Name: Metody funkcjonalnego rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości dla ludzkiego śródmózgowia (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-05-10T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 6 s
Description: Poznaj techniki wysokorozdzielczego fMRI o próbkowaniu 1,2 mm dla ludzkiego śródmózgowia przy użyciu skanera 3T. Ta metoda umożliwia uzyskanie topograficznych map bodźców wizualnych w kolikulusie górnym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Niniejszy materiał powstał w ramach prac wspieranych przez National Science Foundation w ramach grantu BCS 1063774.

1. Bodziec topografii kąta polarnego i psychofizyka
Aby uzyskać retinotopową mapę kąta polarnego w SC, jako bodziec wykorzystujemy klin ruchomych kropek o kącie 90° (ekscentryczność od 2-9° kąta widzenia, średnia prędkość kropek 4° / sec) (Rys. 1). Znane jest, że aktywność w SC wzrasta po zastosowaniu uwagi ukrytej5, dlatego w naszym paradygmacie wykorzystujemy zadanie uwagi w celu zwiększenia dostępnego sygnału. Podczas każdej 2 s próby badani mają za zadanie skupić uwagę ukrytą na całym klinie i wykonać zadanie dyskryminacji prędkości przy jednoczesnym utrzymaniu fiksacji. Klin jest podzielony na 2 × 3 wirtualne sektory, przy czym kropki w jednym z sektorów, losowo wybranym w każdej próbie, poruszają się wolniej lub szybciej niż wszystkie pozostałe kropki. Po każdej próbie klin obraca się o 30° wokół punktu fiksacji, dzięki czemu bodziec wykonuje pełny obrót w cyklu 24 s. Każdy przebieg składa się z 9,5 obrotów bodźca (228 s), a sesje eksperymentalne obejmują 16-18 przebiegów.
Aby utrzymać stały poziom wyników badanego w tym zadaniu przez cały czas trwania każdego przebiegu, trudność zadania jest regulowana za pomocą dwóch losowo przeplatanych schodków typu „two-up-one-down”. Po każdych dwóch kolejnych poprawnych próbach różnica prędkości jest zmniejszana o 8%, a po każdej błędnej próbie różnica ta jest zwiększana o 8%.
Przed rozpoczęciem skanowania wszyscy badani ćwiczą zadanie wizualne poza skanerem, aż osiągną stabilny poziom wyników; wymaga to 3-4 sesji praktycznych trwających po 20 minut. Typowe progi dyskryminacji mieszczą się w zakresie 1°-1,5° / sek.
2. Przygotowanie badanego
<ol>
 <li>Głowy badanych są stabilizowane za pomocą podkładek w celu zminimalizowania ruchów przed ich umieszczeniem w gantry skanera. Przy tak wysokich rozdzielczościach przestrzennych fMRI jest szczególnie wrażliwe na artefakty ruchowe, dlatego stabilizacja głowy ma krytyczne znaczenie.</li>
 <li>Badani otrzymują w jednej dłoni kompatybilny z MRI panel z przyciskami i otrzymują instrukcje, który przycisk należy nacisnąć, aby wskazać swoją ocenę prędkości kropek.</li>
</ol>
3. Lokalizacja i określenie obszaru SC
<ol>
 <li>Ludzkie SC (pole wzrokowe) to niewielka, ale wyraźna struktura o średnicy ok. 9 mm, zlokalizowana na dachu śródmózowia. Przy zastosowaniu niewielkiej liczby przekrojów fMRI wymagane jest wykonanie wielu serii obrazowania lokalizacyjnego w celu jego precyzyjnego zlokalizowania. Serie te wykonujemy w płaszczyznach strzałkowej, osiowej i czołowej.</li>
 <li>Następnie wykorzystujemy te obrazy lokalizacyjne do precyzyjnego wyznaczenia SC za pomocą 8–10 sąsiednich przekrojów o grubości 1,2 mm i polu widzenia (FOV) 170 mm w skośnej płaszczyźnie quasi-osiowej.</li>
 <li>Następnie, przed i po zebraniu danych funkcjonalnych, pozyskuje się wysokorozdzielcze obrazy strukturalne ważone T1 przy użyciu trójwymiarowej (3D) sekwencji RF-spoiled GRASS (SPGR) (kąt odchylenia 15°, woksele 1,2 mm). Obrazy te służą jako referencja do dopasowania danych fMRI do wysokorozdzielczej referencyjnej objętości strukturalnej uzyskanej w oddzielnej sesji, którą opisujemy później.</li>
</ol>
4. Parametry funkcjonalnego MRI
Wszystkie obrazy wykonano za pomocą skanera MRI GE Signa HD12 3T z wykorzystaniem dostarczonej przez GE 8-kanałowej cewki głowowej. Wzbudzenie przeprowadzono za pomocą impulsu windowed-sinc o czasie trwania 6,4 ms, przy zastosowaniu cewki wbudowanej skanera.
Aby uzyskać próbkowanie 1,2 mm w ludzkim SC, stosujemy akwizycję z trajektorią spiralną w trzech przebiegach (three-shot spiral-trajectory acquisition)6,7. Zastosowanie trzech przebiegów jest konieczne z kilku powodów. W szczególności akwizycja w jednym przebiegu dla naszego skanera i FOV wymaga &gt; 77 msec, co jest zbyt długim czasem, aby było to praktyczne. Wielokrotne przebiegi są łączone po korekcie polegającej na odjęciu wartości początkowej i trendu liniowego fazy. TE jest zwiększane o 2 ms w pierwszej ramce w celu oszacowania mapy pola z dwóch pierwszych nabytych wolumenów, a mapa ta jest wykorzystywana do korekcji liniowej. Zrekonstruowane obrazy charakteryzowały się SNR na poziomie ~20. Czasowe widma mocy w wokselach SC zazwyczaj wykazywały niewielką strukturę powiązaną z szumem fizjologicznym; zastosowanie akwizycji w trzech przebiegach miało silny efekt filtrowania w stosunku do efektów o porównawczo wyższej częstotliwości związanych z tętnem serca i oddychaniem. Inne techniki redukcji szumów są problematyczne w tym kontekście wysokiej rozdzielczości. Na przykład retrospektywne metody korekcji, takie jak RETROICOR6, nie mają zastosowania do danych wieloprzebiegowych, a synchronizacja z cyklem pracy serca (cardiac gating) wprowadza szum i artefakty związane z zaburzeniem równowagi T1.
Czas echo, TE = 40 msec, jest dłuższy niż zazwyczaj stosowany w korze (30 msec), ponieważ zmierzyliśmy odpowiednio dłuższy T2* w tkance SC (~60 msec) niż ten zaobserwowany w szarej substancji kory (~45 msec).
Pasmo akwizycji ograniczono do 62,5 kHz, aby zredukować szczytowy prąd gradientu, który powoduje niepożądane nagrzewanie się skanera. Wybrano TR = 1 sec, zatem przy trzech ujęciach objętość jest pozyskiwana co 3 sec.
5. Strukturalne MRI i modelowanie 3D
Podczas jednej oddzielnej sesji dla każdego badanego uzyskujemy referencyjną objętość o wysokiej rozdzielczości (próbkowanie 0,7 mm), stosując sekwencję z wagą T1, która zapewnia dobry kontrast tkanek (3D SPGR, kąt flip 15°, przygotowanie inwersyjne z TI = 450 msec, 2 ekscytacje, czas trwania ~28 minut, voxele 0,7 mm).
W niniejszym tomie referencyjnym przeprowadzamy segmentację tkanek śródmózgowia, pnia mózgu oraz części wzgórza (Rys. 2A), wykorzystując kombinację technik automatycznych i manualnych dostępnych w aplikacji ITK-SNAP2. W szczególności stosujemy narzędzie do automatycznej segmentacji, w którym użytkownik wyznacza wiele punktów startowych (ziarna) w obrębie każdego obszaru pnia mózgu; następnie oprogramowanie automatycznie rozszerza segmentację wokół punktów startowych, ograniczając ją do obszaru zdefiniowanego przez kryteria kontrastu i intensywności. Uzyskana automatyczna segmentacja jest następnie korygowana, w razie potrzeby, przy użyciu manualnych narzędzi do edycji wokseli typu „pędzel”.
Interfejs między płynem mózgowo-rdzeniowym a tkanką rdzenia kręgowego (SC) jest interpolowany z segmentacji przy użyciu teselacji powierzchni izogęstościowej, a ta początkowa powierzchnia jest następnie dopracowywana w celu redukcji artefaktów aliasingu (Rys. 2, B i D) przy użyciu wariacyjnego algorytmu odkształcalnej powierzchni3. Powierzchnia ta dostarcza wierzchołków i zewnętrznych wektorów normalnych, które służą jako punkt odniesienia dla obliczeń laminarnych (opisanych poniżej), a także jako sposób wizualizacji danych funkcjonalnych.
6. Analiza obrazu
Do analizy danych fMRI wykorzystujemy pakiet oprogramowania mrVista (dostępny do pobrania pod adresem <a href="http://white.stanford.edu/mrvista.php" target="_blank">http://white.stanford.edu/mrvista.php)</a> oraz narzędzia opracowane w naszym laboratorium w oparciu o środowisko mrVista. W następnych krokach używamy standardowych narzędzi pakietu mrVista:
<ol>
 <li>Zainicjuj sesję w mrVista, wybierając opcję przestrzennej normalizacji intensywności danych uśrednionych w celu zredukowania efektów niejednorodności cewki. Normalizacja wykorzystuje metodę homomorficzną, polegającą na dzieleniu przez wersję obrazów intensywności wolumenu uśrednionego w czasie, poddaną filtrowaniu dolnoprzepustowemu, z dodatkową odporną korekcją szacowanego szumu. Pierwszy półcykl obrazów (12 sec) jest odrzucany, aby uniknąć efektów przejściowego stanu równowagi MR oraz efektów hemodynamicznych.</li>
 <li>Skoryguj ruch w obrębie jednego przebiegu. Ruch szacuje się na podstawie serii czasowej wolumenów. Jednak ze względu na stosunkowo niski stosunek sygnału do szumu (SNR) obrazów, najpierw wykonujemy wygładzanie serii czasowej za pomocą okna prostokątnego o szerokości 5 próbek. Następnie każdy wolumen jest rejestrowany względem średniej z ostatnich 5 próbek. Należy zauważyć, że wygładzanie służy wyłącznie do szacowania ruchu, a właściwe dane nie są wygładzane.</li>
 <li>Utwórz średnie czasowe z danych obrazowych skorygowanych pod kątem ruchu dla każdego przebiegu i wykorzystaj te średnie do korekcji ruchu pomiędzy przebiegami, przyjmując ostatni przebieg jako referencyjny.</li>
 <li>Wykonaj korekcję czasu pozyskiwania warstw (slice-timing correction). Stosujemy sekwencyjne pozyskiwanie warstw, zatem błędy wynikające z wykonania korekcji czasu po korekcji ruchu będą niewielkie (~125 msec).</li>
 <li>Uśrednij wiele przebiegów zarejestrowanych w ramach każdej sesji, aby poprawić SNR.</li>
 <li>Dopasuj dane strukturalne z sesji fMRI do referencyjnego wolumenu strukturalnego, używając odpornego algorytmu rejestracji opartej na intensywności8. Wczytaj dopasowanie i segmentację do mrVista.</li>
 <li>Przetransformuj dane funkcjonalnej serii czasowej do segmentowanego wolumenu referencyjnego. W kolejnych krokach wykorzystujemy narzędzia opracowane w naszym laboratorium do przeprowadzenia dalszej analizy.</li>
 <li>Oblicz mapę odległości, wyznaczając dystans między każdym vokselem tkanki SC a jego najbliższym wierzchołkiem na powierzchni SC. Odległości te służą do pomiaru pozycji warstwowej w obrębie wolumenu referencyjnego.</li>
 <li>Przeprowadź proces segmentacji warstwowej, aby umożliwić uśrednianie danych serii czasowej w głąb w celu poprawy SNR. Małe dyski tkanki (o średnicy 1,6 mm) są przypisane do każdego wierzchołka modelu powierzchni wzdłuż całej powierzchownej powierzchni SC, a następnie każdy dysk jest rozszerzany zarówno do wewnątrz, jak i na zewnątrz tkanki SC przy użyciu lokalnych normalnych powierzchni, tworząc indywidualne sąsiedztwo warstwowe4.</li>
 <li>Dla każdego punktu na powierzchni SC wykorzystujemy te powiązania warstwowe do uśrednienia serii czasowej w określonym zakresie głębokości. Ponieważ neurony reagujące na bodźce wzrokowe występują głównie w warstwach powierzchownych SC, w eksperymencie z pobudzeniem wzrokowym zastosowaliśmy zakres głębokości 0-1,8 mm.</li>
</ol>
7. Analiza mapowania topograficznego
W celu analizy topograficznej reprezentacji danych, analiza koherencji jest przeprowadzana na szeregach czasowych uśrednionych w głąb poprzez dopasowanie sinusoidy o częstotliwości powtarzania bodźca (tj. 1/24 Hz dla opisanego powyżej 24-sekundowego bodźca) dla każdego woksela. Na podstawie tego dopasowania wyprowadzamy mapy powierzchniowe amplitudy odpowiedzi, koherencji oraz fazy. Analiza ta jest wykonywana w dziedzinie częstotliwości i stanowi powszechnie stosowaną technikę ilościowego określania map retinotopowych w korze wzrokowej9,10.
Faza dopasowania sinusoidalnego określa pozycję bodźca. Faza zerowa odpowiada górnemu południkowi pionowemu (Rys. 3). Bodziec obraca się następnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zatem faza π/2 odpowiada momentowi, gdy bodziec obróci się do południka poziomego w prawym polu widzenia. Po π radianach fazy bodziec przechodzi do lewego pola widzenia i tak dalej.
Wyznaczyliśmy również granice całego zasięgu powierzchownego SC poprzez manualną inspekcję wysokorozdzielczej anatomii wolumetrycznej T1-zależnej. Granice te zaznaczono na Ryc. 3 czerwonymi przerywanymi liniami.
fMRI nie mierzy bezpośrednio aktywności neuronalnej, lecz odpowiedź przepływu krwi, która jest ściśle, choć z opóźnieniem, powiązana z aktywnością neuronalną. Wprowadza to opóźnienie hemodynamiczne do odpowiedzi fazowej. Opóźnienie to szacuje się poprzez wybranie wszystkich wokseli powyżej progu koherencji z każdego obszaru zainteresowania SC i centrowanie ich średnich wokół π w płaszczyźnie zespolonej. W naszych danych SC opóźnienia te są niewielkie, rzędu 2-4 sec. Usuwamy to opóźnienie, obracając mapę kolorów przeciwnie do ruchu wskazówek zegara o 45 stopni (co odpowiada 3 sec) (Ryc. 3).
8. Reprezentatywne wyniki
Dane fazowe nałożone na powierzchnię 3D SC (Ryc. 3) pokazują, że odpowiedź na stymulację wizualną jest reprezentowana kontralateralnie w SC, t. j. lewe pole widzenia jest reprezentowane w prawym SC i na odwrót.
Występuje również retinotopowa organizacja aktywności. Prawa górna część pola widzenia jest reprezentowana przyśrodkowo w lewym wzgórzu (kolor niebiesko-magenta), a dolna część pola widzenia jest reprezentowana bocznie (kolor czerwono-żółty). Podobnie, lewa górna część pola widzenia jest reprezentowana przyśrodkowo w prawym wzgórzu (kolor niebiesko-cyjan), a dolna część jest reprezentowana bocznie (kolor zielono-żółty).
Taka topografia jest zgodna z wynikami badań nad odpowiedziami SC u naczelnych innych niż człowiek: 1) na stymulację wizualną z wykorzystaniem elektrofizjologii pojedynczych jednostek oraz 2) mapowaniem sakkadowych ruchów gałek ocznych indukowanych mikrostymulacją11,12.
<img alt="Schematy przekrojów MRI mózgu; widoki strzałkowe i osiowe do analizy anatomicznej." src="/files/ftp_upload/3746/3746fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. A) Planowanie przekrojów widoczne na obrazie w płaszczyźnie pośrodkowej strzałkowej. B) Średnia czasowa (z jednego przebiegu) obrazów funkcjonalnych uzyskanych z centralnego przekroju zaznaczonego kolorem czerwonym na rysunku A).
<img alt="Proces agregacji cząstek, schemat sekwencji rotacji, demonstrujący analizę zachowania klastrowania." src="/files/ftp_upload/3746/3746fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2. Bodziec topograficzny kąta polarnego. Klin o kącie 90° z poruszającymi się czarno-białymi kropkami na szarym tle, obracający się powoli wokół punktu fiksacji. Klin został podzielony na macierz 6 wirtualnych sektorów (dodano szare linie w celu podkreślenia sektorów), aby umożliwić badanemu wykonanie zadania dyskryminacji prędkości w losowo wybranym sektorze.
<img alt="Skan mózgu, schemat MRI; podświetlone obszary pokazują mapowanie ścieżek neurologicznych i aktywności mózgu." src="/files/ftp_upload/3746/3746fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Segmentacja i modelowanie powierzchni. A) Śródmózowie, pień mózgu oraz fragmenty wzgórza zostały wysegmentowane z wysokorozdzielczych wolumenów anatomicznych MRI. B) Powierzchnia została utworzona na krawędzi wysegmentowanego obszaru. C) Dane fazowe dopasowane sinusoidalnie przedstawione na przekroju w płaszczyźnie (koherencja &gt; 0,25). D) Obrócony i powiększony widok modelu powierzchni pnia mózgu został wykorzystany do wizualizacji danych fazowych w obrębie SC.
<img alt="Mapowanie aktywności mózgu, retinotopia z kodowaniem fazy, wyniki fMRI oznaczone kolorami, korowe obszary wzrokowe." src="/files/ftp_upload/3746/3746fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Mapy kąta polarnego. Mapy fazowe fMRI u dwóch badanych, kodujące polarny kąt widzenia. Progi koherencji dla każdej mapy podano w prawym dolnym rogu. Koło kolorów wiąże nałożone fazy bodźca w kącie polarnym z ich pozycjami w polu widzenia.

<ol><li>Katyal, S., Zughni, S., Greene, C., Ress, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Topography+of+covert+visual+attention+in+human+superior+colliculus%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Topography of covert visual attention in human superior colliculus.</a> Journal of Neurophysiology. 104, 3074-3083 (2010).</li>
<li>Yushkevich, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((User-guided+3D+active+contour+segmentation+of+anatomical+structures%3A+significantly+improved+efficiency+and+reliability%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">User-guided 3D active contour segmentation of anatomical structures: significantly improved efficiency and reliability.</a> NeuroImage. 31, 1116-1128 (2006).</li>
<li>Xu, G., Pan, Q., Bajaj, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Discrete+Surface+Modeling+Using+Partial+Differential+Equations%5BTitle%5D)+AND+%22Computer+Aided+Geometric+Design%22%5BJournal%5D)">Discrete Surface Modeling Using Partial Differential Equations.</a> Computer Aided Geometric Design. 23, 125-145 (2006).</li>
<li>Ress, D., Glover, G. H., Liu, J., Wandell, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laminar+profiles+of+functional+activity+in+the+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Laminar profiles of functional activity in the human brain.</a> NeuroImage. 34, 74-84 (2007).</li>
<li>Schneider, K. A., Kastner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+sustained+spatial+attention+in+the+human+lateral+geniculate+nucleus+and+superior+colliculus%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Effects of sustained spatial attention in the human lateral geniculate nucleus and superior colliculus.</a> J. Neurosci. 29, 1784-1795 (2009).</li>
<li>Glover, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simple+analytic+spiral+K-space+algorithm%5BTitle%5D)+AND+%22Magn.+Reson.+Med%22%5BJournal%5D)">Simple analytic spiral K-space algorithm.</a> Magn. Reson. Med. 42, 412-415 (1999).</li>
<li>Glover, G. H., Lai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-navigated+spiral+fMRI%3A+interleaved+versus+single-shot%5BTitle%5D)+AND+%22Magn.+Reson.+Med%22%5BJournal%5D)">Self-navigated spiral fMRI: interleaved versus single-shot.</a> Magn. Reson. Med. 39, 361-368 (1998).</li>
<li>Nestares, O., Heeger, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+multiresolution+alignment+of+MRI+brain+volumes%5BTitle%5D)+AND+%22Magn.+Reson.+Med%22%5BJournal%5D)">Robust multiresolution alignment of MRI brain volumes.</a> Magn. Reson. Med. 43, 705-715 (2000).</li>
<li>Engel, S. A., Glover, G. H., Wandell, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Retinotopic+organization+in+human+visual+cortex+and+the+spatial+precision+of+functional+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Cereb.+Cortex%22%5BJournal%5D)">Retinotopic organization in human visual cortex and the spatial precision of functional MRI.</a> Cereb. Cortex. 7, 181-192 (1997).</li>
<li>Schneider, K. A., Kastner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visual+responses+of+the+human+superior+colliculus%3A+a+high-resolution+functional+magnetic+resonance+imaging+study%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Visual responses of the human superior colliculus: a high-resolution functional magnetic resonance imaging study.</a> Journal of Neurophysiology. 94, 2491-2503 (2005).</li>
<li>Cynader, M., Berman, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Receptive-field+organization+of+monkey+superior+colliculus%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Receptive-field organization of monkey superior colliculus.</a> Journal of Neurophysiology. 35, 187-201 (1972).</li>
<li>Robinson, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Eye+movements+evoked+by+collicular+stimulation+in+the+alert+monkey%5BTitle%5D)+AND+%22Vision+Research%22%5BJournal%5D)">Eye movements evoked by collicular stimulation in the alert monkey.</a> Vision Research. 12, 1795-1808 (1972).</li>
<li>Schreiner, C. E., Langner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laminar+fine+structure+of+frequency+organization+in+auditory+midbrain%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Laminar fine structure of frequency organization in auditory midbrain.</a> Nature. 388, 383-385 (1997).</li>
<li>Baumann, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Orthogonal+representation+of+sound+dimensions+in+the+primate+midbrain%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Orthogonal representation of sound dimensions in the primate midbrain.</a> Nature Neuroscience. 14, 423-425 (2011).</li>
<li>Malmierca, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+discontinuous+tonotopic+organization+in+the+inferior+colliculus+of+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">A discontinuous tonotopic organization in the inferior colliculus of the rat.</a> J. Neurosci. 28, 4767(2008).</li>
<li>Bender, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Retinotopic+organization+of+macaque+pulvinar%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Retinotopic organization of macaque pulvinar.</a> Journal of Neurophysiology. 46, 672(1981).</li>
<li>Grieve, K. L., Acuña, C., Cudeiro, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+primate+pulvinar+nuclei%3A+vision+and+action%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Neurosciences%22%5BJournal%5D)">The primate pulvinar nuclei: vision and action.</a> Trends in Neurosciences. 23, 35-39 (2000).</li>
<li>Rodriguez-Oroz, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+subthalamic+nucleus+in+Parkinson%27s+disease%3A+somatotopic+organization+and+physiological+characteristics%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">The subthalamic nucleus in Parkinson's disease: somatotopic organization and physiological characteristics.</a> Brain. 124, 1777(2001).</li>
<li>Romanelli, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microelectrode+recording+revealing+a+somatotopic+body+map+in+the+subthalamic+nucleus+in+humans+with+Parkinson+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Microelectrode recording revealing a somatotopic body map in the subthalamic nucleus in humans with Parkinson disease.</a> Journal of Neurosurgery. 100, 611-618 (2004).</li>
<li>DeLong, M. R., Crutcher, M. D., Georgopoulos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Primate+globus+pallidus+and+subthalamic+nucleus%3A+functional+organization%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Primate globus pallidus and subthalamic nucleus: functional organization.</a> Journal of Neurophysiology. 53, 530(1985).</li>
<li>Houeto, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acute+deep-brain+stimulation+of+the+internal+and+external+globus+pallidus+in+primary+Dystonia+functional+mapping+of+the+pallidum%5BTitle%5D)+AND+%22Archives+of+Neurology%22%5BJournal%5D)">Acute deep-brain stimulation of the internal and external globus pallidus in primary Dystonia functional mapping of the pallidum.</a> Archives of Neurology. 64, 1281-1286 (2007).</li>
</ol>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Nasze techniki akwizycji i analizy danych umożliwiają pomiar aktywności neuronalnej w podkorowych strukturach ludzkiego mózgu z wysoką rozdzielczością (woksele 1,2 mm). Akwizycja spiralna w trzech ujęciach (3-shot spiral acquisition) redukuje szum fizjologiczny, który jest szczególnie szkodliwy dla pomiarów fMRI w okolicach śródmózowia. Ponadto nasza laminarna segmentacja tkanki pozwala na przeprowadzenie uśredniania danych w głąb, co pomaga poprawić SNR. Wykorzystaliśmy te metody do wykazania precyzyjnych topograficznyc...

metody funkcjonalnego obrazowania rezonansem magnetycznym o wysokiej rozdzielczości dla ludzkiego śródmózgowia

High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) jest szeroko stosowanym narzędziem do nieinwazyjnego pomiaru korelatów aktywności ludzkiego mózgu. Jednakże jego zastosowanie koncentrowało się głównie na pomiarze aktywności na powierzchni kory mózgowej, a nie w obszarach podkorowych, takich jak śródmózowie i pień mózgu. fMRI struktur podkorowych musi sprostać dwóm wyzwaniom: rozdzielczości przestrzennej oraz szumowi fizjologicznemu. W niniejszej pracy opisujemy zoptymalizowany zestaw technik opracowanych w celu przeprowadzenia fMRI o wysokiej rozdzielczości w obrębie ludzkiego SC, struktury znajdującej się na grzbietowej powierzchni śródmózowia; metody te mogą być również wykorzystane do obrazowania innych struktur pnia mózgu i obszarów podkorowych.
Wysokorozdzielczy (woksele 1,2 mm) fMRI rdzenia przedłużonego (SC) wymaga niekonwencjonalnego podejścia. Pożądaną próbkę przestrzenną uzyskuje się za pomocą wielofazowej (przeplatanej) akwizycji spiralnej1. Ponieważ T2* tkanki SC jest dłuższy niż w korze, stosuje się odpowiednio dłuższy czas echa (TE ~ 40 msec), aby zmaksymalizować kontrast funkcjonalny. Aby objąć pełen zakres SC, pozyskuje się od 8 do 10 warstw. Dla każdej sesji uzyskuje się również obraz anatomiczny strukturalny z takim samym zaprogramowaniem warstw jak w fMRI, który służy do dopasowania danych funkcjonalnych do wysokorozdzielczej objętości referencyjnej.
W oddzielnej sesji, dla każdego badanego, tworzymy referencyjną objętość o wysokiej rozdzielczości (próbkowanie 0,7 mm) przy użyciu sekwencji T1-zależnej, która zapewnia dobry kontrast tkanek. W objętości referencyjnej obszar śródmózgowia jest segmentowany przy użyciu aplikacji programistycznej ITK-SNAP2. Segmentacja ta służy do stworzenia gładkiej i dokładnej trójwymiarowej reprezentacji powierzchni śródmózgowia3. Wierzchołki i normalne powierzchni są wykorzystywane do stworzenia mapy głębokości od powierzchni śródmózgowia w obrębie tkanki4.
Dane funkcjonalne są przekształcane do układu współrzędnych segmentowanej objętości referencyjnej. Powiązania głębokościowe wokseli umożliwiają uśrednianie danych z serii czasowych fMRI w określonych zakresach głębokości w celu poprawy jakości sygnału. Dane są renderowane na powierzchni 3D w celu wizualizacji.
W naszym laboratorium stosujemy tę technikę do pomiaru map topograficznych stymulacji wzrokowej oraz ukrytej i jawnej uwagi wzrokowej w obrębie SC1. Jako przykład prezentujemy reprezentację topograficzną kąta polarnego w odpowiedzi na stymulację wzrokową w SC.

W niniejszym artykule opisano techniki wykonywania funkcjonalnego obrazowania rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości z próbkowaniem 1,2 mm w obrębie ludzkiego śródmózwia i struktur podkorowych przy użyciu skanera 3T. Jako przykład przedstawiono zastosowanie tych technik do opracowania map topograficznych stymulacji wzrokowej w ludzkim wzgórzu górnym (SC).

Metody funkcjonalnego obrazowania rezonansem magnetycznym o wysokiej rozdzielczości dla ludzkiego śródmózgowia

Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) jest powszechnie stosowanym narzędziem do nieinwazyjnego pomiaru korelatów aktywności ludzkiego mózgu. Jednakże jego zastosowanie koncentrowało się głównie na...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest pomiar sygnałów FMRI o wysokiej rozdzielczości w śródmózgowiu i pniu mózgu u człowieka. Osiąga się to poprzez najpierw zaprezentowanie odpowiedniego bodźca wzrokowego badanemu, a następnie zastosowanie optymalnego zestawu parametrów FMRI.Do zbierania danych wykorzystuje się określone procedury i parametry, a uzyskane dane analizuje się przy użyciu kombinacji standardowych technik analizy oraz technik analizy powierzchniowej. Końcowym etapem jest nałożenie danych na trójwymiarową reprezentację powierzchni w celu wizualizacji. Ostatecznie zastosowano wysokorozdzielczy fMRI, aby przedstawić reprezentację topograficzną kąta polarnego w odpowiedzi na stymulację wzrokową w obrębie ciała kolbawatego górnego u ludzi.Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod obrazowania struktur podkorowych jest możliwość uzyskania wysokiej rozdzielczości przy jednoczesnym przezwyciężeniu niskiego stosunku sygnału do szumu, który towarzyszy obrazowaniu fMRI o wysokiej rozdzielczości. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu specjalistycznych technik akwizycji i analizy obrazu. Chociaż metoda ta została opracowana specjalnie do obrazowania funkcji w ludzkim jądrze górnym, można ją również zastosować do innych obszarów podkorowych, takich jak boczne jądro oliwkowo-prążkowiate, jądro dolne lub jądro podwzgórza.Aby uzyskać mapę atypową siatkówki w kącie polarnym w górnym Colus, najpierw skonfigurowano paradygmat funkcjonalny, wykorzystując jako bodziec 90-stopniowy klin poruszających się punktów. Bodziec jest podzielony na dwa sektory wirtualne po trzy, przy czym punkty w jednym z sektorów są w każdej próbie losowo wybierane tak, aby poruszały się wolniej lub szybciej niż wszystkie pozostałe punkty. Oto przykładowa próba, w której punkty w środkowym lewym sektorze poruszają się szybciej niż punkty w innych sektorach.Po każdej próbie klin jest obracany wokół punktu fiksacji w krokach co 30 stopni, tak aby bodziec wykonał pełny cykl w okresie 24 sekund. Każdy przebieg składa się z dziewięciu i pół obrotów bodźca, a sesje eksperymentalne powinny obejmować od 16 do 18 przebiegów przed skanowaniem. Każdy badany powinien przećwiczyć zadanie wizualne dla każdej dwusekundowej próby.Poinstruuj badanego, aby w sposób niejawny skupił uwagę na klinie i wykonał zadanie dyskryminacji prędkości, zachowując jednocześnie fiksację wzroku. Za pomocą przycisku badany powinien wskazać, czy kropki w jednym z sektorów poruszają się szybciej czy wolniej niż w pozostałych sektorach przed rozpoczęciem skanowania. Należy przestrzegać standardowych procedur bezpieczeństwa MRI. Umieść badanego na stole skanera i załóż cewkę RF na głowę.Następnie należy upewnić się, że głowa badanego jest unieruchomiona za pomocą piankowych podkładek, aby zminimalizować ruchy głowy. Wyjaśnij, że fMRI jest szczególnie wrażliwe na artefakty ruchowe, zwłaszcza przy wysokich rozdzielczościach przestrzennych stosowanych w tym badaniu. Umieść również w jednej z dłoni kompatybilny z MRI panel przycisków i przekaż instrukcje dotyczące tego, który przycisk należy nacisnąć podczas wykonywania zadania.Bodziec jest rzutowany na ekran wyświetlacza oglądany za pomocą lustra zamocowanego na cewce. Ludzkie ciało kolbosenowate jest małą, ale wyraźną strukturą o średnicy około dziewięciu milimetrów, zlokalizowaną na powierzchni grzbietowej śródmózgowia; do jego precyzyjnej lokalizacji wymaganych jest kilka serii obrazowania lokalizacyjnego. Wykonaj skany lokalizacyjne w płaszczyznach strzałkowej, osiowej i czołowej.Następnie należy wykorzystać te obrazy lokalizacyjne do precyzyjnego określenia obszaru górnego wzgórza za pomocą od ośmiu do 10 sąsiadujących przekrojów. Następnie należy uzyskać strukturalne obrazy T1 o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem trójwymiarowej sekwencji SPGR. Obrazy te posłużą do dopasowania danych fMRI do strukturalnej objętości referencyjnej o wysokiej rozdzielczości, która powinna zostać uzyskana w oddzielnej sesji.Następnie skonfiguruj obrazowanie funkcjonalne, stosując akwizycję z trójsymetryczną trajektorią spiralną w celu uzyskania rozmiaru piksela w płaszczyźnie wynoszącego 1.2 milimetrów. Ustaw czas echa na 40 milisekund, co jest wartością dłuższą niż zazwyczaj stosowana w przypadku kory i odpowiada dłuższemu zmierzonemu parametrowi T2*. Ustaw TR na 1 sekundę, aby jedna objętość była akwizycjonowana co 3 sekundy.Po przygotowaniu rozpocznij skanowanie podczas uruchomienia paradygmatu funkcjonalnego. Po zakończeniu obrazowania funkcjonalnego uzyskaj kolejną serię obrazów strukturalnych T1 o wysokiej rozdzielczości w oddzielnej sesji. Dla każdego badanego uzyskaj referencyjną objętość o wysokiej rozdzielczości, stosując sekwencję ważoną T1, która zapewni dobry kontrast tkankowy.Ta sekwencja będzie trwać około 28 minut. Po zakończeniu obrazowania należy użyć kombinacji technik automatycznych i manualnych dostępnych w oprogramowaniu ITK SNAP, aby wysegmentować fragmenty pnia mózgu i wzgórza w wolumenie o wysokiej rozdzielczości. Interfejs między płynem mózgowo-rdzeniowym a tkanką wzgórka górnego jest interpolowany z segmentacji przy użyciu teselacji gęstości ISO, a następnie dopracowany w celu uzyskania gładkiej i dokładnej reprezentacji powierzchni.Powierzchnia ta dostarcza wierzchołków i wektorów normalnych wykorzystywanych do obliczeń laminarnych, a także służy do wizualizacji danych funkcjonalnych. Opisana analiza wykorzystuje pakiet oprogramowania Mr.Vista oraz narzędzia opracowane w oparciu o framework Mr.Vista. Należy rozpocząć od zainicjowania sesji i wybrania opcji przestrzennej normalizacji intensywności danych średnich w celu zredukowania efektów niejednorodności cewek oraz odrzucenia obrazów z pierwszego półcyklu.Aby uniknąć przejściowej równowagi MR oraz efektów hemodynamicznych. Następnie uruchom program Mr.Vista. W kolejnym kroku wykonaj korekcję ruchów badanego oraz synchronizację czasu akwizycji warstw.Następnie oblicz średnią z wielokrotnych serii zarejestrowanych w każdej sesji. Aby poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR), dopasuj dane strukturalne dla sesji fMRI do objętości referencyjnej. Wczytaj dopasowanie i segmentację do programu Mr.Vista.Następnie przekształć dane funkcjonalne z szeregów czasowych do segmentowanej objętości referencyjnej. W poniższych krokach wykorzystano narzędzia opracowane w ramach środowiska Mr.Vista. Oblicz mapę odległości, wyznaczając dystans między każdym vokselem tkanki SC a najbliższym wierzchołkiem na powierzchni SE.Odległości te są wykorzystywane do pomiaru pozycji warstwowej w obrębie objętości referencyjnej. Następnie przeprowadź proces segmentacji warstwowej, aby umożliwić uśrednianie danych z serii czasowych w głąb, co pozwoli poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR). Dla każdego punktu na powierzchni SC wykorzystaj te powiązania warstwowe do uśrednienia serii czasowych w określonym zakresie głębokości w celu analizy topograficznej reprezentacji danych.Przeprowadź analizę koherencji dla szeregów czasowych uśrednionych po głębokości poprzez dopasowanie sinusoidy o częstotliwości powtarzania bodźca dla każdego woksela; na podstawie tego dopasowania wygeneruj mapy powierzchniowe odpowiedzi, amplitudy, koherencji oraz fazy. Faza dopasowanej sinusoidy będzie określać położenie bodźca. Tutaj widzimy dane fazowe nałożone na powierzchnię 3D SC; faza zero odpowiada górnemu południkowi pionowemu.Następnie bodziec obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zatem faza pi przez dwa odpowiada momentowi, gdy bodziec obróci się do południka poziomego w prawym polu widzenia. Po przesunięciu fazy o pi radian bodziec przechodzi w lewe pole widzenia i tak dalej. Odpowiedź na stymulację wzrokową jest reprezentowana kontralateralnie w SC IE; lewe pole widzenia jest reprezentowane w prawym SC i na odwrót.Granice całego powierzchniowego zasięgu SC są zaznaczone czerwonymi przerywanymi liniami. Aktywność ta wykazuje organizację topograficzną. Prawa górna część pola widzenia jest reprezentowana przyśrodkowo w lewym kolusie, natomiast dolna część pola jest reprezentowana bocznie.Podobnie, lewe górne pole widzenia jest reprezentowane przyśrodkowo po prawej stronie wzgórza górnego, a pole dolne jest reprezentowane bocznie. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać solidną wiedzę na temat przeprowadzania wysokorozdzielczego fMRI w ludzkim śródmózgowiu i pniu mózgu; w szczególności powinni Państwo rozumieć sposób prezentacji bodźca wzrokowego, gromadzenia danych fMRI o wysokiej rozdzielczości, przeprowadzania analizy standardowej oraz opartej na powierzchni, a na koniec renderowania danych na powierzchni 3D w celu uzyskania map retinotopowych na powierzchni wzgórza górnego.

high-resolution-functional-magnetic-resonance-imaging-methods-for

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Metody wysokiej rozdzielczości funkcyjnego rezonansu magnetycznego dla ludzkiej śródmózgowia

Opisano technikę szerokiego otwierania bariery krew-mózg u myszy z wykorzystaniem mikropęcherzyków i ultradźwięków. Dzięki zastosowaniu tej metody do mózgu myszy można wprowadzić mangan. Ponieważ mangan jest środkiem kontrastowym do MRI, który kumuluje się w zdepolaryzowanych neuronach, podejście to umożliwia obrazowanie aktywności neuronalnej.

Funkcjonalne obrazowanie neuronaukowe z wykorzystaniem ultrasonicznego otwierania bariery krew-mózg i MRI z wzmocnieniem manganem

Źródło: Shafi, M. M., et al. Multimodalna metoda obrazowania i stymulacji oceny pobudliwości mózgu związanej z łącznością u pacjentów z padaczką. J. Vis. Exp. (2016)Film przedstawia procedurę stosowania przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) i elektroencefalografii (EEG) do oceny pobudliwości neuronalnej u pacjentów z padaczką. Szczegółowo opisuje kroki ustawiania głowy pacjenta za pomocą wcześniej nagranego skanu mózgu, umieszczania cewki TMS nad funkcjonalnie połączonym celem korowym i...

Ocena nadpobudliwości mózgu za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej i elektroencefalografii

Ten protokół opisuje standardową metodę jednoczesnego funkcjonalnego obrazowania metodą rezonansu magnetycznego i głębokiej stymulacji mózgu u gryzonia. Połączone wykorzystanie tych narzędzi eksperymentalnych pozwala na badanie globalnej aktywności w odpowiedzi na stymulację elektryczną w praktycznie każdym miejscu w mózgu.

Głęboka stymulacja mózgu z jednoczesnym fMRI u gryzoni

Celem tego manuskryptu jest zbadanie hipokampa i podpól hipokampa za pomocą MRI. W manuskrypcie opisano protokół segmentacji hipokampa i pięciu podstruktur hipokampa: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/zakręt zębaty, warstwy promieniste/lacunosum/molecular i subiculum.

Protokół ręcznej segmentacji in vivo o wysokiej rozdzielczości dla ludzkich subpól hipokampa przy użyciu rezonansu magnetycznego 3T

Tutaj prezentujemy protokół do określenia minimalnej liczby obrazów, które musiały zostać zarejestrowane i uśrednione, aby rozwiązać struktury podkorowe i sprawdzić, czy poszczególne warstwy LGN mogą być rozwiązane przy braku szumu fizjologicznego.

Obrazowanie strukturalnego rezonansu magnetycznego człowieka w wysokiej rozdzielczości in vivo i post mortem

Ten protokół opisuje kroki i analizę danych wymaganych do pomyślnego przeprowadzenia optogenetycznego funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (ofMRI). ofMRI to nowatorska technika, która łączy odczyt fMRI w wysokim polu ze stymulacją optogenetyczną, pozwalając na specyficzne dla typu komórki mapowanie funkcjonalnych obwodów nerwowych i ich dynamiki w całym żywym mózgu.

Optogenetyczny funkcjonalny rezonans magnetyczny

Ten protokół opisuje kwantyfikację wolumetrycznych zmian hemodynamicznych mózgu w mózgu myszy za pomocą funkcjonalnych ultradźwięków (fUS). Procedury dla mapy aktywacji funkcjonalnej 3D po stymulacji sensorycznej, a także łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku są przedstawione jako przykłady ilustracyjne u myszy znieczulonych i obudzonych.

Aktywacja 3D całego mózgu i mapowanie łączności funkcjonalnej u myszy przy użyciu przezczaszkowego funkcjonalnego obrazowania ultrasonograficznego

Ten protokół pokazuje, jak pozyskać dane z rezonansu magnetycznego wrażliwego na neuromelaninę istoty czarnej.

Standaryzowane pozyskiwanie danych do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego wrażliwego na neuromelaninę istoty czarnej

Ten artykuł przedstawia integracyjne podejście do badania funkcjonalnej sieci do nawigacji przestrzennej w ludzkim mózgu. Podejście to obejmuje wielkoskalową metaanalityczną bazę danych neuroobrazowania, funkcjonalne obrazowanie rezonansu magnetycznego w stanie spoczynku oraz techniki modelowania sieci i teorii grafów.

Modelowanie sieci funkcjonalnej do nawigacji przestrzennej w ludzkim mózgu

Opracowaliśmy techniki mapowania funkcji kory wzrokowej, wykorzystując więcej pola widzenia niż jest to powszechnie używane. Podejście to może przyczynić się do poprawy oceny zaburzeń widzenia i chorób oczu.

Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) kory wzrokowej z szerokokątną stymulacją retinotopową

Poznaj techniki wysokorozdzielczego fMRI o próbkowaniu 1,2 mm dla ludzkiego śródmózgowia przy użyciu skanera 3T. Ta metoda umożliwia uzyskanie topograficznych map bodźców wizualnych w kolikulusie górnym.

Metody funkcjonalnego obrazowania rezonansem magnetycznym o wysokiej rozdzielczości dla ludzkiego śródmózgowia

Przeglądaj więcej filmów