Znane jest, że silne pola magnetyczne, tzn. powyżej 1 T, wywołują zawroty głowy, vertigo oraz nystagmus, co określa się mianem magnetycznej stymulacji przedsionkowej (MVS)1,2,3. Układ przedsionkowy znajduje się w uchu wewnętrznym i mierzy przyspieszenie wokół osi obrotowych (odchylenie, pochylenie i przechył) za pomocą trzech kanałów półkolistych oraz przyspieszenie wzdłuż osi translacyjnych (nosowo-potylicznej, międzusznej i pionowej głowy) za pomocą dwóch narządów plamki – utriculi oraz sacculi4 (patrz Rycina 1A). Pojawienie się efektu MVS można wyjaśnić działaniem siły Lorentza indukowanej przez prąd jonowy, która oddziałuje na cupulę kanałów półkolistych układu przedsionkowego1,2.
Efekt MVS nasila się przy wyższej indukcji pola magnetycznego3,5. Stymulacja jest wywołana przez dwa różne komponenty. Po pierwsze, przemieszczanie uczestnika do otworu gantry w polu B0 skanera MRI powoduje powstanie dynamicznego pola magnetycznego, które wywołuje siły Lorentza działające na cupula. Po drugie, statyczne pole magnetyczne skanera MRI, w którym uczestnicy leżą bez ruchu podczas eksperymentów, również powoduje stałą siłę Lorentza. Zatem we wszystkich eksperymentach z wykorzystaniem skanerów MRI układ przedsionkowy uczestnika jest stale stymulowany przez statyczne pole magnetyczne. Dotyczy to wszystkich badań fMRI, zwłaszcza tych przeprowadzanych w ultra-wysokich polach magnetycznych (> 3 T).
Nystagmus jest wywoływany przez przemieszczanie się lub bycie przemieszczanym, a także przez statyczny odpoczynek w silnym polu magnetycznym. Siły związane z ruchem powodują silny nystagmus, który zanika po kilku minutach6. Nystagmus wywołany w statycznych polach magnetycznych jest słabszy i stopniowo zmniejsza się z czasem, ale nie znika całkowicie podczas ekspozycji. Kierunek nystagmusu zależy od polaryzacji pola magnetycznego i odwraca się po wycofaniu z pola magnetycznego6,7,8. MVS oddziałuje głównie na kanały poziomy i górny, co skutkuje odruchowymi ruchami gałek ocznych, tzn. przede wszystkim poziomym i rotacyjnym nystagmusem oraz, w mniejszym stopniu, nystagmusem pionowym9. U pacjentów z obustronną dysfunkcją przedsionkową nie obserwuje się nystagmusu1, natomiast u pacjentów z jednostronną dysfunkcją przedsionkową występują bardziej wyraźne komponenty pionowe nystagmusu10. Ponieważ nystagmus jest ruchem mimowolnym, stanowi on odpowiednią miarę siły stymulacji przedsionkowej. Nystagmus może być tłumiony przez fiksację wzrokową; dlatego ruchy gałek ocznych muszą być oceniane w całkowitej ciemności.
Uczestnicy często opisują pozorne odczuwanie ruchu własnego, zawroty głowy i vertigo podczas wsuwania do otworu gantry lub wysuwania z niego, szczególnie przy natężeniu pola powyżej 3 T. Percepcje ruchu własnego były najczęściej opisywane jako rotacje w płaszczyźnie przechyłu (roll) oraz, w mniejszym stopniu, w płaszczyznach odrywania (yaw) i pochylenia (pitch)7 (patrz Rysunek 1A). Podczas gdy nystagmus utrzymuje się przez cały czas ekspozycji, odczuwanie ruchu własnego zazwyczaj znika po 1-3 min7. Stała część MVS stanowi sama w sobie interesującą stymulację, ponieważ pozwala na przedłużony dopływ bodźców przedsionkowych, którym nie towarzyszy świadome odczuwanie ruchu własnego.
Z badań z wykorzystaniem kalorycznej lub galwanicznej stymulacji przedsionkowej, ruchu biernego lub mikrograwitacji wiadomo, że informacje przedsionkowe mogą wpływać na wyniki w zadaniach przestrzennych11,12 oraz na ich korelaty neuronalne13. Doniesiono, że przemieszczanie się lub bycie przesuwanym w silnych polach magnetycznych może wpływać na sprawność poznawczą14,15. W jednej z badań stwierdzono, że MVS może prowadzić do objawów derealizacji z powodu niewłaściwego postrzegania ruchu własnego ciała16. Jednak badania nad wpływem statycznego przebywania w polach magnetycznych nie przyniosły rozstrzygających wyników w odniesieniu do zadań neuropsychologicznych, z wyjątkiem powtarzalnego pogorszenia dokładności wzrokowej17,18,19,20. Niedawno znaleziono pierwsze dowody na to, że MVS może zmieniać uwagę przestrzenną poprzez wywoływanie tendencji podobnej do zespołu zaniedbania jednostronnego21. Rodzi to pytanie, czy MVS może wpływać na wyniki w zadaniach behawioralnych mierzących wyższe funkcje poznawcze. Na przykład nie jest jasne, w jakim stopniu MVS wpływa na rozumowanie przestrzenne, czyli zdolność do mentalizacji obiektów i rotacji własnego ciała.
Badania z zakresu neuroobrazowania analizujące aktywność w stanie spoczynku wykazały, że MVS może indukować zmiany w sieciach stanu domyślnego3,22, co można wyjaśnić specyficzną dla każdego badanego orientacją anatomiczną organów przedsionkowych względem kierunku pola magnetycznego23. W przypadku eksperymentów fMRI wpływ MVS musi być starannie rozważony podczas projektowania badania. Ponadto MVS może zakłócać stymulację galwaniczną lub przedsionkową stosowaną w badaniach fMRI. Może on stanowić czynnik zakłócający w badaniach neuroobrazowych porównujących uczestników z zachowanym i dysfunkcyjnym systemem przedsionkowym, ponieważ efekty MVS nie występują u pacjentów z obustronną dysfunkcją przedsionkową1.
Aby ocenić skutki MVS i porównać różne natężenia MVS u tych samych uczestników, opisujemy tutaj zestaw experimentalny i techniczny służący do pomiaru nystagmusu, percepcji ruchu własnego, funkcji poznawczych oraz anatomicznej pozycji kanałów wewnątrz skanera MRI 7 T (patrz Rysunek 2). Opisany układ może zostać dostosowany i wykorzystany w eksperymentach mających na celu szczegółowe badanie funkcji przedsionkowych i wyższych funkcji poznawczych pod wpływem MVS lub do oceny i kontrolowania potencjalnych efektów zakłócających MVS w badaniach fMRI.
Ciekawym jest fakt, że siłę MVS można modulować poprzez zmianę pozycji głowy, a tym samym zmianę orientacji narządów końcowych układu przedsionkowego względem kierunku pola magnetycznego. Efekt MVS można zmniejszyć u większości uczestników, pochylając głowę do przodu w stronę ciała (broda do klatki piersiowej)1,24. Zatem zmiana pozycji głowy w osi pochylenia pozwala na porównanie mierzalnych efektów MVS przy różnych intensywnościach stymulacji.
W niniejszej procedurze siłę MVS manipulowano w obrębie tej samej grupy uczestników poprzez porównanie pomiarów dla dwóch pozycji głowy (patrz Rycina 1B). W warunku, który miał wywołać silniejszy MVS, uczestnik leżał na plecach w skanerze, przy czym płaszczyzna Reida była zorientowana w przybliżeniu pionowo względem ziemi (pozycja leżąca). W warunku, który miał wywołać słabszy MVS, głowa uczestnika była pochylona do przodu pod kątem około 30° w płaszczyźnie pochylenia (pozycja pochylona). Teoretycznie możliwe jest porównanie pozycji leżącej z pozycją zerową, w której nie występuje nystagmus1. Jednak wymagany kąt pochylenia dla pozycji zerowej jest inny dla każdego uczestnika, a jego ustalenie jest czasochłonne, ponieważ wymaga wielokrotnego repozycjonowania oraz wprowadzania i wyprowadzania uczestnika ze skanera w celu przetestowania pozycji. Może to być niewykonalne w większości projektów badań. Dwie pozycje głowy — leżąca i pochylona — pozwalają na porównanie różnych miar, np. percepcji ruchu własnego lub wyników w zadaniach, zarówno między uczestnikami, jak i w obrębie jednej osoby.

Rycina 1: Osie i płaszczyzny pozycji głowy w polu magnetycznym. (A) Osie głowy: pionowa (HV), międzyuszna (IA) oraz nosowo-potyliczna (NO). Kierunek pola magnetycznego (B0) pokrywa się z osią pionową głowy (HV), gdy uczestnicy leżą w gantry w pozycji na plecach31. (B) Dwie pozycje głowy podczas eksperymentu; wiadomo, że pozycja na plecach (leżenie prosto) wywołuje u większości uczestników silniejsze MVS niż pozycja nachylona (głowa odchylona do góry w płaszczyźnie pochylenia pod kątem około 30°). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Aby określić orientację narządów przedsionkowych podczas serii eksperymentalnych bez obrazowania, przymocowaliśmy trójwymiarowy magnetometr do głów uczestników i zmierzyliśmy orientację sondy względem osi Z pola magnetycznego (Rycina 3B). Orientację narządów przedsionkowych w polu magnetycznym oceniono za pomocą wysokorozdzielczej anatomicznej sekwencji 3D-CISS. Podczas akwizycji obrazów magnetometr zastąpiono pipetą z wodą (Rycina 3D). Pozwoliło to na wyznaczenie orientacji magnetometru względem kierunku osi Z pola magnetycznego i dopasowanie jej do struktur ucha wewnętrznego. Dzięki temu mogliśmy wyciągnąć wnioski na temat orientacji narządów przedsionkowych przez cały czas trwania eksperymentu.
Nystagmus monitorowano za pomocą gogli kompatybilnych z MRI (Rysunek 3C). MVS wywołuje nie tylko nystagmus poziomy i czasami pionowy, ale również rotacyjny; dlatego zaleca się stosowanie oprogramowania, które umożliwia również śledzenie rotacyjnych ruchów gałek ocznych9,25.
Percepty ruchu własnego można oceniać podczas percepcji7 (podczas wsuwania i wysuwania z otworu gantry) oraz po ustąpieniu tych percyptów, np. za pomocą kwestionariuszy. Ważne jest, aby dokładnie poinstruować uczestników, ponieważ werbalne zgłaszanie niewłaściwego ruchu własnego jest dla nich często trudne. W protokole wskazujemy miejsca, w których można zmierzyć percepcję ruchu własnego i sprawność poznawczą, ale nie określamy zadań ani kwestionariuszy, ponieważ zależą one w dużym stopniu od pytania badawczego. Dostarczamy jednak przykładowe kwestionariusze i paradygmaty26.

Rysunek 2: Konfiguracja techniczna eksperymentu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Podsumowując, MVS może być wykorzystywane do badania wpływu stymulacji przedsionkowej na nystagmus, percepcję i procesy poznawcze, a także do analizy procesów habituacji u pacjentów z dysfunkcją przedsionkową. Działanie statycznego pola magnetycznego na cupula pozostaje stałe przez cały czas ekspozycji na pole magnetyczne. Ponieważ symuluje to stałe przyspieszenie kątowe, MVS jest interesującą i odpowiednią metodą badania funkcji przedsionkowej oraz jej wpływu na percepcję i poznanie27,28. Może być stosowane do specyficznego rozstrzygania pytań badawczych dotyczących wpływu informacji przedsionkowej na wyższe funkcje poznawcze, takie jak rozumowanie przestrzenne. Służy ono jako odpowiedni nieinwazyjny model jednostronnego uszkodzenia systemu przedsionkowego, co umożliwia badanie procesów kompensacyjnych, które mogą wystąpić u pacjentów z zaburzeniami przedsionkowymi28. Ponadto ważne jest uwzględnienie efektów zakłócających wywołanych przez MVS w badaniach fMRI, ponieważ korelaty behawioralne i neuronalne mogą być zmienione przez stymulację przedsionkową, a także mogą występować interferencje podczas badania pacjentów z zaburzeniami przedsionkowymi w silnym statycznym polu magnetycznym.