Summary
In dit artikel beschrijven we de experimentele opstelling, het materiaal en de procedures om reflexieve oogbewegingen, zelfbewegingsperceptie en cognitieve taken onder magnetische vestibulaire stimulatie te beoordelen, evenals de anatomische oriëntatie van de vestibulaire organen, in een 7 Tesla magnetische resonantietomografie (7T-MRT) scanner.
Abstract
Sterke magnetische velden veroorzaken duizeligheid, duizeligheid en nystagmus als gevolg van Lorentzkrachten die inwerken op de cupula in de halfronde kanalen, een effect dat magnetische vestibulaire stimulatie (MVS) wordt genoemd. In dit artikel presenteren we een experimentele opstelling in een 7T MRT-scanner (MRI-scanner) die het mogelijk maakt om de invloed van sterke magnetische velden op nystagmus en perceptuele en cognitieve reacties te onderzoeken. De kracht van MVS wordt gemanipuleerd door de hoofdposities van de deelnemers te veranderen. De oriëntatie van de halfronde kanalen van de deelnemers ten opzichte van het statische magnetische veld wordt beoordeeld door een 3D-magnetometer en 3D-constructieve interferentie in steady-state (3D-CISS) beelden te combineren. Deze aanpak maakt het mogelijk om rekening te houden met intra- en interindividuele verschillen in de reacties van deelnemers op MVS. In de toekomst kan MVS nuttig zijn voor klinisch onderzoek, bijvoorbeeld bij het onderzoek naar compenserende processen bij vestibulaire stoornissen. Bovendien zou het inzicht kunnen bevorderen in de wisselwerking tussen vestibulaire informatie en cognitieve processen in termen van ruimtelijke cognitie en het ontstaan van zelfbewegingspercepties onder conflicterende sensorische informatie. In fMRI-studies kan MVS een mogelijk verstorend effect veroorzaken, vooral in taken die worden beïnvloed door vestibulaire informatie of in studies waarin vestibulaire patiënten worden vergeleken met gezonde controles.
Introduction
Van sterke magnetische velden, d.w.z. boven 1 T, is bekend dat ze duizeligheid, duizeligheid en nystagmus veroorzaken, een effect dat magnetische vestibulaire stimulatie (MVS) wordt genoemd1,2,3. Het vestibulaire systeem bevindt zich in het binnenoor en meet versnelling rond rotatieassen (gier, toonhoogte en rol) met drie halfronde kanalen en versnelling langs translatieassen (naso-occipitaal, inter-auditief en hoofdverticaal) met twee macula-organen, de utricle en saccule4 (zie figuur 1A). Het ontstaan van het MVS-effect kan worden verklaard door een door ionische stroom geïnduceerde Lorentzkracht die inwerkt op de cupula van de halfronde kanalen van het vestibulaire systeem 1,2.
Het effect van MVS neemt toe bij hogere veldsterktes 3,5. De stimulatie wordt veroorzaakt door twee verschillende componenten. Ten eerste resulteert het verplaatsen van de deelnemer in de boring door het B0-veld van de MRI-scanner in een dynamisch magnetisch veld dat Lorentz-krachten opwekt die op de cupula werken. Ten tweede veroorzaakt het statische magnetische veld van de MRI-scanner waarin de deelnemers tijdens de experimenten zonder beweging liggen ook een constante Lorentzkracht. Zo wordt in alle experimenten met MRI-scanners het vestibulaire systeem van de deelnemer voortdurend gestimuleerd door het statische magnetische veld. Dit omvat alle fMRI-onderzoeken, vooral die in ultrahoge magnetische velden (> 3 T).
Nystagmus wordt opgewekt door te worden bewogen of te bewegen, maar ook door statisch te rusten in een sterk magnetisch veld. De bewegingsgerelateerde krachten veroorzaken sterke nystagmus, die na een paar minuten vervalt6. De nystagmus die onder statische magnetische velden wordt opgewekt, is zwakker en neemt geleidelijk af in de loop van de tijd, maar verdwijnt niet volledig tijdens blootstelling. De richting van de nystagmus hangt af van de polariteit van het magnetisch veld en keert om bij terugtrekking uit het magnetisch veld 6,7,8. MVS werkt voornamelijk op de horizontale en superieure kanalen, wat resulteert in reflexieve oogbewegingen, d.w.z. meestal horizontale en torsie-nystagmus en, in mindere mate, verticale nystagmus9. Bij bilaterale vestibulaire patiënten kan geen nystagmus worden waargenomen1 en bij unilaterale vestibulaire patiënten zijn meer uitgesproken verticale nystagmuscomponenten aanwezig10. Omdat de nystagmus onvrijwillig is, is het een zeer geschikte maat voor de sterkte van de vestibulaire stimulatie. Nystagmus kan worden onderdrukt door visuele fixatie; daarom moeten oogbewegingen in volledige duisternis worden beoordeeld.
Niet-veridische zelfbewegingsperceptie, duizeligheid en duizeligheid worden vaak beschreven door deelnemers terwijl ze in of uit de boring worden verplaatst, vooral in veldsterkten boven 3 T. De waarnemingen van zelfbeweging zijn meestal beschreven als rotaties in rol en, in mindere mate, in gier- en toonhoogtevlak7 (zie figuur 1A). Terwijl nystagmus aanhoudt gedurende de duur van de blootstelling, verdwijnt zelfbewegingsperceptie meestal na 1-3 min7. Het constante deel van de MVS is op zich een interessante stimulatie omdat het langdurige vestibulaire input mogelijk maakt die niet gepaard gaat met bewuste zelfbewegingsperceptie.
Uit studies met behulp van calorische of galvanische vestibulaire stimulatie, passieve beweging of microzwaartekracht, is het bekend dat vestibulaire informatie de prestaties in ruimtelijke taken 11,12 en de neurale correlaten13 kan beïnvloeden. Van bewegen of bewegen in sterke magnetische velden is gemeld dat het de cognitieve prestaties beïnvloedt14,15. Een studie wees uit dat MVS mogelijk kan leiden tot symptomen van derealisatie als gevolg van niet-veridische zelfbewegingsperceptie16. Studies die de invloed van statisch rusten in magnetische velden onderzoeken, hebben echter geen sluitende resultaten laten zien met betrekking tot neuropsychologische taken, behalve een gerepliceerde verslechtering van de visuele nauwkeurigheid17,18,19,20. Onlangs is het eerste bewijs gevonden dat MVS de ruimtelijke aandacht kan veranderen door een verwaarlozingsachtige bias te induceren21. Dit roept de vraag op of MVS de prestaties kan beïnvloeden bij gedragstaken die hogere cognitieve functies meten. Het is bijvoorbeeld onduidelijk in hoeverre MVS het ruimtelijk redeneren beïnvloedt, d.w.z. het vermogen om objecten en rotaties van het eigen lichaam te mentaliseren.
Neuroimaging-studies die rusttoestandactiviteit analyseren, hebben aangetoond dat MVS veranderingen in standaardmodusnetwerken 3,22 kan induceren, wat kan worden verklaard door onderwerpspecifieke anatomische oriëntatie van de vestibulaire organen ten opzichte van de magnetische veldrichting 23. Met betrekking tot fMRI-experimenten moeten de effecten van MVS zorgvuldig worden overwogen in het ontwerp van het onderzoek. Bovendien kan MVS interfereren met galvanische of vestibulaire stimulatie die wordt gebruikt in fMRI-experimenten. Het zou kunnen fungeren als een confounder in neuroimaging-studies die deelnemers vergelijken met intacte en disfunctionele vestibulaire systemen, omdat de effecten van MVS afwezig zijn bij bilaterale vestibulaire patiënten1.
Om de effecten van MVS te beoordelen en verschillende sterke punten van MVS bij deelnemers te vergelijken, beschrijven we hier een experimentele en technische opstelling om nystagmus, zelfbewegingsperceptie, cognitieve prestaties en de anatomische positie van de kanalen in een 7 T MRI-scanner te meten (zie figuur 2). De beschreven opstelling kan worden aangepast en gebruikt voor experimenten om specifiek vestibulaire en hogere cognitieve functies onder MVS te onderzoeken of om de mogelijke verstorende effecten van MVS in fMRI-studies te beoordelen en te controleren.
Interessant is dat de sterkte van MVS kan worden gemoduleerd door de hoofdpositie te veranderen en daarom de oriëntatie van de vestibulaire eindorganen ten opzichte van de richting van het magnetisch veld te veranderen. Het effect van MVS kan bij de meeste deelnemers worden verminderd door het hoofd naar voren te kantelen naar het lichaam (kin naar borst)1,24. Het veranderen van de hoofdpositie in de pitch-as maakt het dus mogelijk om meetbare MVS-effecten onder verschillende stimulatiesterktes te vergelijken.
In deze procedure werd de sterkte van MVS bij de deelnemers gemanipuleerd door metingen tussen twee hoofdposities te vergelijken (zie figuur 1B). In de toestand die een sterkere MVS zou moeten uitlokken, lag de deelnemer liggend in de scanner met een ongeveer aardverticaal oriëntatie van Reid's vlak (rugligging). In de toestand die zwakkere MVS zou moeten uitlokken, werd het hoofd van de deelnemer ongeveer 30° in toonhoogte naar voren gekanteld (gekantelde positie). Het is theoretisch mogelijk om de rugligging te vergelijken met een nulpositie waar geen nystagmus aanwezig is1. De vereiste pitch-kanteling voor de nulpositie is echter voor elke deelnemer anders en tijdrovend om te bepalen, omdat dit verschillende gevallen van herpositionering vereist en de deelnemer in en uit de scanner beweegt om de positie te testen. Dit is mogelijk niet haalbaar voor de meeste onderzoeksontwerpen. De twee hoofdposities, liggend en gekanteld, maken het mogelijk om verschillende metingen te vergelijken, bijvoorbeeld zelfbewegingsperceptie of prestaties in taken tussen en binnen deelnemers.
Figuur 1: Assen en vlakken van hoofdpositie in het magnetisch veld . (A) Hoofd-verticale (HV), inter-auditieve (IA) en naso-occipitale (NO) as van het hoofd. De richting van het magnetisch veld (B0) komt overeen met de kop-verticale as (HV) wanneer deelnemers in rugligging in de boring liggen31. (B) De twee hoofdposities tijdens het experiment, waarbij de liggende positie (rechtop liggend) bekend is om bij de meeste deelnemers een sterkere MVS op te wekken dan de gekantelde positie (hoofd omhoog gekanteld in het pitchvlak op ongeveer 30 °). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Om te bepalen hoe de vestibulaire organen werden georiënteerd tijdens de experimentele runs zonder beeldvorming, bevestigden we een 3D-magnetometer aan de hoofden van de deelnemers en maten we de oriëntatie van de sonde ten opzichte van de Z-as van het magnetisch veld (figuur 3B). De oriëntatie van de vestibulaire organen in het magnetisch veld werd beoordeeld met een anatomische 3D-CISS-sequentie met hoge resolutie. Tijdens de beeldacquisitie werd de magnetometer vervangen door een waterpipet (figuur 3D). Dit maakte het mogelijk om de oriëntatie van de magnetometer ten opzichte van de richting van de Z-as van het magnetisch veld te extraheren en uit te lijnen met de binnenoorstructuren. We kunnen dan conclusies trekken over de oriëntatie van de vestibulaire organen gedurende de duur van het experiment.
Nystagmus werd gevolgd met een MRI-geschikte bril (figuur 3C). MVS lokt niet alleen horizontale en soms verticale maar ook torsie-nystagmus uit; Daarom wordt aanbevolen om software te gebruiken die ook het volgen van torsie-oogbewegingen 9,25 mogelijk maakt.
Zelfbewegingswaarnemingen kunnen worden beoordeeld tijdens waarneming7 (tijdens het in- en uitstappen van de boring) en nadat de zelfbewegingswaarnemingen zijn verdwenen, bijvoorbeeld met vragenlijsten. Het is belangrijk om de deelnemers goed te instrueren, omdat het verbaal melden van niet-veridische zelfbeweging vaak moeilijk is voor deelnemers. We geven in het protocol aan waar de zelfbewegingsperceptie en cognitieve prestaties gemeten zouden kunnen worden, maar specificeren niet de taken of vragenlijsten, omdat deze sterk afhankelijk zijn van de onderzoeksvraag. We geven echter voorbeeldvragenlijsten en paradigma's26.
Figuur 2: Technische opzet van het experiment. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Samenvattend kan MVS worden gebruikt om de invloed van vestibulaire stimulatie op nystagmus, perceptie en cognitieve processen te onderzoeken, evenals om gewenningsprocessen te bestuderen bij patiënten met vestibulaire disfunctie. Het effect van het statische magnetische veld op de cupula blijft constant gedurende de blootstelling aan het magnetisch veld. Omdat dit een constante rotatieversnelling simuleert, is MVS een interessante en geschikte methode om de vestibulaire functie en de invloed ervan op perceptie en cognitie te onderzoeken27,28. Het kan worden gebruikt om specifiek onderzoeksvragen te beantwoorden met betrekking tot de invloed van vestibulaire informatie op hogere cognitieve functies, zoals ruimtelijk redeneren. Het dient als een geschikt niet-invasief model voor eenzijdig falen van het vestibulaire systeem, dat de studie mogelijk maakt van compenserende processen die zich kunnen voordoen bij vestibulaire patiënten28. Bovendien is het belangrijk om rekening te houden met de verstorende effecten van MVS in fMRI-studies, omdat gedrags- en neurale correlaten kunnen worden veranderd door vestibulaire stimulatie en ook interfereren bij het onderzoeken van vestibulaire patiënten in een sterk statisch magnetisch veld.
Protocol
De volgende stappen maakten deel uit van een studie die in overeenstemming was met de Verklaring van Helsinki en werd goedgekeurd door de ethische commissie van het kanton Bern, Zwitserland (2019-02468). Alle deelnemers gaven hun schriftelijke geïnformeerde toestemming voorafgaand aan deelname aan het onderzoek.
OPMERKING: Het wordt aanbevolen om de vestibulaire functie van de deelnemers vóór het MVS-experiment te beoordelen met standaard vestibulaire diagnostische tests zoals vragenlijsten (bijv. Duizeligheidshandicapinventaris29), bitothermale calorische tests, roterende pendulaire tests, hoofdimpulstests (HIT), subjectieve visuele verticale (SVV), vestibulaire geëvoceerde myogene potentialen (c-VEMP), oculaire vestibulaire myogene potentialen (o-VEMP), dynamische gezichtsscherpte (DVA) en / of dynamische posturografie.
1. Voorbereiding van de experimentele opstelling in de scannerruimte (figuur 2)
LET OP: Alle materialen die in de scannerruimte worden gebracht, moeten MRI-veilig zijn.
- Verbind de experimentele computer en de eye-tracking computer met een crossover ethernetkabel om de synchronisatie van gegevensverzameling mogelijk te maken.
- Verbind de door de deelnemer bediende antwoordknoppen met de experimentele computer via de antwoordbox.
- Schakel de projector in die is aangesloten op de experimentele computer.
- Sluit het magnetometerapparaat aan op de magnetometercomputer door het aan te sluiten op de USB-connector.
OPMERKING: De 3D-magnetometer moet geschikt en gekalibreerd zijn voor een ultrahoge veldsterkte. In de software die in dit onderzoek is gebruikt, zijn de volgende instellingen gekozen: Units = Tesla, Range = 20,00, Acquisition rate = 100,00 Hz. - Sluit de eye-tracking bril aan op de eye-tracking computer met een afgeschermde firewire-kabel.
OPMERKING: Tenzij de kabel lang genoeg is, moet het eye-tracking computerscherm vanuit de scannerruimte worden gezien om aanpassingen van de eye-tracking bril mogelijk te maken. Gebruik indien nodig een extern scherm voor het raam tussen de MRI-kamer en de controlekamer. - Open de eye-tracking software 9,25.
2. Voorbereiding van de deelnemer op het betreden van de MRI-scanner
LET OP: De volgende stappen zijn van cruciaal belang voor de veiligheid van deelnemers en personeel.
- Laat de deelnemer de geïnformeerde toestemming lezen en ondertekenen.
- Controleer of de deelnemer niet voldoet aan de MRI-uitsluitingscriteria. Zorg voor MRI-veilige kleding, verwijder metalen voorwerpen (bijv. piercings) en zorg voor een zwangerschapstest (indien van toepassing).
OPMERKING: Voor mr-veiligheidscriteria, zie https://mr-gufi.de/index.php/dokumente. De criteria verschillen per onderzoekslocatie. - Verwijder contactlenzen, oogschaduw en mascara grondig (voor betere eye-tracking).
3. De deelnemer informeren over experimentele procedures en taken
- Leg de experimentele procedure uit en geef instructies over de taken. Laat de deelnemer oefenproeven voltooien (indien van toepassing).
- Als zelfbewegingsperceptie wordt beoordeeld, informeer de deelnemer dan over specifieke translatie- en rotatieassen (zie figuur 1A). Gebruik memorabele termen voor de specifieke bewegingen, bijvoorbeeld "barbecuerotatie" voor rotaties in gier (rond de verticale hoofdas) in rugligging26.
4. Voorbereiding van eye-tracker en magnetometer metingen
- Plaats een elastische hoofdband en EEG-dop op het hoofd van de deelnemer (bijvoorbeeld een MRI-veilige EEG-dop zonder elektroden) (zie figuur 3A).
- Bevestig de magnetometer achter één oor (moet zich binnen het bereik van de 3D-CISS-sequentiebeelden bevinden) door deze onder de elastische hoofdband en de EEG-dop te trekken. Bevestig het op de juiste manier met plakband (zie figuur 3B).
- Zet de eye-tracking bril op over de EEG-dop (zie figuur 3C).
- Laat de deelnemer oordopjes inbrengen.
- Pas de eye-tracking parameters aan op de bril (links / rechts centreren, omhoog / omlaag centreren, focus) en in de software (links / rechts centreren, omhoog / omlaag centreren, pupilgrootte, contrasten, irispatroon) om een goede tracking te garanderen.
Figuur 3: Voorbereiding van de deelnemer . (A) Elastische hoofdband en EEG-dop (zonder elektroden) voor het bevestigen van de magnetometer. (B) De magnetometer wordt achter één oor geplaatst. (C) Eye-tracking brillen zijn gemonteerd. (D) De magnetometersonde wordt verwijderd en vervangen door een waterpipet voor beeldvorming. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
5. Het opnemen van het eye-tracking kalibratiebestand
OPMERKING: Kalibratie zou het meest nauwkeurig zijn als het vóór elke run wordt uitgevoerd en in de positie waarin de deelnemer in de scanner wordt verplaatst. De hier gerapporteerde procedure is minder nauwkeurig, maar werd gekozen vanwege tijds- en technische beperkingen.
- Laat de deelnemer 1 m voor ijkprikkels zitten (meet de oogprikkelafstand met bijvoorbeeld een meetlint).
- Pas de eye-tracking parameters in de software aan (pupilgrootte, contrasten, irispatroon) voor een goede tracking.
- Druk op Record om de gegevensverzameling te starten.
- Laat de deelnemer elke stip gedurende 1 s bekijken (vijf stippen in totaal, drie op een rij, één boven het midden, één onder het midden, afstand van stippen 10 cm) met verbale instructie: links, omlaag, midden, omhoog, rechts.
- Druk op Stop om het verzamelen van gegevens te stoppen.
6. Spontane nystagmus meten voordat u de scanner binnengaat
OPMERKING: Metingen zijn het meest nauwkeurig wanneer ze buiten het magnetisch veld in rugligging plaatsvinden. Dit kan worden uitgevoerd met een afneembaar MRI-bed. Indien niet beschikbaar, zoals in de opstelling die in deze studie wordt gebruikt, moet een positie buiten de 50 mT-lijn (stippellijn op de vloer) worden gekozen. De sterkte van het magnetisch veld op de positie van de meting kan worden beoordeeld met de magnetometer (0,02 T in de hier gebruikte opstelling).
- Zet de brilhoes op en zorg ervoor dat de deelnemer geen licht kan zien. Laat de deelnemer anders zijn hoofd bedekken met zwarte stof om te voorkomen dat er licht binnenkomt.
- Pas de eye-tracking parameters in de software aan (pupilgrootte, contrasten, irispatroon) voor een goede tracking. Vertel de deelnemer om zijn ogen wijd te openen.
- Druk op Record om de gegevensverzameling te starten.
- Meet de oogbewegingen gedurende ten minste 30 s. Pas indien nodig de eye-trackingparameters aan.
- Druk op Stop om het verzamelen van gegevens te stoppen.
- Doe de hoes van de bril eraf.
7. Positionering van de deelnemer voor het experiment
- Laat de deelnemer op het scannerbed liggen.
- Pas de hoofdkantelpositie van de deelnemer aan volgens de eerste voorwaarde (liggend of omhoog gekanteld in het hellingsvlak op ongeveer 30°) met behulp van geschikte kussens.
- Plaats de spiegel boven het hoofd van de deelnemer en stel deze zo in dat het scherm zich binnen het gezichtsveld van de deelnemer bevindt.
- Geef de deelnemer de antwoordknoppen voor elke hand; Bevestig ze indien nodig met tape.
- Laat de deelnemer oefenen met het aan- en uittrekken van de hoes van de bril zodat dit in het donker in de boring kan gebeuren; De deelnemer dient dit zo lang als nodig te herhalen en af te sluiten met de hoes op de bril.
OPMERKING: Deze stap kan leiden tot de verplaatsing van de bril, wat van invloed kan zijn op metingen met betrekking tot de positie van de ogen. Voer indien mogelijk na deze stap een kalibratie uit. - Herhaal de instructies voor de eerste taak en vraag de deelnemer of de instructies worden begrepen.
- Pas de eye-tracking parameters aan op de bril of in de software (pupilgrootte, contrasten, irispatroon) voor een goede tracking.
- Pas de startpositie van het MRI-bed aan met behulp van het laserkruis van de MRI-scanner om ervoor te zorgen dat de binnenoorstructuren van de deelnemer zich tijdens het experiment in het midden van de boring bevinden.
8. De deelnemer in de scanner verplaatsen
- Start indien van toepassing het zelfbewegingsperceptieparadigma door op Uitvoeren te drukken en de deelnemers- en studie-informatie in te voeren in de experimentele software op de experimentele computer.
- Start de eye-tracking metingen (in de hier gebruikte opstelling werd dit gestart door het zelfbewegingsperceptieparadigma) door op Record te drukken in de eye-tracking software. Vertel de deelnemer om zijn ogen wijd te openen.
- Start de magnetometermetingen door op Record te drukken in de magnetometersoftware.
- Vertel de deelnemer dat de run begint.
- Begin in de scannerruimte de deelnemer in de boring te verplaatsen.
- Na 3 minuten zouden de waarnemingen van zelfbeweging bij de meeste deelnemers verdwenen moeten zijn. Vertel de deelnemers daarom om de hoes van de bril af te doen als er visuele stimuli moeten worden gepresenteerd (bijvoorbeeld een vragenlijst).
OPMERKING: Eye-tracking kan ook langer worden voortgezet met bedekte ogen. - Presenteer, indien van toepassing, een zelfbewegingsvragenlijst op het scherm door deze te starten door op Uitvoeren te drukken op de experimentele computer en de deelnemer te laten antwoorden via antwoordknoppen.
9. Een paradigma presenteren met een cognitieve taak
- Presenteer, indien van toepassing, een paradigma met een cognitieve taak op het scherm door deze te starten door op Uitvoeren op de experimentele computer te drukken en de deelnemer te laten antwoorden via antwoordknoppen. Beoordeel de oriëntatie van de magnetometer gedurende deze tijd.
OPMERKING: Nu kunnen verschillende taken worden geïmplementeerd die de deelnemer moet uitvoeren. Laat de deelnemer de cover van de bril aan en uit doen om te wisselen tussen eye-tracking en schermgebaseerde paradigma's.
10. De deelnemer uit de scanner halen
- Laat de deelnemer de hoes van de bril opzetten.
- Herhaal stap 8-9 (behalve stap 8.5., namelijk "verplaats de deelnemer uit de boring")
11. Verander de hoofdpositie
- Schakel de hoofdpositie naar de positie die nog niet is beoordeeld met behulp van de juiste kussens (liggend of gekanteld) en herhaal stap 8.2-11.
OPMERKING: Als er een geschikt MRI-bed beschikbaar is, kan een interessante variatie zijn om deelnemers eerst met hun voeten in de boring te verplaatsen, omdat omgekeerde toegang tot de boring de veldrichting ten opzichte van het binnenoor omkeert.
12. Beoordeling van de oriëntatie van de vestibulaire organen
- Verwijder de spiegel en bril zonder de magnetometer te verplaatsen.
- Installeer de kopspoel.
- Verwijder de sonde van de magnetometer en vervang de sonde door een pipet gevuld met water zonder het deksel van de magnetometer te verplaatsen (zie figuur 3D).
- Plaats het hoofd van de deelnemer in de kopspoel zonder de magnetometer te verplaatsen.
- Verplaats de deelnemer naar de scanner.
- Verkrijg een 3D-CISS-sequentie voor structurele beeldvorming van het binnenoor.
OPMERKING: In deze studie werden de volgende parameters gebruikt: een plakdikte van 0,4 mm; een gezichtsveld van 179 mm × 179 mm; een draaihoek van 60°; een herhalingstijd (TR) van 8,29 ms; en een echotijd (TE) van 3,81 ms. De acquisitietijd van deze 3D-CISS was 10 min 53 s. Verschillende sequenties zijn gebruikt in andere studies23,30. - Haal de deelnemer uit de MRI-scanner.
13. Einde van het onderzoek
- Verwijder de pipet, dop, hoofdband en oordopjes en verlaat de scannerruimte met de deelnemer.
- Laat de deelnemer indien van toepassing een vragenlijst invullen (bijv. zelfbewegingsperceptie, ervaren verschillen tussen aandoeningen, andere ervaringen).
- Debrief de deelnemer over de onderzochte onderzoeksvragen (bijvoorbeeld het meten van effecten van MVS op nystagmus, zelfbewegingsperceptie en cognitieve taken door de hoofdpositie te manipuleren ten opzichte van het magnetisch veld).
Representative Results
De eye-tracking gegevens tonen de vastgelegde horizontale en verticale oogbewegingen (zie figuur 4). Het volgen van torsie-oogbewegingen (niet getoond) vereist specifieke software 9,25 en/of geavanceerde nabewerking. Kalibratie-opnamen worden gebruikt om eenheden van pixels naar graden te transformeren. De gegevens zijn van goede kwaliteit als een gestage tracking (met ca. 100 Hz) wordt bereikt, en de geëxtraheerde gegevens tonen slechts kleine trackingartefacten (zie figuur 4 voor een voorbeeld van kleine artefacten, meestal als gevolg van knipperen). Spontane nystagmus buiten de MRI-scanner moet vóór het experiment worden beoordeeld om nystagmus uit te sluiten om andere redenen dan het magnetisch veld.
Figuur 4: Eye-tracking data. Horizontale en verticale oogposities tijdens kalibratie en het in en uit de MRI-scanner bewegen in rugligging. Gegevens tonen de horizontale nystagmus, die omkeert tussen het in en uit de boring bewegen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De magnetometergegevens tonen de positie van de magnetometersonde ten opzichte van de Z-as van het magnetisch veld in de boring (figuur 5). Idealiter zien de bijgehouden gegevens er glad uit en vertonen ze geen veranderingen in veldsterkten in elke rotatieas na het bereiken van de binnenkant van de boring. Zo kunnen significante hoofdbewegingen van de deelnemers gemakkelijk worden gedetecteerd.
Figuur 5: Magnetometergegevens. Gegevens van de 3D-magnetometer die in de boring beweegt, tonen een maximale veldsterkte van bijna 7 T na ongeveer 27 s. Er zijn geen bewegingsartefacten zichtbaar, wat aangeeft dat de deelnemer geen hoofdbewegingen heeft gemaakt tijdens het betreden van de boring. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De 3D-CISS-sequentie werd verkregen met een 7 T MRI-scanner. Uit de 3D-CISS-beelden werden de 3D-oppervlaktemodellen van de linker- en rechterbinnenoren en de magnetometeroriëntatie geëxtraheerd (zie figuur 6). De oppervlaktemodellen werden gegenereerd met behulp van medische beeldverwerkings- en visualisatiesoftware. Dit maakt het mogelijk om de oriëntatie van de halfronde kanalen te extraheren ten opzichte van de magnetometeroriëntatie en de Z-as van het magnetisch veld tijdens het experiment (zie figuur 7).
Figuur 6: 3D-oppervlaktemodellen geëxtraheerd uit het 3D CISS-beeld. (A) Waterpipet op de vorige magnetometerpositie; (B) rechts (rood) en (C) links (blauw) binnenoorstructuur (oorspronkelijke posities en verhoudingen). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Oriëntatie van de halfronde kanalen zoals geëxtraheerd uit het 3D-CISS beeld. Voor elk halfcirkelvormig kanaal worden drie oriëntatiepunten gekozen en wordt een oppervlaktenormale vector berekend (horizontaal kanaal: groen, achterste kanaal: rood, superieur kanaal: blauw). Deze vector wordt in relatie gebracht met de oriëntatie van de waterpipet (zwart) als proxy voor de oriëntatie van de magnetometersonde en met de Z-as van het magnetisch veld (hier niet afgebeeld). Eenheden in millimeters (mm) (absolute coördinaten van het MR-beeld). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De oriëntatie van de kanalen en de magnetometer ten opzichte van de Z-as van de MRI-scanner uit de 3D-CISS-beelden kan worden gecombineerd met de oriëntatie van de magnetometer tijdens de twee runs zonder beeldvorming. Dit maakt de reconstructie van de kanaaloriëntatie tijdens MVS-blootstelling onder verschillende hoofdposities mogelijk. Als alternatief kan een foto van elke deelnemer en de bijgevoegde magnetometer buiten het magnetisch veld worden genomen. Vervolgens konden de externe gezichtsstructuren worden gereconstrueerd om de oriëntatiemetingen van de magnetometer in kaart te brengen met de binnenoorstructuren en de richting van het magnetisch veld. Gegevens van zelfbewegingspercepties en cognitieve taken (hier niet beschreven) kunnen samen met de bovenstaande gegevens worden geanalyseerd. Zo kunnen kanaalpositie, eye-trackinggegevens (horizontale, verticale en torsie-nystagmus), evenals gerapporteerde zelfbewegingspercepties en gedragsresultaten, worden gekoppeld om de specifieke onderzoeksvraag van het experiment te beantwoorden.
Discussion
De gerapporteerde opstelling is geschikt om verschillende aspecten van MVS-effecten op nystagmus, zelfbewegingsperceptie en prestaties bij cognitieve taken te onderzoeken. Het combineren van de metingen van de uitgelokte MVS-respons zou inzichten kunnen geven, zoals hoe de hersenen conflicterende vestibulaire informatie verwerken en laten zien hoe vestibulaire informatie perceptuele en cognitieve processen op inter- en intraindividueel niveau beïnvloedt. In tegenstelling tot andere vestibulaire stimulatiemethoden, zoals rotatiestoelen, lokt MVS een constante versnellingsprikkel uit, waardoor het geschikt is voor langdurige gedragsstudies en wordt gebruikt als een niet-invasief model voor eenzijdig falen 8,28. Daarom zou deze benadering inzicht kunnen geven in de wisselwerking tussen vestibulaire informatie en cognitieve processen in termen van ruimtelijke cognitie en het ontstaan van zelfbewegingspercepties onder conflicterende sensorische informatie. In de toekomst kan het gebruik van MVS worden gebruikt in klinisch onderzoek, bijvoorbeeld om acute fase vroege compensatie voor vestibulaire onbalans tijdens blootstelling aan MVS te onderzoeken. Deze bevindingen kunnen vervolgens worden gekoppeld aan compensatiemechanismen na vestibulaire laesies. De vergelijking van deelnemers met normale en disfunctionele vestibulaire organen zou de kennis over aanpassingsprocessen bij vestibulaire patiënten aan de veranderde inkomende vestibulaire informatie kunnen bevorderen.
De beschreven procedure omvat kritieke stappen voor veilige en nauwkeurige gegevensverzameling in een 7 T MRI-scanner. Ten eerste levert de MRI-omgeving verschillende problemen op. De experimentele opstelling moet MRI-veilig zijn, wat mogelijk wijzigingen in de eye-trackingbril of kabelverbindingen vereist in vergelijking met een niet-MRI-opstelling. Dit kan leiden tot compromissen in de datakwaliteit. Ook moeten de deelnemers voldoen aan de MRI-inclusiecriteria en moeten ze het ongemak van het proces tolereren (bijvoorbeeld het hoofd kantelen terwijl ze enkele minuten in de MRI-scanner liggen). Ten tweede is eye-tracking in de scanner, met name de verwerving van torsienystagmus, moeilijk en vereist gespecialiseerde software25. Voor torsie wordt het patroon van de iris gebruikt voor tracking, wat beelden van hoge kwaliteit vereist en ook wordt beïnvloed door verschillen in individuele irispatronen. Een andere benadering kan het gebruik van kunstmatige pigmentmarkers op de sclera3 zijn, wat onaangenaam kan zijn voor de deelnemer. Ten derde zijn zelfbewegingspercepties als gevolg van MVS niet-veridisch en impliceren ze dus zowel intra-vestibulaire als multisensorische conflicten28. Daarom is de verbalisatie van deze hoofd- en/of lichaamsrotatie- en vertaalervaringen vaak moeilijk te beschrijven voor deelnemers. Duidelijke instructies aangepast aan de onderzoeksvraag zijn van cruciaal belang. We raden aan om bekende rotatie- en vertaaltermen te gebruiken waarmee deelnemers zich kunnen identificeren, zodat ze hun perceptuele ervaring beter kunnen beschrijven. Voor het beoordelen van specifieke bewegingsparameters kunnen meer fijnmazige methoden worden gebruikt, zoals waarden van rotatiesnelheid in de loop van tijd7.
De gepresenteerde opstelling wordt beperkt door de technische beperkingen van onze apparatuur en kan worden verbeterd als deze kunnen worden overwonnen. Om bijvoorbeeld niet alleen statische maar ook dynamische kopposities in de boring te beoordelen, kunnen de magnetometergegevens ook worden gesynchroniseerd met eye-tracking en gedragsgegevens. De kalibratie van de bril zou beter zijn als deze voor elke run wordt herhaald. Ook de lengte van de eye-tracking kabel is van belang, omdat dit bepaalt of spontane nystagmus buiten de scannerruimte kan worden gemeten. De beste oplossing zou een afneembaar MRI-bed zijn, dat buiten het magnetisch veld kan worden verplaatst. Het eye-tracking computerscherm moet echter vanuit de scannerruimte worden gezien om de kalibratie en fijnafstelling van de eye-trackingparameters mogelijk te maken terwijl u toegang hebt tot de bril. In ons geval hebben we dat opgelost via een tweede scherm dat naar het raam van de scannerkamer is gedraaid.
MVS kan de prestaties en hersenreacties in fMRI-studies beïnvloeden. In studies waarin vestibulaire patiënten met gezonde controles werden vergeleken, kon MVS leiden tot groepsverschillen vanwege een verschil in stimulatiesterkte in plaats van andere patiëntkenmerken. Om verstorende MVS-effecten te beheersen, is de huidige opzet een tijdrovend proces, zowel tijdsgewijs als financieel (apparatuur). Als alternatief kan het kantelen van het hoofd omhoog voor kleine hoeken 7,23 (voor zover toegestaan door de hoofdspoel) of het beoordelen van covarianten, zoals de oriëntatie van de vestibulaire organen met MRI zoals hierboven beschreven23,30 en/of nystagmus (bijv. recente op fMRI gebaseerde eye-tracking benaderingen 32), van nut zijn.
Disclosures
Geen belangenverstrengeling.
Acknowledgments
We bedanken de deelnemers en het MR-team, evenals de reviewers wiens waardevolle opmerkingen de kwaliteit van het manuscript hebben verbeterd. Wij danken D. S. Zee voor zijn waardevolle advies. We zijn dankbaar dat DIATEC AG een eye-tracking laptop voor het experiment heeft geleverd. Het project wordt ondersteund door een SITEM-Insel subsidie van de Universiteit van Bern toegekend aan FWM en 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 |
References
- Roberts, D. C., et al. MRI magnetic field stimulates rotational sensors of the brain. Current Biology. 21 (19), 1635-1640 (2011).
- 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).
- Boegle, R., Stephan, T., Ertl, M., Glasauer, S., Dieterich, M. Magnetic vestibular stimulation modulates default mode network fluctuations. NeuroImage. 127, 409-421 (2016).
- Goldberg, J. M., et al. The Vestibular System: A Sixth Sense. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- van Elk, M., Blanke, O. Imagined own-body transformations during passive self-motion. Psychological Research. 78 (1), 18-27 (2014).
- Klaus, M. P., et al. Vestibular stimulation modulates neural correlates of own-body mental imagery. Journal of Cognitive Neuroscience. 32 (3), 484-496 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lindner, A., Wiesen, D., Karnath, H. -O. Lying in a 3T MRI scanner induces neglect-like spatial attention bias. eLife. 10, 71076 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Go, C. C., et al. Persistent horizontal and vertical, MR-induced nystagmus in resting state Human Connectome Project data. NeuroImage. 255, 119170 (2022).
- 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).
- Son, J., et al. Evaluating fMRI-based estimation of eye gaze during naturalistic viewing. Cerebral Cortex. 30 (3), 1171-1184 (2020).
