Summary
Vi har utvecklat tekniker för att kartlägga synbarkens funktion genom att utnyttja mer av synfältet än vad som vanligtvis används. Detta tillvägagångssätt har potential att förbättra utvärderingen av synstörningar och ögonsjukdomar.
Abstract
Högupplöst retinotopisk blodsyresättningsnivåberoende (BOLD) funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) med en bred presentation kan användas för att funktionellt kartlägga den perifera och centrala synbarken. Denna metod för att mäta funktionella förändringar i den visuella hjärnan möjliggör funktionell kartläggning av occipitalloben, vilket stimulerar >100° (±50°) eller mer av synfältet, jämfört med vanliga fMRI-visuella presentationsuppställningar som vanligtvis täcker <30° av synfältet. Ett enkelt stimuleringssystem med bred betraktningsvinkel för BOLD fMRI kan ställas in med vanliga MR-kompatibla projektorer genom att placera en stor spegel eller skärm nära motivets ansikte och endast använda den bakre halvan av en standardhuvudspole för att ge en bred betraktningsvinkel utan att hindra deras sikt. Den vidvinkelretinotopiska fMRI-kartan kan sedan avbildas med hjälp av olika retinotopiska stimuleringsparadigm, och data kan analyseras för att bestämma den funktionella aktiviteten hos visuella kortikala regioner som motsvarar central och perifer syn. Denna metod ger ett praktiskt, lättimplementerat visuellt presentationssystem som kan användas för att utvärdera förändringar i den perifera och centrala synbarken på grund av ögonsjukdomar som glaukom och den synförlust som kan följa med dem.
Introduction
Funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) är en värdefull metod för att bedöma förändringar i regional neurovaskulär funktion i synbarken som svar på stimuli, eftersom förändringar i regionalt blodflöde korrelerar med aktiveringen av hjärnregioner 1,2. Högupplösta retinotopiska blodsyresättningsnivåberoende (BOLD) signalmätningar representerar förändringar i deoxihemoglobin, som drivs av lokala förändringar i blodflöde och blodsyresättning i hjärnan 1,2. BOLD-aktivitetsmönster som samlas in från fMRI-data kan användas för att funktionellt kartlägga den perifera och centrala synbarken, samt upptäcka förändringar i den retinotopiska kartan som svar på synnedsättning och neurodegeneration3.
De flesta tidigare fMRI-studier använde sig av smal syn (cirka ±12° av det centrala synfältet) icke-retinotopiska stimuli eller enkla retinotopiska stimuli med smal visuell stimuli, vilket gav begränsad funktionell parcellation av den retinotopiska representationen i synbarken och begränsad bedömning till endast det centrala synfältet, exklusive periferin3. Följaktligen har fMRI-data med smal vy rapporterat inkonsekventa procentuella förändringar i BOLD hos glaukompatienter 4,5,6. Det finns därför ett behov av förbättrade fMRI-metoder för att bedöma det perifera och centrala synfältet, särskilt vid utvärdering av sjukdomar som glaukom.
Glaukom är den främsta orsaken till irreversibel blindhet och drabbar 10 % av alla människor vid 80 årsålder. Glaukom orsakas av den progressiva, irreversibla neurodegenerationen av retinala ganglieceller, som är ansvariga för att överföra visuella stimuli till hjärnan genom synnerven. Vid primär öppenvinkelglaukom (POAG), den vanligaste formen av glaukom, orsakar ökat intraokulärt tryck förtunning av näthinnans nervfiberskikt (RNFL), vilket leder till förlust av perifer syn följt av perifer och central blindhet 8,9,10,11. Histologiska bevis från djurstudier tyder på att glaukom dessutom resulterar i progressiv neurodegeneration av synnerven, synkanalen, laterala genikulatkärnan, optisk strålning och synbarken12,13. MRT-teknik erbjuder en minimalt invasiv metod för att bedöma både blodets syresättning och neurodegeneration i synbarken. Hos patienter med glaukom har MRT funnit tecken på grå substansatrofi i synvägen 13,14,15,16 och onormal vit substans i synchiasmen, synkanalen och optisk strålning 1,17,18.
För att ytterligare utforska effekterna på visuell bearbetning kan fMRI användas för att upptäcka hjärnans funktion som svar på visuella signaler. Protokollet beskriver här en ny metod för att erhålla en billig retinotopkarta med bred betraktningsvy med hjälp av högupplöst retinotopi fMRI med vidvinkelstimuli (>100°), som beskrivs av Zhou et al3. Visuella stimuli av expanderande ringar och roterande kilar användes för att framkalla retinotopisk kartläggning av excentriciteten och den polära vinkeln för fMRI. BOLD fMRI procentuella förändringar analyserades som en funktion av excentricitet för att utvärdera hjärnans funktion, motsvarande både central och perifer syn. Den procentuella förändringen av BOLD fMRI kan användas för att visualisera aktivering i hela synbarken. Dessa fMRI-mätningar ger en tillförlitlig ny metod för att utvärdera neurodegenerativa förändringar och deras funktionella effekter på synbarken som finns vid ögonsjukdomar som involverar synfältsdefekter, såsom glaukom.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forskning med mänskliga deltagare utfördes i enlighet med institutionella riktlinjer vid University of Texas Health Science Center och Stony Brook University, med informerat samtycke från deltagarna för dessa studier och användning av deras data.
1. Inställning av MR-skanner och bildprotokoll
- För fMRI, använd en 3T MR-skanner med flerkanaliga mottagarhuvudspolar. Olika fältstyrkor kan också användas men kan ge svårigheter med signal-brusförhållande (SNR) eller distorsionsartefakter, så justera därefter. Använd endast den bakre halvan av huvudspolen för fMRI för att möjliggöra en större viewvinkel som inte hindras av den främre halvan av spolen.
- Ställ in en T1-viktad magnetiseringsförberedd MP-RAGE-sekvens (Rapid Acquisition Gradient Echo) med en repetitionstid (TR) på 2,2 s, ekotid (TE) på 2,8 ms, synfält (FOV) på 176 mm x 256 mm x 208 mm, rumslig upplösning på 1 mm x 1 mm x 1 mm, bandbredd på 190 Hz/pixel, vippvinkel på 13°, och en skanningstid på 3,1 min3.
- Ställ in en EPI-sekvens (gradient-echo, echo-planar imaging) med en TR på 2 s, TE på 30 ms, FOV på 220 mm x 220 mm, en upplösning i planet på 1,7 mm x 1,7 mm, 29 skivor med en tjocklek på 3 mm och en bandbredd på 1 500 Hz/pixel3.
- Mät måtten på huvudspolen och skannerhålet och konstruera sedan en enkel ram genom att skära ett polyvinylkloridrör (PVC) i lämpliga längder och ansluta dem med PVC-armbågar. Skaffa en spegel som är minst 25 cm bred och 15 cm hög och fäst den på en plaststång med skruvar (små hål kan borras i spegeln).
- Fäst plaststångens ändar på PVC-ramen med nylonskruvar (Figur 1A). Se till att nylonskruvarna är något lösa så att spegeln kan roteras för hand för att optimera vinkeln för varje deltagare.
- Gör en skärm för att gå in i MR-hålet. Klipp ut ett segment av en bakprojektionsduk som är ungefär lika stor som MRT-hålet. Konstruera en ram som är lika stor som hålet och fäst skärmen på ramen med skruvar. Placera skärmen inuti skannern precis bakom huvudspolen för att minimera avståndet mellan skärmen och spegeln och maximera synfältet.
OBS: Om skannerhålet är tillräckligt stort kan en enda skärm användas för deltagaren att view direkt istället för spegeln och bakprojektionsduken. En projektionsduk fäst på en tunn träskiva för baksida eller en skiva av tunn matt vit plast kan användas som en duk och placeras på ramen istället för en spegel. Projektorn ska sedan placeras och fokuseras, så att den fyller duken och är i fokus.
2. Förberedelse för deltagare
- Informera deltagaren om proceduren, riskerna och fördelarna med fMRI-skanningen. Inhämta deras informerade samtycke.
- Se till att deltagaren inte har några kontraindikationer för MRT. Detta inkluderar screening för pacemakers, metallimplantat eller klaustrofobi. Om du är osäker, rådgör med en kvalificerad radiolog eller forskare och uteslut deltagaren från studien om någon osäkerhet kvarstår.
- Förklara det visuella stimuleringsprotokollet och deltagarnas behov av att fixera sig på det centrala korset under fMRI-skanningarna. Visa deltagaren en kort demonstration av den visuella stimuleringen i instruktionssyfte för att bekanta dem med proceduren.
- Placera försiktigt deltagaren på MR-skannerns bord för att säkerställa att de är bekväma och avslappnade. Tillhandahåll öronproppar och/eller ett ljuddämpande headset för att minska det akustiska ljudet som deltagaren kommer att höra för att skydda sin hörsel.
- Immobilisera deltagarens huvud i den bakre halvan av huvudspolen, använd skumstoppning på sidorna av huvudet för att säkerställa att huvudet är ordentligt immobiliserat för att minska rörelseartefakter. Använd skannerns positioneringssystem och flytta bordet till skannerhålet.
- Placera vidvinkelskärmen eller spegeln 10 cm från patientens ögon (Figur 1B). Placera den borrade silen från baksidan av skannerhålet precis bakom huvudspolen. Justera spegelns/skärmens position och vinkel för varje deltagare för att uppnå en konsekvent betraktningsvinkel.
- Se till att deltagaren är bekväm under hela skanningen via kommunikation via intercom.
3. fMRI-skanning av deltagare
- Kör en lokaliseringsskanning med tre ortogonala plan och skannerjusteringar och kalibreringar för frekvensjustering och shimsning.
- Kör en MP-RAGE anatomisk skanning för att hjälpa till att placera EPI-skivorna.
- Skapa visuella stimuli, enligt beskrivningen i följande steg, med hjälp av ett program för att köra beteendemässiga eller psykologiska experiment.
- I början av fMRI-protokollet, instruera deltagaren att fixera på det vita korset (3° x 3°), som ska vara ovanpå en grå bakgrund i mitten av stimuli i 10 s.
OBS: Det vita korset kommer att visas före och efter varje visuell stimuleringsparadigm i 10 sekunder. Således är det totala fMRI-stimuleringstestet för varje paradigm 200 s. - Presentera det första visuella stimuleringsparadigmet (en serie roterande kilar) under en period av 30 s (vilket ger en vinkelhastighet på 6°/s) och cykla genom sex perioder. Kilstimulin bör omfatta 12 bildrutor med roterande kilar (en skanning med medurs rotation och en med moturs), som sträcker sig till kanten av skärmen/spegeln (>100° synfält), med ett 8 Hz kontrastvändande svartvitt (100 % kontrast) schackrutigt mönster (figur 2A).
- Presentera det vita korset igen i 10 s.
- Upprepa steg 3.4-3.6 med det andra visuella stimuleringsparadigmet (en serie expanderande och sammandragande ringar) under en period av 30 s (expanderande eller sammandragande vid 1.8°/s av synfältet) och cykla genom sex perioder. Ringstimuli bör omfatta åtta bildrutor med expanderande eller sammandragande ringar (>100° synfält), med ett 8 Hz kontrastvändande svartvitt (100 % kontrast) schackrutigt mönster (figur 2B).
- När du har slutfört fMRI, flytta ut bordet ur skannerhålet samtidigt som du instruerar deltagaren att vara stilla. Ta bort spegeln/skärmen, placera den främre delen av huvudspolen utöver den bakre och flytta tillbaka bordet till mitten av skannern.
- Skaffa en snabb lokaliseringsskanning i händelse av rörelse och skaffa en MP-RAGE-skanning med hela huvudspolen.
OBS: En anatomisk bild med hela huvudspolen behövs för korrekt registrering för gruppanalyser och rekonstruktionsändamål.
4. Analys av retinotopiska fMRI-data
- Ladda ner och installera FreeSurfer-appen för MR-analys (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
OBS: FreeSurfer version 5.3.0 användes häri. - Hämta bilder i DICOM-format (Digital Imaging and Communications in Medicine) från MR-skannern. Konvertera DICOM-filerna till nifti-format med hjälp av dcm2niix-programmet (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21.
- Bearbeta den T1-viktade skanningen för att ge en kortikal ytreferens, enligt beskrivningen i följande två steg. Använd FreeSurfer för att konvertera strukturdata från nifti-format till .mcz-format (mri_convert-kommando).
- Använd kommandot recon-all i en gränssnittsmiljö för att utföra automatiserad segmentering och kortikal rekonstruktion av strukturella data.
OBS: Detta steg kan ta över 20 timmar att slutföra. - Använd det grafiska användargränssnittet tksurfer för att se den uppblåsta hemisfären och virtuellt skära av synbarken längs kalksprickan och välj occipitalloben. Använd kommandot mris_flatten för att platta ut den visuella cortex-patchen. Upprepa detta steg för båda halvkloten.
- För fMRI-data tar du först bort viloperioderna, med endast fixeringskorset presenterat, från början och slutet av data. Screena fMRI-data för artefakter eller stora rörelser.
- Förbearbeta funktionella data för rumslig utjämning och rörelsekorrigering. Modellera det retinotopiska stimulusparadigmet och tillämpa en kanonisk hemodynamisk responsfunktion för att konstruera responsfunktionen.
- Utför retinotopisk faskodad analys av fMRI-data med hjälp av FreeSurfers funktionella analysström (kommandona mkanalysis-sess, selxavg3-sess och fieldsign-sess) för att korrelera BOLD fMRI-tidsserien med en modellerad svarsfunktion och erhålla faskodade retinotopkartor, med en signifikansnivå på p < 0,01 (figur 3).
- Visualisera resultaten av de retinotopiska kartorna med färgkodade aktiveringskartor överlagrade på den praktiskt taget tillplattade visuella cortex med kommandot tksurfer-sess, och visa med kommandot rtview.
- Använd de faskodade retinotopiska kartorna från kilstimuli för att definiera gränserna för den primära visuella cortex (V1) och andra extra strimmiga områden (V2 och V3) med hjälp av fältteckenkartor (Figur 3A), tillsammans med anatomiska landmärken och FreeSurfer-atlaser.
- För att beräkna BOLD-responsen vid olika excentriciteter, använd först FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) för att beräkna statistiska kartor med hjälp av en allmän linjär modell för varje storlek av ringstimuli med en z-poängtröskel på Z > 2.322,23. Om gruppanalys utförs, beräkna andranivåanalysen för statistiska kartor över gruppskillnader med FSL Feat för att hjälpa till att bestämma BOLD-responsen vid olika excentriciteter.
- Samregistrera fMRI-bilderna på den rekonstruerade kortikala ytan med hjälp av FreeSurfer-kommandona bbregister och tkregister2 för att anpassa deltagarens fMRI-data till den anatomiska strukturella bilden av deras hjärna och säkerställa korrekt rumslig anpassning.
- Gruppera ringstimuli efter excentricitet för var och en av de åtta bildrutorna. Rita manuellt intressanta regioner för olika excentriciteter baserat på de aktiverade voxelregionerna för varje bildruta. Ta de FETSTILTA procentförändringarna och plotta dem som en funktion av excentriciteten. Binera också excentricitetsdata i centrala (< ±12°) och perifera (> ±12°) regioner, där en visuell stimulans på ±12° är typisk för retinotopiska fMRI-studier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nio deltagare som diagnostiserats med POAG (fyra män, 36-74 år gamla) och nio åldersmatchade friska frivilliga (sex män, 53-65 år) utvärderades med hjälp av det tidigare nämnda fMRI-protokollet med bred syn, som tidigare beskrivits av Zhou et al3. POAG bekräftades kliniskt hos patienter med öppen vinkel genom bedömning av synfältsdefekter som överensstämmer med glaukom, koppning av optiska skivor och/eller ett intraokulärt tryck (IOP) större än 21mmHg3. En visuell presentation med bred betraktningsvinkel (±55°) användes för att utvärdera det centrala och perifera seendet i varje grupp3.
Figur 3 visar de retinotopiska fMRI-kartorna för polära (kil) och excentricitetsstimuli (ring) från en POAG och frisk kontrolldeltagare. De polära kartorna (Figur 3A) visade inga uppenbara skillnader mellan POAG och friska deltagare. Excentricitetskartorna (Figur 3B) visade att den centrala regionen av parafovea som aktiverades av de mindre ringstimuli verkade större hos POAG-patienten jämfört med den friska deltagaren. Den förstorade parafoveala regionen i synbarken hos POAG-deltagare tyder på kortikala förändringar som svar på perifera synstörningar.
FETSTIL-procentuella förändringar för centrala (<24°) och perifera (>24°) synfält mellan POAG-undergrupper och den friska kontrollgruppen jämfördes (figur 4). BOLD-procentuella förändringar vid olika excentriciteter minskade hos POAG-patienter jämfört med friska kontrolldeltagare, främst vid mer perifera excentriciteter (Figur 4A). De BOLD-procentuella förändringarna minskade signifikant mellan de två grupperna, mer så vid större excentriciteter (p < 0,05, tvåvägs ANOVA med Bonferroni post hoc-test). De genomsnittliga procentuella förändringarna i BOLD för det centrala seendet (alla stimuli <24°) minskade endast något och inte signifikant hos POAG-patienter, medan BOLD-svaret för perifert seende (alla stimuli >24°) minskade signifikant (Figur 4B). Dessa resultat indikerar detta protokolls potentiella användbarhet för att bedöma förändringar i synbarkens funktion lokaliserad till perifer eller central syn, vilket är relevant för synstörningar som glaukom.
Figur 1: Experimentell uppställning. (A) Den 25 cm breda och 15 cm höga spegeln hålls på plats med en ram tillverkad av PVC-rör. (B) Inställning av presentationssystemet på en MRT-skanner, som visar den bakre delen av en huvudspole, spegeln och ramen, och bakprojektionsskärmen (pilar) i hålet direkt bakom huvudspolen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Paradigm för visuell stimulering. (A) Tre ramar från det polära retinotopiska visuella stimuleringsparadigmet, som består av medurs och moturs snurrande kilar med ett kontrastväxlande schackbrädesmönster. (B) Tre ramar från excentricitetsparadigmet, som består av expanderande och sammandragande ringar med ett kontrastväxlande schackbrädesmönster. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Retinotopiska polära och excentricitetskartor. Representativ (A) polär karta med en roterande kil från en normal kontroll och (B) excentricitetskartor med expanderande/sammandragande ringar från en normal kontroll och en POAG-deltagare. Både vänster och höger hjärnhalva (LH och RH) visas med definierade visuella kortikala gränser (V1, V2 och V3). En bildruta från varje paradigm visas i den centrala infällningen. Färgskalorna mappas till motsvarande områden i synfältet, vilket indikeras av färghjulen, med A) mappning till den polära vinkeln för kilstimuli och B) mappning till excentriciteten hos ringstimulin. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: FET procentuell förändring som en funktion av excentricitet och centrala eller perifera synfält. (A) Gruppgenomsnittliga BOLD-procentuella förändringar från ringstimuli hos friska kontroller och POAG-patienter som en funktion av excentricitet. Den FETA procentuella förändringen för varje storlek på ringstimuli beräknades för att ge data vid varje excentricitet. (B) FET procentuell förändring mellan friska kontroll- och POAG-patienter i centrala (< ±12°) och perifera (> ±12°) av synfältet, genom att binsinga data från alla excentriciteter. Data är medelvärdet ± medelfelet för medelvärdet. *p < 0,05, tvåfaktors ANOVA med post hoc-korrelation. Denna figur har modifierats från Zhou et al.3 med tillstånd. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ovanstående protokoll för användning av vidvinkelretinotopisk fMRI är en innovativ metod för att utvärdera effekterna av synförlust och ögonsjukdomar på hjärnan. Genom vidvinkelretinotopisk kartläggning av synbarken med hjälp av en bredare bildskärm möjliggör detta tillvägagångssätt en mer omfattande förståelse av det visuella systemets funktionella organisation. Detta skulle kunna leda till en bättre förståelse för avvikelser i hjärnans visuella bearbetningssystem, som uppstår vid neurodegeneration, till exempel vid glaukom24,25. Denna teknik kan också användas för att upptäcka och analysera hjärndegeneration och omorganisation vid andra tillstånd som orsakar blindhet, såsom åldersrelaterad makuladegeneration26,27.
Ett enda mänskligt öga har ungefär 100° visuell vinkel. Tidigare tekniker som användes i de flesta visuella fMRI-studier använde ett synfält på mindre än 30°, vilket begränsade den del av synbarken som kunde aktiveras och analyseras av fMRI28. Följaktligen kunde det perifera seendet inte visualiseras, vilket tvingade alla analyser att fokuseras enbart på det centrala synfältet. Kliniskt hindrade detta kliniker från att korrekt utföra preoperativ kortikal kartläggning, vilket är avgörande för att undvika vitala platser när de utför hjärnoperationer29. Med den vidvinkelretinotopiska fMRI-tekniken som beskrivs i detta protokoll har synvinkeln ökats till upp till 100° (±50°)3,30,31. För att möjliggöra en bred bild och minska visuell obstruktion orsakad av huvudspolen, används endast den bakre halvan av huvudspolen. Huvudspolar har vanligtvis ett relativt litet fönster, med staplar tvärs över som hindrar förmågan att fullt ut se de vidöppna retinotopiska stimuli. Att endast använda den bakre delen av huvudspolen orsakar dock stor signalinhomogenitet över hjärnan och minskar SNR i de främre och centrala regionerna. Bildkvaliteten och SNR i den bakre occipitalloben bör inte påverkas kraftigt32. De exakta effekterna av att endast använda den bakre delen av spolen beror dock sannolikt på en specifik spoldesign (antal och storlek på arrayade spolar), så att testa SNR eller signal-till-brusfluktuationsförhållandet hos ett fåtal försökspersoner med och utan den främre delen kan göras om det finns en oro för betydande SNR-förlust med en given spole32.
Korrekt inställning av den T1-viktade MP-RAGE-sekvensen är avgörande för att korrekt registrera funktionella bilder till högupplösta hjärnstrukturbilder och för anatomisk registrering till mallar eller för gruppstudier. Som sådan samlar vi in den T1-viktade bilden med hjälp av hela huvudspolen, vilket kan resultera i en liten rörelse av deltagaren i förhållande till fMRI-skanningen. Anpassning av fMRI till den anatomiska skanningen är ett rutinmässigt analyssteg, så detta borde inte vara ett problem. Alternativt kan den T1-viktade bilden utan den främre spolen göras, men bildens inhomogenitet kan påverka kvaliteten på registreringen till en referensmall. För att undvika rörelseartefakter är det avgörande att korrekt immobilisera deltagarens huvud i huvudspolen. Rörelseartefakter kan naturligtvis uppstå utan korrekt stabilisering, vilket kommer att påverka kvaliteten på de insamlade fMRI-data negativt, vilket leder till sämre resultat från analysen. Även om efterbehandling av rörelsekorrigering är rutin för fMRI-analys, kan stora rörelser fortfarande påverka resultaten, så det är viktigt att kontrollera funktionella skanningar för datakvalitet och kassera studier med större artefakter. I detta protokoll instruerades deltagarna att fokusera på ett vitt kors i 10 sekunder, både före och efter varje visuellt stimuleringsparadigm, för att få baslinjedata från BOLD. Detta bidrog till att minska variationen i fMRI vid baslinjen och gjorde det också möjligt för försökspersonens hjärna att anpassa sig till skannerljuden och bakgrundsskärmens ljusstyrka innan de faktiska visuella datatesterna började.
Det finns en mängd olika alternativa tillvägagångssätt som kan övervägas för fMRI med bred betraktningsvinkel. Tillvägagångssättet som beskrivs häri, med en stor skärm/spegel med endast den bakre halvan av huvudspolen, kan ge en måttlig vidvinkelvy upp till cirka 100° FOV 3,30. Kostnaden för att tillverka spegeln/skärmen är mycket låg (potentiellt <100 USD), förutsatt att en standardprojektor redan finns tillgänglig. Greco et al. använde ett något annorlunda tillvägagångssätt, med skärmen placerad efter spegeln i den optiska vägen, direkt framför motivets ansikte (7,5 cm bort), vilket gav en 80° visuell vinkel28. MR-kompatibla glasögon behövdes för att deltagaren skulle kunna fokusera på skärmen. Ellis et al. använde också ett liknande tillvägagångssätt, men med projektorn lutad ner på en spegel på botten av borrhålet, som reflekterade stimuli direkt på toppen av hålet ovanför motivets ansikte, vilket gav en 115° visuell vinkel32. Vyn förvrängs av det krökta hålet, vilket kräver att bilderna för att stimuli ska förvrängas för att korrigeras. En utökning av detta tillvägagångssätt rapporterades nyligen med en anpassad böjd skärm högst upp i skannerhålet och två speglar som kunde ge ett ultrabrett synfält på 175°34. Vissa av dessa rapporterade metoder använde den främre delen av huvudspolen och andra gjorde det inte; Vilken som helst av dessa metoder kan dock användas åt båda hållen, med potentiellt en något högre SNR med hjälp av den främre spolen, men med avvägningen av minskad visuell vinkel och att delar av synfältet blockeras. En potentiell begränsning med alla metoder som använder en projektor är att för en duk med anpassad storlek och plats måste projektorn justeras för fokus och storlek på den projicerade bilden genom att justera projektorn/linsen, flytta projektorn eller skaffa anpassade linser om de tidigare metoderna inte är tillräckliga.
Ett annat tillvägagångssätt använde en genomskinlig plaststav med en böjd ände som duk, med en projektor för att ge en något större visuell vinkel på 120°, vilket är kompatibelt med att använda den främre huvudspolen utan att begränsa synfältet. Endast monokulär stimulering kan dock utföras. En speciell lins för projektorn behövs, vilket ökar kostnaden, och kontaktlinser måste bäras för att deltagaren ska kunna fokusera på skärmen, vilket komplicerar installationen31. Ett liknande tillvägagångssätt använde fiberoptiska knippen för att direkt överföra och presentera bilder från en skärm till en deltagares öga, vilket gav en visuell vinkel på upp till 120°33. Kontaktlinser måste också bäras, och endast ett öga åt gången kan stimuleras. Denna metod kräver ett långt fiberoptiskt knippe med hög densitet, som kan ha relativt låg upplösning för presentationen och kan vara måttligt dyrt33.
Synnedsättning och ögonsjukdomar kan påverka synbarkens struktur och funktion. BOLD fMRI kan användas för att visualisera retinotopisk kortikal funktion, men de flesta visuella presentationssystem som används för fMRI stimulerar endast det centrala synfältet. Detta protokoll beskriver implementeringen av ett presentationssystem med bred vy för fMRI som kan användas för att funktionellt kartlägga den perifera och centrala visuella cortex. Detta system kan installeras enkelt och till en låg kostnad med hjälp av vanliga MR-kompatibla projektorer. Även om det finns vissa begränsningar har det beskrivna protokollet potential att analysera funktioner i synbarken som motsvarar det centrala och perifera seendet på en nivå som balanserar kostnad och precision. De data som samlas in genom denna metod kan analyseras för att bestämma selektiv aktivering baserat på olika typer av visuella stimuli och hjärnkommunikation mellan olika områden för visuell bearbetning. Denna metod kan användas för att utvärdera förändringar i funktionen av perifera och centrala synbarken på grund av synförlust och ögonsjukdomar som glaukom. Denna teknik har därför tillämpningar vid diagnos, hantering och behandling av ögonsjukdomar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Allingham, R. R., Damji, K., Freedman,, Moroj, S., Shafranov, G. Shields' textbook of glaucoma. 5th ed. , Lippincott Willliams & Wilkins. Philadelphia. (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gupta, N., Yucel, Y. H. Glaucoma as a neurodegenerative disease. Current Opinion in Ophthalmology. 18 (2), 110-114 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dale, A. M., Fischl, B., Sereno, M. I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. NeuroImage. 9 (2), 179-194 (1999).
- 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).
- Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, 208-219 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- Murphy, M. C., et al. Top-down influence on the visual cortex of the blind during sensory substitution. Neuroimage. 125, 932-940 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pitzalis, S., et al. Wide-field retinotopy defines human cortical visual area v6. The Journal of Neuroscience. 26 (30), 7962-7973 (2006).
- 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).
- Ellis, C. T., et al. Re-imagining fMRI for awake behaving infants. Nature Communications. 11 (1), 4523 (2020).
- 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).
- 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).
