人間の中脳の高解像度機能的磁気共鳴画像法

この手順の全体的な目的は、ヒトの中脳および脳幹において高解像度のfMRI信号を測定することです。これは、まず被験者に適切な視覚刺激を提示し、次に最適なfMRI設定を用いることで達成されます。

手順とパラメータを用いてデータを収集し、標準的な解析手法と表面ベースの解析手法を組み合わせてデータを分析します。最終ステップとして、可視化のためにデータを3D表面表現にオーバーレイします。最終的に、高解像度fMRIを用いて、ヒトの上丘における視覚刺激に対する極角のトポグラフィック表現を示します。

皮質下構造に関する既存の手法に対する本技術の主な利点は、高解像度fMRIに伴う低い信号対雑音比を克服しつつ、高解像度を実現できる点にあります。これは、特殊な画像解析および収集技術を用いることで可能となります。本手法は特にヒトの上丘における機能イメージングのために設計されましたが、外側披質核、下丘、または視床下核などの他の皮質下領域にも適用可能です。

上側 Colus において極角の網膜部位マップを取得するために、まず刺激として 90 度のくさび形の移動ドットを用いた機能的パラダイムを設定します。刺激は 3 つの仮想セクターによって 2 つに分割されており、各試行においていずれか 1 つのセクター内のドットが、他のすべてのドットよりも遅く、あるいは速く移動するようにランダムに選択されます。ここでは、中央左セクターのドットが他のセクターのドットよりも速く移動している試行の例を示します。

各試行の後、ウェッジは固定点を中心に30度ずつ回転し、刺激は24秒の周期で1サイクルを完了します。1ランは刺激の9.5回転で構成され、スキャン前に16～18ランの実験セッションを行う必要があります。各被験者に、2秒間の各試行における視覚タスクの練習を行わせてください。

被験者に対し、注視点を維持したまま、密かにウェッジに注意を向け、速度識別タスクを行うよう指示します。ボタン押しによって、スキャン開始前に、あるセクター内の点が他のセクターよりも速く動いているか、あるいは遅く動いているか而被験者に回答させます。標準的なMRI安全手順に従ってください。被験者をスキャナーテーブルに配置し、頭部にRFコイルを装着します。

次に、頭部の動きを最小限に抑えるため、フォームパッドで被験者の頭部を確実に固定します。特に本研究で用いるような高空間分解能では、fMRIはモーションアーチファクトに非常に敏感であることを説明してください。また、片手にMRI適合のボタンパッドを配置し、タスク中にどのボタンを押すべきかについて指示を与えます。

刺激はディスプレイ画面に投影され、コイルに取り付けられたミラーを用いて視認されます。ヒトの上丘は、中脳の背側に位置する直径約9 mmの小さくも明瞭な構造であり、正確に位置を特定するには複数のローカライザー撮像シリーズが必要です。サジタル面、アキシアル面、およびコロナル面に沿ってローカライザーを実行してください。

次に、これらのローカライザー画像を使用して、上丘を8〜10枚の連続スライスで正確に設定します。その後、3次元SPGRシーケンスを用いて高解像度のT1強調構造画像を取得します。これらの画像は、別のセッションで取得されるはずの高解像度構造参照ボリュームにfMRIデータを整合させるために使用されます。

次に、3ショット・スパイラル軌道収集を用いた機能的イメージングの設定を行い、面内ピクセルサイズを1.2 millimetersに設定します。エコー時間を40 millisecondsに設定します。これは皮質で通常使用されるよりも長く、T2*の測定値がより長くなることに対応しています。TRを1 secondに設定し、3秒ごとに1ボリュームが収集されるようにします。

準備が整ったら、機能的パラダイムを実行しながらスキャンを開始します。機能的イメージングが完了したら、別のセッションで高解像度のT1構造画像シリーズを再度取得します。各被験者について、良好な組織コントラストが得られるT1強調シーケンスを用いて、高解像度のリファレンスボリュームを取得してください。

このシーケンスの所要時間は約28分です。イメージング完了後、ITK SNAPソフトウェアで提供される自動および手動の手法を組み合わせて、高解像度ボリューム内の脳幹および視床の一部をセグメンテーションします。上丘の脳脊髄液と組織の界面は、ISO密度テセレーションを用いてセグメンテーションから補間し、その後リファインすることで、滑らかで正確な表面表現を生成します。

この表面は、層状計算に使用される頂点と法線を提供するとともに、機能データを可視化する手段となります。ここで説明する解析では、Mr.VistaソフトウェアパッケージおよびMr.Vistaフレームワーク上で開発されたツールを利用します。まず、セッションを初期化し、コイルの不均一性の影響を軽減するために平均データの強度を空間的に正規化するオプションを選択し、画像の最初のハーフサイクル分を破棄することから始めてください。

一過性のMR平衡および血流動態の影響を避けるためです。次に、Mr.Vistaソフトウェアを開きます。続いて、被験者の体動補正およびスライスタイミング補正を行います。

次に、各セッション内で記録された複数のランを平均化します。SNRを向上させるため、fMRIセッションの構造データをリファレンスボリュームにアライメントします。アライメントおよびセグメンテーションの結果をMr.Vistaに読み込みます。

次に、機能的時系列データをセグメンテーション済みの参照ボリュームに変換します。以下の手順では、Mr.Vistaフレームワークで開発されたツールを使用します。各SC組織ボクセルからSE表面上の最近接頂点までの距離を算出することで、距離マップを計算します。

これらの距離は、参照体積内での層状の位置を測定するために使用されます。次に、層状セグメンテーション処理を行い、時系列データの深度平均を可能にすることでSNRを向上させます。SC表面の各点について、これらの層状の関連付けを用いて、指定された深度範囲で時系列データを平均化し、データのトポグラフィック表現を解析します。

各ボクセルの深さ平均時系列データに対し、刺激反復周波数の正弦波をフィッティングさせてコヒーレンス解析を行い、このフィッティングから応答、振幅、コヒーレンス、および位相のサーフェイスマップを導出します。正弦波フィッティングの位相は、刺激の位置を測定します。ここでは、SCの3Dサーフェイス上にオーバーレイされた位相データを示しており、位相0は上側垂直子午線に対応しています。

その後、刺激は時計回りに回転するため、2π分のπの位相は、刺激が右視覚野の水平子午線まで回転したときに相当します。πラジアンの位相を経て、刺激は左視覚野に進入し、以降も同様に繰り返されます。視覚刺激に対する反応はSC IEにおいて対側性に表現されており、左視覚野は右SCに、右視覚野は左SCに表現されます。

SCの表面領域全体の境界を赤色の破線で示しています。活動には地形的な構成が見られます。右側の上半分視界は左側colusの内側に、下半分視界は外側に投影されています。

同様に、左上方の視覚野は右側の内側に、下方は外側の上丘に投影されています。このビデオを視聴することで、ヒトの中脳および脳幹において高解像度fMRIを行う方法、特に視覚刺激の提示方法について十分に理解できるはずです。また、高解像度fMRIデータの収集、標準的な解析およびサーフェスベースの解析の実施、そして最終的にデータを3Dサーフェス上にレンダリングして、上丘表面のトノトピックマップを取得する方法を理解することができます。