高分辨率人类中脑功能磁共振成像方法
2012年5月10日
本文介绍了使用3T扫描仪在人脑和皮层下结构与1.2毫米采样高分辨率功能磁共振成像技术来执行。使用这些技术来解决视觉刺激在人类上丘（SC）的地形图作为一个例子。
该程序的总体目标是测量人中脑和脑干中的高分辨率 FMRI 信号。这是通过首先向研究对象提供适当的视觉刺激来实现的。然后是一组最佳的 FMRI。
使用程序和参数来收集数据，并使用标准和基于表面的分析技术的组合对数据进行分析。最后一步是将数据叠加在 A 3D 表面表示上以进行可视化。最终，高分辨率 FMRI 用于显示人类上结肠中极角与视觉刺激的地形表示。
与现有的皮质下结构方法相比，该技术的主要优点是，我们能够实现高分辨率，同时克服与高分辨率 FMRI 相关的低信噪比。我们能够通过使用专门的图像分析和采集技术来做到这一点。虽然这种方法是专门为人类上结肠的功能成像而设计的，但它也可以应用于其他皮质下区域，例如外侧尿球核、下结肠或丘脑底核。
为了获得极角，上结肠中的视网膜特应图首先使用 90 度移动点的楔形作为刺激建立了一个功能范式。刺激措施被分成两个乘三个虚拟扇区，其中一个扇区中的点在每次试验中随机选择，以比所有其他点移动得更慢或更快。下面是一个示例试验，其中中间左侧扇区的点比其他扇区中的点移动得更快。
每次试验后，楔子以 30 度的增量围绕固定点旋转，以便刺激以 24 秒的周期完成一个完整的周期。每次运行包括 9 次半刺激旋转，实验过程应包括扫描前的 16 到 18 次运行。让每个受试者每两次试验练习视觉任务。
指示对象偷偷地，注意楔子并执行速度识别任务，同时保持固定。在扫描之前，受试者应按下按钮指示其中一个扇区中的点是否比其他扇区移动得更快或更慢应遵循标准 MRI 安全程序。将拍摄对象放在扫描仪台上，并将射频线圈放在头部上方。
然后确保用泡沫垫固定受试者的头部，以尽量减少头部运动。说明 FMRI 对运动伪影特别敏感，尤其是在本研究中使用的高空间分辨率下。此外，将 MRI COMPATIBLE 按钮板放在一只手上，并说明在任务期间应按下哪个按钮。
刺激被投射到显示屏上，使用安装在线圈上的镜子查看。人类上结肠是一个直径约 9 毫米的小而独特的结构，位于中脑的背侧，需要多个定位器成像系列才能精确定位。沿矢状轴向和冠状平面运行定位器。
现在使用这些定位器图像来精确规定具有 8 到 10 个连续切片的上菌落。然后使用三维 SPGR 序列获得高分辨率的 T one 加权结构图像。这些图像将用于将 FMRI 数据与应在单独会话中获得的高分辨率结构参考体积对齐。
接下来，使用三发螺旋轨迹采集进行功能成像，以获得 1.2 毫米的普通像素尺寸。将回波时间设置为 40 毫秒，这比 Cortex 中通常使用的要长，对应于 T 双星集的较长测量值。TR 设置为 1 秒，以便每 3 秒获取一个卷。
准备就绪后，在运行功能范例时开始扫描。功能成像完成后，在单独的会话中获得另一个高分辨率 T 1 结构图像系列。对于每个主题，使用 T one 加权序列获得高分辨率参考体积，这将提供良好的组织对比度。
此序列时长约为 28 分钟。成像完成后，结合使用 ITK SNAP 软件中提供的自动和手动技术，在高分辨率体积中分割脑干和丘脑的部分。使用 ISO 密度镶嵌从分割中插入上丘的脑脊液组织界面，然后进行细化以产生平滑、准确的表面表示。
此表面提供用于层流计算的顶点和法线，以及可视化函数数据的方法。所描述的分析利用了 Mr.Vista 软件包以及在 Mr.Vista 框架上开发的工具。首先初始化会话并选择选项，在空间上归一化平均数据的强度，以减少线圈对均匀性的影响并丢弃图像的前半个周期。
避免短暂的 MR 平衡和血流动力学影响。然后打开 Mr.Vista 软件。接下来，执行主体运动和切片时序校正。
然后，对每个会话中记录的多次运行进行平均。要提高 SNR，请将 FMRI 会话的结构数据与参考体积对齐。将对齐和分段加载到 Mr.Vista 中。
然后将函数时间序列数据转换为分段的参考卷。以下步骤使用在 Mr.Vista 框架上开发的工具。通过计算每个 SC 组织体素与其在 SE 表面上的最近顶点之间的距离来计算距离图。
这些距离用于测量参考体积内的层流位置。接下来，执行层流分割过程，以启用时间序列数据的深度平均，从而提高 SNR。对于 SC 表面的每个点，使用这些层状关联对指定深度范围内的时间序列进行平均，以分析数据的地形表示。
通过以刺激重复频率拟合每个体素的正弦曲线，对深度平均时间序列进行相干分析，从此拟合中得出响应、振幅、相干性和相位的表面图。正弦拟合的相位将测量刺激的位置。在这里，我们看到叠加在 SC 零相位的 3D 表面上的相位数据对应于上垂直子午线。
然后刺激顺时针旋转，因此两个相位的饼图对应于刺激旋转到右侧视野中的水平子午线的时间。在 PI 相位弧度之后，刺激进入左视野，依此类推。对视觉刺激的反应在 SC IE 中以 Contral laly 表示，左视野在右侧 SC 上表示，反之亦然。
SC 整个浅表范围的边界用红色虚线标记。该活动有一个地形组织。右上视野在左结肠内侧表示，下视野在外侧表示。
同样，左上视野在右侧内侧表示，丘和下视野在外侧表示。看完这个视频后，你应该对如何在人类中脑和脑干中进行高分辨率 FMRI 有很好的了解，特别是你应该能够理解如何呈现视觉刺激。收集高分辨率 FMRI 数据，执行基于标准和表面的分析，最后在 3D 表面上渲染数据，以获得上丘表面的 Tino 主题图。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本文描述了使用3T扫描仪在人类中脑和皮层下结构进行1.2毫米采样的高分辨率功能性磁共振成像（fMRI）的技术。该研究展示了这些技术如何能够解析人类上丘（SC）中视觉刺激的地形图。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 神经影像
- 功能性MRI
背景
- 高分辨率fMRI允许对大脑结构进行详细成像。
- 人类中脑和脑干是视觉处理的关键区域。
- 地形图可以揭示视觉刺激如何在大脑中表现。
- 3T扫描仪提供了比低场强度扫描仪更强的成像能力。
研究目的
- 测量人类中脑和脑干中的高分辨率fMRI信号。
- 分析上丘中视觉刺激的表现。
- 展示先进成像技术在神经科学研究中的有效性。
使用的方法
- 向研究对象呈现视觉刺激。
- 利用最佳的fMRI程序和参数进行数据收集。
- 结合标准和基于表面的分析技术进行数据分析。
- 将数据叠加在3D表面表示上进行可视化。
主要结果
- 高分辨率fMRI成功捕获了中脑的详细信号。
- 实现了视觉刺激的极角地形表现。
- 这些技术展示了对大脑视觉处理理解的潜力。
- 结果支持在神经科学研究中使用高分辨率成像。
结论
- 高分辨率fMRI是研究大脑功能的强大工具。
- 这些技术可以提供对视觉处理区域组织的洞察。
- 未来的研究可以在这些方法的基础上探索其他大脑功能。
常见问题
Executive Industry Relevance
High-resolution fMRI enables non-invasive interrogation of midbrain circuits critical for sensory-motor integration and attentional control, offering predictive value in target validation for neuromodulation therapies. By resolving topographic organization in subcortical nuclei, the method supports mechanistic de-risking of CNS drug candidates affecting visuospatial processing or arousal pathways. This capability enhances confidence in target engagement biomarkers and informs go/no-go decisions in early discovery pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables functional interrogation of midbrain targets like superior colliculus to validate hypotheses about attentional networks and sensory gating mechanisms.
- Operational Value: Provides reproducible, depth-resolved fMRI readouts that reduce variability in target engagement assessments across studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative laminar-specific BOLD signals suitable for assay-like screening of compounds modulating subcortical arousal or visual attention pathways.
- Operational Value: Standardized acquisition (1.2 mm voxels, TE~40ms, multi-shot spiral) and surface-based analysis ensure cross-lab reproducibility for assay transfer.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables cross-species alignment of functional organization in midbrain structures, supporting translational validity of preclinical models.
- Operational Value: Structural reference volumes and segmentation protocols allow longitudinal tracking of target modulation in disease models.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology workflows by providing functional validation of midbrain targets prior to lead identification, with outputs informing assay readiness and preclinical continuity.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of attentional and visuomotor pathways through depth-averaged time series analysis in defined midbrain laminae.
- Screening: Delivers quantitative, laminar-resolved fMRI outputs that enable compound screening for target modulation in subcortical circuits.
- Analytics: Produces phase, amplitude, and coherence maps from sinusoidal fitting of stimulus-locked signals, enabling comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Facilitates continuity from human target validation to preclinical models via shared 3D surface representations and depth mapping.
- Enterprise Reuse: Structural reference volume and segmentation pipeline create a reusable platform for studying multiple midbrain and brainstem targets across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in midbrain circuit function.
- Operational Value: Standardized spiral acquisition and surface-based analysis enhance reproducibility and scalability across sites and studies.
- Strategic Value: Enables earlier go/no-go decisions by providing functional biomarkers of target engagement in hard-to-image subcortical regions.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of CNS programs by validating target modulation in disease-relevant neural circuits.
Implementation Considerations
- Expertise in fMRI acquisition, spiral sequences, and surface-based neuroanalysis tools (e.g., Mr.Vista, ITK-SNAP).
- Access to 3T scanner capable of multi-shot spiral imaging with TE~40ms and TR~1s for 1.2 mm resolution.
- Standardization of visual stimulus paradigms and button-response timing protocols across operators and sites.
- Adaptation of segmentation and depth-mapping workflows to other subcortical structures (e.g., inferior colliculus, subthalamic nucleus).
- Management of physiological noise and motion sensitivity at high spatial resolutions, requiring rigorous subject screening and fixation monitoring.
