Hochauflösende Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Mittelhirn

Summary

Dieser Artikel beschreibt Techniken zur hochauflösenden funktionellen Kernspintomografie mit 1,2 mm Probenahme in der menschlichen Mittelhirn und subkortikalen Strukturen mit einem 3T Scanner durchführen. Die Verwendung dieser Techniken, um topographische Karten der visuellen Stimulation in der menschlichen Colliculus superior (SC) zu lösen ist als ein Beispiel gegeben.

Abstract

Funktionelle MRT (fMRT) ist ein weit verbreitetes Werkzeug zur nichtinvasiven Messung Korrelate der menschlichen Gehirnaktivität. Allerdings hat die Verwendung meist auf das Messen der Aktivität auf der Oberfläche der Hirnrinde als in subkortikalen Regionen wie Mittelhirn und Hirnstamm konzentriert. Subkortikale fMRI überwinden muss zwei Herausforderungen: räumliche Auflösung und physiologisches Rauschen. Hier beschreiben wir ein optimiertes Set von Techniken entwickelt, um hochauflösende fMRT in der menschlichen SC, eine Struktur auf der dorsalen Fläche des Mittelhirns durchzuführen; Die Methoden können auch auf andere Bild Hirnstamm und subkortikalen Strukturen verwendet werden.

Hochauflösende (1,2 mm Voxel) fMRI des SC erfordert einen nicht-konventionellen Ansatz. Die gewünschte räumliche Abtastung wird mit Hilfe einer Multi-Shot (verschachtelt) Spiral-Akquisition ^ein. Da T ₂ * von SC Gewebe länger als in der Rinde, eine entsprechend mehr Echozeit _(TE ~ 40 ms) mit Maximieren funktionalen Kontrast. Um das volle Ausmaß der SC zu decken, werden 8-10 Scheiben erhalten. Für jede Sitzung ein strukturelles Anatomie mit der gleichen Schicht wie die Verschreibung fMRI wird auch erhalten, die verwendet wird, um die funktionellen Daten zu einem hochauflösenden Referenzvolumen auszurichten.

In einer separaten Sitzung, für jedes Fach, schaffen wir eine hoch auflösende (0,7 mm Probenahme) Referenz-Lautstärke mit einem T _{1-gewichteten} Sequenz, die gute Gewebeverträglichkeit Gegensatz gibt. In der Referenz-Lautstärke, ist die Region im Mittelhirn segmentiert mit dem ITK-SNAP Software-Anwendung ^2. Diese Segmentierung wird verwendet, um eine 3D-Oberfläche Darstellung des Mittelhirns, die sowohl eine präzise und einfache ³ zu schaffen. Die Oberfläche Ecken und Normalen werden verwendet, um eine Straßenkarte der Tiefe von der Oberfläche Mittelhirn innerhalb des Gewebes ^{4 zu} erzeugen.

Funktionelle Daten in das Koordinatensystem des segmentierten Referenz-Volumenstrom transformiert. Tiefe Verbände der Voxelermöglichen die Mittelung der fMRT-Zeitreihen im angegebenen Tiefe reicht, um Signalqualität zu verbessern. Die Daten werden auf der 3D-Oberfläche zur Visualisierung erstellt.

In unserem Labor verwenden wir diese Technik zur Messung von topographischen Karten der visuellen Stimulation und verdeckten und offenen visuelle Aufmerksamkeit innerhalb der ^SC-1. Als Beispiel zeigen wir die topographische Darstellung der Polarwinkel zur visuellen Stimulation in SC.

Protocol

1. Polar-Winkel Topographie Stimulus und Psychophysik

Um einen polaren Winkel retinotopen-Karte in der SC zu erhalten, verwenden wir eine 90 °-Keil von sich bewegenden Punkten als Stimulus (Exzentrizität 2-9 ° Sehwinkel, bedeuten dot-Speed ​​4 ° / sec) (Abb. 1). Es ist bekannt, dass Aktivität in der SC durch die Anwendung verdeckter Aufmerksamkeit ⁵ wird erweitert, daher verwenden wir eine Aufmerksamkeit Aufgabe in unserem Paradigma zur Verfügung Signal zu erhöhen. Auf je 2 s-Studie werden die Personen angewiesen, heimlich auf den gesamten Keil besuchen und führen Sie eine Geschwindigkeit von Diskriminierung Aufgabe unter Beibehaltung Fixierung. Der Keil wird in 2 × 3 virtuelle Sektoren mit Punkten in einer der Sektoren, die zufällig für jede Versuchsperson ausgewählt, bewegen sich langsamer oder schneller als alle anderen Punkte geteilt. Nach jedem Versuch wird der Keil um 30 ° gedreht um Fixierung, so dass der Reiz vollständig rotiert mit einer 24 Sek. Zeit. Jeder Lauf besteht aus 9,5 Umdrehungen des Stimulus (228 sec) und experimentellen Sitzungen umfassen16-18 Läufe.

Zum Thema Performance an dieser Aufgabe während der gesamten Dauer der einzelnen Läufe zu halten, wird die Schwierigkeit der Aufgabe angepasst mit Hilfe von zwei zufällig verschachtelt Zwei-bis-Eins-Down-Treppen. Nach jeweils zwei aufeinander folgenden richtigen Studien der Geschwindigkeitsunterschied wird um 8% reduziert, und für jeden falschen Versuch, die Differenz wird um 8% erhöht.

Vor dem Scannen zu üben alle Probanden die visuelle Aufgabe außerhalb des Scanners, bis sie eine stabile Niveau der Leistung zu erreichen; dies erfordert 4.3 20 Minuten Dauer Trainingssitzungen. Typische Diskriminierung Schwellenwerte liegen im Bereich von 1 ° -1,5 ° / sek.

2. Betreff Vorbereitung

1. Themen Köpfe sind mit Pads befestigt, um Kopfbewegungen zu minimieren, bevor sie das Innere des Scanners Bohrung positioniert sind. Bei diesen hohen räumlichen Auflösungen, ist fMRT besonders empfindlich gegenüber Bewegungsartefakten, so Kopf Stabilisierung ist kritisch.
2. Themen sind eine MRT-Kompatib gegebenle Tastenfeld in der einen Hand und wies darüber, welche Taste zu drücken, um ihre Urteile über dot Geschwindigkeit angeben.

3. Die Lokalisierung und die den SC

1. Menschliche SC ist eine kleine, aber feine Struktur, ~ 9 mm im Durchmesser, auf dem Dach des Mittelhirns gelegen. Bei Verwendung einer kleinen Anzahl von fMRT-Scheiben werden mehrere Localizer Imaging-Serie für seine präzise Lokalisation erforderlich. Wir führen diese Reihe entlang sagittal, axial und koronal Ebenen.
2. Dann verwenden wir diese Lokalisierungsbildern genau vorschreiben, die mit 8-10 SC zusammenhängenden Scheiben, 1,2 mm dick, Field-of-View (FOV), 170 mm in einer schrägen, quasi-axialen Ebene.
3. Weiter mit hoher Auflösung T _{1-gewichteten} strukturellen Bilder werden unter Verwendung eines dreidimensionalen (3D) HF-verdorben GRAS (SPGR)-Sequenz (15 ° Kippwinkel, 1,2 mm Voxel) einmal vor dem Sammeln der Funktionsdaten und einmal nach. Diese Bilder werden als Referenz verwendet, um die fMRI-Daten zu einem hochauflösenden str auszurichtenuctural Referenzvolumen in einer separaten Sitzung, die wir später beschreiben erhalten.

4. Funktionelle MRT-Parameter

Alle Bildgebung wurde an einem GE Signa HD12 3T-MRT-Scanner mit der GE-supplied 8-Kanal, Kopfspule durchgeführt. Die Anregung war ein 6,4 ms windowed-sinc-Puls angewendet Benutzung des Scanners Körperspule.

Bis 1,2 mm Probenahme in der menschlichen SC erhalten, verwenden wir ein Drei-Schuss-Spirale Flugbahn Übernahme ^6,7. Drei Schüsse sind aus mehreren Gründen notwendig. Vor allem Single-Shot-Übernahme für unsere Scanner und FOV erforderlich> 77 ms, zu lang, praktisch zu sein. Die mehrere Aufnahmen miteinander nach einer Korrektur durch Subtrahieren des Ausgangswertes und lineare Verlauf der Phase vereinigt. TE von 2 ms an dem ersten Rahmen, um ein Feld Landkarte aus den ersten beiden Volumina erworbenen abzuschätzen erhöht, und diese Karte für eine lineare Korrektur verwendet. Rekonstruierte Bilder hatten ein SNR von ~ 20. Zeitliche Leistungsspektren in SC Voxel typischerweisezeigten wenig von der Struktur mit physiologischem Rauschen zugeordnet ist; die Verwendung eines 3-Schuss-Akquisition eine starke Filterung auf der vergleichsweise hohen Frequenz Auswirkungen der kardialen Puls und Atmung. Andere Lärmminderung Techniken sind problematisch in diesem Kontext mit hoher Auflösung. Zum Beispiel sind rückwirkenden Korrektur Verfahren wie RETROICOR ⁶ nicht für Multi-Shot-Daten und EKG-Gating stellt Rauschen und Störung der Artefakt mit T ₁ Gleichgewicht zugeordnet.

Echo Zeit T _E = 40 ms, ist länger als in der Regel in der Rinde (30 ms) verwendet, weil wir eine entsprechend längerem T ₂ * im SC Gewebe (~ 60 ms) gemessen wird, als in kortikalen grauen Substanz (~ 45 ms) beobachtet.

Acquisition Bandbreite ist auf 62,5 kHz begrenzt auf Spitzenleistung Gradientenstrom, die unerwünschte Erwärmung verursacht auf unseren Scanner zu reduzieren. Wir wählen TR = 1 sec, also mit drei Schüssen ein Volumen alle 3 wird erworbensek.

5. Strukturelle MRT und 3D-Modellierung

In einem einzigen separaten Sitzung für jedes Fach, so erhalten wir eine hochauflösende (0,7 mm Probenahme) Referenzvolumen mit einem T _{1-gewichteten} Sequenz, die gute Gewebekontrast (3D SPGR, 15 ° Kippwinkel, Inversion mit T _I = 450 gibt vorbereitet ms, 2 Anregungen, ~ 28 Minuten Dauer, 0,7 mm Voxel).

In dieser Referenz Volumen, Segment, das wir das Gewebe des Mittelhirns, Hirnstamm und Teile des Thalamus (Abb. 2A) mit einer Kombination aus automatischen und manuellen Techniken, die von der ITK-SNAP Anwendung ² vorgesehen ist. Insbesondere nutzen wir eine automatische Segmentierung Werkzeug, in dem der Benutzer Samen mehreren Punkten innerhalb jeder Hirnstamm; die Software dann automatisch erweitert die Segmentierung um den Samen herum Punkte innerhalb einer Region durch Kontrast und Intensität Kriterien definiert eingeschränkt. Diese automatische Segmentierung wird dann einstellened, wenn nötig, mit Hilfe manueller, "Paint-like" Voxel-Tools.

Der Liquor-Gewebe-Grenzfläche des SC ausgewählt ist aus der Segmentierung mit isodensity Oberfläche Tessellation interpoliert, und diese erste Oberfläche wird raffiniert, um Aliasing-Artefakte (Abb. 2, B und D) mit einem Variationsproblem verformbare Oberfläche Algorithmus ³ zu reduzieren. Diese Oberfläche Ecken und äußeren Normalen-Vektoren als Referenz für die laminare Berechnungen (unten beschrieben) sowie Mittel zur funktionellen Daten zu visualisieren verwendet werden.

6. Bildanalyse

Um die fMRI-Daten zu analysieren, verwenden wir die mrVista Software-Paket (zum Download unter http://white.stanford.edu/mrvista.php) sowie Tools auf der mrVista Rahmen in unserem Labor entwickelt. In den nächsten Schritten verwenden wir Standard-Paket mrVista Werkzeuge:

1. Initialisierendie Sitzung im mrVista, Auswahl der Option zur räumlichen Normalisierung der Intensität der gemittelten Daten, um die Auswirkungen der Spule Inhomogenität zu verringern. Die Normierung verwendet eine homomorphe Verfahren, dh Division mit einem Tiefpass-gefilterte Version der zeitlich gemitteltes Volumen Bildintensitäten mit einem Additiv robuste Korrektur geschätzten Rauschpegel. Die ersten Halbzyklus der Bilder (12 sec) gelöscht wird, um transiente MR Gleichgewicht und hämodynamische Effekte zu vermeiden.
2. Korrigieren Sie innerhalb eines Laufs Bewegung. Die Bewegung wird aus der Zeitreihe der Bände geschätzt. Jedoch aufgrund der relativ geringen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Bilder, wir zuerst eine 5-Probe Boxcar Glätten auf der Zeitreihe. Jeder Band wird dann zu dem Durchschnitt der letzten 5 Proben registriert. Beachten Sie, dass Glättung wird nur verwendet, um die Bewegung zu schätzen, und die eigentlichen Daten werden nicht geglättet.
3. Bilden zeitliche Mittelwerte von jedem Lauf die Bewegung korrigierten Bilddaten, und verwenden Sie diese Durchschnittswerte, die zwischen geführte Bewegung USI korrigierenng der letzte Lauf als Referenz.
4. Führen Sie eine Slice-Timing-Korrektur. Wir verwenden sequentielle Akquisition Scheibe, so dass Fehler durch Durchführung von Timing-Korrektur nach der Bewegungskorrektur klein sein wird (~ 125 ms).
5. Durchschnittliche die mehrere Läufe in jeder Session aufgezeichnet das SNR zu verbessern.
6. Richten Sie die strukturellen Daten aus der fMRT-Sitzung mit dem Verweis Bauvolumen mit einer robusten Intensität-basierte Registrierung Algorithmus ^8. Legen Sie die Ausrichtung und Segmentierung in mrVista.
7. Verwandeln Sie die funktionalen Zeitreihendaten der segmentierten Referenz-Lautstärke. In den folgenden Schritten verwenden wir Werkzeuge in unserem Labor entwickelt, um weitere Analysen durchzuführen.
8. Berechnen einer Entfernung durch Berechnen des Abstandes zwischen jeweils SC Gewebe Voxel und seinem nächsten Knoten auf dem SC Oberfläche. Diese Abstände werden verwendet, um laminare Position innerhalb des Referenz-Lautstärke zu messen.
9. Führen Sie eine laminare Segmentierung in die Tiefe Mittelung der Zeitreihen-Daten zu ermöglichen, th verbesserne SNR. Klein (1,6 mm Durchmesser) Scheiben aus Gewebe zu jedem Eckpunkt des Oberflächenmodells entlang der gesamten oberflächlichen SC Oberfläche verbunden sind, und jede Scheibe wird dann nach innen und nach außen von der SC Gewebe erweitert unter Verwendung der lokalen Flächennormalen einen einzelnen laminaren Nachbarschaft zu bilden ^4.
10. Für jeden Punkt auf der Oberfläche SC, nutzen wir diese laminare Verbänden, um die Zeitreihen über einen bestimmten Tiefenbereich zu mitteln. Da sind in erster Linie visuell ansprechenden Neuronen in den oberflächlichen Schichten des SC, für die visuelle Stimulation Experiment, das wir einen Tiefenbereich von 0 bis 1,8 mm verwendet.

7. Topographische Kartierung Analyse

Zur Analyse der topographischen Darstellung der Daten ist auf der Kohärenzanalyse tiefengemittelten Zeitreihe, indem eine Sinuskurve an der Wiederholfrequenz Impulse (dh, 1/24 Hz für die 24 Sek. Impulse oben beschrieben) für jedes Voxel durchgeführt. Aus dieser Passform, leiten wir Karten Oberfläche der Befragtense Amplitude, Kohärenz und Phase. Diese Analyse wird im Frequenzbereich durchgeführt und ist eine verbreitete Technik, um retinotopen Karten im visuellen Kortex ^9,10 quantifizieren.

Die Phase des sinusförmigen Sitz misst die Position des Reizes. Zero-Phase entspricht dem oberen vertikalen Meridians (Abb. 3). Der Reiz dann dreht sich im Uhrzeigersinn, so dass eine π / 2 Phasen zu, wenn der Stimulus gedreht hat, um den horizontalen Meridian in der rechten Gesichtsfeld entspricht. Nach π Radian der Stadium überwindet der Stimulus in das linke Gesichtsfeld, und so weiter.

Wir haben auch Grenzen der gesamte Flächenausdehnung des SC durch manuelle Inspektion der hochauflösenden T1-gewichteten Volumen Anatomie erhalten. Diese Grenzen sind in Bild markiert. 3 durch rot gestrichelte Linien.

fMRT misst nicht direkt die neuronale Aktivität, sondern vielmehr eine Durchblutung Reaktion, die eng gekoppelt ist, aber trägeauf neuronale Aktivität. Dies fügt einen hämodynamischen Verzögerung zum Phasengang. Die Verzögerung wird durch Ergreifung aller Voxel oberhalb unseres Kohärenz Schwelle von jedem SC Region-of-Interest, und Zentrierung ihre Mittel um π in der komplexen Ebene geschätzt. In unserem SC-Daten, sind diese Verzögerungen ziemlich klein in der Größenordnung von 2-4 Sekunden. Wir entfernen diese Verzögerung durch Drehen der Farbtabelle von 45 Grad (entsprechend 3 sec) (Abb. 3) gegen den Uhrzeigersinn.

8. Repräsentative Ergebnisse

Phase-Daten auf einer 3D-Oberfläche des SC (3) überlagert zeigt, dass die Reaktion auf visuelle Stimulation kontralateral in der SC, dh dem linken Blickfeld auf der rechten SC dargestellt und vice-versa einem dargestellt.

Es gibt auch eine retinotopen Organisation der Aktivität. Der rechte obere Gesichtsfeld medial auf der linken Colliculus (Blau-Magenta) dargestellt, und der untere Bereich seitlich (rot-gelb) dargestellt. Similarly, wird der linke obere Gesichtsfeld medial auf der rechten Colliculus (blau-Cyan) dargestellt und unteren seitlich (grün-gelb) dargestellt.

Diese Topographie ist konsistent mit den Ergebnissen der nicht-menschlichen Primaten-Studien von SC Antworten: 1) auf visuelle Stimulation mit Single-Unit-Elektrophysiologie, und 2) die Abbildung der Mikrostimulation induzierten Sakkaden ^11,12.

Abbildung 1. A) Slice-Rezept auf mittsagittale Bild betrachtet. B) zeitlichen Mittelwert (aus 1-Lauf) der funktionellen Bilder von der zentralen Scheibe in rot in A) markiert erhalten.

Abbildung 2. Polar-Winkel Topographie Reiz. Eine 90 °-Keil von bewegten schwarz-weißen Punkten auf einem grauen Hintergrund drehte sich langsam um Fixierung. Der Keil wurde in ein Array von 6 unterteilt virtüal Sektoren (graue Linien hinzugefügt, um Sektoren zu betonen), damit das Thema auf eine Geschwindigkeit von Diskriminierung Aufgabe in einem zufällig ausgewählten Sektor durchzuführen.

Abbildung 3. Segmentierung und Oberflächen-Modellierung. A) Das Mittelhirn, Hirnstamm und Teile des Thalamus waren segmentierten von hochauflösenden MRT Anatomie Bände. B) Eine Oberfläche wurde an der Kante der segmentierten Region erstellt. C) Sinus-Fit-Phasen-Daten auf einer Ebene liegenden Scheibe (Kohärenz> 0,25) angesehen. D) A gedreht wird und vergrößerte Ansicht des Hirnstamms Oberfläche Modell wurde verwendet, um Phasendaten auf der SC zu visualisieren.

Abbildung 4. Polar-Winkel Karten. fMRI-Phase-Karten in zwei Fächern, die visuelle Polarwinkel zu kodieren. Coherence Schwellenwerte für jede Karte auf der rechten unteren Ecke zur Verfügung gestellt. Das Farbrad bezieht sich die überlagerte Phasen des Stimulus in S.olar Winkel, um ihre Blickfeldpositionen.

Discussion

Unsere Akquisitions-und Daten-Analyse-Techniken ermöglichen die Messung neuronaler Aktivität im menschlichen Gehirn subkortikalen Strukturen mit hoher Auflösung (1,2 mm Voxel). Das 3-Schuss Spirale Akquisition reduziert die physiologische Geräusche, die besonders schädlich für fMRT-Messungen in der Umgebung des Mittelhirns ist. Darüber hinaus können unsere laminaren Segmentierung des Gewebes uns Tiefe Mittelung der Daten, die Verbesserung der SNR hilft durchzuführen. Wir haben diese Methoden verwendet werden, um präzise polar-Winkel topografischen Karten der visuellen Stimulation und verdeckte visuelle Aufmerksamkeit im menschlichen SC ¹ zu zeigen. Die laminare Segmentierung ermöglicht auch die Analyse der Tiefenprofile der funktionellen Aktivität, die unter experimenteller Kontrolle ¹ variieren.

Unsere bildgebenden Verfahren eröffnen neue Wege für die neurowissenschaftliche Experimente in der menschlichen subkortikalen Strukturen. Diese Methoden können Übersetzung von kleingittrigen Forschung getan an Tieren in subkortikalen Bereichen auf den Menschen ermöglichen, z. B. UntersuchungenGating die Organisation auditive Reaktionen in Strukturen wie der Colliculus inferior und dem Nucleus cochlearis ^13-15, oder visuelle und multisensorische Reaktionen in Thalamuskernen wie Pulvinar ^16,17. Schließlich könnte diese Techniken funktionelle Lokalisierung für kleine Strukturen wie subthalamischen Nukleus und Globus pallidus, die häufig Ziele für die tiefe Hirnstimulation bei Patienten mit Morbus Parkinson, Dystonie oder chronischen Schmerzen ^{18 bis 21} bereitzustellen.