Summary
Neste artigo, descrevemos a configuração, o material e os procedimentos experimentais para avaliar os movimentos oculares reflexivos, a percepção de movimento e as tarefas cognitivas sob estimulação vestibular magnética, bem como a orientação anatômica dos órgãos vestibulares, em um tomógrafo de ressonância magnética de 7 Tesla (7T-MRT).
Abstract
Campos magnéticos fortes induzem tontura, vertigem e nistagmo devido às forças de Lorentz que atuam sobre a cúpula nos canais semicirculares, efeito denominado estimulação vestibular magnética (EVM). Neste artigo, apresentamos um arranjo experimental em um aparelho de MRT 7T (MRI scanner) que permite investigar a influência de campos magnéticos fortes sobre o nistagmo, bem como as respostas perceptuais e cognitivas. A força da MVS é manipulada alterando a posição da cabeça dos participantes. A orientação dos canais semicirculares dos participantes em relação ao campo magnético estático é avaliada pela combinação de um magnetômetro 3D e interferência construtiva 3D em imagens de estado estacionário (3D-CISS). Essa abordagem permite explicar as diferenças intra e interindividuais nas respostas dos participantes à SVM. No futuro, a MVS poderá ser útil para pesquisas clínicas, por exemplo, na investigação de processos compensatórios em vestibulopatias. Além disso, poderia promover insights sobre a interação entre informações vestibulares e processos cognitivos em termos de cognição espacial e o surgimento de percepções de automovimento sob informações sensoriais conflitantes. Em estudos de RMf, a SVM pode provocar um possível efeito de confusão, especialmente em tarefas influenciadas por informações vestibulares ou em estudos comparando pacientes vestibulares com controles saudáveis.
Introduction
Sabe-se que campos magnéticos fortes, acima de 1 T, induzem tontura, vertigem e nistagmo, efeito denominado estimulação vestibular magnética (EVM)1,2,3. O sistema vestibular está localizado na orelha interna e mede a aceleração ao redor dos eixos rotacionais (bocejo, pitch e rolo) com três canais semicirculares e aceleração ao longo dos eixos translacionais (naso-occipital, interaural e cabeça-vertical) com dois órgãos maculais, o utrículo e o sáculo4 (ver Figura 1A). O surgimento do efeito MVS pode ser explicado por uma força de Lorentz induzida por corrente iônica atuando sobre a cúpula dos canais semicircularesdo sistema vestibular1,2.
O efeito da MVS aumenta com maiores intensidades de campo 3,5. A estimulação é causada por dois componentes diferentes. Em primeiro lugar, mover o participante para o furo através do campo B0 do scanner de ressonância magnética resulta em um campo magnético dinâmico que provoca forças de Lorentz atuando sobre a cúpula. Em segundo lugar, o campo magnético estático do scanner de ressonância magnética em que os participantes se deitam sem movimento durante os experimentos também causa uma força de Lorentz constante. Assim, em todos os experimentos com aparelhos de RM, o sistema vestibular do participante é constantemente estimulado pelo campo magnético estático. Isso inclui todos os estudos de RMf, especialmente aqueles em campos magnéticos ultra-altos (> 3 T).
O nistagmo é provocado por ser movido ou mover-se, bem como por repousar estaticamente em um forte campo magnético. As forças relacionadas ao movimento causam nistagmo forte, que decai após alguns minutos6. O nistagmo eliciado sob campos magnéticos estáticos é mais fraco e diminui gradualmente ao longo do tempo, mas não desaparece completamente durante a exposição. A direção do nistagmo depende da polaridade do campo magnético e se inverte com a retirada do campomagnético6,7,8. A SVM atua predominantemente nos canais horizontal e superior, resultando em movimentos oculares reflexivos, ou seja, nistagmo predominantemente horizontal e torcional e, em menor grau, nistagmovertical9. Nos pacientes vestibulares bilaterais não se observa nistagmo1, e nos vestibulares unilaterais estão presentes componentes nistagmoverticais maispronunciados10. Como o nistagmo é involuntário, é uma medida adequada para a força da estimulação vestibular. O nistagmo pode ser suprimido pela fixação visual; portanto, os movimentos oculares devem ser avaliados na escuridão completa.
Autopercepção não verídica de movimento, tontura e vertigem são frequentemente descritas pelos participantes ao serem movidos para dentro ou para fora do furo, especialmente em forças de campo acima de 3 T. Os perceptivos do automovimento têm sido descritos principalmente como rotações em rolagem e, em menor grau, em guinada e plano de inclinação7 (ver Figura 1A). Enquanto o nistagmo persiste durante todo o tempo de exposição, a percepção de movimento próprio geralmente desaparece após 1-3 min7. A parte constante da EVM é, por si só, um estímulo interessante, pois permite uma entrada vestibular prolongada que não é acompanhada pela percepção consciente do automovimento.
A partir de estudos que utilizaram estimulação vestibular calórica ou galvânica, movimento passivo ou microgravidade, sabe-se que a informação vestibular pode influenciar o desempenho em tarefas espaciais11,12 e seus correlatosneurais13. Tem sido relatado que ser movido ou mover-se dentro de campos magnéticos fortes influencia o desempenho cognitivo14,15. Um estudo descobriu que a SVM poderia levar a sintomas de desrealização devido à percepção não verídica do movimento16. Entretanto, estudos que investigaram a influência do repouso estaticamente em campos magnéticos não mostraram resultados conclusivos em tarefas neuropsicológicas, exceto uma deterioração replicada na acurácia visual17,18,19,20. Recentemente, foram encontradas as primeiras evidências de que a MVS pode alterar a atenção espacial ao induzir um viés de negligência21. Isso levanta a questão de se a MVS pode afetar o desempenho em tarefas comportamentais que medem funções cognitivas superiores. Por exemplo, não está claro até que ponto a MVS influencia o raciocínio espacial, ou seja, a capacidade de mentalizar objetos e rotações do próprio corpo.
Estudos de neuroimagem analisando a atividade do estado de repouso têm mostrado que a SVM pode induzir mudanças nas redes de modo padrão3,22, o que pode ser explicado pela orientação anatômica específica dos órgãos vestibulares em relação à direção do campo magnético 23. Em relação aos experimentos de RMf, os efeitos da MVS devem ser cuidadosamente considerados no desenho do estudo. Além disso, a SVM poderia interferir na estimulação galvânica ou vestibular utilizada em experimentos de RMf. Poderia atuar como fator de confusão em estudos de neuroimagem comparando participantes com sistemas vestibulares íntegros e disfuncionais, uma vez que os efeitos da SVM estão ausentesem pacientes vestibulares bilaterais1.
Para avaliar os efeitos da EVM e comparar as diferentes forças da SVM dentro dos participantes, descrevemos aqui um arranjo experimental e técnico para medir o nistagmo, a percepção de automovimento, o desempenho cognitivo e a posição anatômica dos canais dentro de um aparelho de RM de 7 T (ver Figura 2). O arranjo descrito pode ser adaptado e utilizado para experimentos que investiguem especificamente as funções vestibulares e cognitivas superiores sob EVM ou para avaliar e controlar os possíveis efeitos de confusão da SVM em estudos de RMf.
Curiosamente, a força da SVM pode ser modulada alterando-se a posição da cabeça e, portanto, alterando-se a orientação dos órgãos finais vestibulares em relação à direção do campo magnético. O efeito da MVS pode ser reduzido na maioria dos participantes inclinando-se a cabeça para frente em direção ao corpo (queixo para peito)1,24. Assim, a mudança da posição da cabeça no eixo de pitch permite comparar os efeitos mensuráveis da MVS sob diferentes forças de estimulação.
Nesse procedimento, a força da EVM foi manipulada dentro dos participantes comparando-se as medidas entre duas posições de cabeça (ver Figura 1B). Na condição que deveria provocar uma EVM mais forte, o participante estava deitado em decúbito dorsal no scanner com uma orientação aproximadamente terrestre vertical do plano de Reid (posição supina). Na condição que deveria provocar uma EVM mais fraca, a cabeça do participante foi inclinada aproximadamente 30° em pitch para frente (posição inclinada). Teoricamente é possível comparar a posição supina com uma posição nula onde não há nistagmo1. No entanto, a inclinação de pitch necessária para a posição nula é diferente para cada participante e demorada para determinar, pois isso requer várias instâncias de reposicionamento e movimentação do participante para dentro e para fora do scanner para testar a posição. Isso pode não ser viável para a maioria dos desenhos de estudo. As duas posições de cabeça, supina e inclinada, permitem comparar diferentes medidas, por exemplo, percepção de automovimento ou desempenho em tarefas entre e dentro dos participantes.
Figura 1: Eixos e planos da posição da cabeça no campo magnético . (A) Eixo cabeça-vertical (HV), inter-aural (IA) e naso-occipital (NO) da cabeça. A direção do campo magnético (B0) se alinha com o eixo cabeça-vertical (HV) quando os participantes se deitam dentro do furo em posição supina31. (B) As duas posições da cabeça durante o experimento, sendo que a posição supina (deitada reta) sabidamente provoca uma EVM mais forte na maioria dos participantes do que a posição inclinada (cabeça inclinada para cima no plano do pitch a aproximadamente 30°). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Para determinar como os órgãos vestibulares foram orientados durante as corridas experimentais sem imagem, acoplamos um magnetômetro 3D à cabeça dos participantes e medimos a orientação da sonda em relação ao eixo Z do campo magnético (Figura 3B). A orientação dos órgãos vestibulares no campo magnético foi avaliada com uma sequência anatômica 3D-CISS de alta resolução. Durante a aquisição das imagens, o magnetômetro foi substituído por uma pipeta de água (Figura 3D). Isso permitiu extrair a orientação do magnetômetro em relação à direção do eixo Z do campo magnético e alinhá-lo às estruturas da orelha interna. Podemos, então, tirar conclusões sobre a orientação dos órgãos vestibulares ao longo da duração do experimento.
O nistagmo foi rastreado com óculos de RM (Figura 3C). A SVM provoca não apenas nistagmo horizontal e, às vezes, vertical, mas também torcional; portanto, recomenda-se o uso de softwares que também possibilitem o rastreamento dos movimentos torcionais oculares 9,25.
Os perceptivos de automovimento podem ser avaliados durante a percepção7 (ao entrar e sair do furo) e após os perceptivos de automovimento desaparecerem, por exemplo, com questionários. É importante instruir bem os participantes, pois relatar verbalmente o automovimento não verídico é muitas vezes difícil para os participantes. Indicamos no protocolo onde a percepção de automovimento e o desempenho cognitivo poderiam ser medidos, mas não especificamos as tarefas ou questionários, pois dependem fortemente da pergunta de pesquisa. Nós, no entanto, fornecemos exemplos de questionários e paradigmas26.
Figura 2: Configuração técnica do experimento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Em síntese, a MVS pode ser utilizada para investigar a influência da estimulação vestibular sobre o nistagmo, a percepção e os processos cognitivos, bem como para estudar os processos de habituação em pacientes com disfunção vestibular. O efeito do campo magnético estático sobre a cúpula permanece constante durante toda a exposição ao campo magnético. Por simular uma aceleração rotacional constante, a MVS é um método interessante e adequado para investigar a função vestibular e sua influência na percepção e cognição27,28. Pode ser utilizado especificamente para abordar questões de pesquisa referentes à influência da informação vestibular nas funções cognitivas superiores, como o raciocínio espacial. Serve como um modelo não invasivo adequado para falhas unilaterais do sistema vestibular, o que possibilita o estudo dos processos compensatórios que podem surgir em pacientesvestibulares28. Além disso, é importante considerar os efeitos de confusão da SVM em estudos de RMf, uma vez que correlatos comportamentais e neurais podem ser alterados pela estimulação vestibular e também interferir na investigação de pacientes vestibulares em forte campo magnético estático.
Protocol
As etapas a seguir fizeram parte de um estudo que estava em conformidade com a Declaração de Helsinque e foi aprovado pelo comitê de ética do Cantão de Berna, Suíça (2019-02468). Todos os participantes assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido antes da participação no estudo.
OBS: Recomenda-se avaliar a função vestibular dos participantes antes do experimento da MVS com testes diagnósticos vestibulares padronizados, como questionários (por exemplo, dizziness handicap inventory29), provas calóricas bitérmicas, provas pendulares rotatórias, testes de impulso cefálico (TIH), vertical visual subjetiva (VVS), potenciais evocados miogênicos vestibulares (c-VEMP), potenciais miogênicos vestibulares oculares (o-VEMP), acuidade visual dinâmica (DVA) e/ou posturografia dinâmica.
1. Preparo do arranjo experimental na sala do scanner (Figura 2)
CUIDADO: Todos os materiais trazidos para dentro da sala do scanner devem ser seguros para ressonância magnética.
- Conecte o computador experimental e o computador de rastreamento ocular com um cabo ethernet cruzado para permitir a sincronização da coleta de dados.
- Conecte os botões de resposta operados pelo participante com o computador experimental através da caixa de resposta.
- Ligue o projetor conectado ao computador experimental.
- Conecte o dispositivo do magnetômetro ao computador do magnetômetro conectando-o ao conector USB.
NOTA: O magnetômetro 3D deve ser adequado e calibrado para intensidade de campo ultra-alta. No software utilizado neste estudo, foram escolhidas as seguintes configurações: Unidades = Tesla, Faixa = 20,00, Taxa de aquisição = 100,00 Hz. - Conecte os óculos de rastreamento ocular ao computador de rastreamento ocular com um cabo de fio de fogo blindado.
NOTA: A menos que o cabo seja longo o suficiente, a tela do computador de rastreamento ocular deve ser vista de dentro da sala do scanner para permitir ajustes dos óculos de rastreamento ocular. Se necessário, use uma tela externa colocada na frente da janela entre a sala de ressonância magnética e a sala de controle. - Abra o software de rastreamento ocular 9,25.
2. Preparação do participante para entrar no aparelho de ressonância magnética
CUIDADO: As etapas a seguir são fundamentais para a segurança dos participantes e da equipe.
- Deixe o participante ler e assinar o termo de consentimento livre e esclarecido.
- Confirme se o participante não preenche os critérios de exclusão da RM. Forneça roupas seguras para ressonância magnética, remova objetos metálicos (por exemplo, piercings) e forneça um teste de gravidez (se aplicável).
NOTA: Para os critérios de segurança da RM, ver https://mr-gufi.de/index.php/dokumente. Os critérios variam entre os locais de pesquisa. - Remova completamente as lentes de contato, sombra e rímel (para melhor rastreamento ocular).
3. Informar o participante sobre procedimentos e tarefas experimentais
- Explicar o procedimento experimental e dar instruções sobre as tarefas. Deixe o participante completar os testes práticos (se aplicável).
- Se a percepção de movimento for avaliada, informe o participante sobre eixos específicos de translação e rotação (ver Figura 1A). Use termos memoráveis para os movimentos específicos, por exemplo, "rotação de churrasco" para rotações em guinada (em torno do eixo cabeça-vertical) na posição supina26.
4. Preparação de medições de eye-tracker e magnetômetro
- Coloque uma faixa elástica na cabeça e uma tampa de EEG na cabeça do participante (por exemplo, uma tampa de EEG segura para ressonância magnética sem eletrodos) (ver Figura 3A).
- Fixe o magnetômetro atrás de uma orelha (deve estar na faixa das imagens da sequência 3D-CISS) puxando-o sob a faixa elástica da cabeça e a tampa do EEG. Fixe-o adequadamente com fita adesiva (ver Figura 3B).
- Coloque os óculos de rastreamento ocular sobre a tampa do EEG (veja a Figura 3C).
- Deixe o participante inserir protetores auriculares.
- Ajuste os parâmetros de rastreamento ocular nos óculos (centralização esquerda/direita, centralização para cima/para baixo, foco) e no software (centralização esquerda/direita, centralização para cima/para baixo, tamanho da pupila, contrastes, padrão de íris) para garantir um bom rastreamento.
Figura 3: Preparo do participante . (A) Faixa elástica e tampa de EEG (sem eletrodos) para fixação do magnetômetro. (B) O magnetômetro é colocado atrás de uma orelha. (C) Óculos de rastreamento ocular são montados. (D) A sonda do magnetômetro é removida e substituída por uma pipeta de água para obtenção de imagens. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
5. Gravação do arquivo de calibração de rastreamento ocular
NOTA: A calibração seria mais precisa se feita antes de cada corrida e na posição em que o participante é movido para o scanner. O procedimento aqui relatado é menos preciso, mas foi escolhido devido a restrições de tempo e técnicas.
- Deixe o participante sentado 1 m à frente dos estímulos de calibração (meça a distância olho-estímulo com, por exemplo, uma fita métrica).
- Ajuste os parâmetros de rastreamento ocular no software (tamanho da pupila, contrastes, padrão de íris) para um bom rastreamento.
- Pressione Gravar para iniciar a aquisição de dados.
- Deixe o participante olhar para cada ponto por 1 s (cinco pontos no total, três seguidos, um acima do meio, um abaixo do meio, distância de pontos 10 cm) com instrução verbal: esquerda, baixo, meio, cima, direita.
- Pressione Parar para interromper a aquisição de dados.
6. Mensuração do nistagmo espontâneo antes da entrada no aparelho
NOTA: As medições são mais precisas quando ocorrem fora do campo magnético na posição supina. Isso poderia ser realizado com um leito de ressonância magnética destacável. Caso não esteja disponível, como no setup utilizado neste estudo, deve-se optar por uma posição fora da linha de 50 mT (linha tracejada no chão). A intensidade do campo magnético na posição da medição pode ser avaliada com o magnetômetro (0,02 T no setup usado aqui).
- Coloque a tampa dos óculos e certifique-se de que o participante não pode ver nenhuma luz. Caso contrário, deixe o participante cobrir a cabeça com tecido preto para eliminar qualquer luz que entre.
- Ajuste os parâmetros de rastreamento ocular no software (tamanho da pupila, contrastes, padrão de íris) para um bom rastreamento. Diga ao participante para abrir bem os olhos.
- Pressione Gravar para iniciar a aquisição de dados.
- Meça os movimentos oculares por pelo menos 30 s. Reajuste os parâmetros de rastreamento ocular, se necessário.
- Pressione Parar para interromper a aquisição de dados.
- Tire a tampa dos óculos.
7. Posicionamento do participante para o experimento
- Deixe o participante deitado na cama do scanner.
- Ajustar a posição de inclinação da cabeça do participante de acordo com a primeira condição (supina ou inclinada para cima no plano de arremesso a aproximadamente 30°) usando almofadas apropriadas.
- Coloque o espelho sobre a cabeça do participante e ajuste-o para que a tela fique dentro do campo de visão do participante.
- Dê ao participante os botões de resposta para cada mão; Se necessário, fixe-os com fita adesiva.
- Deixe o participante praticar colocar e tirar a tampa dos óculos para que isso possa ser feito no escuro dentro do furo; O participante deve repetir pelo tempo que for necessário e finalizar com a tampa nos óculos.
NOTA: Este passo pode levar ao deslocamento dos óculos, o que pode afetar as medidas em relação à posição dos olhos. Se possível, realize uma calibração após esta etapa. - Repita as instruções para a primeira tarefa e pergunte ao participante se as instruções foram compreendidas.
- Ajuste os parâmetros de rastreamento ocular nos óculos ou no software (tamanho da pupila, contrastes, padrão da íris) para um bom rastreamento.
- Ajuste a posição inicial do leito de RM com a ajuda da cruz de laser do scanner de RM para garantir que as estruturas da orelha interna do participante estarão no centro do furo durante o experimento.
8. Mover o participante para o scanner
- Se aplicável, inicie o paradigma de percepção de automovimento pressionando Run e inserindo as informações do participante e do teste no software experimental no computador experimental.
- Inicie as medições de rastreamento ocular (na configuração usada aqui, isso foi iniciado pelo paradigma de percepção de automovimento) pressionando Record no software de rastreamento ocular. Diga ao participante para abrir bem os olhos.
- Inicie as medições do magnetômetro pressionando Record no software do magnetômetro.
- Informe ao participante que a corrida está começando.
- Dentro da sala do scanner, comece a mover o participante para dentro do furo.
- Após 3 min, as percepções de automovimento deveriam ter desaparecido na maioria dos participantes. Portanto, diga aos participantes que retirem a tampa dos óculos se for necessário apresentar estímulos visuais (por exemplo, um questionário).
NOTA: O rastreamento ocular também pode ser continuado por mais tempo com os olhos cobertos. - Se for o caso, apresente um questionário de automovimento na tela, iniciando-o pressionando Executar no computador experimental e permitindo que o participante responda por meio de botões de resposta.
9. Apresentar um paradigma com uma tarefa cognitiva
- Se for o caso, apresente um paradigma com uma tarefa cognitiva na tela, iniciando-a pressionando Executar no computador experimental e deixando o participante responder por meio de botões de resposta. Avalie a orientação do magnetômetro durante esse tempo.
NOTA: Agora, diferentes tarefas podem ser implementadas para o participante conduzir. Deixe o participante ligar e desligar a tampa dos óculos para mudar entre o rastreamento ocular e os paradigmas baseados em tela.
10. Retirar o participante do scanner
- Deixe o participante colocar a tampa dos óculos.
- Repita as etapas 8 a 9 (exceto a etapa 8.5., que é "mover o participante para fora do furo")
11. Mude a posição da cabeça
- Mudar a posição da cabeça para a posição ainda não avaliada com as almofadas apropriadas (supina ou inclinada) e repetir os passos 8.2-11.
NOTA: Se um leito de RM apropriado estiver disponível, uma variação interessante poderia ser mover os participantes para o furo com os pés primeiro, pois a entrada invertida no furo inverte a direção do campo em relação à orelha interna.
12. Avaliação da orientação dos órgãos vestibulares
- Remova o espelho e os óculos sem deslocar o magnetômetro.
- Instale a bobina de cabeça.
- Remova a sonda do magnetómetro e substitua-a por uma pipeta cheia de água sem deslocar a tampa do magnetómetro (ver Figura 3D).
- Coloque a cabeça do participante dentro da bobina de cabeça sem deslocar o magnetômetro.
- Mova o participante para o scanner.
- Adquira uma sequência 3D-CISS para imagens estruturais da orelha interna.
OBS: Neste estudo, foram utilizados os seguintes parâmetros: espessura de corte de 0,4 mm; campo de visão de 179 mm × 179 mm; um ângulo de inversão de 60°; tempo de repetição (TR) de 8,29 ms; e tempo de eco (TE) de 3,81 ms. O tempo de aquisição deste CISS-3D foi de 10 min 53 s. Diferentes sequências têm sido utilizadas em outrosestudos23,30. - Mova o participante para fora do scanner de ressonância magnética.
13. Término do estudo
- Retire a pipeta, a touca, a faixa de cabeça e os tampões auriculares e saia da sala do scanner com o participante.
- Se aplicável, deixe o participante preencher um questionário (por exemplo, percepção de automovimento, diferenças experimentadas entre condições, outras experiências).
- Informar o participante sobre as questões de pesquisa investigadas (por exemplo, medir os efeitos da EVM sobre o nistagmo, a percepção de automovimento e tarefas cognitivas manipulando a posição da cabeça em referência ao campo magnético).
Representative Results
Os dados de rastreamento ocular mostram os movimentos oculares horizontais e verticais capturados (ver Figura 4). O rastreamento dos movimentos torcionais oculares (não mostrados) requer software específico 9,25 e/ou pós-processamento sofisticado. As gravações de calibração são usadas para transformar unidades de pixels em graus. Os dados são de boa qualidade se um rastreamento constante (com aproximadamente 100 Hz) for alcançado, e os dados extraídos mostrarem apenas artefatos de rastreamento menores (consulte a Figura 4 para um exemplo de artefatos menores, principalmente devido ao piscar). O nistagmo espontâneo fora do aparelho de RM deve ser avaliado antes do experimento para excluir nistagmo por outras razões que não o campo magnético.
Figura 4: Dados de rastreamento ocular. Posições horizontais e verticais dos olhos durante a calibração e movendo-se para dentro e para fora do scanner de ressonância magnética na posição supina da cabeça. Os dados mostram o nistagmo horizontal, que se inverte entre o movimento para dentro e para fora do furo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os dados do magnetômetro mostram a posição da sonda do magnetômetro em relação ao eixo Z do campo magnético dentro do furo (Figura 5). Idealmente, os dados rastreados parecem suaves e não mostram alterações nas forças de campo em cada eixo de rotação depois de atingir o interior do furo. Assim, movimentos significativos da cabeça dos participantes podem ser detectados facilmente.
Figura 5: Dados do magnetômetro. Os dados do magnetômetro 3D movendo-se para o furo mostram uma força de campo máxima de quase 7 T após aproximadamente 27 s. Nenhum artefato de movimento é visível, indicando que o participante não fez movimentos de cabeça ao entrar no furo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A sequência 3D-CISS foi adquirida com um aparelho de RM de 7 T. Das imagens 3D-CISS foram extraídos os modelos de superfície 3D das orelhas interna esquerda e direita e a orientação do magnetômetro (ver Figura 6). Os modelos de superfície foram gerados utilizando software de processamento e visualização de imagens médicas. Isso permite extrair a orientação dos canais semicirculares em relação à orientação do magnetômetro e ao eixo Z do campo magnético durante o experimento (ver Figura 7).
Figura 6: Modelos de superfície 3D extraídos da imagem CISS 3D. (A) Pipeta de água na posição anterior do magnetômetro; (B) estrutura da orelha interna direita (vermelho) e (C) esquerda (azul) (posições e proporções originais). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Orientação dos canais semicirculares extraídos da imagem 3D-CISS. Para cada canal semicircular, três pontos são escolhidos, e um vetor normal de superfície é calculado (canal horizontal: verde, canal posterior: vermelho, canal superior: azul). Este vetor é colocado em relação com a orientação da pipeta de água (preto) como proxy para a orientação da sonda do magnetômetro e com o eixo Z do campo magnético (não representado aqui). Unidades em milímetros (mm) (coordenadas absolutas da imagem de RM). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A orientação dos canais e do magnetômetro em relação ao eixo Z do scanner de RM a partir das imagens 3D-CISS pode ser combinada com a orientação do magnetômetro durante as duas corridas sem imagem. Isso permite a reconstrução da orientação do canal durante a exposição à MVS sob diferentes posições de cabeça. Alternativamente, uma foto de cada participante e o magnetômetro acoplado poderiam ser tirados fora do campo magnético. Em seguida, as estruturas faciais externas puderam ser reconstruídas para mapear as medidas de orientação do magnetômetro com as estruturas da orelha interna e a direção do campo magnético. Dados de percepções de automovimento e tarefas cognitivas (não descritos aqui) podem ser analisados juntamente com os dados acima. Assim, os dados de posição do canal, rastreio ocular (nistagmo horizontal, vertical e torcional), bem como os resultados comportamentais e percepções de automovimento relatados, podem ser vinculados para responder à questão de pesquisa específica do experimento.
Discussion
A configuração relatada é adequada para investigar vários aspectos dos efeitos da MVS sobre o nistagmo, a percepção de automovimento e o desempenho em tarefas cognitivas. A combinação das medidas da resposta provocada da SVM poderia fornecer insights como como o cérebro processa informações vestibulares conflitantes e mostrar como a informação vestibular influencia os processos perceptivos e cognitivos em nível inter e intraindividual. Ao contrário de outros métodos de estimulação vestibular, como as cadeiras rotacionais, a MVS provoca um estímulo de aceleração constante, tornando-a adequada para estudos comportamentais mais duradouros e utilizada como modelo não invasivo para falhas unilaterais 8,28. Portanto, esta abordagem poderia fornecer insights sobre a interação entre informações vestibulares e processos cognitivos em termos de cognição espacial e o surgimento de percepções de auto-movimento sob informações sensoriais conflitantes. No futuro, o uso da SVM poderá ser explorado em pesquisas clínicas, por exemplo, para investigar a compensação precoce da fase aguda do desequilíbrio vestibular durante a exposição à SVM. Esses achados poderiam, então, estar ligados a mecanismos de compensação após lesões vestibulares. A comparação de participantes com órgãos vestibulares normais e disfuncionais poderia favorecer o conhecimento sobre os processos de adaptação em pacientes vestibulares às informações vestibulares recebidas alteradas.
O procedimento descrito inclui etapas críticas para a aquisição segura e precisa de dados em um scanner de RM de 7 T. Primeiro, o ambiente de RM apresenta várias dificuldades. A configuração experimental deve ser segura por ressonância magnética, o que pode exigir mudanças nos óculos de rastreamento ocular ou conexões de cabo em comparação com uma configuração sem ressonância magnética. Isso pode levar a comprometimentos na qualidade dos dados. Além disso, os participantes devem atender aos critérios de inclusão na RM e tolerar o inconveniente do processo (por exemplo, inclinar a cabeça enquanto estão deitados no scanner de RM por vários minutos). Em segundo lugar, o rastreamento ocular no scanner, especialmente a aquisição do nistagmo torcional, é difícil e requer softwareespecializado25. Para a torção, o padrão da íris é usado para rastreamento, que requer imagens de alta qualidade e também é influenciado por diferenças nos padrões individuais da íris. Outra abordagem poderia ser o uso de marcadores pigmentares artificiais na esclera3, o que pode ser desagradável para o participante. Terceiro, as percepções de automovimento decorrentes da SVM não são verídicas e, portanto, implicam conflitos intravestibulares e multissensoriais28. Portanto, a verbalização dessas experiências de rotação da cabeça e/ou corpo e translação muitas vezes é difícil de descrever para os participantes. Instruções claras e adaptadas à pergunta de pesquisa são de fundamental importância. Recomendamos o uso de termos bem conhecidos de rotação e tradução com os quais os participantes possam se relacionar, permitindo-lhes descrever melhor sua experiência perceptiva. Para avaliar parâmetros de movimento específicos, métodos mais refinados podem ser usados, como classificações da velocidade de rotação ao longo do tempo7.
A configuração apresentada é limitada pelas restrições técnicas de nossos equipamentos e poderia ser melhorada se estas pudessem ser superadas. Por exemplo, para avaliar não apenas a posição estática, mas também dinâmica da cabeça dentro do furo, os dados do magnetômetro também podem ser sincronizados com dados comportamentais e de rastreamento ocular. A calibração dos óculos seria melhor se repetida antes de cada corrida. Além disso, o comprimento do cabo de rastreamento ocular é importante, pois define se o nistagmo espontâneo pode ser medido fora da sala do scanner. A melhor solução seria um leito de ressonância magnética destacável, que pode ser movido para fora do campo magnético. No entanto, a tela do computador de rastreamento ocular deve ser vista de dentro da sala do scanner para permitir a calibração e o ajuste fino dos parâmetros de rastreamento ocular enquanto se tem acesso aos óculos. No nosso caso, resolvemos isso através de uma segunda tela girada em direção à janela da sala do scanner.
A SVM pode afetar o desempenho e as respostas cerebrais em estudos de RMf. Em estudos comparando pacientes vestibulares com controles saudáveis, a EVM poderia levar a diferenças entre os grupos devido a uma diferença na força de estimulação em relação a outras características do paciente. Com a finalidade de controlar os efeitos confusos do MVS, a configuração atual é um processo demorado tanto em termos de tempo quanto de custo (equipamento). Alternativamente, inclinar a cabeça para cima em pequenos ângulos7,23 (na medida permitida pela bobina cefálica) ou avaliar covariáveis, como a orientação dos órgãos vestibulares com RM como descritoacima23,30 e/ou nistagmo (por exemplo, abordagens recentes de rastreamento ocular baseadas em RMf32), poderia ser útil.
Disclosures
Não há conflitos de interesse.
Acknowledgments
Agradecemos aos participantes e à equipe de RM, bem como aos revisores cujos valiosos comentários melhoraram a qualidade do manuscrito. Agradecemos a D. S. Zee por seus valiosos conselhos. Estamos gratos que a DIATEC AG forneceu um laptop de rastreamento ocular para o experimento. O projeto é apoiado por uma bolsa de apoio SITEM-Insel da Universidade de Berna concedida à FWM e à 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
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