方法文章

视觉皮层宽视野视网膜定位刺激功能磁共振成像（fMRI）

DOI：

10.3791/65597

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2023年12月8日

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1Renaissance School of Medicine at Stony Brook University, 2Department of Radiology, University of Colorado School of Medicine, 3Department of Radiology, Montefiore-Einstein, 4Department of Radiology, School of Medicine, Stony Brook University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

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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

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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

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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

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方案

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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 ....

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结果

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采用上述宽视野fMRI方案（如Zhou等人3先前所述），对九名被诊断为原发性开角型青光眼（POAG）的受试者（四名男性，年龄36-74岁）和九名年龄匹配的健康志愿者（六名男性，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°）评估每组受试者的中心及周边视力3。

图3展示了原发性开角型青光眼（POAG）患者和健康对照参与者对极性（楔形）和偏心度（环形）刺激产生的视网膜拓扑fMRI图。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区域在POAG患者中较.......

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讨论

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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

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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本研究工作由美国国立卫生研究院资助 [R01EY030996]。

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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-PrimePsychology 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

参考文献

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  1. Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (12), 5675-5679 (1992).
  2. Ogawa, S., et al.

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