Ad alta risoluzione magnetica funzionale per immagini Metodi risonanza per mesencefalo umano
10 maggio 2012
Questo articolo descrive le tecniche per eseguire ad alta risoluzione risonanza magnetica funzionale, con 1,2 mm di campionamento mesencefalo umano e strutture subcorticali utilizzando uno scanner 3T. L'uso di queste tecniche per risolvere le mappe topografiche di stimolazione visiva nella umano collicolo superiore (SC) è dato come un esempio.
L'obiettivo generale di questa procedura è misurare segnali FMRI ad alta risoluzione nel mesencefalo e nel tronco encefalico umano. Questo viene raggiunto innanzitutto presentando lo stimolo visivo appropriato al soggetto della ricerca. Successivamente, viene acquisito un insieme ottimale di FMRI.
Le procedure e i parametri vengono utilizzati per raccogliere i dati, che vengono analizzati mediante una combinazione di tecniche di analisi standard e basate sulla superficie. L'ultimo passaggio consiste nel sovrapporre i dati a una rappresentazione tridimensionale della superficie per la visualizzazione. In definitiva, la risonanza magnetica funzionale ad alta risoluzione viene utilizzata per mostrare una rappresentazione topografica dell'angolo polare rispetto alla stimolazione visiva nel collicolo superiore umano.
Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti per le strutture sottocorticali è che siamo in grado di ottenere un'elevata risoluzione superando al contempo il basso rapporto segnale-rumore associato alla risonanza magnetica funzionale ad alta risoluzione. Questo risultato è possibile grazie all'utilizzo di tecniche specializzate di acquisizione e analisi delle immagini. Sebbene questo metodo sia stato progettato specificamente per visualizzare la funzione nel collicolo superiore umano, può essere applicato anche ad altre regioni sottocorticali come il nucleo genicolato laterale, il collicolo inferiore o il nucleo sottotalamico.
Per ottenere un angolo polare, nella mappa topografica della retina nella Colus superiore, si imposti innanzitutto un paradigma funzionale utilizzando una falda di 90 gradi composta da punti in movimento come stimolo. Lo stimolo è diviso in due da tre settori virtuali, con i punti in uno dei settori scelti casualmente ad ogni prova per muoversi più lentamente o più velocemente rispetto a tutti gli altri punti. Di seguito è riportata una prova campione in cui i punti del settore sinistro centrale si muovono più velocemente dei punti negli altri settori.
Dopo ogni prova, la cuneo ruota attorno al punto di fissazione a incrementi di 30 gradi in modo che lo stimolo completi un ciclo completo con un periodo di 24 secondi. Ogni acquisizione consiste di nove rotazioni e mezzo dello stimolo e le sessioni sperimentali dovrebbero includere da 16 a 18 acquisizioni prima della scansione. Chiedere a ogni soggetto di esercitarsi nel compito visivo per ciascuna prova della durata di due secondi.
Chiedere al soggetto di prestare attenzione in modo occulto al settore a cuneo e di eseguire un compito di discriminazione della velocità mantenendo la fissazione. Mediante la pressione di un pulsante, il soggetto deve indicare se i punti in uno dei settori si stanno muovendo più velocemente o più lentamente rispetto agli altri settori. Prima della scansione, devono essere seguite le procedure standard di sicurezza per la risonanza magnetica. Posizionare il soggetto sul tavolo dello scanner e posizionare la bobina a radiofrequenza sulla testa.
Quindi assicurarsi di fissare la testa del soggetto con cuscinetti in schiuma per minimizzare i movimenti. Spiegare che la fMRI è particolarmente sensibile agli artefatti dovuti al movimento, soprattutto alle alte risoluzioni spaziali utilizzate in questo studio. Posizionare inoltre un blocco di pulsanti COMPATIBILE CON MRI in una mano e fornire istruzioni su quale pulsante premere durante il compito.
Lo stimolo viene proiettato su uno schermo che viene osservato attraverso uno specchio montato sulla bobina. Il collicolo superiore umano è una struttura piccola ma distinta, con un diametro di circa nove millimetri, situata sulla superficie dorsale del mesencefalo; sono necessarie diverse serie di immagini di localizzazione per identificarne con precisione la posizione. Eseguire le immagini di localizzazione lungo i piani sagittale, assiale e coronale.
Ora utilizzare queste immagini di localizzazione per prescrivere con precisione il colpo superiore con otto-dieci fette contigue. Successivamente, acquisire immagini strutturali pesate in T1 ad alta risoluzione mediante una sequenza SPGR tridimensionale. Queste immagini verranno utilizzate per allineare i dati di FMRI a un volume di riferimento strutturale ad alta risoluzione, che deve essere ottenuto in una sessione separata.
Successivamente, configurare l'acquisizione per l'imaging funzionale utilizzando una traiettoria spiralizzata a tre impulsi per ottenere una dimensione del pixel nel piano di 1,2 millimetri. Impostare il tempo d'eco a 40 millisecondi, valore superiore rispetto a quello tipicamente utilizzato nella corteccia, corrispondente a un valore misurato più elevato di T2*. Impostare il TR a un secondo in modo da acquisire un volume ogni tre secondi.
Quando si è pronti, iniziare la scansione eseguendo il paradigma funzionale. Al termine dell'imaging funzionale, acquisire un'altra serie di immagini strutturali ad alta risoluzione in T1 in una sessione separata. Per ogni soggetto, acquisire un volume di riferimento ad alta risoluzione mediante una sequenza pesata in T1 che fornisca un buon contrasto tra i tessuti.
Questa sequenza avrà una durata di circa 28 minuti. Al termine dell'acquisizione delle immagini, utilizzare una combinazione di tecniche automatiche e manuali fornite nel software ITK SNAP per segmentare porzioni del tronco encefalico e del talamo nel volume ad alta risoluzione. L'interfaccia tra il tessuto e il liquido cerebrospinale del collicolo superiore viene interpolata a partire dal segmento mediante tassellatura iso-densità e quindi affinata per produrre una rappresentazione superficiale liscia e accurata.
Questa superficie fornisce vertici e normali utilizzati per calcoli laminari, nonché un mezzo per visualizzare dati funzionali. L'analisi descritta utilizza il pacchetto software Mr.Vista insieme a strumenti sviluppati sulla base del framework Mr.Vista. Iniziare inizializzando una sessione e selezionando l'opzione per normalizzare spazialmente l'intensità dei dati medi al fine di ridurre gli effetti di non omogeneità della bobina e scartare la prima metà del ciclo di immagini.
Per evitare effetti emodinamici ed equilibrio MR transitorio. Quindi aprire il software Mr.Vista. Successivamente, eseguire le correzioni per il movimento del soggetto e la temporizzazione delle fette.
Quindi, calcolare la media delle ripetizioni multiple registrate all'interno di ogni sessione. Per migliorare il rapporto segnale-rumore (SNR), allineare i dati strutturali della sessione di FMRI al volume di riferimento. Caricare l'allineamento e la segmentazione in Mr.Vista.
Quindi trasformare i dati della serie temporale funzionale nel volume di riferimento segmentato. Nei passaggi seguenti, utilizzare strumenti sviluppati sul framework Mr.Vista. Calcolare una mappa delle distanze determinando la distanza tra ciascun voxel del tessuto SC e il vertice più vicino sulla superficie SE.
Queste distanze vengono utilizzate per misurare la posizione laminare all'interno del volume di riferimento. Successivamente, eseguire un processo di segmentazione laminare per consentire la media in profondità dei dati delle serie temporali, migliorando così il rapporto segnale-rumore (SNR). Per ogni punto sulla superficie della SC, utilizzare queste associazioni laminari per mediare la serie temporale su un intervallo di profondità specificato al fine di analizzare la rappresentazione topografica dei dati.
Eseguire un'analisi di coerenza sulla serie temporale media in profondità, adattando una sinusoide alla frequenza di ripetizione dello stimolo per ogni voxel; da questo adattamento, ricavare mappe superficiali di risposta, ampiezza, coerenza e fase. La fase dell'adattamento sinusoidale misurerà la posizione dello stimolo. Qui vediamo i dati di fase sovrapposti a una superficie 3D del collicolo superiore: una fase pari a zero corrisponde al meridiano verticale superiore.
Lo stimolo poi ruota in senso orario, quindi una fase di mezzo pi greco corrisponde al momento in cui lo stimolo ha ruotato fino al meridiano orizzontale nel campo visivo destro. Dopo un angolo di fase di PI radianti, lo stimolo attraversa il campo visivo sinistro e così via. La risposta alla stimolazione visiva è rappresentata in modo controlaterale nella SC IE, il campo visivo sinistro è rappresentato sulla SC destra e viceversa.
I confini dell'intera estensione superficiale della SC sono indicati da linee tratteggiate rosse. L'attività presenta un'organizzazione topografica. Il campo visivo superiore destro è rappresentato in posizione mediale sul collicolo sinistro, mentre il campo inferiore è rappresentato in posizione laterale.
In modo analogo, il campo visivo superiore sinistro è rappresentato medialmente nel collicolo destro, mentre quello inferiore è rappresentato lateralmente. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come eseguire una fMRI ad alta risoluzione nel mesencefalo e nel tronco encefalico umano; in particolare, si dovrebbe essere in grado di comprendere come presentare uno stimolo visivo, acquisire dati fMRI ad alta risoluzione, eseguire analisi standard e analisi basate sulla superficie, e infine visualizzare i dati su una superficie tridimensionale per ottenere mappe tonotopiche sulla superficie del collicolo superiore.
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Panoramica
In questo articolo vengono descritte tecniche per eseguire una risonanza magnetica funzionale (fMRI) ad alta risoluzione con campionamento di 1,2 mm in strutture mesencefaliche e sottocorticali umane, utilizzando uno scanner da 3T. Lo studio dimostra come queste tecniche possano risolvere mappe topografiche della stimolazione visiva nel collicolo superiore (SC) umano.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Neuroimmagini
- Risonanza magnetica funzionale
Sfondo
- La fMRI ad alta risoluzione consente un'immagine dettagliata delle strutture cerebrali.
- Il mesencefalo e il tronco encefalico umano sono aree fondamentali per l'elaborazione visiva.
- La mappatura topografica può rivelare come gli stimoli visivi vengono rappresentati nel cervello.
- Gli scanner da 3T offrono capacità di imaging migliorate rispetto agli scanner a campo magnetico inferiore.
Scopo dello studio
- Misurare segnali fMRI ad alta risoluzione nel mesencefalo e nel tronco encefalico umano.
- Analizzare la rappresentazione degli stimoli visivi nel collicolo superiore.
- Dimostrare l'efficacia di tecniche avanzate di imaging nella ricerca neuroscientifica.
Metodi Utilizzati
- Presentazione di stimoli visivi ai soggetti dello studio.
- Utilizzo di procedure e parametri ottimali di fMRI per la raccolta dei dati.
- Combinazione di tecniche di analisi standard e basate sulla superficie per l'analisi dei dati.
- Sovrapposizione dei dati su una rappresentazione tridimensionale della superficie per la visualizzazione.
Risultati principali
- La fMRI ad alta risoluzione ha catturato con successo segnali dettagliati dal mesencefalo.
- È stata ottenuta una rappresentazione topografica dell'angolo polare alla stimolazione visiva.
- Le tecniche hanno dimostrato il potenziale per una comprensione avanzata dell'elaborazione visiva nel cervello.
- I risultati sostengono l'uso dell'imaging ad alta risoluzione nella ricerca neuroscientifica.
Conclusioni
- La fMRI ad alta risoluzione è uno strumento potente per lo studio della funzione cerebrale.
- Queste tecniche possono fornire informazioni sull'organizzazione delle aree del processamento visivo.
- La ricerca futura potrà basarsi su questi metodi per esplorare altre funzioni cerebrali.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Metodo
La fMRI ad alta risoluzione consente un'indagine non invasiva dei circuiti del mesencefalo fondamentali per l'integrazione sensorimotoria e il controllo attentivo, offrendo un valore predittivo nella validazione degli obiettivi per le terapie di neuromodulazione. Risolvendo l'organizzazione topografica dei nuclei sottocorticali, questo metodo supporta la riduzione del rischio meccanicistica di candidati farmaci per il sistema nervoso centrale che influenzano i percorsi di elaborazione visuospaziale o di attivazione. Questa capacità aumenta la fiducia nei biomarcatori di engagement dell'obiettivo e orienta le decisioni di avanzamento o interruzione nei primi stadi dei processi di scoperta.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'interrogazione funzionale di aree del mesencefalo come il collicolo superiore, per validare ipotesi riguardo ai circuiti attentivi e ai meccanismi di filtraggio sensoriale.
- Valore operativo: Fornisce letture fMRI riproducibili e risolte in profondità, riducendo la variabilità nelle valutazioni del coinvolgimento del bersaglio tra diversi studi.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera segnali BOLD quantitativi specifici per strato, adatti per lo screening di tipo saggio di composti che modulano le vie dell'arousal sottocorticale o dell'attenzione visiva.
- Valore operativo: L'acquisizione standardizzata (voxel di 1,2 mm, TE~40 ms, spirale multi-shot) e l'analisi basata sulla superficie garantiscono la riproducibilità tra laboratori per il trasferimento del saggio.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Permette l'allineamento interspecie dell'organizzazione funzionale delle strutture del mesencefalo, sostenendo la validità traslazionale dei modelli preclinici.
- Valore operativo: I volumi di riferimento strutturali e i protocolli di segmentazione consentono il monitoraggio longitudinale della modulazione del bersaglio nei modelli di malattia.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nei flussi di lavoro della biologia della scoperta fornendo una validazione funzionale di bersagli del mesencefalo prima dell'identificazione dei composti promettenti, con risultati che informano sulla prontezza dei saggi e sulla continuità preclinica.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sui percorsi attentivi e visuomotori mediante analisi di serie temporali mediate in profondità all'interno di lamine mesencefaliche definite.
- Screening: Fornisce output fMRI quantitativi risolti per strato, che consentono lo screening di composti per la modulazione del bersaglio in circuiti sottocorticali.
- Analisi: Produce mappe di fase, ampiezza e coerenza derivanti dall'adattamento sinusoidale di segnali sincronizzati allo stimolo, permettendo analisi comparative tra diverse condizioni.
- Ricerca traslazionale: Favorisce la continuità dalla validazione del bersaglio nell'uomo ai modelli preclinici attraverso rappresentazioni superficiali 3D condivise e mappatura in profondità.
- Riutilizzo aziendale: Il volume strutturale di riferimento e la pipeline di segmentazione creano una piattaforma riutilizzabile per lo studio di multipli bersagli del mesencefalo e del tronco encefalico in diversi progetti.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Migliora la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi riducendo l'ambiguità meccanicistica nella funzione dei circuiti del mesencefalo.
- Valore operativo: L'acquisizione spiraliforme standardizzata e l'analisi basata sulla superficie migliorano la riproducibilità e la scalabilità tra diversi siti e studi.
- Valore strategico: Consente decisioni più precoci di proseguimento o interruzione dello sviluppo fornendo biomarcatori funzionali dell'interazione con l'obiettivo in regioni sottocorticali difficili da immaginare.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione dei programmi del sistema nervoso centrale in base al rischio, validando la modulazione dell'obiettivo in circuiti neurali rilevanti per la malattia.
Considerazioni sull'implementazione
- Competenze nell'acquisizione di fMRI, nelle sequenze spiraliformi e negli strumenti di neuroanalisi basati sulla superficie (ad esempio, Mr.Vista, ITK-SNAP).
- Accesso a uno scanner da 3T in grado di effettuare immagini spiraliformi multi-shot con TE~40ms e TR~1s per una risoluzione di 1,2 mm.
- Standardizzazione dei paradigmi di stimolazione visiva e delle tempistiche delle risposte con pulsante tra diversi operatori e sedi.
- Adattamento dei flussi di lavoro di segmentazione e mappatura della profondità ad altre strutture sottocorticali (ad esempio, collicolo inferiore, nucleo sottotalamico).
- Gestione del rumore fisiologico e della sensibilità al movimento a elevate risoluzioni spaziali, che richiede uno screening rigoroso dei soggetti e un monitoraggio della fissazione.
