Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) af den visuelle cortex med bred visning af retinopisk stimulering

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

Vi har udviklet teknikker til kortlægning af den visuelle cortex-funktion, der udnytter mere af synsfeltet, end det er almindeligt anvendt. Denne tilgang har potentiale til at forbedre evalueringen af synsforstyrrelser og øjensygdomme.

Abstract

Højopløselig retinotopisk blodiltningsniveauafhængig (BOLD) funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) med en bred visningspræsentation kan bruges til funktionelt at kortlægge den perifere og centrale visuelle cortex. Denne metode til måling af funktionelle ændringer i den visuelle hjerne muliggør funktionel kortlægning af occipitalappen, hvilket stimulerer >100 ° (±50 °) eller mere af synsfeltet sammenlignet med standard fMRI-visuelle præsentationsopsætninger, der normalt dækker <30 ° af synsfeltet. Et simpelt vidvinkelstimuleringssystem til BOLD fMRI kan konfigureres ved hjælp af almindelige MR-kompatible projektorer ved at placere et stort spejl eller en skærm tæt på motivets ansigt og kun bruge den bageste halvdel af en standard hovedspole til at give en bred betragtningsvinkel uden at hindre deres syn. Det retinotopiske fMRI-kort med bred visning kan derefter afbildes ved hjælp af forskellige retinotopiske stimuleringsparadigmer, og dataene kan analyseres for at bestemme den funktionelle aktivitet af visuelle kortikale regioner svarende til centralt og perifert syn. Denne metode giver et praktisk, let at implementere visuelt præsentationssystem, der kan bruges til at evaluere ændringer i den perifere og centrale visuelle cortex på grund af øjensygdomme som glaukom og det synstab, der kan ledsage dem.

Introduction

Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) er en værdifuld metode til at vurdere ændringer i regional neurovaskulær funktion i den visuelle cortex som reaktion på stimuli, da ændringer i regional blodgennemstrømning korrelerer med aktiveringen af hjerneområder 1,2. Højopløselige retinotopiske iltningsniveauafhængige (BOLD) signalmålinger repræsenterer ændringer i deoxyhemoglobin, som drives af lokaliserede ændringer i blodgennemstrømning og iltning af blodet i hjernen 1,2. BOLD-aktivitetsmønstre indsamlet fra fMRI-data kan bruges til funktionelt at kortlægge den perifere og centrale visuelle cortex samt detektere ændringer i det retinopiske kort som reaktion på synshandicap og neurodegeneration3.

De fleste tidligere fMRI-undersøgelser gjorde brug af snævre (ca. ±12° af det centrale synsfelt) ikke-retinotopiske stimuli eller simple retinotopiske stimuli med smalsynede visuelle stimuli, som gav begrænset funktionel parcellering af den retinopiske repræsentation i synsbarken og begrænset vurdering til kun det centrale synsfelt, eksklusive periferien3. Derfor har snævre fMRI-data rapporteret inkonsekvente BOLD-procentændringer hos glaukompatienter 4,5,6. Der er derfor behov for bedre fMRI-tilgange til vurdering af det perifere og centrale synsfelt, især i evalueringen af sygdomme som grøn stær.

Glaukom er den førende årsag til irreversibel blindhed, der påvirker 10% af mennesker i en alder af 807. Glaukom er forårsaget af den progressive, irreversible neurodegeneration af retinale ganglionceller, som er ansvarlige for at overføre visuelle stimuli til hjernen gennem synsnerven. I primær åbenvinklet glaukom (POAG), den mest almindelige form for glaukom, forårsager øget intraokulært tryk udtynding af retinale nervefiberlag (RNFL), hvilket fører til tab af perifert syn efterfulgt af perifer og central blindess 8,9,10,11. Histologiske beviser fra dyreforsøg tyder på, at glaukom desuden resulterer i progressiv neurodegeneration af synsnerven, synskanalen, lateral genikulatkerne, optisk stråling og visuel cortex12,13. MR-teknologi tilbyder en minimalt invasiv metode til vurdering af både blodiltning og neurodegeneration i den visuelle cortex. Hos patienter med glaukom har MR fundet tegn på gråstofatrofi i den visuelle vej 13,14,15,16 og unormal hvid substans i optisk chiasme, optisk kanal og optisk stråling 1,17,18.

For yderligere at udforske virkningerne på visuel behandling kan fMRI bruges til at detektere hjernefunktion som reaktion på visuelle signaler. Protokollen heri beskriver en ny metode til at opnå et billigt, bredt retinotopisk kort ved hjælp af retinotopi fMRI med høj opløsning med vidvinkelstimuli (>100°), som beskrevet af Zhou et al3. Visuelle stimuli af ekspanderende ringe og roterende kiler blev brugt til at fremkalde retinotopisk kortlægning af excentriciteten og polarvinklen for fMRI. BOLD fMRI procentvise ændringer blev analyseret som en funktion af excentricitet for at evaluere hjernefunktion, svarende til både centralt og perifert syn. Den BOLD fMRI procentændring kan bruges til at visualisere aktivering i hele den visuelle cortex. Disse fMRI-målinger giver en pålidelig ny metode til evaluering af neurodegenerative ændringer og deres funktionelle virkninger på den visuelle cortex, der findes i øjensygdomme, der involverer synsfeltdefekter, såsom glaukom.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forskning med menneskelige deltagere blev udført i overensstemmelse med institutionelle retningslinjer ved University of Texas Health Science Center og Stony Brook University med informeret samtykke fra deltagerne til disse undersøgelser og brug af deres data.

1. Opsætning af MR-scanner og billedbehandlingsprotokoller

  1. Til fMRI skal du bruge en 3T MR-scanner med flerkanals modtagerhovedspoler. Forskellige feltstyrker kan også bruges, men kan give problemer med signal-støj-forhold (SNR) eller forvrængningsartefakter, så juster i overensstemmelse hermed. Brug kun den bageste halvdel af hovedspolen til fMRI for at give mulighed for en større synsvinkel uhindret af den forreste halvdel af spolen.
  2. Opsæt en T1-vægtet magnetiseringsforberedt MP-RAGE-sekvens (rapid acquisition gradient echo) med en gentagelsestid (TR) på 2,2 sek., ekkotid (TE) på 2,8 ms, synsfelt (FOV) på 176 mm x 256 mm x 208 mm, rumlig opløsning på 1 mm x 1 mm x 1 mm, båndbredde på 190 Hz / pixel, vendevinkel på 13°, og en scanningsvarighed på 3,1 min3.
  3. Konfigurer en gradient-ekko, ekkoplan billeddannelse (EPI) sekvens med en TR på 2 s, TE på 30 ms, FOV på 220 mm x 220 mm, in-plane opløsning på 1,7 mm x 1,7 mm, 29 skiver med en tykkelse på 3 mm og en båndbredde på 1.500 Hz / pixel3.
  4. Mål dimensionerne på hovedspolen og scannerboringen, og konstruer derefter en simpel ramme ved at skære et polyvinylchlorid (PVC) rør i passende længder og forbinde dem med PVC-albuer. Få et spejl, der er mindst 25 cm bredt og 15 cm højt, og fastgør det til en plastikstang med skruer (små huller kan bores ind i spejlet).
    1. Fastgør enderne af plaststangen til PVC-rammen med nylonskruer (figur 1A). Sørg for, at nylonskruerne er lidt løse, så spejlet kan drejes med hånden for at optimere vinklen for hver deltager.
  5. Lav en skærm for at gå ind i MR-boringen. Klip et segment af en bagprojektionsskærm, der er omtrent på størrelse med MR-boringen. Konstruer en ramme, der er på størrelse med boringen, og fastgør skærmen til rammen med skruer. Placer skærmen inde i scanneren lige bag hovedspolen for at minimere afstanden mellem skærmen og spejlet og maksimere synsfeltet.
    BEMÆRK: Hvis scannerboringen er stor nok, kan en enkelt skærm bruges til at deltage til at se direkte i stedet for spejlet og bagprojektionsskærmen. En projektionsskærm fastgjort til et tyndt træplade til bagside eller et ark tynd mat hvid plast kan bruges som skærm og placeres på rammen i stedet for et spejl. Projektoren skal derefter placeres og fokuseres, så den fylder skærmen og er i fokus.

2. Forberedelse af deltagere

  1. Informer deltageren om proceduren, risici og fordele ved fMRI-scanningen. Få deres informerede samtykke.
  2. Sørg for, at deltageren ikke har kontraindikationer for MR. Dette omfatter screening for pacemakere, metalimplantater eller klaustrofobi. Hvis du har usikkerhed, skal du konsultere en kvalificeret radiolog eller forsker og udelukke deltageren fra undersøgelsen, hvis der stadig er usikkerhed.
  3. Forklare den visuelle stimuleringsprotokol og behovet for, at deltagerne fikserer på det centrale kryds under fMRI-scanningerne. Vis deltageren en kort demonstration af den visuelle stimulering til instruktionsformål for at gøre dem bekendt med proceduren.
  4. Placer forsigtigt deltageren på bordet på MR-scanneren for at sikre, at de er komfortable og afslappede. Sørg for ørepropper og / eller et lyddæmpende headset for at reducere den akustiske støj, som deltageren vil høre for at beskytte deres hørelse.
  5. Immobiliser deltagerens hoved i den bageste halvdel af hovedspolearrayet ved hjælp af skumpolstring på siderne af hovedet for at sikre, at hovedet er korrekt immobiliseret for at reducere bevægelsesartefakter. Brug scannerens positioneringssystem, og flyt bordet ind i scannerboringen.
  6. Placer bredskærmen eller spejlet 10 cm fra patientens øjne (figur 1B). Placer skærmen på størrelse med en boring fra bagsiden af scannerboringen lige bag hovedspolen. Juster placeringen og vinklen på spejlet/skærmen for hver deltager for at opnå en ensartet synsvinkel.
  7. Sørg for, at deltageren er komfortabel under hele scanningen via kommunikation gennem intercom.

3. fMRI-scanning af deltager

  1. Kør en lokaliseringsscanning med tre ortogonale planer og scannerjusteringer og kalibreringer til frekvensjustering og shimming.
  2. Kør en MP-RAGE anatomisk scanning for at hjælpe med at placere EPI-skiverne.
  3. Opret visuelle stimuli, som beskrevet i de følgende trin, ved hjælp af et program til at køre adfærdsmæssige eller psykologiske eksperimenter.
  4. I starten af fMRI-protokollen instrueres deltageren om at fiksere på det hvide kryds (3 ° x 3 °), som skal være oven på en grå baggrund i midten af stimuli i 10 s.
    BEMÆRK: Det hvide kryds vises før og efter hvert visuelt stimuleringsparadigme i 10 sekunder. Således er den samlede fMRI-stimuleringstest for hvert paradigme 200 s.
  5. Præsenter det første visuelle stimuleringsparadigme (en række roterende kiler) i en periode på 30 s (hvilket giver en vinkelhastighed på 6 ° / s) og cyklus gennem seks perioder. Kilestimuli skal omfatte 12 rammer af roterende kiler (en scanning med urets rotation og en med mod uret), der strækker sig til kanten af skærmen/spejlet (>100° synsfelt) med et 8 Hz kontrastvendt sort-hvidt (100% kontrast) skakbrætmønster (figur 2A).
  6. Præsenter det hvide kors igen i 10 s.
  7. Gentag trin 3.4-3.6 med det andet visuelle stimuleringsparadigme (en række ekspanderende og sammentrækkende ringe) i en periode på 30 s (ekspanderende eller sammentrækkende ved 1,8 ° / s af synsfeltet) og cykle gennem seks perioder. Ringstimuli skal omfatte otte rammer af ekspanderende eller sammentrækkende ringe (>100 ° synsfelt) med et 8 Hz kontrastvendt sort / hvidt (100% kontrast) skakbrætmønster (figur 2B).
  8. Når du har gennemført fMRI, skal du flytte bordet ud af scannerboringen, mens du instruerer deltageren om at forblive stille. Fjern spejlet/skærmen, placer den forreste del af hovedspolen ud over den bageste, og flyt bordet tilbage i midten af scanneren.
  9. Få en hurtig lokaliseringsscanning i tilfælde af bevægelse, og få en MP-RAGE-scanning med den fulde hovedspole.
    BEMÆRK: Et anatomisk billede med hele hovedspolen er nødvendig for nøjagtig registrering til gruppeanalyser og rekonstruktionsformål.

4. Analyse af retinotopisk fMRI-data

  1. Download og installer FreeSurfer-applikationen til MR-analyse (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
    BEMÆRK: FreeSurfer version 5.3.0 blev brugt heri.
  2. Hent billeder i DICOM-format (Digital Imaging and Communications in Medicine) fra MR-scanneren. Konverter DICOM-filerne til nifti-format ved hjælp af dcm2niix-applikationen (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21.
  3. Behandl den T1-vægtede scanning for at få en kortikal overfladereference som beskrevet i de følgende to trin. Brug FreeSurfer til at konvertere strukturelle data fra nifti-format til .mgz-format (mri_convert kommando).
  4. Brug kommandoen recon-all i et shell-miljø til at udføre automatiseret segmentering og kortikal rekonstruktion af strukturdataene.
    BEMÆRK: Dette trin kan tage over 20 timer at fuldføre.
  5. Brug den grafiske brugergrænseflade tksurfer til at se den oppustede halvkugle og skære den visuelle cortex langs calcarine sprækken, og vælg occipital lap. Brug kommandoen mris_flatten til at samkopiere det visuelle cortex-plaster. Gentag dette trin for begge halvkugler.
  6. For fMRI-dataene skal hvileperioderne først fjernes fra starten og slutningen af dataene, hvor kun fikseringskrydset vises. Screene fMRI-dataene for artefakter eller store bevægelser.
  7. Forbehandle de funktionelle data til rumlig udjævning og bevægelseskorrektion. Model det retinotopiske stimulusparadigme og anvend en kanonisk hæmodynamisk responsfunktion til at konstruere responsfunktionen.
  8. Udfør retinotopisk fasekodet analyse af fMRI-dataene ved hjælp af FreeSurfer-funktionsanalysestrømmen (mkanalysis-sess, selxavg3-sess- og fieldsign-sess-kommandoer) for at korrelere BOLD fMRI-tidsserien med en modelleret responsfunktion og opnå fasekodede retinopiske kort med et signifikansniveau på p < 0,01 (figur 3).
  9. Visualiser resultaterne af de retinopiske kort med farvekodede aktiveringskort overlejret på den næsten flade visuelle cortex ved hjælp af kommandoen tksurfer-sess og vis ved hjælp af rtview-kommandoen.
  10. Brug de fasekodede retinotopiske kort fra kilestimuli til at hjælpe med at definere grænserne for den primære visuelle cortex (V1) og andre ekstra striateområder (V2 og V3) ved hjælp af feltskiltekort (figur 3A) sammen med anatomiske landemærker og FreeSurfer-atlaser.
  11. For at beregne BOLD-responsen ved forskellige excentriciteter skal du først bruge FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) til at beregne statistiske kort ved hjælp af en generel lineær model for hver størrelse ringstimuli med en z-scoretærskel på Z > 2,322,23. Hvis der udføres gruppeanalyse, skal du beregne analysen på andet niveau for statistiske kort over gruppeforskelle med FSL Feat for at hjælpe med at bestemme BOLD-responsen ved forskellige excentriciteter.
  12. Co-registrer fMRI-billederne på den rekonstruerede kortikale overflade ved hjælp af FreeSurfer bbregister og tkregister2 kommandoer for at justere deltagerens fMRI-data til det anatomiske strukturelle billede af deres hjerne og sikre nøjagtig rumlig justering.
  13. Gruppér ringstimuli efter excentricitet for hver af de otte rammer. Tegn manuelt interesseområder for forskellige excentriciteter baseret på de aktiverede voxel-regioner for hver ramme. Tag BOLD-procentændringerne og plot dem som en funktion af excentricitet. Læg også excentricitetsdataene i centrale (< ±12°) og perifere (> ±12°) regioner, hvor en visuel stimulus på ±12° er typisk for retinotopiske fMRI-studier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ni deltagere diagnosticeret med POAG (fire mænd, 36-74 år) og ni aldersmatchede raske frivillige (seks mænd, 53-65) blev evalueret ved hjælp af den førnævnte wide-view fMRI-protokol, som tidligere beskrevet af Zhou et al3. POAG blev bekræftet klinisk hos patienter med åben vinkel ved vurdering af præsentationen af synsfeltdefekter i overensstemmelse med glaukom, optisk diskusprolaps og/eller et intraokulært tryk (IOP) større end 21 mmHg3. En bred visuel præsentation (±55°) blev brugt til at evaluere centralt og perifert syn i hver gruppe3.

Figur 3 viser de retinotopiske fMRI-kort for polære (kile) og excentricitetsstimuli (ring) fra en POAG og sund kontroldeltager. Polarkortene (figur 3A) afslørede ingen åbenlyse forskelle mellem POAG og raske deltagere. Excentricitetskortene (figur 3B) viste, at den centrale region af parafovea, der blev aktiveret af de mindre ringstimuli, syntes større hos POAG-patienten sammenlignet med den raske deltager. Det forstørrede parafoveale område i POAG-deltagernes visuelle cortex antyder kortikale ændringer som reaktion på perifere synsforstyrrelser.

BOLDPROCENT-ændringer for centrale (<24°) og perifere (>24°) synsfelter mellem POAG-undergrupper og den raske kontrolgruppe blev sammenlignet (figur 4). BOLD-procentændringer ved forskellige excentriciteter blev reduceret hos POAG-patienter sammenlignet med raske kontroldeltagere, primært ved mere perifere excentriciteter (figur 4A). De BOLD-procentvise ændringer blev signifikant reduceret mellem de to grupper, mere ved større excentriciteter (p < 0,05, tovejs ANOVA med Bonferroni post hoc-test). De gennemsnitlige BOLD-procentændringer for centralt syn (alle stimuli <24°) var kun lidt og ikke signifikant reduceret hos POAG-patienter, mens BOLD-responset for perifert syn (alle stimuli >24°) var signifikant reduceret (figur 4B). Disse resultater indikerer denne protokols potentielle anvendelighed til at vurdere ændringer i visuel cortexfunktion lokaliseret til perifert eller centralt syn, hvilket er relevant for synsforstyrrelser såsom glaukom.

Figure 1
Figur 1: Eksperimentel opsætning. (A) Det 25 cm brede og 15 cm høje spejl holdt på plads med en ramme konstrueret af PVC-rør. (B) Opsætning af præsentationssystemet på en MR-scanner, der viser den bageste del af en hovedarray-spole, spejlet og rammen og back-projection-skærmen (pile) i boringen direkte bag hovedspolen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Visuelle stimuleringsparadigmer. (A) Tre rammer fra det polære retinotopiske visuelle stimuleringsparadigme, som består af roterende kiler med uret og mod uret med et kontrastalternerende skakbrætmønster. (B) Tre rammer fra excentricitetsparadigmet, som består af ekspanderende og sammentrækkende ringe med et kontrastalternerende skakbrætmønster. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Retinotopiske polar- og excentricitetskort. Repræsentativt (A) polarkort ved hjælp af en roterende kile fra en normal kontrol og (B) excentricitetskort ved hjælp af ekspanderende/sammentrækkende ringe fra en normal kontrol og en POAG-deltager. Både venstre og højre halvkugle (LH og RH) vises med definerede visuelle kortikale grænser (V1, V2 og V3). En ramme fra hvert paradigme er vist i den centrale indsats. Farveskalaerne kortlægges til de tilsvarende områder af synsfeltet, som angivet af farvehjulene, med A) kortlægning til kilestimuliens polære vinkel og B) kortlægning til ringstimuliens excentricitet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: BOLD-procentændringer som funktion af excentricitet og centrale eller perifere synsfelter. (A) Gruppegennemsnitlige BOLD-procentændringer fra ringstimuli hos raske kontroller og POAG-patienter som funktion af excentricitet. Den BOLD-procentvise ændring for hver størrelse af ringstimuli blev beregnet til at give dataene ved hver excentricitet. (B) FED procentvise ændringer mellem raske kontrol- og POAG-patienter i det centrale (< ±12°) og perifere (> ±12°) synsfelt ved at binne data fra alle excentriciteterne. Data er gennemsnitlige ± standardfejl i middelværdien. *p < 0,05, to-faktor ANOVA med post hoc korrelation. Denne figur er blevet ændret fra Zhou et al.3 med tilladelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ovenstående protokol til udnyttelse af wide-view retinotopisk fMRI er en innovativ metode til at evaluere virkningerne af synstab og øjensygdomme på hjernen. Gennem wide-field retinotopisk kortlægning af den visuelle cortex med brug af en bredere visningsskærm giver denne tilgang mulighed for en mere omfattende forståelse af det visuelle systems funktionelle organisation. Dette kan føre til en bedre forståelse af abnormiteter i hjernens visuelle behandlingssystem, som forekommer i neurodegeneration, såsom i glaukom24,25. Denne teknologi kan også bruges til at opdage og analysere hjernedegeneration og reorganisering under andre forhold, der forårsager blindhed, såsom aldersrelateret makuladegeneration26,27.

Et enkelt menneskeligt øje har omkring 100 ° visuel vinkel. Tidligere teknikker, der blev anvendt i de fleste visuelle fMRI-undersøgelser, anvendte en FOV på mindre end 30 °, hvilket begrænsede den del af den visuelle cortex, der kunne aktiveres og analyseres af fMRI28. Derfor kunne perifert syn ikke visualiseres, hvilket tvang alle analyser til udelukkende at fokusere på det centrale synsfelt. Klinisk forhindrede dette klinikere i nøjagtigt at udføre præoperativ kortikal kortlægning, hvilket er afgørende for at undgå vitale steder, når de udfører hjerneoperationer29. Med den brede retinotopiske fMRI-teknik beskrevet i denne protokol er synsvinklen øget til op til 100° (±50°)3,30,31. For at give mulighed for et vidvinkelbillede og mindske visuel obstruktion forårsaget af hovedspolen, bruges kun den bageste halvdel af hovedspolen. Hovedspoler har normalt et relativt lille vindue med stænger på tværs, der hæmmer evnen til fuldt ud at se de retinotopiske stimuli med bred udsigt. Brug af kun den bageste del af hovedspolen forårsager imidlertid stor signalinhomogenitet over hele hjernen og reducerer SNR i de forreste og centrale regioner. Billedkvaliteten og SNR i den bageste occipitale lap bør ikke påvirkes kraftigt32. De nøjagtige virkninger af kun at bruge den bageste del af spolen afhænger dog sandsynligvis af et specifikt spoledesign (antal og størrelse af arrayed coils), så test af SNR- eller signal-støj-udsvingsforholdet hos nogle få emner med og uden den forreste del kan udføres, hvis der er bekymring for betydeligt SNR-tab med en given spole32.

Korrekt opsætning af den T1-vægtede MP-RAGE-sekvens er afgørende for korrekt registrering af funktionelle billeder til hjernestrukturelle billeder i høj opløsning og til anatomisk registrering til skabeloner eller til gruppestudier. Som sådan erhverver vi det T1-vægtede billede ved hjælp af hele hovedspolen, hvilket kan resultere i let bevægelse af deltageren i forhold til fMRI-scanningen. Justering af fMRI til den anatomiske scanning er et rutinemæssigt analysetrin, så dette bør ikke være et problem. Alternativt kan erhvervelsen af det T1-vægtede billede uden den forreste spole udføres, men billedets inhomogenitet kan påvirke kvaliteten af registreringen til en referenceskabelon. For at undgå bevægelsesartefakter er det afgørende at immobilisere deltagerens hoved korrekt i hovedspolen. Bevægelsesartefakter kan naturligvis forekomme uden ordentlig stabilisering, hvilket vil påvirke kvaliteten af de indsamlede fMRI-data negativt, hvilket fører til dårligere resultater fra analysen. Mens efterbehandling af bevægelseskorrektion er rutine for fMRI-analyse, kan store bevægelser stadig påvirke resultaterne, så det er vigtigt at kontrollere funktionelle scanninger for datakvalitet og kassere undersøgelser med større artefakter. I denne protokol blev deltagerne instrueret i at fokusere på et hvidt kryds i 10 sekunder, både før og efter hvert visuelt stimuleringsparadigme, for at opnå baseline BOLD-data. Dette hjalp med at reducere variabiliteten af fMRI ved baseline og tillod også forsøgspersonens hjerne at tilpasse sig scannerlydene og baggrundsskærmens lysstyrke, før de faktiske visuelle datatest begyndte.

Der er en række alternative tilgange, der kan overvejes til fMRI med bred visning. Den fremgangsmåde, der er beskrevet heri, ved hjælp af en stor skærm/spejl med kun den bageste halvdel af hovedspolen, kan give et moderat vidvinkel op til omkring 100° FOV 3,30. Omkostningerne ved at fremstille spejlet / skærmen er meget lave (potentielt 28. MR-kompatible briller var nødvendige for, at deltageren kunne fokusere på skærmen. Ellis et al. brugte også en lignende tilgang, men med projektoren vippet ned på et spejl i bunden af boringen, som reflekterede stimuli direkte på toppen af boringen over motivets ansigt, hvilket gav en 115 ° visuel vinkel32. Udsigten forvrænges af den buede boring, hvilket kræver, at billederne for stimuli fordrejes for at korrigere. En udvidelse af denne tilgang blev for nylig rapporteret med en brugerdefineret buet skærm øverst på scannerboringen og to spejle, der var i stand til at give et ultrabredt synsfelt på 175 ° 34. Nogle af disse rapporterede metoder brugte den forreste del af hovedspolen, og andre gjorde det ikke; Enhver af disse metoder kan dog bruges på begge måder, med potentielt en lidt højere SNR ved hjælp af den forreste spole, men med afvejningen af reduceret visuel vinkel og dele af synsfeltet blokeret. En potentiel begrænsning med alle metoder, der bruger en projektor, er, at for en skærm med brugerdefineret størrelse og placering skal projektoren justeres for fokus og størrelse på det projicerede billede ved at justere projektoren / objektivet, flytte projektoren eller få brugerdefinerede linser, hvis de tidligere metoder ikke er tilstrækkelige.

En anden tilgang brugte en gennemsigtig plaststang med en buet ende som skærm med en projektor for at give en lidt større visuel vinkel på 120 °, hvilket er kompatibelt med at bruge den forreste hovedspole uden at begrænse FOV. Imidlertid kan kun monokulær stimulering udføres. Der kræves en speciel linse til projektoren, hvilket øger omkostningerne, og kontaktlinser skal bæres for at deltageren kan fokusere på skærmen, hvilket komplicerer opsætningen31. En lignende tilgang brugte fiberoptiske bundter til direkte at transmittere og præsentere billeder fra en skærm til en deltagers øje, hvilket gav en visuel vinkel på op til 120 ° 33. Kontaktlinser skal også bæres, og kun et enkelt øje kan stimuleres ad gangen. Denne metode kræver et langt fiberoptisk bundt med høj densitet, som kan have relativt lav opløsning til præsentationen og kan være moderat dyrt33.

Synshandicap og øjensygdom kan påvirke strukturen og funktionen af den visuelle cortex. BOLD fMRI kan bruges til at visualisere retinopisk kortikal funktion, men de fleste visuelle præsentationssystemer, der anvendes til fMRI, stimulerer kun det centrale synsfelt. Denne protokol beskriver implementeringen af et wide-view præsentationssystem til fMRI, der kan bruges til funktionelt at kortlægge den perifere og centrale visuelle cortex. Dette system kan konfigureres nemt og billigt ved hjælp af almindelige MR-kompatible projektorer. Selvom den beskrevne protokol med nogle begrænsninger har potentialet til at analysere funktioner i den visuelle cortex svarende til centralt og perifert syn på et niveau, der balancerer omkostninger og præcision. De data, der indsamles gennem denne metode, kan analyseres for at bestemme selektiv aktivering baseret på forskellige typer visuelle stimuli og hjernekommunikation mellem forskellige områder til visuel behandling. Denne metode kan bruges til at evaluere ændringer i funktionen af perifer og central visuel cortex på grund af synstab og øjensygdomme såsom glaukom. Denne teknologi har derfor anvendelser til diagnosticering, styring og behandling af øjensygdomme.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af National Institutes of Health [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

Denne måned i JoVE nummer 202
Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) af den visuelle cortex med bred visning af retinopisk stimulering
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