulation mit einer Ausnahme keinem Patienten eine Aktivierung entlocken konnte. Die funktionelle Magnetresonanztomographie im vegetativen Zustand deutet auf eine unveränderte und dennoch abnormale Gehirnfunktion hin; diese Anomalie lässt sich auf die Schädigung der zerebralen vaskulären Autoregulation und/oder einen angestiegenen Energieverbrauch der aktivierten Neokortex bei schweren traumatischen Hirnschäden zurückführen.En el marco del proceso de rehabilitación, el tratamiento de los pacientes que han sobrevivido una lesión cerebral pero que permanecen en estado vegetativo supone aún un gran reto. El objetivo de este estudio fue explorar mediante resonancia magnética funcional a un grupo de pacientes con alteraciones graves del estado de conciencia. Se estudiaron cinco pacientes en estado vegetativo postraumático, y uno con estado de conciencia mínimo muy próximo al estado vegetativo. Estos pacientes se estudiaron desde el punto de vista clínico, electrofisiológico y mediante resonancia magnética funcional. En la exploración se emplearon estímulos visuales, sensoriales y acústicos. En tres de los pacientes valorados menos de 2 meses después del traumatismo, se observó una disminución en la señal BOLD («de activación negativa») ante la estimulación visual; en un caso se detectó, incluso, una disminución en la activación BOLD ante los tres tipos de estímulos aplicados. En los tres casos restantes, valorados más de 6 meses después del traumatismo, la estimulación visual causó bien contraste BOLD positivo, bien ausencia de activación. En todos los casos, tras la estimulación sensorial se produjo bien disminución de la señal BOLD, bien ausencia de activación, mientras que los estímulos auditivos no causaron activación alguna, excepto en un caso. Los resultados de la resonancia magnética funcional en el estado vegetativo indican la presencia de una disfunción cerebral, la cual puede atribuirse a la afección de la autorregulación vascular cerebral o al aumento del consumo de energía de la neocorteza activada, o a ambos, en pacientes con lesión cerebral traumática grave.La rééducation des patients survivant à un traumatisme cérébral dans un état végétatif représente toujours un sérieux défi. Cette étude avait pour objet d'étudier des patients présentant un degré de conscience sévèrement perturbé en utilisant l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. Cinq cas d'état végétatif posttraumatique et un avec degré de conscience minimale proche de l'état végétatif ont été étudiés d'un point de vue clinique, électrophysiologique et en utilisant l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. Des paradigmes visuels, sensoriels et acoustiques ont été utilisés pour la stimulation. Chez trois patients examinés moins de 2 mois après le traumatisme, une diminution cohérente dans le signal BOLD (Blood Oxygen Level Dependent - «activation négative) a été observée pour la stimulation visuelle; l'un des cas présentait même une diminution dans l'activation BOLD pour les trois paradigmes d'activation. Dans les trois autres cas examinés plus de 6 mois après le traumatisme, la stimulation visuelle a produit un contraste BOLD positif ou une absence d'activation. Dans tous cas, la stimulation sensorielle a été suivie par une diminution du signal BOLD ou l'absence d'activation, tandis que la stimulation auditive a échoué à mettre en évidence quelque activation que ce soit, à l'exception d'un des cas. L'imagerie de résonance magnétique fonctionnelle dans l'état végétatif permet de détecter les fonctions cérébrales encore opérationnelles bien qu'anormales; cette anormalité peut être attribuée à la réduction de l'autorégulation vasculaire cérébrale et/ou à une augmentation de la consommation d'énergie du néocortex activé en cas de lésion cérébrale traumatique sévère.

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