عالية الدقة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للطرق الدماغ المتوسط ​​الإنسان

الهدف العام من هذا الإجراء هو قياس إشارات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (FMRI) عالية الدقة في الدماغ المتوسط وجذع الدماغ لدى البشر. ويتم تحقيق ذلك أولاً من خلال تقديم المحفز البصري المناسب للشخص الخاضع للبحث، ثم استخدام مجموعة مثالية من إعدادات الـ FMRI.

تُستخدم الإجراءات والمعايير لجمع البيانات، ثم يتم تحليل هذه البيانات باستخدام مزيج من تقنيات التحليل القياسية والتحليل القائم على السطح. وتتمثل الخطوة النهائية في إسقاط البيانات على تمثيل سطحي ثلاثي الأبعاد (3D) لغرض التصور. وفي نهاية المطاف، يتم استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (FMRI) عالي الدقة لإظهار تمثيل طوبوغرافي للزاوية القطبية للاستثارة البصرية في الأكيمة العلوية البشرية.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية لدراسة البنيات تحت القشرية في قدرتنا على تحقيق دقة عالية مع التغلب على انخفاض نسبة الإشارة إلى الضجيج المرتبط بالتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (FMRI) عالي الدقة. وقد تمكنا من تحقيق ذلك باستخدام تقنيات متخصصة في تحليل الصور واكتسابها. وعلى الرغم من تصميم هذه الطريقة خصيصاً لتصوير الوظائف في النواة المهدية العلوية لدى البشر، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضاً على مناطق تحت قشرية أخرى مثل النواة المهدية الجانبية، أو النواة المهدية السفلية، أو النواة تحت المهادية.

للحصول على خريطة موضعية للزاوية القطبية في الشبكية في الجزء العلوي من Colus، يتم أولاً إعداد نموذج وظيفي باستخدام إسفين من النقاط المتحركة بزاوية 90 درجة كمحفز. ينقسم المحفز إلى قطاعين افتراضيين بثلاثة أجزاء، حيث يتم اختيار النقاط في أحد القطاعات عشوائياً في كل تجربة لتتحرك بشكل أبطأ أو أسرع من جميع النقاط الأخرى. تظهر هنا تجربة عينة حيث تتحرك النقاط في القطاع الأوسط الأيسر بشكل أسرع من النقاط في القطاعات الأخرى.

بعد كل تجربة، يدور الإسفين حول نقطة التثبيت بزيادات قدرها 30 درجة بحيث يكمل المحفز دورة كاملة خلال فترة زمنية مدتها 24 ثانية. تتكون كل جولة من تسع دورات ونصف للمحفز، ويجب أن تتضمن الجلسات التجريبية من 16 إلى 18 جولة قبل إجراء المسح. يتدرب كل مشارك على المهمة البصرية لكل تجربة تستغرق ثانيتين.

وجّه الشخص الخاضع للتجربة لمراقبة الإسفين سرًا وأداء مهمة تمييز السرعة أثناء الحفاظ على التثبيت البصري. يجب على الشخص، من خلال الضغط على زر، تحديد ما إذا كانت النقاط في أحد القطاعات تتحرك بشكل أسرع أو أبطأ من القطاعات الأخرى قبل إجراء المسح. يجب اتباع إجراءات السلامة القياسية للتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). ضع الشخص على طاولة الماسح الضوئي وثبّت ملف الترددات الراديوية (RF coil) فوق الرأس.

ثم تأكد من تثبيت رأس الشخص الخاضع للفحص باستخدام وسادات رغوية لتقليل حركة الرأس. ووضح أن التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (FMRI) حساس بشكل خاص للشوائب الناتجة عن الحركة، لا سيما عند استخدام دقة مكانية عالية كما هو الحال في هذه الدراسة. ضع أيضاً لوحة أزرار متوافقة مع الرنين المغناطيسي (MRI COMPATIBLE) في إحدى يديه، وقدم التعليمات المتعلقة بالزر الذي يجب الضغط عليه أثناء المهمة.

يتم عرض المحفز على شاشة عرض تُرى باستخدام مرآة مثبتة على الملف. يعتبر المورق العلوي البشري (superior colliculus) بنية صغيرة ولكنها متميزة، يبلغ قطرها حوالي تسعة مليمترات وتقع على السطح الظهري للدماغ المتوسط، وتتطلب عملية تحديده بدقة إجراء عدة سلاسل من صور التحديد الموضعي. قم بتشغيل صور التحديد الموضعي على طول المستويات السهمية والمحورية والإكليلية.

استخدم الآن صور التحديد الموضعي هذه لتحديد القشرة العليا بدقة باستخدام ثماني إلى 10 مقاطع متصلة. ثم احصل على صور بنيوية عالية الدقة موزونة بالزمن T1 باستخدام تسلسل SPGR ثلاثي الأبعاد. ستُستخدم هذه الصور لمحاذاة بيانات FMRI مع حجم مرجعي بنيوي عالي الدقة يجب الحصول عليه في جلسة منفصلة.

بعد ذلك، قم بإعداد التصوير الوظيفي باستخدام مسار استحواذ لولبي بثلاث لقطات للحصول على حجم بكسل في المستوى يبلغ 1.2 millimeters. اضبط زمن الصدى على 40 milliseconds، وهو أطول مما يُستخدم عادةً في القشرة الدماغية، وهو ما يقابل قيمة مقاسة أطول لـ T two star. اضبط TR على ثانية واحدة بحيث يتم استحواذ حجم واحد كل ثلاث ثوانٍ.

عند الاستعداد، ابدأ المسح أثناء تشغيل النموذج الوظيفي. وبمجرد اكتمال التصوير الوظيفي، احصل على سلسلة صور هيكلية أخرى عالية الدقة بوزن T1 في جلسة منفصلة. بالنسبة لكل خاضع للتجربة، احصل على حجم مرجعي عالي الدقة باستخدام تسلسل موزون بـ T1 يوفر تبايناً جيداً في الأنسجة.

ستستغرق هذه السلسلة حوالي 28 دقيقة. بمجرد اكتمال التصوير، استخدم مزيجاً من التقنيات التلقائية واليدوية المتوفرة في برنامج ITK SNAP لتقسيم أجزاء من جذع الدماغ والمهاد في المجلد عالي الدقة. يتم استكمال الواجهة النسيجية للسائل الدماغي الشوكي في الأكيمة العلوية من عملية التقسيم باستخدام تسطيح الكثافة المتساوية (ISO density tessellation)، ثم يتم تحسينها لإنتاج تمثيل سطحي سلس ودقيق.

يوفر هذا السطح الرؤوس والمتجهات العمودية التي تُستخدم في الحسابات الصفائحية، بالإضافة إلى وسيلة لتصور البيانات الوظيفية. يستخدم التحليل الموصوف حزمة برمجيات Mr.Vista بالإضافة إلى الأدوات التي تم تطويرها بناءً على إطار عمل Mr.Vista. ابدأ بتهيئة جلسة واختيار خيار التطبيع المكاني لشدة البيانات المتوسطة لتقليل آثار عدم تجانس الملف، ثم استبعد نصف الدورة الأولى من الصور.

لتجنب التوازن المؤقت للرنين المغناطيسي والتأثيرات الديناميكية الدموية. بعد ذلك، افتح برنامج Mr.Vista. ثم قم بإجراء تصحيحات حركة المفحوص وتوقيت الشرائح.

ثم قم بحساب متوسط التشغيلات المتعددة المسجلة خلال كل جلسة. ولتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، قم بمحاذاة البيانات التركيبية لجلسة FMRI مع الحجم المرجعي. ثم قم بتحميل عملية المحاذاة والتقسيم في برنامج Mr.Vista.

ثم قم بتحويل بيانات السلاسل الزمنية الوظيفية إلى الحجم المرجعي المجزأ. تستخدم الخطوات التالية أدوات تم تطويرها ضمن إطار عمل Mr.Vista. احسب خريطة المسافات عن طريق حساب المسافة بين كل فوكسل نسيجي في SC وأقرب رأس له على سطح SE.

تُستخدم هذه المسافات لقياس الموضع الطبقي ضمن الحجم المرجعي. بعد ذلك، قم بإجراء عملية تقسيم طبقي لتمكين متوسط العمق لبيانات السلاسل الزمنية لتحسين نسبة الإشارة إلى الضجيج (SNR). وبالنسبة لكل نقطة على سطح القشرة الحسية الجسدية (SC)، استخدم هذه الارتباطات الطبقية لحساب متوسط السلاسل الزمنية عبر نطاق عمق محدد لتحليل التمثيل الطبوغرافي للبيانات.

أجرِ تحليل التماسك على السلاسل الزمنية لمتوسط العمق عن طريق مطابقة دالة جيبية عند تردد تكرار التحفيز لكل فوكسل؛ ومن هذه المطابقة، استمد خرائط سطحية للاستجابة، والسعة، والتماسك، والطور. سيقيس طور المطابقة الجيبية موضع التحفيز. نرى هنا بيانات الطور متراكبة على سطح ثلاثي الأبعاد للمنطقة SC، حيث يقابل الطور صفر خط الزوال الرأسي العلوي.

يدور المحفز بعد ذلك في اتجاه عقارب الساعة، بحيث تقابل مرحلة π/2 الوقت الذي يدور فيه المحفز إلى خط الزوال الأفقي في المجال البصري الأيمن. وبعد مرحلة قدرها π راديان، ينتقل المحفز إلى المجال البصري الأيسر وهكذا. يتم تمثيل الاستجابة للتحفيز البصري بشكل متصالب في SC IE، حيث يتم تمثيل المجال البصري الأيسر في SC الأيمن والعكس صحيح.

تحدد الخطوط الحمراء المتقطعة حدود المدى السطحي الكامل لـ SC. يوجد تنظيم طبوغرافي للنشاط؛ حيث يتم تمثيل المجال البصري العلوي الأيمن إنسياً في colus الأيسر، بينما يتم تمثيل المجال السفلي وحشياً.

وبالمثل، يتم تمثيل المجال البصري العلوي الأيسر إنسياً في الجانب الأيمن من الأكيمة العلوية، بينما يتم تمثيل المجال السفلي جانبياً. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية إجراء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) عالي الدقة في الدماغ المتوسط وجذع الدماغ لدى البشر، وبشكل خاص، يجب أن تكون قادراً على فهم كيفية تقديم محفز بصري، وجمع بيانات fMRI عالية الدقة، وإجراء التحليلات القياسية وتلك القائمة على السطح، وأخيراً عرض البيانات على سطح ثلاثي الأبعاد للحصول على خرائط طوبوغرافية على سطح الأكيمة العلوية.