Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Måling af indflydelsen af magnetisk vestibulær stimulering på nystagmus, selvbevægelsesopfattelse og kognitiv ydeevne i en 7T MRT

Published: March 3, 2023 doi: 10.3791/64022
Automatic Translation
1,6, 2, 2, 2,3, 4, 1, 1,6, 2, 5,6, 2,3, 2,6, 1,6
1Department of Psychology, University of Bern, 2Department of Otorhinolaryngology, Head and Neck Surgery, lnselspital, University Hospital Bern and University of Bern, 3Hearing Research Laboratory, ARTORG Center for Biomedical Engineering Research, University of Bern, 4Herbert Wertheim School of Optometry and Vision Science, University of California, 5University Department of Diagnostic and Interventional Neuroradiology, Inselspital, Bern University Hospital, University of Bern, 6Translational Imaging Center (TIC), Swiss Institute for Translational and Entrepreneurial Medicine

Summary

I denne artikel beskriver vi den eksperimentelle opsætning, materiale og procedurer til vurdering af refleksive øjenbevægelser, selvbevægelsesopfattelse og kognitive opgaver under magnetisk vestibulær stimulering samt de vestibulære organers anatomiske orientering i en 7 Tesla magnetisk resonanstomografi (7T-MRT) scanner.

Abstract

Stærke magnetfelter fremkalder svimmelhed, svimmelhed og nystagmus på grund af Lorentz-kræfter, der virker på kuplen i de halvcirkelformede kanaler, en effekt kaldet magnetisk vestibulær stimulering (MVS). I denne artikel præsenterer vi en eksperimentel opsætning i en 7T MRT-scanner (MR-scanner), der gør det muligt at undersøge indflydelsen af stærke magnetfelter på nystagmus såvel som perceptuelle og kognitive reaktioner. MVS' styrke manipuleres ved at ændre deltagernes hovedpositioner. Orienteringen af deltagernes halvcirkelformede kanaler i forhold til det statiske magnetfelt vurderes ved at kombinere et 3D-magnetometer og 3D-konstruktiv interferens i steady-state (3D-CISS) billeder. Denne tilgang gør det muligt at tage højde for intra- og interindividuelle forskelle i deltagernes svar på MVS. I fremtiden kan MVS være nyttigt til klinisk forskning, for eksempel i undersøgelsen af kompenserende processer i vestibulære lidelser. Desuden kunne det fremme indsigt i samspillet mellem vestibulær information og kognitive processer med hensyn til rumlig kognition og fremkomsten af selvbevægelsesopfattelser under modstridende sensorisk information. I fMRI-studier kan MVS fremkalde en mulig forvirrende effekt, især i opgaver påvirket af vestibulær information eller i undersøgelser, der sammenligner vestibulære patienter med raske kontroller.

Introduction

Stærke magnetfelter, dvs. over 1 T, er kendt for at fremkalde svimmelhed, svimmelhed og nystagmus, en effekt kaldet magnetisk vestibulær stimulering (MVS)1,2,3. Det vestibulære system er placeret i det indre øre og måler acceleration omkring rotationsakser (yaw, pitch og roll) med tre halvcirkelformede kanaler og acceleration langs translationelle akser (naso-occipital, inter-aural og head-vertical) med to makulaorganer, utricle og saccule4 (se figur 1A). Fremkomsten af MVS-effekten kan forklares ved en ionisk strøminduceret Lorentz-kraft, der virker på kuplen i de halvcirkelformede kanaler i det vestibulære system 1,2.

Effekten af MVS øges med højere feltstyrker 3,5. Stimuleringen er forårsaget af to forskellige komponenter. For det første resulterer flytning af deltageren i boringen gennem MR-scannerens B0-felt i et dynamisk magnetfelt, der fremkalder Lorentz-kræfter, der virker på kuplen. For det andet forårsager MR-scannerens statiske magnetfelt, hvor deltagerne ligger uden bevægelse under eksperimenterne, også en konstant Lorentz-kraft. I alle eksperimenter med MR-scannere stimuleres deltagerens vestibulære system således konstant af det statiske magnetfelt. Dette omfatter alle fMRI-undersøgelser, især dem i ultrahøje magnetfelter (> 3 T).

Nystagmus fremkaldes ved at blive flyttet eller bevæge sig, såvel som ved at hvile statisk i et stærkt magnetfelt. De bevægelsesrelaterede kræfter forårsager stærk nystagmus, som henfalder efter et par minutter6. Nystagmusen fremkaldt under statiske magnetfelter er svagere og falder gradvist over tid, men forsvinder ikke helt under eksponering. Nystagmusens retning afhænger af magnetfeltets polaritet og vender ved tilbagetrækning fra magnetfeltet 6,7,8. MVS virker overvejende på de vandrette og overlegne kanaler, hvilket resulterer i refleksive øjenbevægelser, dvs. for det meste vandret og torsionsnystagmus og i mindre grad lodret nystagmus9. Hos bilaterale vestibulære patienter kan der ikke observeres nystagmus1, og hos ensidige vestibulære patienter er mere udtalte lodrette nystagmuskomponenter til stede10. Da nystagmusen er ufrivillig, er det et velegnet mål for styrken af den vestibulære stimulering. Nystagmus kan undertrykkes ved visuel fiksering; Derfor skal øjenbevægelser vurderes i fuldstændig mørke.

Ikke-veridisk selvbevægelsesopfattelse, svimmelhed og svimmelhed beskrives ofte af deltagerne, mens de flyttes ind eller ud af boringen, især i feltstyrker over 3 T. Opfattelsen af selvbevægelse er for det meste blevet beskrevet som rotationer i rulle og i mindre grad i krøje- og pitchplan7 (se figur 1A). Mens nystagmus fortsætter over eksponeringens længde, forsvinder selvbevægelsesopfattelsen normalt efter 1-3 min7. Den konstante del af MVS er i sig selv en interessant stimulering, da den giver mulighed for langvarig vestibulær input, der ikke ledsages af bevidst selvbevægelsesopfattelse.

Fra undersøgelser ved hjælp af kalorisk eller galvanisk vestibulær stimulering, passiv bevægelse eller mikrogravitation er det kendt, at vestibulær information kan påvirke ydeevnen i rumlige opgaver 11,12 og dens neurale korrelater13. At blive flyttet eller bevæge sig inde i stærke magnetfelter er blevet rapporteret at påvirke kognitiv præstation14,15. En undersøgelse viste, at MVS muligvis kunne føre til symptomer på derealisering på grund af ikke-veridisk selvbevægelsesopfattelse16. Undersøgelser, der undersøger indflydelsen af at hvile statisk i magnetfelter, har imidlertid ikke vist afgørende resultater vedrørende neuropsykologiske opgaver, bortset fra en replikeret forringelse af visuel nøjagtighed17,18,19,20. For nylig er de første beviser blevet fundet, at MVS kan ændre rumlig opmærksomhed ved at fremkalde en forsømmelseslignende bias21. Dette rejser spørgsmålet om, hvorvidt MVS kan påvirke ydeevnen i adfærdsmæssige opgaver, der måler højere kognitive funktioner. For eksempel er det uklart, i hvilket omfang MVS påvirker rumlig ræsonnement, dvs. evnen til at mentalisere objekter og egenkropsrotationer.

Neuroimaging undersøgelser, der analyserer hviletilstandsaktivitet, har vist, at MVS kan fremkalde ændringer i standardtilstandsnetværk3,22, hvilket kan forklares ved fagspecifik anatomisk orientering af de vestibulære organer i forhold til magnetfeltretningen23. Med hensyn til fMRI-forsøg skal virkningerne af MVS overvejes nøje i designet af undersøgelsen. Desuden kan MVS interferere med galvanisk eller vestibulær stimulering anvendt i fMRI-eksperimenter. Det kunne fungere som en confounder i neuroimaging undersøgelser, der sammenligner deltagere med intakte og dysfunktionelle vestibulære systemer, da virkningerne af MVS er fraværende hos bilaterale vestibulære patienter1.

For at vurdere virkningerne af MVS og sammenligne forskellige styrker af MVS hos deltagerne, beskriver vi her et eksperimentelt og teknisk setup til måling af nystagmus, selvbevægelsesopfattelse, kognitiv præstation og kanalernes anatomiske position inde i en 7 T MR-scanner (se figur 2). Den beskrevne opsætning kan tilpasses og bruges til eksperimenter til specifikt at undersøge vestibulære og højere kognitive funktioner under MVS eller til at vurdere og kontrollere for de mulige confounding effekter af MVS i fMRI-studier.

Interessant nok kan styrken af MVS moduleres ved at ændre hovedpositionen og derfor ændre orienteringen af de vestibulære endeorganer i forhold til magnetfeltets retning. Effekten af MVS kan reduceres hos de fleste deltagere ved at vippe hovedet fremad mod kroppen (hage mod bryst)1,24. Ændring af hovedpositionen i stigningsaksen muliggør således sammenligning af målbare MVS-effekter under forskellige stimuleringsstyrker.

I denne procedure blev styrken af MVS manipuleret hos deltagerne ved at sammenligne målinger mellem to hovedpositioner (se figur 1B). I den tilstand, der skulle fremkalde stærkere MVS, lå deltageren liggende liggende i scanneren med en omtrent jordlodret orientering af Reids plan (liggende position). I den tilstand, der skulle fremkalde svagere MVS, blev deltagerens hoved vippet ca. 30° i hældning fremad (vippet position). Det er teoretisk muligt at sammenligne den liggende position med en nulposition, hvor der ikke er nystagmustil stede 1. Den krævede pitchhældning for null-positionen er dog forskellig for hver deltager og tidskrævende at bestemme, da dette kræver flere tilfælde af omplacering og flytning af deltageren ind og ud af scanneren for at teste positionen. Dette er muligvis ikke muligt for de fleste undersøgelsesdesign. De to hovedpositioner, liggende og vippede, giver mulighed for at sammenligne forskellige mål, f.eks. selvbevægelsesopfattelse eller præstation i opgaver mellem og inden for deltagerne.

Figure 1
Figur 1: Akser og planer for hovedets position i magnetfeltet . (A) Hoved-lodret (HV), inter-aural (IA) og naso-occipital (NO) akse af hovedet. Magnetfeltets retning (B0) flugter med hovedets lodrette akse (HV), når deltagerne ligger inde i boringen i liggende stilling31. (B) De to hovedpositioner under eksperimentet, hvor liggende stilling (liggende lige) vides at fremkalde stærkere MVS hos de fleste deltagere end den vippede position (hovedet vippes opad i stigningsplanet ved ca. 30°). Klik her for at se en større version af denne figur.

For at bestemme, hvordan de vestibulære organer blev orienteret under de eksperimentelle kørsler uden billeddannelse, fastgjorde vi et 3D-magnetometer til deltagernes hoveder og målte sondens orientering i forhold til magnetfeltets Z-akse (figur 3B). Orienteringen af de vestibulære organer i magnetfeltet blev vurderet med en anatomisk 3D-CISS sekvens med høj opløsning. Under billedoptagelse blev magnetometeret udskiftet med en vandpipette (figur 3D). Dette gjorde det muligt at ekstrahere magnetometerets orientering i forhold til retningen af magnetfeltets Z-akse og justere det til de indre ørestrukturer. Vi kan derefter drage konklusioner om orienteringen af de vestibulære organer i hele eksperimentets varighed.

Nystagmus blev sporet med MR-egnede beskyttelsesbriller (figur 3C). MVS fremkalder ikke kun vandret og undertiden lodret, men også torsionsnystagmus; Derfor anbefales det at bruge software, der også muliggør sporing af torsionsøjenbevægelser 9,25.

Selvbevægelsesopfattelser kan vurderes under opfattelse7 (mens de går ind og ud af boringen) og efter at selvbevægelsesopfattelserne forsvinder, f.eks. med spørgeskemaer. Det er vigtigt at instruere deltagerne godt, da mundtlig rapportering af ikke-veridisk selvbevægelse ofte er vanskelig for deltagerne. Vi angiver i protokollen, hvor selvbevægelsesopfattelsen og kognitiv præstation kan måles, men specificerer ikke opgaverne eller spørgeskemaerne, da de stærkt afhænger af forskningsspørgsmålet. Vi giver dog eksempler på spørgeskemaer og paradigmer26.

Figure 2
Figur 2: Teknisk opsætning af eksperimentet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Sammenfattende kan MVS bruges til at undersøge indflydelsen af vestibulær stimulering på nystagmus, opfattelse og kognitive processer samt til at studere tilvænningsprocesser hos patienter med vestibulær dysfunktion. Effekten af det statiske magnetfelt på kuplen forbliver konstant under hele eksponeringen for magnetfeltet. Da dette simulerer en konstant rotationsacceleration, er MVS en interessant og velegnet metode til at undersøge vestibulær funktion og dens indflydelse på opfattelse og kognition27,28. Det kan bruges til specifikt at behandle forskningsspørgsmål vedrørende indflydelsen af vestibulær information på højere kognitive funktioner, såsom rumlig ræsonnement. Det tjener som en passende ikke-invasiv model for ensidig svigt i det vestibulære system, som muliggør undersøgelse af kompenserende processer, der kan opstå hos vestibulære patienter28. Desuden er det vigtigt at overveje de forvirrende virkninger af MVS i fMRI-studier, da adfærdsmæssige og neurale korrelater kan ændres ved vestibulær stimulering og også interferere, når man undersøger vestibulære patienter i et stærkt statisk magnetfelt.

Protocol

Følgende trin var en del af en undersøgelse, der var i overensstemmelse med Helsingforserklæringen og blev godkendt af den etiske komité i kantonen Bern, Schweiz (2019-02468). Alle deltagere gav deres skriftlige informerede samtykke forud for studiedeltagelse.

BEMÆRK: Det anbefales at vurdere deltagernes vestibulære funktion før MVS-eksperimentet med standard vestibulære diagnostiske tests såsom spørgeskemaer (f.eks. svimmelhedshandicapopgørelse29), bitermiske kalorietest, roterende pendulære tests, hovedimpulstest (HIT), subjektiv visuel lodret (SVV), vestibulære fremkaldte myogene potentialer (c-VEMP), okulære vestibulære myogene potentialer (o-VEMP), dynamisk synsskarphed (DVA) og / eller dynamisk posturografi.

1. Forberedelse af forsøgsopstillingen i scannerrummet (figur 2)

FORSIGTIG: Alle materialer, der bringes ind i scannerrummet, skal være MR-sikre.

  1. Tilslut forsøgscomputeren og øjesporingscomputeren med et crossover ethernet-kabel for at muliggøre synkronisering af dataindsamling.
  2. Forbind deltagerens svarknapper med forsøgscomputeren via svarboksen.
  3. Tænd projektoren, der er tilsluttet den eksperimentelle computer.
  4. Tilslut magnetometerenheden til magnetometercomputeren ved at slutte den til USB-stikket.
    BEMÆRK: 3D-magnetometeret skal være egnet og kalibreret til ultrahøj feltstyrke. I den software, der blev brugt i denne undersøgelse, blev følgende indstillinger valgt: Enheder = Tesla, rækkevidde = 20,00, anskaffelseshastighed = 100,00 Hz.
  5. Tilslut øjensporingsbrillerne til øjesporingscomputeren med et afskærmet firewire-kabel.
    BEMÆRK: Medmindre kablet er langt nok, skal øjesporingscomputerskærmen ses inde fra scannerrummet for at muliggøre justeringer af øjensporingsbrillerne. Brug om nødvendigt en ekstern skærm placeret foran vinduet mellem MR-rummet og kontrolrummet.
  6. Åbn eye-tracking-softwaren 9,25.

2. Forberedelse af deltageren til at komme ind i MR-scanneren

FORSIGTIG: Følgende trin er afgørende for deltagernes og personalets sikkerhed.

  1. Lad deltageren læse og underskrive det informerede samtykke.
  2. Bekræft, at deltageren ikke opfylder MR-eksklusionskriterierne. Sørg for MR-sikkert tøj, fjern metalgenstande (f.eks. Piercinger), og sørg for en graviditetstest (hvis relevant).
    BEMÆRK: For MR-sikkerhedskriterier, se https://mr-gufi.de/index.php/dokumente. Kriterierne varierer mellem forskningssteder.
  3. Fjern kontaktlinser, øjenskygge og mascara grundigt (for bedre øjensporing).

3. Informere deltageren om eksperimentelle procedurer og opgaver

  1. Forklar den eksperimentelle procedure og giv instruktioner om opgaverne. Lad deltageren gennemføre øvelsesforsøg (hvis relevant).
  2. Hvis opfattelsen af selvbevægelse vurderes, informeres deltageren om specifikke oversættelses- og rotationsakser (se figur 1A). Brug mindeværdige udtryk for de specifikke bevægelser, f.eks. "grillrotation" for rotationer i krøje (omkring hoved-lodret akse) i liggende position26.

4. Udarbejdelse af eye-tracker og magnetometer målinger

  1. Sæt en elastisk hovedbøjle og EEG-hætte på deltagerens hoved (f.eks. En MR-sikker EEG-hætte uden elektroder) (se figur 3A).
  2. Fastgør magnetometeret bag det ene øre (skal være inden for rækkevidden af 3D-CISS sekvensbillederne) ved at trække det under det elastiske hovedbånd og EEG-hætten. Fastgør det korrekt med tape (se figur 3B).
  3. Tag øjensporingsbrillerne på over EEG-hætten (se figur 3C).
  4. Lad deltageren indsætte ørepropper.
  5. Juster eye-tracking-parametrene på beskyttelsesbrillerne (venstre/højre centrering, op/ned centrering, fokus) og i softwaren (venstre/højre centrering, op/ned centrering, pupilstørrelse, kontraster, irismønster) for at sikre god sporing.

Figure 3
Figur 3: Forberedelse af deltageren . A) Elastisk hovedbøjle og EEG-hætte (uden elektroder) til fastgørelse af magnetometeret. (B) Magnetometeret er placeret bag det ene øre. (C) Der er monteret øjensporingsbriller. (D) Magnetometersonden fjernes og erstattes med en vandpipette til billeddannelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

5. Registrering af kalibreringsfilen til øjensporing

BEMÆRK: Kalibrering ville være mest præcis, hvis den blev udført før hver kørsel og i den position, hvor deltageren flyttes ind i scanneren. Den her rapporterede procedure er mindre præcis, men blev valgt på grund af tid og tekniske begrænsninger.

  1. Lad deltageren sidde 1 m foran kalibreringsstimuli (mål øjenstimulusafstanden med for eksempel et målebånd).
  2. Juster eye-tracking-parametrene i softwaren (pupilstørrelse, kontraster, irismønster) for god sporing.
    1. Tryk på Optag for at starte dataindsamling.
    2. Lad deltageren se på hver prik i 1 s (fem prikker i alt, tre i træk, en over midten, en under midten, afstand på prikker 10 cm) med verbal instruktion: venstre, ned, midt, op, højre.
    3. Tryk på Stop for at stoppe dataindsamlingen.

6. Måling af spontan nystagmus, inden du går ind i scanneren

BEMÆRK: Målingerne er mest præcise, når de finder sted uden for magnetfeltet i liggende stilling. Dette kunne udføres med en aftagelig MR-seng. Hvis det ikke er muligt, som i den opsætning, der blev brugt i denne undersøgelse, skal der vælges en position uden for 50 mT-linjen (stiplet linje på gulvet). Magnetfeltets styrke ved målepositionen kan vurderes med magnetometeret (0,02 T i den her anvendte opsætning).

  1. Tag beskyttelsesbrillernes betræk på, og sørg for, at deltageren ikke kan se noget lys. Ellers skal du lade deltageren dække deres hoved med sort stof for at fjerne ethvert lys, der kommer ind.
  2. Juster eye-tracking-parametrene i softwaren (pupilstørrelse, kontraster, irismønster) for god sporing. Bed deltageren om at åbne øjnene bredt.
    1. Tryk på Optag for at starte dataindsamling.
    2. Mål øjenbevægelserne i mindst 30 s. Juster øjensporingsparametrene igen, hvis det er nødvendigt.
    3. Tryk på Stop for at stoppe dataindsamlingen.
  3. Tag beskyttelsesbrillernes dæksel af.

7. Positionering af deltageren til eksperimentet

  1. Lad deltageren ligge på scannersengen.
  2. Juster deltagerens hovedhældningsposition i henhold til den første betingelse (enten liggende eller vippet opad i stigningsplanet ved ca. 30°) ved hjælp af passende puder.
  3. Placer spejlet over deltagerens hoved, og juster det, så skærmen er inden for deltagerens synsfelt.
  4. Giv deltageren svarknapperne for hver hånd; Fastgør dem om nødvendigt med tape.
  5. Lad deltageren øve sig i at tage beskyttelsesbrillernes betræk på og af, så dette kan gøres i mørke inde i boringen; Deltageren skal gentage dette så længe som nødvendigt og afslutte med dækslet på beskyttelsesbrillerne.
    BEMÆRK: Dette trin kan føre til forskydning af beskyttelsesbrillerne, hvilket kan påvirke målinger vedrørende øjnenes position. Udfør om muligt en kalibrering efter dette trin.
  6. Gentag instruktionerne for den første opgave, og spørg deltageren, om instruktionerne forstås.
  7. Juster eye-tracking-parametrene enten på beskyttelsesbrillerne eller i softwaren (pupilstørrelse, kontraster, irismønster) for god sporing.
  8. Juster MR-sengens startposition ved hjælp af MR-scannerens laserkryds for at sikre, at deltagerens indre ørestrukturer vil være i midten af boringen under eksperimentet.

8. Flytning af deltageren til scanneren

  1. Hvis det er relevant, skal du starte selvbevægelsesopfattelsesparadigmet ved at trykke på Kør og indtaste deltager- og prøveoplysningerne i den eksperimentelle software på forsøgscomputeren.
  2. Start eye-tracking-målingerne (i opsætningen, der bruges her, blev dette startet af selvbevægelsesopfattelsesparadigmet) ved at trykke på Optag i eye-tracking-softwaren. Bed deltageren om at åbne øjnene bredt.
  3. Start magnetometermålingerne ved at trykke på Optag i magnetometersoftwaren.
  4. Fortæl deltageren, at løbet starter.
  5. Inde i scannerrummet skal du begynde at flytte deltageren ind i boringen.
  6. Efter 3 minutter skulle opfattelser af selvbevægelse være forsvundet hos de fleste deltagere. Bed derfor deltagerne om at tage beskyttelsesbrillernes betræk af, hvis der skal præsenteres visuelle stimuli (f.eks. Et spørgeskema).
    BEMÆRK: Eye-tracking kan også fortsættes i længere tid med tildækkede øjne.
  7. Hvis det er relevant, præsenter et selvbevægelsesspørgeskema på skærmen ved at starte det ved at trykke på Kør på forsøgscomputeren og lade deltageren svare via svarknapper.

9. Præsentation af et paradigme med en kognitiv opgave

  1. Hvis det er relevant, præsenter et paradigme med en kognitiv opgave på skærmen ved at starte det ved at trykke på Kør på den eksperimentelle computer og lade deltageren svare via svarknapper. Vurder magnetometerets orientering i løbet af denne tid.
    BEMÆRK: Nu kan forskellige opgaver implementeres for deltageren at udføre. Lad deltageren tage brillernes dækning af og på for at skifte mellem eye-tracking og skærmbaserede paradigmer.

10. Flytning af deltageren ud af scanneren

  1. Lad deltageren tage betrækket af beskyttelsesbrillerne på.
  2. Gentag trin 8-9 (undtagen trin 8.5., som er "flyt deltageren ud af boringen")

11. Skift hovedposition

  1. Skift hovedpositionen til den position, der endnu ikke er vurderet, ved hjælp af de passende puder (enten liggende eller vippede), og gentag trin 8.2-11.
    BEMÆRK: Hvis en passende MR-seng er tilgængelig, kan en interessant variation være at flytte deltagerne ind i boringen med fødderne først, da omvendt indgang i boringen vender feltretningen i forhold til det indre øre.

12. Vurdering af orienteringen af de vestibulære organer

  1. Fjern spejlet og beskyttelsesbrillerne uden at forskyde magnetometeret.
  2. Installer hovedspolen.
  3. Fjern magnetometerets sonde, og erstat sonden med en pipette fyldt med vand uden at forskyde magnetometerets dæksel (se figur 3D).
  4. Placer deltagerens hoved inde i hovedspolen uden at forskyde magnetometeret.
  5. Flyt deltageren ind i scanneren.
  6. Anskaf en 3D-CISS sekvens til strukturel billeddannelse i det indre øre.
    BEMÆRK: I denne undersøgelse blev følgende parametre anvendt: en skivetykkelse på 0,4 mm; et synsfelt på 179 mm × 179 mm en vendevinkel på 60°; en gentagelsestid (TR) på 8,29 ms; og en ekkotid (TE) på 3,81 ms. Erhvervelsestiden for denne 3D-CISS var 10 min 53 s. Forskellige sekvenser er blevet anvendt i andre undersøgelser 23,30.
  7. Flyt deltageren ud af MR-scanneren.

13. Afslutning af undersøgelsen

  1. Fjern pipetten, hætten, hovedbøjlen og ørepropperne, og forlad scannerrummet sammen med deltageren.
  2. Hvis det er relevant, lad deltageren udfylde et spørgeskema (f.eks. Selvbevægelsesopfattelse, oplevede forskelle mellem forhold, andre oplevelser).
  3. Debriefe deltageren om de undersøgte forskningsspørgsmål (f.eks. måling af effekter af MVS på nystagmus, selvbevægelsesopfattelse og kognitive opgaver ved at manipulere hovedposition i forhold til magnetfeltet).

Representative Results

Øjensporingsdataene viser de registrerede vandrette og lodrette øjenbevægelser (se figur 4). Sporing af torsionsøjenbevægelser (ikke vist) kræver specifik software 9,25 og/eller avanceret efterbehandling. Kalibreringsregistreringer bruges til at transformere enheder fra pixels til grader. Dataene er af god kvalitet, hvis der opnås en stabil sporing (med ca. 100 Hz), og de udtrukne data viser kun mindre sporingsartefakter (se figur 4 for et eksempel på mindre artefakter, hovedsagelig på grund af blinkende). Spontan nystagmus uden for MR-scanneren bør vurderes før forsøget for at udelukke nystagmus på grund af andre årsager end magnetfeltet.

Figure 4
Figur 4: Eye-tracking data. Vandrette og lodrette øjenpositioner under kalibrering og bevægelse ind og ud af MR-scanneren i liggende hovedposition. Data viser den vandrette nystagmus, som vender mellem at bevæge sig ind og ud af boringen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Magnetometerdataene viser magnetometersondens position i forhold til Z-aksen for magnetfeltet inde i boringen (figur 5). Ideelt set ser de sporede data glatte ud og viser ingen ændringer i feltstyrker i hver rotationsakse efter at have nået indersiden af boringen. Således kan deltagernes betydelige hovedbevægelser let detekteres.

Figure 5
Figur 5: Magnetometerdata. Data fra 3D-magnetometeret, der bevæger sig ind i boringen, viser en maksimal feltstyrke på næsten 7 T efter ca. 27 s. Ingen bevægelsesartefakter er synlige, hvilket indikerer, at deltageren ikke foretog hovedbevægelser, mens han kom ind i boringen. Klik her for at se en større version af denne figur.

3D-CISS sekvensen blev erhvervet med en 7 T MR-scanner. Fra 3D-CISS billederne blev 3D-overflademodellerne af venstre og højre indre øre og magnetometerorienteringen ekstraheret (se figur 6). Overflademodellerne blev genereret ved hjælp af medicinsk billedbehandling og visualiseringssoftware. Dette gør det muligt at ekstrahere orienteringen af de halvcirkelformede kanaler i forhold til magnetometerorienteringen og magnetfeltets Z-akse under eksperimentet (se figur 7).

Figure 6
Figur 6: 3D-overflademodeller udtrukket fra 3D CISS-billedet. A) Vandpipette ved tidligere magnetometerposition (B) højre (rød) og (C) venstre (blå) indre ørestruktur (oprindelige positioner og proportioner). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Orientering af de halvcirkelformede kanaler som ekstraheret fra 3D-CISS billedet. For hver halvcirkelformet kanal vælges tre landemærker, og en overfladenormalvektor beregnes (vandret kanal: grøn, bageste kanal: rød, overlegen kanal: blå). Denne vektor bringes i relation til orienteringen af vandpipetten (sort) som en proxy for magnetometersondens orientering og med magnetfeltets Z-akse (ikke afbildet her). Enheder i millimeter (mm) (absolutte koordinater for MR-billedet). Klik her for at se en større version af denne figur.

Kanalernes og magnetometerets orientering i forhold til MR-scannerens Z-akse fra 3D-CISS-billederne kan kombineres med magnetometerets orientering under de to kørsler uden billeddannelse. Dette muliggør rekonstruktion af kanalorienteringen under MVS-eksponering under forskellige hovedpositioner. Alternativt kan et billede af hver deltager og det vedhæftede magnetometer tages uden for magnetfeltet. Derefter kunne de eksterne ansigtsstrukturer rekonstrueres for at kortlægge magnetometerorienteringsmålingerne med indre ørestrukturer og magnetfeltets retning. Data om selvbevægelsesopfattelser og kognitive opgaver (ikke beskrevet her) kan analyseres sammen med ovenstående data. Således kan kanalposition, øjensporingsdata (vandret, lodret og torsionsnystagmus) samt rapporterede selvbevægelsesopfattelser og adfærdsmæssige resultater knyttes til at besvare eksperimentets specifikke forskningsspørgsmål.

Discussion

Den rapporterede opsætning er velegnet til at undersøge forskellige aspekter af MVS-effekter på nystagmus, selvbevægelsesopfattelse og ydeevne i kognitive opgaver. Ved at kombinere målingerne af det fremkaldte MVS-svar kan det give indsigt i, hvordan hjernen behandler modstridende vestibulær information og vise, hvordan vestibulær information påvirker perceptuelle og kognitive processer på inter- og intra-individuelt niveau. I modsætning til andre vestibulære stimuleringsmetoder, såsom rotationsstole, fremkalder MVS en konstant accelerationsstimulus, hvilket gør den velegnet til længerevarende adfærdsstudier og anvendelse som en ikke-invasiv model for ensidig fiasko 8,28. Derfor kunne denne tilgang give indsigt i samspillet mellem vestibulær information og kognitive processer med hensyn til rumlig kognition og fremkomsten af selvbevægelsesopfattelser under modstridende sensorisk information. I fremtiden kan brugen af MVS udnyttes i klinisk forskning, for eksempel til at undersøge akut stadium tidlig kompensation for vestibulær ubalance under eksponering for MVS. Disse fund kunne derefter forbindes med kompensationsmekanismer efter vestibulære læsioner. Sammenligningen af deltagere med normale og dysfunktionelle vestibulære organer kunne fremme viden om tilpasningsprocesser hos vestibulære patienter til den ændrede indgående vestibulære information.

Den beskrevne procedure omfatter kritiske trin for sikker og nøjagtig dataindsamling i en 7 T MR-scanner. For det første udgør MR-miljøet flere vanskeligheder. Den eksperimentelle opsætning skal være MR-sikker, hvilket kan kræve ændringer i øjensporingsbrillerne eller kabelforbindelserne sammenlignet med en ikke-MR-opsætning. Dette kan føre til kompromiser i datakvaliteten. Deltagerne skal også opfylde MR-inklusionskriterierne og skal tolerere ulejligheden ved processen (f.eks. vippe hovedet, mens de ligger i MR-scanneren i flere minutter). For det andet er øjensporing i scanneren, især erhvervelsen af torsionsnystagmus, vanskelig og kræver specialiseret software25. Til torsion bruges irismønsteret til sporing, hvilket kræver billeder af høj kvalitet og påvirkes også af forskelle i individuelle irismønstre. En anden tilgang kunne være at bruge kunstige pigmentmarkører på sclera3, hvilket kan være ubehageligt for deltageren. For det tredje er opfattelser af selvbevægelse på grund af MVS ikke-veridiske og indebærer således intravestibulære såvel som multisensoriske konflikter28. Derfor er verbaliseringen af disse hoved- og/eller kropsrotations- og oversættelsesoplevelser ofte vanskelige at beskrive for deltagerne. Klare instruktioner, der er tilpasset forskningsspørgsmålet, er af afgørende betydning. Vi anbefaler at bruge velkendte rotations- og oversættelsestermer, som deltagerne kan forholde sig til, så de bedre kan beskrive deres perceptuelle oplevelse. Til vurdering af specifikke bevægelsesparametre kan mere finkornede metoder anvendes, såsom vurderinger af rotationshastighed over tid7.

Den præsenterede opsætning er begrænset af de tekniske begrænsninger i vores udstyr og kunne forbedres, hvis disse kunne overvindes. For eksempel for at vurdere ikke kun statisk, men også dynamisk hovedposition inde i boringen, kunne magnetometerdataene også synkroniseres med øjensporing og adfærdsdata. Kalibreringen af beskyttelsesbrillerne ville være bedre, hvis den blev gentaget før hvert løb. Også længden af eye-tracking-kablet er vigtig, da dette definerer, om spontan nystagmus kan måles uden for scannerrummet. Den bedste løsning ville være en aftagelig MR-seng, som kan flyttes uden for magnetfeltet. Eye-tracking-computerskærmen skal dog ses inde fra scannerrummet for at muliggøre kalibrering og finjustering af eye-tracking-parametrene, samtidig med at der er adgang til beskyttelsesbrillerne. I vores tilfælde løste vi det via en anden skærm roteret mod scannerrumvinduet.

MVS kan påvirke ydeevne og hjernerespons i fMRI-studier. I undersøgelser, der sammenlignede vestibulære patienter med raske kontroller, kunne MVS føre til gruppeforskelle på grund af en forskel i stimuleringsstyrke i stedet for andre patientkarakteristika. Med henblik på at kontrollere forvirrende MVS-effekter er den nuværende opsætning en tidskrævende proces både tidsmæssigt og økonomisk (udstyr). Alternativt kan det være nyttigt at vippe hovedet opad i små vinkler7,23 (i det omfang hovedspolen tillader det) eller vurdere kovariater, såsom orienteringen af de vestibulære organer med MR som beskrevet ovenfor23,30 og / eller nystagmus (f.eks. Nylige fMRI-baserede eye-tracking-tilgange 32).

Disclosures

Ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Vi takker deltagerne og MR-teamet samt korrekturlæserne, hvis værdifulde kommentarer forbedrede manuskriptets kvalitet. Vi takker D. S. Zee for hans værdifulde råd. Vi er taknemmelige for, at DIATEC AG leverede en eye-tracking bærbar computer til eksperimentet. Projektet er støttet af et SITEM-Insel-støttetilskud fra universitetet i Bern tildelt FWM og GM.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Magnetometer Metrolab Technology, Switzerland THM1176-HF Calibrated for 7 Tesla, with fibre optic cable, CE-labelled 
AMIRA 6.3 (Software) Thermo Fisher Scientific, USA Medical image processing and visualization software
Celeritas Fiber Optic Response Box Unit Psychology Software Tools Response box
Celeritas Fiber Optic Response Unit Psychology Software Tools PST-100761 Response buttons, 5 buttons for each hand
Ear plugs
EEG cap Any MRI safe EEG cap is suitable
Elastic band Used to fixate the Magnetometer behind the ear
Ethernet cable (crossover) Daetwyler Uninet 5502 flex 4P FRNC/LSOH 522830.01
Ethernet cable adapter TP-Link UE305
Experimental laptop Computer with enough performance, with Response Buttons software (e.g. Celeritas), software for running paradigm (e.g. MATLAB, PsychToolBox), Ethernet cable link to eye-tracking computer
Eye-tracking Goggles (Visual Eyes) Interacoustics 515b Micromedical goggles with infrared camera: Point Grey Firefly, CE-labelled, modified for 7 Tesla, shielded firewire cable
Eye-tracking laptop Computer with enough performance, with eye-tracking software (e.g. OpenIris), Ethernet cable link to experimental computer
Headband MRI safe headband
Magnetom Terra 7T MRI Scanner Siemens Healthcare, Erlangen Germany Located at Translational Imaging Center (TIC) in the Swiss Institute of Translational and Entrepreneurial Medicine (sitem-insel AG) in Bern, Switzerland
Magnetometer laptop Computer with enough performance, with magnetometer software (e.g. EZMag3D)
MATLAB R2017b (Software) MathWorks Experimental paradigm can be run e.g. with PsychToolBox (Brainard, D. H., & Vision, S. (1997). The psychophysics toolbox. Spatial vision, 10(4), 433-436.)
Metrolab EZMag3D v1.1.2 (Software) Metrolab Technology, Switzerland 3D magnetometer software: https://www.metrolab.com/resources/downloads/
MRI-Mirror Siemens Healthcare, Erlangen Germany
OpenIris (Software) Software to record and analyse the eye movements within the MRI-scanner. Reference: Otero-Millan, J., Roberts, D.C., Lasker, A., Zee, D.S., Kheradmand, A. Knowing what the brain is seeing in three dimensions: A novel, noninvasive, sensitive, accurate, and low-noise technique for measuring ocular torsion. Journal of Vision. 15 (14), 11, doi: 10.1167/15.14.11 (2015).
Pregnancy test e.g. early pregnancy test stripes (10 mIU/mL)
Projector system Hyperion Psychology Tools
Triangle Cushion Siemens Healthcare, Erlangen Germany

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Roberts, D. C., et al. MRI magnetic field stimulates rotational sensors of the brain. Current Biology. 21 (19), 1635-1640 (2011).
  2. Ward, B. K., Roberts, D. C., Della Santina, C. C., Carey, J. P., Zee, D. S. Vestibular stimulation by magnetic fields. Annals of the New York Academy of Sciences. 1343 (1), 69-79 (2015).
  3. Boegle, R., Stephan, T., Ertl, M., Glasauer, S., Dieterich, M. Magnetic vestibular stimulation modulates default mode network fluctuations. NeuroImage. 127, 409-421 (2016).
  4. Goldberg, J. M., et al. The Vestibular System: A Sixth Sense. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2012).
  5. Antunes, A., Glover, P. M., Li, Y., Mian, O. S., Day, B. L. Magnetic field effects on the vestibular system: Calculation of the pressure on the cupula due to ionic current-induced Lorentz force. Physics in Medicine and Biology. 57 (14), 4477-4487 (2012).
  6. Glover, P. M., Li, Y., Antunes, A., Mian, O. S., Day, B. L. A dynamic model of the eye nystagmus response to high magnetic fields. Physics in Medicine and Biology. 59 (3), 631-645 (2014).
  7. Mian, O. S., Li, Y., Antunes, A., Glover, P. M., Day, B. L. On the vertigo due to static magnetic fields. PloS One. 8 (10), 78748 (2013).
  8. Jareonsettasin, P., et al. Multiple time courses of vestibular set-point adaptation revealed by sustained magnetic field stimulation of the labyrinth. Current Biology. 26 (10), 1359-1366 (2016).
  9. Otero-Millan, J., Zee, D. S., Schubert, M. C., Roberts, D. C., Ward, B. K. Three-dimensional eye movement recordings during magnetic vestibular stimulation. Journal of Neurology. 264, Suppl 1 7-12 (2017).
  10. Ward, B. K., Roberts, D. C., Della Santina, C. C., Carey, J. P., Zee, D. S. Magnetic vestibular stimulation in subjects with unilateral labyrinthine disorders. Frontiers in Neurology. 5, 28 (2014).
  11. Grabherr, L., et al. Mental own-body and body-part transformations in microgravity. Journal of Vestibular Research: Equilibrium and Orientation. 17 (5-6), 279-287 (2007).
  12. van Elk, M., Blanke, O. Imagined own-body transformations during passive self-motion. Psychological Research. 78 (1), 18-27 (2014).
  13. Klaus, M. P., et al. Vestibular stimulation modulates neural correlates of own-body mental imagery. Journal of Cognitive Neuroscience. 32 (3), 484-496 (2020).
  14. Heinrich, A., et al. Cognition and sensation in very high static magnetic fields: A randomized case-crossover study with different field strengths. Radiology. 266 (1), 236-245 (2013).
  15. Van Nierop, L. E., Van Slottje, Z., Kromhout, V. Effects of MRI related magnetic fields on cognitive performance. Occupational and Environmental Medicine. 70, 83 (2013).
  16. Martínez-Gallardo, S., Miguel-Puga, J. A., Cooper-Bribiesca, D., Bronstein, A. M., Jáuregui-Renaud, K. Derealization and motion-perception related to repeated exposure to 3T magnetic resonance image scanner in healthy adults. Journal of Vestibular Research. 31 (2), 69-80 (2021).
  17. Chakeres, D. W., Bornstein, R., Kangarlu, A. Randomized comparison of cognitive function in humans at 0 and 8 Tesla. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 18 (3), 342-345 (2003).
  18. De Vocht, F., et al. Cognitive effects of head-movements in stray fields generated by a 7 Tesla whole-body MRI magnet. Bioelectromagnetics. 28 (4), 247-255 (2007).
  19. Heinrich, A., et al. Effects of static magnetic fields on cognition, vital signs, and sensory perception: A meta-analysis. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 34 (4), 758-763 (2011).
  20. Van Nierop, L. E., Slottje, P., Van Zandvoort, M. J. E., De Vocht, F., Kromhout, H. Effects of magnetic stray fields from a 7 Tesla MRI scanner on neurocognition: A double-blind randomised crossover study. Occupational and Environmental Medicine. 69 (10), 759-766 (2012).
  21. Lindner, A., Wiesen, D., Karnath, H. -O. Lying in a 3T MRI scanner induces neglect-like spatial attention bias. eLife. 10, 71076 (2021).
  22. Boegle, R., Ertl, M., Stephan, T., Dieterich, M. Magnetic vestibular stimulation influences resting-state fluctuations and induces visual-vestibular biases. Journal of Neurology. 264 (5), 999-1001 (2017).
  23. Boegle, R., Kirsch, V., Gerb, J., Dieterich, M. Modulatory effects of magnetic vestibular stimulation on resting-state networks can be explained by subject-specific orientation of inner-ear anatomy in the MR static magnetic field. Journal of Neurology. 267, 91-103 (2020).
  24. Mian, O. S., Li, Y., Antunes, A., Glover, P. M., Day, B. L. Effect of head pitch and roll orientations on magnetically induced vertigo. Journal of Physiology. 594 (4), 1051-1067 (2016).
  25. Otero-Millan, J., Roberts, D. C., Lasker, A., Zee, D. S., Kheradmand, A. Knowing what the brain is seeing in three dimensions: A novel, noninvasive, sensitive, accurate, and low-noise technique for measuring ocular torsion. Journal of Vision. 15 (14), 11 (2015).
  26. Wyssen, G. Measuring the influence of magnetic vestibular stimulation on reflexive eye-movements, self-motion perception, and cognitive performance in a 7T MRT. OSF. , (2022).
  27. Ward, B. K., et al. Magnetic vestibular stimulation (MVS) as a technique for understanding the normal and diseased labyrinth. Frontiers in Neurology. 8, 122 (2017).
  28. Ertl, M., Boegle, R. Investigating the vestibular system using modern imaging techniques-A review on the available stimulation and imaging methods. Journal of Neuroscience Methods. 326, 108363 (2019).
  29. Jacobson, G. P., Newman, C. W. The development of the dizziness handicap inventory. Archives of Otolaryngology - Head and Neck Surgery. 116 (4), 424-427 (1990).
  30. Go, C. C., et al. Persistent horizontal and vertical, MR-induced nystagmus in resting state Human Connectome Project data. NeuroImage. 255, 119170 (2022).
  31. Dmitry, L., et al. Raw data repository for the article "Spatially resolved fluorescence of caesium lead halide perovskite supercrystals reveals quasi-atomic behavior of nanocrystals" [Data set]. Zenodo. , (2022).
  32. Son, J., et al. Evaluating fMRI-based estimation of eye gaze during naturalistic viewing. Cerebral Cortex. 30 (3), 1171-1184 (2020).

Tags

Neurovidenskab udgave 193
Måling af indflydelsen af magnetisk vestibulær stimulering på nystagmus, selvbevægelsesopfattelse og kognitiv ydeevne i en 7T MRT
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wyssen, G., Morrison, M., Korda, A., … More

Wyssen, G., Morrison, M., Korda, A., Wimmer, W., Otero-Millan, J., Ertl, M., Szukics, A. A., Wyss, T., Wagner, F., Caversaccio, M. D., Mantokoudis, G., Mast, F. W. Measuring the Influence of Magnetic Vestibular Stimulation on Nystagmus, Self-Motion Perception, and Cognitive Performance in a 7T MRT. J. Vis. Exp. (193), e64022, doi:10.3791/64022 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter