视觉皮层宽视野视网膜定位刺激功能磁共振成像（fMRI）

摘要

我们已开发出利用比常规更大范围视觉视野来绘制视觉皮层功能的技术。该方法有望提升对视觉障碍和眼疾的评估效果。

摘要

采用宽视野呈现的高分辨率视网膜定位血氧水平依赖性（BOLD）功能磁共振成像（fMRI）可用于功能性地绘制外周和中央视觉皮层。该方法通过刺激超过>100°（±50°）或更广的视野范围，实现对枕叶的功能性定位，相较之下，标准fMRI视觉呈现系统通常仅覆盖小于<30°的视野。一种简单的宽视野BOLD fMRI刺激系统可通过常见的磁共振兼容投影仪搭建，方法是将大型镜面或屏幕置于受试者面部附近，并仅使用标准头部线圈的后半部分，从而在不遮挡视线的情况下提供宽广的视野角度。随后可利用多种视网膜定位刺激范式获取宽视野视网膜定位fMRI图谱，并通过数据分析确定对应于中央和外周视觉的视觉皮层区域的功能活动。该方法提供了一种实用且易于实施的视觉呈现系统，可用于评估青光眼等眼病及其伴随视力丧失所引起的外周和中央视觉皮层的变化。

引言

功能性磁共振成像（fMRI）是一种有价值的手段，可用于评估视觉皮层在刺激下区域神经血管功能的变化，因为局部脑血流的变化与脑区的激活相关^1,2。高分辨率的视网膜定位血氧水平依赖性（BOLD）信号测量反映了去氧血红蛋白的变化，这种变化由脑内局部血流和血氧水平的改变所驱动^1,2。通过fMRI数据采集的BOLD活动模式可用于功能性地绘制外周和中枢视觉皮层图谱，并检测视觉损伤和神经退行性病变引起的视网膜定位图变化³。

以往大多数功能性磁共振成像（fMRI）研究采用窄视野（约中央视野±12°）的非视网膜拓扑刺激或仅使用窄视野视觉刺激的简单视网膜拓扑刺激，这导致对视觉皮层中视网膜拓扑表征的功能分区有限，且仅能评估中央视觉区域，无法涵盖周边视野³。因此，基于窄视野的fMRI数据在青光眼患者中报告的BOLD信号百分比变化存在不一致的结果^4,5,6。因此，亟需改进fMRI技术，以更全面地评估周边和中央视觉区域，特别是在青光眼等疾病的评估中。

青光眼是导致不可逆失明的首要原因，到80岁时约影响10%的人群⁷。青光眼的病因是视网膜神经节细胞进行性、不可逆的神经退行性变，这些细胞负责通过视神经将视觉信号传递至大脑。在最常见类型的青光眼——原发性开角型青光眼（POAG）中，眼内压升高导致视网膜神经纤维层（RNFL）变薄，进而引起周边视野丧失，随后发展为周边及中心视力丧失^8,9,10,11。动物研究的组织学证据表明，青光眼还会引起视神经、视束、外侧膝状体、视放射和视觉皮层的进行性神经退行性变^12,13。磁共振成像（MRI）技术为评估视觉皮层的血氧水平和神经退行性变提供了微创手段。在青光眼患者中，MRI已发现视觉通路中存在灰质萎缩的证据^13,14,15,16，以及视交叉、视束和视放射中存在白质异常^1,17,18。

为了进一步探究视觉处理的影响，可采用功能性磁共振成像（fMRI）检测大脑对视觉线索的反应。本文所述方案介绍了一种新颖的方法，即利用高分辨率视网膜定位图 fMRI 结合广视野（>100°）刺激，获得低成本、宽视野的视网膜定位图，如 Zhou 等人³所述。实验中使用扩张环和旋转楔形视觉刺激，以诱发对应于偏心度和极角的视网膜定位图。通过分析血氧水平依赖性（BOLD）fMRI 信号变化率随偏心度的变化，评估与中心视野和周边视野相对应的大脑功能。BOLD fMRI 信号变化率可用于可视化整个视皮层的激活情况。这些 fMRI 指标提供了一种可靠的新方法，用于评估神经退行性改变及其在涉及视野缺损的眼病（如青光眼）中对视皮层造成的功能影响。

方案

涉及人类参与者的研究均遵循德克萨斯大学健康科学中心和石溪大学的机构指南进行，并已获得参与者知情同意，同意将其数据用于这些研究。

1. 磁共振成像仪的设置与成像方案

1. 进行fMRI时，使用配备多通道接收头线圈的3T MRI扫描仪。也可使用不同磁场强度的设备，但可能会出现信噪比（SNR）较低或畸变伪影等问题，需相应调整参数。fMRI扫描时仅使用头线圈的后半部分，以便为受试者提供更大的视野，避免头线圈前半部分遮挡视线。
2. 设置T1加权磁化准备快速梯度回波（MP-RAGE）序列，重复时间（TR）为2.2 s，回波时间（TE）为2.8 ms，视野（FOV）为176 mm × 256 mm × 208 mm，空间分辨率为1 mm × 1 mm × 1 mm，带宽为190 Hz/像素，翻转角为13°，扫描时长为3.1分钟³。
3. 设置梯度回波平面成像（EPI）序列，TR为2 s，TE为30 ms，FOV为220 mm × 220 mm，面内分辨率为1.7 mm × 1.7 mm，共29层，层厚3 mm，带宽为1,500 Hz/像素³。
4. 测量头线圈和磁共振扫描仪孔径的尺寸，然后通过将聚氯乙烯（PVC）管切割成合适长度，并用PVC弯头连接，制作一个简单的框架。准备一块至少25 cm宽、15 cm高的镜子，用螺丝将其固定在塑料杆上（可在镜子上钻小孔）。
   1. 使用尼龙螺丝将塑料杆两端固定在PVC框架上（图1A）。确保尼龙螺丝略微松动，以便手动旋转镜子，为每位受试者调节至最佳视角。
5. 制作一个可置于MRI孔径内的显示屏。裁剪一段大小约与MRI孔径匹配的背投屏幕。制作一个与孔径尺寸相同的框架，并用螺丝将屏幕固定在框架上。将屏幕安装在扫描仪内头线圈后方，以尽量缩短屏幕与镜子之间的距离，从而最大化视野。
   注意：若扫描仪孔径足够大，可直接使用单个显示屏供受试者观看，无需采用镜子与背投屏幕的组合装置。可使用附着在薄木板背衬上的投影屏幕，或一张薄的哑光白色塑料片作为显示屏，替代镜子安装在框架上。此时应调整投影仪的位置并进行对焦，使其完全覆盖屏幕且图像清晰。

2. 受试者准备

1. 向受试者说明fMRI扫描的流程、风险和益处，获取其知情同意。
2. 确保受试者不存在任何磁共振成像（MRI）禁忌证，包括筛查是否存在起搏器、金属植入物或幽闭恐惧症。若存在任何疑虑，应咨询合格的放射科医师或研究人员；若疑虑仍未排除，应将该受试者排除出研究。
3. 说明视觉刺激方案，以及受试者在进行fMRI扫描期间需持续注视中央十字的重要性。向受试者展示一段简短的视觉刺激演示，以帮助其熟悉实验流程。
4. 将受试者小心地安置在磁共振成像（MRI）扫描仪的检查床上，确保其体位舒适并充分放松。提供耳塞和/或隔音耳机，以降低受试者所听到的声学噪声，保护其听力。
5. 将受试者的头部固定在头部线圈阵列的后半部分，使用头部两侧的泡沫垫确保头部充分固定，以减少运动伪影。使用扫描仪的定位系统，将检查床移入扫描仪孔内。
6. 将广角屏幕或镜子置于患者眼睛前方10 cm处（图1B）。将与扫描仪孔径尺寸相匹配的屏幕放置在扫描仪孔径后方、头部线圈的正后方。针对每位受试者调整镜子/屏幕的位置和角度，以获得一致的视野角度。
7. 确保受试者在整个扫描过程中保持舒适 通过 通过对讲机进行沟通。

3. 参与者的fMRI扫描

1. 使用三个正交平面进行定位扫描，并对扫描仪进行频率调节和匀场校准。
2. 运行MP-RAGE解剖扫描，以帮助定位EPI切片。
3. 使用用于运行行为或心理实验的程序，按照以下步骤创建视觉刺激。
4. 在fMRI实验流程开始时，指导受试者注视位于刺激中心、灰色背景上的白色十字（3° × 3°），持续10秒。
   注意：每个视觉刺激范式前后均会显示白色十字，每次持续10秒。因此，每个范式的总fMRI刺激测试时间为200秒。
5. 呈现第一种视觉刺激范式（一系列旋转楔形），持续30秒（角速度为6°/s），共循环六次。楔形刺激应包含12帧旋转楔形图像（一次顺时针旋转，一次逆时针旋转），延伸至屏幕/镜面边缘（>100°视野），并采用8 Hz对比度反转的黑白（100%对比度）棋盘格图案（图2A）。
6. 再次呈现白色十字，持续10秒。
7. 重复步骤3.4–3.6，使用第二种视觉刺激范式（一系列扩张和收缩的同心环），持续30秒（扩张或收缩速度为1.8°/s视野），共循环六次。环形刺激应包含八帧扩张或收缩的同心环图像（>100°视野），并采用8 Hz对比度反转的黑白（100%对比度）棋盘格图案（图2B）。
8. fMRI扫描完成后，在指示受试者保持不动的同时将扫描床移出磁体孔。取下镜面/屏幕，安装头部线圈的前部组件（此前仅使用后部），然后将扫描床重新移回扫描仪中心位置。
9. 如怀疑受试者有移动，需先获取快速定位扫描图像，然后使用全头线圈获取MP-RAGE扫描图像。
   注意：为实现准确的组分析配准和重建，必须使用全头线圈获取解剖图像。

4. 视网膜拓扑fMRI数据的分析

1. 下载并安装用于MRI分析的FreeSurfer应用程序（https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu）²⁰。
   注意：本文使用的是FreeSurfer版本5.3.0。
2. 从MRI扫描仪获取医学数字成像和通信（DICOM）格式的图像。使用dcm2niix应用程序将DICOM文件转换为nifti格式（https://www.nitrc.org/projects/mricrogl）²¹。
3. 对T1加权扫描进行处理，以提供皮层表面参考，具体步骤如下所述。使用FreeSurfer将结构数据从nifti格式转换为.mgz格式（使用mri_convert命令）。
4. 在shell环境中使用recon-all命令对结构数据执行自动分割和皮层重建。
   注意：此步骤可能需要超过20小时才能完成。
5. 使用图形用户界面tksurfer查看膨胀的半球，并沿距状裂对视皮层进行虚拟切割，选择枕叶。使用mris_flatten命令展平视皮层区域。对两个半球重复此步骤。
6. 对于fMRI数据，首先从数据的起始和结束部分去除仅呈现固定十字的静息期。筛查fMRI数据中的伪影或大幅运动。
7. 对功能数据进行空间平滑和运动校正预处理。对视网膜拓扑刺激范式建模，并应用标准血流动力学响应函数以构建响应函数。
8. 使用FreeSurfer功能分析流程（mkanalysis-sess、selxavg3-sess和fieldsign-sess命令）对fMRI数据进行视网膜拓扑相位编码分析，将BOLD fMRI时间序列与建模的响应函数相关联，获得相位编码的视网膜拓扑图，显著性水平为 p < 0.01（图3）。
9. 使用tksurfer-sess命令将颜色编码的激活图叠加在虚拟展平的视皮层上，可视化视网膜拓扑图结果，并使用rtview命令进行显示。
10. 利用楔形刺激产生的相位编码视网膜拓扑图，结合视野符号图（图3A）、解剖标志以及FreeSurfer图谱，帮助界定初级视皮层（V1）及其他纹外区域（V2和V3）的边界。
11. 为计算不同偏心度下的BOLD响应，首先使用FSL Feat（http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl）通过广义线性模型计算统计图，针对每种环形刺激大小设置Z分数阈值为Z > 2.3^22,23。若进行组水平分析，使用FSL Feat计算组间差异统计图的第二级分析，以帮助确定不同偏心度下的BOLD响应。
12. 使用FreeSurfer的bbregister和tkregister2命令将fMRI图像与重建的皮层表面进行共配准，以对齐受试者的fMRI数据与其脑部解剖结构图像，确保精确的空间对齐。
13. 将八个帧中的环形刺激按偏心度分组。根据每个帧的激活体素区域手动绘制不同偏心度的兴趣区。提取BOLD信号百分比变化，并将其作为偏心度的函数进行绘图。同时，将偏心度数据分为中心区（< ±12°）和周边区（> ±12°），其中±12°视觉刺激在视网膜拓扑fMRI研究中较为典型。

结果

采用上述宽视野fMRI方案（如Zhou等人³先前所述），对9名确诊为原发性开角型青光眼（POAG）的受试者（4名男性，年龄36-74岁）和9名年龄匹配的健康志愿者（6名男性，年龄53-65岁）进行了评估。POAG患者的诊断依据为：前房角开放，并经临床评估确认存在与青光眼一致的视野缺损、视盘杯状凹陷和/或眼内压（IOP）高于21 mmHg³。采用宽视野视觉刺激（±55°）对每组受试者的中心及周边视力进行评估³。

图3展示了POAG患者与健康对照参与者对极性（楔形）和偏心度（环形）刺激产生的视网膜定位fMRI图谱。极性图谱（图3A）显示，POAG患者与健康参与者之间无明显差异。偏心度图谱（图3B）显示，由较小环形刺激激活的旁中心凹中心区域在POAG患者中较健康参与者更...

讨论

上述利用宽视野视网膜拓扑fMRI的方案是一种评估视力丧失和眼病对大脑影响的创新方法。通过使用更宽视野的屏幕对视觉皮层进行大范围视网膜拓扑定位，该方法有助于更全面地理解视觉系统的功能组织。这可能促进对大脑视觉处理系统异常的深入认识，此类异常可见于青光眼等神经退行性疾病^24,25。该技术还可用于检测和分析其他致盲疾病（如年龄相关性黄斑变性）所引起的大脑退化与重组过程^26,27。

单个人眼的视野角约为100°。以往大多数视觉fMRI研究采用的技术仅使用小于30°的视野（FOV），限制了fMRI可激活和分析的视觉皮层区域²⁸。因此，无法对周边视觉进行成像，导致所有分析只能集中于中央视觉区域。在临床上，这使得临床医生难以精确进行术前皮层定位，而这种定位对于脑部手术中避免损伤关键区域至关重要

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1/4"-20 尼龙机制螺钉，带滚花头的拇指螺钉			用于将杆固定到 PVC 框架上
1-1/4 英寸 PVC 管			需要约 5-10 英尺的长度
3T MRI 扫描仪	Siemens
6-32 尼龙机制螺钉，圆头			用于将镜面/屏幕固定到杆上
8 通道头部阵列线圈	Siemens
90 度 PVC 弯头，1-1/4 英寸接头
亚克力镜面			宽度和长度为 25-30 厘米
亚克力杆			1 英寸宽，长约 2 英尺，具体长度取决于扫描仪孔径和头部线圈的尺寸
E-Prime	Psychology Software Tools		用于准备和呈现视觉刺激范式
胶合板板，1/2 英寸厚			尺寸应至少与扫描仪孔径相同。切割成与孔径大小一致的框架，用于投影屏幕
背投屏幕			尺寸应至少与扫描仪孔径相同