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Neuroscience

वाइड-व्यू रेटिनोटोपिक उत्तेजना के साथ विजुअल कॉर्टेक्स के कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई)

Published: December 8, 2023 doi: 10.3791/65597
Automatic Translation
*1, *1, 2, 3, 4
1Renaissance School of Medicine at Stony Brook University, 2Department of Radiology, University of Colorado School of Medicine, 3Department of Radiology, Montefiore-Einstein, 4Department of Radiology, School of Medicine, Stony Brook University
* These authors contributed equally

Summary

हमने आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले दृश्य क्षेत्र का अधिक उपयोग करके दृश्य प्रांतस्था फ़ंक्शन को मैप करने के लिए तकनीक विकसित की है। इस दृष्टिकोण में दृष्टि विकारों और नेत्र रोगों के मूल्यांकन को बढ़ाने की क्षमता है।

Abstract

उच्च-रिज़ॉल्यूशन रेटिनोटोपिक रक्त ऑक्सीजनेशन स्तर-निर्भर (बोल्ड) कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई) एक व्यापक दृश्य प्रस्तुति के साथ परिधीय और केंद्रीय दृश्य प्रांतस्था को कार्यात्मक रूप से मैप करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। दृश्य मस्तिष्क के कार्यात्मक परिवर्तनों को मापने के लिए यह विधि ओसीसीपटल लोब के कार्यात्मक मानचित्रण की अनुमति देती है, जो मानक एफएमआरआई दृश्य प्रस्तुति सेटअप की तुलना में > 100 डिग्री (± 50 डिग्री) या दृश्य क्षेत्र के अधिक उत्तेजक होती है, जो आमतौर पर दृश्य क्षेत्र के < 30 डिग्री को कवर करती है। बोल्ड एफएमआरआई के लिए एक सरल वाइड-व्यू उत्तेजना प्रणाली को सामान्य एमआर-संगत प्रोजेक्टर का उपयोग करके विषय के चेहरे के करीब एक बड़े दर्पण या स्क्रीन को रखकर और एक मानक हेड कॉइल के केवल पीछे के आधे हिस्से का उपयोग करके स्थापित किया जा सकता है ताकि उनकी दृष्टि में बाधा डाले बिना व्यापक देखने का कोण प्रदान किया जा सके। व्यापक दृश्य रेटिनोटोपिक एफएमआरआई मानचित्र को तब विभिन्न रेटिनोटोपिक उत्तेजना प्रतिमानों का उपयोग करके चित्रित किया जा सकता है, और केंद्रीय और परिधीय दृष्टि के अनुरूप दृश्य कॉर्टिकल क्षेत्रों की कार्यात्मक गतिविधि को निर्धारित करने के लिए डेटा का विश्लेषण किया जा सकता है। यह विधि एक व्यावहारिक, आसानी से लागू होने वाली दृश्य प्रस्तुति प्रणाली प्रदान करती है जिसका उपयोग ग्लूकोमा और उनके साथ होने वाली दृष्टि हानि जैसे आंखों के रोगों के कारण परिधीय और केंद्रीय दृश्य प्रांतस्था में परिवर्तन का मूल्यांकन करने के लिए किया जा सकता है।

Introduction

कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई) उत्तेजनाओं के जवाब में दृश्य प्रांतस्था के भीतर क्षेत्रीय न्यूरोवास्कुलर फ़ंक्शन में परिवर्तन का आकलन करने के लिए एक मूल्यवान तरीका है, क्योंकि क्षेत्रीय रक्त प्रवाह में परिवर्तन मस्तिष्क क्षेत्रों 1,2 की सक्रियता से संबंधित हैं। उच्च-रिज़ॉल्यूशन रेटिनोटोपिक रक्त ऑक्सीजनेशन स्तर-निर्भर (बोल्ड) सिग्नल माप डीऑक्सीहीमोग्लोबिन में परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो मस्तिष्क 1,2 के भीतर रक्त प्रवाह और रक्त ऑक्सीजन में स्थानीयकृत परिवर्तनों द्वारा संचालित होते हैं। एफएमआरआई डेटा से एकत्र किए गए बोल्ड गतिविधि पैटर्न का उपयोग परिधीय और केंद्रीय दृश्य प्रांतस्था को कार्यात्मक रूप से मैप करने के लिए किया जा सकता है, साथ ही दृश्य हानि और न्यूरोडीजेनेरेशन3 के जवाब में रेटिनोटोपिक मानचित्र में परिवर्तन का पता लगाया जा सकता है।

अधिकांश पिछले एफएमआरआई अध्ययनों ने संकीर्ण-दृश्य (केंद्रीय दृश्य क्षेत्र के लगभग ±12 °) गैर-रेटिनोटोपिक उत्तेजनाओं या संकीर्ण-दृश्य दृश्य उत्तेजनाओं के साथ सरल रेटिनोटोपिक उत्तेजनाओं का उपयोग किया, जो दृश्य प्रांतस्था में रेटिनोटोपिक प्रतिनिधित्व के सीमित कार्यात्मक पार्सेलेशन और परिधि3 को छोड़कर केवल केंद्रीय दृश्य क्षेत्र तक सीमित मूल्यांकन प्रदान करता था। नतीजतन, संकीर्ण-दृश्य एफएमआरआई डेटा ने डॉडरामस रोगियों 4,5,6 में असंगत बोल्ड प्रतिशत परिवर्तन की सूचना दी है। इसलिए परिधीय और केंद्रीय दृश्य क्षेत्र का आकलन करने के लिए बेहतर एफएमआरआई दृष्टिकोण की आवश्यकता है, विशेष रूप से ग्लूकोमा जैसी बीमारियों के मूल्यांकन में।

ग्लूकोमा अपरिवर्तनीय अंधापन का प्रमुख कारण है, जो 80-7 वर्ष की आयु तक 10% लोगों को प्रभावित करता है। ग्लूकोमा रेटिना गैंग्लियन कोशिकाओं के प्रगतिशील, अपरिवर्तनीय न्यूरोडीजेनेरेशन के कारण होता है, जो ऑप्टिक तंत्रिका के माध्यम से मस्तिष्क को दृश्य उत्तेजनाओं को प्रसारित करने के लिए जिम्मेदार होते हैं। प्राथमिक ओपन-एंगल ग्लूकोमा (पीओएजी) में, ग्लूकोमा का सबसे आम रूप, इंट्राओकुलर दबाव में वृद्धि रेटिना तंत्रिका फाइबर परत (आरएनएफएल) के पतले होने का कारण बनती है, जिससे परिधीय दृष्टि का नुकसान होता है जिसके बाद परिधीय और केंद्रीय अंधा 8,9,10,11 होता है। जानवरों के अध्ययन से हिस्टोलॉजिकल सबूत बताते हैं कि ग्लूकोमा अतिरिक्त रूप से ऑप्टिक तंत्रिका, ऑप्टिक ट्रैक्ट, पार्श्व जीनिकुलेट नाभिक, ऑप्टिक विकिरण और दृश्य प्रांतस्था 12,13के प्रगतिशील न्यूरोडीजेनेरेशन में परिणाम देता है। एमआरआई तकनीक दृश्य प्रांतस्था में रक्त ऑक्सीजन और न्यूरोडीजेनेरेशन दोनों का आकलन करने का एक न्यूनतम इनवेसिव तरीका प्रदान करती है। ग्लूकोमा के रोगियों में, एमआरआई ने दृश्य मार्ग 13,14,15,16 में ग्रे-मैटर शोष और ऑप्टिक चियास्म, ऑप्टिक ट्रैक्ट और ऑप्टिक विकिरण 1,17,18में असामान्य सफेद पदार्थ के प्रमाण पाए हैं।

दृश्य प्रसंस्करण पर प्रभावों का पता लगाने के लिए, एफएमआरआई का उपयोग दृश्य संकेतों के जवाब में मस्तिष्क समारोह का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। इस के साथ साथ साथ साथ प्रोटोकॉल एक उपन्यास विधि का वर्णन करता है व्यापक क्षेत्र (>100 डिग्री) उत्तेजनाओं के साथ उच्च संकल्प retinotopy fMRI का उपयोग कर एक कम लागत वाली, व्यापक दृश्य रेटिनोटोपिक नक्शा प्राप्त करने के लिए, झोउ एट अल3 द्वारा वर्णित के रूप में. एफएमआरआई के लिए विलक्षणता और ध्रुवीय कोण के रेटिनोटोपिक मैपिंग को प्राप्त करने के लिए छल्ले और घूर्णन वेजेज के विस्तार की दृश्य उत्तेजनाओं का उपयोग किया गया था। बोल्ड एफएमआरआई प्रतिशत परिवर्तनों का विश्लेषण मस्तिष्क समारोह का मूल्यांकन करने के लिए सनकीपन के एक समारोह के रूप में किया गया था, जो केंद्रीय और परिधीय दृष्टि दोनों के अनुरूप था। बोल्ड एफएमआरआई प्रतिशत परिवर्तन का उपयोग पूरे दृश्य प्रांतस्था में सक्रियण की कल्पना करने के लिए किया जा सकता है। ये एफएमआरआई उपाय न्यूरोडिजेनरेटिव परिवर्तनों का मूल्यांकन करने और डॉडरामस जैसे दृश्य क्षेत्र दोषों से जुड़े आंखों के रोगों में पाए जाने वाले दृश्य प्रांतस्था पर उनके कार्यात्मक प्रभावों का मूल्यांकन करने के लिए एक विश्वसनीय नई विधि प्रदान करते हैं।

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Protocol

मानव प्रतिभागियों के साथ अनुसंधान टेक्सास स्वास्थ्य विज्ञान केंद्र विश्वविद्यालय और स्टोनी ब्रुक विश्वविद्यालय में संस्थागत दिशानिर्देशों के अनुपालन में किया गया था, इन अध्ययनों और उनके डेटा के उपयोग के लिए प्रतिभागियों से प्राप्त सूचित सहमति के साथ।

1. एमआरआई स्कैनर और इमेजिंग प्रोटोकॉल का सेटअप

  1. एफएमआरआई के लिए, मल्टी-चैनल रिसीवर हेड कॉइल के साथ 3T एमआरआई स्कैनर का उपयोग करें। विभिन्न क्षेत्र की ताकत का भी उपयोग किया जा सकता है लेकिन सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) या विरूपण कलाकृतियों के साथ कठिनाइयां पेश कर सकते हैं, इसलिए तदनुसार समायोजित करें। एफएमआरआई के लिए सिर का तार के केवल पीछे के आधे हिस्से का उपयोग करें ताकि कुंडल के पूर्वकाल आधे हिस्से द्वारा अबाधित बड़े देखने के कोण की अनुमति मिल सके।
  2. 2.2 s के पुनरावृत्ति समय (TR), 2.8 ms के गूंज समय (TE), 176 मिमी x 256 मिमी x 208 मिमी के दृश्य क्षेत्र (FOV) के साथ T1-भारित चुंबकीयकरण-तैयार तेजी से अधिग्रहण ढाल गूंज (MP-RAGE) अनुक्रम सेट करें, 1 मिमी x 1 मिमी x 1 मिमी x 1 मिमी का स्थानिक विभेदन, 190 हर्ट्ज/पिक्सेल की बैंडविड्थ, 13° का फ्लिप कोण, और 3.1 मिनट की स्कैन अवधि3.
  3. 2 s के TR, 30 ms के TE, 220 mm x 220 mm के FOV के साथ एक ग्रेडिएंट-इको, इको-प्लानर इमेजिंग (EPI) अनुक्रम सेट करें, 1.7 मिमी x 1.7 मिमी का इन-प्लेन रिज़ॉल्यूशन, 3 मिमी की मोटाई के साथ 29 स्लाइस, और 1,500 Hz/पिक्सेल3 की बैंडविड्थ।
  4. हेड कॉइल और स्कैनर बोर के आयामों को मापें, और फिर पॉलीविनाइल क्लोराइड (पीवीसी) पाइप को उपयुक्त लंबाई में काटकर और उन्हें पीवीसी कोहनी से जोड़कर एक साधारण फ्रेम का निर्माण करें। एक दर्पण प्राप्त करें जो कम से कम 25 सेमी चौड़ा और 15 सेमी लंबा हो और इसे शिकंजा के साथ प्लास्टिक की छड़ से संलग्न करें (छोटे छेद दर्पण में ड्रिल किए जा सकते हैं)।
    1. नायलॉन शिकंजा (चित्रा 1 ए) के साथ पीवीसी फ्रेम के लिए प्लास्टिक रॉड के सिरों को संलग्न करें। सुनिश्चित करें कि नायलॉन शिकंजा थोड़ा ढीला है ताकि प्रत्येक प्रतिभागी के लिए कोण को अनुकूलित करने के लिए दर्पण को हाथ से घुमाया जा सके।
  5. एमआरआई बोर के अंदर जाने के लिए एक स्क्रीन बनाएं। रियर-प्रोजेक्शन स्क्रीन के एक सेगमेंट को काटें जो लगभग एमआरआई बोर के आकार का हो। एक फ्रेम का निर्माण करें जो बोर के आकार का हो और स्क्रीन को स्क्रू के साथ फ्रेम से जोड़ दें। स्क्रीन और दर्पण के बीच की दूरी को कम करने और FOV को अधिकतम करने के लिए हेड कॉइल के ठीक पीछे स्कैनर के अंदर स्क्रीन रखें।
    नोट: यदि स्कैनर बोर काफी बड़ा है, तो प्रतिभागी के लिए दर्पण और रियर प्रोजेक्शन स्क्रीन सेटअप के बजाय सीधे देखने के लिए एक स्क्रीन का उपयोग किया जा सकता है। बैकिंग के लिए लकड़ी की एक पतली शीट से जुड़ी एक प्रोजेक्शन स्क्रीन या पतली मैट सफेद प्लास्टिक की शीट को स्क्रीन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है और दर्पण के बजाय फ्रेम पर रखा जा सकता है। प्रोजेक्टर को तब तैनात और केंद्रित किया जाना चाहिए, जैसे कि यह स्क्रीन को भर दे और फोकस में हो।

2. प्रतिभागी की तैयारी

  1. प्रतिभागी को एफएमआरआई स्कैन की प्रक्रिया, जोखिम और लाभों के बारे में सूचित करें। उनकी सूचित सहमति प्राप्त करें।
  2. सुनिश्चित करें कि प्रतिभागी को एमआरआई के लिए कोई मतभेद नहीं है। इसमें पेसमेकर, धातु प्रत्यारोपण, या क्लौस्ट्रफ़ोबिया के लिए स्क्रीनिंग शामिल है। यदि आपके पास कोई अनिश्चितता है, तो एक योग्य रेडियोलॉजिस्ट या शोधकर्ता से परामर्श करें, और यदि कोई अनिश्चितता बनी रहती है तो प्रतिभागी को अध्ययन से बाहर कर दें।
  3. दृश्य उत्तेजना प्रोटोकॉल और प्रतिभागियों को एफएमआरआई स्कैन के दौरान केंद्रीय क्रॉस पर तय करने की आवश्यकता के बारे में बताएं। प्रतिभागी को प्रक्रिया से परिचित कराने के लिए निर्देशात्मक उद्देश्यों के लिए दृश्य उत्तेजना का एक छोटा प्रदर्शन दिखाएं।
  4. प्रतिभागी को एमआरआई स्कैनर की मेज पर सावधानीपूर्वक रखें ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि वे सहज और तनावमुक्त हैं। ध्वनिक शोर को कम करने के लिए इयरप्लग और/या एक ध्वनि-भीगने वाला हेडसेट प्रदान करें जो प्रतिभागी अपनी सुनवाई की रक्षा के लिए सुनेंगे।
  5. सिर का तार सरणी के पीछे आधे में प्रतिभागी के सिर स्थिरीकरण, सिर के किनारों पर फोम गद्दी का उपयोग करके सुनिश्चित करें कि सिर ठीक से गति कलाकृतियों को कम करने के लिए स्थिर है. स्कैनर की पोजिशनिंग सिस्टम का उपयोग करें और टेबल को स्कैनर बोर में ले जाएं।
  6. वाइड-व्यू स्क्रीन या दर्पण को रोगी की आंखों से 10 सेमी(चित्रा 1बी)रखें। स्कैनर बोर के पीछे से बोर के आकार की स्क्रीन को हेड कॉइल के ठीक पीछे रखें। एक सुसंगत देखने के कोण को प्राप्त करने के लिए प्रत्येक प्रतिभागी के लिए दर्पण/स्क्रीन की स्थिति और कोण को समायोजित करें।
  7. सुनिश्चित करें कि प्रतिभागी इंटरकॉम के माध्यम से संचार के माध्यम से पूरे स्कैन में सहज है।

3. प्रतिभागी की एफएमआरआई स्कैनिंग

  1. आवृत्ति समायोजन और शिमिंग के लिए तीन ऑर्थोगोनल विमानों और स्कैनर समायोजन और अंशांकन के साथ एक लोकलाइज़र स्कैन चलाएं।
  2. EPI स्लाइस की स्थिति में मदद करने के लिए MP-RAGE एनाटोमिकल स्कैन चलाएँ।
  3. दृश्य उत्तेजनाओं बनाएँ, के रूप में निम्नलिखित चरणों में वर्णित है, व्यवहार या मनोवैज्ञानिक प्रयोगों को चलाने के लिए एक कार्यक्रम का उपयोग कर.
  4. एफएमआरआई प्रोटोकॉल की शुरुआत में, प्रतिभागी को सफेद क्रॉस (3 डिग्री x 3 डिग्री) पर फिक्सेट करने का निर्देश दें, जो 10 एस के लिए उत्तेजनाओं के केंद्र में एक ग्रे पृष्ठभूमि के शीर्ष पर होना चाहिए।
    नोट: सफेद क्रॉस 10 एस के लिए प्रत्येक दृश्य उत्तेजना प्रतिमान से पहले और बाद में दिखाया जाएगा। इस प्रकार, प्रत्येक प्रतिमान के लिए कुल एफएमआरआई उत्तेजना परीक्षण 200 एस है।
  5. 30 s की अवधि के लिए पहला दृश्य उत्तेजना प्रतिमान (घूर्णन वेजेज की एक श्रृंखला) प्रस्तुत करें (6°/s का कोणीय वेग देते हुए) और छह अवधियों के माध्यम से चक्र। पच्चर उत्तेजनाओं घूर्णन वेजेज के 12 फ्रेम (दक्षिणावर्त रोटेशन के साथ एक स्कैन और वामावर्त के साथ एक) शामिल होना चाहिए, स्क्रीन/दर्पण (>100 डिग्री दृश्य क्षेत्र) के किनारे तक फैली हुई है, जिसमें 8 हर्ट्ज कंट्रास्ट-रिवर्सिंग ब्लैक एंड व्हाइट (100% कंट्रास्ट) बिसात पैटर्न(चित्रा 2ए)।
  6. सफेद क्रॉस को एक बार फिर 10 एस के लिए प्रस्तुत करें।
  7. 30 एस (दृश्य क्षेत्र के 1.8 डिग्री / एस पर विस्तार या अनुबंध) की अवधि के लिए दूसरी दृश्य उत्तेजना प्रतिमान (विस्तार और अनुबंध के छल्ले की एक श्रृंखला) के साथ कदम 3.4-3.6 दोहराएँ और छह अवधि के माध्यम से चक्र. अंगूठी उत्तेजनाओं विस्तार या एक 8 हर्ट्ज विपरीत उलट काले और सफेद (100% विपरीत) बिसात पैटर्न >(चित्रा 2 बी) के साथ छल्ले अनुबंध के आठ फ्रेम शामिल होना चाहिए.
  8. एफएमआरआई को पूरा करने के बाद, प्रतिभागी को अभी भी रहने का निर्देश देते हुए टेबल को स्कैनर बोर से बाहर ले जाएं। दर्पण/स्क्रीन निकालें, पीछे के तार के अलावा हेड कॉइल के पूर्वकाल भाग को रखें, और तालिका को स्कैनर के केंद्र में वापस ले जाएं।
  9. किसी भी आंदोलन के मामले में एक त्वरित लोकलाइज़र स्कैन प्राप्त करें और पूर्ण हेड कॉइल के साथ एमपी-रेज स्कैन प्राप्त करें।
    नोट: पूरे सिर का तार के साथ एक शारीरिक छवि समूह विश्लेषण और पुनर्निर्माण प्रयोजनों के लिए सटीक पंजीकरण के लिए आवश्यक है।

4. रेटिनोटोपिक एफएमआरआई डेटा का विश्लेषण

  1. एमआरआई विश्लेषण (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20के लिए फ्रीसर्फर एप्लिकेशन डाउनलोड और इंस्टॉल करें।
    नोट: FreeSurfer संस्करण 5.3.0 का उपयोग यहां किया गया था।
  2. एमआरआई स्कैनर से डिजिटल इमेजिंग एंड कम्युनिकेशंस इन मेडिसिन (डीआईसीओएम) प्रारूप में छवियां प्राप्त करें। DCM2niix एप्लिकेशन (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21 का उपयोग करके DICOM फ़ाइलों को निफ्टी प्रारूप में बदलें।
  3. कॉर्टिकल सतह संदर्भ प्रदान करने के लिए T1-भारित स्कैन को संसाधित करें, जैसा कि निम्नलिखित दो चरणों में वर्णित है। संरचनात्मक डेटा को निफ्टी प्रारूप से .mgz प्रारूप (mri_convert कमांड) में बदलने के लिए FreeSurfer का उपयोग करें।
  4. संरचनात्मक डेटा के स्वचालित विभाजन और कॉर्टिकल पुनर्निर्माण करने के लिए शेल वातावरण में रिकॉन-ऑल कमांड का उपयोग करें।
    नोट: इस चरण को पूरा करने में 20 घंटे से अधिक समय लग सकता है।
  5. फुलाए हुए गोलार्ध को देखने के लिए ग्राफिकल यूजर इंटरफेस tksurfer का उपयोग करें और वस्तुतः कैल्केरिन फिशर के साथ दृश्य प्रांतस्था को काट लें, और ओसीसीपटल लोब का चयन करें। दृश्य प्रांतस्था पैच समतल करने के लिए mris_flatten कमांड का उपयोग करें। दोनों गोलार्द्धों के लिए इस कदम को दोहराएँ.
  6. एफएमआरआई डेटा के लिए, पहले बाकी अवधि को हटा दें, केवल फिक्सेशन क्रॉस प्रस्तुत किया गया है, डेटा की शुरुआत और अंत से। कलाकृतियों या बड़े आंदोलनों के लिए एफएमआरआई डेटा स्क्रीन करें।
  7. स्थानिक चौरसाई और गति सुधार के लिए कार्यात्मक डेटा को प्रीप्रोसेस करें। रेटिनोटोपिक उत्तेजना प्रतिमान मॉडल करें और प्रतिक्रिया फ़ंक्शन के निर्माण के लिए एक विहित हेमोडायनामिक प्रतिक्रिया फ़ंक्शन लागू करें।
  8. एक मॉडल प्रतिक्रिया समारोह के साथ बोल्ड एफएमआरआई समय श्रृंखला को सहसंबंधित करने के लिए फ्रीसर्फर कार्यात्मक विश्लेषण स्ट्रीम (एमकेएनालिसिस-सेस, सेल्क्सएवीजी 3-सेस, और फील्डसाइन-सेस कमांड) का उपयोग करके एफएमआरआई डेटा का रेटिनोटोपिक चरण-एन्कोडेड विश्लेषण करें और पी < 0.01 (चित्रा 3) के महत्व स्तर के साथ चरण-एन्कोडेड रेटिनोटोपिक मानचित्र प्राप्त करें।
  9. रंग-कोडित सक्रियण मानचित्रों के परिणामों को tksurfer-sess कमांड का उपयोग करके वस्तुतः चपटा दृश्य प्रांतस्था पर मढ़ा हुआ रंग-कोडित सक्रियण मानचित्रों के साथ विज़ुअलाइज़ करें, और rtview कमांड का उपयोग करके प्रदर्शित करें।
  10. शारीरिक स्थलों और फ्रीसर्फर एटलस के साथ-साथ फील्ड साइन मैप्स(चित्रा 3ए)द्वारा प्राथमिक दृश्य प्रांतस्था (V1) और अन्य अतिरिक्त स्ट्राइएट क्षेत्रों (V2 और V3) की सीमाओं को परिभाषित करने में मदद करने के लिए वेज उत्तेजनाओं से चरण-एन्कोडेड रेटिनोटोपिक मानचित्रों का उपयोग करें।
  11. विभिन्न विलक्षणताओं पर बोल्ड प्रतिक्रिया की गणना करने के लिए, पहले एफएसएल करतब (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) का उपयोग करें ताकि जेड > 22,23 के जेड-स्कोर थ्रेशोल्ड के साथ रिंग उत्तेजनाओं के प्रत्येक आकार के लिए एक सामान्य रैखिक मॉडल का उपयोग करके सांख्यिकीय मानचित्रों की गणना की जा सके। यदि समूह विश्लेषण किया जा रहा है, तो विभिन्न विलक्षणताओं पर बोल्ड प्रतिक्रिया निर्धारित करने में मदद करने के लिए एफएसएल करतब के साथ समूह मतभेदों के सांख्यिकीय मानचित्रों के लिए दूसरे स्तर के विश्लेषण की गणना करें।
  12. प्रतिभागी के fMRI डेटा को उनके मस्तिष्क की संरचनात्मक संरचनात्मक छवि में संरेखित करने और सटीक स्थानिक संरेखण सुनिश्चित करने के लिए FreeSurfer bbregister और tkregister2 कमांड का उपयोग करके पुनर्निर्मित कॉर्टिकल सतह पर fMRI छवियों को सह-पंजीकृत करें।
  13. आठ फ्रेम में से प्रत्येक के लिए सनकीपन द्वारा अंगूठी उत्तेजनाओं समूह. मैन्युअल रूप से प्रत्येक फ्रेम के लिए सक्रिय voxel क्षेत्रों के आधार पर विभिन्न सनकी के लिए ब्याज के क्षेत्रों आकर्षित. बोल्ड प्रतिशत परिवर्तन लें और उन्हें सनकीपन के एक समारोह के रूप में प्लॉट करें। इसके अलावा, केंद्रीय (< ±12 °) और परिधीय (> ±12 °) क्षेत्रों में विलक्षणता डेटा बिन करें, जहां रेटिनोटोपिक एफएमआरआई अध्ययनों के लिए ±12 ° दृश्य उत्तेजना विशिष्ट है।

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Representative Results

पीओएजी (चार पुरुष, 36-74 वर्ष) और नौ आयु-मिलान वाले स्वस्थ स्वयंसेवकों (छह पुरुषों, 53-65) के साथ निदान किए गए नौ प्रतिभागियों का मूल्यांकन उपरोक्त वाइड-व्यू एफएमआरआई प्रोटोकॉल का उपयोग करके किया गया था, जैसा कि पहले झोउ एट अल3 द्वारा वर्णित किया गया था। POAG को ग्लूकोमा, ऑप्टिक डिस्क क्यूपिंग और/या 21 mmHg3 से अधिक इंट्राओकुलर प्रेशर (IOP) के अनुरूप दृश्य क्षेत्र दोषों की प्रस्तुति के आकलन द्वारा एक खुले कोण वाले रोगियों में नैदानिक रूप से पुष्टि की गई थी। प्रत्येक समूह3 में केंद्रीय और परिधीय दृष्टि का मूल्यांकन करने के लिए एक व्यापक दृश्य दृश्य प्रस्तुति (±55 °) का उपयोग किया गया था।

चित्रा 3 एक पीओएजी और स्वस्थ नियंत्रण प्रतिभागी से ध्रुवीय (पच्चर) और सनकी (अंगूठी) उत्तेजनाओं के लिए रेटिनोटोपिक एफएमआरआई मानचित्रों को दर्शाता है। ध्रुवीय नक्शे (चित्रा 3 ए) ने पीओएजी और स्वस्थ प्रतिभागियों के बीच कोई स्पष्ट अंतर नहीं दिखाया। सनकी नक्शे (चित्रा 3 बी) से पता चला है कि पैराफोविया का मध्य क्षेत्र जो छोटे रिंग उत्तेजनाओं द्वारा सक्रिय किया गया था, स्वस्थ प्रतिभागी की तुलना में पीओएजी रोगी में बड़ा दिखाई दिया। पीओएजी प्रतिभागियों के दृश्य प्रांतस्था में बढ़े हुए पैराफोवियल क्षेत्र परिधीय दृष्टि गड़बड़ी के जवाब में कॉर्टिकल परिवर्तन का सुझाव देते हैं।

पीओएजी उपसमूहों और स्वस्थ नियंत्रण समूह के बीच केंद्रीय (<24 डिग्री) और परिधीय (>24 डिग्री) दृश्य क्षेत्रों के लिए बोल्ड प्रतिशत परिवर्तनों की तुलना की गई(चित्रा 4)। स्वस्थ नियंत्रण प्रतिभागियों की तुलना में पीओएजी रोगियों में विभिन्न विलक्षणताओं पर बोल्ड प्रतिशत परिवर्तन कम हो गए थे, मुख्य रूप से अधिक परिधीय विलक्षणताओं (चित्रा 4ए) पर। बोल्ड प्रतिशत परिवर्तन दो समूहों के बीच काफी कम हो गए थे, बड़े विलक्षणताओं पर अधिक (पी < 0.05, बोनफेरोनी पोस्ट हॉक टेस्ट के साथ दो-तरफा एनोवा)। केंद्रीय दृष्टि (सभी उत्तेजनाओं <24 डिग्री) के लिए औसत बोल्ड प्रतिशत परिवर्तन केवल थोड़ा और पीओएजी रोगियों में काफी कम नहीं थे, जबकि परिधीय दृष्टि (सभी उत्तेजनाओं >24 डिग्री) के लिए बोल्ड प्रतिक्रिया काफी कम हो गई थी(चित्रा 4बी)। ये परिणाम परिधीय या केंद्रीय दृष्टि के लिए स्थानीयकृत दृश्य प्रांतस्था समारोह में परिवर्तन का आकलन करने के लिए इस प्रोटोकॉल की संभावित उपयोगिता को इंगित करते हैं, जो डॉडरामस जैसे दृश्य विकारों के लिए प्रासंगिक है।

Figure 1
चित्रा 1: प्रायोगिक सेटअप। (ए) पीवीसी पाइप से निर्मित फ्रेम के साथ 25 सेमी चौड़ा 15 सेमी लंबा दर्पण जगह में आयोजित किया जाता है। (बी) एमआरआई स्कैनर पर प्रस्तुति प्रणाली का सेटअप, एक सिर सरणी कुंडल, दर्पण और फ्रेम, और सीधे सिर कुंडल के पीछे बोर में बैक-प्रोजेक्शन स्क्रीन (तीर) दिखा रहा है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: दृश्य उत्तेजना प्रतिमान। (ए) ध्रुवीय रेटिनोटोपिक दृश्य उत्तेजना प्रतिमान से तीन फ्रेम, जिसमें एक विपरीत-वैकल्पिक चेकरबोर्ड पैटर्न के साथ दक्षिणावर्त और वामावर्त कताई वेजेज होते हैं। (बी) सनकी प्रतिमान से तीन फ्रेम, जिसमें एक विपरीत-वैकल्पिक चेकरबोर्ड पैटर्न के साथ छल्ले का विस्तार और अनुबंध होता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: रेटिनोटोपिक ध्रुवीय और विलक्षणता मानचित्र। प्रतिनिधि (ए) एक सामान्य नियंत्रण से एक घूर्णन पच्चर का उपयोग करके ध्रुवीय मानचित्र और (बी) एक सामान्य नियंत्रण और एक पीओएजी प्रतिभागी से विस्तार / बाएँ और दाएँ दोनों गोलार्द्धों (LH और RH) को परिभाषित दृश्य कॉर्टिकल सीमाओं (V1, V2, और V3) के साथ दिखाया गया है। प्रत्येक प्रतिमान से एक फ्रेम केंद्रीय इनसेट में दिखाया गया है. रंग तराजू दृश्य क्षेत्र के संबंधित क्षेत्रों के लिए मानचित्र, जैसा कि रंग पहियों द्वारा इंगित किया गया है, ए) पच्चर उत्तेजनाओं के ध्रुवीय कोण पर मानचित्रण, और बी) अंगूठी उत्तेजनाओं की विलक्षणता के लिए मानचित्रण। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: सनकी और केंद्रीय या परिधीय दृश्य क्षेत्रों के एक समारोह के रूप में बोल्ड प्रतिशत परिवर्तन। (ए) स्वस्थ नियंत्रण और पीओएजी रोगियों में अंगूठी उत्तेजनाओं से समूह-औसत बोल्ड प्रतिशत परिवर्तन सनकीपन के एक समारोह के रूप में। अंगूठी उत्तेजनाओं के प्रत्येक आकार के लिए बोल्ड प्रतिशत परिवर्तन प्रत्येक सनकीपन पर डेटा देने के लिए गणना की गई थी। (बी) सभी विलक्षणताओं से डेटा बिनिंग करके, दृश्य क्षेत्र के केंद्रीय (< ±12 डिग्री) और परिधीय (> ±12 डिग्री) के स्वस्थ नियंत्रण और पीओएजी रोगियों के बीच बोल्ड प्रतिशत परिवर्तन। डेटा माध्य की मानक त्रुटि ± माध्य हैं। * पी < 0.05, पोस्ट हॉक सहसंबंध के साथ दो-कारक एनोवीए। यह आंकड़ा अनुमति के साथ झोउ एट अल.3 से संशोधित किया गया है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

वाइड-व्यू रेटिनोटोपिक एफएमआरआई के उपयोग के लिए उपरोक्त प्रोटोकॉल मस्तिष्क पर दृष्टि हानि और आंखों की बीमारियों के प्रभावों का मूल्यांकन करने के लिए एक अभिनव तरीका है। एक व्यापक-दृश्य स्क्रीन के उपयोग के साथ दृश्य प्रांतस्था के व्यापक क्षेत्र रेटिनोटोपिक मानचित्रण के माध्यम से, यह दृष्टिकोण दृश्य प्रणाली के कार्यात्मक संगठन की अधिक व्यापक समझ के लिए अनुमति देता है। इससे मस्तिष्क की दृश्य प्रसंस्करण प्रणाली में असामान्यताओं की बेहतर समझ हो सकती है, जो न्यूरोडीजेनेरेशन में होती है, जैसे ग्लूकोमा24,25 में। इस तकनीक का पता लगाने और अन्य स्थितियों है कि अंधापन के कारण में मस्तिष्क अध: पतन और पुनर्गठन का पता लगाने और विश्लेषण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जैसे उम्र से संबंधित धब्बेदार अध: पतन26,27.

एक एकल मानव आंख में लगभग 100 ° दृश्य कोण होता है। अधिकांश दृश्य एफएमआरआई अध्ययनों में उपयोग की जाने वाली पिछली तकनीकों ने 30 डिग्री से कम के एफओवी का उपयोग किया, दृश्य प्रांतस्था के हिस्से को सीमित किया जिसे एफएमआरआई28 द्वारा सक्रिय और विश्लेषण किया जा सकता था। नतीजतन, परिधीय दृष्टि की कल्पना नहीं की जा सकी, जिससे सभी विश्लेषणों को पूरी तरह से केंद्रीय दृश्य क्षेत्र पर केंद्रित किया जा सके। नैदानिक रूप से, यह चिकित्सकों को सटीक रूप से प्रीऑपरेटिव कॉर्टिकल मैपिंग करने से रोकता है, मस्तिष्क सर्जरी करते समय महत्वपूर्ण स्थानों से बचने के लिए महत्वपूर्णहै 29. इस प्रोटोकॉल में वर्णित व्यापक दृश्य रेटिनोटोपिक एफएमआरआई तकनीक के साथ, दृश्य कोण को 100 डिग्री (± 50 डिग्री) 3,30,31 तक बढ़ा दिया गया है। एक विस्तृत दृश्य छवि के लिए अनुमति देने और सिर के तार के कारण दृश्य बाधा को कम करने के लिए, केवल सिर का तार के पीछे आधा उपयोग किया जाता है। हेड कॉइल में आमतौर पर एक अपेक्षाकृत छोटी खिड़की होती है, जिसमें सलाखों के साथ व्यापक दृश्य रेटिनोटोपिक उत्तेजनाओं को पूरी तरह से देखने की क्षमता बाधित होती है। हालांकि, हेड कॉइल के केवल पीछे के हिस्से का उपयोग करने से मस्तिष्क में बड़ी सिग्नल असमानता होती है और पूर्वकाल और मध्य क्षेत्रों में एसएनआर कम हो जाता है। छवि गुणवत्ता और पीछे पश्चकपाल पालि के एसएनआर भारी32 प्रभावित नहीं किया जाना चाहिए. हालांकि, कॉइल के केवल पीछे के हिस्से का उपयोग करने का सटीक प्रभाव संभवतः एक विशिष्ट कॉइल डिज़ाइन (सरणी कॉइल की संख्या और आकार) पर निर्भर करता है, इसलिए पूर्वकाल भाग के साथ और बिना कुछ विषयों में एसएनआर या सिग्नल-टू-शोर उतार-चढ़ाव अनुपात का परीक्षण किया जा सकता है यदि किसी दिए गए कॉइल32 के साथ महत्वपूर्ण एसएनआर हानि की चिंता है।

T1-भारित MP-RAGE अनुक्रम का उचित सेटअप उच्च-रिज़ॉल्यूशन मस्तिष्क संरचनात्मक छवियों के लिए कार्यात्मक छवियों को ठीक से पंजीकृत करने और टेम्पलेट्स के लिए या समूह अध्ययन के लिए शारीरिक पंजीकरण के लिए आवश्यक है। जैसे, हम पूरे हेड कॉइल का उपयोग करके T1-भारित छवि प्राप्त करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप fMRI स्कैन के सापेक्ष प्रतिभागी की थोड़ी सी गति हो सकती है। शारीरिक स्कैन के लिए एफएमआरआई का संरेखण एक नियमित विश्लेषण कदम है, इसलिए यह कोई मुद्दा नहीं होना चाहिए। वैकल्पिक रूप से, पूर्वकाल कॉइल के बिना टी 1-भारित छवि का अधिग्रहण किया जा सकता है, लेकिन छवि असमानता एक संदर्भ टेम्पलेट में पंजीकरण की गुणवत्ता को प्रभावित कर सकती है। गति कलाकृतियों से बचने के लिए, यह ठीक से सिर का तार के भीतर प्रतिभागी के सिर immobilize करने के लिए महत्वपूर्ण है. गति कलाकृतियां स्वाभाविक रूप से उचित स्थिरीकरण के बिना हो सकती हैं, जो एकत्र किए गए एफएमआरआई डेटा की गुणवत्ता को नकारात्मक रूप से प्रभावित करेगी, जिससे विश्लेषण से खराब परिणाम सामने आएंगे। जबकि पोस्ट-प्रोसेसिंग गति सुधार एफएमआरआई विश्लेषण के लिए नियमित है, बड़े आंदोलन अभी भी परिणामों को प्रभावित कर सकते हैं, इसलिए डेटा गुणवत्ता के लिए कार्यात्मक स्कैन की जांच करना और प्रमुख कलाकृतियों के साथ अध्ययन को त्यागना महत्वपूर्ण है। इस प्रोटोकॉल में, प्रतिभागियों को आधारभूत बोल्ड डेटा प्राप्त करने के लिए, प्रत्येक दृश्य उत्तेजना प्रतिमान से पहले और बाद में, 10 एस के लिए एक सफेद क्रॉस पर ध्यान केंद्रित करने का निर्देश दिया गया था। इससे बेसलाइन पर एफएमआरआई की परिवर्तनशीलता को कम करने में मदद मिली, और वास्तविक दृश्य डेटा परीक्षण शुरू होने से पहले विषय के मस्तिष्क को स्कैनर ध्वनियों और पृष्ठभूमि स्क्रीन चमक को समायोजित करने की अनुमति दी।

विभिन्न प्रकार के वैकल्पिक दृष्टिकोण हैं जिन्हें व्यापक दृश्य एफएमआरआई के लिए माना जा सकता है। यहां वर्णित दृष्टिकोण, सिर के तार के केवल पीछे के आधे हिस्से के साथ एक बड़ी स्क्रीन/दर्पण का उपयोग करके, लगभग 100 ° FOV 3,30 तक एक मध्यम चौड़ा दृश्य प्रदान कर सकता है। दर्पण/स्क्रीन बनाने की लागत बहुत कम है (संभावित रूप से 28 प्रदान करता है। प्रतिभागी को स्क्रीन पर ध्यान केंद्रित करने में सक्षम होने के लिए एमआर-संगत चश्मे की आवश्यकता थी। एलिस एट अल भी एक समान दृष्टिकोण का इस्तेमाल किया, लेकिन प्रोजेक्टर बोर के तल पर एक दर्पण पर नीचे झुका हुआ है, जो उत्तेजनाओं को सीधे विषय के चेहरे के ऊपर बोर के शीर्ष पर परिलक्षित करता है, जो 115 ° दृश्य कोण32 प्रदान करता है। दृश्य घुमावदार बोर द्वारा विकृत है, जो उत्तेजनाओं के लिए छवियों को सही करने के लिए विकृत किया जा करने की आवश्यकता है. इस दृष्टिकोण का एक विस्तार हाल ही में स्कैनर बोर के शीर्ष पर एक कस्टम घुमावदार स्क्रीन और दो दर्पणों के साथ रिपोर्ट किया गया था जो 175 ° 34 के अल्ट्रा-वाइड एफओवी प्रदान करने में सक्षम थे। इनमें से कुछ रिपोर्ट किए गए तरीकों ने हेड कॉइल के पूर्वकाल भाग का उपयोग किया और अन्य ने नहीं किया; हालांकि, इनमें से किसी भी तरीके का उपयोग किसी भी तरह से किया जा सकता है, संभावित रूप से पूर्वकाल कॉइल का उपयोग करके थोड़ा अधिक एसएनआर के साथ, लेकिन कम दृश्य कोण और दृश्य क्षेत्र के कुछ हिस्सों के ट्रेडऑफ के साथ अवरुद्ध किया जा रहा है। प्रोजेक्टर का उपयोग करने वाली सभी विधियों के साथ एक संभावित सीमा यह है कि, कस्टम आकार और स्थान वाली स्क्रीन के लिए, प्रोजेक्टर को प्रोजेक्टर/लेंस को समायोजित करके, प्रोजेक्टर को स्थानांतरित करके, या कस्टम लेंस प्राप्त करके अनुमानित छवि के फोकस और आकार के लिए समायोजित किया जाना चाहिए यदि पिछली विधियां पर्याप्त नहीं हैं।

एक अन्य दृष्टिकोण ने स्क्रीन के रूप में घुमावदार अंत के साथ एक पारदर्शी प्लास्टिक रॉड का उपयोग किया, एक प्रोजेक्टर के साथ 120 डिग्री का थोड़ा बड़ा दृश्य कोण प्रदान करने के लिए, जो एफओवी को सीमित किए बिना पूर्वकाल सिर कॉइल का उपयोग करने के साथ संगत है। हालांकि, केवल एककोशिकीय उत्तेजना का प्रदर्शन किया जा सकता है। प्रोजेक्टर के लिए एक विशेष लेंस की आवश्यकता होती है, जो लागत को बढ़ाता है, और प्रतिभागी को स्क्रीन पर ध्यान केंद्रित करने में सक्षम होने के लिए संपर्क लेंस पहना जाना चाहिए, जो सेटअप को जटिल बनाता है31. इसी तरह के दृष्टिकोण ने फाइबर-ऑप्टिक बंडलों का उपयोग स्क्रीन से छवियों को सीधे प्रसारित करने और प्रस्तुत करने के लिए किया था, जो 120 ° 33 तक का दृश्य कोण प्रदान करता था। संपर्क लेंस भी पहना जाना चाहिए, और एक समय में केवल एक आंख को उत्तेजित किया जा सकता है। इस विधि प्रस्तुति के लिए अपेक्षाकृत कम संकल्प हो सकता है और मामूली महंगा33 हो सकता है जो एक लंबे और उच्च घनत्व फाइबर ऑप्टिक बंडल, की आवश्यकता है.

दृश्य हानि और नेत्र रोग दृश्य प्रांतस्था की संरचना और कार्य को प्रभावित कर सकते हैं। बोल्ड एफएमआरआई का उपयोग रेटिनोटोपिक कॉर्टिकल फ़ंक्शन की कल्पना करने के लिए किया जा सकता है, लेकिन एफएमआरआई के लिए उपयोग की जाने वाली अधिकांश दृश्य प्रस्तुति प्रणाली केवल केंद्रीय दृश्य क्षेत्र को उत्तेजित करती है। यह प्रोटोकॉल एफएमआरआई के लिए एक व्यापक-दृश्य प्रस्तुति प्रणाली के कार्यान्वयन का वर्णन करता है जिसका उपयोग परिधीय और केंद्रीय दृश्य प्रांतस्था को कार्यात्मक रूप से मैप करने के लिए किया जा सकता है। इस प्रणाली को सामान्य एमआर-संगत प्रोजेक्टर का उपयोग करके आसानी से और कम लागत पर स्थापित किया जा सकता है। हालांकि कुछ सीमाओं के साथ, वर्णित प्रोटोकॉल में लागत और परिशुद्धता को संतुलित करने वाले स्तर पर केंद्रीय और परिधीय दृष्टि के अनुरूप दृश्य प्रांतस्था के कार्यों का विश्लेषण करने की क्षमता है। इस विधि के माध्यम से एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण दृश्य प्रसंस्करण के लिए विभिन्न क्षेत्रों के बीच विभिन्न प्रकार के दृश्य उत्तेजनाओं और मस्तिष्क संचार के आधार पर चयनात्मक सक्रियण निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। इस विधि का उपयोग दृष्टि हानि और ग्लूकोमा जैसे नेत्र रोगों के कारण परिधीय और केंद्रीय दृश्य प्रांतस्था के कार्य में परिवर्तन का मूल्यांकन करने के लिए किया जा सकता है। इसलिए इस तकनीक में नेत्र रोगों के निदान, प्रबंधन और उपचार में अनुप्रयोग हैं।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस काम को राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान [R01EY030996] द्वारा समर्थित किया गया था।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1/4"-20 nylon machine screws, knurled head thumb screw to attach rod to PVC frame
1-1/4 inch PVC pipe length of ~5-10 ft is needed
3T MRI scanner Siemens
6-32 nylon machine screws, rounded head to attach mirror/screen to rod
8-channel head array coil Siemens
90 degree PVC elbow, 1-1/4 inch fitting
Acrylic mirror Width and length of 25-30cm
Acrylic rod 1 inch width, ~ 2 ft long depening on size of scanner bore and head coil
E-Prime Psychology Software Tools to prepare and present visual stimuli paradigms
Plywood sheet, 1/2 inch thick Size should be at least as large as the scanner bore. Cut as bore-sized frame for the projection screen
Rear projection screen Size should be at least as large as the scanner bore

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वाइड-व्यू रेटिनोटोपिक उत्तेजना के साथ विजुअल कॉर्टेक्स के कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई)
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Galenchik-Chan, A., Chernoff, D.,… More

Galenchik-Chan, A., Chernoff, D., Zhou, W., Duong, T. Q., Muir, E. R. Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) of the Visual Cortex with Wide-View Retinotopic Stimulation. J. Vis. Exp. (202), e65597, doi:10.3791/65597 (2023).

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