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Neuroscience

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) der Sehrinde mit retinotopischer Stimulation

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

Wir haben Techniken entwickelt, um die Funktion des visuellen Kortex abzubilden und dabei mehr vom Gesichtsfeld zu nutzen, als üblicherweise verwendet wird. Dieser Ansatz hat das Potenzial, die Beurteilung von Sehstörungen und Augenerkrankungen zu verbessern.

Abstract

Die hochauflösende retinotope Blutoxygenierungsniveau-abhängige (BOLD) funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) mit einer Weitwinkeldarstellung kann zur funktionellen Kartierung des peripheren und zentralen visuellen Kortex verwendet werden. Diese Methode zur Messung funktioneller Veränderungen des visuellen Gehirns ermöglicht eine funktionelle Kartierung des Okzipitallappens, die >100° (±50°) oder mehr des Gesichtsfeldes stimuliert, im Vergleich zu Standard-fMRT-Präsentationsaufbauten, die normalerweise <30° des Gesichtsfeldes abdecken. Ein einfaches Weitwinkel-Stimulationssystem für BOLD fMRT kann mit gängigen MR-kompatiblen Projektoren eingerichtet werden, indem ein großer Spiegel oder eine Leinwand in der Nähe des Gesichts des Probanden platziert wird und nur die hintere Hälfte einer Standard-Kopfspule verwendet wird, um einen weiten Betrachtungswinkel zu bieten, ohne die Sicht zu behindern. Die retinotope fMRT-Karte mit breiter Ansicht kann dann mit verschiedenen retinotopen Stimulationsparadigmen abgebildet werden, und die Daten können analysiert werden, um die funktionelle Aktivität visueller kortikaler Regionen zu bestimmen, die dem zentralen und peripheren Sehen entsprechen. Diese Methode bietet ein praktisches, einfach zu implementierendes visuelles Präsentationssystem, mit dem Veränderungen im peripheren und zentralen visuellen Kortex aufgrund von Augenerkrankungen wie Glaukom und dem damit einhergehenden Sehverlust beurteilt werden können.

Introduction

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine wertvolle Methode, um Veränderungen der regionalen neurovaskulären Funktion innerhalb des visuellen Kortex als Reaktion auf Reize zu beurteilen, da Veränderungen des regionalen Blutflusses mit der Aktivierung von Hirnregionen korrelieren 1,2. Hochauflösende retinotope Blutoxygenierungsniveau-abhängige (BOLD) Signalmessungen stellen Veränderungen des Desoxyhämoglobins dar, die durch lokalisierte Veränderungen des Blutflusses und der Blutsauerstoffversorgung im Gehirn angetrieben werden 1,2. BOLD-Aktivitätsmuster, die aus fMRT-Daten gesammelt werden, können verwendet werden, um den peripheren und zentralen visuellen Kortex funktionell zu kartieren und Veränderungen in der retinotopen Karte als Reaktion auf Sehbehinderung und Neurodegeneration zu erkennen3.

In den meisten früheren fMRT-Studien wurden nicht-retinotope Stimuli mit eingeschränkter Sicht (ca. ±12° des zentralen Gesichtsfeldes) oder einfache retinotope Stimuli mit visuellen Reizen mit eingeschränkter Sicht verwendet, die eine begrenzte funktionelle Parzellierung der retinotopen Repräsentation im visuellen Kortex und eine auf das zentrale Gesichtsfeld beschränkte und die Beurteilung nur auf das zentrale Gesichtsfeld mit Ausnahme der Peripherie beschränkten3. Folglich haben Narrow-View-fMRT-Daten inkonsistente BOLD-prozentuale Veränderungen bei Glaukompatienten berichtet 4,5,6. Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten fMRT-Ansätzen zur Beurteilung des peripheren und zentralen Gesichtsfeldes, insbesondere bei der Beurteilung von Erkrankungen wie dem Glaukom.

Das Glaukom ist die Hauptursache für irreversible Erblindung, von der 10 % der Menschen im Alter von 80 Jahren betroffen sind7. Das Glaukom wird durch die fortschreitende, irreversible Neurodegeneration von retinalen Ganglienzellen verursacht, die für die Übertragung visueller Reize an das Gehirn über den Sehnerv verantwortlich sind. Beim primären Offenwinkelglaukom (POWG), der häufigsten Form des Glaukoms, führt ein erhöhter Augeninnendruck zu einer Ausdünnung der retinalen Nervenfaserschicht (RNFL), was zum Verlust des peripheren Sehens führt, gefolgt von peripherer und zentraler Blindheit 8,9,10,11. Histologische Befunde aus Tierversuchen deuten darauf hin, dass das Glaukom zusätzlich zu einer fortschreitenden Neurodegeneration des Sehnervs, des Sehtrakts, des lateralen Nucleus geniculatus, der optischen Strahlung und des visuellen Kortex führt12,13. Die MRT-Technologie bietet eine minimalinvasive Methode, um sowohl die Sauerstoffversorgung des Blutes als auch die Neurodegeneration in der Sehrinde zu beurteilen. Bei Patienten mit Glaukom hat die MRT Hinweise auf eine Atrophie der grauen Substanz in der Sehbahn 13,14,15,16 und eine abnorme weiße Substanz im Chiasma opticus, im Sehtrakt und in der optischen Strahlung gefunden 1,17,18.

Um die Auswirkungen auf die visuelle Verarbeitung weiter zu untersuchen, kann fMRT verwendet werden, um die Gehirnfunktion als Reaktion auf visuelle Hinweise zu erkennen. Das hierin enthaltene Protokoll beschreibt ein neuartiges Verfahren zur Erlangung einer kostengünstigen, breitbildigen retinotopischen Karte unter Verwendung einer hochauflösenden Retinotopie-fMRT mit Weitfeld-Stimuli (>100°), wie von Zhou et al.3 beschrieben. Visuelle Stimuli von expandierenden Ringen und rotierenden Keilen wurden verwendet, um eine retinotope Kartierung der Exzentrizität und des Polarwinkels für die fMRT zu erhalten. Die prozentualen Veränderungen von BOLD fMRT wurden als Funktion der Exzentrizität analysiert, um die Gehirnfunktion zu bewerten, die sowohl dem zentralen als auch dem peripheren Sehen entspricht. Die BOLD-fMRT-prozentuale Veränderung kann verwendet werden, um die Aktivierung im gesamten visuellen Kortex zu visualisieren. Diese fMRT-Messungen stellen eine zuverlässige neue Methode dar, um neurodegenerative Veränderungen und ihre funktionellen Auswirkungen auf die Sehrinde bei Augenerkrankungen mit Gesichtsfeldausfällen wie dem Glaukom zu bewerten.

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Protocol

Die Forschung mit menschlichen Teilnehmern wurde in Übereinstimmung mit den institutionellen Richtlinien am University of Texas Health Science Center und an der Stony Brook University durchgeführt, wobei die Einwilligung der Teilnehmer für diese Studien und die Verwendung ihrer Daten eingeholt wurde.

1. Einrichtung des MRT-Scanners und der Bildgebungsprotokolle

  1. Verwenden Sie für die fMRT einen 3T-MRT-Scanner mit Mehrkanal-Empfängerkopfspulen. Es können auch unterschiedliche Feldstärken verwendet werden, die jedoch Schwierigkeiten mit dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) oder Verzerrungsartefakten verursachen können. Verwenden Sie für die fMRT nur die hintere Hälfte der Kopfspule, um einen größeren Betrachtungswinkel zu ermöglichen, der nicht durch die vordere Hälfte der Spule behindert wird.
  2. eine T1-gewichtete, durch Magnetisierung vorbereitete Rapid-Acquisition-Gradient-Echo-Sequenz (MP-RAGE) mit einer Wiederholungszeit (TR) von 2,2 s, einer Echozeit (TE) von 2,8 ms, einem Sichtfeld (FOV) von 176 mm x 256 mm x 208 mm, einer räumlichen Auflösung von 1 mm x 1 mm x 1 mm, einer Bandbreite von 190 Hz/Pixel und einem Flip-Winkel von 13° einrichten, und einer Scandauer von 3,1 min3.
  3. Richten Sie eine EPI-Sequenz (Gradient-Echo, Echo-Planar Imaging) mit einer TR von 2 s, einer TE von 30 ms, einem Sichtfeld von 220 mm x 220 mm, einer Auflösung in der Ebene von 1,7 mm x 1,7 mm, 29 Schichten mit einer Dicke von 3 mm und einer Bandbreite von 1.500 Hz/Pixel3 ein.
  4. Messen Sie die Abmessungen der Kopfspule und der Scannerbohrung und konstruieren Sie dann einen einfachen Rahmen, indem Sie ein Rohr aus Polyvinylchlorid (PVC) in geeignete Längen schneiden und mit PVC-Bögen verbinden. Besorgen Sie sich einen Spiegel, der mindestens 25 cm breit und 15 cm hoch ist, und befestigen Sie ihn mit Schrauben an einer Kunststoffstange (kleine Löcher können in den Spiegel gebohrt werden).
    1. Befestigen Sie die Enden der Kunststoffstange mit Nylonschrauben am PVC-Rahmen (Abbildung 1A). Achten Sie darauf, dass die Nylonschrauben leicht locker sind, damit der Spiegel von Hand gedreht werden kann, um den Winkel für jeden Teilnehmer zu optimieren.
  5. Machen Sie einen Bildschirm, um in die MRT-Bohrung zu gelangen. Schneiden Sie ein Segment einer Rückprojektionsleinwand ab, das ungefähr die Größe der MRT-Bohrung hat. Konstruieren Sie einen Rahmen, der die Größe der Bohrung hat, und befestigen Sie das Sieb mit Schrauben am Rahmen. Platzieren Sie den Bildschirm im Inneren des Scanners direkt hinter der Kopfspule, um den Abstand zwischen Bildschirm und Spiegel zu minimieren und das Sichtfeld zu maximieren.
    HINWEIS: Wenn die Scannerbohrung groß genug ist, kann ein einzelner Bildschirm verwendet werden, auf den der Teilnehmer direkt blicken kann, anstatt den Spiegel und die Rückprojektionsleinwand einzurichten. Eine Projektionsleinwand, die an einer dünnen Holzplatte als Unterlage befestigt ist, oder eine Platte aus dünnem, mattweißem Kunststoff kann als Leinwand verwendet und anstelle eines Spiegels auf den Rahmen gestellt werden. Der Projektor sollte dann so positioniert und fokussiert werden, dass er die Leinwand ausfüllt und scharf gestellt ist.

2. Vorbereitung der Teilnehmer

  1. Informieren Sie den Teilnehmer über den Ablauf, die Risiken und den Nutzen der fMRT-Untersuchung. Holen Sie ihre Einwilligung nach Aufklärung ein.
  2. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer keine Kontraindikationen für MRT hat. Dazu gehört das Screening auf Herzschrittmacher, Metallimplantate oder Klaustrophobie. Wenn Sie Unsicherheiten haben, wenden Sie sich an einen qualifizierten Radiologen oder Forscher und schließen Sie den Teilnehmer von der Studie aus, wenn eine Unsicherheit besteht.
  3. Erklären Sie das visuelle Stimulationsprotokoll und die Notwendigkeit, dass die Teilnehmer während der fMRT-Scans auf das zentrale Kreuz fixiert werden. Zeigen Sie dem Teilnehmer eine kurze Demonstration der visuellen Stimulation zu Unterrichtszwecken, um ihn mit dem Verfahren vertraut zu machen.
  4. Positionieren Sie den Teilnehmer vorsichtig auf dem Tisch des MRT-Scanners, um sicherzustellen, dass er bequem und entspannt ist. Stellen Sie Ohrstöpsel und/oder ein schalldämpfendes Headset bereit, um die akustischen Geräusche, die der Teilnehmer hört, zu reduzieren und sein Gehör zu schützen.
  5. Immobilisieren Sie den Kopf des Teilnehmers in der hinteren Hälfte des Kopfspulenarrays, indem Sie eine Schaumstoffpolsterung an den Seiten des Kopfes verwenden, um sicherzustellen, dass der Kopf richtig immobilisiert ist, um Bewegungsartefakte zu reduzieren. Verwenden Sie das Positionierungssystem des Scanners und schieben Sie den Tisch in die Scannerbohrung.
  6. Platzieren Sie den Weitwinkelbildschirm oder Spiegel 10 cm von den Augen des Patienten entfernt (Abbildung 1B). Platzieren Sie den Bildschirm in Bohrungsgröße von der Rückseite der Scannerbohrung direkt hinter der Kopfspule. Passen Sie die Position und den Winkel des Spiegels/Bildschirms für jeden Teilnehmer an, um einen konsistenten Betrachtungswinkel zu erreichen.
  7. Stellen Sie sicher, dass sich der Teilnehmer während des gesamten Scans über die Kommunikation über die Gegensprechanlage wohlfühlt.

3. fMRT-Untersuchung des Teilnehmers

  1. Führen Sie einen Lokalisierungsscan mit drei orthogonalen Ebenen sowie Scanneranpassungen und -kalibrierungen für Frequenzanpassung und Shimming durch.
  2. Führen Sie einen anatomischen MP-RAGE-Scan durch, um die EPI-Schichten zu positionieren.
  3. Erstellen Sie visuelle Reize, wie in den folgenden Schritten beschrieben, mit einem Programm zur Durchführung von Verhaltens- oder psychologischen Experimenten.
  4. Zu Beginn des fMRT-Protokolls weisen Sie den Teilnehmer an, sich 10 s lang auf das weiße Kreuz (3° x 3°) zu fixieren, das sich auf einem grauen Hintergrund in der Mitte der Stimuli befinden sollte.
    HINWEIS: Das weiße Kreuz wird vor und nach jedem visuellen Stimulationsparadigma für 10 Sekunden angezeigt. Somit beträgt der gesamte fMRT-Stimulationstest für jedes Paradigma 200 s.
  5. Präsentieren Sie das erste visuelle Stimulationsparadigma (eine Reihe rotierender Keile) für einen Zeitraum von 30 s (was eine Winkelgeschwindigkeit von 6°/s ergibt) und durchlaufen Sie sechs Perioden. Die Keilstimuli sollten 12 Bilder rotierender Keile (ein Scan mit Drehung im Uhrzeigersinn und einer mit Drehung gegen den Uhrzeigersinn) umfassen, die sich bis zum Rand des Bildschirms/Spiegels erstrecken (>100° Gesichtsfeld), mit einem 8 Hz kontrastumkehrenden Schwarz-Weiß-Schachbrettmuster (100 % Kontrast) (Abbildung 2A).
  6. Präsentieren Sie das weiße Kreuz noch einmal für 10 Sekunden.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 3.4-3.6 mit dem zweiten visuellen Stimulationsparadigma (eine Reihe von sich ausdehnenden und zusammenziehenden Ringen) für einen Zeitraum von 30 s (Ausdehnung oder Kontraktion mit 1,8°/s des Gesichtsfeldes) und durchlaufen Sie sechs Perioden. Die Ringstimuli sollten acht Frames mit sich ausdehnenden oder zusammenziehenden Ringen (>100° Gesichtsfeld) mit einem 8 Hz kontrastumkehrenden Schwarz-Weiß-Schachbrettmuster (100 % Kontrast) umfassen (Abbildung 2B).
  8. Schieben Sie nach Abschluss der fMRT den Tisch aus der Scannerbohrung heraus und weisen Sie den Teilnehmer an, still zu bleiben. Entfernen Sie den Spiegel/Bildschirm, platzieren Sie den vorderen Teil der Kopfspule zusätzlich zum hinteren und schieben Sie den Tisch zurück in die Mitte des Scanners.
  9. Erfassen Sie einen schnellen Localizer-Scan im Falle einer Bewegung und einen MP-RAGE-Scan mit der vollen Kopfspule.
    HINWEIS: Ein anatomisches Bild mit der gesamten Kopfspule ist für eine genaue Registrierung für Gruppenanalysen und Rekonstruktionszwecke erforderlich.

4. Analyse retinotoper fMRT-Daten

  1. Laden Sie die FreeSurfer-Anwendung für die MRT-Analyse herunter und installieren Sie sie (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
    HINWEIS: FreeSurfer Version 5.3.0 wurde hier verwendet.
  2. Erhalten Sie Bilder im DICOM-Format (Digital Imaging and Communications in Medicine) vom MRT-Scanner. Konvertieren Sie die DICOM-Dateien mit der Anwendung dcm2niix (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21 in das nifti-Format.
  3. Verarbeiten Sie den T1-gewichteten Scan, um eine kortikale Oberflächenreferenz bereitzustellen, wie in den folgenden beiden Schritten beschrieben. Verwenden Sie FreeSurfer, um Strukturdaten aus dem Nifti-Format in das .mgz-Format zu konvertieren (mri_convert Befehl).
  4. Verwenden Sie den Befehl recon-all in einer Shell-Umgebung, um eine automatisierte Segmentierung und kortikale Rekonstruktion der Strukturdaten durchzuführen.
    HINWEIS: Dieser Schritt kann über 20 Stunden dauern.
  5. Verwenden Sie die grafische Benutzeroberfläche tksurfer, um die aufgeblasene Hemisphäre zu betrachten und den visuellen Kortex entlang der Calcarin-Fissur virtuell zu schneiden und den Okzipitallappen auszuwählen. Verwenden Sie den Befehl mris_flatten, um das visuelle Kortex-Patch zu glätten. Wiederholen Sie diesen Schritt für beide Hemisphären.
  6. Entfernen Sie für die fMRT-Daten zunächst die Ruhezeiten, wobei nur das Fixationskreuz dargestellt wird, vom Anfang und Ende der Daten. Untersuchen Sie die fMRT-Daten auf Artefakte oder große Bewegungen.
  7. Verarbeiten Sie die Funktionsdaten für die räumliche Glättung und Bewegungskorrektur vor. Modellieren Sie das retinotopische Stimulusparadigma und wenden Sie eine kanonische hämodynamische Antwortfunktion an, um die Antwortfunktion zu konstruieren.
  8. Führen Sie eine retinotope phasenkodierte Analyse der fMRT-Daten mit dem FreeSurfer-Funktionsanalysestream (mkanalysis-sess, selxavg3-sess, und fieldsign-sess) durch, um die BOLD-fMRT-Zeitreihe mit einer modellierten Antwortfunktion zu korrelieren und phasenkodierte retinotope Karten mit einem Signifikanzniveau von p < 0,01 zu erhalten (Abbildung 3).
  9. Visualisieren Sie die Ergebnisse der retinotopischen Karten mit farbcodierten Aktivierungskarten, die mit dem Befehl tksurfer-sess über den virtuell abgeflachten visuellen Kortex gelegt und mit dem Befehl rtview angezeigt werden.
  10. Verwenden Sie die phasenkodierten retinotopen Karten aus den Keilstimuli, um die Grenzen des primären visuellen Kortex (V1) und anderer zusätzlich gestreifter Bereiche (V2 und V3) durch Feldzeichenkarten (Abbildung 3A) zusammen mit anatomischen Landmarken und FreeSurfer-Atlanten zu definieren.
  11. Um die BOLD-Antwort bei verschiedenen Exzentrizitäten zu berechnen, verwenden Sie zunächst FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl), um statistische Karten unter Verwendung eines allgemeinen linearen Modells für jede Größe von Ringstimuli mit einem Z-Score-Schwellenwert von Z > 2,3 22,23 zu berechnen. Wenn eine Gruppenanalyse durchgeführt wird, berechnen Sie die Analyse der zweiten Ebene für statistische Karten von Gruppenunterschieden mit FSL Feat, um die BOLD-Antwort bei verschiedenen Exzentrizitäten zu bestimmen.
  12. Co-Registrierung der fMRT-Bilder auf der rekonstruierten kortikalen Oberfläche mit den FreeSurfer-Befehlen bbregister und tkregister2, um die fMRT-Daten des Teilnehmers an das anatomische Strukturbild seines Gehirns anzupassen und eine genaue räumliche Ausrichtung zu gewährleisten.
  13. Gruppieren Sie die Ringreize nach Exzentrizität für jeden der acht Frames. Zeichnen Sie manuell Interessenbereiche für verschiedene Exzentrizitäten basierend auf den aktivierten Voxelregionen für jeden Frame. Nehmen Sie die FETTEN prozentualen Änderungen und stellen Sie sie als Funktion der Exzentrizität dar. Außerdem werden die Exzentrizitätsdaten in zentrale (< ±12°) und periphere (> ±12°) Bereiche unterteilt, in denen ein visueller Reiz von ±12° typisch für retinotope fMRT-Studien ist.

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Representative Results

Neun Teilnehmer, bei denen POWG diagnostiziert wurde (vier Männer, 36-74 Jahre alt) und neun gleichaltrige gesunde Freiwillige (sechs Männer, 53-65 Jahre) wurden mit dem oben genannten Wide-View-fMRT-Protokoll untersucht, wie zuvor von Zhou et al.beschrieben 3. POWG wurde bei Patienten mit offenem Winkel klinisch bestätigt, indem das Erscheinungsbild von Gesichtsfeldausfällen beurteilt wurde, die mit Glaukom, Papillenschröpfung und/oder einem Augeninnendruck (IOD) von mehr als 21 mmHg übereinstimmen3. Eine visuelle Weitbilddarstellung (±55°) wurde verwendet, um das zentrale und periphere Sehen in jeder Gruppe zu bewerten3.

Abbildung 3 zeigt die retinotopen fMRT-Karten für polare (Keil) und Exzentrizitäts- (Ring) Stimuli von einem POWG und einem gesunden Kontrollteilnehmer. Die polaren Karten (Abbildung 3A) zeigten keine offensichtlichen Unterschiede zwischen den POWG und gesunden Teilnehmern. Die Exzentrizitätskarten (Abbildung 3B) zeigten, dass die zentrale Region der Parafovea, die durch die kleineren Ringstimuli aktiviert wurde, beim POWG-Patienten größer erschien als beim gesunden Teilnehmer. Die vergrößerte parafoveale Region im visuellen Kortex der POWG-Teilnehmer deutet auf kortikale Veränderungen als Reaktion auf periphere Sehstörungen hin.

BOLD-prozentuale Veränderungen für zentrale (<24°) und periphere (>24°) Gesichtsfelder zwischen POWG-Untergruppen und der gesunden Kontrollgruppe wurden verglichen (Abbildung 4). Die prozentualen Veränderungen von BOLD bei verschiedenen Exzentrizitäten waren bei POWG-Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollteilnehmern reduziert, vor allem bei periphereren Exzentrizitäten (Abbildung 4A). Die prozentualen BOLD-Veränderungen waren zwischen den beiden Gruppen signifikant reduziert, vor allem bei größeren Exzentrizitäten (p < 0,05, Zwei-Wege-ANOVA mit Bonferroni-Post-hoc-Test). Die prozentualen BOLD-Veränderungen, die für das zentrale Sehen (alle Stimuli <24°) gemittelt wurden, waren bei POWG-Patienten nur geringfügig und nicht signifikant reduziert, während die BOLD-Antwort für das periphere Sehen (alle Stimuli >24°) signifikant reduziert war (Abbildung 4B). Diese Ergebnisse deuten auf den potenziellen Nutzen dieses Protokolls hin, um Veränderungen der Funktion des visuellen Kortex zu beurteilen, die auf das periphere oder zentrale Sehen lokalisiert sind, was für Sehstörungen wie Glaukom relevant ist.

Figure 1
Abbildung 1: Versuchsaufbau. (A) Der 25 cm breite und 15 cm hohe Spiegel wird von einem Rahmen aus PVC-Rohr gehalten. (B) Aufbau des Präsentationssystems auf einem MRT-Scanner, der den hinteren Teil einer Kopfspule, den Spiegel und den Rahmen sowie die Rückprojektionsleinwand (Pfeile) in der Bohrung direkt hinter der Kopfspule zeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Visuelle Stimulationsparadigmen. (A) Drei Frames aus dem polaren retinotopen visuellen Stimulationsparadigma, die aus sich im und gegen den Uhrzeigersinn drehenden Keilen mit einem kontrastabwechselnden Schachbrettmuster bestehen. (B) Drei Frames aus dem Exzentrizitätsparadigma, die aus sich ausdehnenden und zusammenziehenden Ringen mit einem kontrastabwechselnden Schachbrettmuster bestehen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Retinotopische Polar- und Exzentrizitätskarten. Repräsentative (A) Polarkarte unter Verwendung eines rotierenden Keils von einer Normalensteuerung und (B) Exzentrizitätskarten unter Verwendung von expandierenden/kontrahierenden Ringen von einer normalen Kontrolle und einem POWG-Teilnehmer. Sowohl die linke als auch die rechte Hemisphäre (LH und RH) sind mit definierten visuellen kortikalen Grenzen (V1, V2 und V3) dargestellt. Ein Frame aus jedem Paradigma ist im zentralen Einschub zu sehen. Die Farbskalen werden den entsprechenden Regionen des Gesichtsfeldes zugeordnet, wie durch die Farbräder angezeigt, wobei A) der polare Winkel der Keilstimuli und B) die Exzentrizität der Ringstimuli abgebildet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Prozentuale BOLD-Änderungen in Abhängigkeit von der Exzentrizität und dem zentralen oder peripheren Gesichtsfeld. (A) Gruppengemittelte prozentuale BOLD-Änderungen gegenüber den Ringreizen bei gesunden Kontrollpersonen und POWG-Patienten in Abhängigkeit von der Exzentrizität. Die BOLD-prozentuale Änderung für jede Größe der Ringstimuli wurde berechnet, um die Daten bei jeder Exzentrizität zu erhalten. (B) BOLD-prozentuale Veränderungen zwischen gesunden Kontroll- und POWG-Patienten des zentralen (< ±12°) und peripheren (> ±12°) Gesichtsfeldes, durch Binning der Daten aller Exzentrizitäten. Die Daten sind Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts. *p < 0,05, Zwei-Faktor-ANOVA mit Post-hoc-Korrelation. Diese Abbildung wurde von Zhou et al.3 mit Genehmigung geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Das obige Protokoll zur Nutzung der retinotopen fMRT mit breiter Sicht ist eine innovative Methode zur Bewertung der Auswirkungen von Sehverlust und Augenerkrankungen auf das Gehirn. Durch die retinotope Weitfeldkartierung des visuellen Kortex unter Verwendung eines breiteren Bildschirms ermöglicht dieser Ansatz ein umfassenderes Verständnis der funktionellen Organisation des visuellen Systems. Dies könnte zu einem besseren Verständnis von Anomalien im visuellen Verarbeitungssystem des Gehirns führen, die bei Neurodegenerationen auftreten, wie z. B. beim Glaukom24,25. Diese Technologie kann auch verwendet werden, um die Degeneration und Reorganisation des Gehirns bei anderen Erkrankungen zu erkennen und zu analysieren, die zur Erblindung führen, wie z. B. altersbedingte Makuladegeneration26,27.

Ein einzelnes menschliches Auge hat einen Blickwinkel von etwa 100°. Frühere Techniken, die in den meisten visuellen fMRT-Studien verwendet wurden, verwendeten ein Sichtfeld von weniger als 30°, was den Teil des visuellen Kortex einschränkte, der durch das fMRT aktiviert und analysiert werden konnte28. Folglich konnte das periphere Sehen nicht visualisiert werden, so dass sich alle Analysen ausschließlich auf das zentrale Gesichtsfeld konzentrierten. Klinisch hinderte dies die Ärzte daran, eine genaue präoperative kortikale Kartierung durchzuführen, die für die Vermeidung lebenswichtiger Stellen bei der Durchführung von Hirnoperationen entscheidend ist29. Mit der in diesem Protokoll beschriebenen retinotopen fMRT-Technik wurde der Sehwinkel auf bis zu 100° (±50°)3,30,31 erhöht. Um ein Weitwinkelbild zu ermöglichen und die durch die Kopfspule verursachte Sichtbehinderung zu verringern, wird nur die hintere Hälfte der Kopfspule verwendet. Kopfspulen haben in der Regel ein relativ kleines Fenster mit quer verlaufenden Balken, die die Fähigkeit behindern, die retinotopen Reize mit breiter Sicht vollständig zu sehen. Die ausschließliche Verwendung des hinteren Teils der Kopfspule führt jedoch zu einer großen Signalinhomogenität im gesamten Gehirn und reduziert das SNR in den vorderen und zentralen Regionen. Die Bildqualität und das Signal-Rausch-Verhältnis des hinteren Okzipitallappens sollten nicht stark beeinträchtigt werden32. Die genauen Auswirkungen der Verwendung nur des hinteren Teils der Spule hängen jedoch wahrscheinlich von einem bestimmten Spulendesign (Anzahl und Größe der angeordneten Spulen) ab, so dass das Testen des Signal-Rausch-Verhältnisses oder des Signal-Rausch-Schwankungsverhältnisses bei einigen wenigen Subjekten mit und ohne den vorderen Teil durchgeführt werden kann, wenn die Besorgnis eines signifikanten SNR-Verlusts bei einer gegebenen Spule32 besteht.

Der richtige Aufbau der T1-gewichteten MP-RAGE-Sequenz ist für die korrekte Registrierung funktioneller Bilder in hochauflösenden Hirnstrukturbildern und für die anatomische Registrierung in Schablonen oder für Gruppenstudien unerlässlich. Daher nehmen wir das T1-gewichtete Bild mit der gesamten Kopfspule auf, was zu einer leichten Bewegung des Teilnehmers relativ zum fMRT-Scan führen kann. Die Ausrichtung des fMRT auf den anatomischen Scan ist ein routinemäßiger Analyseschritt, daher sollte dies kein Problem darstellen. Alternativ könnte die Aufnahme des T1-gewichteten Bildes ohne die anteriore Spule durchgeführt werden, aber die Bildinhomogenität kann die Qualität der Registrierung auf einer Referenzschablone beeinträchtigen. Um Bewegungsartefakte zu vermeiden, ist es wichtig, den Kopf des Probanden innerhalb der Kopfspule richtig zu immobilisieren. Bewegungsartefakte können natürlich ohne richtige Stabilisierung auftreten, was sich negativ auf die Qualität der gesammelten fMRT-Daten auswirkt und zu schlechteren Analyseergebnissen führt. Während die nachträgliche Bewegungskorrektur bei der fMRT-Analyse Routine ist, können große Bewegungen die Ergebnisse dennoch beeinflussen, daher ist es wichtig, funktionelle Scans auf Datenqualität zu überprüfen und Studien mit größeren Artefakten zu verwerfen. In diesem Protokoll wurden die Teilnehmer angewiesen, sich sowohl vor als auch nach jedem visuellen Stimulationsparadigma 10 s lang auf ein weißes Kreuz zu konzentrieren, um BOLD-Basisdaten zu erhalten. Dies trug dazu bei, die Variabilität des fMRT zu Studienbeginn zu reduzieren, und ermöglichte es dem Gehirn des Probanden, sich an die Scannergeräusche und die Helligkeit des Hintergrundbildschirms anzupassen, bevor die eigentlichen visuellen Datentests begannen.

Es gibt eine Vielzahl alternativer Ansätze, die für die Weitwinkel-fMRT in Betracht gezogen werden könnten. Der hierin beschriebene Ansatz, bei dem ein großer Bildschirm/Spiegel mit nur der hinteren Hälfte der Kopfspule verwendet wird, kann eine moderate Weitwinkelansicht bis zu einem Sichtfeld vonetwa 100° 3,30 liefern. Die Kosten für die Herstellung des Spiegels/der Leinwand sind sehr gering (möglicherweise <100 US-Dollar), vorausgesetzt, es ist bereits ein Standardprojektor verfügbar. Greco et al. verwendeten einen etwas anderen Ansatz, bei dem der Bildschirm nach dem Spiegel im Strahlengang direkt vor dem Gesicht des Probanden (7,5 cm entfernt) platziert wurde, was einen Blickwinkel von 80° ergab28. Eine MR-kompatible Brille wurde benötigt, damit sich der Teilnehmer auf den Bildschirm konzentrieren konnte. Ellis et al. verwendeten ebenfalls einen ähnlichen Ansatz, jedoch mit dem Projektor, der nach unten auf einen Spiegel am Boden der Bohrung geneigt war, der die Reize direkt auf die Oberseite der Bohrung über dem Gesicht des Probanden reflektierte und einen Blickwinkel von 115° ergab32. Die Sicht wird durch die gekrümmte Bohrung verzerrt, wodurch die Bilder für die zu verzerrenden Reize korrigiert werden müssen. Eine Erweiterung dieses Ansatzes wurde kürzlich mit einem speziell gekrümmten Bildschirm am oberen Ende der Scannerbohrung und zwei Spiegeln berichtet, die in der Lage waren, ein ultraweites Sichtfeld von 175°34 zu liefern. Einige dieser berichteten Methoden verwendeten den vorderen Teil der Kopfspule, andere nicht; Jede dieser Methoden kann jedoch in beide Richtungen verwendet werden, mit einem möglicherweise etwas höheren SNR bei Verwendung der vorderen Spule, aber mit dem Kompromiss eines reduzierten Sehwinkels und einer Blockierung von Teilen des Gesichtsfeldes. Eine mögliche Einschränkung bei allen Methoden, die einen Projektor verwenden, besteht darin, dass bei einer Leinwand mit benutzerdefinierter Größe und Position der Projektor an den Fokus und die Größe des projizierten Bildes angepasst werden muss, indem der Projektor/das Objektiv angepasst, der Projektor bewegt oder benutzerdefinierte Objektive verwendet werden, wenn die vorherigen Methoden nicht ausreichen.

Ein anderer Ansatz verwendete einen transparenten Kunststoffstab mit einem gekrümmten Ende als Leinwand und einen Projektor, der einen etwas größeren Blickwinkel von 120° bietet, was mit der Verwendung der vorderen Kopfspule kompatibel ist, ohne das Sichtfeld einzuschränken. Es kann jedoch nur eine monokulare Stimulation durchgeführt werden. Es wird eine spezielle Linse für den Projektor benötigt, was die Kosten erhöht, und es müssen Kontaktlinsen getragen werden, damit der Teilnehmer auf die Leinwand fokussieren kann, was den Aufbauerschwert 31. Ein ähnlicher Ansatz verwendete Glasfaserbündel, um Bilder direkt von einem Bildschirm an das Auge eines Teilnehmers zu übertragen und zu präsentieren, was einen Sehwinkel von bis zu 120°33 ermöglichte. Außerdem müssen Kontaktlinsen getragen werden, und es darf immer nur ein Auge stimuliert werden. Dieses Verfahren erfordert ein langes und hochdichtes Glasfaserbündel, das eine relativ geringe Auflösung für die Präsentation haben kann und mäßig teuer sein kann33.

Sehstörungen und Augenerkrankungen können die Struktur und Funktion der Sehrinde beeinträchtigen. BOLD fMRT kann verwendet werden, um die retinotope kortikale Funktion zu visualisieren, aber die meisten visuellen Präsentationssysteme, die für die fMRT verwendet werden, stimulieren nur das zentrale Gesichtsfeld. Dieses Protokoll beschreibt die Implementierung eines Wide-View-Präsentationssystems für fMRT, mit dem der periphere und zentrale visuelle Kortex funktionell kartiert werden kann. Dieses System kann einfach und kostengünstig mit gängigen MR-kompatiblen Projektoren eingerichtet werden. Obwohl mit einigen Einschränkungen, hat das beschriebene Protokoll das Potenzial, Funktionen des visuellen Kortex zu analysieren, die dem zentralen und peripheren Sehen entsprechen, und zwar auf einer Ebene, die Kosten und Präzision in Einklang bringt. Die mit dieser Methode gesammelten Daten können analysiert werden, um die selektive Aktivierung auf der Grundlage verschiedener Arten von visuellen Reizen und der Gehirnkommunikation zwischen verschiedenen Bereichen für die visuelle Verarbeitung zu bestimmen. Mit dieser Methode könnten Veränderungen in der Funktion des peripheren und zentralen visuellen Kortex aufgrund von Sehverlust und Augenerkrankungen wie dem Glaukom beurteilt werden. Diese Technologie hat daher Anwendungen in der Diagnose, dem Management und der Behandlung von Augenkrankheiten.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health [R01EY030996] unterstützt.

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

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References

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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).

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