De alta resolución Magnética Funcional por imágenes de los métodos de resonancia cerebro medio humano

Summary

En este artículo se describen las técnicas para realizar imágenes de alta resolución de resonancia magnética funcional con el muestreo de 1,2 mm en el cerebro medio humano y las estructuras subcorticales mediante un escáner 3T. El uso de estas técnicas para resolver los mapas topográficos de la estimulación visual en el ser humano colículo superior (SC) se da como un ejemplo.

Abstract

Resonancia magnética funcional (fMRI) es una herramienta ampliamente utilizada de forma no invasiva de medición de la correlación de la actividad del cerebro humano. Sin embargo, su uso ha sido en su mayoría se centró en la medición de la actividad en la superficie de la corteza cerebral en lugar de en las regiones subcorticales como el mesencéfalo y el tronco cerebral. FMRI subcortical debe superar dos retos: la resolución espacial y el ruido fisiológico. Aquí se describe un conjunto optimizado de las técnicas desarrolladas para llevar a cabo de alta resolución en IRMf humano CS, una estructura en la superficie dorsal del mesencéfalo; los métodos también se puede utilizar para otra imagen tallo cerebral y estructuras subcorticales.

De alta resolución (1.2 mm voxels) fMRI de la SC se requiere un enfoque no convencional. El muestreo espacial deseada se obtiene usando un multi-shot (intercalada) espiral adquisición ^1. Puesto que, T ₂ * de tejido SC es más largo que en la corteza, un tiempo de eco correspondientemente más largo (T _E ~ 40 mseg) se utiliza para maximizarminimizar contraste funcional. Para cubrir toda la extensión de la SC, 8-10 rebanadas se obtienen. Para cada período de una anatomía estructural con la receta rebanada misma que la IRMf se obtiene también, que se utiliza para alinear los datos funcionales a un volumen de referencia de alta resolución.

En una sesión separada, para cada tema, creamos una resolución alta (0,7 mm de muestreo) con un volumen de referencia _en T1 secuencia que da un buen contraste de los tejidos. En el volumen de referencia, la región del mesencéfalo está segmentada mediante la aplicación de software ITK-SNAP ^2. Esta segmentación se utiliza para crear una representación de superficie 3D del mesencéfalo que es suave y preciso ^3. Los vértices de superficie y normales se utilizan para crear un mapa de profundidad desde la superficie dentro del mesencéfalo ⁴ tejido.

Datos funcionales se transforma en el sistema de coordenadas del volumen de referencia segmentado. Asociaciones de profundidad de los voxelspermitir que el promedio de fMRI series temporales de datos dentro de los rangos de profundidad especificados para mejorar la calidad de la señal. Los datos se representa en la superficie 3D para la visualización.

En nuestro laboratorio se utiliza esta técnica para medir los mapas topográficos de la estimulación visual y la atención visual encubierta y manifiesta en el SC ^1. A modo de ejemplo, se demuestra la representación topográfica de ángulo polar a la estimulación visual en Carolina del Sur.

Protocol

1. Polar angular Topografía estímulo y Psicofísica

Para obtener un mapa retinotópico polar ángulo en el SC, se utiliza una cuña 90 ° de puntos que se mueven como el estímulo (excentricidad 2-9 ° de ángulo visual, con una media de puntos de velocidad 4 ° / seg) (fig. 1). Se sabe que la actividad en el SC se mejora mediante la aplicación de la atención encubierta ^5, por lo tanto, se utiliza una tarea de atención en nuestro paradigma para aumentar la señal disponible. En el juicio de cada 2 s, los sujetos se les instruye para asistir a escondidas a la cuña y llevar a cabo toda una tarea de discriminación de velocidad mientras se mantiene la fijación. La cuña se divide en 2 × 3 sectores virtuales con puntos en uno de los sectores, escogidos al azar en cada ensayo, se mueve más lento o más rápido que todos los otros puntos. Después de cada ensayo, la cuña se gira 30 ° alrededor de la fijación de manera que el estímulo gira plenamente con un periodo de 24 seg. Cada carrera consta de 9,5 rotaciones del estímulo (228 segundos), e incluyen sesiones experimentales16-18 carreras.

Para mantener el rendimiento del sujeto en esta tarea a lo largo de la duración de cada carrera, la dificultad de la tarea se ajusta usando dos aleatoriamente intercaladas de dos hasta-un-bajando escaleras. Después de cada dos ensayos consecutivos correctos la diferencia de velocidad se reduce en un 8%, y para cada prueba son correctos, la diferencia se incrementó en un 8%.

Antes de la digitalización, todos los sujetos practican la tarea visual fuera del escáner hasta que alcancen un nivel estable de rendimiento, lo que requiere de 20 minutos 3-4 sesiones de prácticas de duración. Umbrales típicos discriminación están en el intervalo de 1 ° -1,5 ° / seg.

2. Preparación Asunto

1. Temas cabezas están aseguradas con almohadillas para reducir al mínimo movimiento de la cabeza antes de que se colocan dentro del escáner dio a luz. En estas resoluciones espaciales altas, resonancia magnética funcional es particularmente sensible a los artefactos de movimiento, por lo que la estabilización de la cabeza es fundamental.
2. Los sujetos se les da una resonancia magnética-compatibLe panel de botones en una mano y dio instrucciones acerca de qué botón hay que pulsar para indicar sus juicios acerca de la velocidad de punto.

3. La localización y la prescripción de la SC

1. Humano SC es una estructura pequeña pero clara, ~ 9 mm de diámetro, situada en el techo del mesencéfalo. Cuando se utiliza un pequeño número de rebanadas fMRI, varias series de imágenes localizador son necesarios para su localización precisa. Llevamos a cabo esta serie a lo largo de los planos sagital, axial y coronal.
2. A continuación, utilizamos estas imágenes localizador de prescribir exactamente la SC con 8-10 cortes contiguos, 1,2 mm de espesor, campo de visión (FOV), 170 mm de una barra oblicua, casi axial avión.
3. A continuación, de alta resolución de imágenes estructurales T _1-ponderados se obtienen a partir de tres dimensiones (3D) de RF-echado a perder GRASS (SPGR) secuencia (15 ° ángulo de inclinación, los voxels 1.2 mm) una vez antes de la recogida de los datos de funcionamiento y una vez después. Estas imágenes se utilizan como una referencia para alinear los datos de la fMRI para un str de alta resoluciónvolumen de referencia uctural obtenida en una sesión separada que se describen más adelante.

4. Los parámetros funcionales de resonancia magnética

Todas las imágenes se realizó en un escáner GE Signa 3T HD12 resonancia magnética utilizando el GE-suministrado de 8 canales, la bobina de la cabeza. La excitación fue un 6,4 ms ventana-sinc del pulso aplicado en forma de bobina de cuerpo del escáner.

Para obtener 1,2 mm en la toma de muestras humanas SC, se utiliza una de tres inyecciones en espiral la trayectoria de la adquisición de ^6,7. Tres vacunas son necesarias por varias razones. En particular, la adquisición de un solo tiro para nuestro campo de visión del escáner y requiere> 77 ms, demasiado largo para ser práctico. Las inyecciones múltiples se combinan juntos después de la corrección restando el valor inicial y la tendencia lineal de la fase. TE se incrementa en 2 ms en el primer cuadro para calcular un mapa de campo de los dos primeros volúmenes adquiridos, y este mapa se utiliza para la corrección lineal. Las imágenes reconstruidas tenía una SNR de ~ 20. Espectros de potencia temporal en Carolina del Sur voxels normalmentemostró poco de la estructura asociada con ruido fisiológico; el uso de una adquisición 3-disparo tenía un fuerte efecto de filtrado en los comparativamente alta frecuencia efectos de pulso cardíaco y la respiración. Otras técnicas de reducción de ruido son problemáticos en este contexto de alta resolución. Por ejemplo, los métodos de corrección retrospectivos como RETROICOR ⁶ no son aplicables a la multi-shot de datos, y gating cardíaco introduce ruido y artefacto asociado con trastornos de T ₁ equilibrio.

Tiempo de eco, T _E = 40 ms, es más largo que utiliza normalmente en la corteza (30 mseg) porque se midió una correspondientemente más largo T ₂ * en el tejido SC (~ 60 mseg) que la observada en la materia gris cortical (~ 45 mseg).

Adquisición de ancho de banda está limitado a 62,5 kHz para reducir la corriente de gradiente máximo que causa el calentamiento no deseado en nuestro escáner. Elegimos TR = 1 seg, por lo que con tres tiros de un volumen que se adquiere cada 3seg.

5. Modelado de resonancia magnética estructural y 3D

En una sola sesión por separado para cada tema, se obtiene una alta resolución (0,7 mm de muestreo) con un volumen de referencia _en T1 secuencia que da un buen contraste de los tejidos (3D SPGR, 15 ° ángulo de inclinación, la inversión preparados con T _I = 450 mseg, 2 excitaciones, ~ duración 28 minutos, 0,7 mm de voxels).

En este volumen de referencia, el segmento del tejido del cerebro medio, el tronco cerebral, y las porciones del tálamo (Fig. 2A), utilizando una combinación de técnicas automáticas y manuales proporcionados por la aplicación ITK-SNAP ^2. En particular, se utiliza una herramienta de segmentación automática en la que el usuario semillas múltiples puntos dentro de cada tronco cerebral, el software automáticamente amplía la segmentación en torno a los puntos de siembra restringidos dentro de una región definida por criterios de contraste e intensidad. Esta segmentación automática y ajusteEd, si es necesario, usando el manual, "la pintura-como" herramientas de voxel.

El líquido cefalorraquídeo-tejido interfaz del SC es interpolada a partir de la segmentación utilizando teselación isodensidad superficie, y esta superficie inicial se refina para reducir el aliasing (Fig. 2, B y D) utilizando un variacional deformable-superficie algoritmo ^3. Esta superficie ofrece vértices y externas vectores normales para ser utilizados como una referencia para los cálculos laminares (descrito más adelante), así como un medio para visualizar datos funcionales.

6. Análisis de Imagen

Para analizar los datos de la fMRI, que utiliza el paquete de software mrVista (disponible para su descarga en http://white.stanford.edu/mrvista.php) , así como las herramientas desarrolladas en el marco de mrVista en nuestro laboratorio. En los próximos pasos que utilizamos las herramientas estándar del paquete mrVista:

1. Inicializarla sesión en mrVista, eligiendo la opción para normalizar espacialmente la intensidad de los datos promediados para reducir los efectos de la falta de homogeneidad de la bobina. La normalización utiliza un método homomórfica, es decir, dividiendo por una versión filtrada de paso bajo de las intensidades de imagen temporalmente promediados volumen con un aditivo sólido para corrección de ruido estimada. El primer medio ciclo de imágenes (12 segundos) se descarta para evitar transitoria equilibrio MR y efectos hemodinámicos.
2. Corregir dentro de plazo el movimiento. El movimiento es estimado a partir de la serie de tiempo de los volúmenes. Sin embargo, debido a la relativamente baja relación señal-ruido (SNR) de las imágenes, en primer lugar realizar un vagón 5-muestra suavizado en la serie de tiempo. Cada volumen Después se registra la media de los últimos 5 muestras. Nótese que el suavizado se utiliza únicamente para estimar el movimiento, y los datos reales no se suavizan.
3. Forma promedios temporales de los datos de cada plazo de la imagen corregida de movimiento, y usar estas medias para corregir la inter-ensayo de movimiento using la última carrera como referencia.
4. Lleve a cabo una corrección de corte-tiempo. Usamos adquisición rebanada secuencial, de modo errores debidos a realizar la corrección de sincronización después de la corrección de movimiento será pequeño (~ 125 mseg).
5. Promedio de las múltiples carreras registradas dentro de cada sesión para mejorar la relación señal ruido.
6. Alinear los datos estructurales de la sesión de la fMRI para el volumen de referencia estructural a través de un robusto basado en la intensidad algoritmo de registro ^8. Carga de la alineación y la segmentación en mrVista.
7. Transformar los datos de tiempo funcionales de la serie con el volumen de referencia segmentado. En los pasos siguientes se utilizan herramientas desarrolladas en nuestro laboratorio para hacer análisis adicionales.
8. Calcule un mapa de distancia mediante el cálculo de la distancia entre cada uno de los voxels de tejido SC y su vértice más cercano en la superficie de Carolina del Sur. Estas distancias se utilizan para medir la posición laminar dentro del volumen de referencia.
9. Realizar un proceso de segmentación laminar para permitir un promedio de profundidad de los datos de series de tiempo para mejorar ªe SNR. Pequeñas (1,6 mm de diámetro) discos de tejido están asociados con cada vértice del modelo de superficie a lo largo de toda la superficie superficial SC, y cada disco se extiende entonces tanto hacia dentro y hacia fuera desde el tejido SC usando las superficies normales de la zona para formar una zona laminar individuo ^4.
10. Para cada punto de la superficie CS, usamos estas asociaciones laminares para promediar la serie de tiempo sobre un rango de profundidad especificada. Desde entonces, las neuronas de la corteza visual son principalmente presente en las capas superficiales de la SC, para el experimento de estimulación visual se utilizó un rango de profundidad de 0-1,8 mm.

7. Análisis de la cartografía topográfica

Para el análisis de la representación topográfica de los datos, el análisis de coherencia se realiza en la serie temporal profundidad promediada por el ajuste de una sinusoide a la frecuencia de repetición del estímulo (es decir, Hz 1/24 para el estímulo 24 segundos se ha descrito anteriormente) para cada voxel. A partir de esta forma, obtenemos los mapas de superficie de la responsabilidadsí la amplitud, coherencia y fase. Este análisis se realiza en el dominio de la frecuencia, y es una técnica común para cuantificar mapas retinotópicos en la corteza visual ^9,10.

La fase de la forma sinusoidal mide la posición del estímulo. Cero corresponde a la fase superior meridiano vertical (fig. 3). El estímulo luego gira hacia la derecha, por lo que una fase de π / 2 corresponde a cuando el estímulo ha girado a la meridiano horizontal en el campo visual derecho. Después de radianes ¸ de fase, el estímulo cruza en el campo visual izquierdo, y así sucesivamente.

También se obtuvieron los límites de toda la extensión superficial de la SC con la inspección manual de la anatomía del volumen de alta resolución en T1. Estos límites están marcados en la figura. 3 por líneas de trazos rojos.

fMRI no mide directamente la actividad neuronal, sino más bien una respuesta del flujo sanguíneo que está bien, pero junto con lentituda la actividad neuronal. Esto añade un retraso de hemodinámica a la respuesta de fase. El retraso se estima mediante la adopción de todos los voxels por encima de nuestro umbral de la coherencia de cada región de SC de interés, y centrar sus recursos en torno a π en el plano complejo. En nuestros datos SC, estos retrasos son bastante pequeñas, del orden de 2-4 segundos. Nos eliminar este retraso haciendo girar el mapa de colores en sentido antihorario por 45 grados (correspondiente a 3 segundos) (fig. 3).

8. Los resultados representativos

Datos de la Fase superpuestas sobre una superficie 3D de la SC (Fig. 3) muestra que la respuesta a la estimulación visual contralateral está representada en la SC, es decir, el campo visual izquierdo se representa a la derecha, SC, y vice-versa uno.

Hay también una organización retinotópico de la actividad. El campo visual superior derecha se representa medial a la izquierda colículo (azul-magenta), y el campo inferior está representada lateralmente (rojo-amarillo). SimilArly, a la izquierda del campo visual superior está representada en sentido medial a la derecha colículo (azul-cian) e inferior está representada lateralmente (verde-amarillo).

Esta topografía es consistente con los resultados de los no humanos, los estudios de primates de las respuestas SC: 1) a la estimulación visual, utilizando una sola unidad de electrofisiología, y 2) la asignación de los movimientos oculares inducidos por microestimulación sacádicos ^11,12.

Figura 1. Una receta Slice) se ve en la imagen sagital medio. B) la media temporal (de un plazo) de las imágenes funcionales obtenidos de rodaja central marcado en rojo en A).

Figura 2. Polar angular de estímulo topografía. Una cuña 90 ° de movimiento negro-blanco y puntos sobre un fondo gris girado lentamente alrededor de la fijación. La cuña se dividió en una serie de seis virtualmentesectores al (líneas grises añadido para enfatizar los sectores) para permitir que el objeto de realizar una tarea de discriminación de velocidad en un sector escogido de forma aleatoria.

Figura 3. Segmentación y modelado de superficies. A) El cerebro medio, el tronco cerebral, y partes del tálamo fueron segmentados de alta resolución de volúmenes de anatomía de resonancia magnética. B) Una superficie fue creada en el borde de la región segmentada. C) sinusoidal de ajuste de datos de fase se ve en una rebanada de inplane (coherencia> 0,25). D) A girar y vista ampliada del modelo de superficie del tronco cerebral se utiliza para visualizar los datos de fase en el SC.

Figura 4. Polar angular mapas. Los mapas de fMRI de fase en dos temas que codifican ángulo polar visuales. Umbrales de coherencia de cada mapa se proporcionan en la parte inferior derecha. La rueda de color se refiere las fases superpuestas de los estímulos en el pángulo de olar a sus posiciones en el campo visual.

Discussion

Nuestras técnicas de adquisición y análisis de datos a habilitar la medición de la actividad neuronal en las estructuras subcorticales del cerebro humano en alta resolución (1.2 mm voxels). La adquisición de espiral de 3 vacunas reduce el ruido fisiológico que es particularmente perjudicial para las mediciones de resonancia magnética funcional de todo el cerebro medio. Además, nuestra segmentación del tejido laminar nos permite realizar un promedio de profundidad de los datos que ayuda a mejorar la relación señal ruido. Hemos utilizado estos métodos para mostrar precisas de ángulo polar mapas topográficos de la estimulación visual y la atención visual encubierta en el ser humano SC ^1. La segmentación laminar también permite el análisis de perfiles de profundidad de la actividad funcional que variarán de acuerdo con el control experimental ^1.

Nuestros métodos de imagen abren nuevas vías para la experimentación en humanos neurociencia estructuras subcorticales. Estos métodos pueden permitir la traducción de la escala fina de las investigaciones realizadas en animales en las áreas subcorticales a los seres humanos, por ejemplo, investigarcompuerta de la organización de las respuestas auditivas en estructuras como el colículo inferior y el núcleo coclear, ^13-15, o las respuestas visuales y multi-sensorial en los núcleos del tálamo, como pulvinar ^16,17. Por último, estas técnicas podrían proporcionar la localización funcional de las estructuras pequeñas, como el núcleo subtalámico y el globo pálido, que son a menudo blanco de la estimulación cerebral profunda en pacientes con enfermedad de Parkinson, la distonía o el dolor crónico ^18-21.