Hoge resolutie functionele magnetische resonantie imaging methoden voor Human middenhersenen

Summary

Dit artikel beschrijft technieken om een ​​hoge resolutie van functionele magnetische resonantie beeldvorming uit te voeren met 1,2 mm bemonstering in de menselijke middenhersenen en subcorticale structuren met behulp van een 3T scanner. Het gebruik van deze technieken om topografische kaarten van visuele stimulatie in de menselijke superior colliculus (SC) op te lossen wordt als voorbeeld gegeven.

Abstract

Functionele MRI (fMRI) is een veel gebruikt hulpmiddel om niet-invasief meten van correlaten van de menselijke hersenactiviteit. Echter, het gebruik grotendeels is gericht op het meten activiteit op het oppervlak van de cerebrale cortex dan in subcorticale gebieden zoals middenhersenen en hersenstam. Subcorticale fMRI moeten overwinnen twee uitdagingen: ruimtelijke resolutie en fysiologische ruis. Beschrijven we een optimale reeks technieken ontwikkeld om hoge resolutie fMRI voeren in menselijke SC, een structuur de dorsale zijde van de middenhersenen, methoden kunnen ook worden gebruikt om andere afbeelding hersenstam en subcorticale structuren.

Met een hoge resolutie (1,2 mm voxels) fMRI van de SC is een niet-conventionele aanpak. De gewenste ruimtelijke verdeling wordt verkregen met behulp van een multi-shot (interleaved) spiraal acquisitie ^1. Aangezien _T2 * SC weefsel langer is dan in cortex een overeenkomstig langer echotijd (T _E ~ 40 msec) wordt gebruikt om maximaliseren functionele contrast. Om de volledige omvang van de SC te dekken, worden 8-10 plakjes verkregen. Voor elke zitting structurele anatomie hetzelfde deel recept de fMRI ook verkregen, die wordt gebruikt om de functionele data te richten op een hoge resolutie referentie volume.

In een aparte sessie, voor elk onderwerp, creëren we een hoge resolutie (0,7 mm bemonstering) referentie volume met behulp van een T _1-gewogen sequentie die een goede weefsel contrast geeft. In de referentie-volume, de middenhersenen regio is gesegmenteerd met behulp van de ITK-SNAP software-applicatie ^2. Deze segmentatie wordt gebruikt om een 3D-oppervlak representatie van de middenhersenen die zowel een soepele en nauwkeurige ³ te creëren. Het oppervlak hoekpunten en normale worden gebruikt om een kaart van diepte van de middenhersenen oppervlak te creëren in het weefsel ^4.

Functionele gegevens worden omgezet in het assenstelsel van de gesegmenteerde referentie volume. Diepte verenigingen van de voxelskan de middeling van fMRI tijdreeksen van gegevens binnen de opgegeven diepte varieert het signaal te verbeteren. De gegevens worden weergegeven op het 3D-oppervlak voor visualisatie.

In ons lab gebruiken we deze techniek voor het meten van topografische kaarten van visuele stimulatie en geheime en openlijke visuele aandacht binnen de SC ^1. Als voorbeeld tonen we aan de topografische weergave van polaire hoek ten opzichte van visuele stimulatie in SC.

Protocol

1. Polar-hoek Topografie Stimulus en Psychofysica

Om een polaire-hoek retinotopische kaart in de SC te krijgen, gebruiken we een 90 ° wig van bewegende stippen als de stimulus (excentriciteit 2-9 ° van de gezichtshoek, gemiddelde dot-speed 4 ° / sec) (fig. 1). Het is bekend dat de activiteit SC wordt verbeterd door toepassing van geheime aandacht ^5, vandaar dat we gebruik van een aandachtstaak in paradigma beschikbaar signaal worden verhoogd. Op proef elke 2 s, zijn thema's de opdracht om het geheim te wonen om de hele wig en een snelheid van discriminatie taak uit te voeren met behoud van fixatie. De wig is verdeeld in 2 × 3 virtuele sectoren met stippen in een van de sectoren, willekeurig gekozen op elke proef, bewegen langzamer of sneller dan alle andere punten. Na elke proef, de wig is gedraaid 30 ° rond fixatie, zodat de prikkel volledig draait met een 24 sec periode. Elke run bestaat van 9,5 rotaties van de stimulus (228 sec), en experimentele sessies zijn onder andere16-18 runs.

Om onder de prestaties van deze taak gedurende de looptijd van elke rit te handhaven wordt de moeilijkheid van de taak aangepast met behulp van twee willekeurig interleaved two-up-een-down trappen. Na elke twee opeenvolgende correcte proeven het verschil in snelheid wordt verlaagd met 8%, en voor elk fout proces, het verschil wordt verhoogd met 8%.

Voorafgaand aan het scannen, alle vakken de praktijk van de visuele taak buiten de scanner totdat ze komen tot een stabiel niveau van prestaties; dit vereist 3-4 20 minuten duur trainingen. Typische discriminatie drempelwaarden in de orde van 1 ° -1,5 ° / sec.

2. Onderwerp Voorbereiding

1. Onderwerpen hoofden zijn beveiligd met elektroden op het hoofd beweging te minimaliseren voordat ze worden geplaatst in de scanner droeg. Bij deze hoge ruimtelijke resolutie, fMRI is bijzonder gevoelig voor bewegingsartefacten, dus ga stabilisatie is van cruciaal belang.
2. Onderwerpen krijgen een MRI-compatible button pad in de ene hand en uitleg krijgen over welke knop moet drukken om hun oordelen over dot snelheid aan te geven.

3. Het lokaliseren en het voorschrijven van de SC

1. Human SC is een kleine maar duidelijke structuur, ~ 9 mm in diameter, gelegen op het dak van de middenhersenen. Bij gebruik van een klein aantal segmenten fMRI, worden meerdere hartlijn imaging serie nodig zijn voor de precieze lokalisatie. We lopen deze serie langs sagittale, axiale en coronale vliegtuigen.
2. Vervolgens gebruiken we deze localizer beelden precies de SC schrijven met 8-10 aaneengesloten plakjes, 1,2 mm dik, veld-of-view (FOV), 170 mm in een schuine, quasi-axiale vlak.
3. Vervolgens met een hoge resolutie T _1-gewogen structurele beelden worden verkregen met behulp van een driedimensionale (3D) RF-verwende GRAS (SPGR) sequentie (15 ° flip hoek, 1,2 mm voxels) een keer voorafgaand aan het verzamelen van de functionele gegevens en een keer na. Deze beelden worden gebruikt als een verwijzing naar de fMRI data af te stemmen op een hoge-resolutie structural referentievolume verkregen in een aparte sessie die we later beschrijven.

4. Functionele MRI Parameters

Alle beeldvorming werd uitgevoerd op een GE Signa HD12 3T MRI-scanner met behulp van de GE-meegeleverde 8-kanaals, hoofd spoel. Opwinding was een 6,4 ms windowed-sinc puls toegepast met behulp van de scanner lichaam spoel.

Tot 1,2 mm bemonstering in de menselijke SC te krijgen, gebruiken we een drie-shot spiraal-traject overname ^6,7. Drie schoten nodig zijn om verschillende redenen. In het bijzonder single-shot aanwinst voor onze scanner en de FOV vereist> 77 msec, te lang om praktisch zijn. De meervoudige opnamen worden gecombineerd na correctie door het aftrekken van de initiële waarde en de lineaire trend van de fase. TE wordt verhoogd 2 ms op het eerste frame een veld map schatten van de eerste een tweetal delen, en deze kaart wordt gebruikt voor lineaire correctie. Gereconstrueerde beelden had een SNR van ~ 20. Wereldlijke macht spectra in SC voxels typischtoonde weinig van de structuur verbonden met fysiologische ruis, het gebruik van een 3-shot verkrijging een sterk filtrerende werking van de relatief hoogfrequente effecten van cardiale hartslag en ademhaling. Andere noise-reductie technieken zijn problematisch in deze hoge-resolutie context. Bijvoorbeeld achteraf correctiemethoden zoals RETROICOR ⁶ niet voor multi-shot data en cardiale gating beeldruis en artefacten verbonden verstoring van _T1 evenwicht.

Echo tijd, T _E = 40 msec, langer is dan meestal gebruikt in de cortex (30 msec), want we meten een navenant langere T ₂ * in SC weefsel (~ 60 msec) dan waargenomen in corticale grijze stof (~ 45 msec).

Overname bandbreedte is beperkt tot 62,5 kHz tot maximale gradiënt stroom die ongewenste verwarming zorgt ervoor dat op onze scanner te verminderen. We kiezen TR = 1 sec, dus met drie schoten een volume wordt elke 3 verworvensec.

5. Structurele MRI en 3D Modeling

In een aparte sessie voor elk onderwerp, krijgen we een hoge resolutie (0,7 mm bemonstering) referentie volume met behulp van een T _1-gewogen sequentie die een goede weefsel contrast (3D SPGR, 15 ° flip hoek, inversie bereid met T _I = 450 geeft msec, 2 excitaties, ~ 28 minuten duur, 0,7 mm voxels).

In deze referentie volume, we segment het weefsel van de middenhersenen, de hersenstam, en delen van de thalamus (Fig. 2A) met behulp van een combinatie van automatische en manuele technieken die door de ITK-SNAP toepassing ^2. In het bijzonder is een automatisch segmentatie instrument waarin de gebruiker zaden meerdere punten in elk hersenstam, de software automatisch vergroot de segmentatie rond het zaad punten beperkt binnen een gebied gedefinieerd contrast en intensiteit criteria. Deze automatische segmentatie wordt vervolgens aan te passened eventueel met de hand, "verf als" voxel gereedschap.

De cerebrospinale vloeistof-weefsel interface van de SC is geïnterpoleerd op grond van de segmentatie met behulp van isodensity oppervlak tessellation, en deze eerste oppervlak wordt gezuiverd om aliasing artefacten (afb. 2, B en D) door variationele vervormbaar-oppervlak algoritme ³ te verminderen. Dit oppervlak bepaalt hoekpunten buiten normaalvectoren worden gebruikt als referentie voor het laminaire berekeningen (hieronder beschreven) en een middel om functionele visualiseren.

6. Image Analysis

Om de fMRI gegevens te analyseren, gebruiken we de mrVista softwarepakket (u kunt downloaden op http://white.stanford.edu/mrvista.php) alsmede instrumenten ontwikkeld op mrVista kader in ons lab. In de volgende paar stappen we gebruik maken van standaard mrVista package tools:

1. Initialiserende zitting in mrVista kiezen van de mogelijkheid om ruimtelijk normaliseren de intensiteit van de gemiddelde om de effecten van spoel inhomogeniteit verminderen. De normalisatie gebruikt een homomorfe werkwijze, dat wil zeggen delen door een laagdoorlaatfilter gefilterde versie van het tijdelijk uitgemiddelde beeld volume intensiteiten additief krachtig correctie geschat ruis. De eerste helft cyclus van beelden (12 sec) wordt weggegooid aan voorbijgaande MR evenwicht en hemodynamische effecten te vermijden.
2. Corrigeer binnen-run beweging. Motion is geschat op basis van de tijdreeks van de volumes. Vanwege de relatief lage signaal-ruisverhouding (SNR) van de beelden, we eerst een 5 monster boxcar glad op de tijdreeks. Elk volume wordt dan geregistreerd bij het gemiddelde van de laatste 5 monsters. Merk op dat afvlakking alleen gebruikt om de beweging te schatten, en de feitelijke gegevens niet geëffend.
3. Vorm tijdelijke gemiddelden van motion-gecorrigeerde elke run het imago van gegevens en gebruik maken van deze gemiddelden naar de tussen-run beweging usi corrigerenng de laatste run als referentie.
4. Voer een slice-timing correctie. We maken gebruik van sequentiële slice overname, zodat fouten als gevolg van het uitvoeren van timing correctie nadat de motie correctie zal zijn klein (~ 125 msec).
5. Het gemiddelde van de verschillende runs opgenomen binnen elke sessie naar SNR te verbeteren.
6. Lijn de structurele gegevens van de fMRI-sessie met de referentie-structurele volume met behulp van een robuuste intensiteit op basis van de registratie-algoritme ^8. Plaats de uitlijning en segmentatie in mrVista.
7. Transformeer de functionele tijdreeksen gegevens naar de gesegmenteerde referentie-volume. In de volgende stappen die we gebruiken instrumenten die zijn ontwikkeld in ons laboratorium voor verdere analyse uit te voeren.
8. Bereken afstand kaart door het berekenen van de afstand tussen SC weefselvoxels en de dichtstbijzijnde top van de SC oppervlak. Deze afstanden worden gebruikt om laminaire positie te meten binnen de referentie volume.
9. Voer een laminaire segmentatie proces om diepte middeling van tijdreeksen van gegevens mogelijk te maken e verbeterene SNR. Kleine (1,6 mm diameter) schijven van weefsel worden geassocieerd met elk hoekpunt van het oppervlak-model over de gehele oppervlakkige SC oppervlak, en elke schijf wordt dan verlengd zowel naar binnen en naar buiten uit de SC-weefsel met behulp van de lokale oppervlak normalen op een individuele laminaire wijk te vormen ^4.
10. Voor elk punt op de SC oppervlak, gebruiken we deze laminaire verenigingen om de tijdreeksen gemiddeld over een bepaalde diepte bereik. Aangezien visueel responsieve neuronen zijn voornamelijk aanwezig in de oppervlakkige lagen van de SC, voor de visuele stimulatie experiment hebben we een diepte bereik van 0 tot 1,8 mm gebruikt.

7. Topografische kaart brengen Analyse

Voor analyse van de topografische weergave van de gegevens wordt de samenhang analyse uitgevoerd op de diepte-gemiddelde tijdreeks worden door een sinusoïde de stimulus herhalingsfrequentie (bijvoorbeeld 1/24 Hz voor de 24 sec stimulus hierboven beschreven) voor elke voxel. Uit deze pasvorm, leiden we het oppervlak kaarten van verantse amplitude, samenhang, en fase. Deze analyse wordt uitgevoerd in het frequentiedomein, en is een veel voorkomende techniek om retinotopische kaarten te kwantificeren in de visuele cortex ^9,10.

De fase van het sinusvormig fit meet de positie van de stimulus. Zero-fase is de bovenste verticaal meridiaan (Fig. 3). De stimulans draait dan met de klok mee, dus een π / 2 fase komt overeen met wanneer de prikkel heeft gedraaid om de horizontale meridiaan in het rechter gezichtsveld. Na π radialen fase, de stimulus overgaat in de linker gezichtsveld, enzovoort.

Ook verkregen grenzen van de gehele oppervlakte mate van SC met de hand inspectie van de hoge resolutie T1 gewogen volume anatomie. Deze grenzen zijn aangegeven in Fig. 3 door rode stippellijnen.

fMRI is niet direct te meten neurale activiteit, maar eerder een bloed-flow respons die goed is, maar traag gekoppeldaan neurale activiteit. Dit voegt een hemodynamische vertraging van de fase reactie. De vertraging wordt geschat door het nemen van alle voxels boven onze samenhang drempel van elk SC regio-of-interest, en centreren hun middelen rond π in het complexe vlak. In onze SC gegevens, deze vertragingen zijn vrij klein, in de orde van 2-4 sec. We verwijderen deze vertraging door het draaien van de kleurenkaart tegen de klok in met 45 graden (wat overeenkomt met 3 sec) (afb. 3).

8. Representatieve resultaten

Fase data overlay op een 3D-oppervlak van de SC (afb. 3) laat zien dat de respons op visuele stimulatie contralateraal is vertegenwoordigd in de SC, dat wil zeggen, het linker visuele veld is vertegenwoordigd in de juiste SC en vice-a-versa.

Er is ook een retinotopische organisatie van de activiteit. De rechtsboven gezichtsveld mediaal weergegeven aan de linkerzijde colliculus (blauw magenta) en het onderste gebied zijdelings weergegeven (rood-groen). SimilArly, wordt de linker gezichtsveld mediaal vertegenwoordigd op de juiste colliculus (blauw-cyaan) en lager is zijdelings vertegenwoordigd (groen-geel).

Deze topografie is in overeenstemming met de resultaten van niet-menselijke primaat studies van SC reacties: 1) visuele stimulatie met behulp van single-unit elektrofysiologie, en 2) het in kaart brengen van microstimulatie geïnduceerde saccadische oogbewegingen ^11,12.

Figuur 1. A) Slice recept bekeken op mid-sagittale afbeelding. B) Temporele gemiddelde (van 1-run) van functionele beelden verkregen van het centrum van plak rood gemarkeerd in A).

Figuur 2. Polar-hoek topografie stimulus. Een 90 ° wig bewegende zwart-wit stippen op een witte achtergrond gedraaid langzaam om fixatie. De wig is verdeeld in een reeks van 6 virtual sectoren (grijze lijnen toegevoegd aan sectoren te benadrukken) om het onderwerp tot een snelheid discriminatie taak uit te voeren in een willekeurig gekozen sector.

Figuur 3. Segmentatie en oppervlakte modellering. A) De middenhersenen, de hersenstam, en delen van de thalamus waren gesegmenteerde van hoge-resolutie MRI anatomie volumes. B) een oppervlak is gemaakt op de rand van gesegmenteerde gebied. C) Sinusoïdale-fit fase data bekeken op een inplane slice (coherentie> 0,25). D) een draaibaar en vergroting van de hersenstam oppervlak model gebruikt om fase gegevens over de SC visualiseren.

Figuur 4. Polar-hoek kaarten. fMRI fase kaarten in twee onderwerpen die visuele poolhoek coderen. Samenhang drempels voor elke kaart vindt u op de rechts onderaan. Het kleurenwiel vertelt de overlay fasen van de stimulus in pOlar hoek hun gezichtsveld posities.

Discussion

Onze acquisitie en data-analyse technieken maken het mogelijk de metingen van neurale activiteit in subcorticale menselijk brein structuren met een hoge resolutie (1,2 mm voxels). De 3-shot spiraal verwerving vermindert de fysiologische ruis die bijzonder schadelijk is voor fMRI-metingen rond de middenhersenen. Bovendien, onze laminaire segmentatie van het weefsel stelt ons in staat om te presteren diepte middeling van de gegevens die helpt bij het verbeteren van de SNR. We hebben deze methoden om nauwkeurige polaire-hoek topografische kaarten van visuele stimulatie en verborgen visuele aandacht in het menselijk SC ¹ te laten zien. De laminaire segmentatie maakt het ook mogelijk de analyse van de diepte profielen van de functionele activiteit die variëren onder experimentele controle ^1.

Onze beeldvormende technieken opent nieuwe wegen voor de neurowetenschappen te experimenteren in de menselijke subcorticale structuren. Deze methoden kunnen mogelijk vertaling van de uitgevoerde gedetailleerde onderzoek naar de dieren in subcorticale gebieden voor de mens, bijvoorbeeld, onderzoekengating de organisatie van de auditieve responsen in structuren zoals de colliculus inferior en de cochleaire nucleus ^13-15, of visueel en multisensorische reacties in thalamus kernen, zoals pulvinar ^16,17. Tot slot, deze technieken kunnen functionele lokalisatie voor kleine structuren, zoals de nucleus subthalamicus en de globus pallidus, die vaak het doelwit zijn voor diepe hersenstimulatie bij patiënten met de ziekte van Parkinson, dystonie of chronische pijn ^18-21.