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 JoVE Neuroscience

उच्च संकल्प कार्यात्मक मानव मध्यमस्तिष्क के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तरीके

, ,

Psychology & Neurobiology, Imaging Research Center & Center for Perceptual Systems, The University of Texas at Austin

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Cite this Article: उच्च संकल्प कार्यात्मक मानव मध्यमस्तिष्क के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तरीके

Katyal, S., Greene, C. A., Ress, D. High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain. J. Vis. Exp. (63), e3746, doi:10.3791/3746 (2012).

Protocol: उच्च संकल्प कार्यात्मक मानव मध्यमस्तिष्क के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तरीके

1. ध्रुवीय कोण स्थलाकृति प्रोत्साहन और मनो - भौतिकी

एक ध्रुवीय कोण अनुसूचित जाति में retinotopic नक्शे प्राप्त करने के लिए, हम प्रोत्साहन के रूप में डॉट्स की एक 90 ° पच्चर (सिड़ दृश्य कोण की 2-9 ° डॉट गति मतलब ° 4 / सेक) (1 छवि) का उपयोग करें. यह ज्ञात है कि अनुसूचित जाति में गतिविधि गुप्त 5 ध्यान लगाने के द्वारा बढ़ाया जाता है, इसलिए हम हमारे प्रतिमान में एक कार्य ध्यान का उपयोग करने के लिए उपलब्ध संकेत वृद्धि हुई है. प्रत्येक 2 परीक्षण पर, विषयों छिपकर पूरे पच्चर के लिए भाग लेने के लिए और गति भेदभाव कार्य प्रदर्शन, जबकि निर्धारण बनाए रखने के निर्देश दिए हैं. कील क्षेत्रों की डॉट्स के साथ 2 × 3 आभासी क्षेत्रों, बेतरतीब ढंग से प्रत्येक परीक्षण पर चुना है, अन्य सभी डॉट्स की तुलना में धीमी या तेजी से आगे बढ़ में बांटा गया है. प्रत्येक परीक्षण के बाद, कील निर्धारण चारों ओर घुमाया 30 ° इतना है कि प्रोत्साहन एक 24 सेकंड की अवधि के साथ पूरी तरह से rotates के. प्रत्येक रन उत्तेजना के 9.5 घुमाव (228 सेकंड) होते हैं, और प्रयोगात्मक सत्र में शामिल16-18 रन.

विषय को प्रत्येक रन की अवधि के दौरान इस कार्य पर प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए काम की कठिनाई दो बेतरतीब ढंग से interleaved दो ऊपर एक नीचे सीढ़ियों का उपयोग कर निकाला जाता है. हर दो लगातार सही परीक्षण के बाद गति अंतर 8% से कम है, और हर ग़लत परीक्षण के लिए, अंतर 8% की वृद्धि हुई है.

पहले स्कैनिंग करने के लिए, सभी विषयों स्कैनर बाहर दृश्य कार्य के अभ्यास के लिए जब तक वे प्रदर्शन का एक स्थिर स्तर को प्राप्त करने, यह 3-4 20 मिनट अवधि अभ्यास सत्र की आवश्यकता है. ठेठ भेदभाव थ्रेसहोल्ड 1 ° -1.5 डिग्री / सेक की रेंज में हैं.

2. विषय तैयारी

  1. विषय सिर पैड के साथ सुरक्षित कर रहे हैं सिर गति को कम करने से पहले वे बोर स्कैनर के अंदर तैनात हैं. इन उच्च स्थानिक संकल्प पर, fMRI विशेष रूप से गति कलाकृतियों के प्रति संवेदनशील है, तो सिर स्थिरीकरण के लिए महत्वपूर्ण है.
  2. विषय एक एमआरआई - compatib दिया जाता हैएक हाथ में ले बटन पैड और जो बटन प्रेस करने के लिए डॉट गति के बारे में अपने निर्णय का संकेत के बारे में निर्देश दिए.

3. लोकलाइजिंग और अनुसूचित जाति निर्धारण

  1. मानव अनुसूचित जाति एक छोटी लेकिन अलग संरचना है, ~ व्यास में 9 मिमी, मध्यमस्तिष्क की छत पर स्थित है. जब fMRI के स्लाइस की एक छोटी संख्या का उपयोग कर, कई localizer इमेजिंग श्रृंखला अपने सटीक स्थानीयकरण के लिए आवश्यक हैं. हम बाण के समान, अक्षीय, और राज्याभिषेक विमानों के साथ इन श्रृंखला चला रहे हैं.
  2. हम तो इन localizer छवियों का उपयोग करने के लिए ठीक 8-10 सन्निहित स्लाइस, 1.2 मिमी मोटी, क्षेत्र के दृश्य (FOV), एक परोक्ष, अर्ध axial विमान में 170 मिमी के साथ अनुसूचित जाति लिख.
  3. अगले, उच्च संकल्प टी 1 भारित संरचनात्मक छवियों तीन आयामी (3 डी) आरएफ खराब (SPGR) घास अनुक्रम (15 ° फ्लिप कोण, 1.2 मिमी voxels) का उपयोग एक बार और एक बार के बाद कार्यात्मक डेटा एकत्रित करने से पहले प्राप्त कर रहे हैं. इन छवियों को एक संदर्भ के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं उच्च संकल्प एक str fMRI डेटा पंक्तिuctural संदर्भ एक अलग सत्र है कि हम बाद में वर्णन मात्रा में प्राप्त की.

4. कार्यात्मक एमआरआई पैरामीटर

सभी इमेजिंग एक जीई Signa HD12 3T एमआरआई स्कैनर का उपयोग कर 8 चैनल जीई की आपूर्ति, सिर कुंडल पर प्रदर्शन किया गया था. उत्तेजना था 6.4 एमएस नाड़ी विंडोड sinc स्कैनर शरीर का तार का उपयोग लागू.

मानव अनुसूचित जाति में 1.2 मिमी नमूना प्राप्त करने के लिए, हम एक तीन शॉट सर्पिल प्रक्षेपवक्र 6,7 अधिग्रहण का उपयोग करें. कई कारणों के लिए तीन शॉट की जरूरत है. विशेष रूप से, हमारे स्कैनर और FOV लिए जरुरी है 77 मिसे, भी व्यावहारिक होना लंबे समय के लिए अधिग्रहण एकल शॉट में. कई शॉट के साथ सुधार के बाद प्रारंभिक मूल्य और चरण के रैखिक प्रवृत्ति subtracting द्वारा संयुक्त रहे हैं. ते 2 एमएस द्वारा पहले दो संस्करणों से हासिल कर ली एक क्षेत्र के नक्शे का अनुमान करने के लिए पहली फ्रेम पर incremented है, और इस नक्शे के रैखिक सुधार के लिए प्रयोग किया जाता है. खंगाला छवियों 20 ~ की SNR था. आम तौर पर अनुसूचित जाति में अस्थायी शक्ति स्पेक्ट्रा voxelsशारीरिक शोर के साथ जुड़े संरचना के छोटे से पता चला है, एक 3 शॉट अधिग्रहण का प्रयोग हृदय नाड़ी और श्वसन की अपेक्षाकृत उच्च आवृत्ति प्रभाव पर एक मजबूत प्रभाव फ़िल्टरिंग था. अन्य शोर में कमी तकनीक उच्च संकल्प इस संदर्भ में समस्याग्रस्त हैं. उदाहरण के लिए, 6 RETROICOR रूप में पूर्वव्यापी सुधार तरीकों बहु शॉट डेटा के लिए लागू नहीं कर रहे हैं और हृदय gating के शोर और विरूपण साक्ष्य टी 1 संतुलन की अशांति के साथ जुड़े का परिचय.

इको समय, टी ई = 40 मिसे, अब की तुलना में आमतौर पर प्रांतस्था (30 मिसे) में इस्तेमाल किया क्योंकि हम तदनुसार अब अनुसूचित जाति के ऊतकों में टी 2 * (~ 60 मिसे) मापा से cortical ग्रे पदार्थ (~ 45 मिसे) में मनाया.

अधिग्रहण बैंडविड्थ 62.5 kHz करने के लिए सीमित करने के लिए चोटी के ढाल वर्तमान कि हमारे स्कैनर पर अवांछित हीटिंग का कारण बनता कम है. हम चुनते हैं टी.आर. = 1 सेकंड, तो तीन शॉट के साथ किसी वॉल्यूम 3 हर अधिग्रहण कर लिया हैसेकंड.

5. संरचनात्मक एमआरआई और 3 डी मॉडलिंग

प्रत्येक विषय के लिए एक अलग सत्र में, हम एक उच्च संकल्प प्राप्त करने के संदर्भ (0.7 मिमी नमूना) 1 भारित टी अनुक्रम कि अच्छा ऊतक इसके विपरीत देता है (3 डी SPGR, 15 ° फ्लिप कोण, मैं 450 = टी के साथ तैयार उलटा का उपयोग मात्रा मिसे, 2 excitations, ~ 28 मिनट की अवधि के साथ, 0.7 मिमी voxels).

इस संदर्भ मात्रा में, हम खंड midbrain, brainstem, और thalamus (छवि 2A) स्वचालित और मैन्युअल ITK - स्नैप 2 आवेदन द्वारा प्रदान की तकनीकों का एक संयोजन का उपयोग करने के कुछ भागों के ऊतक. विशेष रूप में, हम एक स्वचालित विभाजन उपकरण का उपयोग करें जो प्रत्येक brainstem के भीतर उपयोगकर्ता एकाधिक अंक के बीज, सॉफ्टवेयर तो स्वतः बीज विपरीत और तीव्रता मापदंड द्वारा परिभाषित क्षेत्र के भीतर विवश अंक के आसपास विभाजन का विस्तार. यह स्वचालित विभाजन तो समायोजित हैएड यदि आवश्यक हो, पुस्तिका का उपयोग कर "रंग" की तरह, voxel उपकरण.

अनुसूचित जाति के मस्तिष्कमेरु द्रव ऊतक इंटरफ़ेस isodensity सतह चौखानों की रचना का उपयोग कर विभाजन से इंटरपोलेट है, और इस प्रारंभिक सतह अलियासिंग कलाकृतियों (छवि 2, बी और डी) एक परिवर्तन संबंधी विरूप्य सतह 3 कलन विधि का उपयोग को कम करने के लिए परिष्कृत किया जाता है. इस सतह के कोने और जावक सामान्य लामिना गणना के लिए एक संदर्भ (नीचे वर्णित) के रूप में के रूप में अच्छी तरह से एक कार्यात्मक डेटा कल्पना करने के साधन के रूप में इस्तेमाल किया जा वैक्टर प्रदान करता है.

6. छवि विश्लेषण

FMRI डेटा का विश्लेषण करने के लिए, हम mrVista सॉफ्टवेयर पैकेज (डाउनलोड के लिए उपलब्ध का उपयोग http://white.stanford.edu/mrvista.php) के रूप में के रूप में अच्छी तरह से हमारी प्रयोगशाला में mrVista ढांचे पर विकसित उपकरण. अगले कुछ कदम में हम मानक mrVista पैकेज उपकरणों का उपयोग करें:

  1. हस्ताक्षर करनाmrVista में सत्र, spatially औसत डेटा की तीव्रता सामान्य कुंडल inhomogeneity के प्रभाव को कम करने का विकल्प चुनने. सामान्य एक समरूप विधि है, कि है, का अनुमान शोर के लिए एक additive मजबूत सुधार के साथ अस्थायी औसत मात्रा छवि तीव्रता के एक कम पास फ़िल्टर संस्करण से विभाजित का उपयोग करता है. (12 सेकंड) छवियों की पहली छमाही चक्र क्षणिक एमआर संतुलन और hemodynamic प्रभाव से बचने के खारिज कर दिया है.
  2. भीतर रन गति सही. गति संस्करणों की श्रृंखला समय से अनुमान लगाया गया है. बहरहाल, अपेक्षाकृत कम छवियों के संकेत से शोर अनुपात (SNR) की वजह से, हम पहली बार एक 5 नमूना समय श्रृंखला पर चौरसाई मालगाड़ी प्रदर्शन. प्रत्येक खंड तो पिछले 5 नमूनों की औसत के लिए पंजीकृत है. ध्यान दें कि केवल चौरसाई गति का अनुमान लगाने के लिए प्रयोग किया जाता है, और वास्तविक डेटा नहीं smoothed है.
  3. प्रत्येक रन गति को सही छवि डेटा की अस्थायी औसत रूप है, और इन औसत का उपयोग करने के लिए के बीच रन गति उसी सहीएनजी संदर्भ के रूप में पिछले चलाते हैं.
  4. एक टुकड़ा - समय सुधार प्रदर्शन करते हैं. हम अनुक्रमिक टुकड़ा अधिग्रहण का उपयोग करें, तो गति सुधार के समय सुधार के बाद प्रदर्शन के कारण त्रुटियों छोटे (~ 125 मिसे).
  5. औसत एकाधिक प्रत्येक सत्र के भीतर दर्ज बने सुधार करने के SNR.
  6. संदर्भ संरचनात्मक मात्रा एक मजबूत पंजीकरण तीव्रता के आधार पर 8 कलन विधि का उपयोग कर fMRI सत्र से संरचनात्मक डेटा संरेखित करें. लोड संरेखण और mrVista में विभाजन.
  7. खंडों संदर्भ मात्रा के लिए कार्यात्मक समय श्रृंखला डेटा रूपांतरण. निम्न चरणों में हम आगे विश्लेषण करने के लिए हमारी प्रयोगशाला में विकसित उपकरण का उपयोग करें.
  8. प्रत्येक अनुसूचित जाति ऊतक voxels और अनुसूचित जाति की सतह पर अपने निकटतम शिखर के बीच दूरी की गणना के द्वारा एक दूरी नक्शा कंप्यूट. ये दूरियाँ संदर्भ मात्रा के भीतर छिलकेवाला स्थिति को मापने के लिए उपयोग किया जाता है.
  9. एक लामिना विभाजन की प्रक्रिया का प्रदर्शन करना समय श्रृंखला डेटा की गहराई औसतन सक्षम वें में सुधारई SNR है. छोटे ऊतकों (1.6 मिमी व्यास) डिस्क पूरे सतही अनुसूचित जाति सतह के साथ सतह मॉडल के प्रत्येक शीर्ष के साथ जुड़े रहे हैं, और प्रत्येक डिस्क तो दोनों आवक और जावक अनुसूचित जाति ऊतक से बढ़ाया है स्थानीय सतह normals का उपयोग करने के लिए एक व्यक्ति लामिना पड़ोस फार्म 4.
  10. अनुसूचित जाति सतह पर प्रत्येक बिंदु के लिए, हम इन लामिना संघों का उपयोग करने के लिए एक निर्दिष्ट गहराई सीमा से अधिक समय श्रृंखला औसत. के बाद से, नेत्रहीन उत्तरदायी न्यूरॉन्स मुख्य रूप से अनुसूचित जाति के ऊपरी परत में मौजूद हैं, दृश्य उत्तेजना प्रयोग के लिए हम 0-1.8 मिमी की गहराई सीमा का इस्तेमाल किया.

7. स्थलाकृतिक मानचित्रण विश्लेषण

डेटा की स्थलाकृतिक प्रतिनिधित्व का विश्लेषण करने के लिए, जुटना विश्लेषण गहराई औसत समय श्रृंखला पर प्रत्येक voxel के लिए प्रोत्साहन पुनरावृत्ति आवृत्ति पर sinusoid (यानी, 24 सेकंड ऊपर वर्णित प्रोत्साहन के लिए 1/24 हर्ट्ज) फिटिंग द्वारा किया जाता है. इस फिट से, हम जिम्मेदारी की सतह नक्शे प्राप्तसे आयाम, जुटना, और चरण. यह विश्लेषण आवृत्ति डोमेन में प्रदर्शन किया है, और एक आम दृश्य प्रांतस्था 9,10 में retinotopic नक्शे यों तकनीक है.

sinusoidal फिट के चरण उत्तेजना की स्थिति के उपाय. शून्य चरण ऊपरी ऊर्ध्वाधर मध्याह्न छवि (3) से मेल खाती है. प्रोत्साहन तो दक्षिणावर्त rotates के, ताकि एक चरण 2 / π जब उत्तेजना सही दृश्य क्षेत्र में क्षैतिज मध्याह्न घुमाया है मेल खाती है. चरण के π रेडियंस के बाद, उत्तेजना बाएँ दृश्य क्षेत्र में पार है, और बहुत आगे है.

हम भी अनुसूचित जाति के पूरे सतही हद तक उच्च संकल्प मात्रा T1 भारित शरीर रचना का निरीक्षण पुस्तिका का उपयोग कर की सीमाओं प्राप्त की. इन सीमाओं छवि में चिह्नित कर रहे हैं. 3 लाल धराशायी लाइनों के द्वारा.

fMRI सीधे तंत्रिका गतिविधि उपाय नहीं करता, बल्कि एक प्रतिक्रिया रक्त प्रवाह है कि कसकर लेकिन आलस या सुस्ती से मिलकरतंत्रिका गतिविधि. इस चरण प्रतिक्रिया करने के लिए एक hemodynamic देरी से जोड़ता है. देरी प्रत्येक अनुसूचित जाति क्षेत्र के ब्याज से हमारे जुटना सीमा से ऊपर सभी voxels ले, और अपने मतलब जटिल विमान में π के आसपास केंद्रित कर अनुमान है. हमारे डेटा अनुसूचित जाति में, इन देरी काफी छोटा 2-4 सेकंड के आदेश की हैं. हम रंगमैप 45 डिग्री (3 सेकंड के लिए इसी) (3 छवि) द्वारा काउंटर - दक्षिणावर्त rotating द्वारा इस देरी को हटा दें.

8. प्रतिनिधि परिणाम

चरण छवि (3) अनुसूचित जाति के एक 3D सतह पर मढ़ा डेटा से पता चलता है कि दृश्य उत्तेजना के जवाब contralaterally अनुसूचित जाति, यानी, बाएँ दृश्य क्षेत्र सही अनुसूचित जाति पर प्रतिनिधित्व किया है और इसके विपरीत में प्रतिनिधित्व किया है.

वहाँ भी गतिविधि के retinotopic संगठन है. सही ऊपरी दृश्य क्षेत्र medially से से छोड़ दिया colliculus (नीली मैजंटा) पर प्रतिनिधित्व किया है, और निचले क्षेत्र है laterally का प्रतिनिधित्व (लाल - पीला). Similआर्ली, बाएँ ऊपरी दृश्य क्षेत्र medially सही colliculus (नीला सियान) पर प्रतिनिधित्व किया है और कम है laterally प्रतिनिधित्व किया है (हरे रंग पीला).

स्थलाकृति अनुसूचित जाति की प्रतिक्रियाओं का गैर मानव प्राइमेट अध्ययन के परिणामों के साथ संगत है: 1) दृश्य उत्तेजना का उपयोग एकल इकाई इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी, और 2) microstimulation प्रेरित saccadic आँख 11,12 आंदोलनों के मानचित्रण.

चित्रा 1
चित्रा 1) स्लाइस मध्य बाण के समान छवि पर देखी पर्चे. बी) लौकिक कार्यात्मक छवियों का मतलब है (1 रन) केंद्रीय ए) में लाल रंग में चिह्नित टुकड़ा से प्राप्त की.

चित्रा 2
चित्रा 2 ध्रुवीय कोण स्थलाकृति उत्तेजना. एक ग्रे पृष्ठभूमि पर काले और सफेद डॉट्स के बढ़ने की एक 90 ° पच्चर निर्धारण चारों ओर धीरे से घुमाया. कील 6 कला मे प्रवीणता की एक सरणी में विभाजित किया गया थाअल क्षेत्रों (ग्रे लाइनों के क्षेत्रों पर जोर देना जोड़ा) विषय बेतरतीब ढंग से चुने हुए क्षेत्र में एक गति भेदभाव कार्य प्रदर्शन करने की अनुमति.

चित्रा 3
चित्रा 3 विभाजन और सतह मॉडलिंग. ए) मध्यमस्तिष्क, brainstem, और उच्च संकल्प एमआरआई शरीर रचना संस्करणों में से एक चेतक के भाग खंडों थे. बी) एक सतह खंडित क्षेत्र के किनारे पर बनाया गया था. सी) sinusoidal फिट चरण डेटा एक inplane टुकड़ा (जुटना> 0.25) पर देखी गयी. डी) एक और brainstem सतह मॉडल की और बढ़े हुए दृश्य घुमाया चरण डेटा पर अनुसूचित जाति कल्पना करने के लिए इस्तेमाल किया गया था.

चित्रा 4
चित्रा 4 ध्रुवीय - कोण नक्शे. दो विषयों में fMRI चरण नक्शे है कि दृश्य ध्रुवीय कोण सांकेतिक शब्दों में बदलना. प्रत्येक नक्शे के लिए जुटना थ्रेसहोल्ड के नीचे सही पर प्रदान की जाती हैं. रंग पहिया पी में उत्तेजना की मढ़ा चरणों से संबंधितउनके दृश्य क्षेत्र की स्थिति के लिए olar कोण.

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Discussion: उच्च संकल्प कार्यात्मक मानव मध्यमस्तिष्क के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तरीके

हमारे अधिग्रहण और डेटा विश्लेषण तकनीक subcortical उच्च संकल्प (1.2 मिमी voxels) में मानव मस्तिष्क संरचना में तंत्रिका गतिविधि की माप सकें. 3 शॉट सर्पिल अधिग्रहण शारीरिक शोर है कि विशेष रूप से मध्यमस्तिष्क चारों ओर fMRI के मापन के लिए हानिकारक है कम कर देता है. इसके अलावा, हमारे ऊतक की लामिना का विभाजन हमारे डेटा कि SNR में सुधार करने में मदद करता है गहराई औसत प्रदर्शन के लिए अनुमति देता है. हम दृश्य उत्तेजना और मानव अनुसूचित जाति में 1 गुप्त दृश्य ध्यान की सटीक ध्रुवीय कोण स्थलाकृतिक नक्शे दिखाने के लिए इन तरीकों का इस्तेमाल किया. लामिना का विभाजन भी कार्यात्मक गतिविधि की गहराई प्रोफाइल है कि प्रयोगात्मक नियंत्रण के तहत 1 भिन्नता के विश्लेषण में सक्षम बनाता है.

हमारे इमेजिंग तरीकों मानव subcortical संरचनाओं में तंत्रिका विज्ञान के प्रयोगों के लिए नए रास्ते खोल. इन विधियों subcortical क्षेत्रों में पशुओं पर मनुष्य के लिए ठीक पैमाने पर किया शोध के अनुवाद को सक्षम करने के लिए, जैसे कर सकते हैं, जांचgating के अवर colliculus और कर्णावत 13-15 नाभिक, या ऐसी 16,17 pulvinar के रूप में thalamic नाभिक में दृश्य और multisensory प्रतिक्रियाओं के रूप में ऐसी संरचनाओं में श्रवण प्रतिक्रियाओं का संगठन. अंत में, इन तकनीकों subthalamic नाभिक और globus pallidus जैसे छोटे संरचनाओं, जो अक्सर पार्किंसंस रोग, dystonia के या पुरानी 18-21 दर्द के साथ रोगियों में गहरी मस्तिष्क प्रोत्साहन के लिए लक्ष्य के लिए कार्यात्मक स्थानीयकरण प्रदान सकता है.

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Disclosures: उच्च संकल्प कार्यात्मक मानव मध्यमस्तिष्क के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तरीके

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

Acknowledgements: उच्च संकल्प कार्यात्मक मानव मध्यमस्तिष्क के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तरीके

यह सामग्री अनुदान 1063774 BCS के अंतर्गत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित काम पर आधारित है.

References: उच्च संकल्प कार्यात्मक मानव मध्यमस्तिष्क के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तरीके

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