The Influence of Carbon Dioxide on Brain Activity and Metabolism in Conscious Humans

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作者
Feng Xu,Jinsoo Uh,Matthew R. Brier,John Hart,Uma Yezhuvath,Hong Gu,Yongqiang Yang,Hanzhang Lu
出处
期刊:Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism [SAGE Publishing]
卷期号:31 (1): 58-67 被引量:294
标识
DOI:10.1038/jcbfm.2010.153
摘要

A better understanding of carbon dioxide (CO 2 ) effect on brain activity may have a profound impact on clinical studies using CO 2 manipulation to assess cerebrovascular reserve and on the use of hypercapnia as a means to calibrate functional magnetic resonance imaging (fMRI) signal. This study investigates how an increase in blood CO 2 , via inhalation of 5% CO 2 , may alter brain activity in humans. Dynamic measurement of brain metabolism revealed that mild hypercapnia resulted in a suppression of cerebral metabolic rate of oxygen ( CMRO 2 ) by 13.4%±2.3% ( N=14) and, furthermore, the CMRO 2 change was proportional to the subject's end-tidal CO 2 (Et-CO 2 ) change. When using functional connectivity MRI (fcMRI) to assess the changes in resting-state neural activity, it was found that hypercapnia resulted in a reduction in all fcMRI indices assessed including cluster volume, cross-correlation coefficient, and amplitude of the fcMRI signal in the default-mode network (DMN). The extent of the reduction was more pronounced than similar indices obtained in visual-evoked fMRI, suggesting a selective suppression effect on resting-state neural activity. Scalp electroencephalogram (EEG) studies comparing hypercapnia with normocapnia conditions showed a relative increase in low frequency power in the EEG spectra, suggesting that the brain is entering a low arousal state on CO 2 inhalation.
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