ברזולוציה גבוהה תהודה מגנטית פונקציונלית שיטות המוח התיכון האדם

Summary

מאמר זה מתאר שיטות לביצוע ברזולוציה גבוהה תהודה מגנטי תפקודי עם הדגימה 1.2 מ"מ המוח התיכון האדם מבנים קורטיקליים באמצעות סורק 3T. שימוש בטכניקות הללו כדי לפתור מפות טופוגרפיות של גירוי חזותי של אדם מעולה colliculus (SC) ניתנת כדוגמה.

Abstract

MRI תפקודי (fMRI) הוא כלי בשימוש נרחב עבור הלא פולשני למדידת וקושרת של פעילות המוח האנושי. עם זאת, השימוש בו יש בעיקר התמקדה על מדידת הפעילות על פני השטח של קליפת המוח, ולא באזורים קורטיקליים כמו המוח התיכון ואת גזע המוח. FMRI קורטיקליים להתגבר על שני אתגרים: רזולוציה מרחבית רעש פיזיולוגית. כאן אנו מתארים מערכת אופטימיזציה של טכניקות שפותחו לבצע ברזולוציה גבוהה fMRI ב SC האדם, מבנה על פני השטח הגבי של המוח התיכון, שיטות יכול לשמש גם גזע המוח תמונה אחרת ומבנים קורטיקליים.

ברזולוציה גבוהה (1.2 ווקסלים מ"מ) fMRI של SC דורש גישה לא קונבנציונלי. הדגימה המרחבי הרצוי מתקבל באמצעות רב ירייה (משולבים) ספירלה הרכישה ^1. מאז, T ₂ * רקמות SC ארוך יותר בקליפת המוח, זמן ארוך יותר בהתאם הד (ט _E ~ 40 מיקרו) משמש מקסימייז בניגוד תפקודית. כדי לכסות את מלוא היקף SC, 8-10 פרוסות מתקבלים. עבור כל מפגש אנטומיה מבנית עם מרשם פרוסה כמו fMRI מתקבלת גם, המשמש כדי ליישר את הנתונים תפקודיות לנפח ברזולוציה גבוהה התייחסות.

בפגישה נפרדת עבור כל נושא, אנו יוצרים ברזולוציה גבוהה (0.7 מ"מ הדגימה) בנפח התייחסות באמצעות T _{1-משוקלל} רצף שנותן לעומת זאת רקמה טובה. בספר התייחסות, באזור המוח התיכון הוא מפולח באמצעות יישום ITK-SNAP התוכנה ^2. פילוח זה משמש ליצירת ייצוג פני השטח 3D של המוח התיכון שהוא גם חלק ומדויק ^3. קודקודים את פני השטח הנורמלים המשמשים ליצירת מפה של עומק מפני השטח של המוח התיכון בתוך ⁴ רקמות.

נתונים תפקודיים הופכת מערכת קואורדינטות של נפח התייחסות מפולח. עמותות עומק של ווקסלים אתלאפשר מיצוע של-fMRI סדרת נתוני זמן בתוך טווחי עומק שצוינו כדי לשפר את איכות האות. הנתונים שניתנו על משטח 3D להדמיה.

במעבדה שלנו אנו משתמשים בטכניקה זו למדידת מפות טופוגרפיות של גירוי חזותי וקשב חזותי סמויה וגלויה בתוך SC ^1. כדוגמה, אנחנו מדגימים את הייצוג הטופוגרפי של זווית הקוטב לגירוי חזותי SC.

Protocol

1. פולאר זווית טופוגרפיה הגירוי Psychophysics

כדי להשיג את מפת הקוטב זווית retinotopic ב SC, אנו משתמשים טריז 90 ° של נקודות נעים כמו גירוי (אקסצנטריות 2-9 מעלות של זווית הראייה, כלומר נקודה במהירות 4 ° / sec) (איור 1). ידוע כי פעילות SC מוגברת על ידי יישום לב סמויה ^5, ולכן אנו משתמשים המשימה תשומת לב הפרדיגמה שלנו להגדיל את האות זמין. על כל ניסוי של 2, נושאים מונחים בחשאי לטפל טריז כולו לבצע משימה אפליה במהירות תוך שמירה על קיבוע. טריז מחולק 2 × 3 מגזרים וירטואליים עם נקודות באחד המגזרים, שנבחרו באופן אקראי על כל ניסוי, נע לאט יותר או מהר יותר מאשר כל הנקודות האחרות. לאחר כל ניסוי, טריז הוא הסתובב סביב 30 ° קיבעון כך גירוי מסתובב באופן מלא עם תקופת 24 שניות. כל סיבוב מורכב 9.5 סיבובים של גירוי (228 שניות), וכן פגישות ניסיוניות כוללים16-18 ריצות.

כדי לשמור על רמת ביצועים של הנושא על משימה זו בכל משך זמן של כל סיבוב, הקושי של המשימה מותאמת באמצעות שני דפי נייר באופן אקראי 2-up-1-במורד המדרגות. אחרי כל שני משפטים נכונים עוקבים ההבדל מצטמצם במהירות של 8%, ועל כל משפט לא נכון, ההבדל הוא גדל ב -8%.

לפני הסריקה, המקצועות לתרגל מטלה ויזואלית מחוץ סורק עד להשיג רמה יציבה של ביצועים, זה דורש 20 דקות 3-4 מפגשים משך בפועל. ספי אפליה אופייניים הם בטווח של 1 ° -1.5 ° / sec.

2. נושא ההכנה

1. ראשי נושאים מובטחות עם כריות כדי למזער את תנועת הראש לפני שהם ממוקמים בתוך סורק נשא. על החלטות אלה מרחבית גבוהה, fMRI הוא רגיש במיוחד ההצעה artifacts, כך ייצוב הראש הוא קריטי.
2. מקצועות שבהם ניתן MRI-compatibלה כרית כפתור ביד אחת והורה על איזה כפתור ללחוץ כדי להצביע על פסקי הדין שלהם על מהירות נקודה.

3. לוקליזציה ו יקבע את SC

1. האדם SC הוא מבנה קטן אך מובהק, ~~~HEAD=NNS 9 מ"מ קוטר, הממוקם על הגג של המוח התיכון. בעת שימוש במספר קטן של פרוסות fMRI, סדרות מרובות הדמיה Localizer נדרשים לוקליזציה המדויק. גמר אלה סדרה יחד מטוסים sagittal, צירית, ואת העטרה.
2. לאחר מכן השתמש בתמונות אלה Localizer כדי לקבוע בדיוק SC עם 8-10 פרוסות רציפים, 1.2 מ"מ עובי, תחום של נוף (FOV), 170 מ"מ המטוס עקיפה מעין צירית.
3. בשלב הבא, תמונות ברזולוציה גבוהה טי מבניים _{1-משוקלל} מתקבלים באמצעות תלת ממדי (3D) RF-מפונק דשא (SPGR) רצף (15 ° זווית השני, ווקסלים 1.2 מ"מ) פעם אחת לפני איסוף הנתונים תפקודית ופעם לאחר. תמונות אלה משמשים כנקודת התייחסות כדי ליישר את הנתונים ל-fMRI str ברזולוציה גבוההנפח התייחסות uctural שהושג בפגישה נפרדת נתאר בהמשך.

4. פרמטרים MRI פונקציונלי

הדמיה הכל בוצע על סורק Signa HD12 3T GE MRI באמצעות GE-סיפק 8 ערוצים, סליל בראש. עירור היה 6.4 MS חלונות-sinc הדופק מיושם באמצעות סליל גוף הסורק.

כדי להשיג דגימה 1.2 מ"מ SC האדם, אנו משתמשים 3-shot ספירלה, מסלול הרכישה ^6,7. שלוש יריות יש צורך מכמה סיבות. ברכישת בפרט בודד ירה, עבור הסורק שלנו FOV דרושה> 77 msec, זמן רב מדי כדי להיות מעשיים. היריות מרובים משולבים יחד לאחר תיקון על ידי הפחתת ערך התחלתי מגמה ליניארי של השלב. TE מוגדל של 2 MS על המסגרת הראשונה כדי להעריך את מפת שדה מתוך שני הכרכים הראשונים שנרכשו, וזאת מפת משמש לתיקון ליניארית. תמונות משוחזרות היה יחס אות לרעש של ~ 20. ספקטרום השלטון הזמני ב SC ווקסלים בדרך כללהראה קטן של המבנה הפיזיולוגי קשור רעש, שימוש רכישת ירה 3-היתה השפעה חזקה על סינון יחסית, בתדירות גבוהה השפעת הדופק והנשימה לב. אחרים להפחתת רעשים בטכניקות בעייתיות בהקשר ברזולוציה גבוהה זו. לדוגמה, שיטות תיקון רטרוספקטיביים כגון RETROICOR ⁶ אינן ישימות רב ירה נתונים, gating לב מציג רעש חפץ הקשור הפרעה של שיווי משקל ₁ T.

זמן אקו, T _E = 40 msec, ארוך יותר משמש בדרך כלל בקורטקס (30 אלפיות השניה) כי מדדנו ₂ בהתאמה T * עוד ברקמת SC (~ 60 msec) מאשר נצפה החומר האפור בקליפת המוח (~ 45 אלפיות השניה).

רכישת רוחב פס מוגבל ל 62.5 kHz להפחית הנוכחית שיפוע השיא שגורם לחימום לא רצוי על הסורק שלנו. אנחנו בוחרים ר = 1 שניות, אז עם שלוש יריות נפח נרכש כל 3שניות.

5. דוגמנות MRI ו 3D מבנית

בפגישה נפרדת אחת עבור כל נושא, נקבל ברזולוציה גבוהה (0.7 מ"מ הדגימה) בנפח התייחסות באמצעות T _{1-משוקלל} רצף שנותן לעומת זאת רקמה טובה (3D SPGR, 15 ° זווית השני, היפוך מוכן עם T _אני = 450 msec, 2 excitations, ~ משך 28 דקות, 0.7 ווקסלים מ"מ).

בספר זה התייחסות, אנחנו בקטע של רקמת המוח התיכון, גזע המוח, וחלקים התלמוס (איור 2 א) באמצעות שילוב של טכניקות אוטומטי וידני המסופקים על ידי יישום ITK-SNAP ^2. בפרט, אנו משתמשים בכלי פילוח אוטומטי שבו משתמשים זרעים נקודות מרובות בתוך כל גזע המוח; התוכנה באופן אוטומטי מרחיבה פילוח סביב נקודות זרעים מוגבלים בתוך אזור המוגדר על ידי קריטריונים בניגוד ועוצמה. זה פילוח אוטומטי ואז להתאיםאד, במידת הצורך, תוך שימוש ידני, "צבע כמו" כלים voxel.

ממשק נוזל השדרה של רקמות SC הוא אינטרפולציה מ פילוח באמצעות משטח פסיפס isodensity, וזה השטח הראשוני הוא מעודן כדי להפחית את החפצים aliasing (איור 2, B ו-D) תוך שימוש באלגוריתם וריאציה פני ^{deformable-3.} משטח זה מספק קודקודים ו וקטורים רגילים כלפי חוץ לשמש כנקודת התייחסות החישובים למינרית (כמתואר להלן), כמו גם אמצעי חזותי נתונים תפקודית.

6. ניתוח תמונה

כדי לנתח את הנתונים fMRI, אנו משתמשים חבילת תוכנה mrVista (זמין להורדה ב http://white.stanford.edu/mrvista.php) , כמו גם כלים שפותחו על מסגרת mrVista במעבדה שלנו. בשלבים הבאים אנו משתמשים בכלים סטנדרטיים mrVista האריזה:

1. לאתחלהפגישה mrVista, בחירת אפשרות מרחבית לנרמל את עוצמת הנתונים הממוצעים כדי להפחית את ההשפעות של הומגניות סליל. נורמליזציה משתמשת בשיטה homomorphic, כלומר, חלוקת בגירסה נמוך לעבור סינון של התמונה עוצמות ממוצעים temporally נפח עם תיקון תוסף חזקים רעש מוערך. המחזור במחצית הראשונה של תמונות (12 שניות) נמחק להימנע חולף שיווי משקל MR ואפקטים המודינמים.
2. לתקן בתוך ריצה תנועה. בתנועה מעריכים מהסדרה זמן של כרכים. עם זאת, בגלל יחס אות לרעש נמוך יחסית (יחס אות לרעש) של התמונות, אנחנו הראשונים לבצע בקרון 5-המדגם החלקה על סדרת הזמן. כל כרך רשום אז לממוצע של 5 דגימות האחרונות. שים לב כי החלקה משמש רק כדי לאמוד את התנועה, לבין הנתונים בפועל לא החליק.
3. מכירה ממוצעים הזמני של התנועה, תיקן כל נרוץ נתוני התמונה, ולהשתמש אלה כדי לתקן ממוצעים בין ריצה תנועה USIבטווח ng האחרון כנקודת התייחסות.
4. לבצע תיקון Slice-העיתוי. אנו משתמשים רכישת נתח סדרתי, אז טעויות עקב ביצוע תיקון העיתוי לאחר תיקון ההצעה יהיה קטן (~ 125 אלפיות השניה).
5. מספר ממוצע פועל נרשם בתוך כל פגישה כדי לשפר את יחס אות לרעש.
6. יישר את הנתונים המבניים מההפעלה fMRI לנפח התייחסות מבנית באמצעות אלגוריתם חזק בעוצמה מבוסס אחת ^8. טען יישור ופילוח אל mrVista.
7. להפוך את סדרת הנתונים תפקודית זמן לנפח התייחסות מפולח. בשלבים הבאים אנו משתמשים בכלים שפותחו במעבדה שלנו לבצע ניתוח נוסף.
8. לחשב את המרחק מפה על ידי חישוב המרחק בין כל ווקסלים רקמות SC ו קדקוד הקרוב על פני השטח SC. מרחקים אלה משמשים למדידת מיקום למינרית בתוך נפח התייחסות.
9. ביצוע תהליך פילוח למינרית לאפשר מיצוע עומק בזמן סדרת הנתונים כדי לשפר את הה SNR. קטנים (בקוטר 1.6 מ"מ) דיסקים של רקמות קשורים בכל קודקוד של מודל השטח לאורך כל פני השטח SC שטחית, וכל דיסק ניתנת להארכה גם פנימה והחוצה מרקמת SC באמצעות הנורמלים פני המקומיים להקים שכונת למינרית הפרט ^4.
10. עבור כל נקודה על פני השטח SC, אנו משתמשים אלו אסוציאציות למינרית לממוצע בסדרה על פני טווח עומק מסוים. מאז, הנוירונים מגיבים חזותית נמצאים בעיקר בשכבות השטחיות של SC, לניסוי גירוי ויזואלי השתמשנו טווח בעומק של 0-1.8 מ"מ.

7. מיפוי טופוגרפי ניתוח

לניתוח ייצוג טופוגרפי של הנתונים, הניתוח מבוצע על לכידות סדרת עומק ממוצעים של זמן על ידי התאמת sinusoid בתדירות החזרה גירוי (כלומר, 1/24 הרץ לגירוי שניות 24 לעיל) עבור כל voxel. מתוך התאמה זו, אנו מפיקים מפות פני השטח של responSE משרעת, קוהרנטיות, ושלב. ניתוח זה מבוצע בתחום התדר, והוא הטכניקה הנפוצה לכמת מפות retinotopic ב-Visual cortex ^9,10.

שלב בכושר סינוסי מודד את מיקום הגירוי. אפס השלב המתאים העליון אנכי מרידיאן (איור 3). גירוי ואז מסתובב עם כיוון השעון, ולכן בשלב π / 2 מתאים כאשר הגירוי יש לסובב עד מרידיאן אופקית בשדה הראייה הנכונה. לאחר π רדיאנים של השלב, גירוי עוברת בשדה הראייה השמאלי, וכן הלאה.

קיבלנו גם את גבולות היקף שטחי כל SC באמצעות בדיקה ידנית של האנטומיה T1 משוקלל ברזולוציה גבוהה נפח. גבולות אלה מסומנים בתרשים. 3 על ידי קווים מקווקווים אדומים.

fMRI אינו למדוד ישירות פעילות עצבית, אלא תגובה זרימת דם, כי הוא חזק אך יחד בעצלתייםעל הפעילות העצבית. זה מוסיף עיכוב hemodynamic לתגובה שלב. העיכוב נאמד על ידי לקיחת כל ווקסלים מעל הסף קוהרנטיות שלנו בכל SC באזור ריבית של, ו מרכוז אמצעי שלהם סביב π במטוס מורכב. בנתונים SC שלנו, עיכובים אלה הם די קטנים, בסדר גודל של 2-4 שניות. אנו להסיר את עיכוב על ידי החלפה של מפת צבעים נגד כיוון השעון ב -45 מעלות (המקביל ל 3 שניות) (איור 3).

8. נציג תוצאות

נתונים שלב מעולף על משטח 3D של SC (איור 3) מראה כי התגובה לגירוי חזותי מיוצג contralaterally ב, SC, כלומר שדה הראייה השמאלי מיוצג על SC ימין סגן ולהיפך.

יש גם ארגון retinotopic הפעילות. בשדה הימני העליון חזותית מיוצג על מדיאלית colliculus השמאלי (כחול אדום), ואת שדה נמוך מיוצג רוחבית (אדום, צהוב). Similקארלי, השדה השמאלי העליון חזותית מיוצג על מדיאלית colliculus ימינה (כחול כחול) והתחתון מיוצג רוחבית (ירוק, צהוב).

הטופוגרפיה זו עולה בקנה אחד עם תוצאות מחקרים שאינם בני אדם פרימטים של תגובות SC: 1) לגירוי ויזואלי באמצעות יחידת אלקטרופיזיולוגיה יחיד, ו 2) מיפוי של תנועות microstimulation המושרה עיניים saccadic ^11,12.

באיור 1. Slice) מרשם נצפים על התמונה באמצע sagittal. ב) ממוצע הזמני (1 ריצה) של תמונות תפקודית לקבל נתח מרכזי מסומנים באדום).

איור 2. פולאר זווית גירוי הטופוגרפיה. טריז 90 ° להעביר שחור לבן נקודות על רקע אפור הסתובב לאט סביב קיבעון. טריז חולק מערך של 6 virtuמגזרים אל (קווים אפורים הוסיף להדגיש המגזרים) כדי לאפשר לנושא לבצע משימה אפליה מהירות במגזר שנבחרו באופן אקראי.

איור 3. פילוח דוגמנות פני השטח. א) המוח התיכון, גזע המוח, וחלקים התלמוס היו מקוטעים מן ברזולוציה גבוהה כרכים אנטומיה MRI. ב) לפני השטח נוצרה בשולי האזור מפולח. ג) סינוסי, בכושר נתונים שלב נצפים על פרוסת inplane (קוהרנטיות> 0.25). D) לסובב ולהציג מוגדלת של המודל פני גזע המוח נעשה שימוש כדי להמחיש נתונים שלב ב SC.

איור 4. פולאר זווית מפות. בשלב מפות ב-fMRI שני נושאים המקודדים זווית ראייה. הקוטב ספי קוהרנטיות עבור כל מפה ניתנים בצד ימין למטה. גלגל הצבעים מספר שלבי כיסו של הגירוי ב עמ 'זווית olar לעמדות שדה הראייה שלהם.

Discussion

טכניקות הרכישה ונתונים ניתוח שלנו מאפשרים מדידה של פעילות עצבית במוח האדם קורטיקליים מבנים ברזולוציה גבוהה (1.2 ווקסלים מ"מ). רכישת 3-shot ספירלה מפחית רעש פיזיולוגית כי הוא מזיק במיוחד מדידות ה-fMRI ברחבי המוח התיכון. כמו כן, פילוח למינרית שלנו רקמות מאפשר לנו לבצע מיצוע מעמיקה של הנתונים מסייע לשפר את יחס אות לרעש. השתמשנו בשיטות אלה כדי להראות מדויקים הקוטב זווית מפות טופוגרפיות של גירוי חזותי וקשב חזותי סמויה SC האדם ^1. פילוח למינרית גם מאפשר ניתוח של פרופילים מעמיקים של פעילות פונקציונלית המשתנות בשליטת הניסוי ^1.

שיטות הדמיה שלנו לפתוח אפיקים חדשים עבור ניסויים במדעי המוח במבנים קורטיקליים אדם. שיטות אלו יכולות לאפשר תרגום של מחקר משובח בקנה מידה נעשה על בעלי חיים באזורים קורטיקליים לבני אדם, למשל, בחקירתארגון gating התגובות השמיעה במבנים כגון colliculus נחות הגרעין שבלול ^13-15, או התגובות חזותיים רב חושיים בגרעין התלמוס כגון pulvinar ^16,17. לבסוף, טכניקות אלה יכולים לספק לוקליזציה פונקציונאלי מבנים קטנים כמו גרעין subthalamic ו pallidus גלובוס, אשר לעתים מטרות גירוי מוחי עמוק בחולים עם מחלת פרקינסון, דיסטוניה או כאב כרוני ^18-21.