Högupplösta functional magnetic resonance imaging metoder för Human mitthjärnan

Summary

I den här artikeln beskrivs tekniker för att utföra högupplösta funktionell magnetisk resonanstomografi med 1,2 mm provtagning i mänsklig mitthjärnan och subkortikala strukturer med hjälp av en 3T scanner. Användning av dessa tekniker för att lösa topografiska kartor av visuell stimulering i den humana colliculus superior (SC) ges som exempel.

Abstract

Funktionell MRI (fMRI) är ett allmänt använt verktyg för icke-invasivt mäta korrelat av mänsklig hjärnans aktivitet. Emellertid har dess användning i allmänhet varit inriktade på att mäta aktivitet på ytan av hjärnbarken snarare än i subkortikala regioner såsom mitthjärnan och hjärnstammen. Subkortikal fMRI måste övervinna två utmaningar: rumslig upplösning och fysiologiska buller. Här beskriver vi en optimerad uppsättning av tekniker som utvecklats för att utföra högupplösande fMRI i humant SC, en struktur på den dorsala ytan av mitthjärnan, metoderna kan också användas för att avbilda andra hjärnstammen och subkortikala strukturer.

Med hög upplösning (1,2 mm voxlar) fMRI av SC kräver en icke-konventionell metod. Den önskade spatiala provtagningen erhålls med hjälp av en multi-shot (interfolierat) spiral förvärvet ^1. Sedan, T är ₂ * SC vävnad längre än i kortex, en motsvarande längre eko tiden (T _E ~ 40 ms) används för att maxiverkade så funktionell skillnad. För att täcka den fulla omfattningen av SC är 8-10 skivor erhålls. För varje session en strukturell anatomi med samma skiva recept som fMRI erhålles också, vilken används för att rikta de funktionella data till en högupplösande referensvolym.

I en separat session för varje ämne, skapar vi en hög upplösning (0,7 mm provtagning) hänvisning volym med en T _1-viktade sekvens som ger god vävnad kontrast. I referensen volymen är mitthjärnan regionen segmenterade med ITK-SNAP program ^2. Denna segmentering används för att skapa en 3D-ytan representation av mitthjärnan som är både mjuk och noggrann ^3. Ytpartiklarna toppunkter och normala individer används för att skapa en karta av djupet från mitthjärnan ytan inuti vävnaden ^4.

Funktionella data omvandlas till koordinatsystemet för det segmenterade referensvolym. Djup föreningar av voxlarmöjliggöra utjämning av fMRI tidsseriedata inom givna djup varierar för att förbättra signalkvaliteten. Data återges på 3D ytan för visualisering.

I vårt labb använder vi denna teknik för att mäta topografiska kartor av visuell stimulans och dold och öppen visuell uppmärksamhet inom SC ^1. Som ett exempel, visar vi den topografiska representation av polär vinkel mot visuell stimulering i SC.

Protocol

1. Polar vinkel topografi stimulans och Psychophysics

För att få en polär vinkel retinotopic kartan i SC, använder vi en 90 ° wedge rörliga prickar som stimulus (excentriciteten 2-9 ° av visuell vinkel, menar dot-hastighet 4 ° / sek) (Fig. 1). Det är känt att aktiviteten i SC förstärks genom att dold uppmärksamheten ^5, och därför använder vi en uppmärksamhet uppgift i vår paradigm för att öka tillgänglig signal. På varje 2 s försök är ämnen i uppdrag att i hemlighet sköta hela kilen och utföra en hastighet diskriminering uppgift bibehållen fixering. Kilen är uppdelad i 2 × 3 virtuella branscher med prickar i en av de sektorer slumpmässigt utvalda på varje försök att flytta långsammare eller snabbare än alla andra punkter. Efter varje försök är kilen roteras 30 ° runt fixering så att stimulans roterar fullt ut med en 24 sek period. Varje körning består av 9,5 rotationer av stimulus (228 sek), och experimentella sessioner är16-18 körningar.

För att upprätthålla individens resultat på denna uppgift under hela den tid varje körning, är svårigheten att uppgiften justeras med två slumpvis interfolierade två-up-en-down trappor. Efter varje två på varandra följande korrekta rättegångar skillnaden i hastighet reduceras med 8%, och för varje felaktig rättegång, är skillnaden ökade med 8%.

Före skanning, alla ämnen öva den visuella uppgiften utanför scannern tills de uppnår en stabil nivå av prestanda, vilket kräver 3-4 20 minuters sessioner varaktighet praxis. Typiska diskriminering tröskelvärdena är i intervallet 1 ° -1,5 ° / sek.

2. Ämne Framställning

1. Ämnen huvuden är säkrade med kuddar för att minimera huvudrörelsen innan de placeras inuti scannern borrningen. Vid dessa höga rumsliga upplösning är fMRI särskilt känslig för rörelseartefakter, så huvudet stabilisering är kritisk.
2. Ämnen ges en MRI-compatible knappen pad i ena handen och gav ca vilken knapp att trycka på för att ange sina bedömningar av dot hastighet.

3. Lokalisera och förskrivning SC

1. Human SC är en liten men distinkt struktur, ~ 9 mm i diameter, som ligger på taket av mitthjärnan. När du använder ett litet antal fMRI skivor är flera localizer imaging-serien som krävs för dess exakta lokalisering. Vi kör dessa serier tillsammans sagittal, axiell och koronalt plan.
2. Vi använder sedan dessa Localizer bilderna för att exakt föreskriva SC med 8-10 angränsande skivor, 1,2 mm tjock, fält-of-view (FOV), 170 mm i en sned, kvasi-axial plan.
3. Därefter hög upplösning T _1-viktade strukturella bilder erhålls med användning av en tredimensionell (3D) RF-förstörd GRÄS (SPGR) sekvens (15 ° flipvinkel, 1,2 mM voxlar) en gång före uppsamling av de funktionella data och en gång efter. Dessa bilder används som en referens för att rikta in fMRI data till en högupplösande structural referensvolym erhållen i en separat session som vi beskriver senare.

4. Funktionell MRI parametrar

Alla avbildning utfördes på ett GE Signa HD12 3T magnetkamera med GE-medföljande 8-kanals, chef spole. Excitation var 6,4 ms fönsterläge-sinc pulsen appliceras med hjälp av spolen skannern kroppen.

För att få 1,2 mm provtagning i människans SC använder vi en tre-shot spiral-bana förvärvet ^6,7. Tre bilderna som behövs av flera skäl. I synnerhet, enkel-shot förvärvet för vår skanner och FOV kräver> 77 ms, för lång tid att vara praktisk. De multipla skott kombineras tillsammans efter korrigering genom att subtrahera det initiala värdet och linjär trend av fasen. TE ökas med 2 ms på den första bildrutan för att uppskatta ett fält karta från de första förvärvade två volymer, och denna karta används för linjär korrigering. Rekonstruerade bilderna hade en SNR på ~ 20. Världsliga makten spektra i SC voxlar normaltvisade lite av strukturen i samband med fysiologiska störningar, användningen av en 3-shot Förvärvet hade en stark filtrering effekt på jämförelsevis hög frekvens effekterna av hjärt puls och andning. Andra minska bullret tekniker är problematiskt i denna höga upplösning sammanhang. Till exempel, retrospektiva korrigering metoder såsom RETROICOR ⁶ är inte tillämpliga på multi-shot data och hjärtgating introducerar buller och artefakter i samband med störningar i T ₁ jämvikt.

Eko, T _E = 40 ms, är längre än normalt i kortex (30 msek) för att vi mätt en motsvarande längre _T2 * i SC vävnad (~ 60 ms) än den som observerats i kortikal grå substans (~ 45 ms).

Förvärv bandbredden är begränsad till 62,5 kHz för att minska maximala lutning ström som orsakar oönskad värme på vår skanner. Vi väljer TR = 1 sekund, så med tre skott en volym förvärvas var 3sek.

5. Strukturell MRT och 3D

I en enda separat session för varje ämne, får vi en hög upplösning (0,7 mm provtagning) hänvisning volym med en T _1-viktade sekvens som ger god vävnad kontrast (3D SPGR, 15 ° flip vinkel, inversion beredd med T _I = 450 ms, 2 excitationer, ~ 28 minuter längd, 0,7 mm voxlar).

I denna referens volym segmentet vi vävnaden av mitthjärnan, hjärnstammen, och partier av talamus (fig. 2A) med användning av en kombination av automatiska och manuella tekniker som tillhandahållits av den ITK-SNAP ansökan ^2. Framför allt använder vi en automatisk segmentering verktyg där användaren frön flera punkter inom varje hjärnstammen, programvaran automatiskt expanderar segmenteringen runt groddpunkter begränsade inom ett område som avgränsas av kontrast och intensitet kriterier. Denna automatiska segmentering justera därefterED, vid behov med manuell, "Paint-liknande" voxel verktyg.

Cerebrospinalvätskan-vävnad-gränsskiktet av SC interpoleras från segmentering användning mosaikläggning isodensity yta, och denna initiala ytan raffineras för att reducera aliasingartefakter (fig. 2, B och D) med användning av en variational deformerbar yta algoritm ^3. Denna yta ger hörn och utåt normala vektorer som skall användas som referens för de laminära beräkningar (beskrivs nedan) samt ett sätt att visualisera funktionella data.

6. Bildanalys

Att analysera fMRI data använder vi mrVista programpaket (tillgänglig för nedladdning på http://white.stanford.edu/mrvista.php) samt verktyg som utvecklats på mrVista ramen vårt labb. Under de närmaste steg vi använder vanliga mrVista paketverktyg:

1. Initierasessionen i mrVista, välj alternativet att rumsligt normalisera intensiteten hos de genomsnittliga data för att reducera effekterna av spolen inhomogenitet. Normaliseringen använder en homomorphic metod, dvs genom att dividera en lågpassfiltrerade version av temporalt medelvärdesbildade intensiteterna volymbild med en tillsats robust korrigering för uppskattat brus. Den första halvan cykeln av bilder (12 sek) kastas för att undvika övergående MR jämvikt och hemodynamiska effekter.
2. Åtgärda inom-run rörelse. Motion beräknas från den tidpunkt då serien av volymer. Emellertid, på grund av den relativt låga signal-till-brusförhållandet (SNR) av bilderna, utför vi först en 5-prov boxcar utjämning på tidsserier. Varje volym registreras sedan till medelvärdet av de senaste 5 prover. Observera att utjämning endast används för att uppskatta rörelse, och de faktiska data inte jämnas ut.
3. Form tidsmässiga medelvärden av varje körning rörelse-korrigerade bilddata, och använda dessa medelvärden för att korrigera mellan-run rörelse USIng den senaste körningen som referens.
4. Utför en slice-timing korrigering. Vi använder sekventiell bit förvärvet, så fel som beror på att utföra timing korrigering efter rörelsen korrigering kommer att vara liten (~ 125 ms).
5. Genomsnitt flera körningar registreras i varje session för att förbättra SNR.
6. Rikta de strukturella data från fMRI sessionen till referensen strukturella volym med en robust styrka-baserad registrering algoritmen ^8. Ladda inriktningen och uppdelning i mrVista.
7. Omvandla de funktionella tidsseriedata till segmenterade hänvisningen volymen. I följande steg vi använder verktyg som utvecklats i vårt labb för att utföra ytterligare analyser.
8. Beräkna distans karta genom att beräkna avståndet mellan varje fm vävnad voxlar och dess närmaste vertex på SC ytan. Dessa avstånd används för att mäta laminärt position inom referensvolym.
9. Utför en process laminär segmentering för att djupet utjämning av tidsseriedata för att förbättra ee SNR. Små (1,6 mm i diameter) skivor av vävnad associerad med varje spets hos den yta modell längs hela ytliga SC yta, och varje skiva förlängs därefter både inåt och utåt från SC vävnad med användning av de lokala ytnormaler att bilda en enskild laminärt område ^4.
10. För varje punkt på SC ytan använder vi dessa laminära associationer till i genomsnitt tidsserierna under en angiven djupintervall. Eftersom visuellt mottagliga neuroner är i första hand förekommer i de ytliga lagren av SC, för visuell stimulans experimentet använde vi ett djup rad 0-1,8 mm.

7. Topografisk kartläggning Analys

För att analysera den topografiska representation av data har överensstämmelse analysen utföras på djup-medelvärdesbildade tidsserier genom inpassning av en sinuskurva vid stimulans repetitionsfrekvens (dvs 1/24 Hz för 24 sek stimulus som beskrivits ovan) för varje voxel. Från denna passform, dra vi yta kartor över ansvarse amplitud, samstämmighet och fas. Denna analys utförs i frekvensområdet, och är en vanlig teknik för att kvantifiera retinotopic kartor i syncentrum ^9,10.

Fasen hos den sinusformade passning mäter läget av stimulus. Noll-fas motsvarar den övre vertikala meridianen (fig. 3). Stimulus därefter roterar medurs, så en π / 2 fasen motsvarar den tidpunkt när den stimulus har roterats till den horisontella meridianen på rätt synfältet. Efter n radianer för fas, korsar stimulus i den vänstra synfält, och så vidare.

Vi har också gränser i hela ytliga omfattningen av SC med manuell inspektion av den högupplösta T1-viktade volym anatomi. Dessa gränser är markerade i figur. 3 av röda streckade linjer.

fMRI inte direkt mäta neural aktivitet, utan snarare en blodflödet respons som ligger tätt, men trögt tillsammanstill neural aktivitet. Detta tillför en hemodynamisk dröjsmål för fasen svar. Fördröjningen beräknas genom att vidta alla voxlar över vårt konsekvens tröskeln från varje SC region av intresse, och centrering sina medel runt π i det komplexa planet. I våra SC data dessa förseningar är ganska små, i storleksordningen 2-4 sek. Vi tar bort denna fördröjning genom att vrida färgkartan moturs 45 grader (motsvarande 3 sek) (Fig. 3).

8. Representativa resultat

Fasdata överlagras på en 3D-yta av SC (Fig. 3) visar att svaret på visuell stimulans representeras kontralateralt i SC, dvs den vänstra synfältet är representerad på höger SC och vice-a-versa.

Det finns också ett retinotopic organisationen av aktivitet. Den högra övre synfält representeras medialt till vänster colliculus (blå-magenta) och det undre fältet representeras sidled (röd-gul). SimilArly är övre vänstra synfältet representerade medialt på höger colliculus (blå-cyan) och lägre representeras i sidled (grön-gul).

Detta topografi är förenligt med resultaten av icke-mänskliga primater studier av SC svar: 1) till visuell stimulering med enstaka enhet elektrofysiologi, och 2) kartläggning av microstimulation inducerade saccadic ögonrörelser ^11,12.

Figur 1. A) Slice recept visas på mitten av sagittal bild. B) Temporal medelvärde (från 1-körning) av funktionella bilder från centrala skiva markerade med rött i A).

Figur 2. Polar-vinkel topografi stimulus. En 90 ° kil för att flytta svart-vita prickar på grå bakgrund roteras långsamt runt fixering. Kilen delades i en matris av 6 näsal sektorer (grå linjer till att understryka sektorer) för att möjliggöra ämnet att utföra en uppgift hastighet diskriminering i en slumpmässigt vald sektor.

Figur 3. Segmentering och ytmodellering. A) Den mitthjärnan, hjärnstammen, och partier av talamus var segmenterade från högupplösande MRI anatomi volymer. B) En yta skapades vid kanten av segmenterade regionen. C) Sinus-fit fasdatat visas på en inplane slice (samstämmighet> 0,25). D) en roterad och förstorad vy av hjärnstammen ytan modell användes för att visualisera fasdata på SC.

Figur 4. Polar-vinkel kartor. fMRI fas kartor i två ämnen som kodar visuell polär vinkel. Samstämmighet trösklar för varje karta är anordnade på det nedre högra. Färghjulet relaterar överlagrade faser stimulans i Polar vinkel deras synfält positioner.

Discussion

Våra förvärv och data-analys teknik gör det möjligt att mäta neurala aktivitet i subkortikala mänskliga hjärnan strukturer med hög upplösning (1,2 mm voxlar). Det 3-shot spiral förvärvet minskar fysiologiska brus som är särskilt skadligt för fMRI mätningar runt mitthjärnan. Dessutom kan vi laminär segmentering av vävnaden oss att utföra djup genomsnitt av de data som hjälper till att förbättra SNR. Vi har använt dessa metoder för att visa exakt polära vinklar topografiska kartor över visuell stimulans och dold visuell uppmärksamhet i människans SC ^1. Den laminära segmenteringen möjliggör också en analys av djupprofiler av funktionell aktivitet som varierar enligt experimentell kontroll ^1.

Våra avbildningsmetoder öppnar nya vägar för neurovetenskap experiment i mänskliga subkortikala strukturer. Dessa metoder kan möjliggöra översättningen av finskaliga forskat på djur i subkortikala områden till människor, t ex undersökningengating organisationen av auditiva svar i strukturer såsom sämre colliculus och Cochlear kärnan ^13-15, eller visuella och multisensorisk svar i talamisk kärnor som pulvinar ^16,17. Slutligen kan dessa tekniker ger funktionell lokalisering för små strukturer såsom nucleus subthalamicus och globus pallidus, som ofta är mål för djup hjärnstimulering hos patienter med Parkinsons sjukdom, dystoni eller kronisk smärta ^18-21.