Hochauflösende Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Mittelhirn

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, hochauflösende FMRI-Signale im menschlichen Mittelhirn und Hirnstamm zu messen. Dies wird erreicht, indem dem Versuchsteilnehmer zunächst der passende visuelle Reiz präsentiert wird. Dann ein optimaler Satz von FMRI.

Zur Datenerfassung werden Verfahren und Parameter verwendet, und die Daten werden mit einer Kombination aus Standard- und oberflächenbasierten Analysetechniken analysiert. Der letzte Schritt besteht darin, die Daten zur Visualisierung auf einer 3D-Oberflächendarstellung zu überlagern. Letztendlich wird die hochauflösende FMRI verwendet, um eine topographische Darstellung des Polarwinkels zur visuellen Stimulation im menschlichen Colus superior zu zeigen.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden für subkortikale Strukturen besteht darin, dass wir in der Lage sind, eine hohe Auflösung zu erreichen und gleichzeitig das niedrige Signal-Rausch-Verhältnis zu überwinden, das mit hochauflösenden FMRIs verbunden ist. Wir sind in der Lage, dies durch den Einsatz spezieller Bildanalyse- und -erfassungstechniken zu erreichen. Obwohl diese Methode speziell für die Abbildung der Funktion im menschlichen Colus superior entwickelt wurde, kann sie auch auf andere subkortikale Regionen wie den Nucleus ululatus lateralis, den Colus inferior oder den Nucleus subthalamicus angewendet werden.

Um einen polaren Winkel zu erhalten, stellte die atopische Netzhautkarte im oberen Colus zunächst ein funktionelles Paradigma auf, wobei ein 90-Grad-Keil aus beweglichen Punkten als Stimulus verwendet wurde. Der Stimulus ist in zwei mal drei virtuelle Sektoren unterteilt, wobei sich Punkte in einem der Sektoren befinden, die bei jedem Versuch zufällig ausgewählt werden, um sich langsamer oder schneller als alle anderen Punkte zu bewegen. Hier ist ein Beispielversuch, bei dem sich die Punkte des mittleren linken Sektors schneller bewegen als die Punkte in anderen Sektoren.

Nach jedem Versuch dreht sich der Keil in 30-Grad-Schritten um die Fixierung, so dass der Stimulus einen vollständigen Zyklus mit einer Periode von 24 Sekunden abschließt. Jeder Lauf besteht aus neuneinhalb Umdrehungen des Stimulus und die experimentellen Sitzungen sollten 16 bis 18 Durchläufe vor dem Scannen umfassen. Lassen Sie jeden Probanden die visuelle Aufgabe für jeden zweiten Versuch üben.

Weisen Sie das Subjekt an, sich verdeckt um den Keil zu kümmern und eine Geschwindigkeitsunterscheidungsaufgabe durchzuführen, während Sie die Fixierung beibehalten. Mit einem Tastendruck sollte der Proband anzeigen, ob sich die Punkte in einem der Sektoren schneller oder langsamer als in anderen Sektoren bewegen, bevor die Standard-MRT-Sicherheitsverfahren befolgt werden. Positionieren Sie das Motiv auf dem Scannertisch und platzieren Sie die HF-Spule über dem Kopf.

Achten Sie dann darauf, den Kopf des Motivs mit Schaumstoffpolstern zu sichern, um Kopfbewegungen zu minimieren. Erklären Sie, dass FMRI besonders empfindlich auf Bewegungsartefakte reagiert, insbesondere bei den hohen räumlichen Auflösungen, die in dieser Studie verwendet wurden. Legen Sie außerdem ein MRT-kompatibles Tastenfeld in eine Hand und geben Sie Anweisungen, welche Taste während der Aufgabe gedrückt werden soll.

Der Reiz wird auf einen Bildschirm projiziert, der mit Hilfe eines an der Spule angebrachten Spiegels betrachtet wird. Der Colus superior des Menschen ist eine kleine, aber feine Struktur mit einem Durchmesser von etwa neun Millimetern, die sich auf der dorsalen Oberfläche des Mittelhirns befindet und für dessen präzise Lokalisierung mehrere Localizer-Bildgebungsserien erforderlich sind. Führen Sie die Lokalisierer entlang der sagittalen, axialen und koronalen Ebenen aus.

Verwenden Sie nun diese Lokalisierungsbilder, um den Colus superior mit acht bis 10 zusammenhängenden Schichten präzise zu verschreiben. Anschließend erhalten Sie hochauflösende T-1-gewichtete Strukturbilder mit einer dreidimensionalen SPGR-Sequenz. Diese Bilder werden verwendet, um die FMRI-Daten auf ein hochauflösendes strukturelles Referenzvolumen auszurichten, das in einer separaten Sitzung aufgenommen werden sollte.

Als nächstes wird die funktionelle Bildgebung mit einer spiralförmigen Trajektorienerfassung mit drei Schüssen eingerichtet, um eine einfache Pixelgröße von 1,2 Millimetern zu erhalten. Stellen Sie die Echozeit auf 40 Millisekunden ein, was länger ist als üblich im Kortex, was einem längeren gemessenen Wert von T zwei Sternen entspricht. TR auf eine Sekunde erhöht, sodass alle drei Sekunden ein Volume erfasst wird.

Wenn Sie fertig sind, starten Sie den Scan, während Sie das funktionale Paradigma ausführen. Sobald die funktionelle Bildgebung abgeschlossen ist, erhalten Sie in einer separaten Sitzung eine weitere hochauflösende strukturelle Bildserie. Ermitteln Sie für jedes Subjekt ein hochauflösendes Referenzvolumen unter Verwendung einer gewichteten Sequenz mit T eins, die einen guten Gewebekontrast bietet.

Diese Sequenz wird etwa 28 Minuten lang sein. Sobald die Bildgebung abgeschlossen ist, verwenden Sie eine Kombination aus automatischen und manuellen Techniken, die in der ITK SNAP-Software bereitgestellt werden, um Teile des Hirnstamms und des Thalamus im hochauflösenden Volumen zu segmentieren. Die Schnittstelle des Liquorgewebes superior des Colliculus superior wird aus der Segmentierung mittels ISO-Dichte-Tessellation interpoliert und dann verfeinert, um eine glatte, genaue Oberflächendarstellung zu erzeugen.

Diese Oberfläche stellt Eckpunkte und Normalen bereit, die für laminare Berechnungen verwendet werden, sowie eine Möglichkeit zur Visualisierung funktionaler Daten. Die beschriebene Analyse verwendet das Softwarepaket Mr.Vista sowie Tools, die auf dem Mr.Vista-Framework entwickelt wurden. Beginnen Sie mit der Initialisierung einer Sitzung und wählen Sie die Option aus, die Intensität der durchschnittlichen Daten räumlich zu normalisieren, um die Auswirkungen der Spirale in der Homogenität zu reduzieren und den ersten Halbzyklus der Bilder zu verwerfen.

Zur Vermeidung von transienten MR-Gleichgewichts- und hämodynamischen Effekten. Öffnen Sie dann die Mr.Vista Software. Führen Sie als Nächstes Korrekturen der Motivbewegung und des Slice-Timings durch.

Mitteln Sie dann die Anzahl der mehreren Durchläufe, die in jeder Sitzung aufgezeichnet wurden. Um das SNR zu verbessern, richten Sie die Strukturdaten für die FMRI-Sitzung am Referenzvolumen aus. Laden Sie die Ausrichtung und Segmentierung in Mr.Vista.

Transformieren Sie dann die funktionalen Zeitreihendaten in das segmentierte Referenzvolumen. Verwenden Sie in den folgenden Schritten Tools, die auf dem Mr.Vista-Framework entwickelt wurden. Berechnen Sie eine Entfernungskarte, indem Sie den Abstand zwischen den einzelnen SC-Gewebevoxeln und dem nächstgelegenen Scheitelpunkt auf der SE-Oberfläche berechnen.

Diese Abstände werden verwendet, um die laminare Position innerhalb des Referenzvolumens zu messen. Führen Sie als Nächstes einen laminaren Segmentierungsprozess durch, um die Tiefenmittelung von Zeitreihendaten zu ermöglichen und so das SNR zu verbessern. Verwenden Sie für jeden Punkt auf der SC-Oberfläche diese laminaren Zuordnungen, um den Durchschnitt der Zeitserie über einen angegebenen Tiefenbereich zu berechnen und die topografische Darstellung der Daten zu analysieren.

Führen Sie eine Kohärenzanalyse für die Tiefendurchschnittszeitreihe durch, indem Sie eine Sinuskurve an die Stimuluswiederholungsfrequenz für jedes Voxel anpassen. Leiten Sie aus dieser Anpassung Oberflächenkarten von Antwort, Amplitude, Kohärenz und Phase ab. Die Phase der sinusförmigen Anpassung misst die Position des Stimulus. Hier sehen wir Phasendaten, die auf einer 3D-Oberfläche der SC-Nullphase überlagert sind, die dem oberen vertikalen Meridian entspricht.

Der Stimulus dreht sich dann im Uhrzeigersinn, so dass ein Kuchen über zwei Phasen dem Zeitpunkt entspricht, an dem sich der Stimulus zum horizontalen Meridian im rechten Gesichtsfeld gedreht hat. Nach dem PI-Bogenmaß der Phase geht der Reiz in das linke Gesichtsfeld über und so weiter. Die Reaktion auf visuelle Stimulation wird im SC IE kontra laly dargestellt, das linke Gesichtsfeld wird auf dem rechten SC dargestellt und umgekehrt.

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

In ähnlicher Weise ist das linke obere Gesichtsfeld medial auf der rechten dargestellt, Colliculus und das untere ist lateral dargestellt. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man hochauflösende FMRI im menschlichen Mittelhirn und Hirnstamm durchführt Insbesondere sollten Sie in der Lage sein, zu verstehen, wie man einen visuellen Reiz präsentiert. Sammeln Sie hochauflösende FMRI-Daten, führen Sie standard- und oberflächenbasierte Analysen durch und rendern Sie die Daten schließlich auf einer 3D-Oberfläche, um Tono-Topic-Maps auf der Oberfläche des Colliculus superior zu erhalten.