İnsan orta beyin için yüksek çözünürlüklü Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme Yöntemleri

Summary

Bu makalede, 3T tarayıcı kullanarak insan orta beyin ve subkortikal yapılarda 1.2 mm örnekleme ile yüksek çözünürlüklü fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme gerçekleştirmek için teknikler anlatılmaktadır. Insan üstün kollikulus (SC) görsel uyarım topografik haritalar çözmek için bu tekniklerin kullanılması örnek olarak verilmiştir.

Abstract

Fonksiyonel MRI (fMRI) non-invaziv insan beyin aktivitesinin korele ölçmek için yaygın olarak kullanılan bir araçtır. Ancak, kullanımı en çok tercih örneğin orta beyin sapı ve olarak subkortikal bölgede daha serebral kortekse bir yüzey üzerinde aktivitesini ölçme üzerine odaklanmıştır. Uzamsal çözünürlük ve fizyolojik gürültü: subkortikal fMRI iki zorlukların üstesinden gerekir. Burada insan SC, ortabeyin dorsal yüzeyi üzerinde bir yapı içinde yüksek çözünürlüklü fMRI gerçekleştirmek için geliştirilen tekniği optimize edilmiş bir grubu tanımlar; yöntemleri, aynı zamanda resim, diğer beyin sapı ve subkortikal yapılar için kullanılabilir.

Yüksek çözünürlüklü (1.2 mm vokseller) SC fMRI bir konvansiyonel olmayan bir yaklaşım gerektirir. İstenen uzamsal örnekleme bir çoklu çekim (serpiştirmeli) spiral edinimi ¹ kullanılarak elde edilir. Yana, T SC doku ₂ * uzun korteks, bir buna uzun eko zamanı (T _E ~ 40 msn) daha olduğunu maxi için kullanılırfonksiyonel kontrast hale getirir. SC tam ölçüde karşılamak için, 8-10 dilim elde edilir. Her bir oturum için fMRI aynı kesit reçete ile bir yapısal anatomisine aynı zamanda yüksek bir çözünürlüğe sahip referans hacme işlevsel bir veri hizalamak için kullanıldığı, elde edilir.

Ayrı bir oturumda, her konu için, biz (0.7 mm örnekleme) T ₁ ağırlıklı iyi doku kontrastı verir dizisi kullanarak referans hacmi yüksek çözünürlüklü oluşturun. Referans volüm olarak, orta beyin bölgesi ITK-SNAP yazılım uygulamasını kullanarak ² parçalı olduğunu. Bu segmentasyon ³ pürüzsüz ve doğru olarak orta beynin bir 3D yüzey gösterimi oluşturmak için kullanılır. Yüzey köşeleri ve normal doku ⁴ içinde Ortabeyin yüzeyinden derinliği bir harita oluşturmak için kullanılır.

Fonksiyonel verileri parçalı referans volüm koordinat sistemine dönüştürülmüştür. Voksellerden derinliği derneklersinyal kalitesini artırmak için belirli bir derinliğe sınırlarda fMRI zaman serisi verilerinin ortalaması sağlar. Veri görselleştirme için 3 boyutlu yüzey üzerinde işlenir.

Laboratuar biz SC ¹ içinde görsel uyarı ve gizli ve açık görsel dikkat topografik haritalar ölçüm için bu tekniği kullanabilirsiniz. Bir örnek olarak, SC görsel uyarılmasına polar açısının topografik temsilini göstermektedir.

Protocol

1. Polar açı Topoğrafya Stimulus ve Psikofizik

SC bir polar açı retinotopic haritası elde etmek için, biz uyarıcı olarak hareket eden noktalar 90 ° kama (eksantriklik görsel açı 2-9 °, nokta-hız 4 ortalama ° / sn) (Şekil 1) kullanın. Bu SC aktivite gizli dikkatini ⁵ uygulanarak geliştirilmiştir biliniyor, dolayısıyla biz mevcut sinyal artırmak için paradigmada bir dikkat görev kullanın. Her 2 s yargılanıyor, konular gizlice tüm kama katılmak ve fiksasyon korurken bir hız ayrımcılık görevi gerçekleştirmek için talimat vardır. Kama rastgele diğer tüm noktalar daha yavaş veya hızlı hareket eden, her mahkemeye seçilen sektörlerden biri noktalarla 2 × 3 sanal sektörlere ayrılmıştır. Her denemenin ardından, kama uyaran bir 24 sn süre ile tam döner böylece fiksasyon etrafında döndürülerek 30 ° dir. Her çalışma uyaranın 9.5 dönmeler (228 sn) oluşur ve deneysel oturumları içerir16-18 çalışır.

Her çalışma süresi boyunca bu görevde tabi performansını korumak için, görevin zorluk iki rasgele içiçe iki-yukarı-aşağı bir merdiven kullanılarak ayarlanır. Her iki ardışık doğru denemeler sonra hız farkı% 8 oranında azalır ve her yanlış deneme için, aradaki fark% 8 oranında artmıştır.

Tarama öncesinde bu performansı istikrarlı bir seviye elde edene kadar bütün konularda tarayıcı dışında görsel görev İnanç; bu 3-4 20 dakikalık süresi uygulama oturumları gerektirir. Tipik bir ayrım eşik 1 ° -1,5 ° / sn aralığı içindedir.

2. Konu Hazırlığı

1. Denekler kafaları delik tarayıcının içine yerleştirilen önce kafa hareketleri en aza indirmek için ped ile teminat altına alınmıştır. Bu yüksek uzaysal çözünürlükte, fMRI hareket eserler özellikle duyarlıdır, bu yüzden kafa istikrar önemlidir.
2. Denekler bir MRI-compatib verilirle düğmesine bir elinde pad ve nokta hızı ile ilgili yargılarını belirtmek için basın hangi düğme ile ilgili talimat verdi.

3. SC yerelleştirme ve Reçete

1. İnsan SC küçük ama belirgin bir yapıdır, orta beyin çatısında bulunan çapı ~ 9 mm. FMRI dilimleri küçük bir sayı kullanırken, birden Localizer görüntüleme serisi onun kesin lokalizasyonu için gereklidir. Biz, sagital aksiyel ve koronal düzlemleri boyunca bu dizi çalıştırın.
2. Daha sonra kesin 8-10 bitişik dilim, 1.2 mm kalınlığında, görüş alanı (FOV), eğik, yarı-aksiyel planda 170 mm SC reçete için bu Localizer resimleri kullanabilirsiniz.
3. Sonra, yüksek çözünürlüklü T ₁ ağırlıklı yapısal görüntüleri bir kez öncesinde ve sonrasında bir kez fonksiyonel veri toplamak için üç boyutlu (3D) RF-şımarık ÇİM (SPGR) dizisi (15 ° flip angle, 1.2 mm vokseller) kullanılarak elde edilir. Bu görüntüler yüksek çözünürlüklü bir str fMRI verisinin hizalamak için bir referans olarak kullanılıructural referans volüm daha sonra tarif ayrı bir oturumda aldı.

4. Fonksiyonel MRI Parametreler

Tüm görüntüleme GE tarafından sağlanan 8-kanal, baş bobini kullanarak bir GE Signa HD12 3T MR tarayıcı yapıldı. Uyarma bir 6.4 ms pencereli-sinc darbe tarayıcı vücut sarmalı kullanılarak uygulanmıştır.

Insan SC 1.2 mm örnekleme elde etmek için, biz üç-shot spiral yörünge edinimi ^6,7 kullanın. Üç çekim çeşitli nedenlerle ihtiyaç vardır. Bizim tarayıcı ve pratik olması çok uzun FOV gerektirir> 77 msn, özellikle, tek-shot edinimi. Birden çok çekim başlangıç ​​değeri ve faz lineer trend çıkarılarak düzeltme sonrası birlikte birleştirilir. TE edilen ilk iki hacim bir alan haritası tahmin etmek için ilk çerçevesi üzerine 2 ms artırılır ve bu haritası lineer düzeltilmesi için kullanılır. Rekonstrüksiyon görüntüleri ~ 20 bir SNR vardı. SC Zamansal güç spektrumu genellikle voksellerfizyolojik gürültü ile ilişkili yapının biraz gösterdi; 3-shot edinimi kullanımı kardiyak nabız ve solunum nispeten yüksek frekanslı efektleri üzerinde güçlü bir filtreleme etkisi vardı. Diğer gürültü azaltma teknikleri bu yüksek çözünürlüklü bağlamında sorunludur. Örneğin, RETROICOR ⁶ gibi geriye dönük düzeltme yöntemleri çoklu çekim veriler için geçerli değildir ve kardiyak gating gürültü ve T ₁ denge bozuklukları ile ilişkili artifakı tanıttı.

Yankı zamanı, T _E = 40 msn, biz kortikal gri cevher (~ 45 msn) gözlenen daha SC dokuda buna uygun uzun T ₂ * (~ 60 msn) ölçüldü çünkü genellikle korteks (30 milisaniye) kullanılan daha uzun.

Toplama bant genişliği bizim tarayıcı üzerinde istenmeyen ısınmasına neden olur pik gradiyent akımı azaltmak için 62.5 kHz ile sınırlıdır. Biz TR = 1 sn, yani üç çekim bir birimde her 3 elde edilir seçinsn.

5.. Yapısal MRG ve 3D Modelleme

Her konu için tek bir ayrı oturumda, (0.7 mm örnekleme) T _{1-ağırlıklı} sekans iyi doku kontrastı (3D SPGR, 15 ° flip angle, T _I = 450 hazırlanan inversiyon verir kullanarak referans hacmi yüksek çözünürlük elde msn, 2 uyarılmaları, ~ 28 dakika süre, 0.7 mm vokseller).

Bu referans hacmi, biz segmenti orta beyin, beyin sapı ve ITK-SNAP uygulaması ² tarafından sağlanan otomatik ve manuel teknikleri bir arada kullanarak talamus (Şekil 2A) bölümlerini doku. Özellikle, biz bir otomatik bölümleme aracı kullanmak gereken her beyin sapı içindeki kullanıcı tohumlar birden fazla nokta; yazılım otomatik kontrast ve yoğunluk kriterleri tanımlanmış bir bölge içinde kısıtlı tohum noktaları etrafında segmentasyon genişletir. Bu otomatik bölümleme sonra ayarlaed, gerektiği takdirde, manuel kullanılarak, "boya benzeri" voksel araçları.

SC beyin omurilik sıvısı doku arayüzü isodensity yüzeye mozaikleme kullanarak segmentasyon enterpolasyonlu, ve bu ilk yüzeyi varyasyonel deforme yüzey algoritması kullanılarak ³ aliasing eserler (Şekil 2, B ve D) azaltmak için rafine edilir. Bu yüzey köşeleri ve laminer hesaplamalar için bir referans (aşağıda açıklanmıştır) gibi fonksiyonel veriler görsel bir aracı olarak kullanılmak üzere dışarı doğru normal vektörleri sağlar.

6. Image Analysis

FMRI verileri analiz etmek, biz mrVista yazılım paketi (indirilebilir kullanabilirsiniz http://white.stanford.edu/mrvista.php) yanı sıra laboratuarımızda mrVista çerçeve üzerinde geliştirilen araçlar. Önümüzdeki birkaç adımda biz standart mrVista paketi araçları kullanabilirsiniz:

1. Initializeuzamsal bobin homojen etkilerini azaltmak için ortalama veri yoğunluğu normale seçeneğini mrVista oturum,. Normalleşme tahmin gürültü için bir katkı sağlam düzeltme ile zamansal ortalama hacmi görüntü yoğunluğu düşük-pass filtre versiyonu bölünerek, bir homomorfik yöntemi kullanır. Görüntüler (12 sn) ilk yarısında döngüsü geçici MR denge ve hemodinamik etkileri önlemek için atılır.
2. Çalışma içi hareket düzeltin. Hareket hacim zaman dizi tahmin edilmektedir. Ancak, görüntülerin nispeten düşük sinyal-gürültü oranı (SNR), biz ilk zaman serisi üzerine yumuşatma 5 numune yük vagonu gerçekleştirin. Her hacmi sonra son 5 numunelerin ortalaması kayıtlı. Yumuşatma yalnızca hareket tahmin etmek için kullanılan unutmayın ve gerçek veri düz olmayacaktır.
3. Her çalıştırma hareket-düzeltilmiş görüntü verilerinin zamansal ortalamaları Form ve arasında işletilen hareket USI düzeltmek için bu ortalamaların kullanınreferans olarak ng son dönemde.
4. Bir dilim zamanlama düzeltme gerçekleştirin. Biz sıralı dilim satın kullanmak, yani hareket düzeltme sonrası zamanlama düzeltme işlemi nedeniyle hatalar (~ 125 msn) küçük olacaktır.
5. Ortalama birden SNR geliştirmek için her seans içinde kaydedilen çalışır.
6. Sağlam bir yoğunluk tabanlı kayıt algoritmasını ⁸ kullanarak referans yapısal birime fMRI oturumdan yapısal veri hizalayın. MrVista içine uyum ve segmentasyon yükleyin.
7. Parçalara referans hacmi fonksiyonel zaman serisi verileri dönüştürmek. Aşağıdaki adımları daha ileri analiz yapmak laboratuarımızda geliştirilen araçlarını kullanın.
8. Her SC doku voksellerden ve SC yüzeye en yakın tepe arasındaki mesafeyi hesaplayarak mesafe haritası hesaplayın. Bu mesafeleri referans hacmi içinde laminer pozisyonu ölçmek için kullanılır.
9. Th geliştirmek için zaman serisi veri derinliği ortalama etkinleştirmek için bir laminar segmentasyon işlemi gerçekleştirine SNR. Küçük doku (1.6 mm çap) diskleri tamamını yüzeysel SC yüzeyi boyunca yüzeyi modeli her bir tepe noktası ile ilişkilidir, ve her bir disk sonra bireysel bir laminar komşu oluşturmak üzere lokal yüzey normalleri kullanılarak SC dokudan içe ve dışa doğru hem uzatılır ^4.
10. SC yüzeyinde her nokta için, belirli bir derinlikte aralığında zaman serisi ortalamasını bu laminar dernekler kullanın. Bu yana, görsel duyarlı nöronlar görsel uyarılması deney için bizim 0-1,8 mm arasında bir derinliğe aralığı kullanılan, SC yüzeysel katlarının esas olarak mevcuttur.

7. Halihazır Harita Analizi

Veri topografik gösterimi analiz için, Uyum analizi her voksel için Stimulus tekrarlama frekansında bir sinüzoidin (yani, yukarıda açıklanan 24 sn teşvik için 1/24 Hz) takarak derinliği ortalama zaman serisi yapılmaktadır. Bu uyum, biz sorumlu yüzey haritaları eldese genlik, tutarlılık, ve faz. Bu analiz, frekans uygulandı ve görsel korteks ^9,10 olarak retinotopic haritalar ölçmek için yaygın bir tekniktir.

Sinüzoidal uyum aşaması uyaranın konumunu ölçer. Sıfır faz üst dikey dorukta (Şekil 3) karşılık gelir. Uyaran sonra bu yüzden bir π / 2 faz uyaran sağ görme alanında yatay meridyen döndürülmüş olduğunda karşılık, saat yönünde dönmektedir. Fazın π radyan sonra, uyaran sol görme alanı içine geçer, ve benzeri.

Ayrıca yüksek çözünürlüklü T1-ağırlıklı ses anatomi elle muayene ile SC tüm yüzeysel ölçüde sınırları aldı. Bu sınırlar Şekil işaretlenir. Kırmızı kesik çizgilerle 3.

fMRI doğrudan sinir aktivitesini ölçmek değil, sıkı bir kan akışı yanıt ama yapışkan birleştiğinde değilnöronal aktiviteye. Bu faz cevabı bir hemodinamik gecikme ekler. Gecikme, her SC bölge-of-ilgi bizim tutarlılık eşiğin üzerinde tüm vokseller alarak ve karmaşık düzlemde π etrafında kendi yollarla merkezleme tarafından tahmin edilmektedir. Bizim SC verilerde, bu gecikmeler 2-4 sn düzenin, oldukça küçük. Biz renk haritası 45 derece (3 sn karşılık gelen) (Şekil 3) saat yönünün tersine çevirerek bu gecikme kaldırmak.

8. Temsilcisi Sonuçlar

SC (Şekil 3) bir 3 boyutlu yüzey üzerine işlenmiş Faz verileri görsel uyarılara yanıt SC, yani sol görme alanı sağ SC temsil edilir ve vice-bir-versa içinde contralaterally temsil olduğunu gösterir.

Bir etkinlik retinotopic örgütü vardır. Sağ üst görme alanı sol kollikulus (mavi-kırmızı) üzerinde mediale temsil edilmektedir, ve alt alan (kırmızı-sarı) yanal temsil edilmektedir. SimilArly, sol üst görme alanı sağ kollikulus (mavi-mavi) üzerinde mediale temsil edilir ve daha düşük (yeşil-sarı) yanal temsil edilmektedir.

Tek ünite elektrofizyoloji kullanarak görsel uyarı için) 1 ve 2) mikrostimülasyonla bağlı sakkadik göz hareketleri ^11,12 haritalama: Bu topografya SC yanıtların insan dışı primat çalışmaların sonuçları ile uyumludur.

Şekil 1. Orta sagital görüntü izlenebiliyor A) Dilim reçete. B) fonksiyonel görüntüler zamansal ortalama (1-run itibaren) A) kırmızı ile işaretlenmiş merkezi dilim elde.

Şekil 2. Polar açı topoğrafya uyarıcı. Gri bir arka plan üzerinde siyah-beyaz noktalar hareketli bir 90 ° kama fiksasyon etrafında yavaş yavaş döndürülür. Kama 6 virtû bir dizi ayrıldıal sektörler (gri çizgiler sektörler vurgulamak için eklendi) konusu, rasgele seçilen sektörde bir hız ayrımcılık görevi gerçekleştirmek için izin vermek.

Şekil 3. Segmentasyon ve yüzey modelleme. A) orta beyin, beyin sapı ve talamus bölümlerini yüksek çözünürlüklü MR anatomisi miktarlar parçalı idi. B) bir yüzey bölgesi segmented kenarında oluşturuldu. C) Sinüzoidal-fit aşama verileri bir düzlemlerinde oluşan dilim (tutarlılık> 0.25) görüntülenebilir. D) beyin sapı yüzeyi modeli ile döndürülür ve bir büyütülmüş görünüşüdür SC faz veriler görsel için kullanıldı.

Şekil 4. Polar açı haritalar. görsel polar açı kodlamak iki konuda fMRI faz haritalar. Her harita için Koherens eşikleri sağ alt sağlanmaktadır. Renk tekerleği p uyaranın kaplanan aşamaları ile ilgilidirkendi görme alanı konumlarına olar açısı.

Discussion

Bizim toplama ve veri analiz teknikleri yüksek çözünürlüklü (1.2 mm vokseller) de subkortikal insan beyin yapılarında nöral aktivitenin ölçümü sağlar. 3-shot spiral satın Ortabeyin etrafında fMRI ölçümleri özellikle zararlı olduğunu fizyolojik gürültüyü azaltır. Buna ek olarak, doku bizim laminer bölütleme us SNR arttırmada yardımcı verilerin ortalaması derinliği gerçekleştirmek için olanak sağlar. Biz görsel uyarı ve insan SC ¹ gizli görsel dikkat hassas polar açı topografik haritalar göstermek için bu yöntemleri kullandık. Laminer segmentasyon zamanda deneysel kontrolü altında ¹ değişiklik fonksiyonel aktivite derinliği profillerinin analizi sağlar.

Bizim görüntüleme yöntemleri, insan subkortikal yapılarda nörobilim deneyler için yeni yollar açmak. Bu yöntemler araştırıcılar, örneğin, insanlara subkortikal alanlarda hayvanlar üzerinde yapılan ince çaplı araştırma çevirisi etkinleştirebilirsinizgibi alt kollikulus ve koklear nükleus ^13-15 veya bu pulvinar ^16,17 olarak talamik çekirdeklere görsel ve çoklu duyumsal tepkiler gibi yapılarda işitsel yanıtlarının yolluk organizasyonu. Son olarak, bu teknikler genellikle Parkinson, distoni veya kronik ağrı ^18-21 olan hastalarda derin beyin stimülasyonu için hedeflerdir gibi subtalamik nükleus ve globus pallidus gibi küçük yapılar, fonksiyonel yerelleştirme sağlayabilir.