Summary
In diesem Artikel beschreiben wir den Versuchsaufbau, das Material und die Verfahren zur Beurteilung reflexiver Augenbewegungen, der Selbstbewegungswahrnehmung und kognitiver Aufgaben unter magnetischer vestibulärer Stimulation sowie der anatomischen Orientierung der vestibulären Organe in einem 7-Tesla-Magnetresonanztomographen (7T-MRT).
Abstract
Starke Magnetfelder induzieren Schwindel, Schwindel und Nystagmus aufgrund von Lorentzkräften, die auf die Cupula in den Bogengängen wirken, ein Effekt, der als magnetische vestibuläre Stimulation (MVS) bezeichnet wird. In diesem Artikel stellen wir einen Versuchsaufbau in einem 7T MRT-Scanner (MRT-Scanner) vor, der es ermöglicht, den Einfluss starker Magnetfelder auf Nystagmus sowie auf Wahrnehmungs- und kognitive Reaktionen zu untersuchen. Die Stärke von MVS wird manipuliert, indem die Kopfpositionen der Teilnehmer verändert werden. Die Orientierung der Bogengänge der Probanden in Bezug auf das statische Magnetfeld wird durch die Kombination eines 3D-Magnetometers und 3D-konstruktiver Interferenz in stationären (3D-CISS) Bildern beurteilt. Dieser Ansatz ermöglicht es, intra- und interindividuelle Unterschiede in der Reaktion der Teilnehmer auf MVS zu berücksichtigen. In Zukunft kann MVS für die klinische Forschung nützlich sein, zum Beispiel bei der Untersuchung von Kompensationsprozessen bei vestibulären Störungen. Darüber hinaus könnte es Einblicke in das Zusammenspiel von vestibulären Informationen und kognitiven Prozessen in Bezug auf räumliche Kognition und die Entstehung von Selbstbewegungswahrnehmungen unter widersprüchlichen sensorischen Informationen ermöglichen. In fMRT-Studien kann MVS einen möglichen Störeffekt hervorrufen, insbesondere bei Aufgaben, die von vestibulären Informationen beeinflusst werden, oder in Studien, in denen vestibuläre Patienten mit gesunden Kontrollen verglichen werden.
Introduction
Es ist bekannt, dass starke Magnetfelder, d. h. über 1 T, Schwindel, Schwindel und Nystagmus hervorrufen, ein Effekt, der als magnetische vestibuläre Stimulation (MVS) bezeichnet wird1,2,3. Das vestibuläre System befindet sich im Innenohr und misst die Beschleunigung um die Rotationsachsen (Gieren, Nicken und Rollen) mit drei halbkreisförmigen Kanälen und die Beschleunigung entlang der Translationsachsen (naso-okzipitaler, interauraler und kopfvertikaler) mit zwei Makulaorganen, dem Utricula und dem Sacculus4 (siehe Abbildung 1A). Die Entstehung des MVS-Effekts kann durch eine durch Ionenstrom induzierte Lorentzkraft erklärt werden, die auf die Cupula der Bogengänge des vestibulären Systems wirkt 1,2.
Die Wirkung von MVS nimmt mit höheren Feldstärken 3,5 zu. Die Stimulation wird durch zwei verschiedene Komponenten verursacht. Bewegt man den Teilnehmer zunächst durch das B0-Feld des MRT-Scanners in die Bohrung, entsteht ein dynamisches Magnetfeld, das Lorentzkräfte auslöst, die auf die Cupula wirken. Zum anderen bewirkt auch das statische Magnetfeld des Kernspintomographen, in dem die Teilnehmer während der Experimente bewegungslos liegen, eine konstante Lorentzkraft. So wird bei allen Experimenten mit Kernspintomographen das vestibuläre System des Probanden ständig durch das statische Magnetfeld stimuliert. Dazu gehören alle fMRT-Untersuchungen, insbesondere solche in ultrahohen Magnetfeldern (> 3 T).
Nystagmus wird durch Bewegung oder Bewegung sowie durch statisches Ruhen in einem starken Magnetfeld hervorgerufen. Die bewegungsbedingten Kräfte verursachen einen starken Nystagmus, der nach wenigen Minuten abklingt6. Der Nystagmus, der unter statischen Magnetfeldern hervorgerufen wird, ist schwächer und nimmt mit der Zeit allmählich ab, verschwindet aber während der Exposition nicht vollständig. Die Richtung des Nystagmus hängt von der Polarität des Magnetfeldes ab und kehrt sich beim Zurückziehen aus dem Magnetfeldum 6,7,8. MVS wirkt vorwiegend auf die horizontalen und oberen Kanäle, was zu reflexiven Augenbewegungen führt, d.h. meist horizontalem und torsionalem Nystagmus und in geringerem Maße vertikalem Nystagmus9. Bei beidseitigen vestibulären Patienten kann kein Nystagmus beobachtet werden1, bei einseitig vestibulären Patienten sind ausgeprägtere vertikale Nystagmuskomponentenvorhanden 10. Da der Nystagmus unwillkürlich ist, ist er ein gut geeignetes Maß für die Stärke der vestibulären Stimulation. Der Nystagmus kann durch visuelle Fixation unterdrückt werden; Daher müssen Augenbewegungen in völliger Dunkelheit beurteilt werden.
Nicht-veridische Selbstbewegungswahrnehmung, Schwindel und Schwindel werden häufig von Teilnehmern beschrieben, während sie in die Bohrung hinein oder aus der Bohrung heraus bewegt werden, insbesondere bei Feldstärken über 3 T. Die Wahrnehmungen der Eigenbewegung wurden meist als Rotationen in der Roll- und in geringerem Maße in der Gier- und Nickebene7 beschrieben (siehe Abbildung 1A). Während der Nystagmus über die Dauer der Exposition bestehen bleibt, verschwindet die Selbstbewegungswahrnehmung in der Regel nach 1-3 min7. Der konstante Teil des MVS ist per se eine interessante Stimulation, da er einen längeren vestibulären Input ermöglicht, der nicht von einer bewussten Selbstbewegungswahrnehmung begleitet wird.
Aus Studien mit kalorischer oder galvanischer vestibulärer Stimulation, passiver Bewegung oder Mikrogravitation ist bekannt, dass vestibuläre Informationen die Leistung bei räumlichen Aufgaben beeinflussen können 11,12 und ihre neuronalen Korrelate13. Es wurde berichtet, dass Bewegung oder Bewegung in starken Magnetfeldern die kognitive Leistungsfähigkeit beeinflusst14,15. Eine Studie ergab, dass MVS möglicherweise zu Symptomen der Derealisation aufgrund einer nicht-veridischen Selbstbewegungswahrnehmung führen könnte16. Studien, die den Einfluss des statischen Ruhens in Magnetfeldern untersuchten, haben jedoch keine schlüssigen Ergebnisse in Bezug auf neuropsychologische Aufgaben gezeigt, außer einer replizierten Verschlechterung der visuellen Genauigkeit17,18,19,20. Kürzlich wurden erste Hinweise darauf gefunden, dass MVS die räumliche Aufmerksamkeit verändern kann, indem es eine vernachlässigungsähnliche Verzerrung induziert21. Dies wirft die Frage auf, ob MVS die Leistung bei Verhaltensaufgaben, die höhere kognitive Funktionen messen, beeinflussen kann. So ist beispielsweise unklar, inwiefern MVS das räumliche Denken, also die Fähigkeit zur Mentalisierung von Objekten und Rotationen des eigenen Körpers, beeinflusst.
Neuroimaging-Studien, die die Ruhezustandsaktivität analysieren, haben gezeigt, dass MVS Veränderungen in Default-Mode-Netzwerkeninduzieren kann 3,22, was durch die subjektspezifische anatomische Ausrichtung der vestibulären Organe relativ zur Magnetfeldrichtung 23 erklärt werden kann. Bei fMRT-Experimenten müssen die Auswirkungen von MVS im Studiendesign sorgfältig berücksichtigt werden. Darüber hinaus könnte MVS die galvanische oder vestibuläre Stimulation stören, die in fMRT-Experimenten verwendet wird. Es könnte in Neuroimaging-Studien, in denen Teilnehmer mit intakten und dysfunktionalen vestibulären Systemen verglichen werden, als Störfaktor wirken, da die Auswirkungen von MVS bei bilateralen vestibulären Patienten nicht vorhanden sind1.
Um die Auswirkungen von MVS zu beurteilen und verschiedene Stärken von MVS bei den Teilnehmern zu vergleichen, beschreiben wir hier einen experimentellen und technischen Aufbau zur Messung von Nystagmus, Eigenbewegungswahrnehmung, kognitiver Leistung und der anatomischen Position der Kanäle in einem 7 T MRT-Scanner (siehe Abbildung 2). Der beschriebene Aufbau kann angepasst und für Experimente verwendet werden, um gezielt vestibuläre und höhere kognitive Funktionen unter MVS zu untersuchen oder die möglichen Störeffekte von MVS in fMRT-Studien zu bewerten und zu kontrollieren.
Interessanterweise kann die Stärke von MVS moduliert werden, indem die Kopfposition und damit die Ausrichtung der vestibulären Endorgane in Bezug auf die Richtung des Magnetfeldes geändert wird. Die Wirkung von MVS kann bei den meisten Teilnehmern reduziert werden, indem der Kopf nach vorne zum Körper hin geneigt wird (Kinn bis Brust)1,24. So ermöglicht die Veränderung der Kopfposition in der Pitch-Achse den Vergleich von messbaren MVS-Effekten unter unterschiedlichen Stimulationsstärken.
In diesem Verfahren wurde die Stärke des MVS innerhalb der Teilnehmer manipuliert, indem Messungen zwischen zwei Kopfpositionen verglichen wurden (siehe Abbildung 1B). In der Bedingung, die eine stärkere MVS hervorrufen sollte, lag der Teilnehmer in Rückenlage im Scanner mit einer annähernd erdvertikalen Ausrichtung von Reids Ebene (Rückenlage). In der Bedingung, die eine schwächere MVS hervorrufen sollte, wurde der Kopf des Teilnehmers in der Neigung um ca. 30° nach vorne geneigt (geneigte Position). Es ist theoretisch möglich, die Rückenlage mit einer Nullposition zu vergleichen, in der kein Nystagmus vorhanden ist1. Die erforderliche Neigung der Tonhöhe für die Nullposition ist jedoch für jeden Teilnehmer unterschiedlich und zeitaufwändig zu bestimmen, da dies mehrere Instanzen der Neupositionierung und des Bewegens des Teilnehmers in und aus dem Scanner erfordert, um die Position zu testen. Dies ist für die meisten Studiendesigns möglicherweise nicht durchführbar. Die beiden Kopfpositionen, Rückenlage und Neigung, ermöglichen den Vergleich verschiedener Messgrößen, z.B. der Selbstbewegungswahrnehmung oder der Leistung bei Aufgaben zwischen und innerhalb der Teilnehmer.
Abbildung 1: Achsen und Ebenen der Kopfposition im Magnetfeld . (A) Kopfvertikale (HV), Interaurale (IA) und Naso-Okzipitalachse (NO) des Kopfes. Die Richtung des Magnetfeldes (B0) richtet sich nach der Kopf-Vertikal-Achse (HV) aus, wenn die Teilnehmer in Rückenlage31 innerhalb der Bohrung liegen. (B) Die beiden Kopfpositionen während des Experiments, wobei die Rückenlage (gerade liegend) bei den meisten Teilnehmern eine stärkere MVS hervorruft als die geneigte Position (Kopf in der Pitchebene um ca. 30° nach oben geneigt). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Um festzustellen, wie die vestibulären Organe während der Versuchsläufe ohne Bildgebung ausgerichtet waren, haben wir ein 3D-Magnetometer an den Köpfen der Teilnehmer angebracht und die Ausrichtung der Sonde in Bezug auf die Z-Achse des Magnetfeldes gemessen (Abbildung 3B). Die Orientierung der vestibulären Organe im Magnetfeld wurde mit einer hochauflösenden anatomischen 3D-CISS-Sequenz beurteilt. Bei der Bildaufnahme wurde das Magnetometer durch eine Wasserpipette ersetzt (Abbildung 3D). Dies ermöglichte es, die Ausrichtung des Magnetometers relativ zur Richtung der Z-Achse des Magnetfeldes zu extrahieren und an den Innenohrstrukturen auszurichten. Wir können dann Rückschlüsse auf die Ausrichtung der Gleichgewichtsorgane während der gesamten Dauer des Experiments ziehen.
Der Nystagmus wurde mit einer MRT-geeigneten Brille verfolgt (Abbildung 3C). MVS löst nicht nur horizontale und manchmal vertikale, sondern auch torsionalen Nystagmus aus; Es wird daher empfohlen, eine Software zu verwenden, die auch die Verfolgung von Torsionsaugenbewegungenermöglicht 9,25.
Selbstbewegungswahrnehmungen können während der Wahrnehmung7 (beim Ein- und Aussteigen aus der Bohrung) und nach dem Verschwinden der Eigenbewegungswahrnehmungen z. B. mit Fragebögen bewertet werden. Es ist wichtig, die Teilnehmer gut zu instruieren, da es für die Teilnehmer oft schwierig ist, verbal über nicht-veridische Eigenbewegungen zu berichten. Wir geben im Protokoll an, wo die Eigenbewegungswahrnehmung und die kognitive Leistung gemessen werden könnten, spezifizieren aber nicht die Aufgaben oder Fragebögen, da diese stark von der Forschungsfrage abhängen. Wir stellen jedoch Beispielfragebögen und Paradigmen zur Verfügung26.
Abbildung 2: Technischer Aufbau des Experiments. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MVS verwendet werden kann, um den Einfluss vestibulärer Stimulation auf Nystagmus, Wahrnehmung und kognitive Prozesse zu untersuchen sowie Gewöhnungsprozesse bei Patienten mit vestibulärer Dysfunktion zu untersuchen. Die Wirkung des statischen Magnetfeldes auf die Cupula bleibt während der gesamten Exposition gegenüber dem Magnetfeld konstant. Da dabei eine konstante Rotationsbeschleunigung simuliert wird, ist MVS eine interessante und geeignete Methode, um die vestibuläre Funktion und ihren Einfluss auf Wahrnehmung und Kognition zu untersuchen27,28. Es kann verwendet werden, um gezielt Forschungsfragen zum Einfluss vestibulärer Informationen auf höhere kognitive Funktionen, wie z.B. räumliches Denken, zu bearbeiten. Es dient als geeignetes nicht-invasives Modell für einseitiges Versagen des vestibulären Systems, das die Untersuchung von Kompensationsprozessen ermöglicht, die bei vestibulären Patienten auftreten können28. Darüber hinaus ist es wichtig, die Störeffekte von MVS in fMRT-Studien zu berücksichtigen, da Verhaltens- und neuronale Korrelate durch vestibuläre Stimulation verändert werden können und auch bei der Untersuchung vestibulärer Patienten in einem starken statischen Magnetfeld stören.
Protocol
Die folgenden Schritte waren Teil einer Studie, die der Deklaration von Helsinki entsprach und von der Ethikkommission des Kantons Bern, Schweiz, genehmigt wurde (2019-02468). Alle Teilnehmer haben vor der Teilnahme an der Studie ihre schriftliche Einverständniserklärung abgegeben.
HINWEIS: Es wird empfohlen, die vestibuläre Funktion der Teilnehmer vor dem MVS-Experiment mit vestibulären Standardtests wie Fragebögen (z. B. Schwindel-Handicap-Inventar29), bithermen kalorischen Tests, rotatorischen Pendeltests, Kopfimpulstests (HIT), subjektiven visuellen vertikalen (SVV), vestibulär evozierten myogenen Potentialen (c-VEMP), okulären vestibulären myogenen Potentialen (o-VEMP), dynamischer Sehschärfe (DVA) und/oder dynamischer Posturographie zu beurteilen.
1. Vorbereitung des Versuchsaufbaus im Scannerraum (Abbildung 2)
ACHTUNG: Alle Materialien, die in den Scannerraum gebracht werden, müssen MRT-sicher sein.
- Verbinden Sie den Experimentalcomputer und den Eye-Tracking-Computer mit einem Crossover-Ethernet-Kabel, um die Synchronisierung der Datenerfassung zu ermöglichen.
- Verbinden Sie die vom Teilnehmer bedienten Antworttasten über die Antwortbox mit dem Versuchsrechner.
- Schalten Sie den Projektor ein, der an den Versuchsrechner angeschlossen ist.
- Schließen Sie das Magnetometergerät an den Magnetometercomputer an, indem Sie es in den USB-Anschluss stecken.
HINWEIS: Das 3D-Magnetometer muss für ultrahohe Feldstärken geeignet und kalibriert sein. In der in dieser Studie verwendeten Software wurden folgende Einstellungen gewählt: Einheiten = Tesla, Reichweite = 20,00, Erfassungsrate = 100,00 Hz. - Verbinden Sie die Eye-Tracking-Brille mit einem abgeschirmten Firewire-Kabel mit dem Eye-Tracking-Computer.
Anmerkungen: Wenn das Kabel nicht lang genug ist, muss der Bildschirm des Eye-Tracking-Computers vom Scannerraum aus gesehen werden, damit die Eye-Tracking-Brille eingestellt werden kann. Verwenden Sie bei Bedarf einen externen Bildschirm, der vor dem Fenster zwischen dem MRT-Raum und dem Kontrollraum platziert ist. - Öffnen Sie die Eye-Tracking-Software 9,25.
2. Vorbereitung des Teilnehmers auf den Eintritt in den MRT-Scanner
ACHTUNG: Die folgenden Schritte sind für die Sicherheit der Teilnehmer und des Personals von entscheidender Bedeutung.
- Lassen Sie den Teilnehmer die Einverständniserklärung lesen und unterschreiben.
- Bestätigen Sie, dass der Teilnehmer die MRT-Ausschlusskriterien nicht erfüllt. Stellen Sie MRT-sichere Kleidung bereit, entfernen Sie metallische Gegenstände (z. B. Piercings) und stellen Sie einen Schwangerschaftstest bereit (falls zutreffend).
HINWEIS: Die MR-Sicherheitskriterien finden Sie in https://mr-gufi.de/index.php/dokumente. Die Kriterien variieren je nach Forschungsstandort. - Kontaktlinsen, Lidschatten und Wimperntusche gründlich entfernen (für ein besseres Eye-Tracking).
3. Information des Teilnehmers über experimentelle Abläufe und Aufgaben
- Erläutern Sie den Versuchsablauf und geben Sie Anweisungen zu den Aufgaben. Lassen Sie den Teilnehmer Übungsversuche absolvieren (falls zutreffend).
- Wenn die Selbstbewegungswahrnehmung beurteilt wird, informieren Sie den Teilnehmer über bestimmte Translations- und Rotationsachsen (siehe Abbildung 1A). Verwenden Sie einprägsame Begriffe für die spezifischen Bewegungen, z. B. "Grillrotation" für Drehungen im Gieren (um die Kopf-Vertikalachse) in Rückenlage26.
4. Vorbereitung von Eyetracker- und Magnetometermessungen
- Setzen Sie ein elastisches Stirnband und eine EEG-Kappe auf den Kopf des Teilnehmers (z. B. eine MRT-sichere EEG-Kappe ohne Elektroden) (siehe Abbildung 3A).
- Befestigen Sie das Magnetometer hinter einem Ohr (muss sich im Bereich der 3D-CISS-Sequenzbilder befinden), indem Sie es unter das elastische Kopfband und die EEG-Kappe ziehen. Befestigen Sie es entsprechend mit Klebeband (siehe Abbildung 3B).
- Setzen Sie die Eye-Tracking-Brille über der EEG-Kappe auf (siehe Abbildung 3C).
- Lassen Sie den Teilnehmer Ohrstöpsel einführen.
- Passen Sie die Eye-Tracking-Parameter an der Brille (Links-/Rechtszentrierung, Auf-/Ab-Zentrierung, Fokus) und in der Software (Links-/Rechtszentrierung, Auf-/Ab-Zentrierung, Pupillengröße, Kontraste, Blendenmuster) an, um eine gute Nachführung zu gewährleisten.
Abbildung 3: Vorbereitung des Teilnehmers . (A) Elastisches Kopfband und EEG-Kappe (ohne Elektroden) zur Befestigung des Magnetometers. (B) Das Magnetometer wird hinter einem Ohr platziert. (C) Eine Eye-Tracking-Brille ist montiert. (D) Die Magnetometersonde wird entfernt und durch eine Wasserpipette zur Bildgebung ersetzt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
5. Aufzeichnen der Eye-Tracking-Kalibrierungsdatei
HINWEIS: Die Kalibrierung ist am genauesten, wenn sie vor jedem Lauf und in der Position durchgeführt wird, in der der Teilnehmer in den Scanner bewegt wird. Das hier beschriebene Verfahren ist weniger präzise, wurde aber aus zeitlichen und technischen Gründen gewählt.
- Lassen Sie den Teilnehmer 1 m vor Kalibrierreizen sitzen (messen Sie den Augenreizabstand z.B. mit einem Maßband).
- Passen Sie die Eye-Tracking-Parameter in der Software (Pupillengröße, Kontraste, Blendenmuster) für ein gutes Tracking an.
- Drücken Sie die Aufnahmetaste , um die Datenerfassung zu starten.
- Lassen Sie den Teilnehmer jeden Punkt 1 s lang betrachten (insgesamt fünf Punkte, drei in einer Reihe, einer über der Mitte, einer unter der Mitte, Punktabstand 10 cm) mit verbaler Anweisung: links, unten, Mitte, oben, rechts.
- Drücken Sie Stopp, um die Datenerfassung zu beenden.
6. Messung des spontanen Nystagmus vor dem Betreten des Scanners
HINWEIS: Die Messungen sind am genauesten, wenn sie außerhalb des Magnetfeldes in Rückenlage durchgeführt werden. Dies könnte mit einem abnehmbaren MRT-Bett erfolgen. Falls nicht verfügbar, wie in dem in dieser Studie verwendeten Aufbau, sollte eine Position außerhalb der 50 mT-Linie (gestrichelte Linie auf dem Boden) gewählt werden. Die Stärke des Magnetfeldes an der Messstelle kann mit dem Magnetometer beurteilt werden (0,02 T im hier verwendeten Aufbau).
- Setzen Sie die Brillenabdeckung auf und stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer kein Licht sehen kann. Andernfalls lassen Sie die Teilnehmer ihren Kopf mit schwarzem Stoff bedecken, um das Eindringen von Licht zu verhindern.
- Passen Sie die Eye-Tracking-Parameter in der Software (Pupillengröße, Kontraste, Blendenmuster) für ein gutes Tracking an. Sagen Sie dem Teilnehmer, dass er seine Augen weit öffnen soll.
- Drücken Sie die Aufnahmetaste, um die Datenerfassung zu starten.
- Messen Sie die Augenbewegungen für mindestens 30 s. Passen Sie die Eye-Tracking-Parameter bei Bedarf nach.
- Drücken Sie Stopp, um die Datenerfassung zu beenden.
- Nehmen Sie die Brillenabdeckung ab.
7. Positionierung des Teilnehmers für das Experiment
- Lassen Sie den Teilnehmer auf dem Scannerbett liegen.
- Passen Sie die Kopf-Neigungsposition des Teilnehmers entsprechend der ersten Bedingung an (entweder in Rückenlage oder in der Pitch-Ebene um ca. 30° nach oben geneigt), indem Sie geeignete Kissen verwenden.
- Platzieren Sie den Spiegel über dem Kopf des Teilnehmers und stellen Sie ihn so ein, dass sich der Bildschirm im Sichtfeld des Teilnehmers befindet.
- Geben Sie dem Teilnehmer die Antwortschaltflächen für jede Hand; Befestigen Sie sie bei Bedarf mit Klebeband.
- Lassen Sie den Teilnehmer das Auf- und Absetzen der Brillenabdeckung üben, damit dies im Dunkeln in der Bohrung geschehen kann. Der Teilnehmer sollte dies so lange wie nötig wiederholen und mit der Abdeckung der Brille abschließen.
HINWEIS: Dieser Schritt kann zu einer Verschiebung der Brille führen, was sich auf die Messung der Augenposition auswirken kann. Führen Sie, wenn möglich, nach diesem Schritt eine Kalibrierung durch. - Wiederholen Sie die Anweisungen für die erste Aufgabe und fragen Sie den Teilnehmer, ob die Anweisungen verstanden wurden.
- Passen Sie die Eye-Tracking-Parameter entweder an der Brille oder in der Software an (Pupillengröße, Kontraste, Blendenmuster) für ein gutes Tracking.
- Passen Sie die Ausgangsposition des MRT-Bettes mit Hilfe des Laserkreuzes des MRT-Scanners an, um sicherzustellen, dass sich die Innenohrstrukturen des Teilnehmers während des Experiments in der Mitte der Bohrung befinden.
8. Verschieben des Teilnehmers in den Scanner
- Starten Sie ggf. das Paradigma der Selbstbewegungswahrnehmung, indem Sie auf Ausführen drücken und die Teilnehmer- und Versuchsinformationen in die experimentelle Software auf dem experimentellen Computer eingeben.
- Starten Sie die Eye-Tracking-Messungen (in dem hier verwendeten Setup wurde dies durch das Self-Motion-Perception-Paradigma gestartet), indem Sie in der Eye-Tracking-Software auf Record drücken. Sagen Sie dem Teilnehmer, dass er seine Augen weit öffnen soll.
- Starten Sie die Magnetometermessungen, indem Sie in der Magnetometer-Software auf Aufnahme drücken.
- Sagen Sie dem Teilnehmer, dass der Lauf beginnt.
- Beginnen Sie im Scannerraum damit, den Teilnehmer in die Bohrung zu bewegen.
- Nach 3 min sollten die Wahrnehmungen der Eigenbewegung bei den meisten Teilnehmern verschwunden sein. Weisen Sie die Teilnehmer daher an, die Brillenabdeckung abzunehmen, wenn visuelle Reize (z. B. ein Fragebogen) präsentiert werden müssen.
HINWEIS: Das Eye-Tracking kann auch mit verdeckten Augen über einen längeren Zeitraum fortgesetzt werden. - Präsentieren Sie ggf. einen Self-Motion-Fragebogen auf dem Bildschirm, indem Sie ihn durch Drücken von Ausführen auf dem Versuchscomputer starten und den Teilnehmer über Antworttasten antworten lassen.
9. Präsentation eines Paradigmas mit einer kognitiven Aufgabe
- Präsentieren Sie ggf. ein Paradigma mit einer kognitiven Aufgabe auf dem Bildschirm, indem Sie es durch Drücken von Ausführen auf dem Versuchscomputer starten und den Teilnehmer über Antworttasten antworten lassen. Beurteilen Sie die Ausrichtung des Magnetometers während dieser Zeit.
HINWEIS: Jetzt können verschiedene Aufgaben implementiert werden, die der Teilnehmer ausführen muss. Lassen Sie den Teilnehmer die Abdeckung der Brille auf- und abnehmen, um zwischen Eye-Tracking- und bildschirmbasierten Paradigmen zu wechseln.
10. Herausnehmen des Teilnehmers aus dem Scanner
- Lassen Sie den Teilnehmer die Abdeckung der Brille aufsetzen.
- Wiederholen Sie die Schritte 8-9 (mit Ausnahme von Schritt 8.5., der "Bewegen Sie den Teilnehmer aus der Bohrung" lautet)
11. Wechseln Sie die Kopfposition
- Schalten Sie die Kopfposition mit den entsprechenden Kissen (entweder Rückenlage oder geneigt) in die noch nicht beurteilte Position und wiederholen Sie die Schritte 8.2-11.
HINWEIS: Wenn ein geeignetes MRT-Bett zur Verfügung steht, könnte eine interessante Variante darin bestehen, die Teilnehmer mit den Füßen voran in die Bohrung zu bewegen, da der umgekehrte Eintritt in die Bohrung die Feldrichtung relativ zum Innenohr umkehrt.
12. Beurteilung der Ausrichtung der Gleichgewichtsorgane
- Entfernen Sie den Spiegel und die Brille, ohne das Magnetometer zu verschieben.
- Montieren Sie die Kopfspule.
- Entfernen Sie die Sonde des Magnetometers und ersetzen Sie die Sonde durch eine mit Wasser gefüllte Pipette, ohne die Abdeckung des Magnetometers zu verschieben (siehe Abbildung 3D).
- Platzieren Sie den Kopf des Teilnehmers in der Kopfspule, ohne das Magnetometer zu verschieben.
- Verschieben Sie den Teilnehmer in den Scanner.
- Erfassen Sie eine 3D-CISS-Sequenz für die strukturelle Bildgebung des Innenohrs.
HINWEIS: In dieser Studie wurden die folgenden Parameter verwendet: eine Schichtdicke von 0,4 mm; ein Sichtfeld von 179 mm × 179 mm; ein Kippwinkel von 60°; eine Wiederholungszeit (TR) von 8,29 ms; und eine Echozeit (TE) von 3,81 ms. Die Aufnahmezeit dieses 3D-CISS betrug 10 min 53 s. In anderen Studien wurden unterschiedliche Sequenzen verwendet23,30. - Nehmen Sie den Teilnehmer aus dem MRT-Scanner heraus.
13. Ende des Studiums
- Entfernen Sie die Pipette, die Kappe, den Kopfbügel und die Ohrstöpsel und verlassen Sie den Scannerraum mit dem Teilnehmer.
- Lassen Sie den Teilnehmer ggf. einen Fragebogen ausfüllen (z. B. Wahrnehmung von Eigenbewegungen, erlebte Unterschiede zwischen den Bedingungen, andere Erfahrungen).
- Informieren Sie den Teilnehmer über die untersuchten Forschungsfragen (z.B. Messung der Auswirkungen von MVS auf Nystagmus, Selbstbewegungswahrnehmung und kognitive Aufgaben durch Manipulation der Kopfposition in Bezug auf das Magnetfeld).
Representative Results
Die Eye-Tracking-Daten zeigen die erfassten horizontalen und vertikalen Augenbewegungen (siehe Abbildung 4). Die Verfolgung von Torsionsaugenbewegungen (nicht abgebildet) erfordert eine spezielle Software 9,25 und/oder eine ausgeklügelte Nachbearbeitung. Kalibrierungsaufzeichnungen werden verwendet, um Einheiten von Pixeln in Grad umzuwandeln. Die Daten sind von guter Qualität, wenn ein stetiges Tracking (mit ca. 100 Hz) erreicht wird und die extrahierten Daten nur geringfügige Tracking-Artefakte aufweisen (siehe Abbildung 4 für ein Beispiel für kleinere Artefakte, die hauptsächlich auf Blinken zurückzuführen sind). Ein spontaner Nystagmus außerhalb des MRT-Scanners sollte vor dem Experiment beurteilt werden, um einen Nystagmus aus anderen Gründen als dem Magnetfeld auszuschließen.
Abbildung 4: Eye-Tracking-Daten. Horizontale und vertikale Augenpositionen während der Kalibrierung und das Ein- und Aussteigen in den MRT-Scanner in Rückenlage. Die Daten zeigen den horizontalen Nystagmus, der sich zwischen dem Ein- und Aussteigen aus der Bohrung umkehrt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die Magnetometerdaten zeigen die Position der Magnetometersonde in Bezug auf die Z-Achse des Magnetfeldes innerhalb der Bohrung (Abbildung 5). Im Idealfall sehen die verfolgten Daten glatt aus und zeigen keine Änderungen der Feldstärken in jeder Rotationsachse, nachdem sie das Innere der Bohrung erreicht haben. So können signifikante Kopfbewegungen der Teilnehmer leicht erkannt werden.
Abbildung 5: Magnetometer-Daten. Die Daten des in die Bohrung einfahrenden 3D-Magnetometers zeigen nach ca. 27 s eine maximale Feldstärke von fast 7 T. Es sind keine Bewegungsartefakte sichtbar, was darauf hindeutet, dass der Teilnehmer beim Betreten der Bohrung keine Kopfbewegungen gemacht hat. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die 3D-CISS-Sequenz wurde mit einem 7 T MRT-Scanner aufgenommen. Aus den 3D-CISS-Bildern wurden die 3D-Oberflächenmodelle des linken und rechten Innenohrs sowie die Magnetometerorientierung extrahiert (siehe Abbildung 6). Die Oberflächenmodelle wurden mit medizinischer Bildverarbeitungs- und Visualisierungssoftware erstellt. Dies ermöglicht es, die Orientierung der Bogengänge in Bezug auf die Magnetometerorientierung und die Z-Achse des Magnetfeldes während des Experiments zu extrahieren (siehe Abbildung 7).
Abbildung 6: 3D-Oberflächenmodelle, die aus dem 3D-CISS-Bild extrahiert wurden. (A) Wasserpipette an der vorherigen Magnetometerposition; (B) rechte (rote) und (C) linke (blaue) Innenohrstruktur (ursprüngliche Positionen und Proportionen). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: Ausrichtung der Bogengänge aus dem 3D-CISS-Bild. Für jeden halbkreisförmigen Kanal werden drei Orientierungspunkte ausgewählt und ein Oberflächennormalenvektor berechnet (horizontaler Kanal: grün, hinterer Kanal: rot, oberer Kanal: blau). Dieser Vektor wird mit der Orientierung der Wasserpipette (schwarz) als Proxy für die Ausrichtung der Magnetometersonde und mit der Z-Achse des Magnetfeldes (hier nicht dargestellt) in Beziehung gesetzt. Einheiten in Millimetern (mm) (absolute Koordinaten des MRT-Bildes). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die Ausrichtung der Kanäle und des Magnetometers in Bezug auf die Z-Achse des MRT-Scanners aus den 3D-CISS-Bildern kann mit der Ausrichtung des Magnetometers während der beiden Durchläufe ohne Bildgebung kombiniert werden. Dies ermöglicht die Rekonstruktion der Kanalorientierung während der MVS-Exposition unter verschiedenen Kopfpositionen. Alternativ könnte ein Bild von jedem Teilnehmer und dem angeschlossenen Magnetometer außerhalb des Magnetfeldes aufgenommen werden. Anschließend konnten die äußeren Gesichtsstrukturen rekonstruiert werden, um die Magnetometer-Orientierungsmessungen mit den Innenohrstrukturen und der Richtung des Magnetfeldes abzubilden. Daten von Selbstbewegungswahrnehmungen und kognitiven Aufgaben (hier nicht beschrieben) können zusammen mit den oben genannten Daten analysiert werden. So können Kanalposition, Eye-Tracking-Daten (horizontaler, vertikaler und torsionaler Nystagmus) sowie berichtete Selbstbewegungswahrnehmungen und Verhaltensergebnisse verknüpft werden, um die spezifische Forschungsfrage des Experiments zu beantworten.
Discussion
Der beschriebene Aufbau eignet sich, um verschiedene Aspekte der MVS-Effekte auf Nystagmus, Selbstbewegungswahrnehmung und Leistung bei kognitiven Aufgaben zu untersuchen. Die Kombination der Messungen der hervorgerufenen MVS-Antwort könnte Aufschluss darüber geben, wie das Gehirn widersprüchliche vestibuläre Informationen verarbeitet, und zeigen, wie vestibuläre Informationen Wahrnehmungs- und kognitive Prozesse auf inter- und intraindividueller Ebene beeinflussen. Im Gegensatz zu anderen vestibulären Stimulationsmethoden, wie z. B. Rotationsstühlen, löst MVS einen konstanten Beschleunigungsreiz aus, wodurch es sich für länger andauernde Verhaltensstudien und den Einsatz als nicht-invasives Modell für einseitiges Versagen eignet 8,28. Daher könnte dieser Ansatz Einblicke in das Zusammenspiel zwischen vestibulären Informationen und kognitiven Prozessen in Bezug auf räumliche Kognition und die Entstehung von Selbstbewegungswahrnehmungen unter widersprüchlichen sensorischen Informationen liefern. In Zukunft kann der Einsatz von MVS in der klinischen Forschung genutzt werden, um beispielsweise die frühzeitige Kompensation eines vestibulären Ungleichgewichts im akuten Stadium während der Exposition gegenüber MVS zu untersuchen. Diese Befunde könnten dann mit Kompensationsmechanismen nach vestibulären Läsionen in Verbindung gebracht werden. Der Vergleich von Probanden mit normalen und dysfunktionalen vestibulären Organen könnte das Wissen über Anpassungsprozesse bei vestibulären Patienten an die veränderten eingehenden vestibulären Informationen fördern.
Das beschriebene Verfahren beinhaltet kritische Schritte für eine sichere und genaue Datenerfassung in einem 7 T MRT-Scanner. Erstens birgt die MRT-Umgebung mehrere Schwierigkeiten. Der Versuchsaufbau muss MRT-sicher sein, was im Vergleich zu einem Nicht-MRT-Aufbau Änderungen an der Eye-Tracking-Brille oder den Kabelverbindungen erfordern kann. Dies kann zu Kompromissen bei der Datenqualität führen. Außerdem müssen die Teilnehmer die MRT-Einschlusskriterien erfüllen und sollten die Unannehmlichkeiten des Prozesses tolerieren (z. B. das Neigen des Kopfes während des Liegens im MRT-Scanner für mehrere Minuten). Zweitens ist das Eye-Tracking im Scanner, insbesondere die Erfassung eines Torsionsnystagmus, schwierig und erfordert eine spezielle Software25. Bei der Torsion wird das Muster der Iris für die Nachführung verwendet, was qualitativ hochwertige Bilder erfordert und auch durch Unterschiede in den einzelnen Irismustern beeinflusst wird. Ein anderer Ansatz könnte die Verwendung von künstlichen Pigmentmarkern auf der Sklera3 sein, was für den Teilnehmer unangenehm sein kann. Drittens sind Selbstbewegungswahrnehmungen aufgrund von MVS nicht-veridisch und implizieren daher sowohl intravestibuläre als auch multisensorische Konflikte28. Daher ist die Verbalisierung dieser Kopf- und/oder Körperrotation und Übersetzungserfahrungen für die Teilnehmenden oft schwer zu beschreiben. Klare Anweisungen, die an die Forschungsfrage angepasst sind, sind von entscheidender Bedeutung. Wir empfehlen, bekannte Rotations- und Übersetzungsbegriffe zu verwenden, mit denen sich die Teilnehmer identifizieren können, damit sie ihre Wahrnehmungserfahrung besser beschreiben können. Für die Beurteilung spezifischer Bewegungsparameter können feinere Methoden verwendet werden, wie z. B. die Bewertung der Rotationsgeschwindigkeit über die Zeit7.
Das vorgestellte Setup ist durch die technischen Einschränkungen unserer Geräte begrenzt und könnte verbessert werden, wenn diese überwunden werden könnten. Um beispielsweise nicht nur die statische, sondern auch die dynamische Kopfposition innerhalb der Bohrung zu beurteilen, könnten die Magnetometerdaten auch mit Eye-Tracking- und Verhaltensdaten synchronisiert werden. Die Kalibrierung der Brille wäre besser, wenn sie vor jedem Lauf wiederholt würde. Auch die Länge des Eye-Tracking-Kabels ist von Bedeutung, da diese definiert, ob ein spontaner Nystagmus außerhalb des Scannerraums gemessen werden kann. Die beste Lösung wäre ein abnehmbares MRT-Bett, das außerhalb des Magnetfeldes bewegt werden kann. Der Bildschirm des Eye-Tracking-Computers muss jedoch vom Inneren des Scannerraums aus gesehen werden, um die Kalibrierung und Feinabstimmung der Eye-Tracking-Parameter zu ermöglichen, während der Zugriff auf die Brille besteht. In unserem Fall haben wir das über einen zweiten Bildschirm gelöst, der in Richtung des Fensters des Scannerraums gedreht wurde.
MVS könnte die Leistung und die Gehirnreaktionen in fMRT-Studien beeinflussen. In Studien, in denen vestibuläre Patienten mit gesunden Kontrollen verglichen wurden, konnte MVS aufgrund eines Unterschieds in der Stimulationsstärke anstelle anderer Patientenmerkmale zu Gruppenunterschieden führen. Um Störeffekte zu kontrollieren, ist das aktuelle Setup sowohl zeitlich als auch finanziell (Ausrüstung) ein zeitaufwändiger Prozess. Alternativ könnte es hilfreich sein, den Kopf für kleine Winkel7,23 nach oben zu neigen (soweit es die Kopfspule zulässt) oder Kovariaten, wie z.B. die Orientierung der Gleichgewichtsorgane mit MRT wie obenbeschrieben 23,30 und/oder Nystagmus (z. B. neuere fMRT-basierte Eye-Tracking-Ansätze 32).
Disclosures
Keine Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Wir danken den Teilnehmern und dem MR-Team sowie den Gutachtern, deren wertvolle Kommentare die Qualität des Manuskripts verbessert haben. Wir danken D. S. Zee für seine wertvollen Ratschläge. Wir sind dankbar, dass die DIATEC AG für das Experiment einen Eye-Tracking-Laptop zur Verfügung gestellt hat. Das Projekt wird durch einen SITEM-Insel-Förderbeitrag der Universität Bern unterstützt, der an FWM und GM vergeben wird.
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 |
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