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Neuroscience

Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) du cortex visuel avec stimulation rétinotopique à grand angle

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

Nous avons développé des techniques pour cartographier la fonction du cortex visuel en utilisant une plus grande partie du champ visuel que ce qui est couramment utilisé. Cette approche a le potentiel d’améliorer l’évaluation des troubles de la vision et des maladies oculaires.

Abstract

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) à haute résolution dépendant du niveau d’oxygénation du sang rétinotopique (BOLD) avec une présentation large peut être utilisée pour cartographier fonctionnellement le cortex visuel périphérique et central. Cette méthode de mesure des changements fonctionnels du cerveau visuel permet de cartographier fonctionnellement le lobe occipital, stimulant >100° (±50°) ou plus du champ visuel, par rapport aux configurations de présentation visuelle IRMf standard qui couvrent généralement <30° du champ visuel. Un simple système de stimulation à grand champ de vision pour l’IRMf BOLD peut être mis en place à l’aide de projecteurs compatibles IRM courants en plaçant un grand miroir ou un écran près du visage du sujet et en utilisant uniquement la moitié postérieure d’une bobine de tête standard pour fournir un grand angle de vision sans obstruer sa vision. La carte IRMf rétinotopique à large vue peut ensuite être imagée à l’aide de différents paradigmes de stimulation rétinopique, et les données peuvent être analysées pour déterminer l’activité fonctionnelle des régions corticales visuelles correspondant à la vision centrale et périphérique. Cette méthode fournit un système de présentation visuelle pratique et facile à mettre en œuvre qui peut être utilisé pour évaluer les changements dans le cortex visuel périphérique et central dus à des maladies oculaires telles que le glaucome et la perte de vision qui peut les accompagner.

Introduction

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une méthode précieuse pour évaluer les changements dans la fonction neurovasculaire régionale dans le cortex visuel en réponse à des stimuli, car les changements dans le flux sanguin régional sont corrélés à l’activation des régions cérébrales 1,2. Les mesures de signal BOLD (Ticinotopic Bloodation Level Dependent Level-Gradation) à haute résolution représentent les changements dans la désoxyhémoglobine, qui sont entraînés par des changements localisés dans le flux sanguin et l’oxygénation du sang dans le cerveau 1,2. Les modèles d’activité BOLD collectés à partir des données d’IRMf peuvent être utilisés pour cartographier fonctionnellement le cortex visuel périphérique et central, ainsi que pour détecter les changements dans la carte rétinotopique en réponse à une déficience visuelle et à la neurodégénérescence3.

La plupart des études d’IRMf antérieures utilisaient des stimuli non rétinopiques à vue étroite (environ ±12° du champ visuel central) ou des stimuli rétinotopiques simples avec des stimuli visuels à vision étroite, ce qui a fourni une parcellisation fonctionnelle limitée de la représentation rétinotopique dans le cortex visuel et une évaluation limitée au champ visuel central, à l’exclusion de la périphérie3. Par conséquent, les données d’IRMf à vision étroite ont rapporté des changements de pourcentage BOLD incohérents chez les patients atteints de glaucome 4,5,6. Il est donc nécessaire d’améliorer les approches d’IRMf pour évaluer le champ visuel périphérique et central, en particulier dans l’évaluation de maladies telles que le glaucome.

Le glaucome est la première cause de cécité irréversible, touchant 10 % des personnes à l’âge de 80 ans7. Le glaucome est causé par la neurodégénérescence progressive et irréversible des cellules ganglionnaires de la rétine, qui sont responsables de la transmission des stimuli visuels au cerveau par le nerf optique. Dans le glaucome primitif à angle ouvert (GAPO), la forme la plus courante de glaucome, l’augmentation de la pression intraoculaire provoque un amincissement de la couche de fibres nerveuses rétiniennes (RNFL), entraînant une perte de la vision périphérique suivie d’une cécité périphérique et centrale 8,9,10,11. Les preuves histologiques provenant d’études animales suggèrent que le glaucome entraîne en outre une neurodégénérescence progressive du nerf optique, du tractus optique, du noyau géniculé latéral, du rayonnement optique et du cortex visuel12,13. La technologie IRM offre une méthode peu invasive d’évaluation de l’oxygénation du sang et de la neurodégénérescence dans le cortex visuel. Chez les patients atteints de glaucome, l’IRM a mis en évidence une atrophie de la matière grise dans la voie visuelle 13,14,15,16 et une substance blanche anormale dans le chiasma optique, le tractus optique et le rayonnement optique 1,17,18.

Pour explorer davantage les effets sur le traitement visuel, l’IRMf peut être utilisée pour détecter la fonction cérébrale en réponse à des signaux visuels. Le présent protocole décrit une nouvelle méthode permettant d’obtenir une carte rétinotopique à faible coût et à large champ de vision à l’aide d’une IRMf de rétinotopie à haute résolution avec des stimuli à grand champ (>100°), comme décrit par Zhou et al3. Des stimuli visuels d’anneaux en expansion et de coins rotatifs ont été utilisés pour obtenir une cartographie rétinotopique de l’excentricité et de l’angle polaire pour l’IRMf. Les changements en pourcentage de l’IRMf BOLD ont été analysés en fonction de l’excentricité pour évaluer la fonction cérébrale, correspondant à la fois à la vision centrale et périphérique. Le changement de pourcentage d’IRMf BOLD peut être utilisé pour visualiser l’activation dans tout le cortex visuel. Ces mesures d’IRMf fournissent une nouvelle méthode fiable pour évaluer les changements neurodégénératifs et leurs effets fonctionnels sur le cortex visuel trouvés dans les maladies oculaires impliquant des défauts du champ visuel, tels que le glaucome.

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Protocol

La recherche avec des participants humains a été réalisée conformément aux directives institutionnelles du Centre des sciences de la santé de l’Université du Texas et de l’Université Stony Brook, avec le consentement éclairé obtenu des participants pour ces études et l’utilisation de leurs données.

1. Mise en place des protocoles d’IRM et d’imagerie

  1. Pour l’IRMf, utilisez un scanner IRM 3T avec des bobines de tête de réception multicanaux. Différentes intensités de champ peuvent également être utilisées, mais peuvent présenter des difficultés avec le rapport signal/bruit (SNR) ou les artefacts de distorsion, alors ajustez en conséquence. N’utilisez que la moitié postérieure de la bobine de tête pour l’IRMf afin de permettre un angle de vision plus grand non obstrué par la moitié antérieure de la bobine.
  2. Configurer une séquence d’écho de gradient d’acquisition rapide (MP-RAGE) pondérée en T1 avec un temps de répétition (TR) de 2,2 s, un temps d’écho (TE) de 2,8 ms, un champ de vision (FOV) de 176 mm x 256 mm x 208 mm, une résolution spatiale de 1 mm x 1 mm x 1 mm, une bande passante de 190 Hz/pixel, un angle de retournement de 13°, et une durée de balayage de 3,1 min3.
  3. Configurez une séquence d’imagerie échoplanaire (EPI) à écho de gradient avec un TR de 2 s, un TE de 30 ms, un champ de vision de 220 mm x 220 mm, une résolution dans le plan de 1,7 mm x 1,7 mm, 29 tranches d’une épaisseur de 3 mm et une bande passante de 1 500 Hz/pixel3.
  4. Mesurez les dimensions de la bobine de tête et de l’alésage du scanner, puis construisez un cadre simple en coupant un tuyau en polychlorure de vinyle (PVC) en longueurs appropriées et en les reliant avec des coudes en PVC. Procurez-vous un miroir d’au moins 25 cm de large et 15 cm de haut et fixez-le à une tige en plastique à l’aide de vis (de petits trous peuvent être percés dans le miroir).
    1. Fixez les extrémités de la tige en plastique au cadre en PVC à l’aide de vis en nylon (Figure 1A). Assurez-vous que les vis en nylon sont légèrement desserrées pour permettre de faire pivoter le miroir à la main afin d’optimiser l’angle pour chaque participant.
  5. Faites un écran pour aller à l’intérieur de l’alésage de l’IRM. Découpez un segment d’un écran de rétroprojection d’environ la taille de l’alésage de l’IRM. Construisez un cadre de la taille de l’alésage et fixez l’écran au cadre avec des vis. Placez l’écran à l’intérieur du scanner juste derrière la bobine de tête pour minimiser la distance entre l’écran et le miroir et maximiser le champ de vision.
    REMARQUE : Si l’alésage du scanner est suffisamment grand, un seul écran peut être utilisé pour que le participant puisse voir directement au lieu de la configuration du miroir et de l’écran de rétroprojection. Un écran de projection fixé à une fine feuille de bois en guise de support ou une fine feuille de plastique blanc mat peut être utilisé comme écran et placé sur le cadre à la place d’un miroir. Le projecteur doit ensuite être positionné et mis au point, de manière à remplir l’écran et à être net.

2. Préparation des participants

  1. Informez le participant de la procédure, des risques et des avantages de l’IRMf. Obtenir leur consentement éclairé.
  2. Assurez-vous que le participant n’a pas de contre-indications à l’IRM. Cela inclut le dépistage des stimulateurs cardiaques, des implants métalliques ou de la claustrophobie. Si vous avez des doutes, consultez un radiologue ou un chercheur qualifié et excluez le participant de l’étude s’il subsiste une incertitude.
  3. Expliquez le protocole de stimulation visuelle et la nécessité pour les participants de se fixer sur la croix centrale pendant les examens par IRMf. Montrez au participant une courte démonstration de la stimulation visuelle à des fins pédagogiques pour le familiariser avec la procédure.
  4. Positionnez soigneusement le participant sur la table de l’appareil d’IRM pour vous assurer qu’il est à l’aise et détendu. Prévoyez des bouchons d’oreille et/ou un casque d’écoute insonorisant pour réduire le bruit acoustique que le participant entendra afin de protéger son ouïe.
  5. Immobiliser la tête du participant dans la moitié postérieure de la bobine de tête, en utilisant un rembourrage en mousse sur les côtés de la tête pour s’assurer que la tête est correctement immobilisée afin de réduire les artefacts de mouvement. Utilisez le système de positionnement du scanner et déplacez la table dans l’alésage du scanner.
  6. Placez l’écran large ou le miroir à 10 cm des yeux du patient (Figure 1B). Placez l’écran de la taille d’un alésage à l’arrière de l’alésage du scanner, juste derrière la bobine de tête. Ajustez la position et l’angle du miroir/écran pour chaque participant afin d’obtenir un angle de vision cohérent.
  7. Assurez-vous que le participant est à l’aise tout au long de la numérisation via la communication via l’interphone.

3. IRMf du participant

  1. Exécutez un balayage d’alignement de piste avec trois plans orthogonaux et des réglages et étalonnages du scanner pour le réglage de la fréquence et le calage.
  2. Exécutez un scan anatomique MP-RAGE pour aider à positionner les tranches EPI.
  3. Créez des stimuli visuels, comme décrit dans les étapes suivantes, à l’aide d’un programme permettant d’exécuter des expériences comportementales ou psychologiques.
  4. Au début du protocole d’IRMf, demandez au participant de se fixer sur la croix blanche (3° x 3°), qui doit être au-dessus d’un fond gris au centre des stimuli pendant 10 s.
    REMARQUE : La croix blanche sera affichée avant et après chaque paradigme de stimulation visuelle pendant 10 s. Ainsi, le test de stimulation IRMf total pour chaque paradigme est de 200 s.
  5. Présenter le premier paradigme de stimulation visuelle (une série de coins rotatifs) pendant une période de 30 s (ce qui donne une vitesse angulaire de 6°/s) et parcourir six périodes. Les stimuli en forme de coin doivent comprendre 12 images de coins rotatifs (une avec balayage dans le sens des aiguilles d’une montre et une dans le sens inverse des aiguilles d’une montre), s’étendant jusqu’au bord de l’écran/miroir (champ visuel de >100°), avec un motif en damier noir et blanc à inversion de contraste de 8 Hz (contraste de 100 %) (Figure 2A).
  6. Présentez à nouveau la croix blanche pendant 10 s.
  7. Répétez les étapes 3.4 à 3.6 avec le deuxième paradigme de stimulation visuelle (une série d’anneaux d’expansion et de contraction) pendant une période de 30 s (dilatation ou contraction à 1,8 °/s du champ visuel) et faites un cycle de six périodes. Les stimuli en anneau doivent comprendre huit images d’anneaux en expansion ou en contraction (champ visuel de >100°), avec un motif en damier noir et blanc (contraste de 100 %) à inversion de contraste de 8 Hz (Figure 2B).
  8. Après avoir terminé l’IRMf, sortez la table de l’alésage du scanner tout en demandant au participant de rester immobile. Retirez le miroir/l’écran, placez la partie antérieure de la bobine de tête en plus de la partie postérieure et replacez la table au centre du scanner.
  9. Procurez-vous un balayage rapide de l’alignement de piste en cas de mouvement et obtenez un balayage MP-RAGE avec la bobine de tête complète.
    REMARQUE : Une image anatomique avec l’ensemble de la bobine de tête est nécessaire pour un enregistrement précis pour les analyses de groupe et les besoins de reconstruction.

4. Analyse des données d’IRMf rétinotopique

  1. Téléchargez et installez l’application FreeSurfer pour l’analyse IRM (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
    NOTE : La version 5.3.0 de FreeSurfer a été utilisée ici.
  2. Obtenez des images au format DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) à partir du scanner IRM. Convertissez les fichiers DICOM au format nifti à l’aide de l’application dcm2niix (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21.
  3. Traitez l’analyse pondérée T1 pour fournir une référence de surface corticale, comme décrit dans les deux étapes suivantes. Utilisez FreeSurfer pour convertir des données structurelles du format nifti au format .mgz (commande mri_convert).
  4. Utilisez la commande recon-all dans un environnement shell pour effectuer une segmentation automatisée et une reconstruction corticale des données structurelles.
    REMARQUE : Cette étape peut prendre plus de 20 heures.
  5. Utilisez l’interface utilisateur graphique tksurfer pour visualiser l’hémisphère gonflé et couper virtuellement le cortex visuel le long de la fissure calcarine, puis sélectionnez le lobe occipital. Utilisez la commande mris_flatten pour aplatir le patch du cortex visuel. Répétez cette étape pour les deux hémisphères.
  6. Pour les données IRMf, supprimez d’abord les périodes de repos, avec seulement la croix de fixation présentée, du début et de la fin des données. Examinez les données d’IRMf à la recherche d’artefacts ou de mouvements importants.
  7. Prétraitez les données fonctionnelles pour le lissage spatial et la correction du mouvement. Modélisez le paradigme du stimulus rétinotopique et appliquez une fonction de réponse hémodynamique canonique pour construire la fonction de réponse.
  8. Effectuez une analyse rétinotopique codée en phase des données IRMf à l’aide du flux d’analyse fonctionnelle FreeSurfer (commandes mkanalysis-sess, selxavg3-sess et fieldsign-sess) pour corréler la série temporelle IRMf BOLD avec une fonction de réponse modélisée et obtenir des cartes rétinotopiques codées en phase, avec un niveau de signification de p < 0,01 (Figure 3).
  9. Visualisez les résultats des cartes rétinotopiques avec des cartes d’activation codées par couleur superposées sur le cortex visuel virtuellement aplati à l’aide de la commande tksurfer-sess et affichez-les à l’aide de la commande rtview.
  10. Utilisez les cartes rétinotopiques codées en phase à partir des stimuli en coin pour aider à définir les limites du cortex visuel primaire (V1) et d’autres zones extra-striées (V2 et V3) à l’aide de cartes de signalisation de terrain (Figure 3A), ainsi que de points de repère anatomiques et d’atlas FreeSurfer.
  11. Pour calculer la réponse BOLD à différentes excentricités, utilisez d’abord FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) pour calculer des cartes statistiques à l’aide d’un modèle linéaire général pour chaque taille de stimuli en anneau avec un seuil de score z de Z > 2,322,23. Si une analyse de groupe est en cours, calculez l’analyse de deuxième niveau pour les cartes statistiques des différences de groupe avec FSL Feat pour aider à déterminer la réponse BOLD à différentes excentricités.
  12. Co-enregistrez les images IRMf sur la surface corticale reconstruite à l’aide des commandes bbregister et tkregister2 de FreeSurfer pour aligner les données IRMf du participant sur l’image structurelle anatomique de son cerveau et assurer un alignement spatial précis.
  13. Regroupez les stimuli en anneau par excentricité pour chacune des huit images. Dessinez manuellement des régions d’intérêt pour différentes excentricités en fonction des régions de voxel activées pour chaque image. Prenez les changements en pourcentage en gras et tracez-les en fonction de l’excentricité. De plus, regroupez les données d’excentricité dans les régions centrales (< ±12°) et périphériques (> ±12°), où un stimulus visuel de ±12° est typique des études d’IRMf rétinotopique.

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Representative Results

Neuf participants diagnostiqués avec POAG (quatre hommes, âgés de 36 à 74 ans) et neuf volontaires sains appariés selon l’âge (six hommes, âgés de 53 à 65 ans) ont été évalués à l’aide du protocole d’IRMf à large vision susmentionné, tel que décrit précédemment par Zhou et al3. Le POAG a été confirmé cliniquement chez les patients présentant un angle ouvert par l’évaluation de la présentation de défauts du champ visuel compatibles avec un glaucome, une ventouse discale optique et/ou une pression intraoculaire (PIO) supérieure à 21 mmHg3. Une présentation visuelle large (±55°) a été utilisée pour évaluer la vision centrale et périphérique dans chaque groupe3.

La figure 3 illustre les cartes d’IRMf rétinotopique pour les stimuli polaires (en coin) et d’excentricité (en anneau) d’un POAG et d’un participant témoin en bonne santé. Les cartes polaires (figure 3A) n’ont révélé aucune différence évidente entre le GAPO et les participants en bonne santé. Les cartes d’excentricité (Figure 3B) ont montré que la région centrale de la parafovéa qui a été activée par les stimuli en anneau plus petits semblait plus grande chez le patient POAG par rapport au participant sain. L’hypertrophie de la région parafovéale dans le cortex visuel des participants au POAG suggère des changements corticaux en réponse à des troubles de la vision périphérique.

Les variations en pourcentage de BOLD pour les champs visuels centraux (<24°) et périphériques (>24°) entre les sous-groupes POAG et le groupe témoin en bonne santé ont été comparées (figure 4). Les variations en pourcentage de BOLD à différentes excentricités ont été réduites chez les patients atteints de POAG par rapport aux participants témoins en bonne santé, principalement à des excentricités plus périphériques (Figure 4A). Les variations en pourcentage de BOLD ont été significativement réduites entre les deux groupes, plus particulièrement à des excentricités plus importantes (p < 0,05, ANOVA bidirectionnelle avec test post-hoc de Bonferroni). Les variations en pourcentage de BOLD moyennes pour la vision centrale (tous les stimuli <24°) n’ont été que légèrement et pas significativement réduites chez les patients POAG, tandis que la réponse BOLD pour la vision périphérique (tous les stimuli >24°) a été significativement réduite (Figure 4B). Ces résultats indiquent l’utilité potentielle de ce protocole pour évaluer les changements dans la fonction du cortex visuel localisés à la vision périphérique ou centrale, ce qui est pertinent pour les troubles visuels tels que le glaucome.

Figure 1
Figure 1 : Dispositif expérimental. (A) Le miroir de 25 cm de large sur 15 cm de haut maintenu en place par un cadre construit à partir de tuyaux en PVC. (B) Mise en place du système de présentation sur un scanner IRM, montrant la partie postérieure d’une bobine de tête, le miroir et le cadre, et l’écran de rétroprojection (flèches) dans l’alésage directement derrière la bobine de tête. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Paradigmes de stimulation visuelle. (A) Trois images du paradigme de stimulation visuelle rétinotopique polaire, qui consistent en des coins tournant dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre avec un motif en damier alterné de contraste. (B) Trois cadres du paradigme de l’excentricité, qui consistent en des anneaux en expansion et en contraction avec un motif en damier alternant le contraste. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Cartes des polaires et de l’excentricité rétinotopique. Carte polaire représentative (A) à l’aide d’un coin rotatif d’un témoin normal et (B) cartes d’excentricité à l’aide d’anneaux d’expansion/contraction d’un témoin normal et d’un participant POAG. Les hémisphères gauche et droit (LH et RH) sont représentés avec des limites corticales visuelles définies (V1, V2 et V3). Une image de chaque paradigme est représentée dans l’encart central. Les échelles de couleurs correspondent aux régions correspondantes du champ visuel, comme indiqué par les roues chromatiques, avec A) la correspondance avec l’angle polaire des stimuli en coin et B) la correspondance avec l’excentricité des stimuli en anneau. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Variations du pourcentage de BOLD en fonction de l’excentricité et des champs visuels centraux ou périphériques. (A) Variations en pourcentage de BOLD moyennées par groupe par rapport aux stimuli en anneau chez les témoins sains et les patients POAG en fonction de l’excentricité. Le pourcentage de variation en gras pour chaque taille des stimuli en anneau a été calculé pour donner les données à chaque excentricité. (B) Changements en pourcentage GRAS entre les patients témoins sains et les patients POAG du centre (< ±12°) et périphérique (> ±12°) du champ visuel, en regroupant les données de toutes les excentricités. Les données sont des moyennes ± l’erreur-type de la moyenne. *p < 0,05, ANOVA à deux facteurs avec corrélation post hoc. Ce chiffre a été modifié à partir de Zhou et al.3 avec permission. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Le protocole ci-dessus pour l’utilisation de l’IRMf rétinotopique à large champ de vision est une méthode innovante pour évaluer les effets de la perte de vision et des maladies oculaires sur le cerveau. Grâce à une cartographie rétinotopique à champ large du cortex visuel avec l’utilisation d’un écran à vision plus large, cette approche permet une compréhension plus complète de l’organisation fonctionnelle du système visuel. Cela pourrait conduire à une meilleure compréhension des anomalies du système de traitement visuel du cerveau, qui se produisent dans la neurodégénérescence, comme dans le glaucome 24,25. Cette technologie peut également être utilisée pour détecter et analyser la dégénérescence et la réorganisation du cerveau dans d’autres conditions qui causent la cécité, telles que la dégénérescence maculaire liée à l’âge26,27.

Un seul œil humain a un angle visuel d’environ 100°. Les techniques précédentes utilisées dans la plupart des études d’IRMf visuelle utilisaient un champ de vision inférieur à 30°, limitant la partie du cortex visuel qui pouvait être activée et analysée par l’IRMf28. Par conséquent, la vision périphérique n’a pas pu être visualisée, ce qui a obligé toutes les analyses à se concentrer uniquement sur le champ visuel central. Sur le plan clinique, cela a empêché les cliniciens d’effectuer avec précision une cartographie corticale préopératoire, cruciale pour éviter les emplacements vitaux lors de la réalisation de chirurgies cérébrales29. Avec la technique d’IRMf rétinotopique à large champ décrite dans ce protocole, l’angle visuel a été augmenté jusqu’à 100° (±50°)3,30,31. Pour permettre une image large et réduire l’obstruction visuelle causée par la bobine de tête, seule la moitié postérieure de la bobine de tête est utilisée. Les bobines de tête ont généralement une fenêtre relativement petite, avec des barres transversales qui entravent la capacité de voir pleinement les stimuli rétinotopiques à large vue. Cependant, l’utilisation uniquement de la partie postérieure de la bobine de tête provoque une grande inhomogénéité du signal dans le cerveau et réduit le rapport signal/bruit dans les régions antérieure et centrale. La qualité de l’image et le rapport signal/bruit du lobe occipital postérieur ne doivent pas être fortement affectés32. Cependant, les effets exacts de l’utilisation de la partie postérieure de la bobine dépendent probablement d’une conception spécifique de la bobine (nombre et taille des bobines en réseau), de sorte que tester le rapport signal/bruit ou le rapport de fluctuation du signal sur bruit chez quelques sujets avec et sans la partie antérieure peut être effectué s’il y a un risque de perte significative du SNR avec une bobine donnée32.

Une configuration correcte de la séquence MP-RAGE pondérée en T1 est essentielle pour enregistrer correctement les images fonctionnelles sur les images structurelles cérébrales à haute résolution et pour l’enregistrement anatomique sur des modèles ou pour des études de groupe. En tant que tel, nous acquérons l’image pondérée T1 en utilisant l’ensemble de la bobine de tête, ce qui peut entraîner un léger mouvement du participant par rapport à l’IRMf. L’alignement de l’IRMf sur l’anatomie est une étape d’analyse de routine, cela ne devrait donc pas poser de problème. Alternativement, l’acquisition de l’image pondérée T1 sans la bobine antérieure pourrait être faite, mais l’inhomogénéité de l’image peut avoir un impact sur la qualité du recalage dans un modèle de référence. Pour éviter les artefacts de mouvement, il est crucial d’immobiliser correctement la tête du participant à l’intérieur de la bobine de tête. Les artefacts de mouvement peuvent naturellement se produire sans une stabilisation adéquate, ce qui affectera négativement la qualité des données d’IRMf recueillies, ce qui entraînera de moins bons résultats de l’analyse. Bien que la correction de mouvement post-traitement soit courante pour l’analyse IRMf, les mouvements importants peuvent toujours avoir un impact sur les résultats, il est donc important de vérifier la qualité des données des scans fonctionnels et d’écarter les études présentant des artefacts majeurs. Dans ce protocole, les participants ont été invités à se concentrer sur une croix blanche pendant 10 s, avant et après chaque paradigme de stimulation visuelle, afin d’obtenir des données BOLD de base. Cela a permis de réduire la variabilité de l’IRMf au départ et a également permis au cerveau du sujet de s’adapter aux sons du scanner et à la luminosité de l’écran de fond avant le début des tests de données visuelles.

Il existe une variété d’approches alternatives qui pourraient être envisagées pour l’IRMf à vue large. L’approche décrite ici, utilisant un grand écran/miroir avec seulement la moitié postérieure de la bobine de tête, peut fournir une vue large modérée jusqu’à un champ de vision d’environ 100° 3,30. Le coût de fabrication du miroir/écran est très faible (potentiellement <100 $ US), en supposant qu’un projecteur standard soit déjà disponible. Greco et al. ont utilisé une approche légèrement différente, avec l’écran placé après le miroir dans le chemin optique, directement devant le visage du sujet (à 7,5 cm de distance), offrant un angle visuel de 80°28. Des lunettes compatibles IRM étaient nécessaires pour que le participant puisse se concentrer sur l’écran. Ellis et al. ont également utilisé une approche similaire, mais avec le projecteur incliné vers le bas sur un miroir au bas de l’alésage, qui réfléchissait les stimuli directement sur le dessus de l’alésage au-dessus du visage du sujet, offrant un angle visuel de 115°32. La vue est déformée par l’alésage incurvé, ce qui nécessite que les images soient déformées pour que les stimuli soient corrigés. Une extension de cette approche a récemment été signalée avec un écran incurvé personnalisé en haut de l’alésage du scanner et deux miroirs capables de fournir un champ de vision ultra-large de 175°34. Certaines de ces méthodes rapportées utilisaient la partie antérieure de la bobine de tête et d’autres non ; cependant, n’importe laquelle de ces méthodes pourrait être utilisée dans les deux sens, avec potentiellement un rapport signal/bruit légèrement plus élevé en utilisant la bobine antérieure, mais avec le compromis d’un angle visuel réduit et de parties du champ visuel bloquées. Une limitation potentielle de toutes les méthodes utilisant un projecteur est que, pour un écran avec une taille et un emplacement personnalisés, le projecteur doit être ajusté pour la mise au point et la taille de l’image projetée en ajustant le projecteur/objectif, en déplaçant le projecteur ou en obtenant des objectifs personnalisés si les méthodes précédentes ne sont pas suffisantes.

Une autre approche a utilisé une tige en plastique transparent avec une extrémité incurvée comme écran, avec un projecteur pour fournir un angle visuel légèrement plus grand de 120°, ce qui est compatible avec l’utilisation de la bobine de tête antérieure sans limiter le champ de vision. Cependant, seule une stimulation monoculaire peut être effectuée. Une lentille spéciale pour le projecteur est nécessaire, ce qui augmente le coût, et des lentilles de contact doivent être portées pour que le participant puisse se concentrer sur l’écran, ce qui complique la configuration31. Une approche similaire utilisait des faisceaux de fibres optiques pour transmettre et présenter directement des images d’un écran à l’œil d’un participant, ce qui fournissait un angle visuel allant jusqu’à 120°33. Des lentilles cornéennes doivent également être portées, et un seul œil peut être stimulé à la fois. Cette méthode nécessite un faisceau de fibres optiques long et à haute densité, qui peut avoir une résolution relativement faible pour la présentation et peut être modérément coûteux33.

La déficience visuelle et les maladies oculaires peuvent affecter la structure et la fonction du cortex visuel. L’IRMf BOLD peut être utilisée pour visualiser la fonction corticale rétinotopique, mais la plupart des systèmes de présentation visuelle utilisés pour l’IRMf ne stimulent que le champ visuel central. Ce protocole décrit la mise en œuvre d’un système de présentation à large vue pour l’IRMf qui peut être utilisé pour cartographier fonctionnellement le cortex visuel périphérique et central. Ce système peut être mis en place facilement et à faible coût à l’aide de projecteurs courants compatibles avec la RM. Bien qu’avec certaines limites, le protocole décrit a le potentiel d’analyser les fonctions du cortex visuel correspondant à la vision centrale et périphérique à un niveau qui équilibre le coût et la précision. Les données recueillies par cette méthode peuvent être analysées pour déterminer l’activation sélective en fonction de différents types de stimuli visuels et de la communication cérébrale entre les différentes zones de traitement visuel. Cette méthode pourrait être utilisée pour évaluer les changements dans la fonction du cortex visuel périphérique et central dus à la perte de vision et aux maladies oculaires telles que le glaucome. Cette technologie a donc des applications dans le diagnostic, la prise en charge et le traitement des maladies oculaires.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par les 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

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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).

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Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) du cortex visuel avec stimulation rétinotopique à grand angle
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Galenchik-Chan, A., Chernoff, D., Zhou, W., Duong, T. Q., Muir, E. R. Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) of the Visual Cortex with Wide-View Retinotopic Stimulation. J. Vis. Exp. (202), e65597, doi:10.3791/65597 (2023).

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