Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) של קליפת המוח הראייתית עם גירוי רטינוטופי רחב

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

פיתחנו טכניקות למיפוי תפקוד קליפת המוח הראייתית תוך ניצול גדול יותר של שדה הראייה ממה שנהוג להשתמש. גישה זו יש פוטנציאל לשפר את ההערכה של הפרעות ראייה ומחלות עיניים.

Abstract

ניתן להשתמש בדימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) ברזולוציה גבוהה של חמצון דם ברזולוציה גבוהה עם תצוגה רחבה כדי למפות באופן פונקציונלי את קליפת המוח הראייתית ההיקפית והמרכזית. שיטה זו למדידת שינויים תפקודיים במוח החזותי מאפשרת מיפוי תפקודי של האונה העורפית, המגרה >100° (±50°) או יותר משדה הראייה, בהשוואה למערכי תצוגה חזותית סטנדרטיים של fMRI המכסים בדרך כלל <30° של שדה הראייה. ניתן להגדיר מערכת פשוטה לגירוי רחב עבור BOLD fMRI באמצעות מקרנים נפוצים תואמי MR על ידי הצבת מראה גדולה או מסך קרוב לפניו של המצולם ושימוש רק בחצי האחורי של סליל ראש סטנדרטי כדי לספק זווית צפייה רחבה מבלי לחסום את ראייתו. לאחר מכן ניתן לצלם את מפת fMRI רטינוטופית רחבה באמצעות פרדיגמות שונות של גירוי רטינוטופי, וניתן לנתח את הנתונים כדי לקבוע את הפעילות התפקודית של אזורי קליפת המוח החזותיים המתאימים לראייה מרכזית והיקפית. שיטה זו מספקת מערכת הצגה חזותית מעשית וקלה ליישום שניתן להשתמש בה כדי להעריך שינויים בקליפת המוח הראייתית ההיקפית והמרכזית עקב מחלות עיניים כגון גלאוקומה ואובדן הראייה שעלול להתלוות אליהן.

Introduction

דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) הוא שיטה רבת ערך להערכת שינויים בתפקוד הנוירו-וסקולרי האזורי בקליפת המוח הראייתית בתגובה לגירויים, שכן שינויים בזרימת הדם האזורית מתואמים עם הפעלת אזורי מוח 1,2. מדידות אותות תלויות רמת חמצון דם רטינוטופית ברזולוציה גבוהה (BOLD) מייצגות שינויים בדאוקסיהמוגלובין, המונעים על ידי שינויים מקומיים בזרימת הדם וחמצון הדם במוח 1,2. דפוסי פעילות BOLD שנאספו מנתוני fMRI יכולים לשמש למיפוי תפקודי של קליפת המוח הראייתית ההיקפית והמרכזית, כמו גם לזהות שינויים במפה הרטינוטופית בתגובה לליקוי ראייה וניוון עצבי3.

רוב מחקרי ה-fMRI הקודמים עשו שימוש בגירויים לא-רטינוטופיים בעלי ראייה צרה (בסביבות ±12° של שדה הראייה המרכזי) או גירויים רטינוטופיים פשוטים עם גירויים חזותיים צרי ראייה, אשר סיפקו פרצלציה תפקודית מוגבלת של הייצוג הרטינוטי בקליפת המוח הראייתית והגבילו את ההערכה לשדה הראייה המרכזי בלבד, למעט הפריפריה3. כתוצאה מכך, נתוני fMRI צרים דיווחו על שינויים לא עקביים באחוזי BOLD בחולי גלאוקומה 4,5,6. לכן יש צורך בגישות fMRI משופרות להערכת שדה הראייה ההיקפי והמרכזי, במיוחד בהערכת מחלות כגון גלאוקומה.

גלאוקומה היא הגורם המוביל לעיוורון בלתי הפיך, המשפיע על 10% מהאנשים עד גיל 807. גלאוקומה נגרמת על ידי ניוון עצבי מתקדם, בלתי הפיך של תאי גנגליון ברשתית, אשר אחראים על העברת גירויים חזותיים למוח דרך עצב הראייה. בגלאוקומה ראשונית פתוחת זווית (POAG), הצורה הנפוצה ביותר של גלאוקומה, לחץ תוך עיני מוגבר גורם לדילול שכבת סיבי עצב הרשתית (RNFL), מה שמוביל לאובדן ראייה היקפית ואחריה עיוורון היקפי ומרכזי 8,9,10,11. עדויות היסטולוגיות ממחקרים בבעלי חיים מצביעות על כך שגלאוקומה גורמת גם לניוון עצבי מתקדם של עצב הראייה, מערכת הראייה, גרעין המין הצידי, קרינה אופטית וקליפת המוח הראייתית12,13. טכנולוגיית MRI מציעה שיטה זעיר פולשנית להערכת חמצון הדם וניוון עצבי בקליפת המוח הראייתית. בחולים עם גלאוקומה, MRI מצא עדות לאטרופיה של חומר אפור במסלול הראייה 13,14,15,16 וחומר לבן חריג בכיאזמה אופטית, מערכת הראייה וקרינה אופטית 1,17,18.

כדי לחקור עוד יותר את ההשפעות על עיבוד חזותי, ניתן להשתמש ב-fMRI כדי לזהות תפקוד מוחי בתגובה לרמזים חזותיים. הפרוטוקול כאן מתאר שיטה חדשנית להשגת מפה רטינוטופית בעלות נמוכה ותצוגה רחבה באמצעות fMRI רטינוטופיה ברזולוציה גבוהה עם גירויים בעלי שדה רחב (>100°), כפי שמתואר על ידי Zhou et al3. גירויים חזותיים של טבעות מתרחבות וטריזים מסתובבים שימשו כדי לעורר מיפוי רטינוטופי של האקסצנטריות והזווית הקוטבית עבור fMRI. שינויים נועזים באחוזי fMRI נותחו כפונקציה של אקסצנטריות להערכת תפקוד המוח, המקביל הן לראייה המרכזית והן לראייה ההיקפית. השינוי באחוזי fMRI מודגש עשוי לשמש להמחשת הפעלה בכל קליפת המוח הראייתית. מדדי fMRI אלה מספקים שיטה חדשה ואמינה להערכת שינויים נוירודגנרטיביים והשפעותיהם התפקודיות על קליפת המוח הראייתית הנמצאות במחלות עיניים המערבות פגמים בשדה הראייה, כגון גלאוקומה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

המחקר עם משתתפים אנושיים בוצע בהתאם להנחיות המוסדיות במרכז למדעי הבריאות באוניברסיטת טקסס ובאוניברסיטת סטוני ברוק, עם הסכמה מדעת שהתקבלה מהמשתתפים למחקרים אלה ולשימוש בנתונים שלהם.

1. הגדרת סורק MRI ופרוטוקולי הדמיה

  1. עבור fMRI, השתמש בסורק MRI 3T עם סלילי ראש מקלט רב-ערוציים. ניתן להשתמש גם בעוצמות שדה שונות, אך הן עלולות להציג קשיים ביחס אות לרעש (SNR) או בתוצרי עיוות, לכן יש להתאים בהתאם. השתמש רק בחצי האחורי של סליל הראש עבור fMRI כדי לאפשר זווית צפייה גדולה יותר ללא הפרעה על ידי החצי הקדמי של הסליל.
  2. הגדר רצף הד הדרגתי לרכישה מהירה (MP-RAGE) מוכן למגנטיזציה משוקללת T1 עם זמן חזרה (TR) של 2.2 שניות, זמן הד (TE) של 2.8 אלפיות השנייה, שדה ראייה (FOV) של 176 מ"מ x 256 מ"מ x 208 מ"מ, רזולוציה מרחבית של 1 מ"מ x 1 מ"מ x 1 מ"מ, רוחב פס של 190 הרץ/פיקסל, זווית היפוך של 13°, ומשך סריקה של 3.1 דקות3.
  3. הגדר רצף הדמיה אקו-מישורית הדרגתית (EPI) עם TR של 2 שניות, TE של 30 אלפיות השנייה, FOV של 220 מ"מ x 220 מ"מ, רזולוציה במישור של 1.7 מ"מ x 1.7 מ"מ, 29 פרוסות בעובי של 3 מ"מ ורוחב פס של 1,500 הרץ/פיקסל3.
  4. מדוד את מידות סליל הראש ובור הסורק, ולאחר מכן בנה מסגרת פשוטה על ידי חיתוך צינור פוליוויניל כלוריד (PVC) לאורכים מתאימים וחיבורם למרפקי PVC. הצטיידו במראה שרוחבה לפחות 25 ס"מ וגובהה 15 ס"מ והצמידו אותה למוט פלסטיק בעזרת ברגים (ניתן לקדוח חורים קטנים במראה).
    1. חברו את קצות מוט הפלסטיק למסגרת ה-PVC באמצעות ברגי ניילון (איור 1A). ודאו שברגי הניילון רופפים מעט כדי לאפשר סיבוב ידני של המראה כדי לייעל את הזווית עבור כל משתתף.
  5. הכינו מסך כדי להיכנס למשעמם ה-MRI. גזור קטע של מסך הקרנה אחורי שהוא בערך בגודל של משעמם MRI. בונים מסגרת בגודל של משעמם ומצמידים את המסך למסגרת באמצעות ברגים. מקם את המסך בתוך הסורק ממש מאחורי סליל הראש כדי למזער את המרחק בין המסך למראה ולמקסם את ה-FOV.
    הערה: אם משעמם הסורק גדול מספיק, ניתן להשתמש במסך יחיד כדי שהמשתתף יוכל לצפות בו ישירות במקום הגדרת מסך המראה וההקרנה האחורית. מסך הקרנה המחובר ליריעת עץ דקה לגיבוי או יריעה של פלסטיק לבן מט דק יכול לשמש כמסך ולהניחו על המסגרת במקום במראה. לאחר מכן יש למקם ולמקד את המקרן, כך שהוא ימלא את המסך ויהיה ממוקד.

2. הכנת המשתתפים

  1. ליידע את המשתתף על ההליך, הסיכונים והיתרונות של סריקת fMRI. קבל את הסכמתם מדעת.
  2. ודא כי המשתתף אין כל התוויות נגד MRI. זה כולל הקרנה עבור קוצבי לב, שתלי מתכת, או קלסטרופוביה. אם יש לך אי ודאות כלשהי, התייעץ עם רדיולוג או חוקר מוסמך, והרחק את המשתתף מהמחקר אם נותרה אי ודאות כלשהי.
  3. הסבר את פרוטוקול גירוי הראייה ואת הצורך של המשתתפים להתקבע על הצלב המרכזי במהלך סריקות fMRI. הראה למשתתף הדגמה קצרה של הגירוי החזותי למטרות הדרכה כדי להכיר את ההליך.
  4. מקם בזהירות את המשתתפים על שולחן סורק ה- MRI כדי להבטיח שהם נוחים ונינוחים. ספקו אטמי אוזניים ו/או אוזניות לשיכוך רעשים כדי להפחית את הרעש האקוסטי שהמשתתפים ישמעו כדי להגן על שמיעתם.
  5. יש לשתק את ראש המשתתף בחצי האחורי של מערך סלילי הראש, באמצעות ריפוד קצף בצידי הראש כדי להבטיח שהראש משותק כראוי כדי להפחית את חפצי התנועה. השתמש במערכת המיקום של הסורק והזז את השולחן לתוך משעמם הסורק.
  6. מקמו את המסך הרחב או את המראה במרחק של 10 ס"מ מעיני המטופל (איור 1B). מקם את המסך בגודל משעמם מגב הסורק ממש מאחורי סליל הראש. התאם את המיקום והזווית של המראה/המסך עבור כל משתתף כדי להשיג זווית צפייה עקבית.
  7. ודא שהמשתתף מרגיש בנוח לאורך כל הסריקה באמצעות תקשורת דרך האינטרקום.

3. סריקת fMRI של משתתף

  1. הפעל סריקת לוקלייזר עם שלושה מישורים אורתוגונליים והתאמות סורק וכיולים לכוונון תדרים ושיימינג.
  2. הפעל סריקה אנטומית MP-RAGE כדי לסייע במיקום פרוסות EPI.
  3. צור גירויים חזותיים, כמתואר בשלבים הבאים, באמצעות תוכנית להפעלת ניסויים התנהגותיים או פסיכולוגיים.
  4. בתחילת פרוטוקול fMRI, הנחו את המשתתף להתקבע על הצלב הלבן (3° x 3°), אשר צריך להיות על גבי רקע אפור במרכז הגירויים למשך 10 שניות.
    הערה: הצלב הלבן יוצג לפני ואחרי כל פרדיגמת גירוי חזותי למשך 10 שניות. לפיכך, מבחן גירוי fMRI הכולל עבור כל פרדיגמה הוא 200 שניות.
  5. להציג את פרדיגמת הגירוי החזותי הראשונה (סדרה של טריזים מסתובבים) לתקופה של 30 שניות (נותן מהירות זוויתית של 6° לשנייה) ומחזור דרך שש תקופות. גירויי הטריז צריכים לכלול 12 פריימים של טריזים מסתובבים (סריקה אחת עם סיבוב בכיוון השעון ואחת עם כיוון השעון), הנמשכים עד לקצה המסך/המראה (>שדה ראייה של 100°), עם תבנית לוח משבצות בשחור-לבן היפוך ניגודיות של 8 הרץ (100% ניגודיות) (איור 2A).
  6. הציגו את הצלב הלבן שוב למשך 10 שניות.
  7. חזור על שלבים 3.4-3.6 עם פרדיגמת הגירוי החזותי השנייה (סדרה של טבעות מתרחבות ומתכווצות) לתקופה של 30 שניות (התרחבות או התכווצות ב -1.8° לשנייה של שדה הראייה) ומחזור דרך שש תקופות. גירויי הטבעות צריכים לכלול שמונה מסגרות של טבעות מתרחבות או מתכווצות (שדה ראייה של >100°), עם תבנית לוח משבצות בשחור-לבן היפוך ניגודיות של 8 הרץ (100% ניגודיות) (איור 2B).
  8. לאחר השלמת ה-fMRI, הזיזו את השולחן החוצה מבור הסורק תוך הנחיה למשתתף להישאר ללא תנועה. הסר את המראה/המסך, מקם את החלק הקדמי של סליל הראש בנוסף לחלק האחורי, והזז את השולחן חזרה למרכז הסורק.
  9. רכוש סריקת לוקלייזר מהירה במקרה של תנועה כלשהי ורכוש סריקת MP-RAGE עם סליל ראש מלא.
    הערה: תמונה אנטומית עם סליל הראש כולו נדרשת לרישום מדויק למטרות ניתוח קבוצתי ושחזור.

4. ניתוח נתוני fMRI רטינוטופיים

  1. הורד והתקן את אפליקציית FreeSurfer לניתוח MRI (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
    הערה: FreeSurfer גרסה 5.3.0 שימשה כאן.
  2. קבל תמונות בפורמט Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) מסורק MRI. המר את קובצי DICOM לתבנית nifti באמצעות היישום dcm2niix (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21.
  3. עבד את הסריקה המשוקללת T1 כדי לספק התייחסות למשטח קליפת המוח, כמתואר בשני השלבים הבאים. השתמש ב- FreeSurfer כדי להמיר נתונים מבניים מפורמט nifti לפורמט .mgz (הפקודה mri_convert).
  4. השתמש בפקודה recon-all בסביבת מעטפת כדי לבצע סגמנטציה אוטומטית ושחזור קליפת המוח של הנתונים המבניים.
    הערה: שלב זה עשוי להימשך יותר מ-20 שעות.
  5. השתמש בממשק המשתמש הגרפי tksurfer כדי לראות את חצי הכדור המנופח ולמעשה לחתוך את קליפת המוח הראייתית לאורך הסדק calcarine, ובחר את האונה העורפית. השתמש בפקודה mris_flatten כדי לשטח את טלאי קליפת המוח הראייתית. חזור על שלב זה עבור שתי ההמיספרות.
  6. עבור נתוני fMRI, תחילה הסר את תקופות המנוחה, כאשר רק הצלב הקיבוע מוצג, מתחילתם וסופם של הנתונים. סנן את נתוני ה-fMRI עבור ממצאים או תנועות גדולות.
  7. עבד מראש את הנתונים הפונקציונליים לצורך החלקה מרחבית ותיקון תנועה. מידול פרדיגמת הגירוי הרטינוטופי ויישום פונקציית תגובה המודינמית קנונית לבניית פונקציית התגובה.
  8. בצע ניתוח רטינופי מקודד פאזה של נתוני fMRI באמצעות זרם הניתוח הפונקציונלי FreeSurfer (פקודות mkanalysis-sess, selxavg3-sess ו- fieldsign-sess) כדי להתאים את סדרת הזמן fMRI BOLD עם פונקציית תגובה מדוגמת ולקבל מפות רטינוטופיות מקודדות פאזה, עם רמת מובהקות של p < 0.01 (איור 3).
  9. הצג באופן חזותי את התוצאות של מפות רטינוטופיות באמצעות מפות הפעלה מקודדות בצבע על קליפת המוח הראייתית השטוחה כמעט באמצעות הפקודה tksurfer-sess, והצג באמצעות הפקודה rtview.
  10. השתמשו במפות רטינוטופיות מקודדות פאזה מגירויי הטריז כדי לעזור להגדיר את הגבולות של קליפת המוח הראייתית הראשונית (V1) ואזורים נוספים (V2 ו-V3) באמצעות מפות של שלטי שדה (איור 3A), יחד עם ציוני דרך אנטומיים ואטלסים של FreeSurfer.
  11. כדי לחשב את תגובת BOLD באקסצנטריות שונות, השתמש תחילה ב- FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) כדי לחשב מפות סטטיסטיות באמצעות מודל ליניארי כללי עבור כל גודל של גירויי טבעת עם סף ציון z של Z > 2.322,23. אם מתבצע ניתוח קבוצתי, חשב את הניתוח ברמה השנייה עבור מפות סטטיסטיות של הבדלים קבוצתיים עם FSL Feat כדי לעזור לקבוע את תגובת BOLD באקסצנטריות שונות.
  12. רשמו במשותף את תמונות ה-fMRI על פני קליפת המוח המשוחזרות באמצעות הפקודות FreeSurfer bbregister ו-tkregister2 כדי להתאים את נתוני ה-fMRI של המשתתפים לתמונה המבנית האנטומית של מוחם ולהבטיח יישור מרחבי מדויק.
  13. קבץ את גירויי הטבעת לפי אקסצנטריות עבור כל אחת משמונה המסגרות. צייר באופן ידני אזורי עניין עבור אקסצנטריות שונות בהתבסס על אזורי הווקסל המופעלים עבור כל מסגרת. קחו את השינויים באחוזי BOLD והתוו אותם כפונקציה של אקסצנטריות. כמו כן, חלקו את נתוני האקסצנטריות לאזורים מרכזיים (< ±12°) והיקפיים (> ±12°), שבהם גירוי חזותי של ±12° אופייני למחקרי fMRI רטינוטופיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תשעה משתתפים שאובחנו עם POAG (ארבעה גברים, בגילאי 36-74) ותשעה מתנדבים בריאים תואמי גיל (שישה גברים, 53-65) הוערכו באמצעות פרוטוקול fMRI רחב הראייה שהוזכר לעיל, כפי שתואר קודם לכן על ידי Zhou et al3. POAG אושר קלינית בחולים עם זווית פתוחה על ידי הערכה של הצגת פגמים בשדה הראייה התואמים לגלאוקומה, כוסות רוח של דיסק אופטי ו / או לחץ תוך עיני (IOP) גדול מ -21 מ"מ כספית3. תצוגה חזותית רחבה (±55°) שימשה להערכת ראייה מרכזית והיקפית בכל קבוצה3.

איור 3 מתאר את מפות fMRI רטינוטופיות עבור גירויים קוטביים (טריז) ואקסצנטריות (טבעתית) ממשתתף POAG וממשתתף ביקורת בריא. מפות הקוטב (איור 3A) לא גילו הבדלים ברורים בין POAG לבין משתתפים בריאים. מפות האקסצנטריות (איור 3B) הראו שהאזור המרכזי של הפרפוביאה שהופעל על-ידי הגירויים הטבעתיים הקטנים יותר נראה גדול יותר אצל מטופל POAG בהשוואה למשתתף הבריא. האזור הפרה-פובי המוגדל בקליפת המוח הראייתית של משתתפי POAG מצביע על שינויים בקליפת המוח בתגובה להפרעות ראייה היקפיות.

הושוו שינויים באחוזים מודגשים עבור שדות ראייה מרכזיים (<24°) והיקפיים (>24°) בין תת-קבוצות POAG לבין קבוצת הביקורת הבריאה (איור 4). שינויים באחוזי BOLD באקסצנטריות שונות הופחתו בחולי POAG בהשוואה למשתתפי ביקורת בריאים, בעיקר באקסצנטריות פריפריאלית רבה יותר (איור 4A). השינויים באחוזי BOLD הופחתו משמעותית בין שתי הקבוצות, יותר באקסצנטריות גדולה יותר (p < 0.05, ANOVA דו-כיווני עם מבחן בונפרוני לאחר הוק). השינויים הממוצעים באחוזי BOLD עבור ראייה מרכזית (כל הגירויים <24°) הופחתו רק מעט ולא באופן משמעותי בחולי POAG, בעוד שתגובת BOLD עבור ראייה היקפית (כל הגירויים >24°) הופחתה באופן משמעותי (איור 4B). תוצאות אלה מצביעות על התועלת הפוטנציאלית של פרוטוקול זה להערכת שינויים בתפקוד קליפת המוח הראייתית המותאמת לראייה היקפית או מרכזית, הרלוונטית להפרעות ראייה כגון גלאוקומה.

Figure 1
איור 1: התקנה ניסיונית. (A) המראה ברוחב 25 ס"מ ובגובה 15 ס"מ המוחזקת במקומה עם מסגרת הבנויה מצינור PVC. (B) התקנת מערכת התצוגה על סורק MRI, המראה את החלק האחורי של סליל מערך ראש, את המראה והמסגרת, ואת מסך ההקרנה האחורית (חיצים) בבור ישירות מאחורי סליל הראש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: פרדיגמות גירוי חזותי. (A) שלוש מסגרות מפרדיגמת הגירוי החזותי הרטינוטופי הקוטבי, המורכבות מטריזים מסתובבים בכיוון השעון ונגד כיוון השעון עם תבנית לוח משבצות לסירוגין בניגודיות. (B) שלוש מסגרות מפרדיגמת האקסצנטריות, המורכבות מטבעות מתרחבות ומתכווצות עם תבנית לוח משבצות לסירוגין בניגודיות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: מפות קוטביות רטינוטופיות ואקסצנטריות. מפה קוטבית מייצגת (A) באמצעות טריז מסתובב מבקרה רגילה ו-(B) מפות אקסצנטריות המשתמשות בטבעות מתרחבות/מתכווצות מפקדה רגילה וממשתתף POAG. הן האונה השמאלית והן האונה הימנית (LH ו-RH) מוצגות עם גבולות קליפת המוח החזותיים המוגדרים (V1, V2 ו-V3). פריים אחד מכל פרדיגמה מוצג בכניסה המרכזית. סקאלות הצבעים ממופות לאזורים המתאימים בשדה הראייה, כפי שמצוין על ידי גלגלי הצבעים, כאשר א) מיפוי לזווית הקוטבית של גירויי הטריז, ו-ב) מיפוי לאקסצנטריות של הגירויים הטבעתיים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: שינויי אחוזי BOLD כפונקציה של אקסצנטריות ושדות ראייה מרכזיים או היקפיים. (A) ממוצע קבוצתי של שינויי BOLD מהגירויים הטבעתיים בקבוצת ביקורת בריאה ובחולי POAG כפונקציה של אקסצנטריות. אחוז השינוי המודגש עבור כל גודל של גירויי הטבעת, חושב כדי לתת את הנתונים בכל אקסצנטריות. (B) שינויים מודגשים באחוזים בין קבוצת ביקורת בריאה לבין חולי POAG של מרכז (< ±12°) ופריפריה (> ±12°) של שדה הראייה, על ידי כריכת נתונים מכל האקסצנטריות. נתונים הם ממוצע ± שגיאת תקן של הממוצע. *p < 0.05, ANOVA דו-שלבי עם מתאם פוסט-הוק. נתון זה שונה מ- Zhou et al.3 באישור. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הפרוטוקול הנ"ל לשימוש ב-fMRI רטינוטופי רחב טווח הוא שיטה חדשנית להערכת ההשפעות של אובדן ראייה ומחלות עיניים על המוח. באמצעות מיפוי רטינוטופי רחב שדה של קליפת המוח הראייתית באמצעות מסך רחב יותר, גישה זו מאפשרת הבנה מקיפה יותר של הארגון התפקודי של מערכת הראייה. זה יכול להוביל להבנה טובה יותר של חריגות במערכת עיבוד הראייה של המוח, אשר מתרחשת ניוון עצבי, כגון DrDeramus24,25. טכנולוגיה זו יכולה לשמש גם כדי לזהות ולנתח ניוון מוחי וארגון מחדש בתנאים אחרים הגורמים לעיוורון, כגון ניוון מקולרי הקשור לגיל26,27.

לעין אנושית אחת יש זווית ראייה של כ-100 מעלות. שיטות קודמות ששימשו ברוב מחקרי fMRI חזותי השתמשו ב-FOV של פחות מ-30°, מה שהגביל את החלק בקליפת המוח הראייתית שיכול להיות מופעל ומנותח על-ידי fMRI28. כתוצאה מכך, לא ניתן היה לדמיין את הראייה ההיקפית, מה שאילץ את כל הניתוחים להתמקד אך ורק בשדה הראייה המרכזי. מבחינה קלינית, זה מנע מרופאים לבצע במדויק מיפוי קליפת המוח לפני הניתוח, חיוני להימנעות ממקומות חיוניים בעת ביצוע ניתוחי מוח29. בעזרת טכניקת fMRI רטינוטופית רחבת ראייה המתוארת בפרוטוקול זה, זווית הראייה הוגדלה לעד 100° (±50°)3,30,31. כדי לאפשר תמונה רחבה ולהפחית את החסימה החזותית הנגרמת על ידי סליל הראש, משתמשים רק בחצי האחורי של סליל הראש. לסלילי ראש יש בדרך כלל חלון קטן יחסית, עם סורגים לרוחב המעכבים את היכולת לראות באופן מלא את הגירויים הרטינוטופיים הרחבים. עם זאת, שימוש רק בחלק האחורי של סליל הראש גורם לאי הומוגניות אות גדולה ברחבי המוח ומפחית את ה- SNR באזורים הקדמיים והמרכזיים. איכות התמונה וה-SNR של האונה העורפית האחורית לא אמורים להיות מושפעים במידה רבה32. עם זאת, ההשפעות המדויקות של שימוש רק בחלק האחורי של הסליל תלויות ככל הנראה בעיצוב סליל ספציפי (מספר וגודל סלילים מאורגנים), ולכן בדיקת SNR או יחס תנודות אות לרעש במספר נבדקים עם ובלי החלק הקדמי יכולה להיעשות אם קיים חשש לאובדן SNR משמעותי עם סלילנתון 32.

הגדרה נכונה של רצף MP-RAGE משוקלל T1 חיונית לרישום נכון של תמונות תפקודיות לתמונות מבניות במוח ברזולוציה גבוהה ולרישום אנטומי לתבניות או למחקרים קבוצתיים. כך, אנו מקבלים את התמונה המשוקללת T1 באמצעות סליל הראש כולו, מה שעלול לגרום לתנועה קלה של המשתתף ביחס לסריקת fMRI. יישור ה-fMRI לסריקה האנטומית הוא שלב ניתוח שגרתי, כך שלא אמורה להיות בעיה. לחלופין, רכישת התמונה המשוקללת T1 ללא הסליל הקדמי יכולה להיעשות, אך חוסר ההומוגניות של התמונה עלול להשפיע על איכות הרישום לתבנית התייחסות. כדי למנוע חפצי תנועה, חיוני לשתק כראוי את ראשו של המשתתף בתוך סליל הראש. ממצאי תנועה יכולים להתרחש באופן טבעי ללא ייצוב מתאים, אשר ישפיע לרעה על איכות נתוני fMRI שנאספו, מה שיוביל לתוצאות גרועות יותר מהניתוח. בעוד תיקון תנועה לאחר עיבוד הוא שגרתי עבור ניתוח fMRI, תנועות גדולות עדיין יכולות להשפיע על התוצאות, ולכן חשוב לבדוק סריקות פונקציונליות עבור איכות הנתונים ולהשליך מחקרים עם ממצאים עיקריים. בפרוטוקול זה, המשתתפים הונחו להתמקד בצלב לבן במשך 10 שניות, לפני ואחרי כל פרדיגמת גירוי חזותי, כדי לקבל נתוני BOLD בסיסיים. זה עזר להפחית את השונות של fMRI בנקודת ההתחלה, וגם איפשר למוחו של הנבדק להסתגל לצלילי הסורק ולבהירות מסך הרקע לפני שבדיקות הנתונים החזותיים בפועל החלו.

יש מגוון גישות חלופיות שניתן לשקול עבור fMRI בראייה רחבה. הגישה המתוארת כאן, באמצעות מסך/מראה גדולים עם חצי אחורי בלבד של סליל הראש, יכולה לספק תצוגה רחבה בינונית עד סביב 100° FOV 3,30. עלות יצירת המראה/מסך נמוכה מאוד (<100 דולר), בהנחה שמקרן סטנדרטי כבר זמין. גרקו ועמיתיו נקטו בגישה מעט שונה, כאשר המסך ממוקם אחרי המראה בנתיב האופטי, ישירות מול פניו של המצולם (במרחק של 7.5 ס"מ), ומספק זווית ראייהשל 80° 28. משקפיים תואמי MR נדרשו כדי שהמשתתפים יוכלו להתמקד במסך. אליס ועמיתיו השתמשו גם הם בגישה דומה, אך עם המקרן מוטה כלפי מטה על מראה בתחתית השעמום, אשר שיקפה את הגירויים ישירות על החלק העליון של הבור מעל פני המצולם, וסיפקה זווית ראייהשל 115° 32. התצוגה מעוותת על ידי השעמום המעוקל, מה שדורש את התמונות כדי שהגירויים יעוותו כדי לתקן. לאחרונה דווח על הרחבה של גישה זו עם מסך קעור מותאם אישית בחלק העליון של בור הסורק ושתי מראות שהצליחו לספק FOV רחב במיוחד של 175°34. חלק מהשיטות המדווחות הללו השתמשו בחלק הקדמי של סליל הראש ואחרות לא; עם זאת, ניתן להשתמש בכל אחת מהשיטות הללו בכל מקרה, עם SNR מעט גבוה יותר באמצעות הסליל הקדמי, אך עם פשרה של זווית ראייה מופחתת וחלקים משדה הראייה נחסמים. מגבלה אפשרית בכל השיטות המשתמשות במקרן היא שעבור מסך עם גודל ומיקום מותאמים אישית, יש להתאים את המקרן למיקוד ולגודל של התמונה המוקרנת על-ידי התאמת המקרן/עדשה, הזזת המקרן או קבלת עדשות מותאמות אישית אם השיטות הקודמות אינן מספיקות.

גישה אחרת השתמשה במוט פלסטיק שקוף עם קצה מעוקל כמו המסך, עם מקרן כדי לספק זווית ראייה מעט גדולה יותר של 120°, התואמת לשימוש בסליל הראש הקדמי מבלי להגביל את ה- FOV. עם זאת, רק גירוי מונוקולרי יכול להתבצע. יש צורך בעדשה מיוחדת למקרן, מה שמייקר את העלות, ויש להרכיב עדשות מגע כדי שהמשתתף יוכל להתמקד במסך, מה שמסבך את ההתקנה31. גישה דומה השתמשה בצרורות סיבים אופטיים כדי להעביר ולהציג ישירות תמונות מהמסך לעין המשתתף, שסיפקו זווית ראייה של עד 120°33. יש להרכיב גם עדשות מגע, וניתן לגרות רק עין אחת בכל פעם. שיטה זו דורשת חבילת סיבים אופטיים ארוכה ובצפיפות גבוהה, אשר יכולה להיות בעלת רזולוציה נמוכה יחסית עבור המצגת ועשויה להיות יקרה למדי33.

ליקוי ראייה ומחלות עיניים יכולים להשפיע על המבנה והתפקוד של קליפת המוח הראייתית. ניתן להשתמש ב-fMRI מודגש כדי להמחיש תפקוד רטינופי של קליפת המוח, אך רוב מערכות התצוגה החזותית המשמשות ל-fMRI מעוררות רק את שדה הראייה המרכזי. פרוטוקול זה מתאר את היישום של מערכת תצוגה רחבה עבור fMRI שניתן להשתמש בה כדי למפות באופן פונקציונלי את קליפת המוח הראייתית ההיקפית והמרכזית. ניתן להתקין מערכת זו בקלות ובעלות נמוכה באמצעות מקרנים נפוצים תואמי MR. אמנם עם כמה מגבלות, הפרוטוקול המתואר יש פוטנציאל לנתח פונקציות של קליפת המוח הראייתית המתאימה ראייה מרכזית והיקפית ברמה המאזנת עלות ודיוק. הנתונים שנאספו בשיטה זו ניתנים לניתוח כדי לקבוע הפעלה סלקטיבית המבוססת על סוגים שונים של גירויים חזותיים ותקשורת מוחית בין אזורים שונים לעיבוד חזותי. שיטה זו יכולה לשמש להערכת שינויים בתפקוד קליפת המוח הראייתית ההיקפית והמרכזית עקב אובדן ראייה ומחלות עיניים כגון גלאוקומה. לטכנולוגיה זו יש אפוא יישומים באבחון, ניהול וטיפול במחלות עיניים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות [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

החודש ב-JoVE גיליון 202
דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) של קליפת המוח הראייתית עם גירוי רטינוטופי רחב
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