方法論記事

広視野網膜トピック刺激による視覚野の機能的磁気共鳴画像法(fMRI)

DOI：

10.3791/65597

⸱

2023年12月8日

 ,  ,  ,  , 
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

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

私たちは、一般的に使用されているよりも多くの視野を利用して視覚野機能をマッピングする技術を開発しました。このアプローチは、視力障害や眼疾患の評価を高める可能性を秘めています。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

高解像度のレチノトピック血中酸素濃度依存性(BOLD)機能的磁気共鳴画像法(fMRI)とワイドビューの提示により、末梢および中枢視覚野を機能的にマッピングできます。視覚脳の機能的変化を測定するこの方法は、後頭葉の機能マッピングを可能にし、通常視野の<30°をカバーする標準的なfMRI視覚提示セットアップと比較して、>100°(±50°)以上の視野を刺激します。一般的なMR対応プロジェクターでは、大型の鏡やスクリーンを被験者の顔の近くに設置し、標準的なヘッドコイルの後半分のみで視野を遮ることなく広視野角を確保することで、簡易な広視野角の刺激システムを構築することができます。次に、さまざまな網膜刺激パラダイムを使用してワイドビュー網膜対象fMRIマップを画像化でき、データを分析して、中心視および周辺視に対応する視覚野領域の機能活動を決定することができます。この方法は、緑内障などの眼疾患やそれに伴う視力低下による末梢および中枢視覚野の変化を評価するために使用できる、実用的で実装が容易な視覚提示システムを提供します。

概要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、局所血流の変化が脳領域の活性化と相関しているため、刺激に応答する視覚野内の局所神経血管機能の変化を評価するための貴重な方法です1,2。高分解能レチノトピック血中酸素濃度依存性(BOLD)信号測定は、脳内の血流と血中酸素化の局所的な変化によって引き起こされるデオキシヘモグロビンの変化を表します1,2。fMRIデータから収集されたBOLD活動パターンは、末梢および中枢視覚野を機能的にマッピングし、視覚障害や神経変性に応答した網膜領域マップの変化を検出するために使用できます3。

これまでのfMRI研究のほとんどは、狭視(中心視野の約±12°)の非網膜トピック刺激または狭視視視刺激を伴う単純な網膜刺激を使用しており、視覚野における網膜視体表現の機能的区画化は限定的であり、評価は周辺部を除く中心視野のみに限定されていました3。その結果、視野の狭いfMRIデータは、緑内障患者の一貫性のない太字パーセントの変化を報告しています4,5,6。したがって、特に緑内障などの疾患の評価において、末梢および中心視野を評価するための改善されたfMRIアプローチが必要です。

緑内障は不可逆的な失明の主な原因であり、80歳までに10%の人が罹患します7。緑内障は、視神経を介して脳に視覚刺激を伝達する網膜神経節細胞の進行性で不可逆的な神経変性によって引き起こされます。緑内障の最も一般的な形態である原発性開放隅角緑内障(POAG)では、眼圧の上昇により網膜神経線維層(RNFL)が薄くなり、周辺視野の喪失につながり、末梢および中枢失明が続きます8,9,10,11。動物実験からの組織学的証拠は、緑内障がさらに視神経、視神経路、外側膝状核、視神経放射線、および視覚野の進行性神経変性をもたらすことを示唆しています12,13。MRI技術は、視覚野における血中酸素化と神経変性の両方を評価する低侵襲な方法を提供します。緑内障患者では、MRIにより、視経路13,14,15,16に灰白質の萎縮、視交叉、視路、および視神経放射線に異常な白質の証拠が見つかりました1,17,18。

視覚処理への影響をさらに詳しく調べるために、fMRIを使用して、視覚的な手がかりに反応して脳機能を検出することができます。本明細書のプロトコルは、Zhouら3によって記述されているように、広視野(>100°)刺激を伴う高解像度網膜局性fMRIを使用して、低コストの広視野網膜トピックマップを得るための新しい方法を記述している。拡大するリングと回転するくさびの視覚刺激を使用して、fMRIの偏心率と極角の網膜トピックマッピングを引き出しました。大胆なfMRIの変化率を偏心の関数として分析し、中心視力と周辺視力の両方に対応する脳機能を評価しました。BOLD fMRIの変化率を使用して、視覚野全体の活性化を視覚化できます。これらのfMRI測定は、緑内障などの視野欠損を伴う眼疾患に見られる神経変性変化と視覚野に対するそれらの機能的影響を評価するための信頼できる新しい方法を提供します。

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プロトコル

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ヒトの参加者を対象とした研究は、テキサス大学健康科学センターとストーニーブルック大学の機関のガイドラインに準拠して実施され、これらの研究とそのデータの使用について参加者からインフォームドコンセントが得られました。

1. MRIスキャナーとイメージングプロトコルのセットアップ

  1. fMRIには、マルチチャンネルレシーバーヘッドコイルを備えた3T MRIスキャナーを使用します。異なる電界強度を使用することもできますが、信号対雑音比(SNR)や歪みアーチファクトの問題が発生する可能性があるため、それに応じて調整してください。fMRIでは、ヘッドコイルの後半分のみを使用して、コイルの前半分に遮られずに広い視野角を確保します。
  2. 繰り返し時間(TR)2.2秒、エコー時間(TE)2.8ms、視野角(FOV)176mm x 256mm x 208mm、空間分解能1mm x 1mm x 1mm、帯域幅190Hz/ピクセル、フリップ角度13°のT1強調磁化準備高速捕捉グラジエントエコー(MP-RAGE)シーケンスを設定します。 スキャン時間は3.1分3です。
  3. TR が 2 秒、TE が 30 ms、FOV が 220 mm x 220 mm、面内分解能が 1.7 mm x 1.7 mm、厚さが 3 mm の 29 スライス、帯域幅が 1,500 Hz/ピクセル3 のグラジエント エコー エコー平面イメージング (EPI) シーケンスを設定します。
  4. ヘッドコイルとスキャナーの穴径を測り、塩ビパイプを適当な長さに切断し、塩ビエルボで接続して簡単なフレームを組み立てます。幅25cm以上、高さ15cm以上の鏡を用意し、プラスチックの棒にネジで取り付けます(鏡に小さな穴を開けることができます)。
    1. プラスチックロッドの端をナイロンネジでPVCフレームに取り付けます(図1A)。ナイロン製のネジが少し緩んでいることを確認して、ミラーを手で回転させて、各参加者の角度を最適化できるようにします。
  5. MRIボアの中に入るスクリーンを作ります。MRIボアとほぼ同じサイズのリアプロジェクションスクリーンのセグメントをカットします。ボアサイズのフレームを構築し、スクリーンをネジでフレームに取り付けます。スキャナー内のヘッドコイルのすぐ後ろにスクリーンを配置して、スクリーンとミラーの間の距離を最小化し、FOVを最大化します。
    注意: スキャナーの穴が十分に大きい場合は、ミラーとリアプロジェクションスクリーンのセットアップの代わりに、参加者が1つのスクリーンを使用して直接見ることができます。バッキング用の薄い木のシートに取り付けられた投影スクリーン、または薄いマットホワイトのプラスチックのシートをスクリーンとして使用し、鏡の代わりにフレームに置くことができます。次に、プロジェクターが画面いっぱいに収まり、焦点が合うように、プロジェクターを配置して焦点を合わせる必要があります。

2. 参加者の準備

  1. fMRIスキャンの手順、リスク、および利点について参加者に通知します。インフォームドコンセントを取得します。
  2. 参加者にMRIの禁忌がないことを確認してください。これには、ペースメーカー、金属インプラント、閉所恐怖症のスクリーニングが含まれます。不確実性がある場合は、資格のある放射線科医または研究者に相談し、不確実性が残っている場合は参加者を研究から除外してください。
  3. 視覚刺激プロトコルと、fMRIスキャン中に参加者が中央の十字架を固視する必要性を説明します。手順に慣れるための教育目的で、参加者に視覚刺激の簡単なデモンストレーションを見せます。
  4. 参加者をMRIスキャナーのテーブルに慎重に配置して、参加者が快適でリラックスしていることを確認します。耳栓や防音ヘッドセットを用意して、参加者が聞く音響ノイズを減らして聴覚を保護します。
  5. 参加者の頭をヘッドコイルアレイの後半分に固定し、頭の側面にフォームパッドを使用して、頭が適切に固定され、モーションアーチファクトを減らします。スキャナーのポジショニングシステムを使用して、テーブルをスキャナーボアに移動します。
  6. ワイドビュースクリーンまたはミラーを患者の目から10cm離して配置します(図1B)。スキャナーボアの背面から、ヘッドコイルのすぐ後ろにボアサイズのスクリーンを配置します。各参加者のミラー/スクリーンの位置と角度を調整して、一貫した視野角を実現します。
  7. インターホンを介した通信 を介して 、参加者がスキャン中ずっと快適であることを確認してください。

3.参加者のfMRIスキャン

  1. 3つの直交平面でローカライザースキャンを実行し、周波数調整とシムのためにスキャナーの調整とキャリブレーションを行います。
  2. MP-RAGEの解剖学的スキャンを実行して、EPIスライスの位置を確認します。
  3. 次の手順で説明するように、行動実験または心理学実験を実行するためのプログラムを使用して、視覚刺激を作成します。
  4. fMRIプロトコルの開始時に、参加者に白い十字(3°x3°)を固定するように指示します。
    注:白い十字は、各視覚刺激パラダイムの前後に10秒間表示されます。したがって、各パラダイムの総fMRI刺激テストは200秒です。
  5. 最初の視覚刺激パラダイム(一連の回転するくさび)を30秒の期間(角速度6°/sを与える)提示し、6つの周期を循環させます。ウェッジ刺激には、スクリーン/ミラーの端(>100°の視野)まで伸び、8Hzのコントラスト反転白黒(100%コントラスト)のチェッカーボードパターンを持つ12フレームの回転ウェッジ(時計回りの回転と反時計回りのスキャン)が含まれている必要があります(図2A)。
  6. 白い十字架をもう一度10秒間提示します。
  7. ステップ3.4〜3.6を2番目の視覚刺激パラダイム(一連の拡張および収縮リング)で30秒間繰り返し(視野の1.8°/sで拡大または収縮)、6つの期間を循環させます。リング刺激には、8 Hzのコントラスト反転する白黒(100%コントラスト)のチェッカーボードパターンを持つ、8つのフレームの拡張または収縮リング(>100°の視野)が含まれている必要があります(図2B)。
  8. fMRIが完了したら、参加者に静止するように指示しながら、テーブルをスキャナーボアから移動させます。ミラー/スクリーンを取り外し、ヘッドコイルの前部を後部に加えて配置し、テーブルをスキャナーの中央に戻します。
  9. 何らかの動きがあった場合に備えてローカライザスキャンを素早く取得し、フルヘッドコイルでMP-RAGEスキャンを取得します。
    注:ヘッドコイル全体の解剖学的画像は、グループ分析と再構成の目的で正確な登録のために必要です。

4. 網膜fMRIデータの解析

  1. MRI分析用のFreeSurferアプリケーションをダウンロードしてインストールします(https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20。
    注:ここではFreeSurferバージョン5.3.0を使用しました。
  2. MRIスキャナーからDICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)形式の画像を取得します。dcm2niix アプリケーション (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21 を使用して、DICOM ファイルを nifti 形式に変換します。
  3. 次の 2 つのステップで説明するように、T1 強調スキャンを処理して皮質表面参照を提供します。FreeSurfer を使用して、構造データを nifti 形式から .mgz 形式に変換します(mri_convert コマンド)。
  4. シェル環境で recon-all コマンドを使用して、構造データの自動セグメンテーションと皮質再構成を実行します。
    注: この手順は、完了するまでに 20 時間以上かかる場合があります。
  5. グラフィカル・ユーザー・インターフェース tksurfer を使用して、膨らんだ半球を表示し、カルカリン裂に沿って視覚野を仮想的に切断し、後頭葉を選択します。mris_flattenコマンドを使用して、視覚野パッチを平坦化します。両方の半球に対してこの手順を繰り返します。
  6. fMRIデータの場合、まず、データの最初と最後から、固視十字のみを提示して休止期間を削除します。fMRIデータにアーチファクトや大きな動きがないかスクリーニングします。
  7. 空間的な平滑化とモーション補正のために関数データを前処理します。網膜トピック刺激パラダイムをモデル化し、正準血行動態応答関数を適用して応答関数を構築します。
  8. FreeSurfer関数解析ストリーム(mkanalysis-sess、selxavg3-sess、fieldsign-sessコマンド)を使用してfMRIデータの網膜トピック位相符号化解析を実行し、BOLDfMRI時系列をモデル化された応答関数と相関させ、 p <0.01の有意水準で位相符号化網膜マップを取得します(図3)。
  9. tksurfer-sessコマンドで仮想的に平坦化された視覚野に色分けされた活性化マップを重ねて網膜視鏡の結果を可視化し、rtviewコマンドで表示します。
  10. 楔刺激からの位相符号化された網膜トピックマップを使用して、解剖学的ランドマークとFreeSurferアトラスとともに、フィールドサインマップ(図3A)によって一次視覚野(V1)およびその他の余分な線条領域(V2およびV3)の境界を定義するのに役立ちます。
  11. 異なる離心率でのBOLD応答を計算するには、まずFSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl)を使用して、Zスコアのしきい値がZ > 2.322,23のリング刺激のサイズごとに一般線形モデルを使用して統計マップを計算します。グループ分析を実行している場合は、FSL Featを使用してグループ差の統計マップの第2レベル分析を計算し、さまざまな偏心でのBOLD応答を決定します。
  12. FreeSurfer の bbregister および tkregister2 コマンドを使用して、fMRI 画像を再構築された皮質表面に同時登録し、参加者の fMRI データを脳の解剖学的構造画像に位置合わせし、正確な空間位置合わせを確保します。
  13. リング刺激を 8 つのフレームのそれぞれについて偏心でグループ化します。各フレームのアクティブなボクセル領域に基づいて、さまざまな偏心の対象領域を手動で描画します。太字の変化率を、偏心率の関数としてプロットします。また、偏心データを中央領域(< ±12°)と末梢領域(> ±12°)にビン化し、網膜系fMRI研究では±12°の視覚刺激が一般的です。

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結果

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POAGと診断された9人の参加者(4人の男性、36-74歳)と9人の年齢が一致した健康なボランティア(6人の男性、53-65歳)は、前述のワイドビューfMRIプロトコルを使用して評価されました。POAGは、緑内障、視神経乳頭のカッピング、および/または眼圧(IOP)が21mmHgを超えると一致する視野欠損の提示の評価により、開放隅角の患者で臨床的に確認されました3。広視野視(±55°)を使用して、各グループ3の中心視力と周辺視力を評価しました。

図3 は、POAGと健常対照の参加者からの極性(くさび)および偏心(リング)刺激の網膜系fMRIマップを示しています。極地地図(図3A)では、POAGと健康な参加者の間に明らかな違いは見られませんでした。偏心マップ(図3B...

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ディスカッション

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広視野網膜症fMRIを利用するための上記のプロトコルは、視力低下と眼疾患が脳に及ぼす影響を評価するための革新的な方法です。このアプローチでは、広視野スクリーンを使用した視覚野の広視野網膜トピックマッピングにより、視覚系の機能的組織をより包括的に理解することができます。これは、緑内障などの神経変性で発生する脳の視覚処理システムの異常のより良い理解につながる可能性があります24,25。この技術は、加齢黄斑変性症など、失明の原因となる他の状態における脳の変性や再編成の検出と分析にも使用できます26,27。

人間の片方の目は、約100°の視野角を持っています。ほとんどの視覚的fMRI研究で使用された以前の技術は、30°未満のFOVを使用しており、fMRIによって活性化および分析できる視覚野の部分が制限されていました28

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開示事項

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

著者は何も開示していません。

謝辞

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この研究は、米国国立衛生研究所(NIH)の支援を受けた[R01EY030996]。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
1/4 "-20ナイロン小ネジ、PVCフレームにロッドを取り付けるための
1-1/4インチPVCパイプの長さは~5-10フィート必要です
3T MRIスキャナーシーメン
6-32ナイロン小ネジ、ミラー/スクリーンをロッドに取り付けるための
8チャンネルヘッドアレイコイルシーメンス
90度PVCエルボ、1-1 / 4インチフィッティング
ミラーと長さ25-30cmアクリル
ロッド1インチ幅、~2フィートの長さスキャナーボアとヘッドコイルのサイズに依存します
E-Prime心理学ソフトウェア視覚刺激パラダイムを準備して提示するための
合板シート、厚さ1/2インチサイズは、少なくともスキャナーの穴と同じ大きさにする必要があります。プロジェクションスクリーンのボアサイズのフレームとしてカット
リアプロジェクションスクリーンのサイズは、少なくともスキャナーのボアと同じ大きさにする必要があります
ローレットヘッドつまみネジ ス 丸みを帯びたヘッド アクリル幅ツール

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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