Summary
Yaygın olarak kullanılandan daha fazla görsel alan kullanarak görsel korteks işlevini haritalamak için teknikler geliştirdik. Bu yaklaşım, görme bozukluklarının ve göz hastalıklarının değerlendirilmesini geliştirme potansiyeline sahiptir.
Abstract
Periferik ve merkezi görsel korteksi fonksiyonel olarak haritalamak için geniş görüşlü bir sunuma sahip yüksek çözünürlüklü retinotopik kan oksijenasyon düzeyine bağlı (BOLD) fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) kullanılabilir. Görsel beynin fonksiyonel değişikliklerini ölçmek için kullanılan bu yöntem, genellikle görsel alanın <30°'sini kapsayan standart fMRI görsel sunum kurulumlarına kıyasla, görme alanının >100° (±50°) veya daha fazlasını uyararak oksipital lobun fonksiyonel haritalanmasına izin verir. BOLD fMRI için basit bir geniş görüş stimülasyon sistemi, MR uyumlu yaygın projektörler kullanılarak, deneğin yüzüne yakın bir yere büyük bir ayna veya ekran yerleştirilerek ve görüşlerini engellemeden geniş bir görüş açısı sağlamak için standart bir kafa bobininin yalnızca arka yarısı kullanılarak kurulabilir. Geniş görüşlü retinotopik fMRI haritası daha sonra çeşitli retinotopik stimülasyon paradigmaları kullanılarak görüntülenebilir ve veriler, merkezi ve periferik görmeye karşılık gelen görsel kortikal bölgelerin fonksiyonel aktivitesini belirlemek için analiz edilebilir. Bu yöntem, glokom gibi göz hastalıklarına bağlı olarak periferik ve santral görme korteksinde meydana gelen değişiklikleri ve bunlara eşlik edebilecek görme kaybını değerlendirmek için kullanılabilecek pratik, uygulaması kolay bir görsel sunum sistemi sağlar.
Introduction
Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), bölgesel kan akışındaki değişiklikler beyin bölgelerininaktivasyonu ile ilişkili olduğundan, uyaranlara yanıt olarak görsel korteks içindeki bölgesel nörovasküler fonksiyondaki değişiklikleri değerlendirmek için değerli bir yöntemdir 1,2. Yüksek çözünürlüklü retinotopik kan oksijenasyon seviyesine bağlı (BOLD) sinyal ölçümleri, beyindeki kan akışındaki lokalize değişiklikler ve kan oksijenasyonu tarafından yönlendirilen deoksihemoglobindeki değişiklikleri temsil eder 1,2. fMRI verilerinden toplanan BOLD aktivite paternleri, periferik ve merkezi görsel korteksi işlevsel olarak haritalamak ve ayrıca görme bozukluğu ve nörodejenerasyona yanıt olarak retinotopik haritadaki değişiklikleri tespit etmek için kullanılabilir3.
Önceki fMRI çalışmalarının çoğu, görsel kortekste retinotopik temsilin sınırlı fonksiyonel parselasyonunu ve perifer hariç sadece merkezi görme alanıyla sınırlı değerlendirme sağlayan dar görüşlü (merkezi görme alanının yaklaşık ±12°'si) retinotopik olmayan uyaranları veya dar görüşlü görsel uyaranları içeren basit retinotopik uyaranları kullanmıştır3. Sonuç olarak, dar görüşlü fMRI verileri, glokom hastalarında tutarsız BOLD yüzde değişiklikleri bildirmiştir 4,5,6. Bu nedenle, özellikle glokom gibi hastalıkların değerlendirilmesinde, periferik ve merkezi görme alanını değerlendirmek için geliştirilmiş fMRI yaklaşımlarına ihtiyaç vardır.
Glokom, 80 yaşına kadar insanların %10'unu etkileyen, geri dönüşü olmayan körlüğün önde gelen nedenidir7. Glokom, optik sinir yoluyla beyne görsel uyaranların iletilmesinden sorumlu olan retinal ganglion hücrelerinin ilerleyici, geri dönüşümsüz nörodejenerasyonundan kaynaklanır. Glokomun en yaygın formu olan primer açık açılı glokomda (PAAG), artmış göz içi basıncı, retina sinir lifi tabakasının (RSLT) incelmesine neden olarak periferik görme kaybına ve ardından periferik ve merkezi körlüğeyol açar 8,9,10,11. Hayvan çalışmalarından elde edilen histolojik kanıtlar, glokomun ayrıca optik sinir, optik yol, lateral genikülat çekirdek, optik radyasyon ve görsel kortekste ilerleyici nörodejenerasyona yol açtığını göstermektedir 12,13. MRI teknolojisi, görsel kortekste hem kan oksijenasyonunu hem de nörodejenerasyonu değerlendirmek için minimal invaziv bir yöntem sunar. Glokomlu hastalarda MRG, görme yolunda 13,14,15,16 gri madde atrofisi ve optik kiazma, optik yol ve optik radyasyondaanormal beyaz madde kanıtı bulmuştur 1,17,18.
Görsel işleme üzerindeki etkileri daha fazla araştırmak için, görsel ipuçlarına yanıt olarak beyin fonksiyonlarını tespit etmek için fMRI kullanılabilir. Buradaki protokol, Zhou ve ark.3 tarafından tanımlandığı gibi, geniş alan (>100°) uyaranlarla yüksek çözünürlüklü retinotopi fMRI kullanarak düşük maliyetli, geniş görüşlü bir retinotopik harita elde etmek için yeni bir yöntemi açıklamaktadır. genişleyen halkaların ve dönen takozların görsel uyaranları, fMRI için eksantriklik ve polar açının retinotopik haritasını çıkarmak için kullanıldı. BOLD fMRI yüzde değişiklikleri, hem merkezi hem de periferik görüşe karşılık gelen beyin fonksiyonunu değerlendirmek için eksantrikliğin bir fonksiyonu olarak analiz edildi. BOLD fMRI yüzde değişimi, görsel korteks boyunca aktivasyonu görselleştirmek için kullanılabilir. Bu fMRI ölçümleri, glokom gibi görme alanı kusurlarını içeren göz hastalıklarında bulunan nörodejeneratif değişiklikleri ve bunların görme korteksi üzerindeki fonksiyonel etkilerini değerlendirmek için güvenilir yeni bir yöntem sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
İnsan katılımcılarla yapılan araştırmalar, Texas Üniversitesi Sağlık Bilimleri Merkezi ve Stony Brook Üniversitesi'ndeki kurumsal yönergelere uygun olarak, bu çalışmalar ve verilerinin kullanımı için katılımcılardan bilgilendirilmiş onam alınarak gerçekleştirildi.
1. MRI tarayıcı ve görüntüleme protokollerinin kurulumu
- fMRI için, çok kanallı alıcı kafa bobinlerine sahip bir 3T MRI tarayıcı kullanın. Farklı alan güçleri de kullanılabilir, ancak sinyal-gürültü oranı (SNR) veya bozulma artefaktları ile ilgili zorluklar ortaya çıkarabilir, bu nedenle buna göre ayarlayın. Bobinin ön yarısı tarafından engellenmeyen daha geniş bir görüş açısına izin vermek için fMRI için kafa bobininin yalnızca arka yarısını kullanın.
- 2,2 s tekrarlama süresi (TR), 2,8 ms yankı süresi (TE), 176 mm x 256 mm x 208 mm görüş alanı (FOV), 1 mm x 1 mm x 1 mm uzamsal çözünürlük, 190 Hz/piksel bant genişliği, 13° çevirme açısı ile T1 ağırlıklı manyetizasyon ile hazırlanmış hızlı edinim gradyan yankı (MP-RAGE) dizisi ayarlayın, ve 3.1 dakikalık bir tarama süresi3.
- TR 2 s, TE 30 ms, FOV 220 mm x 220 mm, düzlem içi çözünürlük 1,7 mm x 1,7 mm, 3 mm kalınlığında 29 dilim ve 1.500 Hz/pikselbant genişliği ile gradyan-eko, eko-düzlemsel görüntüleme (EPI) dizisi ayarlayın 3.
- Kafa bobininin ve tarayıcı deliğinin boyutlarını ölçün ve ardından bir polivinil klorür (PVC) boruyu uygun uzunluklarda keserek ve bunları PVC dirseklerle bağlayarak basit bir çerçeve oluşturun. En az 25 cm genişliğinde ve 15 cm yüksekliğinde bir ayna alın ve vidalarla plastik bir çubuğa tutturun (aynaya küçük delikler açılabilir).
- Plastik çubuğun uçlarını naylon vidalarla PVC çerçeveye takın (Şekil 1A). Her katılımcı için açıyı optimize etmek üzere aynanın elle döndürülmesine izin vermek için naylon vidaların biraz gevşek olduğundan emin olun.
- MRI deliğinin içine girmek için bir ekran yapın. Yaklaşık olarak MRI deliği büyüklüğünde bir arkadan projeksiyon perdesi parçası kesin. Deliğin boyutunda bir çerçeve oluşturun ve ekranı çerçeveye vidalarla tutturun. Ekran ile ayna arasındaki mesafeyi en aza indirmek ve FOV'u en üst düzeye çıkarmak için ekranı tarayıcının içine kafa bobininin hemen arkasına yerleştirin.
NOT: Tarayıcı deliği yeterince büyükse, katılımcının ayna ve arkadan projeksiyon ekranı kurulumu yerine doğrudan görüntülemesi için tek bir ekran kullanılabilir. Destek için ince bir ahşap levhaya tutturulmuş bir projeksiyon perdesi veya ince mat beyaz plastik bir levha perde olarak kullanılabilir ve ayna yerine çerçeveye yerleştirilebilir. Projektör daha sonra ekranı dolduracak ve odakta olacak şekilde konumlandırılmalı ve odaklanmalıdır.
2. Katılımcı hazırlığı
- Katılımcıyı fMRI taramasının prosedürü, riskleri ve faydaları hakkında bilgilendirin. Bilgilendirilmiş onamlarını alın.
- Katılımcının MRG'ye herhangi bir kontrendikasyonu olmadığından emin olun. Buna kalp pilleri, metal implantlar veya klostrofobi taraması dahildir. Herhangi bir belirsizliğiniz varsa, kalifiye bir radyolog veya araştırmacıya danışın ve herhangi bir belirsizlik varsa katılımcıyı çalışmadan hariç tutun.
- Görsel stimülasyon protokolünü ve katılımcıların fMRI taramaları sırasında merkezi çapraza sabitlenme ihtiyacını açıklayın. Katılımcıya, prosedüre aşina olmaları için öğretim amaçlı görsel stimülasyonun kısa bir gösterimini gösterin.
- Rahat ve rahat olduklarından emin olmak için katılımcıyı dikkatlice MRI tarayıcısının masasına yerleştirin. Katılımcının işitme duyusunu korumak için duyacağı akustik gürültüyü azaltmak için kulak tıkacı ve/veya ses sönümleyici bir kulaklık sağlayın.
- Hareket artefaktlarını azaltmak için başın uygun şekilde hareketsiz hale getirilmesini sağlamak için başın yanlarında köpük dolgu kullanarak katılımcının kafasını kafa bobini dizisinin arka yarısında hareketsiz hale getirin. Tarayıcının konumlandırma sistemini kullanın ve tablayı tarayıcı deliğine taşıyın.
- Geniş görüş ekranını veya aynayı hastanın gözlerinden 10 cm uzağa yerleştirin (Şekil 1B). Tarayıcı deliğinin arkasından, kafa bobininin hemen arkasındaki delik boyutundaki ekranı yerleştirin. Tutarlı bir görüş açısı elde etmek için her katılımcı için aynanın/ekranın konumunu ve açısını ayarlayın.
- İnterkom üzerinden iletişim yoluyla katılımcının tarama boyunca rahat olduğundan emin olun.
3. Katılımcının fMRI taraması
- Üç ortogonal düzlem ve frekans ayarı ve şimleme için tarayıcı ayarlamaları ve kalibrasyonları ile bir yerelleştirici taraması yapın.
- EPI dilimlerini konumlandırmaya yardımcı olması için bir MP-RAGE anatomik taraması yapın.
- Davranışsal veya psikolojik deneyler yapmak için bir program kullanarak aşağıdaki adımlarda açıklandığı gibi görsel uyaranlar oluşturun.
- fMRI protokolünün başlangıcında, katılımcıya 10 saniye boyunca uyaranların ortasındaki gri bir arka planın üzerinde olması gereken beyaz çarpı işaretine (3 ° x 3 °) sabitlenmesini söyleyin.
NOT: Beyaz çarpı, 10 saniye boyunca her görsel stimülasyon paradigmasından önce ve sonra gösterilecektir. Böylece, her paradigma için toplam fMRI stimülasyon testi 200 s'dir. - İlk görsel stimülasyon paradigmasını (bir dizi dönen takoz) 30 sn'lik bir süre boyunca (6°/s'lik bir açısal hız vererek) sunun ve altı periyot boyunca döngü yapın. Kama uyaranları, ekranın/aynanın kenarına (>100° görüş alanı) kadar uzanan, 8 Hz kontrastı tersine çeviren siyah beyaz (%100 kontrast) dama tahtası deseni ile 12 kare dönen kama (biri saat yönünde ve diğeri saat yönünün tersine çevrilmiş tarama) içermelidir (Şekil 2A).
- Beyaz haçı bir kez daha 10 saniye boyunca sunun.
- 3.4-3.6 adımlarını ikinci görsel stimülasyon paradigması (bir dizi genişleyen ve daralan halka) ile 30 saniyelik bir süre boyunca tekrarlayın (görme alanının 1.8 ° / s'sinde genişler veya daralır) ve altı periyot boyunca döngü yapın. Halka uyaranları, 8 Hz kontrastı tersine çeviren siyah beyaz (%100 kontrast) dama tahtası desenine sahip sekiz kare genişleyen veya daralan halka (>100° görüş alanı) içermelidir (Şekil 2B).
- fMRI'yı tamamladıktan sonra, katılımcıya hareketsiz kalmasını söylerken masayı tarayıcı deliğinden çıkarın. Aynayı/ekranı çıkarın, kafa bobininin ön kısmını arka tarafa ek olarak yerleştirin ve tablayı tarayıcının ortasına geri getirin.
- Herhangi bir hareket durumunda hızlı bir yerelleştirici taraması elde edin ve tam kafa bobini ile bir MP-RAGE taraması edinin.
NOT: Grup analizleri ve rekonstrüksiyon amaçları için doğru kayıt için tüm kafa bobinini içeren anatomik bir görüntü gereklidir.
4. Retinotopik fMRG verilerinin analizi
- MRI analizi için FreeSurfer uygulamasını indirin ve yükleyin (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
NOT: Burada FreeSurfer 5.3.0 sürümü kullanılmıştır. - MRI tarayıcısından Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) formatında görüntüler elde edin. dcm2niix uygulamasını (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21 kullanarak DICOM dosyalarını nifti formatına dönüştürün.
- Aşağıdaki iki adımda açıklandığı gibi kortikal bir yüzey referansı sağlamak için T1 ağırlıklı taramayı işleyin. Yapısal verileri nifti biçiminden .mgz biçimine dönüştürmek için FreeSurfer'ı kullanın (mri_convert komutu).
- Yapısal verilerin otomatik segmentasyonunu ve kortikal yeniden yapılandırmasını gerçekleştirmek için kabuk ortamında recon-all komutunu kullanın.
NOT: Bu adımın tamamlanması 20 saatten fazla sürebilir. - Şişirilmiş yarımküreyi görüntülemek için grafik kullanıcı arayüzü tksurfer'ı kullanın ve görsel korteksi kalkarin fissür boyunca sanal olarak kesin ve oksipital lobu seçin. Görsel korteks yamasını düzleştirmek için mris_flatten komutunu kullanın. Bu adımı her iki yarım küre için de tekrarlayın.
- fMRI verileri için, önce verilerin başından ve sonundan yalnızca fiksasyon çaprazının sunulduğu dinlenme sürelerini kaldırın. Artefaktlar veya büyük hareketler için fMRI verilerini tarayın.
- Uzamsal yumuşatma ve hareket düzeltme için işlevsel verileri önceden işleyin. Retinotopik uyaran paradigmasını modelleyin ve yanıt fonksiyonunu oluşturmak için kanonik bir hemodinamik yanıt fonksiyonu uygulayın.
- BOLD fMRI zaman serisini modellenmiş bir yanıt fonksiyonu ile ilişkilendirmek ve p < 0.01 anlamlılık düzeyi ile faz kodlu retinotopik haritalar elde etmek için FreeSurfer fonksiyonel analiz akışını (mkanalysis-sess, selxavg3-sess ve fieldsign-sess komutları) kullanarak fMRI verilerinin retinotopik faz kodlu analizini gerçekleştirin (Şekil 3).
- Retinotopik haritaların sonuçlarını, tksurfer-sess komutunu kullanarak sanal olarak düzleştirilmiş görsel korteks üzerine yerleştirilmiş renk kodlu aktivasyon haritaları ile görselleştirin ve rtview komutunu kullanarak görüntüleyin.
- Anatomik işaretler ve FreeSurfer atlasları ile birlikte alan işareti haritaları (Şekil 3A) ile birincil görsel korteksin (V1) ve diğer ekstra çizgili alanların (V2 ve V3) sınırlarını tanımlamaya yardımcı olmak için kama uyaranlarından faz kodlu retinotopik haritaları kullanın.
- Farklı eksantrikliklerde BOLD yanıtını hesaplamak için, önce Z skoru eşiği 2.3 22,23 olan her bir halka uyaranı boyutu için genel bir doğrusal model kullanarak istatistiksel haritaları hesaplamak için FSL Feat'> (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) kullanın. Grup analizi yapılıyorsa, farklı eksantrikliklerde BOLD yanıtını belirlemeye yardımcı olmak için FSL Feat ile grup farklılıklarının istatistiksel haritaları için ikinci seviye analizi hesaplayın.
- Katılımcının fMRI verilerini beyninin anatomik yapısal görüntüsüyle hizalamak ve doğru uzamsal hizalamayı sağlamak için FreeSurfer bbregister ve tkregister2 komutlarını kullanarak fMRI görüntülerini yeniden yapılandırılmış kortikal yüzeye birlikte kaydedin.
- Sekiz karenin her biri için halka uyaranlarını eksantrikliğe göre gruplandırın. Her kare için etkinleştirilmiş voksel bölgelerine dayalı olarak farklı eksantriklikler için ilgi alanlarını manuel olarak çizin. BOLD yüzde değişikliklerini alın ve bunları eksantrikliğin bir fonksiyonu olarak çizin. Ayrıca, eksantriklik verilerini, retinotopik fMRI çalışmaları için ±12°'lik bir görsel uyaranın tipik olduğu merkezi (< ±12°) ve periferik (> ±12°) bölgelere ayırın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PAAG tanısı alan dokuz katılımcı (dört erkek, 36-74 yaş) ve dokuz yaş uyumlu sağlıklı gönüllü (altı erkek, 53-65), daha önce Zhou ve ark.3 tarafından tanımlandığı gibi, yukarıda belirtilen geniş görüşlü fMRI protokolü kullanılarak değerlendirildi. POAG, açık açılı hastalarda glokom, optik disk çukurluğu ve/veya 21 mmHg'den büyük göz içi basıncı (GİB) ile uyumlu görme alanı defektlerinin sunumunun değerlendirilmesiyle klinik olarak doğrulanmıştır3. Her grupta merkezi ve periferik görmeyi değerlendirmek için geniş görüşlü görsel prezentasyon (±55°) kullanıldı3.
Şekil 3 , bir POAG ve sağlıklı kontrol katılımcısından polar (kama) ve eksantriklik (halka) uyaranları için retinotopik fMRI haritalarını göstermektedir. Kutup haritaları (Şekil 3A), POAG ile sağlıklı katılımcılar arasında belirgin bir fark olmadığını ortaya koydu. Eksantriklik haritaları (Şekil 3B), daha küçük halka uyaranları tarafından aktive edilen parafoveanın merkezi bölgesinin, sağlıklı katılımcıya kıyasla PAAG hastasında daha büyük göründüğünü göstermiştir. POAG katılımcılarının görsel korteksindeki genişlemiş parafoveal bölge, periferik görme bozukluklarına yanıt olarak kortikal değişiklikler olduğunu düşündürmektedir.
PAAG alt grupları ile sağlıklı kontrol grubu arasında santral (<24°) ve periferik (>24°) görme alanları için BOLD yüzde değişimleri karşılaştırıldı (Şekil 4). PAAG hastalarında sağlıklı kontrol katılımcılarına kıyasla, özellikle daha periferik eksantrikliklerde farklı eksantrikliklerdeki BOLD yüzde değişiklikleri azalmıştır (Şekil 4A). BOLD yüzde değişiklikleri, iki grup arasında, daha büyük eksantrikliklerde önemli ölçüde azaldı (p < 0.05, Bonferroni post hoc testi ile iki yönlü ANOVA). PAAG hastalarında merkezi görme için ortalama BOLD yüzde değişiklikleri (tüm uyaranlar <24°) sadece biraz azalmış ve önemli ölçüde azalmamışken, periferik görme için BOLD yanıtı (tüm uyaranlar >24°) önemli ölçüde azalmıştır (Şekil 4B). Bu sonuçlar, bu protokolün, glokom gibi görme bozukluklarıyla ilgili olan periferik veya merkezi görüşe lokalize görsel korteks fonksiyonundaki değişiklikleri değerlendirmek için potansiyel faydasını göstermektedir.
Şekil 1: Deney düzeneği. (A) PVC borudan yapılmış bir çerçeve ile yerinde tutulan 25 cm genişliğinde ve 15 cm yüksekliğindeki ayna. (B) Bir kafa dizisi bobininin arka kısmını, aynayı ve çerçeveyi ve doğrudan kafa bobininin arkasındaki delikteki arkadan projeksiyon ekranını (oklar) gösteren bir MRI tarayıcısında sunum sisteminin kurulumu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Görsel stimülasyon paradigmaları. (A) Kontrast dönüşümlü dama tahtası desenine sahip saat yönünde ve saat yönünün tersine dönen takozlardan oluşan polar retinotopik görsel stimülasyon paradigmasından üç kare. (B) Kontrast dönüşümlü dama tahtası desenine sahip genişleyen ve daralan halkalardan oluşan eksantriklik paradigmasından üç kare. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Retinotopik kutup ve eksantriklik haritaları. Temsili (A) normal bir kontrolden dönen bir kama kullanan kutupsal harita ve (B) normal bir kontrolden ve bir POAG katılımcısından genişleyen/daralan halkalar kullanan eksantriklik haritaları. Hem sol hem de sağ hemisferler (LH ve RH) tanımlanmış görsel kortikal sınırlarla (V1, V2 ve V3) gösterilir. Her paradigmadan bir kare orta ekte gösterilir. Renk ölçekleri, renk tekerlekleri tarafından gösterildiği gibi, A) kama uyaranlarının kutupsal açısıyla eşleme ve B) halka uyaranlarının eksantrikliğiyle eşleme ile görsel alanın karşılık gelen bölgeleriyle eşleşir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Eksantriklik ve merkezi veya periferik görme alanlarının bir fonksiyonu olarak BOLD yüzdesi değişir. (A) Sağlıklı kontrollerde ve POAG hastalarında eksantrikliğin bir fonksiyonu olarak halka uyaranlarından grup ortalaması BOLD yüzdesi değişir. Halka uyaranlarının her bir boyutu için BOLD yüzde değişimi, her bir eksantriklikte veri vermek için hesaplandı. (B) Tüm eksantrikliklerden gelen verileri gruplayarak, görme alanının merkezi (< ±12°) ve periferik (> ±12°) sağlıklı kontrol ve PAAG hastaları arasındaki BOLD yüzdesi değişiklikleri. Veriler, ortalamanın standart hatası ± ortalamadır. *p < 0.05, post hoc korelasyonlu iki faktörlü ANOVA. Bu rakam Zhou ve ark.3'ten izin alınarak değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Geniş görüşlü retinotopik fMRG kullanımı için yukarıdaki protokol, görme kaybı ve göz hastalıklarının beyin üzerindeki etkilerini değerlendirmek için yenilikçi bir yöntemdir. Görsel korteksin daha geniş açılı bir ekran kullanılarak geniş alan retinotopik haritalaması yoluyla, bu yaklaşım görsel sistemin işlevsel organizasyonunun daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlar. Bu, glokom24,25 gibi nörodejenerasyonda meydana gelen beynin görsel işleme sistemindeki anormalliklerin daha iyi anlaşılmasına yol açabilir. Bu teknoloji aynı zamanda yaşa bağlı makula dejenerasyonu gibi körlüğe neden olan diğer durumlarda beyin dejenerasyonunu ve yeniden organizasyonunu tespit etmek ve analiz etmek için de kullanılabilir26,27.
Tek bir insan gözünün yaklaşık 100° görüş açısı vardır. Çoğu görsel fMRI çalışmasında kullanılan önceki teknikler, görsel korteksin fMRI28 tarafından aktive edilebilecek ve analiz edilebilecek kısmını sınırlayan 30 ° 'den daha düşük bir FOV kullanıyordu. Sonuç olarak, periferik görme görselleştirilemedi ve tüm analizlerin yalnızca merkezi görme alanına odaklanmasına neden oldu. Klinik olarak bu, klinisyenlerin beyin ameliyatları yaparken hayati konumlardan kaçınmak için çok önemli olan ameliyat öncesi kortikal haritalamayı doğru bir şekilde yapmalarını engelledi29. Bu protokolde anlatılan geniş görüşlü retinotopik fMRI tekniği ile görme açısı 100°'ye (±50°)3,30,31 kadar çıkarılmıştır. Geniş görüşlü bir görüntüye izin vermek ve kafa bobininin neden olduğu görsel engeli azaltmak için, kafa bobininin sadece arka yarısı kullanılır. Kafa bobinleri genellikle nispeten küçük bir pencereye sahiptir ve geniş görüşlü retinotopik uyaranları tam olarak görme yeteneğini engelleyen çubuklar vardır. Bununla birlikte, kafa bobininin sadece arka kısmının kullanılması, beyinde büyük sinyal homojensizliğine neden olur ve ön ve orta bölgelerde SNR'yi azaltır. Posterior oksipital lobun görüntü kalitesi ve SNR'si çok fazla etkilenmemelidir32. Bununla birlikte, bobinin yalnızca arka kısmını kullanmanın kesin etkileri muhtemelen belirli bir bobin tasarımına (dizili bobinlerin sayısı ve boyutu) bağlıdır, bu nedenle ön kısmı olan ve olmayan birkaç denekte SNR veya sinyal-gürültü dalgalanma oranının test edilmesi, belirli bir bobin32 ile önemli bir SNR kaybı endişesi varsa yapılabilir.
T1 ağırlıklı MP-RAGE sekansının uygun şekilde ayarlanması, fonksiyonel görüntülerin yüksek çözünürlüklü beyin yapısal görüntülerine düzgün bir şekilde kaydedilmesi ve şablonlara veya grup çalışmalarına anatomik kayıt için gereklidir. Bu nedenle, tüm kafa bobinini kullanarak T1 ağırlıklı görüntüyü elde ederiz, bu da katılımcının fMRI taramasına göre hafif hareket etmesine neden olabilir. fMRI'nın anatomik taramaya hizalanması rutin bir analiz adımıdır, bu nedenle bu bir sorun olmamalıdır. Alternatif olarak, ön bobin olmadan T1 ağırlıklı görüntünün elde edilmesi yapılabilir, ancak görüntünün homojen olmaması bir referans şablonuna kayıt kalitesini etkileyebilir. Hareket artefaktlarını önlemek için, katılımcının kafasını kafa bobini içinde uygun şekilde hareketsiz hale getirmek çok önemlidir. Hareket artefaktları, uygun stabilizasyon olmadan doğal olarak ortaya çıkabilir ve bu da toplanan fMRI verilerinin kalitesini olumsuz yönde etkileyerek analizden daha kötü sonuçlara yol açar. İşlem sonrası hareket düzeltmesi fMRI analizi için rutin olsa da, büyük hareketler yine de sonuçları etkileyebilir, bu nedenle veri kalitesi için işlevsel taramaları kontrol etmek ve büyük artefaktlarla çalışmaları atmak önemlidir. Bu protokolde, katılımcılara, temel BOLD verilerini elde etmek için her görsel stimülasyon paradigmasından önce ve sonra 10 saniye boyunca beyaz bir çarpı işaretine odaklanmaları talimatı verildi. Bu, başlangıçta fMRI'nın değişkenliğini azaltmaya yardımcı oldu ve ayrıca deneğin beyninin gerçek görsel veri testleri başlamadan önce tarayıcı seslerine ve arka plan ekran parlaklığına uyum sağlamasına izin verdi.
Geniş görüşlü fMRI için düşünülebilecek çeşitli alternatif yaklaşımlar vardır. Burada açıklanan yaklaşım, kafa bobininin yalnızca arka yarısı ile büyük bir ekran/ayna kullanarak, yaklaşık 100° FOV 3,30'a kadar orta derecede geniş bir görüş sağlayabilir. Standart bir projektörün zaten mevcut olduğu varsayılarak, aynayı/ekranı yapmanın maliyeti çok düşüktür (potansiyel olarak 100 ABD < ABD Doları). Greco ve ark. biraz farklı bir yaklaşım kullandılar, ekran optik yoldaki aynadan sonra, doğrudan öznenin yüzünün önüne (7,5 cm uzaklıkta) yerleştirildi ve 80° görüş açısı sağladı28. Katılımcının ekrana odaklanabilmesi için MR uyumlu gözlüğe ihtiyaç duyuldu. Ellis ve ark. da benzer bir yaklaşım kullandılar, ancak projektör deliğin altındaki bir aynaya eğildiğinde, uyaranları doğrudan deneğin yüzünün üzerindeki deliğin üstüne yansıtarak 115°'lik bir görüş açısı sağladı32. Görüntü, uyaranların düzeltilmesi için görüntülerin çarpıtılmasını gerektiren kavisli delik tarafından bozulur. Bu yaklaşımın bir uzantısı yakın zamanda tarayıcı deliğinin üst kısmında özel bir kavisli ekran ve 175 ° 34'lük ultra geniş bir FOV sağlayabilen iki ayna ile bildirildi. Bildirilen bu yöntemlerden bazıları kafa bobininin ön kısmını kullandı ve diğerleri kullanmadı; bununla birlikte, bu yöntemlerden herhangi biri, ön bobin kullanılarak potansiyel olarak biraz daha yüksek bir SNR ile, ancak azaltılmış görme açısı ve görme alanının bazı bölümlerinin bloke edilmesiyle her iki şekilde de kullanılabilir. Projektör kullanan tüm yöntemlerde olası bir sınırlama, özel boyut ve konuma sahip bir ekran için, projektörü/lensi ayarlayarak, projektörü hareket ettirerek veya önceki yöntemler yeterli değilse özel lensler alarak projektörün yansıtılan görüntünün odağına ve boyutuna göre ayarlanması gerektiğidir.
Başka bir yaklaşım, FOV'u sınırlamadan ön kafa bobininin kullanılmasıyla uyumlu olan, 120°'lik biraz daha büyük bir görüş açısı sağlamak için bir projektör ile ekran olarak kavisli bir ucu olan şeffaf bir plastik çubuk kullandı. Bununla birlikte, sadece monoküler stimülasyon yapılabilir. Projektör için özel bir lense ihtiyaç vardır, bu da maliyeti artırır ve katılımcının ekrana odaklanabilmesi için kontakt lens takılması gerekir, bu da kurulumuzorlaştırır 31. Benzer bir yaklaşım, görüntüleri bir ekrandan katılımcının gözüne doğrudan iletmek ve sunmak için fiber optik demetler kullandı ve bu da 120 ° 33'e kadar bir görsel açı sağladı. Kontakt lensler de takılmalıdır ve bir seferde sadece tek bir göz uyarılabilir. Bu yöntem, sunum için nispeten düşük çözünürlüğe sahip olabilen ve orta derecede pahalı olabilen uzun ve yüksek yoğunluklu bir fiber optik demet gerektirir33.
Görme bozukluğu ve göz hastalığı, görsel korteksin yapısını ve işlevini etkileyebilir. BOLD fMRI, retinotopik kortikal fonksiyonu görselleştirmek için kullanılabilir, ancak fMRI için kullanılan çoğu görsel sunum sistemi sadece merkezi görme alanını uyarır. Bu protokol, periferik ve merkezi görsel korteksi işlevsel olarak haritalamak için kullanılabilecek fMRI için geniş görüşlü bir sunum sisteminin uygulanmasını açıklar. Bu sistem, yaygın MR uyumlu projektörler kullanılarak kolayca ve düşük maliyetle kurulabilir. Bazı sınırlamalara rağmen, açıklanan protokol, merkezi ve periferik görüşe karşılık gelen görsel korteksin işlevlerini, maliyet ve kesinliği dengeleyen bir düzeyde analiz etme potansiyeline sahiptir. Bu yöntemle toplanan veriler, farklı görsel uyaran türlerine ve görsel işleme için farklı alanlar arasında beyin iletişimine dayalı seçici aktivasyonu belirlemek için analiz edilebilir. Bu yöntem, görme kaybı ve glokom gibi göz hastalıklarına bağlı olarak periferik ve merkezi görme korteksinin işlevindeki değişiklikleri değerlendirmek için kullanılabilir. Bu nedenle bu teknoloji, göz hastalıklarının teşhisi, yönetimi ve tedavisinde uygulamalara sahiptir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklenmiştir [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).
