인간 Midbrain위한 고해상도 기능성 자기 공명 영상 방법

본 절차의 전반적인 목표는 인간의 중뇌와 뇌줄기에서 고해상도 fMRI 신호를 측정하는 것입니다. 이는 먼저 피험자에게 적절한 시각 자극을 제시함으로써 수행됩니다. 그 다음으로 최적의 fMRI 세트를 설정합니다.

데이터를 수집하기 위해 절차와 매개변수가 사용되며, 수집된 데이터는 표준 분석 기법과 표면 기반 분석 기법을 결합하여 분석합니다. 마지막 단계는 시각화를 위해 데이터를 3D 표면 표현 위에 중첩하는 것입니다. 최종적으로, 고해상도 fMRI를 사용하여 인간 상구의 시각 자극에 대한 극각의 지형적 표현을 보여줍니다.

피질하 구조에 대한 기존 방법들과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은, 고해상도 fMRI와 관련된 낮은 신호 대 잡음비 문제를 극복하면서 동시에 고해상도를 달성할 수 있다는 점입니다. 이는 특수 영상 분석 및 획득 기술을 사용하여 가능합니다. 이 방법은 인간의 상구(superior colliculus) 기능을 영상화하기 위해 특별히 설계되었지만, 외측 슬상핵(lateral geniculate nucleus), 하구(inferior colliculus) 또는 시상하핵(subthalamic nucleus)과 같은 다른 피질하 영역에도 적용될 수 있습니다.

상측 Colus에서 극각 망막 위상 지도를 얻으려면, 먼저 90도 쐐기 모양의 이동하는 점들을 자극으로 사용하는 기능적 패러다임을 설정합니다. 자극은 2x3 가상 섹터로 나뉘며, 매 시행마다 무작위로 선택된 한 섹터의 점들이 다른 모든 점들보다 느리게 또는 빠르게 이동하도록 설정합니다. 다음은 중앙 왼쪽 섹터의 점들이 다른 섹터의 점들보다 더 빠르게 이동하는 샘플 시행입니다.

매 시행 후, 쐐기가 고정점을 중심으로 30도씩 회전하여 자극이 24초의 주기로 전체 사이클을 완료합니다. 각 런은 자극의 9.5회 회전으로 구성되며, 실험 세션은 스캔 전 16~18회의 런을 포함해야 합니다. 각 피험자가 2초의 각 시행에 대해 시각 과제를 연습하도록 하십시오.

피험자에게 시선을 고정한 상태에서 쐐기 모양의 자극에 은밀하게 주의를 기울이며 속도 판별 과제를 수행하도록 안내합니다. 피험자는 스캐닝 전, 버튼을 눌러 한 구역의 점들이 다른 구역보다 더 빠르게 움직이는지 또는 더 느리게 움직이는지를 표시해야 합니다. 표준 MRI 안전 절차를 준수해야 합니다. 피험자를 스캐너 테이블 위에 눕히고 머리 위에 RF 코일을 배치합니다.

그 다음, 머리의 움직임을 최소화하기 위해 폼 패드로 피험자의 머리를 확실히 고정하십시오. fMRI는 특히 본 연구에서 사용된 것과 같은 고해상도 공간 분해능에서 움직임 아티팩트(motion artifacts)에 매우 민감하다는 점을 설명하십시오. 또한, 한 손에 MRI 호환 버튼 패드를 배치하고 과제 수행 중에 어떤 버튼을 눌러야 하는지에 대한 지침을 제공하십시오.

자극은 코일에 장착된 거울을 통해 관찰되는 디스플레이 화면에 투사됩니다. 인간의 상구는 중뇌의 등쪽 표면에 위치한 직경 약 9mm의 작지만 뚜렷한 구조물이며, 이를 정확하게 국소화하기 위해서는 여러 번의 로컬라이저 영상 시리즈가 필요합니다. 시상면, 축상면 및 관상면을 따라 로컬라이저를 실행하십시오.

이제 이 로컬라이저 영상을 사용하여 상구(superior colliculus)를 8~10장의 연속 슬라이스로 정밀하게 설정하십시오. 그런 다음 3차원 SPGR 시퀀스를 사용하여 고해상도 T1 강조 구조 영상을 획득하십시오. 이 영상들은 별도의 세션에서 획득해야 하는 고해상도 구조 참조 볼륨에 fMRI 데이터를 정렬하는 데 사용됩니다.

다음으로, 평면 픽셀 크기 1.2 millimeters를 얻기 위해 3-shot spiral trajectory 획득 방식을 사용하여 기능적 영상 촬영을 설정합니다. 에코 시간은 일반적인 피질 촬영 시보다 더 긴 40 milliseconds로 설정하며, 이는 더 긴 T two star 측정값에 해당합니다. 3초마다 한 볼륨을 획득할 수 있도록 TR을 1 second로 설정합니다.

준비가 되면 기능적 패러다임을 수행하면서 스캔을 시작하십시오. 기능적 영상 촬영이 완료되면, 별도의 세션에서 고해상도 T1 구조 영상 시리즈를 추가로 획득하십시오. 각 피험자에 대해, 조직 대조도가 우수한 T1 가중 시퀀스를 사용하여 고해상도 참조 볼륨을 획득하십시오.

이 시퀀스는 약 28분 동안 진행됩니다. 이미징이 완료되면 ITK SNAP 소프트웨어에서 제공하는 자동 및 수동 기술을 조합하여 고해상도 볼륨 내 뇌줄기와 시상의 일부를 분할하십시오. 상구의 뇌척수액 조직 인터페이스는 ISO 밀도 테셀레이션을 이용한 분할로부터 보간되며, 이후 정밀화 과정을 통해 매끄럽고 정확한 표면 표현을 생성합니다.

이 표면은 층판 계산에 사용되는 정점(vertices)과 법선(normals)을 제공하며, 기능적 데이터를 시각화하는 수단으로도 활용됩니다. 설명된 분석에는 Mr.Vista 소프트웨어 패키지와 Mr.Vista 프레임워크를 기반으로 개발된 도구들이 사용됩니다. 먼저 세션을 초기화하고, 코일 불균일성의 영향을 줄이기 위해 평균 데이터의 강도를 공간적으로 정규화(spatially normalize)하는 옵션을 선택한 후, 이미지의 첫 번째 하프 사이클을 폐기하십시오.

일시적인 MR 평형 및 혈역학적 효과를 방지하십시오. 그 다음 Mr.Vista 소프트웨어를 엽니다. 이어서 피험자 움직임 보정과 슬라이스 타이밍 보정을 수행합니다.

그런 다음 각 세션 내에서 기록된 여러 회차의 평균을 구합니다. SNR을 높이기 위해, FMRI 세션의 구조적 데이터를 참조 볼륨에 정렬합니다. 정렬 및 분할 데이터를 Mr.Vista로 불러옵니다.

그런 다음 기능적 시계열 데이터를 분할된 참조 볼륨으로 변환합니다. 다음 단계에서는 Mr.Vista 프레임워크에서 개발된 도구들을 사용합니다. 각 SC 조직 복셀과 SE 표면의 가장 가까운 정점 사이의 거리를 계산하여 거리 맵을 산출합니다.

이 거리들은 기준 볼륨 내의 층상 위치를 측정하는 데 사용됩니다. 다음으로, SNR을 개선하기 위해 시계열 데이터의 깊이 평균화를 가능하게 하는 층상 분할 과정을 수행합니다. SC 표면의 각 지점에 대해, 이러한 층상 연관성을 사용하여 지정된 깊이 범위에 걸쳐 시계열을 평균함으로써 데이터의 지형적 표현을 분석합니다.

각 복셀에 대해 자극 반복 주파수에서 사인파를 피팅하여 깊이 평균 시계열의 코히어런스 분석을 수행하고, 이 피팅으로부터 반응, 진폭, 코히어런스 및 위상의 표면 맵을 도출합니다. 사인파 피팅의 위상은 자극의 위치를 측정하게 됩니다. 여기서는 SC의 3D 표면에 오버레이된 위상 데이터를 확인할 수 있으며, 0 위상은 상부 수직 자오선에 해당합니다.

그 후 자극은 시계 방향으로 회전하므로, 2분의 1 파이는 자극이 우측 시야의 수평 경선까지 회전했을 때에 해당합니다. π 라디안의 위상이 지나면 자극은 좌측 시야로 넘어가며, 이후로도 동일하게 진행됩니다. 시각 자극에 대한 반응은 SC IE에 대측성으로 나타나는데, 좌측 시야는 우측 SC에, 우측 시야는 좌측 SC에 나타납니다.

SC 전체 표면 범위의 경계는 빨간색 점선으로 표시되어 있습니다. 활동의 지형적 조직화가 나타납니다. 우측 상단 시야는 좌측 colus의 내측에 표현되며, 하단 시야는 외측에 표현됩니다.

마찬가지로, 왼쪽 상단 시야는 우측 상구의 내측에 나타나며, 하단 시야는 외측에 나타납니다. 이 영상을 시청한 후에는 특히 인간의 중뇌와 뇌줄기에서 고해상도 fMRI를 수행하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 구체적으로 시각 자극을 제시하는 방법, 고해상도 fMRI 데이터를 수집하는 방법, 표준 분석 및 표면 기반 분석을 수행하는 방법, 그리고 마지막으로 데이터를 3D 표면에 렌더링하여 상구 표면의 망막위상 지도를 얻는 방법을 이해할 수 있게 될 것입니다.