Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) зрительной коры с широкоугольной ретинотопической стимуляцией

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

Мы разработали методы картирования функции зрительной коры с использованием большего количества поля зрения, чем обычно используется. Этот подход имеет потенциал для улучшения оценки нарушений зрения и заболеваний глаз.

Abstract

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) с высоким разрешением, зависящая от уровня оксигенации крови (BOLD) с широким обзором, может быть использована для функционального картирования периферической и центральной зрительной коры. Этот метод измерения функциональных изменений зрительного мозга позволяет функционально картировать затылочную долю, стимулируя >100° (±50°) или более поля зрения, по сравнению со стандартными установками визуального представления фМРТ, которые обычно охватывают <30° поля зрения. Простая широкоугольная система стимуляции для BOLD fMRI может быть настроена с помощью обычных МР-совместимых проекторов, поместив большое зеркало или экран близко к лицу субъекта и используя только заднюю половину стандартной головной катушки, чтобы обеспечить широкий угол обзора, не мешая обзору. Широкоугольная карта ретинотопической фМРТ может быть затем визуализирована с использованием различных парадигм ретинотопической стимуляции, и данные могут быть проанализированы для определения функциональной активности областей зрительной коры, соответствующих центральному и периферическому зрению. Этот метод обеспечивает практичную, простую в реализации систему визуального представления, которая может быть использована для оценки изменений в периферической и центральной зрительной коре из-за заболеваний глаз, таких как глаукома, и потери зрения, которая может им сопутствовать.

Introduction

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) является ценным методом для оценки изменений регионарной сосудисто-нервной функции в зрительной коре в ответ на стимулы, поскольку изменения в регионарном кровотоке коррелируют с активацией областей мозга 1,2. Измерения сигналов, зависящих от уровня оксигенации крови (BOLD) с высоким разрешением, отражают изменения в дезоксигемоглобине, которые обусловлены локальными изменениями кровотока и оксигенации крови в головном мозге 1,2. Паттерны активности BOLD, собранные из данных фМРТ, могут быть использованы для функционального картирования периферической и центральной зрительной коры, а также для обнаружения изменений в ретинотопической карте в ответ на нарушение зрения и нейродегенерацию.

В большинстве предыдущих исследований фМРТ использовались неретинотопические стимулы узкого обзора (около ±12° центрального поля зрения) или простые ретинотопические стимулы с узкими зрительными стимулами, которые обеспечивали ограниченную функциональную парцелляцию ретинотопического представления в зрительной коре и ограничивали оценку только центральным полем зрения, исключая периферию3. Следовательно, данные фМРТ узкого обзора сообщают о противоречивых процентных изменениях BOLD у пациентов с глаукомой 4,5,6. В связи с этим существует потребность в улучшении подходов фМРТ к оценке периферического и центрального поля зрения, особенно при оценке таких заболеваний, как глаукома.

Глаукома является основной причиной необратимой слепоты, поражая 10% людей в возрасте до 80лет7. Глаукома вызывается прогрессирующей, необратимой нейродегенерацией ганглиозных клеток сетчатки, которые отвечают за передачу зрительных стимулов в мозг через зрительный нерв. При первичной открытоугольной глаукоме (ПОУГ), наиболее распространенной форме глаукомы, повышение внутриглазного давления вызывает истончение слоя нервных волокон сетчатки (RNFL), что приводит к потере периферического зрения с последующей периферической и центральной слепотой 8,9,10,11. Гистологические данные, полученные в исследованиях на животных, свидетельствуют о том, что глаукома дополнительно приводит к прогрессирующей нейродегенерации зрительного нерва, зрительного тракта, латерального коленчатого ядра, оптического излучения и зрительной коры12,13. Технология МРТ предлагает минимально инвазивный метод оценки как оксигенации крови, так и нейродегенерации в зрительной коре. У пациентов с глаукомой МРТ обнаружила признаки атрофии серого вещества в зрительном пути 13,14,15,16 и аномального белого вещества в зрительной хиазме, зрительном тракте и оптическом излучении 1,17,18.

Для дальнейшего изучения влияния на обработку зрительной информации, фМРТ может быть использована для определения функций мозга в ответ на визуальные сигналы. В данном протоколе описывается новый метод получения недорогой широкоугольной ретинотопической карты с использованием ретинотопической фМРТ высокого разрешения с широкоугольными (>100°) стимулами, описанный Zhou et al3. Визуальные стимулы в виде расширяющихся колец и вращающихся клиньев использовались для получения ретинотопического картирования эксцентриситета и полярного угла для фМРТ. Процентные изменения БОЛД фМРТ были проанализированы как функция эксцентриситета для оценки функции мозга, соответствующей как центральному, так и периферическому зрению. Процентное изменение BOLD fMRI может быть использовано для визуализации активации по всей зрительной коре. Эти измерения фМРТ представляют собой новый надежный метод оценки нейродегенеративных изменений и их функционального влияния на зрительную кору, обнаруженных при заболеваниях глаз, связанных с дефектами поля зрения, таких как глаукома.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Исследования с участием людей проводились в соответствии с институциональными рекомендациями Научного центра здоровья Техасского университета и Университета Стоуни-Брук, с получением информированного согласия участников на эти исследования и использование их данных.

1. Настройка МРТ-сканера и протоколов визуализации

  1. Для фМРТ используйте МРТ-сканер 3 Т с многоканальными катушками приемной головки. Также можно использовать различные напряженности поля, но могут возникнуть трудности с отношением сигнал/шум (SNR) или артефактами искажений, поэтому отрегулируйте их соответствующим образом. Используйте только заднюю половину головной катушки для фМРТ, чтобы обеспечить больший угол обзора, не загораживаемый передней половиной катушки.
  2. Настройка последовательности эхо-сигналов быстрого захвата с быстрым градиентом захвата (MP-RAGE), подготовленной по шкале T1, с временем повторения (TR) 2,2 с, временем эхо-сигнала (TE) 2,8 мс, полем зрения (FOV) 176 мм x 256 мм x 208 мм, пространственным разрешением 1 мм x 1 мм x 1 мм, полосой пропускания 190 Гц/пиксель, углом поворота 13°, и продолжительность сканирования 3,1 мин3.
  3. Настройте последовательность градиентного эхо-эхо-планарного изображения (EPI) с TR 2 с, TE 30 мс, полем зрения 220 мм x 220 мм, разрешением в плоскости 1,7 мм x 1,7 мм, 29 срезов толщиной 3 мм и полосой пропускания 1 500 Гц/пиксель3.
  4. Измерьте размеры катушки головки и отверстия сканера, а затем соорудите простую раму, разрезав трубу из поливинилхлорида (ПВХ) на подходящие длины и соединив их коленами из ПВХ. Приобретите зеркало шириной не менее 25 см и высотой 15 см и прикрепите его к пластиковому стержню винтами (в зеркале можно просверлить небольшие отверстия).
    1. Прикрепите концы пластикового стержня к раме из ПВХ с помощью нейлоновых винтов (рисунок 1А). Убедитесь, что нейлоновые винты немного ослаблены, чтобы зеркало можно было поворачивать вручную, чтобы оптимизировать угол для каждого участника.
  5. Сделайте экран для входа внутрь отверстия МРТ. Отрежьте сегмент экрана обратной проекции, размер которого примерно равен диаметру отверстия для МРТ. Соорудите рамку размером с отверстие и прикрепите экран к раме с помощью винтов. Поместите экран внутрь сканера сразу за катушкой головки, чтобы свести к минимуму расстояние между экраном и зеркалом и максимизировать поле зрения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если отверстие сканера достаточно большое, участник может использовать один экран для непосредственного просмотра вместо зеркала и экрана обратной проекции. Проекционный экран, прикрепленный к тонкому листу дерева для подложки или листу тонкого матового белого пластика, можно использовать в качестве экрана и разместить на раме вместо зеркала. Затем проектор должен быть расположен и сфокусирован таким образом, чтобы он заполнял весь экран и находился в фокусе.

2. Подготовка участников

  1. Проинформируйте участника о процедуре, рисках и преимуществах фМРТ-сканирования. Получите их информированное согласие.
  2. Убедиться в том, что у участника нет противопоказаний к проведению МРТ. Это включает в себя скрининг на кардиостимуляторы, металлические имплантаты или клаустрофобию. Если у вас есть какая-либо неопределенность, проконсультируйтесь с квалифицированным радиологом или исследователем и исключите участника из исследования, если какая-либо неопределенность остается.
  3. Объясните протокол зрительной стимуляции и необходимость фиксации участников на центральном кресте во время фМРТ-сканирования. Покажите участнику короткую демонстрацию визуальной стимуляции в учебных целях, чтобы ознакомить его с процедурой.
  4. Осторожно расположите участника на столе МРТ-сканера, чтобы убедиться, что он чувствует себя комфортно и расслабленно. Обеспечьте беруши и/или звукопоглощающую гарнитуру, чтобы уменьшить акустический шум, который будет слышать участник, и защитить свой слух.
  5. Обездвижьте голову участника в задней половине массива головных катушек, используя пенопластовую прокладку по бокам головы, чтобы убедиться, что голова правильно обездвижена, чтобы уменьшить артефакты движения. Используйте систему позиционирования сканера и переместите стол в отверстие сканера.
  6. Разместите широкоугольный экран или зеркало на расстоянии 10 см от глаз пациента (рис. 1B). Расположите экран размером с отверстие от задней части отверстия сканера сразу за катушкой головки. Отрегулируйте положение и угол зеркала/экрана для каждого участника, чтобы добиться постоянного угла обзора.
  7. Обеспечьте комфорт участника на протяжении всего сканирования с помощью связи через переговорное устройство.

3. ФМРТ-сканирование участника

  1. Запустите сканирование локализатора с тремя ортогональными плоскостями и настройками и калибровками сканера для регулировки частоты и шимминга.
  2. Запустите анатомическое сканирование MP-RAGE, чтобы помочь расположить срезы EPI.
  3. Создайте визуальные стимулы, как описано в следующих шагах, используя программу для проведения поведенческих или психологических экспериментов.
  4. В начале протокола фМРТ попросите участника зафиксироваться на белом кресте (3° x 3°), который должен находиться поверх серого фона в центре стимулов в течение 10 с.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Белый крест будет отображаться до и после каждой парадигмы визуальной стимуляции в течение 10 секунд. Таким образом, суммарный тест фМРТ-стимуляции для каждой парадигмы составляет 200 с.
  5. Представьте первую парадигму визуальной стимуляции (серию вращающихся клиньев) в течение 30 с (что дает угловую скорость 6°/с) и циклически пройдите через шесть периодов. Стимулы клина должны включать 12 кадров вращающихся клиньев (один скан с вращением по часовой стрелке и один с вращением против часовой стрелки), простирающихся до края экрана/зеркала (поле зрения >100°), с контрастно-реверсивным черно-белым (100% контрастом) шахматным рисунком (рис. 2А).
  6. Еще раз предъявите белый крест на 10 секунд.
  7. Повторите шаги 3.4-3.6 со второй парадигмой зрительной стимуляции (серия расширяющихся и сужающихся колец) в течение 30 с (расширение или сужение поля зрения со скоростью 1,8°/с) и циклически пройдите шесть периодов. Кольцевые стимулы должны включать восемь рамок расширяющихся или сужающихся колец (поле зрения >100°) с контрастным черно-белым (100% контрастом) шахматным рисунком (рис. 2B).
  8. После завершения фМРТ выдвиньте стол из отверстия сканера, проинструктировав участника оставаться неподвижным. Снимите зеркало/экран, поместите переднюю часть катушки головки в дополнение к задней и переместите стол обратно в центр сканера.
  9. Получите быстрое сканирование локализатора в случае любого движения и получите скан MP-RAGE с катушкой на всю головку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Анатомическое изображение всей головки необходимо для точной регистрации для группового анализа и реконструкции.

4. Анализ данных ретинотопической фМРТ

  1. Скачайте и установите приложение FreeSurfer для МРТ-анализа (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь был использован FreeSurfer версии 5.3.0.
  2. Получение изображений в формате Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) с МРТ-сканера. Преобразуйте файлы DICOM в формат nifti с помощью приложения dcm2niix (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21.
  3. Обработайте Т1-взвешенное сканирование, чтобы получить эталонную поверхность коры, как описано в следующих двух шагах. Используйте FreeSurfer для преобразования структурных данных из формата nifti в формат .mgz (команда mri_convert).
  4. Используйте команду recon-all в среде оболочки для выполнения автоматизированной сегментации и реконструкции кортикальных структурных данных.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг может занять более 20 часов.
  5. Используйте графический пользовательский интерфейс tksurfer для просмотра раздутого полушария и виртуального разрезания зрительной коры вдоль пяточной щели, а также выбора затылочной доли. Используйте команду mris_flatten, чтобы сгладить участок зрительной коры. Повторите этот шаг для обоих полушарий.
  6. Для данных фМРТ сначала удалите периоды покоя, при этом будет представлен только крест фиксации, от начала и до конца данных. Проверьте данные фМРТ на наличие артефактов или больших движений.
  7. Предварительная обработка функциональных данных для пространственного сглаживания и коррекции движения. Смоделировать парадигму ретинотопического стимула и применить каноническую функцию гемоодинамического ответа для построения функции ответа.
  8. Выполните ретинотопический фазовый анализ данных фМРТ с использованием потока функционального анализа FreeSurfer (команды mkanalysis-sess, selxavg3-sess и fieldsign-sess) для корреляции временных рядов BOLD fMRI с смоделированной функцией отклика и получения фазово-кодированных ретинотопических карт с уровнем значимости p < 0,01 (рис. 3).
  9. Визуализируйте результаты ретинотопических карт с помощью карт активации с цветовой кодировкой, наложенных на практически уплощенную зрительную кору с помощью команды tksurfer-sess, и отобразите их с помощью команды rtview.
  10. Используйте фазово-кодированные ретинотопические карты клиновидных стимулов, чтобы помочь определить границы первичной зрительной коры (V1) и других дополнительных полосатых областей (V2 и V3) с помощью карт полевых знаков (рис. 3A), а также анатомических ориентиров и атласов FreeSurfer.
  11. Чтобы рассчитать отклик BOLD при различных эксцентриситетах, сначала используйте FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) для расчета статистических карт с использованием общей линейной модели для каждого размера кольцевых стимулов с порогом z-оценки Z >2,3 22,23. Если выполняется групповой анализ, рассчитайте анализ второго уровня для статистических карт групповых различий с помощью FSL Feat, чтобы помочь определить отклик BOLD при различных эксцентриситетах.
  12. Совместная регистрация изображений фМРТ на реконструированной поверхности коры головного мозга с помощью команд FreeSurfer bbregister и tkregister2 для выравнивания данных фМРТ участника с анатомическим структурным изображением его мозга и обеспечения точного пространственного выравнивания.
  13. Сгруппируйте кольцевые стимулы по эксцентриситету для каждого из восьми кадров. Вручную нарисуйте интересующие области для различных эксцентриситетов на основе активированных областей вокселов для каждого кадра. Возьмем процентные изменения BOLD и построим их как функцию эксцентриситета. Кроме того, данные эксцентриситета можно разделить на центральную (< ±12°) и периферическую (> ±12°) области, где визуальный стимул ±12° характерен для ретинотопических фМРТ-исследований.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Девять участников с диагнозом ПОУГ (четверо мужчин, 36-74 года) и девять здоровых добровольцев соответствующего возраста (шесть мужчин, 53-65 лет) были оценены с использованием вышеупомянутого широкоугольного протокола фМРТ, как ранее описано Zhou et al3. ПОУГ был клинически подтвержден у пациентов с открытым углом путем оценки наличия дефектов поля зрения, соответствующих глаукоме, купированию диска зрительного нерва и/или внутриглазному давлению (ВГД) более 21 мм рт.ст.3. Для оценки центрального и периферического зрения в каждой группе использовали широкоугольную визуальную картину (±55°)3.

На рисунке 3 изображены ретинотопические карты фМРТ для полярных (клиновидных) и эксцентриситетных (кольцевых) стимулов от ПОУГ и здорового участника контрольной группы. Полярные карты (рис. 3А) не выявили явных различий между ПОУГ и здоровыми участниками. Карты эксцентриситета (рис. 3B) показали, что центральная область парафовеа, которая была активирована меньшими кольцевыми стимулами, оказалась больше у пациента с ПОУГ по сравнению со здоровым участником. Увеличенная парафовеальная область в зрительной коре у участников ПОУГ указывает на корковые изменения в ответ на нарушения периферического зрения.

Сравнивали процентные изменения BOLD для центрального (<24°) и периферического (>24°) полей зрения между подгруппами POУГ и здоровой контрольной группой (рис. 4). Процентные изменения BOLD при различных эксцентриситетах были снижены у пациентов с ПОУГ по сравнению со здоровыми участниками контрольной группы, в первую очередь при более периферических эксцентриситетах (рис. 4А). Процентные изменения BOLD были значительно снижены между двумя группами, особенно при больших эксцентриситетах (p < 0,05, двусторонний ANOVA с критерием Бонферрони post hoc). Процентные изменения BOLD в среднем для центрального зрения (все стимулы <24°) были лишь незначительно и существенно не снижались у пациентов с ПОУГ, в то время как реакция BOLD для периферического зрения (все стимулы >24°) была значительно снижена (рис. 4B). Эти результаты указывают на потенциальную полезность этого протокола для оценки изменений функции зрительной коры, локализованных в периферическом или центральном зрении, что имеет отношение к нарушениям зрения, таким как глаукома.

Figure 1
Рисунок 1: Экспериментальная установка. (A) Зеркало шириной 25 см и высотой 15 см, удерживаемое рамой из трубы из ПВХ. (B) Настройка презентационной системы на МРТ-сканере, показывающей заднюю часть катушки головной решетки, зеркало и раму, а также экран обратной проекции (стрелки) в отверстии непосредственно за катушкой головки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Парадигмы визуальной стимуляции. (A) Три кадра из парадигмы полярной ретинотопической визуальной стимуляции, которые состоят из вращающихся по часовой стрелке и против часовой стрелки клиньев с контрастно-чередующимся шахматным рисунком. (B) Три кадра из парадигмы эксцентриситета, которые состоят из расширяющихся и сжимающихся колец с контрастно-чередующимся шахматным рисунком. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Ретинотопические карты полярности и эксцентриситета. Репрезентативная (А) полярная карта с использованием вращающегося клина из нормального контроля и (Б) карты эксцентриситета с использованием расширяющихся/сжимающихся колец из нормального контроля и участника ПОУГ. Как левое, так и правое полушария (ЛГ и РГ) показаны с определенными визуальными границами коры головного мозга (V1, V2 и V3). Один кадр из каждой парадигмы показан на центральной врезке. Цветовые шкалы сопоставляются с соответствующими областями поля зрения, на что указывают цветовые круги: А) соответствует полярному углу клиновидных стимулов и Б) соответствует эксцентриситету кольцевых стимулов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Процентное изменение BOLD в зависимости от эксцентриситета и центрального или периферического поля зрения. (A) Усредненные по группе процентные изменения BOLD по сравнению с кольцевыми стимулами у здоровых людей и пациентов с ПОУГ в зависимости от эксцентриситета. Процентное изменение BOLD для каждого размера кольцевых стимулов было рассчитано для получения данных при каждом эксцентриситете. (B) Процентные изменения BOLD между здоровыми пациентами контрольной группы и пациентами с ПОУГ в центральном (< ±12°) и периферическом (> ±12°) поле зрения путем группирования данных по всем эксцентриситетам. Данные являются средними ± стандартной ошибкой среднего значения. *p < 0,05, двухфакторный ANOVA с корреляцией post hoc. Эта цифра была изменена из Zhou et al.3 с разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Приведенный выше протокол использования широкоугольной ретинотопической фМРТ является инновационным методом оценки влияния потери зрения и заболеваний глаз на головной мозг. Благодаря широкопольному ретинотопическому картированию зрительной коры с использованием экрана с более широким углом обзора, этот подход позволяет получить более полное представление о функциональной организации зрительной системы. Это может привести к лучшему пониманию аномалий в системе обработки зрительной информации мозга, которые возникают при нейродегенерации, например, при глаукоме24,25. Эта технология также может быть использована для обнаружения и анализа дегенерации и реорганизации мозга при других состояниях, вызывающих слепоту, таких как возрастная макулярная дегенерация26,27.

Один человеческий глаз имеет угол обзора около 100°. Предыдущие методы, используемые в большинстве визуальных исследований фМРТ, использовали угол обзора менее 30°, что ограничивало часть зрительной коры, которая может быть активирована и проанализирована с помощью фМРТ28. Следовательно, периферическое зрение не может быть визуализировано, что вынуждает все анализы быть сосредоточенными исключительно на центральном поле зрения. Клинически это не позволяло клиницистам точно выполнять предоперационное картирование коры головного мозга, что имеет решающее значение для избегания жизненно важных участков при проведенииопераций на головном мозге. С помощью широкоугольного метода ретинотопической фМРТ, описанного в этом протоколе, угол зрения был увеличен до 100° (±50°)3,30,31. Чтобы обеспечить широкий обзор изображения и уменьшить визуальное препятствие, вызванное катушкой головки, используется только задняя половина катушки головки. Головные катушки обычно имеют относительно небольшое окно, с полосами поперек, которые препятствуют возможности полностью видеть широкоугольные ретинотопические стимулы. Однако использование только задней части головной катушки вызывает большую неоднородность сигнала по всему мозгу и снижает отношение сигнал/шум в передней и центральной областях. Качество изображения и отношение сигнал/шум задней затылочной доли не должны сильно влиять32. Тем не менее, точный эффект от использования только задней части катушки, вероятно, зависит от конкретной конструкции катушки (количества и размера массивных катушек), поэтому тестирование отношения сигнал/шум или флуктуаций сигнал/шум у нескольких пациентов с передней частью и без нее может быть выполнено, если есть опасения по поводу значительных потерь SNR при данной катушке32.

Правильная настройка Т1-взвешенной последовательности MP-RAGE имеет важное значение для правильной регистрации функциональных изображений на структурных изображениях мозга с высоким разрешением, а также для анатомической регистрации по шаблонам или для групповых исследований. Таким образом, мы получаем Т1-взвешенное изображение, используя всю головную катушку, что может привести к небольшому смещению участника относительно фМРТ-сканирования. Совмещение фМРТ с анатомическим снимком является рутинным этапом анализа, поэтому это не должно быть проблемой. В качестве альтернативы можно получить Т1-взвешенное изображение без передней катушки, но неоднородность изображения может повлиять на качество регистрации эталонного шаблона. Чтобы избежать артефактов движения, очень важно правильно обездвижить голову участника в головной катушке. Артефакты движения могут естественным образом возникать без надлежащей стабилизации, что негативно скажется на качестве собранных данных фМРТ, что приведет к ухудшению результатов анализа. Несмотря на то, что коррекция движения после обработки является обычным делом для фМРТ-анализа, большие движения все же могут повлиять на результаты, поэтому важно проверять качество данных в функциональных сканах и отбрасывать исследования с серьезными артефактами. В этом протоколе участникам было предложено сосредоточиться на белом кресте в течение 10 секунд, как до, так и после каждой парадигмы визуальной стимуляции, чтобы получить исходные данные BOLD. Это помогло уменьшить вариабельность фМРТ на исходном уровне, а также позволило мозгу испытуемого приспособиться к звукам сканера и яркости фонового экрана до начала фактических тестов визуальных данных.

Существует множество альтернативных подходов, которые могут быть рассмотрены для широкоугольной фМРТ. Описанный здесь подход, использующий большой экран/зеркало только с задней половиной катушки головки, может обеспечить умеренный широкий обзор примерно до 100° FOV 3,30. Стоимость изготовления зеркала/экрана очень низкая (потенциально <100 долларов США), при условии, что стандартный проектор уже доступен. Греко и др. использовали несколько иной подход: экран располагался после зеркала в оптическом тракте, прямо перед лицом испытуемого (на расстоянии 7,5 см),обеспечивая угол обзора 80°. МР-совместимые очки были необходимы для того, чтобы участник мог сосредоточиться на экране. Эллис и др. также использовали аналогичный подход, но с наклоном проектора вниз на зеркало на дне отверстия, которое отражало стимулы непосредственно на верхнюю часть отверстия над лицом испытуемого,обеспечивая угол обзора 115°. Изображение искажается из-за искривленного отверстия, что требует коррекции изображений для искажения стимулов. Недавно сообщалось о расширении этого подхода с помощью специального изогнутого экрана в верхней части отверстия сканера и двух зеркал, которые смогли обеспечить сверхширокий угол обзора 175°34. Некоторые из этих описанных методов использовали переднюю часть катушки головки, а другие нет; тем не менее, любой из этих методов может быть использован в любом случае, с потенциально более высоким отношением сигнал/шум при использовании передней катушки, но с компромиссом в виде уменьшения угла зрения и блокировки частей поля зрения. Потенциальное ограничение всех методов с использованием проектора заключается в том, что для экрана с нестандартным размером и расположением проектор должен быть отрегулирован в соответствии с фокусом и размером проецируемого изображения путем регулировки проектора/объектива, перемещения проектора или получения пользовательских объективов, если предыдущих методов недостаточно.

В другом подходе в качестве экрана использовался прозрачный пластиковый стержень с изогнутым концом, а проектор обеспечивал немного больший угол обзора в 120°, что совместимо с использованием передней катушки головки без ограничения поля зрения. Однако можно проводить только монокулярную стимуляцию. Для проектора необходима специальная линза, что увеличивает стоимость, а контактные линзы необходимо надевать, чтобы участник мог сфокусироваться на экране, что усложняет настройку31. В аналогичном подходе использовались оптоволоконные жгуты для прямой передачи и представления изображений с экрана в глаз участника, что обеспечивало угол обзора до 120°33. Контактные линзы также необходимо носить, и одновременно можно стимулировать только один глаз. Этот метод требует длинного оптоволоконного жгута высокой плотности, который может иметь относительно низкое разрешение для презентации и может быть умеренно дорогим33.

Нарушение зрения и заболевания глаз могут повлиять на структуру и функцию зрительной коры. BOLD fMRI может быть использован для визуализации ретинотопической функции коры головного мозга, но большинство систем визуального представления, используемых для фМРТ, стимулируют только центральное поле зрения. Этот протокол описывает реализацию широкоугольной презентационной системы для фМРТ, которая может быть использована для функционального картирования периферической и центральной зрительной коры. Эта система может быть легко и недорого настроена с помощью обычных MR-совместимых проекторов. Хотя и с некоторыми ограничениями, описанный протокол имеет потенциал для анализа функций зрительной коры, соответствующих центральному и периферическому зрению, на уровне, который уравновешивает стоимость и точность. Данные, собранные с помощью этого метода, могут быть проанализированы для определения селективной активации на основе различных типов визуальных стимулов и мозговой коммуникации между различными областями для визуальной обработки. Этот метод может быть использован для оценки изменений функции периферической и центральной зрительной коры из-за потери зрения и заболеваний глаз, таких как глаукома. Таким образом, эта технология находит применение в диагностике, контроле и лечении глазных заболеваний.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения [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

В этом месяце в JoVE выпуск 202
Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) зрительной коры с широкоугольной ретинотопической стимуляцией
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