高分辨率人类中脑功能磁共振成像方法

Summary

本文介绍了使用3T扫描仪在人脑和皮层下结构与1.2毫米采样高分辨率功能磁共振成像技术来执行。使用这些技术来解决视觉刺激在人类上丘（SC）的地形图作为一个例子。

Abstract

功能磁共振成像（fMRI）技术是一种非侵入性测量人类大脑活动的相关广泛使用的工具。然而，它的使用大多集中后测量大脑皮质的表面，而不是在皮质下区域，如脑和脑干的活动。皮质功能磁共振成像必须克服两大挑战：空间分辨率和生理噪音。在这里，我们描述的制定执行，在中脑的背侧表面的结构在人类SC高分辨率功能磁共振成像技术的优化方法也可用于图像等脑干和皮层下结构。

高分辨率（1.2毫米像素）的资深大律师的功能磁共振成像需要一个非传统的方法。使用多杆（交错）的螺旋收购^1，获得所需的空间采样。由于T ₂ * SC的组织是长于皮层，相应的回波时间较长_（T E〜40毫秒）用于为最大健康迈兹功能。到涵盖完整程度的SC，8-10片。为每个会话结构解剖也得到相同的功能磁共振成像片处方，这是用来对齐功能的数据到一个高分辨率的参考量。

在一个单独的会话，每个主题中，我们创建一个高分辨率（0.7毫米采样） 使用 T ₁加权序列提供了良好的组织对比度的参考量。在参考量，中脑区域分割使用ITK的SNAP软件应用^2。这种分割是用来创建一个三维表面的脑，是顺利和准确的³表示。表面顶点和法线用于创建地图从脑表面的深度范围内组织^4。

功能数据转化成坐标系统分割的参考量。深入协会的像素使平均的fMRI时间序列数据，在指定的深度范围内，以提高信号质量。数据可视化三维表面呈现。

在我们的实验室中，我们使用这项技术在SC ¹的视觉刺激和视觉注意隐蔽和公开的地形图测量。作为一个例子，我们表现出极角的地形表示SC视觉刺激。

Protocol

1。极角地形刺激和心理物理学

为了获得一个极角在SC retinotopic地图的，我们使用一个移动的小圆点为刺激90°楔形（2-9°的可视角度，偏心率平均点速度4°/秒）（ 图1）。据了解，在SC的活动是由申请隐蔽关注⁵增强，因此，我们在我们的范例中使用注意的任务，以增加可用的信号。上每2秒试验，受试者被指示隐蔽地参加到整个楔形和执行速度的歧视任务，同时保持固定。楔分为2×3点的部门之一，每次试验中，随机选择移动慢或比所有其他点更快的虚拟部门。每次试验后，楔固定旋转30°左右，这样的刺激旋转24秒内完全。每次运行由9.5旋转的刺激（228秒），实验课程包括16-18运行。

为了维持这个任务上的表现主题的整个每次运行的时间，任务的难度调整使用两个随机交错的两个，一个上下楼梯。每两个连续的正确试验后减少8％的速度上的差异，并为每个不正确的审判，其差额将增加8％。

扫描之前，所有科目的练习以外的扫描仪的视觉任务，直到他们达到了性能稳定的水平，这需要3-4个20分钟的时间练习。典型的歧视阈值是在1°-1.5°/秒范围内。

2。主题的制备

1. 主题元首安全垫，以尽量减少头部运动之前，内孔扫描器定位。在这些空间分辨率高，功能磁共振成像是特别敏感，运动伪影，使头部的稳定是至关重要的。
2. 科目给出了核磁共振compatib乐一方面按钮垫和指示，按哪个按钮来表明自己的判断点速度。

3。本地化和处方的SC

1. 人类SC是一个小，但不同的结构，〜9毫米直径，位于脑的屋顶上。当使用功能​​性核磁共振片的小数量，多航向成像系列都需要精确定位。我们沿矢状轴，冠状面，这些系列。
2. 然后，我们使用这些的航向图像精确规定的SC 8-10连续切片，厚1.2毫米，现场的视角（FOV），170毫米，斜，准轴向平面。
3. 得到了一次事先收集和一次后功能数据使用一个三维（3D）RF-宠坏草（SPGR）序列（15°翻转角，1.2毫米像素）高分辨率下，T ₁加权结构图像。这些图像作为参考对齐fMRI数据，高分辨率的STRuctural参考量在一个单独的会议，我们稍后介绍。

4。功能磁共振成像参数

所有成像进行了GE Signa的HD12 3T磁共振扫描器使用GE提供8通道头部线圈。激励是6.4毫秒窗口SINC脉冲应用，使用扫描仪体线圈。

为了获得1.2毫米采样人的资深大律师，我们用了三杆螺旋轨迹收购^6,7。三枪都需要有以下几个原因。特别是，单次收购为我们的扫描仪和视野需要77毫秒，时间过长实际。结合多个镜头校正后减去初始值和相位的线性趋势。 TE是估计从收购前两卷的字段映射在第一帧上增加2毫秒，这张地图是用于线性校正。 〜20信噪比重建图像。在SC的时间功率谱通常像素显示的结构与生理噪音小，使用3次采集的频率比较高，心脏脉搏和呼吸的影响，一个强大的过滤效果。其他的降噪技术，在这种高分辨率的情况下的问题。例如，追溯如RETROICOR ^6的校正方法并不适用于多拍数据，和心脏门控引入噪声和干扰T ₁ 的平衡相关的神器。

回波时间_，T E = 40毫秒，长于通常在皮层（30毫秒），因为我们衡量一个相对较长的资深大律师组织在T ₂ *（60毫秒），比灰质（〜45毫秒）观察。

采集带宽是有限的，以62.5千赫，以减少峰值梯度电流，导致我们的扫描仪上的不必要的加热。我们选择TR = 1秒，所以三枪量收购，每3秒。

5。结构的MRI和三维建模

每个科目在一个单一的独立的会话，我们获得了高分辨率（0.7毫米采样）的参考量，使用的 T ₁加权序列提供了良好的组织对比度（三维梯度回波，15°翻转角，准备反演与 T ₌ 450毫秒，2激发，28分钟的时间，0.7毫米的像素）。

在此参考量，我们段组织中脑，脑干和丘脑使用ITK的SNAP的应用²提供的自动和手动技术相结合（ 图2A）的部分。特别是，我们在使用自动分割工具，用户的种子在每个脑干多点，然后软件会自动扩展对比度和强度标准定义的区域内，制约了种子点周围的分割。这种自动分割，然后调整ED，如果有必要，使用手册，“漆像”像素工具。

脑脊液组织的SC接口插使用等密度面镶嵌的分割，并细化到这个初始的表面减少锯齿假象（ 图2，B和D）使用变变形表面算法^3。这表面提供了顶点和向外法线向量作为参考层计算（如下所述）以及可视化功能数据的一种手段。

6。图像分析

分析fMRI数据，我们使用的mrVista软件包（在下载的可用http://white.stanford.edu/mrvista.php）以及对在实验室mrVista框架开发工具。在接下来的几个步骤中，我们使用标准mrVista包工具：

1. 初始化在mrVista会议，选择的选择空间正常化平均数据的力度，以减少线圈的不均匀性的影响。正常化使用同态的方法，即除以添加剂量估计噪声的强大校正时间平均图像强度低通滤波版本。避免瞬态议员平衡和血流动力学的影响，上半年周期的图像（12秒）被丢弃。
2. 纠正内经营的议案。运动估计从卷的时间序列。然而，由于相对较低的图像信号信噪比（SNR）的，我们首先进行5样本棚车平滑后的时间序列。每卷，然后注册到过去的5个样本的平均水平。注意，平滑仅用于估计的议案，和实际数据不平滑。
3. 形成的时间平均每次运行的议案，校正后的图像数据，并使用这些平均纠正运行之间的议案USI纳克作为参考上次运行。
4. 执行片定时校正。我们使用顺序片收购，因此将执行时序修正后的议案，修正错误，因为小（〜125毫秒）。
5. 平均多个运行在每个会议记录，以提高信噪比。
6. 从fMRI的会议结构的数据对齐参考结构体积，使用一个强大的基于强度注册算法^8。加载进入mrVista对齐和分割。
7. 转变职能的时间序列数据分割的参考量。在下面的步骤中，我们使用在我们的实验室开发的工具，以进行进一步的分析。
8. 通过计算每个SC组织体素和其最近在SC上表面的顶点之间的距离，计算距离图。这些距离是用来测量参考体积内的层的位置。
9. 执行层的分割过程，使时间序列数据的深度平均改善日é信噪比。小（直径1.6毫米）的组织与磁盘表面肤浅的资深大律师在整个表面模型的每个顶点，每个磁盘，然后扩展使用本地的表面法线形成一个单独的层附近的抵港及离港从SC组织^4。
10. 对于每个SC上的表面来看，我们使用这些层协会指定的深度范围内平均的时间序列。由于视觉反应神经元主要是在目前的SC浅层，视觉刺激实验中，我们用了0-1.8毫米的深度范围。

7。地形图分析

分析地形数据表示，相干分析水深平均的时间序列进行拟合每个像素在刺激重复频率的正弦波（即1/24赫兹以上所述的24秒刺激）。从这个合适，我们推导出respon表面地图SE幅度，一致性和相位。这在频域进行分析，是一种常见的技术量化视觉皮层^9,10 retinotopic地图。

正弦拟合阶段措施的刺激位置。零相位对应于垂直子午线上（ 图3）。然后按顺时针方向旋转的刺激，所以π/ 2相对应的刺激时，旋转至水平子午线在右视野。 π弧度的阶段后，刺激跨越到左边的视野，等等。

我们也得到了整个表面的SC使用手册高分辨率T1加权量解剖检验的程度界线。这些边界标记图。 3，红色虚线。

功能磁共振成像并不直接测量神经活动，而是血液流动的反应是紧紧，但缓慢加上神经活动。这增加了血流动力学的相位响应延迟。延迟估计从每个SC地区的利益，我们的连贯性阈值以上的所有像素，并围绕在复平面π的手段。在我们的资深大律师的数据，这些延迟非常小，为了2-4秒。我们删除旋转逆时针45度（相当于3秒）（ 图3）colormap的延迟。

8。代表结果

SC（ 图3）三维表面上覆盖相数据显示，视觉刺激的反应表示对侧的SC，即左视野右边的资深大律师代表和副，反之亦然。

还有的活动retinotopic组织。左丘（蓝色，洋红色）代表内侧右上视野，横向低场代表（红黄色）。 similarly，左上视野代表中间右侧丘（蓝青色）和较低的横向代表（黄绿色）。

这地形与供应链反应的非人类灵长类动物研究的结果是一致的：1）使用单一的单元电的视觉刺激，2）微刺激诱 ​​导扫视眼球运动^11,12的映射。

图1。中旬矢状图像上观看）片处方。获得从中央切片中）在红色标记）功能图像的平均时间（从1运行）。

图2。的极地角度地形刺激。一个移动一个灰色的背景上的黑色和白色的点旋转90°楔慢慢靠近固定。楔形分为6古董，艺术品阵列人部门（灰线补充强调部门）允许主体执行速度歧视任务中随机选择一个部门。

图3。分割和表面建模。一）中脑，脑干，丘脑的部分分割的高分辨率MRI解剖卷。 B）表面分割区域的边缘。 c）合适的正弦相位数据看作一个面内片（连贯性> 0.25）。 D）旋转，放大，脑干表面模型被用来阶段SC上的数据可视化。

图4。极角的地图。两个科目的fMRI相图，视觉极角编码。每个地图的连贯性阈值在右下角。色轮与刺激的叠加阶段，在pOLAR的角度，以他们的视野位置。

Discussion

我们的采集和数据分析技术，使测量的高分辨率（1.2毫米像素）人类大脑皮质结构的神经活动。 3杆的螺旋收购减少了生理的噪音，特别是不利于周围的脑功能磁共振成像测量。此外，我们的组织层分割，允许我们进行深入的数据，有助于提高信噪比平均。我们使用这些方法来显示精确的极角地形图的视觉刺激和视觉注意隐蔽在人类SC ^1。层分割，也使实验控制下¹不同的功能活动的深度剖面分析。

我们的成像方法，开辟新途径，为人类的皮层下结构的神经实验。这些方法翻译罚款大规模进行的研究，使上皮层下区动物传染给人类，如investi门的组织结构如下丘及耳蜗核^13-15，或在视觉和多感官的反应，如枕^16,17丘脑核的听觉反应。最后，这些技术可以提供小的结构，如丘脑底核和苍白球，这往往是在与帕金森氏症，肌张力障碍或慢性疼痛^18-21患者的脑深部刺激的目标功能定位。