Metody funkcjonalnego rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości dla ludzkiego śródmózgowia
May 10th, 2012
Ten artykuł opisuje techniki wykonywania funkcjonalnego rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości z próbkowaniem 1,2 mm w ludzkim śródmózgowiu i strukturach podkorowych za pomocą skanera 3T. Jako przykład podano zastosowanie tych technik do tworzenia map topograficznych stymulacji wzrokowej w wzgórku górnym człowieka (SC).
Ogólnym celem tej procedury jest pomiar sygnałów FMRI o wysokiej rozdzielczości w śródmózgowiu i pniu mózgu człowieka. Osiąga się to poprzez uprzednie przedstawienie odpowiedniego bodźca wzrokowego osobie badanej. Następnie optymalny zestaw FMRI.
Procedury i parametry są wykorzystywane do zbierania danych, a dane są analizowane przy użyciu kombinacji technik analizy standardowej i powierzchniowej. Ostatnim krokiem jest nałożenie danych na reprezentację powierzchni 3D w celu wizualizacji. Ostatecznie FMRI o wysokiej rozdzielczości służy do pokazania topograficznej reprezentacji kąta biegunowego do stymulacji wzrokowej w ludzkiej górnej części jelita grubego.
Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami dla struktur podkorowych jest to, że jesteśmy w stanie osiągnąć wysoką rozdzielczość przy jednoczesnym przezwyciężeniu niskiego stosunku sygnału do szumu związanego z FMRI o wysokiej rozdzielczości. Jesteśmy w stanie to zrobić dzięki zastosowaniu specjalistycznych technik analizy i akwizycji obrazu. Chociaż metoda ta została zaprojektowana specjalnie do obrazowania funkcji w ludzkiej górnej okrężnicy, może być również stosowana do innych obszarów podkorowych, takich jak boczne jądro ululatowe, dolne jądro okrężne lub jądro podwzgórzowe.
Aby uzyskać kąt biegunowy, mapa atopowa siatkówki w górnym Colusie najpierw ustaliła funkcjonalny paradygmat, używając 90-stopniowego klina poruszających się kropek jako bodźca. Bodziec jest podzielony na dwa na trzy wirtualne sektory z kropkami w jednym z sektorów losowo wybranych w każdej próbie, aby poruszały się wolniej lub szybciej niż wszystkie inne kropki. Oto przykładowa próba, w której kropki środkowego lewego sektora poruszają się szybciej niż kropki w innych sektorach.
Po każdej próbie klin obraca się wokół fiksacji w krokach co 30 stopni, tak aby bodziec zakończył pełny cykl z 24-sekundowym okresem. Każdy przebieg składa się z dziewięciu i pół rotacji bodźca, a sesje eksperymentalne powinny obejmować od 16 do 18 serii przed skanowaniem. Niech każdy badany przećwiczy zadanie wizualne dla każdej dwusekundowej próby.
Poinstruuj badanego, aby potajemnie zajął się klinem i wykonał zadanie dyskryminacji prędkości, zachowując fiksację. Za pomocą naciśnięcia przycisku badany powinien wskazać, czy kropki w jednym z sektorów poruszają się szybciej czy wolniej niż inne sektory przed skanowaniem MRI Należy przestrzegać standardowych procedur bezpieczeństwa. Umieść obiekt na stole skanera i umieść cewkę RF nad głową.
Następnie upewnij się, że zabezpieczyłeś głowę fotografowanej osoby piankowymi podkładkami, aby zminimalizować ruchy głowy. Wyjaśnij, że FMRI jest szczególnie wrażliwe na artefakty ruchu, zwłaszcza przy wysokich rozdzielczościach przestrzennych użytych w tym badaniu. Umieść również podkładkę pod przyciski kompatybilną z MRI w jednej ręce i podaj instrukcje, który przycisk nacisnąć podczas zadania.
Bodziec jest rzutowany na ekran wyświetlacza oglądany za pomocą lustra zamontowanego na cewce. Ludzka górna colus jest małą, ale wyraźną strukturą o średnicy około dziewięciu milimetrów, znajdującą się na grzbietowej powierzchni śródmózgowia, a do jej precyzyjnej lokalizacji wymagane są wiele serii obrazowania lokalizatora. Poprowadź lokalizatory wzdłuż strzałkowej, osiowej i koronalnej.
Teraz użyj tych obrazów lokalizatora, aby precyzyjnie przepisać górny colus z ośmioma do 10 sąsiadującymi plasterkami. Następnie uzyskaj ważone obrazy strukturalne o wysokiej rozdzielczości T one przy użyciu trójwymiarowej sekwencji SPGR. Obrazy te zostaną wykorzystane do wyrównania danych FMRI do strukturalnej objętości referencyjnej o wysokiej rozdzielczości, którą należy uzyskać w oddzielnej sesji.
Następnie należy skonfigurować do obrazowania funkcjonalnego przy użyciu trzystrzałowej akwizycji trajektorii spiralnej, aby uzyskać zwykły rozmiar piksela wynoszący 1,2 milimetra. Ustaw czas echa na 40 milisekund, który jest dłuższy niż zwykle używany w korze mózgowej, co odpowiada dłuższej zmierzonej wartości zestawu dwóch gwiazd T. TR do jednej sekundy, tak aby wolumin był pobierany co trzy sekundy.
Gdy wszystko będzie gotowe, rozpocznij skanowanie, uruchamiając paradygmat funkcjonalny. Po zakończeniu obrazowania funkcjonalnego uzyskaj kolejną serię obrazów strukturalnych T one o wysokiej rozdzielczości w osobnej sesji. Dla każdego pacjenta należy uzyskać objętość referencyjną o wysokiej rozdzielczości przy użyciu sekwencji ważonej T jeden, która zapewni dobry kontrast tkankowy.
Sekwencja ta będzie trwała około 28 minut. Po zakończeniu obrazowania należy użyć kombinacji technik automatycznych i ręcznych dostępnych w oprogramowaniu ITK SNAP, aby podzielić części pnia mózgu i wzgórza na segmenty w objętości o wysokiej rozdzielczości. Interfejs tkanki płynu mózgowo-rdzeniowego wzgórka górnego jest interpolowany z segmentacji za pomocą teselacji gęstości ISO, a następnie udoskonalany w celu uzyskania gładkiego, dokładnego odwzorowania powierzchni.
Ta powierzchnia zawiera wierzchołki i normalne, które są używane do obliczeń laminarnych, a także środki do wizualizacji danych funkcjonalnych. Opisana analiza wykorzystuje pakiet oprogramowania Mr.Vista, a także narzędzia opracowane na frameworku Mr.Vista. Rozpocznij od zainicjowania sesji i wybrania opcji przestrzennej normalizacji intensywności średnich danych w celu zmniejszenia wpływu cewki na jednorodność i odrzucenia pierwszej połowy cyklu obrazów.
Aby uniknąć przejściowych efektów równowagi MR i hemodynamicznych. Następnie otwórz oprogramowanie Mr.Vista. Następnie wykonaj korekcje ruchu obiektu i czasu przecinka.
Następnie uśrednij liczbę przejazdów zarejestrowanych w każdej sesji. Aby poprawić SNR, należy dostosować dane strukturalne dla sesji FMRI do objętości referencyjnej. Załaduj wyrównanie i segmentację do Mr.Vista.
Następnie przekształć funkcjonalne dane szeregów czasowych w podzielony na segmenty wolumin referencyjny. W poniższych krokach użyj narzędzi opracowanych na frameworku Mr.Vista. Obliczanie mapy odległości poprzez obliczenie odległości między każdym wokselem tkankowym SC a jego najbliższym wierzchołkiem na powierzchni SE.
Odległości te służą do pomiaru położenia laminarnego w objętości odniesienia. Następnie wykonaj proces segmentacji laminarnej, aby umożliwić uśrednianie głębokości danych szeregów czasowych w celu poprawy SNR. Dla każdego punktu na powierzchni SC należy użyć tych asocjacji laminarnych, aby uśrednić szeregi czasowe w określonym zakresie głębokości w celu przeanalizowania topograficznej reprezentacji danych.
Przeprowadź analizę koherencji w szeregach czasowych średniej głębokości, dopasowując sinusoidę do częstotliwości powtarzania bodźca dla każdego woksela z tego dopasowania, uzyskaj powierzchniowe mapy odpowiedzi, amplitudy, koherencji i fazy. Faza dopasowania sinusoidalnego będzie mierzyć położenie bodźca. Tutaj widzimy dane fazowe nałożone na powierzchnię 3D fazy zerowej SC odpowiadającej górnemu południkowi pionowemu.
Bodziec następnie obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, więc koło w dwóch fazach odpowiada momentowi, w którym bodziec obrócił się do południka poziomego w prawym polu widzenia. Po radianie PI fazy bodziec przechodzi do lewego pola widzenia i tak dalej. Reakcja na stymulację wzrokową jest reprezentowana przez Contral laly w SC IE, lewe pole widzenia jest reprezentowane przez prawe SC i odwrotnie.
Granice całego zewnętrznego zasięgu SC są oznaczone czerwonymi liniami przerywanymi. Istnieje organizacja topograficzna działalności. Prawe górne pole widzenia jest reprezentowane przyśrodkowo na lewej okrężnicy, a dolne pole jest reprezentowane bocznie.
Podobnie lewe górne pole widzenia jest reprezentowane przyśrodkowo po prawej, wzgórek i dolny jest reprezentowany bocznie. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wykonać FMRI w wysokiej rozdzielczości w ludzkim śródmózgowiu, a w szczególności w pniu mózgu, powinieneś być w stanie zrozumieć, jak przedstawić bodziec wizualny. Zbieraj dane FMRI o wysokiej rozdzielczości, wykonuj analizy standardowe i powierzchniowe, a na koniec renderuj dane na powierzchni 3D, aby uzyskać mapy tematyczne Tino na powierzchni górnego wzgórka.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
W tym artykule opisano techniki umożliwiające przeprowadzenie obrazowania funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) o wysokiej rozdzielczości z próbkowaniem 1,2 mm w ludzkim podwzgórzu środkowym i strukturach podkorowych za pomocą skanera 3T. Badanie demonstruje, w jaki sposób te techniki mogą rozwiązywać topograficzne mapy stymulacji wzrokowej w ludzkim podwzgórzu górnym (SC).
Kluczowe Elementy Badań
Dziedzina Nauki
- Neurobiologia
- Neuroobrazowanie
- fMRI
Wprowadzenie
- fMRI o wysokiej rozdzielczości umożliwia szczegółowe obrazowanie struktur mózgu.
- Ludzkie podwzgórze środkowe i pień mózgu to kluczowe obszary przetwarzania wzrokowego.
- Mapowanie topograficzne może ujawnić, w jaki sposób bodźce wzrokowe są reprezentowane w mózgu.
- Skanery 3T zapewniają ulepszone możliwości obrazowania w porównaniu z skanerami o niższej mocy pola.
Cel Badań
- Pomiar sygnałów fMRI o wysokiej rozdzielczości w ludzkim podwzgórzu środkowym i pniu mózgu.
- Analiza reprezentacji bodźców wzrokowych w podwzgórzu górnym.
- Demonstracja skuteczności zaawansowanych technik obrazowania w badaniach neurobiologicznych.
Wykorzystane Metody
- Prezentacja bodźców wzrokowych badanym osobom.
- Wykorzystanie optymalnych procedur i parametrów fMRI do gromadzenia danych.
- Połączenie standardowych i opartych na powierzchni technik analizy danych.
- Nakładanie danych na trójwymiarową reprezentację powierzchni w celu wizualizacji.
Główne Wyniki
- fMRI o wysokiej rozdzielczości pomyślnie zarejestrowało szczegółowe sygnały z podwzgórza środkowego.
- Osiągnięto topograficzną reprezentację kąta polarnego do stymulacji wzrokowej.
- Techniki wykazały potencjał dla pogłębionego zrozumienia przetwarzania wzrokowego w mózgu.
- Wyniki potwierdzają wykorzystanie obrazowania o wysokiej rozdzielczości w badaniach neurobiologicznych.
Wnioski
- fMRI o wysokiej rozdzielczości jest potężnym narzędziem do badania funkcji mózgu.
- Techniki mogą dostarczyć wglądów w organizację obszarów przetwarzania wzrokowego.
- Przyszłe badania mogą bazować na tych metodach, aby zbadać inne funkcje mózgu.
Często Zadawane Pytania
Executive Industry Relevance
High-resolution fMRI enables non-invasive interrogation of midbrain circuits critical for sensory-motor integration and attentional control, offering predictive value in target validation for neuromodulation therapies. By resolving topographic organization in subcortical nuclei, the method supports mechanistic de-risking of CNS drug candidates affecting visuospatial processing or arousal pathways. This capability enhances confidence in target engagement biomarkers and informs go/no-go decisions in early discovery pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables functional interrogation of midbrain targets like superior colliculus to validate hypotheses about attentional networks and sensory gating mechanisms.
- Operational Value: Provides reproducible, depth-resolved fMRI readouts that reduce variability in target engagement assessments across studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative laminar-specific BOLD signals suitable for assay-like screening of compounds modulating subcortical arousal or visual attention pathways.
- Operational Value: Standardized acquisition (1.2 mm voxels, TE~40ms, multi-shot spiral) and surface-based analysis ensure cross-lab reproducibility for assay transfer.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables cross-species alignment of functional organization in midbrain structures, supporting translational validity of preclinical models.
- Operational Value: Structural reference volumes and segmentation protocols allow longitudinal tracking of target modulation in disease models.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology workflows by providing functional validation of midbrain targets prior to lead identification, with outputs informing assay readiness and preclinical continuity.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of attentional and visuomotor pathways through depth-averaged time series analysis in defined midbrain laminae.
- Screening: Delivers quantitative, laminar-resolved fMRI outputs that enable compound screening for target modulation in subcortical circuits.
- Analytics: Produces phase, amplitude, and coherence maps from sinusoidal fitting of stimulus-locked signals, enabling comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Facilitates continuity from human target validation to preclinical models via shared 3D surface representations and depth mapping.
- Enterprise Reuse: Structural reference volume and segmentation pipeline create a reusable platform for studying multiple midbrain and brainstem targets across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in midbrain circuit function.
- Operational Value: Standardized spiral acquisition and surface-based analysis enhance reproducibility and scalability across sites and studies.
- Strategic Value: Enables earlier go/no-go decisions by providing functional biomarkers of target engagement in hard-to-image subcortical regions.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of CNS programs by validating target modulation in disease-relevant neural circuits.
Implementation Considerations
- Expertise in fMRI acquisition, spiral sequences, and surface-based neuroanalysis tools (e.g., Mr.Vista, ITK-SNAP).
- Access to 3T scanner capable of multi-shot spiral imaging with TE~40ms and TR~1s for 1.2 mm resolution.
- Standardization of visual stimulus paradigms and button-response timing protocols across operators and sites.
- Adaptation of segmentation and depth-mapping workflows to other subcortical structures (e.g., inferior colliculus, subthalamic nucleus).
- Management of physiological noise and motion sensitivity at high spatial resolutions, requiring rigorous subject screening and fixation monitoring.
