I denne artikkelen beskriver vi eksperimentelt oppsett, materiale og prosedyrer for å vurdere refleksive øyebevegelser, selvbevegelsesoppfattelse og kognitive oppgaver under magnetisk vestibulær stimulering, samt den anatomiske orienteringen til vestibulære organer, i en 7 Tesla Magnetic resonance tomography (7T-MRT) skanner.
Sterke magnetfelt induserer svimmelhet, svimmelhet og nystagmus på grunn av Lorentz-krefter som virker på kupulaen i de halvcirkulære kanalene, en effekt som kalles magnetisk vestibulær stimulering (MVS). I denne artikkelen presenterer vi et eksperimentelt oppsett i en 7T MRT-skanner (MR-skanner) som gjør det mulig å undersøke påvirkning av sterke magnetfelt på nystagmus, samt perceptuelle og kognitive responser. Styrken til MVS manipuleres ved å endre hodeposisjonene til deltakerne. Orienteringen av deltakernes halvcirkelformede kanaler i forhold til det statiske magnetfeltet vurderes ved å kombinere et 3D-magnetometer og 3D-konstruktiv interferens i steady-state (3D-CISS) bilder. Denne tilnærmingen gjør det mulig å redegjøre for intra- og interindividuelle forskjeller i deltakernes svar på MVS. I fremtiden kan MVS være nyttig for klinisk forskning, for eksempel i undersøkelsen av kompenserende prosesser i vestibulære lidelser. Videre kan det fremme innsikt i samspillet mellom vestibulær informasjon og kognitive prosesser i form av romlig kognisjon og fremveksten av selvbevegelsespersepter under motstridende sensorisk informasjon. I fMRI-studier kan MVS fremkalle en mulig konfunderende effekt, spesielt i oppgaver påvirket av vestibulær informasjon eller i studier som sammenligner vestibulære pasienter med friske kontroller.
Sterke magnetfelt, dvs. over 1 T, er kjent for å indusere svimmelhet, svimmelhet og nystagmus, en effekt som kalles magnetisk vestibulær stimulering (MVS) 1,2,3. Det vestibulære systemet er plassert i det indre øret og måler akselerasjon rundt rotasjonsakser (yaw, pitch og roll) med tre halvsirkelformede kanaler og akselerasjon langs translasjonsakser (naso-occipital, inter-aural og hode-vertikal) med to makulaorganer, utricle og saccule4 (se figur 1A). Fremveksten av MVS-effekten kan forklares av en ionisk strømindusert Lorentz-kraft som virker på kupulaen i de halvsirkelformede kanalene i det vestibulære systemet 1,2.
Effekten av MVS øker med høyere feltstyrker 3,5. Stimuleringen skyldes to forskjellige komponenter. For det første, å flytte deltakeren inn i boringen gjennom B0-feltet til MR-skanneren resulterer i et dynamisk magnetfelt som fremkaller Lorentz-krefter som virker på kupulaen. For det andre forårsaker det statiske magnetfeltet til MR-skanneren der deltakerne ligger uten bevegelse under forsøkene, også en konstant Lorentz-kraft. Således, i alle eksperimenter ved hjelp av MR-skannere, blir deltakerens vestibulære system konstant stimulert av det statiske magnetfeltet. Dette inkluderer alle fMRI-studier, spesielt de i ultrahøye magnetfelt (> 3 T).
Nystagmus fremkalles ved å bli flyttet eller flytte, samt ved å hvile statisk i et sterkt magnetfelt. De bevegelsesrelaterte kreftene forårsaker sterk nystagmus, som forfaller etter et par minutter6. Nystagmus fremkalt under statiske magnetfelt er svakere og avtar gradvis over tid, men forsvinner ikke helt under eksponering. Nystagmusens retning avhenger av magnetfeltets polaritet og reverserer ved uttak fra magnetfeltet 6,7,8. MVS virker hovedsakelig på de horisontale og overordnede kanalene, noe som resulterer i refleksive øyebevegelser, dvs. for det meste horisontal og torsjonsnystagmus og i mindre grad vertikal nystagmus9. Hos bilaterale vestibulære pasienter kan ingen nystagmus observeres1, og hos ensidige vestibulære pasienter er mer uttalt vertikale nystagmuskomponenter tilstede10. Siden nystagmus er ufrivillig, er det et godt egnet mål for styrken av vestibulær stimulering. Nystagmus kan undertrykkes ved visuell fiksering; Derfor må øyebevegelser vurderes i stummende mørke.
Ikke-veridisk selvbevegelsesoppfattelse, svimmelhet og svimmelhet beskrives ofte av deltakerne mens de flyttes inn i eller ut av boringen, spesielt i feltstyrker over 3 T. Perceptene av selvbevegelse har for det meste blitt beskrevet som rotasjoner i rull og i mindre grad i yaw og pitchplan7 (se figur 1A). Mens nystagmus vedvarer over eksponeringens lengde, forsvinner selvbevegelsesoppfattelsen vanligvis etter 1-3 min7. Den konstante delen av MVS er i seg selv en interessant stimulering, siden den muliggjør langvarig vestibulær inngang som ikke ledsages av bevisst selvbevegelsesoppfattelse.
Fra studier ved bruk av kalorisk eller galvanisk vestibulær stimulering, passiv bevegelse eller mikrogravitasjon, er det kjent at vestibulær informasjon kan påvirke ytelsen i romlige oppgaver 11,12 og dens nevrale korrelater13. Å bli flyttet eller bevege seg inne i sterke magnetfelt har blitt rapportert å påvirke kognitiv ytelse14,15. En studie fant at MVS muligens kunne føre til symptomer på derealisering på grunn av ikke-veridisk selvbevegelsesoppfattelse16. Imidlertid har studier som undersøker påvirkningen av å hvile statisk i magnetfelt ikke vist avgjørende resultater angående nevropsykologiske oppgaver, bortsett fra en replikert forverring i visuell nøyaktighet17,18,19,20. Nylig har første bevis blitt funnet at MVS kan endre romlig oppmerksomhet ved å indusere en forsømmelseslignende skjevhet21. Dette reiser spørsmålet om MVS kan påvirke ytelsen i atferdsoppgaver som måler høyere kognitive funksjoner. For eksempel er det uklart i hvilken grad MVS påvirker romlig resonnement, dvs. evnen til å mentalisere objekter og egen kroppsrotasjon.
Neuroimaging studier som analyserer hviletilstandsaktivitet har vist at MVS kan indusere endringer i standardmodusnettverk3,22, noe som kan forklares ved fagspesifikk anatomisk orientering av vestibulære organer i forhold til magnetfeltretningen 23. Når det gjelder fMRI-eksperimenter, må effekten av MVS vurderes nøye i utformingen av studien. Videre kan MVS forstyrre galvanisk eller vestibulær stimulering som brukes i fMRI-eksperimenter. Det kan fungere som en confounder i neuroimaging studier som sammenligner deltakere med intakte og dysfunksjonelle vestibulære systemer, da effekten av MVS er fraværende hos bilaterale vestibulære pasienter1.
For å vurdere effekten av MVS og sammenligne ulike styrker av MVS hos deltakerne, beskriver vi her et eksperimentelt og teknisk oppsett for å måle nystagmus, selvbevegelsespersepsjon, kognitiv ytelse og kanalens anatomiske posisjon inne i en 7 T MR-skanner (se figur 2). Det beskrevne oppsettet kan tilpasses og brukes til eksperimenter for å spesifikt undersøke vestibulære og høyere kognitive funksjoner under MVS eller for å vurdere og kontrollere for mulige forstyrrende effekter av MVS i fMRI-studier.
Interessant nok kan styrken til MVS moduleres ved å endre hodeposisjonen og derfor endre orienteringen til de vestibulære endeorganene i forhold til retningen av magnetfeltet. Effekten av MVS kan reduseres hos de fleste deltakerne ved å vippe hodet fremover mot kroppen (hake mot bryst)1,24. Dermed gjør endring av hodeposisjonen i stigningsaksen det mulig å sammenligne målbare MVS-effekter under forskjellige stimuleringsstyrker.
I denne prosedyren ble styrken til MVS manipulert hos deltakerne ved å sammenligne målinger mellom to hodeposisjoner (se figur 1B). I den tilstanden som skulle fremkalle sterkere MVS, lå deltakeren liggende liggende i skanneren med en tilnærmet jordvertikal orientering av Reids plan (liggende posisjon). I den tilstanden som skulle fremkalle svakere MVS, ble deltakerens hode vippet ca. 30° i tonehøyde mot fronten (skråstilt stilling). Det er teoretisk mulig å sammenligne den bakre posisjonen med en nullposisjon der ingen nystagmus er tilstede1. Den nødvendige tonehøydehellingen for nullposisjonen er imidlertid forskjellig for hver deltaker og tidkrevende å bestemme, da dette krever flere tilfeller av omplassering og flytting av deltakeren inn og ut av skanneren for å teste posisjonen. Dette er kanskje ikke gjennomførbart for de fleste studiedesign. De to hodeposisjonene, liggende og skråstilte, gjør det mulig å sammenligne ulike mål, for eksempel selvbevegelsesoppfattelse eller ytelse i oppgaver mellom og innenfor deltakerne.
Figur 1: Akser og plan for hodeposisjon i magnetfeltet . (A) Hode-vertikal (HV), inter-aural (IA) og naso-occipital (NO) akse av hodet. Retningen av magnetfeltet (B0) justeres med hode-vertikal akse (HV) når deltakerne ligger inne i boringen i en liggende posisjon31. (B) De to hodeposisjonene under eksperimentet, med den bakre posisjonen (liggende rett) kjent for å fremkalle sterkere MVS hos de fleste deltakerne enn den vippede posisjonen (hodet vippet oppover i stigningsplanet ved ca. 30°). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
For å bestemme hvordan de vestibulære organene var orientert under eksperimentelle løp uten avbildning, festet vi et 3D-magnetometer til deltakernes hoder og målte sondens orientering i forhold til magnetfeltets Z-akse (figur 3B). Orienteringen av de vestibulære organene i magnetfeltet ble vurdert med en høyoppløselig anatomisk 3D-CISS-sekvens. Under bildeinnsamling ble magnetometeret erstattet med en vannpipette (figur 3D). Dette tillot å trekke ut orienteringen til magnetometeret i forhold til retningen av Z-aksen til magnetfeltet og justere det til de indre ørestrukturene. Vi kan da trekke konklusjoner om orienteringen av de vestibulære organene gjennom hele forsøkets varighet.
Nystagmus ble sporet med MR-egnede vernebriller (figur 3C). MVS fremkaller ikke bare horisontal og noen ganger vertikal, men også torsjonsnystagmus; Derfor anbefales det å bruke programvare som også muliggjør sporing av torsjonelle øyebevegelser 9,25.
Selvbevegelsespersepter kan vurderes under persepsjon7 (mens du går inn og ut av boringen) og etter at selvbevegelsesperceptene forsvinner, for eksempel med spørreskjemaer. Det er viktig å instruere deltakerne godt, da verbal rapportering av ikke-veridical selvbevegelse ofte er vanskelig for deltakerne. Vi angir i protokollen hvor selvbevegelsesoppfattelsen og kognitiv ytelse kan måles, men spesifiserer ikke oppgavene eller spørreskjemaene, da de sterkt avhenger av forskningsspørsmålet. Vi gir imidlertid eksempler på spørreskjemaer og paradigmer26.
Figur 2: Teknisk oppsett av eksperimentet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Oppsummert kan MVS brukes til å undersøke innflytelsen av vestibulær stimulering på nystagmus, oppfatning og kognitive prosesser, samt å studere habitueringsprosesser hos pasienter med vestibulær dysfunksjon. Effekten av det statiske magnetfeltet på kupulaen forblir konstant gjennom eksponeringen for magnetfeltet. Siden dette simulerer en konstant rotasjonsakselerasjon, er MVS en interessant og egnet metode for å undersøke vestibulær funksjon og dens innflytelse på persepsjon og kognisjon27,28. Det kan brukes til å spesifikt ta opp forskningsspørsmål om påvirkning av vestibulær informasjon på høyere kognitive funksjoner, for eksempel romlig resonnement. Det fungerer som en egnet ikke-invasiv modell for ensidig svikt i vestibulærsystemet, noe som muliggjør studier av kompenserende prosesser som kan oppstå hos vestibulære pasienter28. Videre er det viktig å vurdere de forvirrende effektene av MVS i fMRI-studier, da atferdsmessige og nevrale korrelater kan endres ved vestibulær stimulering og også forstyrre når man undersøker vestibulære pasienter i et sterkt statisk magnetfelt.
Det rapporterte oppsettet er egnet til å undersøke ulike aspekter av MVS-effekter på nystagmus, selvbevegelsesoppfattelse og ytelse i kognitive oppgaver. Kombinere tiltakene i den fremkalte MVS-responsen kan gi innsikt som hvordan hjernen behandler motstridende vestibulær informasjon og vise hvordan vestibulær informasjon påvirker perseptuelle og kognitive prosesser på inter- og intra-individuelt nivå. I motsetning til andre vestibulære stimuleringsmetoder, som rotasjonsstoler, fremkaller MVS en konstant akselerasjonsstimulus, noe som gjør den egnet for langvarige atferdsstudier og bruk som en ikke-invasiv modell for ensidig svikt 8,28. Derfor kan denne tilnærmingen gi innsikt i samspillet mellom vestibulær informasjon og kognitive prosesser når det gjelder romlig kognisjon og fremveksten av selvbevegelsespersepter under motstridende sensorisk informasjon. I fremtiden kan bruk av MVS utnyttes i klinisk forskning, for eksempel for å undersøke akutt stadium tidlig kompensasjon til vestibulær ubalanse under eksponering for MVS. Disse funnene kan da knyttes til kompensasjonsmekanismer etter vestibulære lesjoner. Sammenligningen av deltakere med normale og dysfunksjonelle vestibulære organer kan fremme kunnskap om tilpasningsprosesser hos vestibulære pasienter til den endrede innkommende vestibulære informasjonen.
Den beskrevne prosedyren inkluderer kritiske trinn for sikker og nøyaktig datainnsamling i en 7 T MR-skanner. For det første utgjør MR-miljøet flere vanskeligheter. Det eksperimentelle oppsettet må være MR-trygt, noe som kan kreve endringer i øyesporingsbrillene eller kabelforbindelsene i forhold til et ikke-MR-oppsett. Dette kan føre til kompromitteringer i datakvaliteten. Deltakerne må også oppfylle MR-inklusjonskriteriene og bør tolerere ulempen ved prosessen (f.eks. vippe hodet mens de ligger i MR-skanneren i flere minutter). For det andre er øyesporing i skanneren, spesielt oppkjøpet av torsjonsnystagmus, vanskelig og krever spesialisert programvare25. For torsjon brukes irismønsteret til sporing, noe som krever bilder av høy kvalitet og påvirkes også av forskjeller i individuelle irismønstre. En annen tilnærming kan være å bruke kunstige pigmentmarkører på sclera3, noe som kan være ubehagelig for deltakeren. For det tredje er selvbevegelsespercepter på grunn av MVS ikke-veridiske og innebærer dermed intravestibulære så vel som multisensoriske konflikter28. Derfor er verbaliseringen av disse hode- og/eller kroppsrotasjons- og oversettelsesopplevelsene ofte vanskelige å beskrive for deltakerne. Klare instrukser tilpasset problemstillingen er av avgjørende betydning. Vi anbefaler å bruke velkjente rotasjons- og oversettelsestermer som deltakerne kan forholde seg til, slik at de bedre kan beskrive sin perseptuelle opplevelse. For å vurdere spesifikke bevegelsesparametere kan mer finkornede metoder brukes, for eksempel rangeringer av rotasjonshastighet over tid7.
Det presenterte oppsettet er begrenset av de tekniske begrensningene til utstyret vårt og kan forbedres hvis disse kan overvinnes. For eksempel, for å vurdere ikke bare statisk, men også dynamisk hodeposisjon inne i boringen, kan magnetometerdataene også synkroniseres med øyesporings- og atferdsdata. Kalibreringen av brillene ville være bedre hvis den gjentas før hver løpetur. Lengden på øyesporingskabelen er også av betydning, da dette definerer om spontan nystagmus kan måles utenfor skannerrommet. Den beste løsningen ville være en avtakbar MR-seng, som kan flyttes utenfor magnetfeltet. Imidlertid må øyesporingsskjermen ses fra innsiden av skannerrommet for å muliggjøre kalibrering og finjustering av øyesporingsparametrene mens du har tilgang til brillene. I vårt tilfelle løste vi det via en annen skjerm rotert mot skannerromvinduet.
MVS kan påvirke ytelse og hjernerespons i fMRI-studier. I studier som sammenlignet vestibulære pasienter med friske kontroller, kunne MVS føre til gruppeforskjeller på grunn av forskjell i stimuleringsstyrke i stedet for andre pasientkarakteristika. For å kontrollere forvirrende MVS-effekter er det nåværende oppsettet en tidkrevende prosess både tidsmessig og økonomisk (utstyr). Alternativt kan det være nyttig å vippe hodet oppover i små vinkler 7,23 (i den grad hodespolen tillater det) eller vurdere kovariater, for eksempel orienteringen av vestibulære organer med MR som beskrevet ovenfor23,30 og/eller nystagmus (f.eks. nylige fMRI-baserte øyesporingstilnærminger 32).
The authors have nothing to disclose.
Vi takker deltakerne og MR-teamet, samt korrekturleserne hvis verdifulle kommentarer forbedret kvaliteten på manuskriptet. Vi takker D. S. Zee for hans verdifulle råd. Vi er takknemlige for at DIATEC AG leverte en iøynefallende bærbar PC til eksperimentet. Prosjektet støttes av et SITEM-Insel-støttestipend fra Universitetet i Bern tildelt FWM og GM.
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 |