Summary
이 기사에서는 7 Tesla 자기 공명 단층 촬영(7T-MRT) 스캐너에서 자기 전정 자극 하에서 반사적 안구 운동, 자기 움직임 인식 및 인지 작업과 전정 기관의 해부학적 방향을 평가하기 위한 실험 설정, 재료 및 절차를 설명합니다.
Abstract
강한 자기장은 반원관의 큐큘라에 작용하는 로렌츠 힘으로 인해 현기증, 현기증 및 안진을 유발하며, 이를 자기 전정 자극(MVS)이라고 합니다. 이 기사에서는 강한 자기장이 안진과 지각 및 인지 반응에 미치는 영향을 조사할 수 있는 7T MRT 스캐너(MRI 스캐너)의 실험 설정을 제시합니다. MVS의 강도는 참가자의 머리 위치를 변경하여 조작됩니다. 정적 자기장에 대한 참가자의 반원형 운하의 방향은 정상 상태(3D-CISS) 이미지에서 3D 자력계와 3D 보강 간섭을 결합하여 평가됩니다. 이 접근 방식을 통해 MVS에 대한 참가자의 응답에서 개인 간 및 개인 간 차이를 설명할 수 있습니다. 앞으로 MVS는 전정 장애의 보상 과정 조사와 같은 임상 연구에 유용 할 수 있습니다. 또한, 공간 인지와 상충되는 감각 정보 하에서 자기 움직임 지각의 출현 측면에서 전정 정보와 인지 과정 사이의 상호 작용에 대한 통찰력을 촉진할 수 있습니다. fMRI 연구에서 MVS는 특히 전정 정보의 영향을 받는 작업이나 전정 환자와 건강한 대조군을 비교하는 연구에서 가능한 교란 효과를 이끌어낼 수 있습니다.
Introduction
강한 자기장, 즉 1T 이상은 현기증, 현기증 및 안진을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 이를 자기 전정 자극(MVS)이라고 합니다1,2,3. 전정계는 내이에 위치하며 3개의 반원관을 사용하여 회전축(요, 피치, 롤) 주위의 가속도와 2개의 황반 기관인 요실 및 주머니를 사용하여 병축(비후두, 청간 및 머리 수직)을 따라 가속도를 측정합니다(그림 1A 참조). MVS 효과의 출현은 전정계(1,2)의 반원형 운하의 큐큘라에 작용하는 이온 전류 유도 로렌츠 힘으로 설명할 수 있습니다.
MVS의 효과는 전계 강도가 높을수록 증가합니다 3,5. 자극은 두 가지 다른 구성 요소에 의해 발생합니다. 첫째, MRI 스캐너의 B0 필드를 통해 참가자를 보어로 이동하면 큐큘라에 작용하는 로렌츠 힘을 유도하는 동적 자기장이 발생합니다. 둘째, 실험 중에 참가자가 움직이지 않고 누워있는 MRI 스캐너의 정적 자기장도 일정한 로렌츠 힘을 유발합니다. 따라서 MRI 스캐너를 사용하는 모든 실험에서 참가자의 전정 시스템은 정적 자기장에 의해 지속적으로 자극됩니다. 여기에는 모든 fMRI 연구, 특히 초고 자기장 (> 3 T)에 대한 연구가 포함됩니다.
안진은 움직이거나 움직이거나 강한 자기장에 정적으로 휴식을 취함으로써 유발됩니다. 운동 관련 힘은 강한 안진을 유발하며, 이는 몇 분 후에 붕괴됩니다6. 정적 자기장 하에서 유도된 안진은 약하고 시간이 지남에 따라 점차 감소하지만 노출 중에 완전히 사라지지는 않습니다. 안진의 방향은 자기장의 극성에 따라 달라지며 자기장 6,7,8에서 철수하면 반전됩니다. MVS는 주로 수평 및 상부 운하에서 작용하여 반사적 안구 운동, 즉 대부분 수평 및 비틀림 안진과 수직 안진9을 유발합니다. 양측 전정 환자에서는 안진이 관찰되지 않으며1, 편측 전정 환자에서는 더 뚜렷한 수직 안진 성분이 존재한다10. 안진은 비자발적이기 때문에 전정 자극의 강도에 적합한 척도입니다. 안진은 시각적 고정에 의해 억제될 수 있습니다. 따라서 안구 운동은 완전한 어둠 속에서 평가되어야합니다.
비현실적인 자기 움직임 인식, 현기증 및 현기증은 특히 3T 이상의 전계 강도에서 보어 안팎으로 이동하는 동안 참가자가 설명하는 경우가 많습니다. 자기 운동의 지각은 대부분 롤의 회전으로 설명되었으며, 그보다는 덜하지만 요 및 피치 평면7 에서 설명되었습니다 ( 그림 1A 참조). 안진은 노출 기간 동안 지속되지만 자기 움직임 인식은 일반적으로 1-3분후에 사라집니다 7. MVS의 일정한 부분은 의식적인 자기 움직임 인식을 동반하지 않는 장기간의 전정 입력을 허용하기 때문에 그 자체로 흥미로운 자극입니다.
칼로리 또는 갈바닉 전정 자극, 수동 운동 또는 미세 중력을 사용한 연구에서, 전정 정보는 공간 작업 11,12 및 그 신경 상관 관계13의 수행에 영향을 미칠 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 강한 자기장 내부로 이동하거나 이동하는 것은 인지 능력에 영향을 미치는 것으로 보고되었습니다14,15. 한 연구에서는 MVS가 비사실적 자기 움직임 인식으로 인해 현실감 상실 증상을 유발할 수 있음을 발견했습니다16. 그러나 자기장에서 정적으로 쉬는 것의 영향을 조사한 연구는 시각적 정확도17,18,19,20의 반복적인 저하를 제외하고는 신경심리학적 과제에 관한 결정적인 결과를 보여주지 못했습니다. 최근에, MVS가 방치와 같은 편향(neglect-like bias)을 유도함으로써 공간적 주의를 변화시킬 수 있다는 첫 번째 증거가 발견되었다21. 이것은 MVS가 더 높은인지 기능을 측정하는 행동 작업의 성능에 영향을 미칠 수 있는지에 대한 질문을 제기합니다. 예를 들어, MVS가 공간 추론, 즉 물체와 자신의 신체 회전을 정신화하는 능력에 어느 정도 영향을 미치는지는 불분명합니다.
휴지 상태 활동을 분석한 신경영상 연구는 MVS가 디폴트 모드 네트워크(3,22)의 변화를 유도할 수 있다는 것을 보여주었고, 이는 자기장 방향(23)에 대한 전정 장기의 피험자-특이적 해부학적 배향에 의해 설명될 수 있다. fMRI 실험과 관련하여 MVS의 효과는 연구 설계에서 신중하게 고려되어야 합니다. 또한 MVS는 fMRI 실험에 사용되는 갈바닉 또는 전정 자극을 방해할 수 있습니다. 양측 전정 환자에서 MVS의 효과가 없기 때문에 온전하고 기능 장애가 있는 전정 시스템을 가진 참가자를 비교하는 신경 영상 연구에서 교란 요인으로 작용할 수 있습니다1.
MVS의 효과를 평가하고 참가자 내에서 MVS의 다양한 강도를 비교하기 위해 여기에서는 안진, 자기 움직임 인식, 인지 능력 및 7T MRI 스캐너 내부의 운하의 해부학적 위치를 측정하기 위한 실험적 및 기술적 설정을 설명합니다( 그림 2 참조). 설명된 설정은 MVS에서 전정 및 고등 인지 기능을 구체적으로 조사하거나 fMRI 연구에서 MVS의 가능한 교란 효과를 평가 및 제어하기 위한 실험에 적용 및 사용할 수 있습니다.
흥미롭게도, MVS의 강도는 머리 위치를 변경함으로써 조절될 수 있으며, 따라서 자기장의 방향에 대한 전정 말단 기관의 방향을 변경함으로써 조절될 수 있습니다. MVS의 효과는 대부분의 참가자에서 머리를 몸쪽으로 앞으로 기울이면(턱에서 가슴까지) 줄일 수 있습니다1,24. 따라서 피치 축에서 헤드 위치를 변경하면 서로 다른 자극 강도에서 측정 가능한 MVS 효과를 비교할 수 있습니다.
이 절차에서 MVS의 강도는 두 머리 위치 간의 측정값을 비교하여 참가자 내에서 조작되었습니다( 그림 1B 참조). 더 강한 MVS를 이끌어내야 하는 조건에서 참가자는 Reid의 평면과 대략 지구 수직 방향(앙와위 자세)으로 스캐너에 앙와위로 누워 있었습니다. 더 약한 MVS를 이끌어내야 하는 조건에서 참가자의 머리는 전방으로 약 30° 기울어졌습니다(기울어진 위치). 안진이 존재하지 않는 누운 자세와 누운 자세를 비교하는 것은 이론적으로 가능하다1. 그러나 널 위치에 필요한 피치 기울기는 참가자마다 다르며 위치를 테스트하기 위해 참가자를 스캐너 안팎으로 재배치하고 이동하는 여러 인스턴스가 필요하기 때문에 결정하는 데 시간이 많이 걸립니다. 이것은 대부분의 연구 설계에서 실현 가능하지 않을 수 있습니다. 앙와위와 기울어진 두 개의 머리 위치를 사용하면 참가자 간 및 참가자 내 작업의 자기 동작 인식 또는 성과와 같은 다양한 측정을 비교할 수 있습니다.
그림 1: 자기장에서 머리 위치의 축과 평면 . (A) 머리의 머리 수직(HV), 귀간(IA) 및 비후두(NO) 축. 자기장의 방향(B0)은 참가자가 앙와위 자세(31)에서 보어 내부에 누워 있을 때 머리 수직 축(HV)과 정렬됩니다. (B) 기울어진 자세(약 30°에서 피치 평면에서 위쪽으로 기울어진 머리)보다 대부분의 참가자에서 더 강한 MVS를 유도하는 것으로 알려진 앙와위 자세(똑바로 누워 있음)와 함께 실험 중 두 머리 위치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이미징 없이 실험을 실행하는 동안 전정 장기의 방향을 결정하기 위해 참가자의 머리에 3D 자력계를 부착하고 자기장의 Z축에 대한 프로브의 방향을 측정했습니다(그림 3B). 자기장에서 전정 기관의 방향은 고해상도 해부학적 3D-CISS 시퀀스로 평가되었습니다. 이미지 획득 중에 자력계를 물 피펫으로 교체했습니다(그림 3D). 이를 통해 자기장의 Z 축 방향에 대한 자력계의 방향을 추출하고이를 내이 구조에 정렬 할 수있었습니다. 그런 다음 실험 기간 동안 전정 기관의 방향에 대한 결론을 도출 할 수 있습니다.
안진은 MRI에 적합한 고글로 추적되었습니다(그림 3C). MVS는 수평 및 때로는 수직뿐만 아니라 비틀림 안진도 유발합니다. 따라서 비틀림 안구 운동 9,25을 추적 할 수있는 소프트웨어를 사용하는 것이 좋습니다.
자기 운동 지각은 지각7 동안(보어에 들어가고 나가는 동안) 그리고 자기 운동 지각이 사라진 후, 예를 들어 설문지로 평가할 수 있습니다. 참가자에게 진실하지 않은 자기 움직임을 구두로보고하는 것은 종종 어렵 기 때문에 참가자를 잘 가르치는 것이 중요합니다. 우리는 자기 움직임 인식과 인지 능력을 측정할 수 있는 프로토콜을 표시하지만 연구 질문에 크게 의존하기 때문에 작업이나 설문지를 지정하지 않습니다. 그러나 우리는 예제 설문지와 패러다임26을 제공합니다.
그림 2: 실험의 기술 설정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
요약하면, MVS는 전정 자극이 안진, 지각 및 인지 과정에 미치는 영향을 조사하고 전정 기능 장애가 있는 환자의 습관화 과정을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 큐퓰라에 대한 정적 자기장의 영향은 자기장에 노출되는 동안 일정하게 유지됩니다. 이것은 일정한 회전 가속도를 시뮬레이션하기 때문에 MVS는 전정 기능과 지각 및 인지에 미치는 영향을 조사하는 흥미롭고 적합한 방법입니다27,28. 공간 추론과 같은 더 높은 인지 기능에 대한 전정 정보의 영향에 관한 연구 질문을 구체적으로 해결하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 전정계의 일방적 부전에 대한 적절한 비침습적 모델로 작용하며, 이는 전정환자에서 발생할 수 있는 보상 과정을 연구할 수 있게 한다28. 또한, 행동 및 신경 상관 관계가 전정 자극에 의해 변경될 수 있고 강한 정적 자기장에서 전정 환자를 조사할 때 방해가 될 수 있기 때문에 fMRI 연구에서 MVS의 교란 효과를 고려하는 것이 중요합니다.
Protocol
다음 단계는 헬싱키 선언을 준수하고 스위스 베른 주 윤리 위원회(2019-02468)의 승인을 받은 연구의 일부입니다. 모든 참가자는 연구 참여 전에 서면 동의서를 제출했습니다.
참고: MVS 실험 전에 설문지(예: 현기증 핸디캡 인벤토리29), 바이열 칼로리 테스트, 회전펜듈러 테스트, 머리 임펄스 테스트(HIT), 주관적 시각 수직(SVV), 전정 유발 근형성 전위(c-VEMP), 안구 전정 근 전위(o-VEMP), 동적 시력(DVA) 및/또는 동적 자세 조영술.
1. 스캐너실에서 실험 설정 준비(그림 2)
주의 : 스캐너 실로 가져온 모든 재료는 MRI에 안전해야합니다.
- 실험 컴퓨터와 시선 추적 컴퓨터를 크로스오버 이더넷 케이블로 연결하여 데이터 수집을 동기화할 수 있습니다.
- 참가자가 조작하는 응답 버튼을 응답 박스를 통해 실험 컴퓨터와 연결합니다.
- 실험 컴퓨터에 연결된 프로젝터를 켭니다.
- 자력계 장치를 USB 커넥터에 연결하여 자력계 컴퓨터에 연결합니다.
알림: 3D 자력계는 매우 높은 전계 강도에 적합하고 보정되어야 합니다. 이 연구에 사용된 소프트웨어에서는 단위 = Tesla, 범위 = 20.00, 획득 속도 = 100.00Hz 설정이 선택되었습니다. - 차폐된 Firewire 케이블을 사용하여 시선 추적 고글을 시선 추적 컴퓨터에 연결합니다.
참고: 케이블이 충분히 길지 않은 경우, 시선 추적 고글을 조정할 수 있도록 스캐너실 내부에서 시선 추적 컴퓨터 화면을 볼 수 있어야 합니다. 필요한 경우 MRI실과 제어실 사이의 창 앞에 배치된 외부 스크린을 사용합니다. - 시선 추적 소프트웨어 9,25를 엽니 다.
2. MRI 스캐너 진입을 위한 참가자 준비
주의 : 다음 단계는 참가자와 직원의 안전에 매우 중요합니다.
- 참가자가 정보에 입각한 동의서를 읽고 서명하게 합니다.
- 참가자가 MRI 제외 기준을 충족하지 않는지 확인합니다. MRI에 안전한 의복을 제공하고, 금속 물체(예: 피어싱)를 제거하고, 임신 테스트기(해당되는 경우)를 제공합니다.
알림: MR 안전 기준은 https://mr-gufi.de/index.php/dokumente 를 참조하십시오. 기준은 연구 사이트마다 다릅니다. - 콘택트 렌즈, 아이섀도우, 마스카라를 완전히 제거합니다(더 나은 시선 추적을 위해).
3. 참가자에게 실험 절차 및 작업에 대해 알리기
- 실험 절차를 설명하고 작업에 대한 지침을 제공합니다. 참가자가 연습 시험을 완료하도록 합니다(해당되는 경우).
- 자기 움직임 인식이 평가되면 참가자에게 특정 변환 및 회전 축에 대해 알립니다( 그림 1A 참조). 특정 동작에 대해 기억에 남는 용어를 사용하십시오, 예를 들어, 앙와위 자세(26)에서 요(머리-수직 축을 중심으로)에서의 회전에 대해 "바베큐 회전"을 사용하십시오.
4. 아이트래커 및 자력계 측정 준비
- 참가자의 머리에 탄성 머리띠와 EEG 캡을 씌웁니다(예: 전극이 없는 MRI 안전 EEG 캡)( 그림 3A 참조).
- 자력계를 탄성 헤드밴드와 EEG 캡 아래로 당겨 한쪽 귀 뒤(3D-CISS 시퀀스 이미지 범위 내에 있어야 함)에 고정합니다. 접착 테이프로 적절하게 고정합니다( 그림 3B 참조).
- EEG 캡 위에 시선 추적 고글을 착용합니다( 그림 3C 참조).
- 참가자가 귀마개를 삽입하게 합니다.
- 고글(왼쪽/오른쪽 센터링, 위/아래 센터링, 초점)과 소프트웨어(왼쪽/오른쪽 센터링, 위/아래 센터링, 동공 크기, 대비, 홍채 패턴)에서 시선 추적 매개변수를 조정하여 좋은 추적을 보장합니다.
그림 3: 참가자의 준비. (A) 자력계를 고정하기 위한 탄성 헤드밴드 및 EEG 캡(전극 없음). (B) 자력계는 한쪽 귀 뒤에 있습니다. (C) 시선 추적 고글이 장착되어 있습니다. (D) 자력계 프로브를 제거하고 이미징을 위해 물 피펫으로 교체합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5. 시선 추적 보정 파일 기록
알림: 보정은 모든 실행 전에 참가자가 스캐너로 이동하는 위치에서 수행하는 것이 가장 정확합니다. 여기에 보고된 절차는 덜 정확하지만 시간 및 기술적 제약으로 인해 선택되었습니다.
- 참가자가 교정 자극 앞에 1m 앞에 앉도록 합니다(예: 줄자로 눈 자극 거리 측정).
- 좋은 추적을 위해 소프트웨어에서 시선 추적 매개변수(동공 크기, 대비, 홍채 패턴)를 조정합니다.
- 기록을 눌러 데이터 수집을 시작합니다.
- 참가자가 왼쪽, 아래, 중간, 위, 오른쪽과 같은 구두 지시와 함께 1초 동안 모든 점(총 5개의 점, 연속으로 3개, 중간 위 1개, 중간 아래 1개, 점의 거리 10cm)을 보게 합니다.
- 중지를 눌러 데이터 수집을 중지합니다.
6. 스캐너에 들어가기 전에 자발적인 안진 측정
알림: 측정은 앙와위 자세에서 자기장 외부에서 발생할 때 가장 정확합니다. 이것은 분리 가능한 MRI 침대로 수행 할 수 있습니다. 사용할 수 없는 경우 이 연구에 사용된 설정에서와 같이 50mT 선 외부의 위치(바닥의 점선)를 선택해야 합니다. 측정 위치에서 자기장의 강도는 자력계(여기에 사용된 설정에서 0.02T)로 평가할 수 있습니다.
- 고글 덮개를 착용하고 참가자가 빛을 볼 수 없도록 합니다. 그렇지 않으면 참가자가 들어오는 빛을 제거하기 위해 검은색 천으로 머리를 가리게 합니다.
- 좋은 추적을 위해 소프트웨어에서 시선 추적 매개변수(동공 크기, 대비, 홍채 패턴)를 조정합니다. 참가자에게 눈을 크게 뜨라고 말합니다.
- 기록을 눌러 데이터 수집을 시작합니다.
- 최소 30초 동안 안구 운동을 측정합니다. 필요한 경우 시선 추적 매개변수를 다시 조정합니다.
- 중지를 눌러 데이터 수집을 중지합니다.
- 고글 커버를 벗습니다.
7. 실험 참가자 포지셔닝
- 참가자가 스캐너 침대에 눕게 합니다.
- 적절한 쿠션을 사용하여 첫 번째 조건(앙와위 또는 피치 평면에서 약 30°에서 위쪽으로 기울임)에 따라 참가자의 머리 기울기 위치를 조정합니다.
- 참가자의 머리 위에 거울을 놓고 화면이 참가자의 시야 내에 있도록 조정합니다.
- 참가자에게 각 손에 대한 응답 버튼을 제공합니다. 필요한 경우 테이프로 고정하십시오.
- 참가자가 고글 덮개를 착용하고 벗는 연습을 하여 구멍 안의 어두운 곳에서 할 수 있도록 합니다. 참가자는 필요한 만큼 오랫동안 이 작업을 반복하고 고글의 덮개로 마무리해야 합니다.
알림: 이 단계는 고글의 변위로 이어질 수 있으며, 이는 눈의 위치에 대한 측정에 영향을 줄 수 있습니다. 가능하면 이 단계 후에 보정을 수행하십시오. - 첫 번째 작업에 대한 지침을 반복하고 참가자에게 지침을 이해했는지 묻습니다.
- 좋은 추적을 위해 고글이나 소프트웨어에서 시선 추적 매개변수(동공 크기, 대비, 홍채 패턴)를 조정합니다.
- MRI 스캐너의 레이저 크로스를 사용하여 MRI 침대의 시작 위치를 조정하여 실험 중에 참가자의 내이 구조가 구멍 중앙에 있도록 합니다.
8. 참가자를 스캐너로 이동
- 해당하는 경우 Run을 누르고 실험 컴퓨터의 실험 소프트웨어에 참가자 및 시험 정보를 입력하여 자기 동작 인식 패러다임을 시작합니다.
- 시선 추적 소프트웨어에서 Record(기록)를 눌러 시선 추적 측정을 시작합니다(여기에 사용된 설정에서는 자체 동작 인식 패러다임에 의해 시작됨). 참가자에게 눈을 크게 뜨라고 말합니다.
- 자력계 소프트웨어에서 기록을 눌러 자력계 측정을 시작합니다.
- 참가자에게 달리기가 시작되고 있음을 알립니다.
- 스캐너 룸 내부에서 참가자를 보어로 이동하기 시작합니다.
- 3 분 후, 대부분의 참가자에서 자기 움직임에 대한 인식이 사라져야합니다. 따라서 시각적 자극(예: 설문지)을 제시해야 하는 경우 참가자들에게 고글의 덮개를 벗으라고 말하십시오.
참고: 아이트래킹은 눈을 가린 상태에서도 더 오랜 시간 동안 계속할 수 있습니다. - 해당되는 경우 실험 컴퓨터에서 실행을 눌러 시작하고 참가자가 응답 버튼을 통해 응답하도록 하여 화면에 셀프 모션 설문지를 제시합니다.
9. 인지 과제로 패러다임 제시
- 해당되는 경우 실험 컴퓨터에서 실행을 눌러 시작하고 참가자가 응답 버튼을 통해 응답하도록 하여 인지 작업이 있는 패러다임을 화면에 제시합니다. 이 시간 동안 자력계 방향을 평가합니다.
참고: 이제 참가자가 수행할 다양한 작업을 구현할 수 있습니다. 참가자가 고글을 착용하고 벗어 시선 추적과 화면 기반 패러다임 사이를 전환하도록 합니다.
10. 참가자를 스캐너 밖으로 이동
- 참가자가 고글 덮개를 씌우도록하십시오.
- 8-9 단계를 반복하십시오 ( "참가자를 보어에서 이동"하는 8.5 단계 제외)
11. 머리 위치 전환
- 적절한 쿠션(앙와위 또는 기울기)을 사용하여 머리 위치를 아직 평가되지 않은 위치로 전환하고 8.2-11단계를 반복합니다.
참고: 적절한 MRI 침대를 사용할 수 있는 경우 구멍에 반대로 들어가면 내이에 대한 필드 방향이 반전되기 때문에 참가자를 먼저 발로 구멍으로 옮기는 흥미로운 변형이 있을 수 있습니다.
12. 전정 기관의 방향 평가
- 자력계를 옮기지 않고 거울과 고글을 제거하십시오.
- 헤드 코일을 설치합니다.
- 자력계의 프로브를 제거하고 자력계의 덮개를 옮기지 않고 프로브를 물이 채워진 피펫으로 교체합니다( 그림 3D 참조).
- 자력계를 옮기지 않고 참가자의 머리를 헤드 코일 안에 넣습니다.
- 참가자를 스캐너로 이동합니다.
- 구조적 내이 이미징을 위한 3D-CISS 시퀀스를 획득합니다.
참고: 이 연구에서는 다음 매개변수가 사용되었습니다: 슬라이스 두께 0.4mm; 179mm × 179mm의 시야; 60°의 플립 각도; 8.29ms의 반복 시간(TR); 및 3.81ms의 에코 시간(TE). 이 3D-CISS의 획득 시간은 10 분 53 초였습니다. 상이한 서열이 다른 연구에서 사용되었다 23,30. - 참가자를 MRI 스캐너 밖으로 이동합니다.
13. 연구 종료
- 피펫, 캡, 헤드밴드 및 귀마개를 제거하고 참가자와 함께 스캐너 룸을 떠납니다.
- 해당되는 경우 참가자가 설문지를 작성하도록 합니다(예: 자기 움직임 인식, 조건 간의 경험적 차이, 기타 경험).
- 조사된 연구 질문에 대해 참가자에게 보고합니다(예: 자기장을 참조하여 머리 위치를 조작하여 안진, 자기 움직임 인식 및 인지 작업에 대한 MVS의 효과 측정).
Representative Results
시선 추적 데이터는 캡처된 수평 및 수직 안구 움직임을 보여줍니다(그림 4 참조). 비틀림 안구 운동(도시되지 않음)을 추적하는 것은 특정 소프트웨어(9, 25) 및/또는 정교한 후처리를 필요로 한다. 보정 기록은 단위를 픽셀에서 각도로 변환하는 데 사용됩니다. 꾸준한 추적(약 100Hz)에 도달하면 데이터의 품질이 양호하고 추출된 데이터에는 사소한 추적 아티팩트만 표시됩니다(주로 깜박임으로 인한 사소한 아티팩트의 예는 그림 4 참조). 자기장 이외의 다른 이유로 인해 안진을 배제하기 위해 실험 전에 MRI 스캐너 외부의 자발적인 안진을 평가해야 합니다.
그림 4: 시선 추적 데이터. 보정 중 수평 및 수직 눈 위치와 앙와위 머리 위치에서 MRI 스캐너 안팎으로 이동합니다. 데이터는 수평 안진 (nallowstagmus)을 보여 주며, 이는 보어 안팎으로 이동하는 사이를 반전시킵니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
자력계 데이터는 보어 내부 자기장의 Z축과 관련된 자력계 프로브의 위치를 보여줍니다(그림 5). 이상적으로는 추적된 데이터가 매끄럽게 보이고 보어 내부에 도달한 후 각 회전축에서 전계 강도에 변화가 없음을 보여줍니다. 따라서 참가자의 중요한 머리 움직임을 쉽게 감지할 수 있습니다.
그림 5: 자력계 데이터. 보어로 이동하는 3D 자력계의 데이터는 약 27초 후에 거의 7T의 최대 전계 강도를 보여줍니다. 움직임 아티팩트가 보이지 않아 참가자가 구멍에 들어가는 동안 머리를 움직이지 않았음을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3D-CISS 시퀀스는 7T MRI 스캐너로 획득했습니다. 3D-CISS 이미지에서 왼쪽 및 오른쪽 내이의 3D 표면 모델과 자력계 방향이 추출되었습니다( 그림 6 참조). 표면 모델은 의료 영상 처리 및 시각화 소프트웨어를 사용하여 생성되었습니다. 이를 통해 실험 중 자기장의 자력계 방향과 Z축에 대한 반원형 운하의 방향을 추출할 수 있습니다( 그림 7 참조).
그림 6: 3D CISS 이미지에서 추출한 3D 표면 모델. (A) 이전 자력계 위치의 물 피펫; (B) 오른쪽(빨간색) 및 (C) 왼쪽(파란색) 내이 구조(원래 위치 및 비율). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 3D-CISS 이미지에서 추출한 반원형 운하의 방향. 모든 반원형 운하에 대해 3 개의 랜드 마크가 선택되고 표면 법선 벡터가 계산됩니다 (수평 운하 : 녹색, 후방 운하 : 빨간색, 상부 운하 : 파란색). 이 벡터는 자력계 프로브 방향에 대한 프록시로서 물 피펫의 방향(검은색) 및 자기장의 Z축(여기에 표시되지 않음)과 관련이 있습니다. 밀리미터 단위(mm)(MR 영상의 절대 좌표). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3D-CISS 이미지에서 MRI 스캐너의 Z축에 대한 운하 및 자력계의 방향은 이미징 없이 두 번의 실행 동안 자력계의 방향과 결합될 수 있습니다. 이를 통해 다른 머리 위치에서 MVS 노출 동안 운하 방향을 재구성할 수 있습니다. 또는 모든 참가자의 사진과 부착된 자력계를 자기장 밖에서 촬영할 수 있습니다. 그런 다음 외부 얼굴 구조를 재구성하여 자력계 방향 측정값을 내이 구조 및 자기장의 방향과 매핑할 수 있습니다. 자기 움직임 지각 및 인지 작업(여기에 설명되지 않음)의 데이터는 위의 데이터와 함께 분석할 수 있습니다. 따라서 운하 위치, 시선 추적 데이터(수평, 수직 및 비틀림 안진)뿐만 아니라 보고된 자기 움직임 지각 및 행동 결과를 연결하여 실험의 특정 연구 질문에 답할 수 있습니다.
Discussion
보고된 설정은 안진, 자기 움직임 인식 및 인지 작업 수행에 대한 MVS 효과의 다양한 측면을 조사하는 데 적합합니다. 유도된 MVS 반응의 측정을 결합하면 뇌가 상충되는 전정 정보를 처리하는 방법과 같은 통찰력을 얻을 수 있고 전정 정보가 개인 간 및 개인 내 수준에서 지각 및 인지 과정에 어떻게 영향을 미치는지 보여줄 수 있습니다. 회전 의자와 같은 다른 전정 자극 방법과 달리 MVS는 지속적인 가속 자극을 유도하여 더 오래 지속되는 행동 연구에 적합하고 편측성 실패에 대한 비침습적 모델로 사용합니다 8,28. 따라서 이 접근 방식은 공간 인지와 상충되는 감각 정보 하에서 자기 움직임 지각의 출현 측면에서 전정 정보와 인지 과정 사이의 상호 작용에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 미래에는 MVS에 노출되는 동안 전정 불균형에 대한 급성기 조기 보상을 조사하기 위해 MVS의 사용이 임상 연구에서 활용될 수 있습니다. 이러한 발견은 전정 병변 후 보상 메커니즘과 연결될 수 있습니다. 정상 전정 기관과 기능 장애가 있는 전정 기관을 가진 참가자의 비교는 변경된 들어오는 전정 정보에 대한 전정 환자의 적응 과정에 대한 지식을 촉진할 수 있습니다.
설명된 절차에는 7T MRI 스캐너에서 안전하고 정확한 데이터 수집을 위한 중요한 단계가 포함되어 있습니다. 첫째, MRI 환경은 몇 가지 어려움을 내포하고 있습니다. 실험 설정은 MRI에 안전해야 하며, MRI가 아닌 설정과 비교하여 시선 추적 고글 또는 케이블 연결을 변경해야 할 수 있습니다. 이로 인해 데이터 품질이 저하될 수 있습니다. 또한 참가자는 MRI 포함 기준을 충족해야 하며 과정의 불편함(예: MRI 스캐너에 몇 분 동안 누워 있는 동안 머리를 기울이는 것)을 견뎌야 합니다. 둘째, 스캐너에서의 시선 추적, 특히 비틀림 안진의 획득은 어렵고 특수 소프트웨어25를 필요로 한다. 비틀림의 경우 홍채의 패턴이 추적에 사용되며, 이를 위해서는 고품질 이미지가 필요하며 개별 홍채 패턴의 차이에도 영향을 받습니다. 또 다른 접근법은 공막(3)에 인공 색소 마커를 사용하는 것일 수 있는데, 이는 참가자에게 불쾌감을 줄 수 있다. 셋째, MVS로 인한 자기 움직임 지각은 비사실적이며, 따라서 전정내 및 다감각 갈등을 암시한다28. 따라서 이러한 머리 및/또는 몸의 회전 및 번역 경험의 언어화는 종종 참가자에게 설명하기 어렵습니다. 연구 질문에 맞는 명확한 지침이 매우 중요합니다. 참가자가 자신의 지각 경험을 더 잘 설명할 수 있도록 공감할 수 있는 잘 알려진 순환 및 번역 용어를 사용하는 것이 좋습니다. 특정 모션 파라미터를 평가하기 위해, 시간 경과에 따른 회전 속도의 등급7과 같은 보다 세분화된 방법을 사용할 수 있다.
제시된 설정은 장비의 기술적 제약에 의해 제한되며 이를 극복할 수 있다면 개선될 수 있습니다. 예를 들어, 보어 내부의 정적 헤드 위치뿐만 아니라 동적 헤드 위치도 평가하기 위해 자력계 데이터를 시선 추적 및 행동 데이터와 동기화할 수도 있습니다. 고글의 보정은 모든 달리기 전에 반복하면 더 좋습니다. 또한 시선 추적 케이블의 길이는 스캐너실 밖에서 자발적인 안진을 측정할 수 있는지 여부를 정의하기 때문에 중요합니다. 가장 좋은 해결책은 자기장 외부로 이동할 수 있는 분리형 MRI 침대입니다. 그러나 고글에 액세스하는 동안 시선 추적 매개변수의 보정 및 미세 조정을 가능하게 하려면 시선 추적 컴퓨터 화면을 스캐너실 내부에서 볼 수 있어야 합니다. 우리의 경우 스캐너 룸 창 쪽으로 회전하는 두 번째 화면을 통해 이 문제를 해결했습니다.
MVS는 fMRI 연구에서 성능과 뇌 반응에 영향을 미칠 수 있습니다. 전정 환자와 건강한 대조군을 비교한 연구에서 MVS는 다른 환자 특성 대신 자극 강도의 차이로 인해 그룹 차이를 유발할 수 있습니다. 교란 MVS 효과를 제어하기 위해 현재 설정은 시간적으로나 재정적으로나 시간이 많이 소요되는 프로세스입니다(장비). 대안적으로, (헤드 코일에 의해 허용되는 범위까지) 작은각도들(7,23)에 대해 머리를 위쪽으로 기울이거나, 상술한 바와 같은 MRI(23,30)를 갖는 전정 장기들의 배향과 같은 공변량들을 평가하는 것(예를 들어, 최근의 fMRI-기반 시선-추적 접근법들(32))이 사용될 수 있다.
Disclosures
이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
참가자들과 MR 팀, 그리고 귀중한 의견으로 원고의 질을 향상시킨 심사위원님들께 감사드립니다. 귀중한 조언을 해주신 D. S. Zee에게 감사드립니다. DIATEC AG가 실험을 위해 시선 추적 노트북을 제공해준 것에 대해 감사드립니다. 이 프로젝트는 FWM과 GM에게 수여된 베른 대학교의 SITEM-Insel 지원 보조금으로 지원됩니다.
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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