MEMS for Diabetic Retinopathy

As the worldwide prevalence of diabetes mellitus continues to increase, diabetic retinopathy remains the leading cause of visual impairment and blindness in many developed countries. Between 32 to 40 percent of about 246 million people with diabetes develop diabetic retinopathy. Approximately 4.1 million American adults 40 years and older are affected by diabetic retinopathy. This glucose-induced microvascular disease progressively damages the tiny blood vessels that nourish the retina, the light-sensitive tissue at the back of the eye, leading to retinal ischemia (i.e., inadequate blood flow), retinal hypoxia (i.e., oxygen deprivation), and retinal nerve cell degeneration or death. It is a most serious sight-threatening complication of diabetes, resulting in significant irreversible vision loss, and even total blindness.

Unfortunately, although current treatments of diabetic retinopathy (i.e., laser therapy, vitrectomy surgery and anti-VEGF therapy) can reduce vision loss, they only slow down but cannot stop the degradation of the retina. Patients require repeated treatment to protect their sight. The current treatments also have significant drawbacks. Laser therapy is focused on preserving the macula, the area of the retina that is responsible for sharp, clear, central vision, by sacrificing the peripheral retina since there is only limited oxygen supply. Therefore, laser therapy results in a constricted peripheral visual field, reduced color vision, delayed dark adaptation, and weakened night vision. Vitrectomy surgery increases the risk of neovascular glaucoma, another devastating ocular disease, characterized by the proliferation of fibrovascular tissue in the anterior chamber angle. Anti-VEGF agents have potential adverse effects, and currently there is insufficient evidence to recommend their routine use.

In this work, for the first time, a paradigm shift in the treatment of diabetic retinopathy is proposed: providing localized, supplemental oxygen to the ischemic tissue via an implantable MEMS device. The retinal architecture (e.g., thickness, cell densities, layered structure, etc.) of the rabbit eye exposed to ischemic hypoxic injuries was well preserved after targeted oxygen delivery to the hypoxic tissue, showing that the use of an external source of oxygen could improve the retinal oxygenation and prevent the progression of the ischemic cascade.

The proposed MEMS device transports oxygen from an oxygen-rich space to the oxygen-deficient vitreous, the gel-like fluid that fills the inside of the eye, and then to the ischemic retina. This oxygen transport process is purely passive and completely driven by the gradient of oxygen partial pressure (pO₂). Two types of devices were designed. For the first type, the oxygen-rich space is underneath the conjunctiva, a membrane covering the sclera (white part of the eye), beneath the eyelids and highly permeable to oxygen in the atmosphere when the eye is open. Therefore, sub-conjunctival pO₂ is very high during the daytime. For the second type, the oxygen-rich space is inside the device since pure oxygen is needle-injected into the device on a regular basis.

To prevent too fast or too slow permeation of oxygen through the device that is made of parylene and silicone (two widely used biocompatible polymers in medical devices), the material properties of the hybrid parylene/silicone were investigated, including mechanical behaviors, permeation rates, and adhesive forces. Then the thicknesses of parylene and silicone became important design parameters that were fine-tuned to reach the optimal oxygen permeation rate.

The passive MEMS oxygen transporter devices were designed, built, and tested in both bench-top artificial eye models and in-vitro porcine cadaver eyes. The 3D unsteady saccade-induced laminar flow of water inside the eye model was modeled by computational fluid dynamics to study the convective transport of oxygen inside the eye induced by saccade (rapid eye movement). The saccade-enhanced transport effect was also demonstrated experimentally. Acute in-vivo animal experiments were performed in rabbits and dogs to verify the surgical procedure and the device functionality. Various hypotheses were confirmed both experimentally and computationally, suggesting that both the two types of devices are very promising to cure diabetic retinopathy. The chronic implantation of devices in ischemic dog eyes is still underway.

The proposed MEMS oxygen transporter devices can be also applied to treat other ocular and systemic diseases accompanied by retinal ischemia, such as central retinal artery occlusion, carotid artery disease, and some form of glaucoma.

Protein A tangential flow affinity membrane cartridge for extracorporeal immunoadsorption therapy

Tangential flow affinity membrane cartridge (TFAMC) fs a new model of immunoadsorption therapy for hemoperfusion. Recombinant Protein A was immobilized on the membrane cartridge through Schiff base formation for extracorporeal IgG and immune complex removal from blood. Flow characteristics, immunoadsorption capacity and biocompatibility of protein A TFAMC were studied. The results showed that the pressure drop increased with the increasing flow rate of water, plasma and blood, demonstrating reliable strength of membrane at high now rare. The adsorption capacities of protein A TFAMC for IgG from human plasma and blood were measured. The cartridge with 139 mg protein A immobilized on the matrix (6 mg protein A/g dry matrix) adsorbed 553 mg IgG (23.8 mg IgG/g dry matrix) from human plasma and 499.4 mg IgG (21.5 mg IgG/g dry matrix) from human blood, respectively. The circulation time had a major influence on IgG adsorption capacity, but the flow rate had little influence. Experiments in vitro and in vivo confirmed that protein A TFAMC mainly adsorbed Ige and Little of other plasma proteins, and that blood cell damage was negligible. The extracorporeal circulation system is safe and reliable. Copyright (C) 1999 John Wiley & Sons, Ltd.

PARAMETERS AFFECTING THE IMAGING AND DETECTION OF MICROBUBBLES IN BLOOD

Stabilized micron-sized bubbles, known as contrast agents, are often injected into the body to enhance ultrasound imaging of blood flow. The ability to detect such bubbles in blood depends on the relative magnitude of the acoustic power backscattered from the microbubbles (‘signal’) to the power backscattered from the red blood cells (‘noise’). Erythrocytes are acoustically small (Rayleigh regime), weak scatterers, and therefore the backscatter coefficient (BSC) of blood increases as the fourth power of frequency throughout the diagnostic frequency range. Microbubbles, on the other hand, are either resonant or super-resonant in the range 5-30 MHz. Above resonance, their total scattering cross-section remains constant with increasing frequency. In the present thesis, a theoretical model of the BSC of a suspension of red blood cells is presented and compared to the BSC of Optison® contrast agent microbubbles. It is predicted that, as the frequency increases, the BSC of red blood cell suspensions eventually exceeds the BSC of the strong scattering microbubbles, leading to a dramatic reduction in signal-to-noise ratio (SNR). This decrease in SNR with increasing frequency was also confirmed experimentally by use of an active cavitation detector for different concentrations of Optison® microbubbles in erythrocyte suspensions of different hematocrits. The magnitude of the observed decrease in SNR correlated well with theoretical predictions in most cases, except for very dense suspensions of red blood cells, where it is hypothesized that the close proximity of erythrocytes inhibits the acoustic response of the microbubbles.

Flow-mediated dilatation of the brachial artery is a poorly reproducible indicator of microvascular function in Type I diabetes mellitus

Aim: Two Type I diabetes and control group comparator studies were conducted to assess the reproducibility of FMD and to analyse blood flow data normally discarded during FMD measurement.

Design: The studies were sequential and differed only with regard to operator and ultrasound machine. Seventy-two subjects with diabetes and 71 controls were studied in total.

Methods: Subjects had FMD measured conventionally. Blood velocity waveforms were averaged over 10 pulses post forearm ischaemia and their component frequencies analysed using the wavelet transform, a mathematical tool for waveform analysis. The component frequencies were grouped into 11 bands to facilitate analysis.

Results: Subjects were well-matched between studies. In Study 1, FMD was significantly impaired in subjects with Type I diabetes vs. controls (median 4.35%, interquartile range 3.10-4.80 vs. 6.50, 4.79-9.42, P < 0.001). No differences were detected between groups in Study 2, however. However, analysis of blood velocity waveforms yielded significant differences between groups in two frequency bands in each study.

Conclusions: This report highlights concerns over the reproducibility of FMD measures. Further work is required to fully elucidate the role of analysing velocity waveforms after forearm ischaemia.

Histone deacetylase 3 is critical in endothelial survival and atherosclerosis development in response to disturbed flow

Histone deacetylase 3 (HDAC3) is known to play a crucial role in the differentiation of endothelial progenitors. The role of HDAC3 in mature endothelial cells, however, is not well understood. Here, we investigated the function of HDAC3 in preserving endothelial integrity in areas of disturbed blood flow, ie, bifurcation areas prone to atherosclerosis development.

CaV3.1 T-Type Ca2+ Channels Contribute to Myogenic Signalling in Rat Retinal Arterioles

Purpose: Although L-type Ca2+ channels are known to play a key role in the myogenic reactivity of retinal arterial vessels, the involvement of other types of voltage-gated Ca2+ channels in this process remains unknown. In the present study we have investigated the contribution of T-type Ca2+ channels to myogenic signalling in arterioles of the rat retinal microcirculation.

Methods: Confocal immunolabelling of wholemount preparations was used to investigate the localisation of CaV3.1-3 channels in retinal arteriolar smooth muscle cells. T-type currents and the contribution of T-type channels to myogenic signalling were assessed by whole-cell patch-clamp recording and pressure myography of isolated retinal arteriole segments.

Results: Strong immunolabelling for CaV3.1 was observed on the plasma membrane of retinal arteriolar smooth muscle cells. In contrast, no expression of CaV3.2 or CaV3.3 could be detected in retinal arterioles, although these channels were present on glial cell end feet surrounding the vessels and retinal ganglion cells, respectively. TTA-A2 sensitive T-type currents were recorded in retinal arteriolar myocytes with biophysical properties distinct from those of the L-type currents present in these cells. Inhibition of T-type channels using TTA-A2 or ML-218 dilated isolated, myogenically active, retinal arterioles.

Conclusions: CaV3.1 T-type Ca2+ channels are functionally expressed on arteriolar smooth muscle cells of retinal arterioles and play an important role in myogenic signalling in these vessels. The work has important implications concerning our understanding of the mechanisms controlling blood flow autoregulation in the retina and its disruption during ocular disease.

PulseCath iVAC 3LTM hemodynamic performance for simple assisted flow.

The PulseCath iVAC 3L? left ventricular assist device is an option to treat transitory left heart failure or dysfunction post-cardiac surgery. Assisted blood flow should reach up to 3 l/min. In the present in vitro model exact pump flow, depending on various frequencies and afterload was examined. Optimal flow was achieved with inflation/deflation frequencies of about 70-80/min. The maximal flow rate was achieved at about 2.5 l/min with a minimal afterload of 22 mmHg. Handling of the device was easy due to the connection to a standard intra-aortic balloon pump console. With increasing afterload (up to a simulated mean systemic pressure of 66 mmHg) flow rate and cardiac support are in some extent limited.

Asymptomatic high flow subclavian steal in a patient with hemodialysis access.

Subclavian steal phenomenon due to proximal subclavian artery stenosis or occlusion is not un-common but often remains asymptomatic. We describe the case of a 66-year-old man with end-stage renal disease hemodialysed through a brachio-brachial loop graft of the left forearm. Echo-Doppler precerebral examination showed a high reversed flow of 570 ml/min in the ipsilateral vertebral artery. After successful endovascular recanalization of the subclavian artery, access blood flow increased and vertebral flow decreased to 30 ml/min. Complete neurological examination was normal both before and after endovascular treatment. This case demonstrates how high a subclavian steal can be without causing symptoms and how well precerbral and cerebral circulation can adapt to hemodynamic changes.

Does altering brachial artery tone with lower-body negative pressure and flow-mediated dilation affect arterial stiffness?

Although medium sized, muscular vessels normally respond to sympathetic stimulation by reducing compliance, it is unclear whether the large brachial artery is similarly affected by sympathetic stimulation induced via lower-body negative pressure (LBNP). Similarly, the impact of flow-mediated dilation (FMD) on brachial artery compliance and distensibility remains unresolved, hi addition, before such measures can be used as prognostic tools, it is important to investigate the reliability and repeatability of both techniques. Using a randomized order design, the effects of LBNP and FMD on the mechanical properties of the brachial artery were examined in nine healthy male subjects (mean age 24y). Non-invasive Doppler ultrasound and a Finometer were used to measure simultaneously the variation in systolic and diastolic diameter, and brachial blood pressure, respectively. These values were used to calculate compliance and distensibility values at baseline, and during both LBNP and FMD. The within-day and between-day repeatability of arterial diameter, compliance, distensibility, and FMD measures were assessed using the error coefficient and intra-class correlation coefficient (ICC). While heart rate (P<0.01) and peripheral resistance increased during LBNP (P<0.05), forearm blood flow and pulse pressure decreased (P<0.01). hi terms of mechanical properties, vessel diameters decreased (P<0.05), but both compliance and distensibility were not changed. On the other hand, FMD resulted in a significant increase in diameter (P<0.001), with no change in compliance or distensibility. hi summary, LBNP and FMD do not appear to alter brachial artery compliance or distensibility in young, healthy males. Whereas measures ofFMD were not found to be repeatable between days, the ICC indicated that compliance and distensibility were repeatable only within-day.

Novel molecular mechanisms of neuronal and vascular protection in experimental glaucoma

Le glaucome est la deuxième cause de cécité irréversible dans le monde. La perte de vision qui se produit lors du glaucome s’explique par une dégénérescence du nerf optique et une mort progressive et sélective des cellules ganglionnaires de la rétine (CRG). L'hypertension oculaire est un facteur de risque majeur dans le glaucome, mais des défauts du champ visuel continuent à se développer chez un contingent de patients malgré l'administration de médicaments qui abaissent la pression intraoculaire (PIO). Par conséquent, bien que la PIO représente le seul facteur de risque modifiable dans le développement du glaucome, son contrôle ne suffit pas à protéger les CRGs et préserver la fonction visuelle chez de nombreux patients. Dans ce contexte, j'ai avancé l'hypothèse centrale voulant que les stratégies de traitement du glaucome visant à promouvoir la protection structurale et fonctionnelle des CRGs doivent agir sur les mécanismes moléculaires qui conduisent à la mort des ces neurones. Dans la première partie de ma thèse, j'ai caractérisé l'effet neuroprotecteur de la galantamine, un inhibiteur de l'acétylcholinestérase qui est utilisé cliniquement dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Cette étude s’est basée sur l'hypothèse que la galantamine, en modulant l'activité du récepteur de l'acétylcholine, puisse améliorer la survie des CRGs lors du glaucome. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé d'hypertension oculaire induite par l’administration d'une solution saline hypertonique dans une veine épisclérale de rats Brown Norway. Les résultats de cette étude (Almasieh et al. Cell Death and Disease, 2010) ont démontré que l'administration quotidienne de galantamine améliore de manière significative la survie des corps cellulaires et des axones CRGs. La protection structurelle des CRGs s’accompagne d’une préservation remarquable de la fonction visuelle, évaluée par l'enregistrement des potentiels évoqués visuels (PEV) dans le collicule supérieur, la cible principale des CRGs chez le rongeur. Une autre constatation intéressante de cette étude est la perte substantielle de capillaires rétiniens et la réduction du débit sanguin associé à la perte des CRGs dans le glaucome expérimental. Il est très intéressant que la galantamine ait également favorisé la protection de la microvascularisation et amélioré le débit sanguin rétinien des animaux glaucomateux (Almasieh et al. en préparation). J'ai notamment démontré que les neuro-et vasoprotections médiées par la galantamine se produisent par iv l'activation des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié le rôle du stress oxydatif ainsi que l'utilisation de composés réducteurs pour tester l'hypothèse que le blocage d'une augmentation de superoxyde puisse retarder la mort des CRG lors du glaucome expérimental. J'ai profité d'un composé novateur, un antioxydant à base de phosphineborane (PB1), pour tester sur son effet neuroprotecteur et examiner son mécanisme d'action dans le glaucome expérimental. Les données démontrent que l'administration intraoculaire de PB1 entraîne une protection significative des corps cellulaire et axones des CRGs. Les voies moléculaires conduisant à la survie neuronale médiée par PB1 ont été explorées en déterminant la cascade de signalisation apoptotique en cause. Les résultats démontrent que la survie des CRGs médiée par PB1 ne dépend pas d’une inhibition de signalisation de protéines kinases activées par le stress, y compris ASK1, JNK ou p38. Par contre, PB1 induit une augmentation marquée des niveaux rétiniens de BDNF et une activation en aval de la voie de survie des ERK1 / 2 (Almasieh et al. Journal of Neurochemistry, 2011). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques qui conduisent à la perte de CRGs dans le glaucome et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices et vasoprotectrices pour le traitement et la gestion de cette maladie.

Le rôle du récepteur B1 des kinines dans le développement de la rétinopathie diabétique

La rétinopathie diabétique est associée à plusieurs changements pathologiques du lit vasculaire rétinien, incluant l’ouverture de la barrière hémato-rétinienne, l’inflammation vasculaire et la modification du débit sanguin. Récemment, il a été proposé que le récepteur B1 des kinines, qui est surexprimé dans la rétine diabétique, puisse être impliqué dans le développement de ces altérations vasculaires. Ainsi, cette thèse présente les effets de traitements pharmacologiques avec des antagonistes du récepteur B1 sur la perfusion rétinienne, la perméabilité vasculaire, l’infiltration des leucocytes (leucostasie), l’expression de médiateurs de l’inflammation et la production d’anion superoxyde dans la rétine du rat rendu diabétique avec la streptozotocine (STZ). Les résultats obtenus montrent que l’application oculaire (10 µl d’une solution à 1%, deux fois par jour pendant 7 jours) de LF22-0542, un antagoniste hydrosoluble du récepteur B1, bloque significativement l’hyperperméabilité vasculaire, la leucostasie, le stress oxydatif et l’expression génique de médiateurs de l’inflammation (B1R, iNOS, COX-2, VEGF-R2, IL-1β et HIF-1α) dans la rétine chez le rat à 2 semaines de diabète. L’administration orale (3 mg/kg) d’un antagoniste non-peptidique et sélectif pour le récepteur B1, le SSR240612, entraîne une diminution du débit sanguin rétinien 4 jours après l’induction du diabète mais n’a aucun effet sur la réduction de la perfusion rétinienne à 6 semaines. Le récepteur B1 joue donc un rôle protecteur au tout début du diabète en assurant le maintien d’un débit sanguin normal dans la rétine; un effet qui n’est toutefois pas maintenu pendant la progression du diabète. Ces données présentent ainsi la dualité du récepteur B1 avec des effets à la fois protecteurs et délétères. Elles suggèrent aussi un rôle important pour le récepteur B1 dans l’inflammation rétinienne et le développement des altérations vasculaires. Le récepteur B1 pourrait donc représenter une nouvelle cible thérapeutique pour le traitement de la rétinopathie diabétique.

The role of EphB6 and ephrinbs in blood pressure regulation

L’hypertension artérielle est le facteur de risque le plus important dans les maladies cardiovasculaires (MCV) et les accidents vasculaires cérébraux (AVC). L’hypertension artérielle essentielle est une maladie complexe, multifactorielle et polygénique. Même si on a identifié de nombreux facteurs de risque de l’hypertension artérielle, on ne comprend pas encore clairement les mécanismes qui la régissent. Les kinases hépatocytes produisant l’érythropoïétine (Eph) constituent la plus grande famille des récepteurs tyrosine kinase qui se lient à des ligands de surface cellulaire appelés éphrines sur les cellules avoisinantes. On sait que les interactions de Eph et des éphrines sont essentielles aussi bien dans les processus de développement que dans le fonctionnement des organes et des tissus adultes. Cependant on n’a pas encore étudié la relation entre Eph/éphrines et l’hypertension artérielle. Nous avons créé des modèles de souris knockout (K.O.) Ephb6-/-, Efnb1-/- et Efnb3-/- pour cette étude. Dans le modèle EphB6-/-, nous avons observé que les souris K.O. Ephb6 castrées, mais pas les femelles, ainsi que les souris mâles non castrées présentaient une tension artérielle élevée (TA) par rapport à leurs homologues de type sauvage (TS). Ceci suggère que Ephb6 doit agir de concert avec l’hormone sexuelle mâle pour réguler la TA. Les petites artères des mâles castrés Ephb6-/- présentaient une augmentation de la contractilité, une activation de RhoA et une phosphorylation constitutive de la chaîne légère de la myosine (CLM) lorsque comparées à celles de leurs homologues TS. Ces deux derniers résultats indiquent que la phosphorylation de CLM et de RhoA passe par la voie de signalisation de Ephb6 dans les cellules du muscle lisse de la paroi vasculaire (CMLV). Nous avons démontré que la réticulation de Efnbs mais non celle de Ephb6 aboutit à une réduction de la contractilité des CMLV. Ceci montre que l’effet de Ephb6 passe par la signalisation inversée à travers Efnb. Dans le modèle Efnb1-/- conditionnel spécifique au muscle lisse, nous n’avons observé aucune différence entre Efnb1-/- et les souris de TS concernant la mesure de la TA dans des conditions normales. Cependant, la TA des souris K.O. Efnb1 lors d’un stress d’immobilisation est supérieure à celle des souris de TS. Dans les petites artères des souris K.O. Efnb1, le rétrécissement et la phosphorylation de CLM étaient élevés. In vitro, la contractilité et l’activation RhoA de la CMLV des souris TS étaient augmentées quand leur Efnb1 était réticulé. Ces résultats corroborent ceux des souris KO Ephb6 et prouvent que l’effet de Ephb6 dans le contrôle de la TA se produit au moins par l’intermédiaire d’un de ses ligands Efnb1 dans les CMLV. Dans le modèle Efnb3-/-, on a observé une augmentation de la TA et du rétrécissement des vaisseaux chez les femelles Efnb3-/-, mais non chez les mâles; l’échographie a aussi révélé une résistance accrue au débit sanguin des souris K.O. femelles. Cependant la mutation de Efnb3 ne modifie pas la phosphorylation de la CLM ou l’activation de RhoA in vivo. Dans l’expérience in vitro, les CMLV des souris femelles Efnb3-/- ont présenté une augmentation de la contractilité mais pas celle des souris mâles Efnb3-/-. La réticulation des CMLV chez les mâles ou les femelles de TS avec solide anti-Efnb3 Ab peut réduire leur contractilité. Notre étude est la première à évaluer le rôle de Eph/éphrines dans la régulation de la TA. Elle montre que les signalisations Eph/éphrines sont impliquées dans le contrôle de la TA. La signalisation inverse est principalement responsable du phénotype élevé de la TA. Bien que les Efnb1, Efnb3 appartiennent à la même famille, leur fonction et leur efficacité dans la régulation de la TA pourraient être différentes. La découverte de Eph/Efnb nous permet d’explorer plus avant les mécanismes qui gouvernent la TA.

Vector flow mapping using plane wave ultrasound imaging

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée.

Negative blood oxygen level dependence in the rat: a model for investigating the role of suppression in neurovascular coupling

Modern neuroimaging techniques rely on neurovascular coupling to show regions of increased brain activation. However, little is known of the neurovascular coupling relationships that exist for inhibitory signals. To address this issue directly we developed a preparation to investigate the signal sources of one of these proposed inhibitory neurovascular signals, the negative blood oxygen level-dependent (BOLD) response (NBR), in rat somatosensory cortex. We found a reliable NBR measured in rat somatosensory cortex in response to unilateral electrical whisker stimulation, which was located in deeper cortical layers relative to the positive BOLD response. Separate optical measurements (two-dimensional optical imaging spectroscopy and laser Doppler flowmetry) revealed that the NBR was a result of decreased blood volume and flow and increased levels of deoxyhemoglobin. Neural activity in the NBR region, measured by multichannel electrodes, varied considerably as a function of cortical depth. There was a decrease in neuronal activity in deep cortical laminae. After cessation of whisker stimulation there was a large increase in neural activity above baseline. Both the decrease in neuronal activity and increase above baseline after stimulation cessation correlated well with the simultaneous measurement of blood flow suggesting that the NBR is related to decreases in neural activity in deep cortical layers. Interestingly, the magnitude of the neural decrease was largest in regions showing stimulus-evoked positive BOLD responses. Since a similar type of neural suppression in surround regions was associated with a negative BOLD signal, the increased levels of suppression in positive BOLD regions could importantly moderate the size of the observed BOLD response.

A dynamic model of neurovascular coupling: Implications for blood vessel dilation and constriction

Neurovascular coupling in response to stimulation of the rat barrel cortex was investigated using concurrent multichannel electrophysiology and laser Doppler flowmetry. The data were used to build a linear dynamic model relating neural activity to blood flow. Local field potential time series were subject to current source density analysis, and the time series of a layer IV sink of the barrel cortex was used as the input to the model. The model output was the time series of the changes in regional cerebral blood flow (CBF). We show that this model can provide excellent fit of the CBF responses for stimulus durations of up to 16 s. The structure of the model consisted of two coupled components representing vascular dilation and constriction. The complex temporal characteristics of the CBF time series were reproduced by the relatively simple balance of these two components. We show that the impulse response obtained under the 16-s duration stimulation condition generalised to provide a good prediction to the data from the shorter duration stimulation conditions. Furthermore, by optimising three out of the total of nine model parameters, the variability in the data can be well accounted for over a wide range of stimulus conditions. By establishing linearity, classic system analysis methods can be used to generate and explore a range of equivalent model structures (e.g., feed-forward or feedback) to guide the experimental investigation of the control of vascular dilation and constriction following stimulation.