Metody funkcjonalnego obrazowania rezonansem magnetycznym o wysokiej rozdzielczości dla ludzkiego śródmózgowia
10 maja 2012
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).
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.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł opisuje techniki przeprowadzania funkcjonalnego obrazowania rezonansem magnetycznym (fMRI) o wysokiej rozdzielczości z próbkowaniem 1,2 mm w strukturach podkorowych i w śródmózgowiu człowieka przy użyciu skanera 3T. Badanie demonstruje, w jaki sposób techniki te pozwalają na rozdzielenie map topograficznych stymulacji wzrokowej w wzniesieniach górnych (SC) człowieka.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Neuroobrazowanie
- Funkcjonalny rezonans magnetyczny
Wprowadzenie
- Wysokorozdzielczy fMRI umożliwia szczegółowe obrazowanie struktur mózgu.
- Ludzki śródmózgie i pień mózgu są kluczowymi obszarami przetwarzania informacji wizualnych.
- Mapowanie topograficzne może wykazać, w jaki sposób bodźce wizualne są reprezentowane w mózgu.
- Skanery 3T zapewniają zwiększone możliwości obrazowania w porównaniu z urządzeniami o niższej indukcji pola.
Cel badania
- Pomiar sygnałów fMRI o wysokiej rozdzielczości w śródmózgowiu i pniu mózgu u ludzi.
- Analiza reprezentacji bodźców wzrokowych w wzgórkach górnych.
- Wykazanie skuteczności zaawansowanych technik obrazowania w badaniach z zakresu neuronauki.
Zastosowane metody
- Prezentacja bodźców wizualnych badanym.
- Wykorzystanie optymalnych procedur i parametrów fMRI do zbierania danych.
- Połączenie standardowych technik analizy z technikami opartymi na powierzchni w celu analizy danych.
- Nakładanie danych na trójwymiarową reprezentację powierzchni w celu wizualizacji.
Główne wyniki
- fMRI o wysokiej rozdzielczości pozwoliło na skuteczne zarejestrowanie szczegółowych sygnałów z części środkowej mózgu.
- Osiągnięto topograficzną reprezentację kąta polarnego w odpowiedzi na stymulację wizualną.
- Zastosowane techniki wykazały potencjał do pogłębienia zrozumienia procesów przetwarzania informacji wizualnych w mózgu.
- Wyniki potwierdzają zasadność stosowania obrazowania o wysokiej rozdzielczości w badaniach z zakresu neuronauki.
Wnioski
- fMRI o wysokiej rozdzielczości jest potężnym narzędziem do badania funkcji mózgu.
- Stosowane techniki mogą dostarczyć wiedzy na temat organizacji obszarów przetwarzania informacji wzrokowych.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tych metodach w celu zgłębienia innych funkcji mózgu.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
fMRI o wysokiej rozdzielczości umożliwia nieinwazyjne badanie obwodów śródmózgowia kluczowych dla integracji sensoryczno-motorycznej i kontroli uwagi, co ma wartość prognostyczną w walidacji celów dla terapii neuromodulacyjnych. Dzięki obrazowaniu organizacji topograficznej jąder podkorowych, metoda ta wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka w przypadku kandydatów na leki oddziałujące na OUN, które wpływają na przetwarzanie wizualno-przestrzenne lub szlaki pobudzenia. Możliwość ta zwiększa pewność w zakresie biomarkerów zaangażowania celu i dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) we wczesnych etapach procesów odkrywania leków.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia funkcjonalną analizę celów w śródmózgowiu, takich jak wzgórze górne, w celu walidacji hipotez dotyczących sieci uwagi i mechanizmów bramkowania sensorycznego.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne odczyty fMRI z rozdzielczością głębokości, co zmniejsza zmienność w ocenie zaangażowania celów w różnych badaniach.
Przesiewanie i rozwój testów
- Wartość naukowa: Pozwala na generowanie ilościowych sygnałów BOLD specyficznych dla warstw, odpowiednich do przesiewowego badania związków modulujących podkorowe drogi pobudzenia lub uwagi wzrokowej.
- Wartość operacyjna: Standaryzowana akwizycja (woksele 1,2 mm, TE~40ms, spiralna sekwencja wielofazowa) oraz analiza oparta na powierzchni zapewniają odtwarzalność między laboratoriami w celu transferu metody.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia międzygatunkowe dopasowanie organizacji funkcjonalnej struktur śródmózgowia, wspierając walidację translacyjną modeli przedklinicznych.
- Wartość operacyjna: Referencyjne wolumeny strukturalne i protokoły segmentacji umożliwiają podłużne śledzenie modulacji celu w modelach chorób.
Integracja rurociągów i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z przepływami pracy w biologii odkrywczej, zapewniając funkcjonalną walidację celów w śródmózgowiu przed identyfikacją wiodących związków, a uzyskane wyniki dostarczają informacji o gotowości testów i ciągłości badań przedklinicznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących szlaków uwagi i wizualno-motorycznych poprzez analizę szeregów czasowych uśrednionych w głąb w określonych blaszkach śródmózgowia.
- Przesiewy: Dostarcza ilościowe wyniki fMRI z rozdzielczością blaszkową, które umożliwiają przesiewowe badania związków pod kątem modulacji celów w obwodach podkorowych.
- Analityka: Generuje mapy fazy, amplitudy i koherencji na podstawie dopasowania sinusoidalnego sygnałów zsynchronizowanych z bodźcem, co umożliwia analizę porównawczą między różnymi warunkami.
- Badania translacyjne: Ułatwia przejście od walidacji celu u ludzi do modeli przedklinicznych dzięki wspólnym trójwymiarowym reprezentacjom powierzchni i mapowaniu głębokości.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Strukturalna objętość referencyjna i potok segmentacji tworzą wielokrotnego użytku platformę do badania wielu celów w śródmózgowiu i pniu mózgu w ramach różnych projektów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w walidacji celów poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w funkcji obwodów środka mózgu.
- Wartość operacyjna: Standaryzowana akwizycja spiralna i analiza oparta na powierzchni zwiększają powtarzalność i skalowalność pomiędzy ośrodkami oraz badaniami.
- Wartość strategiczna: Umożliwia wcześniejsze podejmowanie decyzji go/no-go poprzez dostarczenie funkcjonalnych biomarkerów zaangażowania celu w trudnych do obrazowania obszarach podkorowych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację programów CNS skorygowaną o ryzyko poprzez walidację modulacji celu w istotnych dla choroby obwodach neuronalnych.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Doświadczenie w akwizycji fMRI, sekwencjach spiralnych oraz narzędziach do neuroanalizy powierzchniowej (np. Mr.Vista, ITK-SNAP).
- Dostęp do skanera 3T umożliwiającego obrazowanie spiralne multi-shot z TE~40ms i TR~1s dla rozdzielczości 1,2 mm.
- Standaryzacja paradygmatów bodźców wizualnych i protokołów pomiaru czasu reakcji przyciskiem pomiędzy operatorami i ośrodkami.
- Adaptacja schematów segmentacji i mapowania głębokości do innych struktur podkorowych (np. wzgórka dolnego, jądra podwzgórzowego).
- Zarządzanie szumem fizjologicznym i wrażliwością na ruch przy wysokich rozdzielczościach przestrzennych, co wymaga rygorystycznego przesiewu badanych oraz monitorowania fiksacji.
