Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Funksjonell magnetisk resonanstomografi (fMRI) av den visuelle cortex med bredsyns retinotopisk 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 utviklet teknikker for å kartlegge den visuelle cortex-funksjonen ved å utnytte mer av synsfeltet enn det som vanligvis brukes. Denne tilnærmingen har potensial til å forbedre evalueringen av synsforstyrrelser og øyesykdommer.

Abstract

Høyoppløselig retinotopisk oksygeneringsnivåavhengig (BOLD) funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) med bred visning kan brukes til å funksjonelt kartlegge perifer og sentral visuell cortex. Denne metoden for å måle funksjonelle endringer i den visuelle hjernen muliggjør funksjonell kartlegging av occipital lobe, stimulerende >100° (±50°) eller mer av synsfeltet, sammenlignet med standard fMRI visuelle presentasjonsoppsett som vanligvis dekker <30° av synsfeltet. Et enkelt visningsstimuleringssystem for BOLD fMRI kan settes opp ved hjelp av vanlige MR-kompatible projektorer ved å plassere et stort speil eller en skjerm nær motivets ansikt og bare bruke den bakre halvdelen av en standard hodespole for å gi en bred synsvinkel uten å hindre sikten. Det brede retinotopiske fMRI-kartet kan deretter avbildes ved hjelp av forskjellige retinotopiske stimuleringsparadigmer, og dataene kan analyseres for å bestemme den funksjonelle aktiviteten til visuelle kortikale regioner som svarer til sentral og perifert syn. Denne metoden gir et praktisk, lett å implementere visuelt presentasjonssystem som kan brukes til å evaluere endringer i perifer og sentral visuell cortex på grunn av øyesykdommer som glaukom og synstap som kan følge med dem.

Introduction

Funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) er en verdifull metode for å vurdere endringer i regional nevrovaskulær funksjon i den visuelle cortex som respons på stimuli, da endringer i regional blodstrøm korrelerer med aktivering av hjernegrupper 1,2. Høyoppløselige retinotopiske blodoksygeneringsnivåavhengige (BOLD) signalmålinger representerer endringer i deoksyhemoglobin, som drives av lokaliserte endringer i blodstrøm og oksygenering av blodi hjernen 1,2. BOLD aktivitetsmønstre samlet fra fMRI-data kan brukes til å funksjonelt kartlegge perifer og sentral visuell cortex, samt oppdage endringer i retinotopkartet som respons på synshemming og nevrodegenerasjon3.

De fleste tidligere fMRI-studier benyttet smalsyn (ca. ±12° av det sentrale synsfeltet) ikke-retinotopiske stimuli eller enkle retinotopiske stimuli med smalsynte stimuli, som ga begrenset funksjonell parcellasjon av retinotopisk representasjon i synsbarken og begrenset vurdering til kun det sentrale synsfeltet, unntatt periferien3. Følgelig har fMRI-data med smal visning rapportert inkonsekvente BOLD-prosentendringer hos DrDeramus-pasienter 4,5,6. Det er derfor behov for forbedrede fMRI-tilnærminger for å vurdere det perifere og sentrale synsfeltet, spesielt i evalueringen av sykdommer som glaukom.

Glaukom er den viktigste årsaken til irreversibel blindhet, som påvirker 10% av mennesker i en alder av 807. Glaukom er forårsaket av den progressive, irreversible nevrodegenerasjonen av retinale ganglionceller, som er ansvarlige for overføring av visuelle stimuli til hjernen gjennom optisk nerve. I primær åpenvinklet glaukom (POAG), den vanligste formen for glaukom, forårsaker økt intraokulært trykk tynning av retinal nervefiberlaget (RNFL), noe som fører til tap av perifert syn etterfulgt av perifer og sentral blindess 8,9,10,11. Histologiske bevis fra dyreforsøk tyder på at DrDeramus i tillegg resulterer i progressiv nevrodegenerasjon av synsnerven, optisk kanal, lateral genikulær kjerne, optisk stråling og visuell cortex12,13. MR-teknologi tilbyr en minimalt invasiv metode for å vurdere både oksygenering av blod og nevrodegenerasjon i den visuelle cortex. Hos pasienter med glaukom har MR funnet holdepunkter for gråstoffatrofi i synsveien 13,14,15,16 og unormal hvit substans i synschiasme, optisk kanal og optisk stråling 1,17,18.

For ytterligere å utforske effektene på visuell behandling, kan fMRI brukes til å oppdage hjernefunksjon som svar på visuelle signaler. Protokollen her beskriver en ny metode for å oppnå et billig, bredt sett retinotopisk kart ved bruk av høyoppløselig retinotopi fMRI med bredfeltstimuli (>100°), som beskrevet av Zhou et al3. Visuelle stimuli av ekspanderende ringer og roterende kiler ble brukt for å fremkalle retinotopisk kartlegging av eksentrisitet og polarvinkel for fMRI. BOLD fMRI-prosentendringer ble analysert som en funksjon av eksentrisitet for å evaluere hjernefunksjonen, tilsvarende både sentralt og perifert syn. BOLD fMRI-prosentendringen kan brukes til å visualisere aktivering gjennom hele den visuelle cortex. Disse fMRI-tiltakene gir en pålitelig ny metode for å evaluere neurodegenerative endringer og deres funksjonelle effekter på den visuelle cortex funnet i øyesykdommer som involverer synsfeltdefekter, som DrDeramus.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forskning med menneskelige deltakere ble utført i samsvar med institusjonelle retningslinjer ved University of Texas Health Science Center og Stony Brook University, med informert samtykke innhentet fra deltakerne for disse studiene og bruk av deres data.

1. Oppsett av MR-skanner og bildeprotokoller

  1. For fMRI, bruk en 3T MR-skanner med flerkanals mottakerhodespoler. Ulike feltstyrker kan også brukes, men kan by på problemer med signal-støy-forhold (SNR) eller forvrengningsartefakter, så juster deretter. Bruk bare den bakre halvdelen av hodespolen for fMRI for å tillate en større synsvinkel uhindret av den fremre halvdelen av spolen.
  2. Sette opp en T1-vektet magnetiseringsforberedt rask oppkjøpsgradientekkosekvens (MP-RAGE) med en repetisjonstid (TR) på 2,2 s, ekkotid (TE) på 2,8 ms, synsfelt (FOV) på 176 mm x 256 mm x 208 mm, romlig oppløsning på 1 mm x 1 mm x 1 mm, båndbredde på 190 Hz/piksel, vendevinkel på 13°, og en skanningsvarighet på 3,1 min3.
  3. Sett opp en gradient-ekko, ekko-planar imaging (EPI) sekvens med en TR på 2 s, TE på 30 ms, FOV på 220 mm x 220 mm, in-plane oppløsning 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 dimensjonene til hodespolen og skannerboringen, og konstruer deretter en enkel ramme ved å kutte et polyvinylklorid (PVC) rør i passende lengder og koble dem med PVC-albuer. Få et speil som er minst 25 cm bredt og 15 cm høyt og fest det til en plaststang med skruer (små hull kan bores inn i speilet).
    1. Fest endene av plaststangen til PVC-rammen med nylonskruer (figur 1A). Forsikre deg om at nylonskruene er litt løse slik at speilet kan roteres for hånd for å optimalisere vinkelen for hver deltaker.
  5. Lag en skjerm for å gå inn i MR-boringen. Klipp et segment av en bakprojeksjonsskjerm som er omtrent på størrelse med MR-boringen. Konstruer en ramme som er på størrelse med boringen og fest skjermen til rammen med skruer. Plasser skjermen inne i skanneren rett bak hodespolen for å minimere avstanden mellom skjermen og speilet og maksimere FOV.
    MERK: Hvis skannerboringen er stor nok, kan en enkelt skjerm brukes for deltakeren å se direkte i stedet for speilet og bakprojeksjonsskjermoppsettet. En projeksjonsskjerm festet til et tynt treplate for bakside eller et ark med tynn matt hvit plast kan brukes som skjerm og plasseres på rammen i stedet for et speil. Projektoren skal da plasseres og fokuseres, slik at den fyller skjermen og er i fokus.

2. Forberedelse av deltakere

  1. Informer deltakeren om prosedyren, risikoen og fordelene ved fMRI-skanningen. Få deres informerte samtykke.
  2. Sørg for at deltakeren ikke har noen kontraindikasjoner for MR. Dette inkluderer screening for pacemakere, metallimplantater eller klaustrofobi. Hvis du er usikker, ta kontakt med en kvalifisert radiolog eller forsker, og ekskluder deltakeren fra studien hvis det fortsatt er usikkerhet.
  3. Forklar den visuelle stimuleringsprotokollen og behovet for deltakerne å fiksere på det sentrale korset under fMRI-skanningene. Vis deltakeren en kort demonstrasjon av visuell stimulering for instruksjonsformål for å gjøre dem kjent med prosedyren.
  4. Plasser deltakeren forsiktig på bordet til MR-skanneren for å sikre at de er komfortable og avslappede. Gi ørepropper og / eller et lyddempende headset for å redusere den akustiske støyen deltakeren vil høre for å beskytte hørselen.
  5. Immobiliser deltakerens hode i den bakre halvdelen av hodespolematrisen, ved hjelp av skumpolstring på sidene av hodet for å sikre at hodet er riktig immobilisert for å redusere bevegelsesartefakter. Bruk skannerens posisjoneringssystem og flytt bordet inn i skannerboringen.
  6. Plasser vidvinkelskjermen eller speilet 10 cm fra pasientens øyne (figur 1B). Plasser skjermen på størrelse med boring fra baksiden av skannerboringen like bak hodespolen. Juster posisjonen og vinkelen til speilet/skjermen for hver deltaker for å oppnå en konsekvent synsvinkel.
  7. Sørg for at deltakeren er komfortabel gjennom hele skanningen via kommunikasjon gjennom intercom.

3. fMRI-skanning av deltaker

  1. Kjør en lokaliseringsskanning med tre ortogonale plan og skannerjusteringer og kalibreringer for frekvensjustering og glimming.
  2. Kjør en MP-RAGE anatomisk skanning for å hjelpe til med å plassere EPI-stykkene.
  3. Lag visuelle stimuli, som beskrevet i de følgende trinnene, ved hjelp av et program for å kjøre atferdsmessige eller psykologiske eksperimenter.
  4. Ved starten av fMRI-protokollen, instruer deltakeren om å fiksere på det hvite korset (3 ° x 3 °), som skal være på toppen av en grå bakgrunn i midten av stimuli i 10 s.
    MERK: Det hvite korset vil bli vist før og etter hvert visuelle stimuleringsparadigme i 10 sekunder. Dermed er den totale fMRI-stimuleringstesten for hvert paradigme 200 s.
  5. Presenter det første visuelle stimuleringsparadigmet (en serie roterende kiler) i en periode på 30 s (som gir en vinkelhastighet på 6 ° / s) og bla gjennom seks perioder. Kilestimuli bør inkludere 12 bilder med roterende kiler (en skanning med rotasjon med urviseren og en med mot klokken), som strekker seg til kanten av skjermen/speilet (>100° synsfelt), med et 8 Hz kontrastreverserende svart-hvitt (100 % kontrast) sjakkbrettmønster (figur 2A).
  6. Presenter det hvite korset igjen i 10 s.
  7. Gjenta trinn 3.4-3.6 med det andre visuelle stimuleringsparadigmet (en serie ekspanderende og sammentrekkende ringer) i en periode på 30 s (utvide eller trekke seg sammen ved 1.8 ° / s av synsfeltet) og bla gjennom seks perioder. Ringstimuli bør inkludere åtte rammer med ekspanderende eller sammentrekkende ringer (>100° synsfelt), med et 8 Hz kontrastreverserende svart-hvitt (100 % kontrast) sjakkbrettmønster (figur 2B).
  8. Etter å ha fullført fMRI, flytt bordet ut av skannerboringen mens du instruerer deltakeren om å holde seg i ro. Fjern speilet/skjermen, plasser den fremre delen av hodespolen i tillegg til baksiden, og flytt bordet tilbake til midten av skanneren.
  9. Skaff deg en rask lokaliseringsskanning i tilfelle bevegelse og skaff deg en MP-RAGE-skanning med full hodespole.
    MERK: Et anatomisk bilde med hele hodespolen er nødvendig for nøyaktig registrering for gruppeanalyser og rekonstruksjonsformål.

4. Analyse av retinotopiske fMRI-data

  1. Last ned og installer FreeSurfer-applikasjonen for MR-analyse (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
    MERK: FreeSurfer versjon 5.3.0 ble brukt her.
  2. Få bilder i Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) format fra MR-skanneren. Konverter DICOM-filene til nifti-format ved hjelp av dcm2niix-applikasjonen (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21.
  3. Behandle den T1-vektede skanningen for å gi en kortikal overflatereferanse, som beskrevet i de følgende to trinnene. Bruk FreeSurfer til å konvertere strukturdata fra nifti-format til .mgz-format (mri_convert-kommando).
  4. Bruk recon-all-kommandoen i et skallmiljø for å utføre automatisert segmentering og kortikal rekonstruksjon av strukturdataene.
    MERK: Dette trinnet kan ta over 20 timer å fullføre.
  5. Bruk det grafiske brukergrensesnittet tksurfer for å se den oppblåste halvkule og praktisk talt kutte den visuelle cortex langs calcarine sprekken, og velg occipital lobe. Bruk kommandoen mris_flatten til å gjøre den visuelle cortex-patchen flat. Gjenta dette trinnet for begge halvkule.
  6. For fMRI-dataene, fjern først hvileperiodene, med bare fikseringskrysset presentert, fra starten og slutten av dataene. Screene fMRI-dataene for artefakter eller store bevegelser.
  7. Forhåndsbehandle funksjonsdataene for romlig utjevning og bevegelseskorrigering. Modellere retinotopisk stimulusparadigme og anvende en kanonisk hemodynamisk responsfunksjon for å konstruere responsfunksjonen.
  8. Utføre retinotopisk fasekodet analyse av fMRI-dataene ved hjelp av FreeSurfer funksjonsanalysestrøm (mkanalysis-sess, selxavg3-sess og fieldsign-sess-kommandoer) for å korrelere BOLD fMRI-tidsserien med en modellert responsfunksjon og få fasekodede retinotopiske kart, med signifikansnivå på p < 0,01 (figur 3).
  9. Visualiser resultatene av retinotopiske kart med fargekodede aktiveringskart lagt på den nesten flate visuelle cortex ved hjelp av kommandoen tksurfer-sess, og vis ved hjelp av rtview-kommandoen.
  10. Bruk de fasekodede retinotopiske kartene fra kilestimuli for å definere grensene for den primære visuelle cortex (V1) og andre ekstra strikkede områder (V2 og V3) ved hjelp av feltskiltkart (figur 3A), sammen med anatomiske landemerker og FreeSurfer-atlas.
  11. For å beregne BOLD-responsen ved forskjellige eksentrisiteter, bruk først FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) for å beregne statistiske kart ved hjelp av en generell lineær modell for hver størrelse av ringstimuli med en z-score terskel på Z >2.3 22,23. Hvis gruppeanalyse utføres, beregner du analyse på andre nivå for statistiske kart over gruppeforskjeller med FSL Feat for å bestemme BOLD-responsen ved forskjellige eksentrisiteter.
  12. Registrer fMRI-bildene på den rekonstruerte kortikale overflaten ved hjelp av kommandoene FreeSurfer bbregister og tkregister2 for å justere deltakerens fMRI-data til det anatomiske strukturelle bildet av hjernen og sikre nøyaktig romlig justering.
  13. Grupper ringstimuli etter eksentrisitet for hver av de åtte rammene. Tegn manuelt interesseområder for forskjellige eksentrisiteter basert på de aktiverte voxelområdene for hver ramme. Ta de dristige prosentendringene og plott dem som en funksjon av eksentrisitet. Sett også eksentrisitetsdataene inn i sentrale (< ±12°) og perifere (> ±12°) regioner, hvor en ±12° visuell stimulus er typisk for retinotopiske fMRI-studier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ni deltakere diagnostisert med POAG (fire menn, 36-74 år) og ni aldersmatchede friske frivillige (seks menn, 53-65) ble evaluert ved hjelp av den nevnte vidsyn fMRI-protokollen, som tidligere beskrevet av Zhou et al3. POAG ble bekreftet klinisk hos pasienter med åpen vinkel ved vurdering av presentasjon av synsfeltdefekter forenlig med glaukom, optisk skivekopping og/eller intraokulært trykk (IOP) større enn 21 mmHg3. En vidsynspresentasjon (±55°) ble brukt til å evaluere sentral- og perifert syn i hver gruppe3.

Figur 3 viser retinotopiske fMRI-kart for polare (kile) og eksentriske (ring) stimuli fra en POAG og frisk kontrolldeltaker. Polarkartene (figur 3A) viste ingen åpenbare forskjeller mellom POAG og friske deltakere. Eksentrisitetskartene (figur 3B) viste at den sentrale delen av parafovea som ble aktivert av de mindre ringstimuliene, virket større hos POAG-pasienten sammenlignet med den friske deltakeren. Den forstørrede parafoveale regionen i POAG-deltakernes visuelle cortex antyder kortikale endringer som respons på perifere synsforstyrrelser.

Fet prosentvis endringer for sentrale (<24°) og perifere (>24°) synsfelt mellom POAG-undergrupper og den friske kontrollgruppen ble sammenlignet (figur 4). Fet prosentvis endring ved ulike eksentrisiteter ble redusert hos POAG-pasienter sammenlignet med friske kontrolldeltakere, primært ved mer perifere eksentrisiteter (figur 4A). BOLD-prosentendringene ble signifikant redusert mellom de to gruppene, mer ved større eksentrisiteter (p < 0,05, toveis ANOVA med Bonferroni post hoc-test). BOLD-prosentendringene i gjennomsnitt for sentralsyn (alle stimuli <24°) var bare litt og ikke signifikant redusert hos POAG-pasienter, mens BOLD-responsen for perifert syn (alle stimuli >24°) var signifikant redusert (figur 4B). Disse resultatene indikerer denne protokollens potensielle nytte for å vurdere endringer i visuell cortex-funksjon lokalisert til perifert eller sentralsyn, noe som er relevant for synsforstyrrelser som DrDeramus.

Figure 1
Figur 1: Eksperimentelt oppsett. (A) Det 25 cm brede og 15 cm høye speilet holdes på plass med en ramme konstruert av PVC-rør. (B) Oppsett av presentasjonssystemet på en MR-skanner, som viser den bakre delen av en hodespole, speilet og rammen, og bakprojeksjonsskjermen (pilene) i boringen rett bak hodespolen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Visuelle stimuleringsparadigmer. (A) Tre rammer fra det polare retinotopiske visuelle stimuleringsparadigmet, som består av spinnende kiler med urviseren og mot klokken med et kontrastvekslende sjakkbrettmønster. (B) Tre rammer fra eksentrisitetsparadigmet, som består av ekspanderende og sammentrekkende ringer med et kontrastvekslende sjakkbrettmønster. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Retinotopiske polar- og eksentrisitetskart. Representativt (A) polarkart som bruker en roterende kile fra en normal kontroll og (B) eksentrisitetskart som bruker ekspanderende / kontraherende ringer fra en normal kontroll og en POAG-deltaker. Både venstre og høyre hjernehalvdel (LH og RH) er vist med definerte visuelle kortikale grenser (V1, V2 og V3). En ramme fra hvert paradigme vises i den sentrale innfellingen. Fargeskalaene kartlegges til de tilsvarende områdene i synsfeltet, som indikert av fargehjulene, med A) kartlegging til polarvinkelen til kilestimuliene, og B) kartlegging til eksentrisiteten til ringstimuliene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: BOLD prosent endringer som funksjon av eksentrisitet og sentrale eller perifere synsfelt. (A) Gruppegjennomsnittlige BOLD-prosentendringer fra ringstimuli hos friske kontroller og POAG-pasienter som en funksjon av eksentrisitet. Den dristige prosentvise endringen for hver størrelse på ringstimuli ble beregnet for å gi dataene ved hver eksentrisitet. (B) Fet prosentvis endring mellom friske kontroll- og POAG-pasienter i sentralt (< ±12°) og perifert (> ±12°) av synsfeltet, ved å binning data fra alle eksentrisiteter. Data er gjennomsnittlig ± standardfeil av gjennomsnittet. *p < 0,05, tofaktor ANOVA med post hoc-korrelasjon. Denne figuren er modifisert fra Zhou et al.3 med tillatelse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ovennevnte protokoll for bruk av bredsyn retinotopisk fMRI er en innovativ metode for å evaluere effekten av synstap og øyesykdommer på hjernen. Gjennom bredfelts retinotopisk kartlegging av den visuelle cortex ved bruk av en bredere skjerm, gir denne tilnærmingen en mer omfattende forståelse av det visuelle systemets funksjonelle organisasjon. Dette kan føre til en bedre forståelse av abnormiteter i hjernens visuelle prosesseringssystem, som oppstår i nevrodegenerasjon, som i DrDeramus 24,25. Denne teknologien kan også brukes til å oppdage og analysere hjernedegenerasjon og omorganisering under andre forhold som forårsaker blindhet, for eksempel aldersrelatert makuladegenerasjon26,27.

Et enkelt menneskelig øye har omtrent 100° synsvinkel. Tidligere teknikker brukt i de fleste visuelle fMRI-studier brukte en FOV på mindre enn 30°, noe som begrenset den delen av den visuelle cortex som kunne aktiveres og analyseres av fMRI28. Følgelig kunne ikke perifert syn visualiseres, noe som tvang alle analyser til å være fokusert utelukkende på det sentrale synsfeltet. Klinisk forhindret dette klinikere i å utføre preoperativ kortikal kartlegging nøyaktig, noe som er avgjørende for å unngå vitale lokalisasjoner når de utfører hjerneoperasjoner29. Med den brede retinotopiske fMRI-teknikken beskrevet i denne protokollen, er synsvinkelen økt til opptil 100° (±50°)3,30,31. For å tillate et vidvinkelbilde og redusere visuell hindring forårsaket av hodespolen, brukes bare den bakre halvdelen av hodespolen. Hodespoler har vanligvis et relativt lite vindu, med stenger på tvers som hindrer muligheten til å se retinotopiske stimuli med bred visning fullt ut. Imidlertid forårsaker bruk av bare den bakre delen av hodespolen stor signalinhomogenitet over hjernen og reduserer SNR i de fremre og sentrale områdene. Bildekvaliteten og SNR i bakre oksipitallapp bør ikke påvirkes i stor grad32. Imidlertid avhenger de eksakte effektene av å bruke bare den bakre delen av spolen sannsynligvis av en bestemt spoledesign (antall og størrelse på arrayed coils), så testing av SNR eller signal-til-støy-svingningsforholdet i noen få med og uten den fremre delen kan gjøres hvis det er bekymring for betydelig SNR-tap med en gitt spole32.

Riktig oppsett av T1-vektet MP-RAGE-sekvens er avgjørende for riktig registrering av funksjonelle bilder til høyoppløselige hjernestrukturelle bilder og for anatomisk registrering til maler eller for gruppestudier. Som sådan får vi det T1-vektede bildet ved hjelp av hele hodespolen, noe som kan resultere i liten bevegelse av deltakeren i forhold til fMRI-skanningen. Justering av fMRI til den anatomiske skanningen er et rutinemessig analysetrinn, så dette bør ikke være et problem. Alternativt kan anskaffelse av det T1-vektede bildet uten fremre spole gjøres, men bildets inhomogenitet kan påvirke kvaliteten på registreringen til en referansemal. For å unngå bevegelsesartefakter er det avgjørende å immobilisere deltakerens hode riktig i hodespolen. Bevegelsesartefakter kan naturlig oppstå uten riktig stabilisering, noe som vil påvirke kvaliteten på fMRI-dataene som samles inn negativt, noe som fører til dårligere resultater fra analysen. Mens etterbehandling av bevegelseskorreksjon er rutine for fMRI-analyse, kan store bevegelser fortsatt påvirke resultatene, så det er viktig å sjekke funksjonelle skanninger for datakvalitet og forkaste studier med store artefakter. I denne protokollen ble deltakerne instruert til å fokusere på et hvitt kryss i 10 s, både før og etter hvert visuelt stimuleringsparadigme, for å oppnå baseline BOLD-data. Dette bidro til å redusere variasjonen i fMRI ved baseline, og tillot også motivets hjerne å tilpasse seg skannerlydene og lysstyrken på bakgrunnsskjermen før de faktiske visuelle datatestene begynte.

Det finnes en rekke alternative tilnærminger som kan vurderes for vidsyn fMRI. Tilnærmingen beskrevet her, ved hjelp av en stor skjerm / speil med bare den bakre halvdelen av hodespolen, kan gi en moderat vidvinkel opp til rundt en 100 ° FOV 3,30. Kostnaden for å lage speilet / skjermen er svært lav (potensielt 28. MR-kompatible briller var nødvendig for at deltakeren skulle kunne fokusere på skjermen. Ellis et al. brukte også en lignende tilnærming, men med projektoren vippet ned på et speil på bunnen av boringen, som reflekterte stimuli direkte på toppen av boringen over motivets ansikt, noe som gir en 115 ° visuell vinkel32. Utsikten er forvrengt av den buede boringen, noe som krever at bildene for at stimuliene skal fordreies for å korrigere. En utvidelse av denne tilnærmingen ble nylig rapportert med en tilpasset buet skjerm på toppen av skannerboringen og to speil som kunne gi en ultrabred FOV på 175°34. Noen av disse rapporterte metodene brukte den fremre delen av hodespolen og andre gjorde det ikke; Imidlertid kan noen av disse metodene brukes uansett, med potensielt en litt høyere SNR ved bruk av den fremre spolen, men med avveiningen av redusert synsvinkel og deler av synsfeltet blokkert. En potensiell begrensning med alle metoder som bruker en projektor er at projektoren må justeres for fokus og størrelse på det projiserte bildet ved å justere projektoren / linsen, flytte projektoren eller få tilpassede linser hvis de tidligere metodene ikke er tilstrekkelige.

En annen tilnærming brukte en gjennomsiktig plaststang med en buet ende som skjermen, med en projektor for å gi en litt større visuell vinkel på 120 °, som er kompatibel med å bruke den fremre hodespolen uten å begrense FOV. Imidlertid kan bare monokulær stimulering utføres. En spesiell linse til projektoren er nødvendig, noe som øker kostnadene, og kontaktlinser må brukes for at deltakeren skal kunne fokusere på skjermen, noe som kompliserer oppsettet31. En lignende tilnærming brukte fiberoptiske bunter for direkte å overføre og presentere bilder fra en skjerm til en deltakers øye, noe som ga en visuell vinkel på opptil 120 ° 33. Kontaktlinser må også brukes, og bare et enkelt øye kan stimuleres om gangen. Denne metoden krever en lang fiberoptisk bunt med høy tetthet, som kan ha relativt lav oppløsning for presentasjonen og kan være moderat dyr33.

Synshemming og øyesykdom kan påvirke strukturen og funksjonen til den visuelle cortex. BOLD fMRI kan brukes til å visualisere retinotopisk kortikal funksjon, men de fleste visuelle presentasjonssystemer som brukes til fMRI stimulerer bare det sentrale synsfeltet. Denne protokollen beskriver implementeringen av et vidvinkelpresentasjonssystem for fMRI som kan brukes til funksjonell kartlegging av perifer og sentral visuell cortex. Dette systemet kan settes opp enkelt og til en lav kostnad ved hjelp av vanlige MR-kompatible projektorer. Selv med noen begrensninger, har den beskrevne protokollen potensial til å analysere funksjoner i den visuelle cortex som svarer til sentral og perifer syn på et nivå som balanserer kostnad og presisjon. Dataene som samles inn gjennom denne metoden kan analyseres for å bestemme selektiv aktivering basert på ulike typer visuelle stimuli og hjernekommunikasjon mellom ulike områder for visuell behandling. Denne metoden kan brukes til å evaluere endringer i funksjonen av perifer og sentral visuell cortex på grunn av synstap og øyesykdommer som glaukom. Denne teknologien har derfor applikasjoner i diagnostisering, styring og behandling av øyesykdommer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av 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 måneden i JoVE utgave 202
Funksjonell magnetisk resonanstomografi (fMRI) av den visuelle cortex med bredsyns retinotopisk 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