Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) للقشرة البصرية مع تحفيز شبكية شبكية واسع الرؤية

Published: December 8, 2023 doi: 10.3791/65597
Automatic Translation
*1, *1, 2, 3, 4
1Renaissance School of Medicine at Stony Brook University, 2Department of Radiology, University of Colorado School of Medicine, 3Department of Radiology, Montefiore-Einstein, 4Department of Radiology, School of Medicine, Stony Brook University
* These authors contributed equally

Summary

لقد طورنا تقنيات لرسم خرائط وظيفة القشرة البصرية باستخدام المزيد من المجال البصري أكثر مما هو شائع الاستخدام. هذا النهج لديه القدرة على تعزيز تقييم اضطرابات الرؤية وأمراض العيون.

Abstract

يمكن استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) عالي الدقة المعتمد على مستوى أكسجة الدم الشبكية (BOLD) مع عرض تقديمي واسع النطاق لرسم خريطة وظيفية للقشرة البصرية المحيطية والمركزية. تسمح هذه الطريقة لقياس التغيرات الوظيفية للدماغ البصري برسم خرائط وظيفية للفص القذالي ، مما يحفز >100 درجة (±50 درجة) أو أكثر من المجال البصري ، مقارنة بإعدادات العرض المرئي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي القياسية التي تغطي عادة <30 درجة من المجال البصري. يمكن إعداد نظام تحفيز بسيط واسع الرؤية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي BOLD باستخدام أجهزة عرض شائعة متوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي عن طريق وضع مرآة كبيرة أو شاشة بالقرب من وجه الشخص واستخدام النصف الخلفي فقط من ملف الرأس القياسي لتوفير زاوية رؤية واسعة دون إعاقة رؤيتهم. يمكن بعد ذلك تصوير خريطة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للشبكية ذات الرؤية الواسعة باستخدام نماذج تحفيز شبكية مختلفة ، ويمكن تحليل البيانات لتحديد النشاط الوظيفي للمناطق القشرية البصرية المقابلة للرؤية المركزية والمحيطية. توفر هذه الطريقة نظام عرض مرئي عملي وسهل التنفيذ يمكن استخدامه لتقييم التغيرات في القشرة البصرية الطرفية والمركزية بسبب أمراض العيون مثل الجلوكوما وفقدان البصر الذي قد يصاحبها.

Introduction

يعد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) طريقة قيمة لتقييم التغيرات في وظيفة الأوعية الدموية العصبية الإقليمية داخل القشرة البصرية استجابة للمنبهات ، حيث ترتبط التغيرات في تدفق الدم الإقليمي بتنشيط مناطق الدماغ 1,2. تمثل قياسات إشارة الأكسجة في الدم عالية الدقة المعتمدة على مستوى الأوكسجين في الدم (BOLD) تغيرات في ديوكسي هيموغلوبين ، والتي تحركها التغيرات الموضعية في تدفق الدم وأكسجة الدم داخل الدماغ 1,2. يمكن استخدام أنماط النشاط الجريئة التي تم جمعها من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لرسم خريطة وظيفية للقشرة البصرية المحيطية والمركزية ، وكذلك اكتشاف التغييرات في خريطة الشبكية استجابة لضعف البصر والتنكس العصبي3.

استخدمت معظم دراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي السابقة المحفزات غير الشبكية ذات الرؤية الضيقة (حوالي ±12 درجة من المجال البصري المركزي) أو المحفزات الشبكية البسيطة مع محفزات بصرية ضيقة الرؤية ، والتي قدمت تقسيما وظيفيا محدودا لتمثيل الشبكية في القشرة البصرية وتقييما محدودا للمجال البصري المركزي فقط ، باستثناء المحيط3. وبالتالي ، أبلغت بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الضيقة عن تغيرات غير متسقة في النسبة المئوية BOLD في مرضى الجلوكوما4،5،6. لذلك هناك حاجة إلى تحسين نهج التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لتقييم المجال البصري المحيطي والمركزي ، لا سيما في تقييم أمراض مثل الجلوكوما.

الجلوكوما هو السبب الرئيسي للعمى الذي لا رجعة فيه ، حيث يؤثر على 10٪ من الناس في سن 807. يحدث الجلوكوما بسبب التنكس العصبي التدريجي الذي لا رجعة فيه لخلايا العقدة الشبكية ، المسؤولة عن نقل المحفزات البصرية إلى الدماغ عبر العصب البصري. في الجلوكوما الأولية مفتوحة الزاوية (POAG) ، وهو الشكل الأكثر شيوعا من الجلوكوما ، تؤدي زيادة ضغط العين إلى ترقق طبقة الألياف العصبية الشبكية (RNFL) ، مما يؤدي إلى فقدان الرؤية المحيطية يليه العمى المحيطي والمركزي8،9،10،11. تشير الأدلة النسيجية من الدراسات التي أجريت على إلى أن الجلوكوما يؤدي أيضا إلى تنكس عصبي تدريجي للعصب البصري والجهاز البصري والنواة الجينية الجانبية والإشعاع البصري والقشرة البصرية12,13. توفر تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي طريقة طفيفة التوغل لتقييم كل من أكسجة الدم والتنكس العصبي في القشرة البصرية. في المرضى الذين يعانون من الجلوكوما ، وجد التصوير بالرنين المغناطيسي دليلا على ضمور المادة الرمادية في المسار البصري13،14،15،16 والمادة البيضاء غير الطبيعية في chiasm البصري ، والجهاز البصري ، والإشعاع البصري1،17،18.

لمزيد من استكشاف التأثيرات على المعالجة البصرية ، يمكن استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للكشف عن وظائف المخ استجابة للإشارات البصرية. يصف البروتوكول الوارد هنا طريقة جديدة للحصول على خريطة شبكية منخفضة التكلفة وواسعة الرؤية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للشبكية عالي الدقة مع محفزات واسعة المجال (>100 درجة) ، كما وصفها Zhou etal 3. تم استخدام المحفزات البصرية لتوسيع الحلقات والأوتاد الدوارة لاستنباط رسم خرائط شبكية للانحراف والزاوية القطبية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. تم تحليل التغيرات في نسبة الرنين المغناطيسي الوظيفي BOLD كدالة للانحراف المركزي لتقييم وظائف المخ ، المقابلة لكل من الرؤية المركزية والمحيطية. يمكن استخدام تغيير النسبة المئوية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي BOLD لتصور التنشيط في جميع أنحاء القشرة البصرية. توفر مقاييس التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي هذه طريقة جديدة موثوقة لتقييم التغيرات التنكسية العصبية وتأثيراتها الوظيفية على القشرة البصرية الموجودة في أمراض العيون التي تنطوي على عيوب في المجال البصري ، مثل الجلوكوما.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تم إجراء البحث مع المشاركين من البشر وفقا للمبادئ التوجيهية المؤسسية في مركز العلوم الصحية بجامعة تكساس وجامعة ستوني بروك ، مع الحصول على موافقة مستنيرة من المشاركين لهذه الدراسات واستخدام بياناتهم.

1. إعداد ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي وبروتوكولات التصوير

  1. بالنسبة للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، استخدم ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي 3T مع ملفات رأس جهاز استقبال متعددة القنوات. يمكن أيضا استخدام شدة مجال مختلفة ولكنها قد تمثل صعوبات في نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) أو القطع الأثرية المشوهة ، لذا اضبطها وفقا لذلك. استخدم فقط النصف الخلفي من ملف الرأس للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للسماح بزاوية رؤية أكبر دون عائق من النصف الأمامي من الملف.
  2. قم بإعداد تسلسل صدى التدرج السريع للاكتساب المرجح T1 (MP-RAGE) مع وقت تكرار (TR) يبلغ 2.2 ثانية ، ووقت الصدى (TE) يبلغ 2.8 مللي ثانية ، ومجال الرؤية (FOV) 176 مم × 256 مم × 208 مم ، والدقة المكانية 1 مم × 1 مم × 1 مم ، وعرض النطاق الترددي 190 هرتز / بكسل ، وزاوية الوجه 13 درجة ، ومدة المسح الضوئي 3.1 دقيقة3.
  3. قم بإعداد تسلسل تصوير صدى متدرج وصدى مستو (EPI) مع TR من 2 ثانية ، TE من 30 مللي ثانية ، مجال الرؤية من 220 مم × 220 مم ، دقة داخل الطائرة من 1.7 مم × 1.7 مم ، 29 شريحة بسمك 3 مم ، وعرض نطاق ترددي 1500 هرتز / بكسل3.
  4. قم بقياس أبعاد ملف الرأس وتجويف الماسح الضوئي ، ثم قم ببناء إطار بسيط عن طريق قطع أنبوب كلوريد البولي فينيل (PVC) إلى أطوال مناسبة وتوصيلها بأكواع PVC. احصل على مرآة بعرض 25 سم على الأقل وطول 15 سم وقم بإرفاقها بقضيب بلاستيكي به براغي (يمكن حفر ثقوب صغيرة في المرآة).
    1. قم بتوصيل نهايات القضيب البلاستيكي بإطار PVC بمسامير من النايلون (الشكل 1 أ). تأكد من أن مسامير النايلون مفكوكة قليلا للسماح بتدوير المرآة يدويا لتحسين الزاوية لكل مشارك.
  5. اصنع شاشة للذهاب داخل تجويف التصوير بالرنين المغناطيسي. قم بقص جزء من شاشة العرض الخلفي بحجم تجويف التصوير بالرنين المغناطيسي تقريبا. قم ببناء إطار بحجم التجويف وقم بتوصيل الشاشة بالإطار بمسامير. ضع الشاشة داخل الماسح الضوئي خلف ملف الرأس مباشرة لتقليل المسافة بين الشاشة والمرآة وزيادة مجال الرؤية.
    ملاحظة: إذا كان تجويف الماسحة الضوئية كبيرا بما يكفي، فيمكن استخدام شاشة واحدة ليتمكن المشارك من العرض مباشرة بدلا من إعداد شاشة العرض الخلفية والمرآة. يمكن استخدام شاشة عرض متصلة بطبقة رقيقة من الخشب للدعم أو ورقة من البلاستيك الأبيض غير اللامع الرقيق كشاشة ووضعها على الإطار بدلا من المرآة. يجب بعد ذلك وضع جهاز العرض وتركيزه ، بحيث يملأ الشاشة ويكون في بؤرة التركيز.

2. إعداد المشاركين

  1. أبلغ المشارك عن الإجراء والمخاطر وفوائد فحص التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. الحصول على موافقتهم المستنيرة.
  2. تأكد من أن المشارك ليس لديه أي موانع للتصوير بالرنين المغناطيسي. وهذا يشمل فحص أجهزة تنظيم ضربات القلب أو الغرسات المعدنية أو رهاب الأماكن المغلقة. إذا كان لديك أي عدم يقين ، فاستشر أخصائي أشعة أو باحثا مؤهلا ، واستبعد المشارك من الدراسة إذا بقي أي عدم يقين.
  3. اشرح بروتوكول التحفيز البصري وحاجة المشاركين إلى التركيز على الصليب المركزي أثناء فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. أظهر للمشارك عرضا توضيحيا قصيرا للتحفيز البصري لأغراض تعليمية لتعريفهم بالإجراء.
  4. ضع المشارك بعناية على طاولة ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي للتأكد من أنه مرتاح ومريح. قم بتوفير سدادات أذن و / أو سماعة رأس مثبطة للصوت لتقليل الضوضاء الصوتية التي سيسمعها المشارك لحماية سمعه.
  5. شل حركة رأس المشارك في النصف الخلفي من مجموعة ملف الرأس ، باستخدام حشوة رغوية على جانبي الرأس لضمان تثبيت الرأس بشكل صحيح لتقليل آثار الحركة. استخدم نظام تحديد موضع الماسحة الضوئية وانقل الطاولة إلى تجويف الماسحة الضوئية.
  6. ضع شاشة الرؤية الواسعة أو المرآة على بعد 10 سم من عيون المريض (الشكل 1 ب). ضع الشاشة بحجم التجويف من الجزء الخلفي من تجويف الماسحة الضوئية خلف ملف الرأس مباشرة. اضبط موضع وزاوية المرآة / الشاشة لكل مشارك لتحقيق زاوية مشاهدة متسقة.
  7. تأكد من أن المشارك مرتاح طوال الفحص عبر الاتصال من خلال الاتصال الداخلي.

3. مسح الرنين المغناطيسي الوظيفي للمشارك

  1. قم بتشغيل فحص محدد الموقع باستخدام ثلاث مستويات متعامدة وتعديلات الماسح الضوئي ومعايرته لضبط التردد واللمعان .
  2. قم بتشغيل فحص تشريحي MP-RAGE للمساعدة في وضع شرائح EPI.
  3. قم بإنشاء محفزات بصرية ، كما هو موضح في الخطوات التالية ، باستخدام برنامج لإجراء تجارب سلوكية أو نفسية.
  4. في بداية بروتوكول الرنين المغناطيسي الوظيفي ، اطلب من المشارك التركيز على الصليب الأبيض (3 درجات × 3 درجات) ، والذي يجب أن يكون أعلى خلفية رمادية في وسط المنبهات لمدة 10 ثوان.
    ملاحظة: سيظهر الصليب الأبيض قبل وبعد كل نموذج تحفيز بصري لمدة 10 ثوان. وبالتالي ، فإن إجمالي اختبار تحفيز الرنين المغناطيسي الوظيفي لكل نموذج هو 200 ثانية.
  5. قدم نموذج التحفيز البصري الأول (سلسلة من الأوتاد الدوارة) لمدة 30 ثانية (إعطاء سرعة زاوية تبلغ 6 درجات / ثانية) ودورة خلال ست فترات. يجب أن تشتمل محفزات الوتد على 12 إطارا من الأوتاد الدوارة (مسح واحد مع دوران في اتجاه عقارب الساعة والآخر عكس اتجاه عقارب الساعة) ، يمتد إلى حافة الشاشة / المرآة (مجال بصري >100 درجة) ، مع نمط رقعة الشطرنج بالأبيض والأسود يعكس التباين 8 هرتز (تباين 100٪) (الشكل 2 أ).
  6. قدم الصليب الأبيض مرة أخرى لمدة 10 ثوان.
  7. كرر الخطوات 3.4-3.6 مع نموذج التحفيز البصري الثاني (سلسلة من حلقات التمدد والانكماش) لمدة 30 ثانية (تمدد أو تقلص بسرعة 1.8 درجة / ثانية من المجال البصري) ودورة خلال ست فترات. يجب أن تتضمن محفزات الحلقة ثمانية إطارات من حلقات التمدد أو الانكماش (مجال بصري > 100 درجة) ، مع نمط رقعة الشطرنج بالأبيض والأسود يعكس التباين 8 هرتز (تباين 100٪) (الشكل 2 ب).
  8. بعد الانتهاء من التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، حرك الطاولة خارج تجويف الماسح الضوئي مع توجيه المشارك للبقاء ثابتا. قم بإزالة المرآة / الشاشة ، وضع الجزء الأمامي من ملف الرأس بالإضافة إلى الجزء الخلفي ، وحرك الطاولة مرة أخرى إلى وسط الماسحة الضوئية.
  9. احصل على مسح سريع للموقع في حالة حدوث أي حركة واحصل على مسح MP-RAGE باستخدام ملف الرأس الكامل.
    ملاحظة: هناك حاجة إلى صورة تشريحية مع ملف الرأس بالكامل للتسجيل الدقيق لتحليلات المجموعة وأغراض إعادة البناء.

4. تحليل بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي للشبكية

  1. قم بتنزيل وتثبيت تطبيق FreeSurfer لتحليل التصوير بالرنين المغناطيسي (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
    ملاحظة: تم استخدام الإصدار 5.3.0 من FreeSurfer هنا.
  2. احصل على صور بتنسيق التصوير الرقمي والاتصالات في الطب (DICOM) من ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي. قم بتحويل ملفات DICOM إلى تنسيق nifti باستخدام تطبيق dcm2niix (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21.
  3. قم بمعالجة الفحص المرجح T1 لتوفير مرجع سطح قشري، كما هو موضح في الخطوتين التاليتين. استخدم FreeSurfer لتحويل البيانات الهيكلية من تنسيق nifti إلى تنسيق .mgz (الأمر mri_convert).
  4. استخدم الأمر recon-all في بيئة shell لإجراء تجزئة تلقائية وإعادة بناء قشرية للبيانات الهيكلية.
    ملاحظة: قد تستغرق هذه الخطوة أكثر من 20 ساعة حتى تكتمل.
  5. استخدم واجهة المستخدم الرسومية tksurfer لعرض نصف الكرة المنتفخ وقطع القشرة البصرية فعليا على طول شق الكالكارين ، وحدد الفص القذالي. استخدم الأمر mris_flatten لتسوية رقعة القشرة البصرية. كرر هذه الخطوة لكلا نصفي الكرة الأرضية.
  6. بالنسبة لبيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، قم أولا بإزالة فترات الراحة ، مع تقديم تقاطع التثبيت فقط ، من بداية البيانات ونهايتها. فحص بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي بحثا عن القطع الأثرية أو الحركات الكبيرة.
  7. المعالجة المسبقة للبيانات الوظيفية للتنعيم المكاني وتصحيح الحركة. نمذجة نموذج تحفيز الشبكية وتطبيق دالة استجابة الدورة الدموية المتعارف عليها لبناء دالة الاستجابة.
  8. قم بإجراء تحليل مشفر بالطور الشبكي لبيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي باستخدام دفق التحليل الوظيفي FreeSurfer (أوامر mkanalysis-sess و selxavg3-sess و fieldsign-sess) لربط السلسلة الزمنية BOLD fMRI بوظيفة استجابة نموذجية والحصول على خرائط شبكية مشفرة بالطور ، بمستوى أهمية p < 0.01 (الشكل 3).
  9. تصور نتائج خرائط retinotopic باستخدام خرائط تنشيط مرمزة بالألوان متراكبة على القشرة البصرية المسطحة تقريبا باستخدام الأمر tksurfer-sess ، وعرضها باستخدام الأمر rtview.
  10. استخدم خرائط الريتينوتوبيا المشفرة بالطور من محفزات الوتد للمساعدة في تحديد حدود القشرة البصرية الأولية (V1) والمناطق المخططة الإضافية الأخرى (V2 و V3) بواسطة خرائط الإشارات الميدانية (الشكل 3 أ) ، جنبا إلى جنب مع المعالم التشريحية وأطالس FreeSurfer.
  11. لحساب استجابة BOLD عند انحرافات مختلفة ، استخدم أولا FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) لحساب الخرائط الإحصائية باستخدام نموذج خطي عام لكل حجم من محفزات الحلقة مع عتبة درجة z من Z > 2.322,23. إذا تم إجراء تحليل المجموعة ، فاحسب تحليل المستوى الثاني للخرائط الإحصائية لاختلافات المجموعة باستخدام FSL Feat للمساعدة في تحديد استجابة BOLD في انحرافات مختلفة.
  12. شارك في تسجيل صور الرنين المغناطيسي الوظيفي على السطح القشري المعاد بناؤه باستخدام أوامر FreeSurfer bbregister و tkregister2 لمحاذاة بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي للمشارك مع الصورة الهيكلية التشريحية لدماغهم وضمان المحاذاة المكانية الدقيقة.
  13. قم بتجميع محفزات الحلقة حسب الانحراف لكل إطار من الإطارات الثمانية. ارسم يدويا مناطق الاهتمام لانحرافات مختلفة بناء على مناطق voxel المنشطة لكل إطار. خذ تغييرات النسبة المئوية BOLD وارسمها كدالة لغرابة الأطوار. أيضا ، قم بتجميع بيانات الانحراف المركزي في المناطق المركزية (< ±12 درجة) والمحيطية (> ±12 درجة) ، حيث يكون التحفيز البصري ±12 درجة نموذجيا لدراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي للشبكية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم تقييم تسعة مشاركين تم تشخيص إصابتهم ب POAG (أربعة ذكور ، 36-74 عاما) وتسعة متطوعين أصحاء متطابقين مع العمر (ستة ذكور ، 53-65) باستخدام بروتوكول التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي واسع الرؤية المذكور أعلاه ، كما وصفه سابقا Zhou etal 3. تم تأكيد POAG سريريا في المرضى الذين يعانون من زاوية مفتوحة من خلال تقييم عرض عيوب المجال البصري المتوافقة مع الجلوكوما وحجامة القرص البصري و / أو ضغط العين (IOP) أكبر من 21 مم زئبق3. تم استخدام عرض مرئي واسع الرؤية (±55 درجة) لتقييم الرؤية المركزية والمحيطية في كل مجموعة3.

يصور الشكل 3 خرائط التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للشبكية للمحفزات القطبية (الإسفين) والانحراف (الحلقة) من مشارك POAG ومشارك تحكم صحي. كشفت الخرائط القطبية (الشكل 3 أ) عن عدم وجود اختلافات واضحة بين POAG والمشاركين الأصحاء. أظهرت خرائط الانحراف (الشكل 3 ب) أن المنطقة المركزية من parafovea التي تم تنشيطها بواسطة محفزات الحلقة الأصغر بدت أكبر في مريض POAG مقارنة بالمشارك السليم. تشير المنطقة المتضخمة في القشرة البصرية للمشاركين في POAG إلى تغيرات قشرية استجابة لاضطرابات الرؤية المحيطية.

تمت مقارنة التغيرات المئوية الجريئة للمجالات البصرية المركزية (<24 درجة) والمحيطية (>24 درجة) بين مجموعات POAG الفرعية ومجموعة التحكم الصحية (الشكل 4). تم تقليل التغيرات الجريئة في النسبة المئوية في انحرافات مختلفة في مرضى POAG مقارنة بالمشاركين الأصحاء في المجموعة ، في المقام الأول في الانحرافات المحيطية (الشكل 4 أ). تم تقليل التغيرات المئوية BOLD بشكل كبير بين المجموعتين ، وأكثر من ذلك في الانحرافات الأكبر (p < 0.05 ، ANOVA ثنائي الاتجاه مع اختبار Bonferroni اللاحق). تم تقليل متوسط التغيرات في النسبة المئوية BOLD للرؤية المركزية (جميع المحفزات <24 درجة) بشكل طفيف فقط ولم يتم تخفيضها بشكل كبير في مرضى POAG ، في حين تم تقليل استجابة BOLD للرؤية المحيطية (جميع المحفزات >24 درجة) بشكل كبير (الشكل 4 ب). تشير هذه النتائج إلى الفائدة المحتملة لهذا البروتوكول لتقييم التغيرات في وظيفة القشرة البصرية المترجمة إلى الرؤية المحيطية أو المركزية ، والتي لها صلة بالاضطرابات البصرية مثل الجلوكوما.

Figure 1
الشكل 1: الإعداد التجريبي. (أ) المرآة التي يبلغ عرضها ٢٥ سم وطولها ١٥ سم مثبتة في مكانها بإطار مصنوع من أنبوب PVC. (B) إعداد نظام العرض على ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي ، مع إظهار الجزء الخلفي من ملف صفيف الرأس ، والمرآة والإطار ، وشاشة العرض الخلفي (الأسهم) في التجويف خلف ملف الرأس مباشرة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: نماذج التحفيز البصري. (أ) ثلاثة إطارات من نموذج التحفيز البصري الشبكي القطبي، والتي تتكون من أسافين دوارة في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة مع نمط رقعة الشطرنج بالتناوب على التباين. (ب) ثلاثة إطارات من نموذج الانحراف المركزي ، والتي تتكون من حلقات التمدد والانكماش بنمط رقعة الشطرنج بالتناوب المتباين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: الخرائط القطبية واللامركزية للشبكية. ممثل (أ) خريطة قطبية باستخدام إسفين دوار من عنصر تحكم عادي و (ب) خرائط انحراف مركزي باستخدام حلقات تمدد / تقلص من عنصر تحكم عادي ومشارك في POAG. يظهر كل من نصفي الكرة الأيسر والأيمن (LH و RH) بحدود قشرية بصرية محددة (V1 و V2 و V3). يظهر إطار واحد من كل نموذج في الجزء الداخلي المركزي. يتم تعيين مقاييس الألوان إلى المناطق المقابلة من المجال البصري ، كما هو موضح بواسطة عجلات الألوان ، مع A) تعيين الزاوية القطبية لمحفزات الإسفين ، و B) تعيين الانحراف المركزي للمحفزات الحلقية . يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: تتغير النسبة المئوية الجريئة كدالة للانحراف المركزي والمجالات البصرية المركزية أو المحيطية. (أ) متوسط المجموعة BOLD في المئة التغييرات من محفزات الحلقة في الضوابط الصحية ومرضى POAG كدالة للانحراف. تم حساب النسبة المئوية للتغيير BOLD لكل حجم من محفزات الحلقة لإعطاء البيانات عند كل انحراف مركزي. (ب) تغيرات النسبة المئوية الجريئة بين مرضى التحكم الأصحاء ومرضى POAG في المجال البصري المركزي (< ±12 درجة) والمحيطي (> ±12 درجة) ، عن طريق تجميع البيانات من جميع الانحرافات. البيانات هي متوسط ± الخطأ المعياري للمتوسط. * p < 0.05 ، ANOVA ثنائي العوامل مع ارتباط ما بعد مخصص. تم تعديل هذا الرقم من Zhou et al.3 بإذن. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

البروتوكول المذكور أعلاه لاستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي واسع النطاق هو طريقة مبتكرة لتقييم آثار فقدان البصر وأمراض العيون على الدماغ. من خلال رسم خرائط شبكية واسعة المجال للقشرة البصرية باستخدام شاشة رؤية أوسع ، يسمح هذا النهج بفهم أكثر شمولا للتنظيم الوظيفي للنظام البصري. هذا يمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل للتشوهات في نظام المعالجة البصرية للدماغ ، والذي يحدث في التنكس العصبي ، كما هو الحال في الجلوكوما24,25. يمكن أيضا استخدام هذه التقنية للكشف عن تنكس الدماغ وإعادة تنظيمه وتحليله في الحالات الأخرى التي تسبب العمى ، مثل الضمور البقعي المرتبط بالعمر26,27.

عين بشرية واحدة لديها زاوية بصرية تبلغ حوالي 100 درجة. استخدمت التقنيات السابقة المستخدمة في معظم دراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي البصري مجال رؤية أقل من 30 درجة ، مما يحد من جزء القشرة البصرية الذي يمكن تنشيطه وتحليله بواسطة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي28. وبالتالي ، لا يمكن تصور الرؤية المحيطية ، مما يجبر جميع التحليلات على التركيز فقط على المجال البصري المركزي. سريريا ، منع هذا الأطباء من إجراء رسم الخرائط القشرية قبل الجراحة بدقة ، وهو أمر حاسم لتجنب المواقع الحيوية عند إجراء جراحات الدماغ29. باستخدام تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي واسعة النطاق الموصوفة في هذا البروتوكول ، تمت زيادة الزاوية البصرية إلى ما يصل إلى 100 درجة (±50 درجة) 3،30،31. للسماح برؤية صورة واسعة وتقليل العوائق البصرية التي يسببها ملف الرأس ، يتم استخدام النصف الخلفي فقط من ملف الرأس. عادة ما تحتوي ملفات الرأس على نافذة صغيرة نسبيا ، مع وجود قضبان عبرها تعيق القدرة على رؤية محفزات الشبكية واسعة الرؤية بالكامل. ومع ذلك ، فإن استخدام الجزء الخلفي فقط من ملف الرأس يسبب عدم تجانس إشارة كبير عبر الدماغ ويقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء في المناطق الأمامية والمركزية. لا ينبغي أن تتأثر جودة الصورة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء للفص القذالي الخلفي بشدة32. ومع ذلك ، فإن التأثيرات الدقيقة لاستخدام الجزء الخلفي فقط من الملف تعتمد على الأرجح على تصميم ملف معين (عدد وحجم الملفات المصفوفة) ، لذلك يمكن اختبار نسبة SNR أو نسبة تذبذب الإشارة إلى الضوضاء في عدد قليل من الأشخاص مع وبدون الجزء الأمامي إذا كان هناك قلق من فقدان SNR كبير مع ملفمعين 32.

يعد الإعداد الصحيح لتسلسل MP-RAGE المرجح T1 ضروريا لتسجيل الصور الوظيفية بشكل صحيح للصور الهيكلية عالية الدقة للدماغ وللتسجيل التشريحي للقوالب أو للدراسات الجماعية. على هذا النحو ، نحصل على الصورة المرجحة T1 باستخدام ملف الرأس بالكامل ، مما قد يؤدي إلى حركة طفيفة للمشارك بالنسبة لفحص التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. تعد محاذاة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي مع الفحص التشريحي خطوة تحليل روتينية ، لذلك لا ينبغي أن تكون هذه مشكلة. بدلا من ذلك ، يمكن الحصول على الصورة المرجحة T1 بدون الملف الأمامي ، ولكن قد يؤثر عدم تجانس الصورة على جودة التسجيل في قالب مرجعي. لتجنب التحف الحركية ، من الضروري تثبيت رأس المشارك بشكل صحيح داخل ملف الرأس. يمكن أن تحدث القطع الأثرية للحركة بشكل طبيعي دون تثبيت مناسب ، مما سيؤثر سلبا على جودة بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي التي تم جمعها ، مما يؤدي إلى نتائج أسوأ من التحليل. في حين أن تصحيح الحركة بعد المعالجة أمر روتيني لتحليل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، إلا أن الحركات الكبيرة لا تزال تؤثر على النتائج ، لذلك من المهم التحقق من عمليات المسح الوظيفية لجودة البيانات وتجاهل الدراسات ذات القطع الأثرية الرئيسية. في هذا البروتوكول ، طلب من المشاركين التركيز على صليب أبيض لمدة 10 ثوان ، قبل وبعد كل نموذج تحفيز بصري ، للحصول على بيانات BOLD الأساسية. ساعد هذا في تقليل تباين التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي عند خط الأساس ، كما سمح لدماغ الشخص بالتكيف مع أصوات الماسح الضوئي وسطوع شاشة الخلفية قبل بدء اختبارات البيانات المرئية الفعلية.

هناك مجموعة متنوعة من الأساليب البديلة التي يمكن النظر فيها للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي واسع الرؤية. يمكن أن يوفر النهج الموصوف هنا ، باستخدام شاشة / مرآة كبيرة مع النصف الخلفي فقط من ملف الرأس ، رؤية واسعة معتدلة تصل إلى حوالي 100 درجة FOV 3,30. تكلفة صنع المرآة / الشاشة منخفضة للغاية (من المحتمل < 100 دولار أمريكي) ، بافتراض أن جهاز العرض القياسي متاح بالفعل. استخدم Greco et al. نهجا مختلفا قليلا ، حيث تم وضع الشاشة بعد المرآة في المسار البصري ، مباشرة أمام وجه الشخص (على بعد 7.5 سم) ، مما يوفر زاوية بصرية 80 درجة28. كانت هناك حاجة إلى نظارات متوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي حتى يتمكن المشارك من التركيز على الشاشة. استخدم Ellis et al. أيضا نهجا مشابها ، ولكن مع إمالة جهاز العرض لأسفل على مرآة في الجزء السفلي من التجويف ، مما يعكس المحفزات مباشرة على الجزء العلوي من التجويف فوق وجه الموضوع ، مما يوفر زاوية رؤية 115 درجة32. يتم تشويه المنظر بواسطة التجويف المنحني ، الأمر الذي يتطلب تشويه الصور الخاصة بالمحفزات لتصحيحها. تم الإبلاغ مؤخرا عن امتداد لهذا النهج مع شاشة منحنية مخصصة في الجزء العلوي من تجويف الماسح الضوئي ومرآتين قادرتين على توفير مجال رؤية واسع للغاية يبلغ 175 درجة 34. استخدمت بعض هذه الطرق المبلغ عنها الجزء الأمامي من ملف الرأس والبعض الآخر لم يفعل ذلك. ومع ذلك ، يمكن استخدام أي من هذه الطرق في كلتا الحالتين ، مع احتمال وجود نسبة إشارة إلى الضوضاء أعلى قليلا باستخدام الملف الأمامي ، ولكن مع المفاضلة بين زاوية الرؤية المنخفضة وأجزاء من المجال البصري التي يتم حظرها. يتمثل أحد القيود المحتملة في جميع الطرق التي تستخدم جهاز العرض في أنه بالنسبة للشاشة ذات الحجم والموقع المخصصين ، يجب ضبط جهاز العرض لتركيز وحجم الصورة المعروضة عن طريق ضبط جهاز العرض / العدسة أو تحريك جهاز العرض أو الحصول على عدسات مخصصة إذا كانت الطرق السابقة غير كافية.

استخدم نهج آخر قضيبا بلاستيكيا شفافا بنهاية منحنية كشاشة ، مع جهاز عرض لتوفير زاوية بصرية أكبر قليلا تبلغ 120 درجة ، وهو متوافق مع استخدام ملف الرأس الأمامي دون الحد من مجال الرؤية. ومع ذلك ، يمكن إجراء التحفيز أحادي العين فقط. هناك حاجة إلى عدسة خاصة لجهاز العرض ، مما يزيد من التكلفة ، ويجب ارتداء العدسات اللاصقة حتى يتمكن المشارك من التركيز على الشاشة ، مما يعقد الإعداد31. استخدم نهج مماثل حزم الألياف الضوئية لنقل الصور وتقديمها مباشرة من الشاشة إلى عين المشارك ، مما يوفر زاوية بصرية تصل إلى 120 درجة 33. يجب أيضا ارتداء العدسات اللاصقة ، ويمكن تحفيز عين واحدة فقط في كل مرة. تتطلب هذه الطريقة حزمة ألياف بصرية طويلة وعالية الكثافة ، والتي يمكن أن يكون لها دقة منخفضة نسبيا للعرض التقديمي وقد تكون باهظة الثمنإلى حد ما 33.

يمكن أن يؤثر ضعف البصر وأمراض العين على بنية ووظيفة القشرة البصرية. يمكن استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الجريء لتصور الوظيفة القشرية الشبكية ، ولكن معظم أنظمة العرض المرئي المستخدمة في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي تحفز فقط المجال البصري المركزي. يصف هذا البروتوكول تنفيذ نظام عرض واسع النطاق للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي يمكن استخدامه لرسم خريطة وظيفية للقشرة البصرية المحيطية والمركزية. يمكن إعداد هذا النظام بسهولة وبتكلفة منخفضة باستخدام أجهزة العرض الشائعة المتوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي. على الرغم من وجود بعض القيود ، فإن البروتوكول الموصوف لديه القدرة على تحليل وظائف القشرة البصرية المقابلة للرؤية المركزية والمحيطية على مستوى يوازن بين التكلفة والدقة. يمكن تحليل البيانات التي تم جمعها من خلال هذه الطريقة لتحديد التنشيط الانتقائي بناء على أنواع مختلفة من المحفزات البصرية والتواصل الدماغي بين المناطق المختلفة للمعالجة البصرية. يمكن استخدام هذه الطريقة لتقييم التغيرات في وظيفة القشرة البصرية المحيطية والمركزية بسبب فقدان البصر وأمراض العيون مثل الجلوكوما. وبالتالي فإن هذه التكنولوجيا لها تطبيقات في تشخيص أمراض العيون وإدارتها وعلاجها.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة [R01EY030996].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1/4"-20 nylon machine screws, knurled head thumb screw to attach rod to PVC frame
1-1/4 inch PVC pipe length of ~5-10 ft is needed
3T MRI scanner Siemens
6-32 nylon machine screws, rounded head to attach mirror/screen to rod
8-channel head array coil Siemens
90 degree PVC elbow, 1-1/4 inch fitting
Acrylic mirror Width and length of 25-30cm
Acrylic rod 1 inch width, ~ 2 ft long depening on size of scanner bore and head coil
E-Prime Psychology Software Tools to prepare and present visual stimuli paradigms
Plywood sheet, 1/2 inch thick Size should be at least as large as the scanner bore. Cut as bore-sized frame for the projection screen
Rear projection screen Size should be at least as large as the scanner bore

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (12), 5675-5679 (1992).
  2. Ogawa, S., et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (13), 5951-5955 (1992).
  3. Zhou, W., et al. Retinotopic fMRI reveals visual dysfunction and functional reorganization in the visual cortex of mild to moderate glaucoma patients. Journal of Glaucoma. 26 (5), 430-437 (2017).
  4. Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: a method for comparing cortical function with damage to the optic disk. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (2), 733-744 (2007).
  5. Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: Comparing fMRI measurements of cortical function with visual field loss. Progress in Retinal and Eye Research. 26 (1), 38-56 (2007).
  6. Gerente, V. M., et al. Evaluation of glaucomatous damage via functional magnetic resonance imaging, and correlations thereof with anatomical and psychophysical ocular findings. PLoS One. 10 (5), e0126362 (2015).
  7. Allingham, R. R., Damji, K., Freedman,, Moroj, S., Shafranov, G. Shields' textbook of glaucoma. 5th ed. , Lippincott Willliams & Wilkins. Philadelphia. (2005).
  8. Kerrigan-Baumrind, L. A., Quigley, H. A., Pease, M. E., Kerrigan, D. F., Mitchell, R. S. Number of ganglion cells in glaucoma eyes compared with threshold visual field tests in the same persons. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 41 (3), 741-748 (2000).
  9. Quigley, H. A., Addicks, E. M., Green, W. R. Optic nerve damage in human glaucoma. III. Quantitative correlation of nerve fiber loss and visual field defect in glaucoma, ischemic neuropathy, papilledema, and toxic neuropathy. Archives of Ophthalmology. 100 (1), 135-146 (1982).
  10. Smith 3rd, E. L., Hung, L. F., Harwerth, R. S. Developmental visual system anomalies and the limits of emmetropization. Ophthalmic and Physiological Optics. 19 (2), 90-102 (1999).
  11. Limb, G. A., Martin, K. R. Sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Working Group. Current prospects in optic nerve protection and regeneration: sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Conference. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (8), 5941-5954 (2011).
  12. Gupta, N., Yucel, Y. H. Glaucoma as a neurodegenerative disease. Current Opinion in Ophthalmology. 18 (2), 110-114 (2007).
  13. Yucel, Y. H., Zhang, Q., Weinreb, R. N., Kaufman, P. L., Gupta, N. Effects of retinal ganglion cell loss on magno-, parvo-, koniocellular pathways in the lateral geniculate nucleus and visual cortex in glaucoma. Progress in Retinal and Eye Research. 22 (4), 465-481 (2003).
  14. Zikou, A. K., et al. Voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging of the optic pathway in primary open-angle glaucoma: a preliminary study. American Journal of Neuroradiology. 33 (1), 128-134 (2012).
  15. Chen, W. W., et al. Structural brain abnormalities in patients with primary open-angle glaucoma: a study with 3T MR imaging. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (1), 545-554 (2013).
  16. Yu, L., et al. Morphologic changes in the anterior and posterior subregions of V1 and V2 and the V5/MT + in patients with primary open-angle glaucoma. Brain Research. 1588, 135-143 (2014).
  17. Hernowo, A. T., Boucard, C. C., Jansonius, N. M., Hooymans, J. M. M., Cornelissen, F. W. Automated morphometry of the visual pathway in primary open-angle glaucoma. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (5), 2758-2766 (2011).
  18. Dai, H., et al. Whole-brain voxel-based analysis of diffusion tensor MRI parameters in patients with primary open angle glaucoma and correlation with clinical glaucoma stage. Neuroradiology. 55 (2), 233-243 (2013).
  19. Zhou, W., Muir, E. R., Chalfin, S., Nagi, K. S., Duong, T. Q. MRI study of the posterior visual pathways in primary open angle glaucoma. Journal of Glaucoma. 26 (2), 173-181 (2017).
  20. Dale, A. M., Fischl, B., Sereno, M. I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. NeuroImage. 9 (2), 179-194 (1999).
  21. Li, X., Morgan, P. S., Ashburner, J., Smith, J., Rorden, C. The first step for neuroimaging data analysis: DICOM to NIfTI conversion. Journal of Neuroscience Methods. 264, 47-56 (2016).
  22. Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, 208-219 (2004).
  23. Woolrich, M. W., Ripley, B. D., Brady, M., Smith, S. M. Temporal autocorrelation in univariate linear modeling of FMRI data. NeuroImage. 14 (6), 1370-1386 (2001).
  24. Murphy, M. C., et al. Retinal structures and visual cortex activity are impaired prior to clinical vision loss in glaucoma. Scientific Reports. 6, 31464 (2016).
  25. Chan, R. W., et al. Relationships between cerebrovascular reactivity, visual-evoked functional activity, and resting-state functional connectivity in the visual cortex and basal forebrain in glaucoma. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 4037-4040 (2021).
  26. Murphy, M. C., et al. Top-down influence on the visual cortex of the blind during sensory substitution. Neuroimage. 125, 932-940 (2016).
  27. Bang, J. W., Hamilton-Fletcher, G., Chan, K. C. Visual plasticity in adulthood: perspectives from Hebbian and homeostatic plasticity. The Neuroscientist. 29 (1), 117-138 (2023).
  28. Greco, V., et al. A low-cost and versatile system for projecting wide-field visual stimuli within fMRI scanners. Behavior Research Methods. 48 (2), 614-620 (2016).
  29. DeYoe, E. A., Raut, R. V. Visual mapping using blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging. Neuroimaging Clinics of North America. 24 (4), 573-584 (2014).
  30. Pitzalis, S., et al. Wide-field retinotopy defines human cortical visual area v6. The Journal of Neuroscience. 26 (30), 7962-7973 (2006).
  31. Wu, J., et al. Development of a method to present wide-view visual stimuli in MRI for peripheral visual studies. Journal of Neuroscience Methods. 214 (2), 126-136 (2013).
  32. Ellis, C. T., et al. Re-imagining fMRI for awake behaving infants. Nature Communications. 11 (1), 4523 (2020).
  33. Yan, T., Jin, F., He, J., Wu, J. Development of a wide-view visual presentation system for visual retinotopic mapping during functional MRI. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (2), 441-447 (2011).
  34. Park, J., Soucy, E., Segawa, J., Konkle, T. Full-field fMRI: a novel approach to study immersive vision. Journal of Vision. 22 (14), 4018 (2022).

Tags

هذا الشهر في JoVE ، العدد 202 ،
التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) للقشرة البصرية مع تحفيز شبكية شبكية واسع الرؤية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Galenchik-Chan, A., Chernoff, D.,… More

Galenchik-Chan, A., Chernoff, D., Zhou, W., Duong, T. Q., Muir, E. R. Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) of the Visual Cortex with Wide-View Retinotopic Stimulation. J. Vis. Exp. (202), e65597, doi:10.3791/65597 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter