Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Følgende trinn var en del av en studie som samsvarte med Helsinkideklarasjonen og ble godkjent av etikkomiteen i Canton Bern, Sveits (2019-02468). Alle deltakerne ga sitt skriftlige informerte samtykke før studiedeltakelse.
MERK: Det anbefales å vurdere deltakernes vestibulære funksjon før MVS-eksperimentet med standard vestibulære diagnostiske tester som spørreskjemaer (f.eks. Svimmelhet handikapbeholdning29), biterme kaloritester, roterende pendulære tester, hodeimpulstester (HIT), subjektive visuelle vertikale (SVV), vestibulære fremkalte myogene potensialer (c-VEMP), okulære vestibulære myogene potensialer (o-VEMP), dynamisk synsstyrke (DVA) og / eller dynamisk posturografi.
1. Klargjøring av eksperimentoppsettet i skannerrommet (figur 2)
FORSIKTIG: Alt materiale som tas med inn i skannerrommet må være MR-sikkert.
- Koble den eksperimentelle datamaskinen og øyesporingsdatamaskinen med en crossover Ethernet-kabel for å muliggjøre synkronisering av datainnsamling.
- Koble svarknappene som betjenes av deltakeren med den eksperimentelle datamaskinen via svarboksen.
- Slå på projektoren som er koblet til den eksperimentelle datamaskinen.
- Koble magnetometerenheten til magnetometerdatamaskinen ved å koble den til USB-kontakten.
MERK: 3D-magnetometeret må være egnet og kalibrert for ultrahøy feltstyrke. I programvaren som ble brukt i denne studien, ble følgende innstillinger valgt: Enheter = Tesla, Range = 20,00, Oppkjøpsrate = 100,00 Hz. - Koble briller for øyesporing til datamaskinen for øyesporing med en skjermet firewire-kabel.
MERK: Med mindre kabelen er lang nok, må dataskjermen for øyesporing ses fra innsiden av skannerrommet for å muliggjøre justering av øyesporingsbrillene. Bruk eventuelt en ekstern skjerm plassert foran vinduet mellom MR-rommet og kontrollrommet. - Åpne øyesporingsprogramvaren 9,25.
2. Forberedelse av deltakeren for å gå inn i MR-skanneren
FORSIKTIG: Følgende trinn er avgjørende for deltakernes og personalets sikkerhet.
- La deltakeren lese og signere det informerte samtykket.
- Bekreft at deltakeren ikke oppfyller MR-ekskluderingskriteriene. Gi MR-sikre klær, fjern metallgjenstander (f.eks. piercinger) og gi en graviditetstest (hvis aktuelt).
MERK: For MR-sikkerhetskriterier, se https://mr-gufi.de/index.php/dokumente. Kriteriene varierer mellom forskningsstedene. - Fjern kontaktlinser, øyenskygge og mascara grundig (for bedre øyesporing).
3. Informere deltakeren om eksperimentelle prosedyrer og oppgaver
- Forklar eksperimentell prosedyre og gi instruksjoner om oppgavene. La deltakeren fullføre øvelsesforsøk (hvis aktuelt).
- Hvis selvbevegelsesoppfattelse vurderes, informer deltakeren om spesifikke oversettelsesakser og rotasjonsakser (se figur 1A). Bruk minneverdige termer for de spesifikke bevegelsene, for eksempel "grillrotasjon" for rotasjoner i yaw (rundt hode-vertikal akse) i liggende posisjon26.
4. Utarbeidelse av eye-tracker og magnetometer målinger
- Sett et elastisk hodebånd og EEG-hette på deltakerens hode (f.eks. en MR-sikker EEG-hette uten elektroder) (se figur 3A).
- Fest magnetometeret bak det ene øret (må være innenfor rekkevidden til 3D-CISS-sekvensbildene) ved å trekke det under det elastiske hodebåndet og EEG-hetten. Fest den på riktig måte med tape (se figur 3B).
- Ta på deg øyesporingsbrillene over EEG-hetten (se figur 3C).
- La deltakeren sette inn øreplugger.
- Juster øyesporingsparametrene på brillene (venstre / høyre sentrering, opp / ned sentrering, fokus) og i programvaren (venstre / høyre sentrering, opp / ned sentrering, pupillstørrelse, kontraster, irismønster) for å sikre god sporing.
Figur 3: Forberedelse av deltakeren . (A) Elastisk hodebånd og EEG-hette (uten elektroder) for festing av magnetometeret. (B) Magnetometeret er plassert bak ett øre. (C) Øyesporingsbriller er montert. (D) Magnetometersonden fjernes og erstattes med en vannpipette for avbildning. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
5. Ta opp kalibreringsfilen for øyesporing
MERK: Kalibrering vil være mest presis hvis det gjøres før hvert løp og i posisjonen der deltakeren flyttes inn i skanneren. Den her rapporterte prosedyren er mindre presis, men ble valgt på grunn av tid og tekniske begrensninger.
- La deltakeren sitte 1 m foran kalibreringsstimuli (mål øyestimulusavstanden med for eksempel et målebånd).
- Juster øyesporingsparametrene i programvaren (pupillstørrelse, kontraster, irismønster) for god sporing.
- Trykk på Record for å starte datainnsamlingen.
- La deltakeren se på hver prikk i 1 s (fem prikker totalt, tre på rad, en over midten, en under midten, avstand på prikker 10 cm) med verbal instruksjon: venstre, ned, midt, opp, høyre.
- Trykk på Stopp for å stoppe datainnsamlingen.
6. Måling av spontan nystagmus før du går inn i skanneren
MERK: Målingene er mest presise når de foregår utenfor magnetfeltet i ryggposisjonen. Dette kan utføres med en avtakbar MR-seng. Hvis det ikke er tilgjengelig, som i oppsettet som ble brukt i denne studien, bør en posisjon utenfor 50 mT-linjen (stiplet linje på gulvet) velges. Styrken til magnetfeltet ved måleposisjonen kan vurderes med magnetometeret (0,02 T i oppsettet som brukes her).
- Sett beskyttelsesbrilledekselet på og sørg for at deltakeren ikke kan se noe lys. Ellers kan du la deltakeren dekke hodet med svart stoff for å eliminere lys som kommer inn.
- Juster øyesporingsparametrene i programvaren (pupillstørrelse, kontraster, irismønster) for god sporing. Be deltakeren om å åpne øynene på vidt gap.
- Trykk på Record for å starte datainnsamlingen.
- Mål øyebevegelsene i minst 30 s. Juster om nødvendig øyesporingsparametrene.
- Trykk på Stopp for å stoppe datainnsamlingen.
- Ta av brilletrekket.
7. Posisjonere deltakeren for eksperimentet
- La deltakeren legge seg på skannersengen.
- Juster hodevippeposisjonen til deltakeren i henhold til den første betingelsen (enten liggende eller vippet oppover i stigningsplanet ved ca. 30°) ved å bruke passende puter.
- Plasser speilet over deltakerens hode og juster det slik at skjermen er innenfor deltakerens synsfelt.
- Gi deltakeren svarknappene for hver hånd; Fest dem om nødvendig med tape.
- La deltakeren øve på å ta av og på dekselet på brillene slik at dette kan gjøres i mørket inne i boringen; Deltakeren skal gjenta dette så lenge det er nødvendig og avslutte med dekselet på vernebrillene.
MERK: Dette trinnet kan føre til forskyvning av vernebrillene, noe som kan påvirke målinger angående øynets stilling. Hvis mulig, utfør en kalibrering etter dette trinnet. - Gjenta instruksjonene for den første oppgaven og spør deltakeren om instruksjonene blir forstått.
- Juster øyesporingsparametrene enten på brillene eller i programvaren (pupillstørrelse, kontraster, irismønster) for god sporing.
- Juster MR-sengens startposisjon ved hjelp av MR-skannerens laserkryss for å sikre at deltakerens indre ørestrukturer vil være i midten av boringen under forsøket.
8. Flytte deltakeren inn i skanneren
- Hvis det er aktuelt, start selvbevegelsesoppfattelsesparadigmet ved å trykke på Kjør og angi deltaker- og prøveinformasjonen i den eksperimentelle programvaren på den eksperimentelle datamaskinen.
- Start øyesporingsmålingene (i oppsettet som brukes her, ble dette startet av selvbevegelsesoppfattelsesparadigmet) ved å trykke på Record i øyesporingsprogramvaren. Be deltakeren om å åpne øynene på vidt gap.
- Start magnetometermålingene ved å trykke på Record i magnetometerprogramvaren.
- Fortell deltakeren at løpeturen starter.
- Inne i skannerrommet, begynn å flytte deltakeren inn i boringen.
- Etter 3 min skal oppfatninger av selvbevegelse ha forsvunnet hos de fleste deltakerne. Fortell derfor deltakerne å ta av brillenes deksel hvis visuelle stimuli må presenteres (f.eks. Et spørreskjema).
MERK: Øyesporing kan også fortsette i lengre tid med tildekkede øyne. - Hvis det er aktuelt, kan du presentere et spørreskjema for egenbevegelse på skjermen ved å starte det ved å trykke på Kjør på den eksperimentelle datamaskinen og la deltakeren svare via svarknapper.
9. Presentere et paradigme med en kognitiv oppgave
- Hvis det er aktuelt, presenter et paradigme med en kognitiv oppgave på skjermen ved å starte det ved å trykke på Kjør på den eksperimentelle datamaskinen og la deltakeren svare via svarknapper. Vurder magnetometerorienteringen i løpet av denne tiden.
MERK: Nå kan forskjellige oppgaver implementeres for deltakeren å utføre. La deltakeren ta dekselet på brillene av og på for å bytte mellom øyesporing og skjermbaserte paradigmer.
10. Flytte deltakeren ut av skanneren
- La deltakeren ta på seg dekselet på brillene.
- Gjenta trinn 8-9 (unntatt trinn 8.5., som er "flytt deltakeren ut av boringen")
11. Bytt hodeposisjon
- Bytt hodeposisjon til posisjonen som ennå ikke er vurdert ved hjelp av passende puter (enten liggende eller skråstilte) og gjenta trinn 8.2-11.
MERK: Hvis en passende MR-seng er tilgjengelig, kan en interessant variasjon være å flytte deltakerne inn i boringen med føttene først, da reversert inngang i boringen reverserer feltretningen i forhold til det indre øret.
12. Vurdering av orienteringen til de vestibulære organene
- Fjern speilet og vernebrillene uten å forskyve magnetometeret.
- Monter hodespolen.
- Fjern sonden til magnetometeret og erstatt sonden med en pipette fylt med vann uten å forskyve dekselet på magnetometeret (se figur 3D).
- Plasser deltakerens hode inne i hodespolen uten å forskyve magnetometeret.
- Flytt deltakeren inn i skanneren.
- Skaff deg en 3D-CISS-sekvens for strukturell avbildning av det indre øret.
MERK: I denne studien ble følgende parametere brukt: en skivetykkelse på 0,4 mm; et synsfelt på 179 mm × 179 mm; en vendevinkel på 60 °; en repetisjonstid (TR) på 8,29 ms; og en ekkotid (TE) på 3,81 ms. Oppkjøpstiden for denne 3D-CISS var 10 min 53 s. Ulike sekvenser har blitt brukt i andre studier23,30. - Flytt deltakeren ut av MR-skanneren.
13. Slutten av studiet
- Fjern pipetten, hetten, hodebåndet og ørepluggene, og forlat skannerrommet med deltakeren.
- Hvis det er aktuelt, la deltakeren fylle ut et spørreskjema (f.eks. Selvbevegelsesoppfattelse, opplevde forskjeller mellom forhold, andre erfaringer).
- Debrief deltakeren om de undersøkte forskningsspørsmålene (f.eks. måle effekter av MVS på nystagmus, selvbevegelsesoppfattelse og kognitive oppgaver ved å manipulere hodeposisjon i referanse til magnetfeltet).
Representative Results
Øyesporingsdataene viser de registrerte horisontale og vertikale øyebevegelsene (se figur 4). Sporing av torsjonsøyebevegelser (ikke vist) krever spesifikk programvare 9,25 og/eller sofistikert etterbehandling. Kalibreringsopptak brukes til å transformere enheter fra piksler til grader. Dataene er av god kvalitet hvis en jevn sporing (med ca. 100 Hz) nås, og de ekstraherte dataene viser bare mindre sporingsartefakter (se figur 4 for et eksempel på mindre artefakter, hovedsakelig på grunn av blinking). Spontan nystagmus utenfor MR-skanneren bør vurderes før forsøket for å utelukke nystagmus av andre årsaker enn magnetfeltet.
Figur 4: Øyesporingsdata. Horisontale og vertikale øyeposisjoner under kalibrering og forflytning inn og ut av MR-skanneren i rygghodeposisjon. Data viser den horisontale nystagmus, som reverserer mellom å bevege seg inn og ut av boringen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Magnetometerdataene viser posisjonen til magnetometersonden i forhold til Z-aksen til magnetfeltet inne i boringen (figur 5). Ideelt sett ser de sporede dataene jevne ut og viser ingen endringer i feltstyrker i hver rotasjonsakse etter å ha nådd innsiden av boringen. Dermed kan betydelige hodebevegelser av deltakerne lett oppdages.
Figur 5: Magnetometerdata. Data fra 3D-magnetometeret som beveger seg inn i boringen viser en maksimal feltstyrke på nesten 7 T etter ca. 27 s. Ingen bevegelsesartefakter er synlige, noe som indikerer at deltakeren ikke gjorde hodebevegelser mens han kom inn i boringen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
3D-CISS-sekvensen ble anskaffet med en 7 T MR-skanner. Fra 3D-CISS-bildene ble 3D-overflatemodellene av venstre og høyre indre øre og magnetometerretningen ekstrahert (se figur 6). Overflatemodellene ble generert ved hjelp av medisinsk bildebehandling og visualiseringsprogramvare. Dette gjør det mulig å trekke ut orienteringen til de halvcirkulære kanalene med hensyn til magnetometerorienteringen og Z-aksen til magnetfeltet under forsøket (se figur 7).
Figur 6: 3D-overflatemodeller hentet fra 3D CISS-bildet. (A) Vannpipette ved tidligere magnetometerposisjon; (B) høyre (rød) og (C) venstre (blå) indre ørestruktur (opprinnelige posisjoner og proporsjoner). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Orientering av de halvsirkelformede kanalene som ekstrahert fra 3D-CISS-bildet. For hver halvsirkelformet kanal velges tre landemerker, og en overflatenormalvektor beregnes (horisontal kanal: grønn, bakre kanal: rød, overordnet kanal: blå). Denne vektoren bringes i forbindelse med orienteringen til vannpipetten (svart) som en proxy for magnetometerproberetningen og med magnetfeltets Z-akse (ikke avbildet her). Enheter i millimeter (mm) (absolutte koordinater for MR-bildet). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Orienteringen av kanalene og magnetometeret i forhold til MR-skannerens Z-akse fra 3D-CISS-bildene kan kombineres med orienteringen til magnetometeret under de to løpene uten bildebehandling. Dette gjør det mulig å rekonstruere kanalorienteringen under MVS-eksponering under forskjellige hodeposisjoner. Alternativt kan et bilde av hver deltaker og det vedlagte magnetometeret tas utenfor magnetfeltet. Deretter kunne de ytre ansiktsstrukturene rekonstrueres for å kartlegge magnetometerets orienteringsmål med indre ørestrukturer og magnetfeltets retning. Data om selvbevegelsespercepter og kognitive oppgaver (ikke beskrevet her) kan analyseres sammen med dataene ovenfor. Dermed kan kanalposisjon, øyesporingsdata (horisontal, vertikal og torsjonsnystagmus), samt rapporterte selvbevegelsespercepts og atferdsresultater, knyttes til å svare på eksperimentets spesifikke forskningsspørsmål.
Discussion
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).
Disclosures
Ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
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.
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).
