Diffuse optical monitoring of cerebral hemodynamics in experimental and clinical neurology

Abstract

The study of the brain using diffuse optical methods has progressed rapidly in the recent years. The possibility of studying the cerebral microvasculature in addition to the portability and low cost of these devices, opens a new door in the study of the cerebral pathophysiologies. In this scenario, the study of the cerebral hemodynamics of ischemic patients might allow neurologists to improve the performance of the early medical treatments and therapies used up to date. In this thesis, I have conducted a pioneering study where cerebral autoregulation was studied in ischemic stroke patients during the early hours after the stroke. Similarly, some other diseases can provoke impaired cerebral autoregulation in the long term. One of them is the obstructive sleep apnoea (OSA) syndrome which can provoke a risk increase of developing cardiovascular diseases and ischemic stroke. In this regards, I have carried out the largest to date study conducted with Diffuse Correlation Spectroscopy in patients with OSA and I have compared their hemodynamical response to an orthostatic challenge test with a control group of healthy subjects. Finally, primary animal research is of great importance in the development of new therapies, medical strategies and in the validation of new drugs with the aim of reducing the high mortality and slow and costly recovery of ischemic patients. In consequence, many models of ischemia are reproduced in rodents where the cerebral hemodynamics are studied using expensive equipments such as MRI scanners or by techniques that involve invasive approaches like for instance removing the scalp or thinning the skull which in turn cause a worsening in the living conditions of the animal. In relation to this point, I have developed a fully non-invasive method to study the cerebral hemodynamics in rats that allows to proceed with longitudinal studies and which I hope will be useful in future biomedical research.

El estudio del cerebro mediante métodos de óptica difusa ha progresado rápidamente en los últimos años. La posibilidad de estudiar la microvasculatura cerebral junto con la portabilidad y bajo coste de estos equipos abre una ventana de posibilidades para el estudio de fisiopatologías cerebrales. En este escenario, el estudio de la hemodinámica cerebral en pacientes isquémicos podría permitir a los neurólogos mejorar el rendimiento de los tratamientos médicos tempranos y de las terapias utilizadas hasta la fecha. En esta tesis he realizado un estudio pionero al respecto, estudiando por primera vez la hemodinámica cerebral de pacientes isquémicos durante las primeras horas después del infarto cerebral. De igual manera, existen otro tipo de enfermedades que pueden desarrollar un empeoramiento a largo plazo de la autorregulación cerebral. Entre ellas destaca el síndrome de apnea obstructivo (SAO), debido al cual el empeoramiento de la hemodinámica cerebral provoca un aumento del riesgo directo de sufrir enfermedades cardiovasculares y un aumento del riesgo de infarto cerebral. Al respecto, he llevado a cabo el mayor estudio hasta la fecha con pacientes con SAO donde he estudiado su respuesta hemodinámica a un test ortostático comparado estos resultados con los obtenidos en grupo de control de pacientes sanos. Finalmente, la investigación primaria en animales es de vital importancia en el desarrollo de nuevas terapias y estrategias médicas así como en la validación de nuevos fármacos que reduzcan la alta mortalidad y la lenta y costosa recuperación de los pacientes isquémicos. En consecuencia, numerosos modelos de isquemia son reproducidos en roedores donde se estudia la hemodinámica cerebral mediante caros equipos como los resonadores magnéticos o mediante técnicas que implican someter al animal a cierta cirugía en la que se le sustrae el cuero cabelludo o se le lima el cráneo. En relación con esto último, he desarrollado un método completamente no invasivo para estudiar la hemodinámica cerebral en ratas y que permite llevar a cabo estudios longitudinales, el cual espero sea utilidad en futuras investigaciones biomédicas.