The human brain consists of a very complex and specialized organ and is responsible for coordinating the execution of several functions performed by the subjects. The brain tissue must be continuously supplied with oxygen and all the nutrients necessary to provide the required energy to keep all these mechanisms regulated in a normal condition since the brain is not capable of storing energy. The neurovascular system is crucial to keep the delivery of nutrients constant, though it implies a complex mechanism of auto-regulation. Deregulation of this essential mechanism may impair the delivery of nutrients according to the demand for energy, which may lead to various brain disorders. Magnetic resonance imaging (MRI) is a potent imaging tool that allows the analysis of several characteristics related to brain structure, function, perfusion, water diffusion, and others. These characteristics can be assessed exploiting different possible contrast mechanisms. Arterial Spin Labeling (ASL) and Intravoxel Incoherent Motion (IVIM) are two noninvasive and quantitative methods based on blood perfusion and water diffusion, respectively, which enable the quantification of cerebral blood flow (CBF) and water diffusion coefficient in brain tissue. Moreover, due to the neurovascular coupling, the analysis of the temporal fluctuations in blood perfusion at different anatomical brain regions allows the study of brain functions, which is called functional MRI (fMRI) and consists of a widely used imaging modality to assess brain integrity. In this study, we worked on the interface between the development of image acquisition and analysis methods, and their application in both healthy subjects and patients. Regarding acquisition methods, we worked on the optimization of the 3D Gradient and Spin Echo (GRASE) readout and the effect of flow compensated gradients in ASL images. For IVIM, we evaluated the effect of different acquisition parameters in the analysis model to optimize the analysis for neurological and neurovascular patients. Finally, we evaluated the capability of ASL to study brain functions in a resting-state condition and while performing different actions, such as motor and language tasks. We started with a simple and robust motor task to validate our method and then applied it to study a more complex function (language). We developed and implemented a novel dual-echo readout for ASL protocol to improve quantitative assessment of the CBF and the blood oxygen level-dependent (BOLD) signals. The main findings of this thesis include the better delineation of the arterial signal when using segmented 3D GRASE and flow compensation gradients; the demonstration of the feasibility of ASL with dual-echo readout in a simultaneous accurate quantification of CBF and measurement of BOLD signal for functional analysis; the investigation of the physiological basis for brain functional reorganization and better spatial localization of brain activation of a cognitive task through dual-echo ASL; a description of the start-of-the-art use of IVIM for neurological and neurovascular diseases; an analysis of the impact of IVIM acquisition and analysis parameters to better fit the IVIM measurements, and a pilot study of IVIM applied in patients with brain glioma as a model of the blood-brain barrier disruption.

O cérebro humano consiste de um orgão bastante complexo e especializado, sendo responsável por coordenar a execução das mais diversas funções desempenhadas pelo indivíduo. Para manter esses mecanismos regulados em uma condição normal, o cérebro deve ser continuamente abastecido por oxigênio e nutrientes requeridos para geração da energia necessária para desempenhar tais funções, uma vez que o cérebro não é capaz de armazenar energia. Para manter a entrega de nutrientes constante, o sistema neurovascular é crucial, o que implica em um complexo mecanismo de auto-regulação para evitar quaisquer obstrução em seu caminho. Tendo em vista a optimização da execução das tarefas requeridas, o cortex cerebral é dividido em sub-regiões estruturais, funcionais e vasculares, de modo que o abastacimento do cérebro pelo sangue varia tanto regionalmente quanto temporalmente, a depender do estímulo recebido pelo cérebro e com a demanda de energia requerida, de modo que uma desregulação dessa organização cerebral pode levar às mais variadas doenças. No presente estudo, nós trabalhamos na interface entre o desenvolvimento de métodos de acquisição e análise de imagens bem como na aplicação tanto em sujeitos saudáveis quanto em pacientes. Em termos de aquisição de imagem, trabalhamos na optimização do modo de leitura 3D Gradiente e Spin Eco (3D GRASE) e o efeito do uso de gradientes de compensação de fluxo nas imagens. Para os dados de IVIM, analisamos o efeito de diferentes parâmetros de aquisição nos modelos de análise, com o intuito de optimizar os algorítimos de análise das imagens a fim de uma fácil aplicação na rotina de pacientes com doenças neurológicas e cerebrovasculares. Finalmente, avaliamos a capacidade de ASL no estudo de funções cerebrais, seja no estado de repouso ou durante a realização de tarefas motoras e de linguagem. Para isso, usamos um módulo de leitura duplo eco para as imagens ASL, possibilitando assim a obtenção de parâmetros adequados tanto para a quantificação do fluxo sanguíneo cerebral (CBF), quanto para a análise do sinal que é dependente do nível de oxigenação do sangue (sinal BOLD). Para isso, começamos com uma tarefa mais simples e robusta, a tarefa motora, para a validação dos modelos utilizados e posteriormente a aplicação de tais modelos em sistemas mais complexos, como o caso das redes cerebrais de linguagem. Os principais achados desta tese incluem a melhor delimitação do sinal arterial ao usar o módulo de leitura 3D GRASE segmentado e gradientes de compensação de fluxo; a demonstração da viabilidade do ASL com leitura de eco duplo para a medida simultânea da quantificação precisa de CBF e medição do sinal BOLD para análise funcional; a investigação das bases fisiológicas da reorganização funcional do cérebro e melhor localização espacial da ativação cerebral de uma tarefa cognitiva por meio do ASL com eco duplo; uma descrição do estado da arte em IVIM para doenças neurológicas e neurovasculares; uma análise do impacto dos parâmetros de aquisição e análise do IVIM para melhor ajustar as medidas de IVIM e um estudo piloto de IVIM aplicado em pacientes com glioma cerebral como um modelo de ruptura da barreira hematoencefálica.