Hochauflösende Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Mittelhirn

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, hochauflösende FMRT-Signale im menschlichen Mittelhirn und Hirnstamm zu messen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein geeigneter visueller Reiz dem Versuchsteilnehmer präsentiert wird. Anschließend wird ein optimaler Satz von FMRT-

Verfahren und Parameter werden zur Datenerfassung verwendet, und die Daten werden mithilfe einer Kombination aus Standard- und oberflächenbasierten Analysetechniken ausgewertet. Im letzten Schritt erfolgt die Überlagerung der Daten mit einer 3D-Oberflächendarstellung zur Visualisierung. Letztendlich wird mittels hochauflösender funktioneller MRT eine topografische Darstellung des Polarwinkels auf visuelle Reize im menschlichen oberen Hügel des Vierhügels gezeigt.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden für subkortikale Strukturen liegt darin, dass wir eine hohe Auflösung erreichen können, während wir gleichzeitig das mit hochauflösendem FMRT verbundene niedrige Signal-Rausch-Verhältnis überwinden. Dies ermöglichen uns spezialisierte Bildanalyse- und Aufnahmetechniken. Obwohl diese Methode speziell zur Abbildung der Funktion des menschlichen oberen Hügels entwickelt wurde, kann sie auch auf andere subkortikale Regionen wie den lateralen Oliwariskern, den unteren Hügel oder den Nucleus subthalamicus angewendet werden.

Um einen Polarwinkel zu erhalten, wird im überlegenen Colus zunächst ein funktionelles Paradigma unter Verwendung eines 90-Grad-Sektors aus bewegten Punkten als Reiz aufgebaut. Der Reiz ist durch drei virtuelle Sektoren in zwei Teile geteilt, wobei die Punkte in einem der Sektoren bei jeder Durchführung zufällig ausgewählt werden, um langsamer oder schneller als alle anderen Punkte zu bewegen. Hier ist ein Beispielversuch, bei dem sich die Punkte im linken mittleren Sektor schneller bewegen als die Punkte in den anderen Sektoren.

Nach jedem Durchlauf dreht sich die Keilblende in 30-Grad-Schritten um die Fixation, sodass der Reiz einen vollständigen Zyklus mit einer Periode von 24 Sekunden durchläuft. Jeder Durchgang besteht aus neuninhalb Rotationen des Reizes, und die experimentellen Sitzungen sollten vor der Aufnahme 16 bis 18 Durchgänge umfassen. Jeder Proband sollte die visuelle Aufgabe für jeden zwei Sekunden dauernden Durchlauf üben.

Weisen Sie die Versuchsperson an, den Keil unauffällig wahrzunehmen und eine Geschwindigkeitsdiskriminationsaufgabe durchzuführen, während sie die Fixation beibehält. Mithilfe eines Tastendrucks soll die Versuchsperson angeben, ob sich die Punkte in einem der Sektoren schneller oder langsamer als in den anderen Sektoren bewegen. Vor dem Scannen sollten die üblichen MRT-Sicherheitsverfahren befolgt werden. Positionieren Sie die Versuchsperson auf dem Scannertisch und platzieren Sie die HF-Spule über dem Kopf.

Danach sicherstellen, dass der Kopf des Probanden mit Schaumstoffpolstern fixiert ist, um Kopfbewegungen zu minimieren. Erklären, dass die funktionelle MRT besonders empfindlich gegenüber Bewegungsartefakten ist, insbesondere bei den hohen räumlichen Auflösungen, die in dieser Studie verwendet werden. Zudem eine MRT-KOMPATIBLE Tastenbox in eine Hand geben und Anweisungen erteilen, welche Taste während der Aufgabe zu drücken ist.

Der Reiz wird auf einen Bildschirm projiziert, der über einen am Spulenhalter montierten Spiegel betrachtet wird. Der menschliche obere Hügel ist eine kleine, aber deutliche Struktur mit einem Durchmesser von etwa neun Millimetern, die sich auf der dorsalen Oberfläche des Mittelhirns befindet, und für seine präzise Lokalisierung sind mehrere Lokalisierungs-Bildserie notwendig. Führen Sie die Lokalisierungen entlang der sagittalen, axialen und koronalen Ebenen durch.

Verwenden Sie nun diese Lokalisierungsbilder, um den oberen Kolliculus mit acht bis zehn benachbarten Schichten genau zu definieren. Erhalten Sie anschließend hochauflösende T1-gewichtete strukturelle Bilder mithilfe einer dreidimensionalen SPGR-Sequenz. Diese Bilder dienen dazu, die FMRI-Daten mit einem hochauflösenden strukturellen Referenzvolumen zu registrieren, das in einer separaten Sitzung aufgenommen werden sollte.

Richten Sie als Nächstes die funktionelle Bildgebung mit einer Dreifach-Spiral-Trajektorienaufnahme ein, um eine in der Ebene liegende Pixelgröße von 1,2 Millimetern zu erzielen. Stellen Sie die Echotime auf 40 Millisekunden ein, was länger ist als üblich in der Großhirnrinde, und entspricht einem längeren gemessenen T2*-Wert. Wählen Sie eine TR von einer Sekunde, sodass alle drei Sekunden ein Volumen erfasst wird.

Wenn bereit, starten Sie die Aufnahme unter gleichzeitigem Durchführen des funktionellen Paradigmas. Sobald die funktionelle Bildgebung abgeschlossen ist, erwerben Sie in einer separaten Sitzung eine weitere hochauflösende strukturelle T1-Bildserie. Erhalten Sie für jeden Probanden ein hochauflösendes Referenzvolumen mithilfe einer T1-gewichteten Sequenz, die einen guten Gewebekontrast liefert.

Diese Sequenz dauert etwa 28 Minuten. Sobald die Bildaufnahme abgeschlossen ist, verwenden Sie eine Kombination aus automatischen und manuellen Methoden, die in der ITK-SNAP-Software bereitgestellt werden, um Teile des Hirnstamms und des Thalamus im hochauflösenden Volumen zu segmentieren. Die Gewebegrenzfläche zwischen Zerebrospinalflüssigkeit und oberem Hügel (superior colliculus) wird anhand der Segmentierung mittels ISO-Dichtetessellierung interpoliert und anschließend verfeinert, um eine glatte und präzise Oberflächendarstellung zu erhalten.

Diese Oberfläche liefert Knotenpunkte und Normalenvektoren, die für laminare Berechnungen sowie zur Visualisierung funktioneller Daten verwendet werden. Die beschriebene Analyse nutzt das Mr.Vista-Softwarepaket sowie Werkzeuge, die auf dem Mr.Vista-Framework entwickelt wurden. Beginnen Sie mit der Initialisierung einer Sitzung und wählen Sie die Option, die Intensität der Durchschnittsdaten räumlich zu normalisieren, um die Auswirkungen der Spuleninhomogenität zu verringern, und verwerfen Sie die erste halbe Bildzyklussequenz.

Um transiente MR-Gleichgewichts- und hämodynamische Effekte zu vermeiden. Öffnen Sie dann die Mr.Vista-Software. Führen Sie anschließend Korrekturen für Bewegungen des Probanden und die Slice-Timing-Korrektur durch.

Danach die mehrfachen Läufe, die innerhalb jeder Sitzung aufgezeichnet wurden, mitteln. Um das SNR zu verbessern, die strukturellen Daten der FMRI-Sitzung an das Referenzvolumen ausrichten. Die Ausrichtung und Segmentierung in Mr.Vista laden.

Danach transformieren Sie die funktionellen Zeitsereiendaten in das segmentierte Referenzvolumen. Führen Sie die folgenden Schritte mit Werkzeugen durch, die auf dem Mr.Vista-Framework entwickelt wurden. Berechnen Sie eine Distanzkarte, indem Sie den Abstand zwischen jedem SC-Gewebe-Voxel und seinem nächstgelegenen Vertex auf der SE-Oberfläche ermitteln.

Diese Abstände werden verwendet, um die laminare Position innerhalb des Referenzvolumens zu messen. Führen Sie anschließend einen laminaren Segmentierungsprozess durch, um eine Tiefenmittelung der Zeitreihendaten zu ermöglichen und die SNR zu verbessern. Verwenden Sie für jeden Punkt auf der SC-Oberfläche diese laminaren Zuordnungen, um die Zeitreihe über einen definierten Tiefenbereich zu mitteln und die topographische Darstellung der Daten zu analysieren.

Führen Sie eine Kohärenzanalyse der tiefengemittelten Zeitsignale durch, indem Sie für jeden Voxel eine Sinuskurve mit der Frequenz der Reizwiederholung anpassen; leiten Sie aus dieser Anpassung Oberflächenkarten der Antwort, Amplitude, Kohärenz und Phase ab. Die Phase der sinusförmigen Anpassung misst die Position des Reizes. Hier sehen wir Phasendaten, die auf eine 3D-Oberfläche des SC aufgelegt sind; die Nullphase entspricht dem oberen vertikalen Meridian.

Der Reiz dreht sich anschließend im Uhrzeigersinn, sodass ein Halbkreis einer Phasenlage entspricht, bei der sich der Reiz am horizontalen Meridian im rechten Gesichtsfeld befindet. Nach π Radiant der Phase wechselt der Reiz in das linke Gesichtsfeld und so weiter. Die Antwort auf visuelle Reize wird kontralateral im SC dargestellt; das linke Gesichtsfeld wird im rechten SC abgebildet und umgekehrt.

Die Grenzen der gesamten oberflächlichen Ausdehnung des SC sind durch rote gestrichelte Linien markiert. Die Aktivität weist eine topographische Organisation auf. Das obere rechte Gesichtsfeld wird medial auf der linken Colliculus und das untere Feld lateral dargestellt.

Ebenso wird das linke obere Gesichtsfeld medial im rechten Kollikulus dargestellt, während das untere lateral dargestellt wird. Nach dem Ansehen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie hochauflösende fMRT im menschlichen Mittelhirn und Hirnstamm durchgeführt wird. Insbesondere sollten Sie verstehen, wie ein visueller Reiz präsentiert wird, hochauflösende fMRT-Daten erfasst, eine Standard- und oberflächenbasierte Analyse durchgeführt und die Daten schließlich auf einer 3D-Oberfläche dargestellt werden, um topographische Karten auf der Oberfläche des oberen Kollikulus zu erhalten.