Summary
I den här artikeln beskriver vi experimentella inställningar, material och procedurer för att bedöma reflexiva ögonrörelser, självrörelseuppfattning och kognitiva uppgifter under magnetisk vestibulär stimulering, liksom den anatomiska orienteringen av de vestibulära organen, i en 7 Tesla magnetisk resonanstomografi (7T-MRT) scanner.
Abstract
Starka magnetfält inducerar yrsel, svindel och nystagmus på grund av Lorentz-krafter som verkar på cupula i de halvcirkelformade kanalerna, en effekt som kallas magnetisk vestibulär stimulering (MVS). I den här artikeln presenterar vi en experimentell installation i en 7T MRT-skanner (MR-skanner) som möjliggör undersökning av påverkan av starka magnetfält på nystagmus samt perceptuella och kognitiva svar. MVS styrka manipuleras genom att ändra deltagarnas huvudpositioner. Orienteringen av deltagarnas halvcirkelformade kanaler i förhållande till det statiska magnetfältet bedöms genom att kombinera en 3D-magnetometer och 3D-konstruktiv interferens i steady-state (3D-CISS) bilder. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att redogöra för intra- och interindividuella skillnader i deltagarnas svar på MVS. I framtiden kan MVS vara användbart för klinisk forskning, till exempel vid undersökning av kompensationsprocesser vid vestibulära störningar. Dessutom kan det främja insikter i samspelet mellan vestibulär information och kognitiva processer när det gäller rumslig kognition och uppkomsten av självrörelseuppfattningar under motstridig sensorisk information. I fMRI-studier kan MVS framkalla en möjlig störeffekt, särskilt i uppgifter som påverkas av vestibulär information eller i studier som jämför vestibulära patienter med friska kontroller.
Introduction
Starka magnetfält, dvs över 1 T, är kända för att inducera yrsel, svindel och nystagmus, en effekt som kallas magnetisk vestibulär stimulering (MVS)1,2,3. Det vestibulära systemet är beläget i innerörat och mäter acceleration runt rotationsaxlar (yaw, pitch och roll) med tre halvcirkelformade kanaler och acceleration längs translationella axlar (naso-occipital, inter-aural och head-vertikal) med två makula organ, utricle och saccule4 (se figur 1A). Uppkomsten av MVS-effekten kan förklaras av en jonströminducerad Lorentz-kraft som verkar på cupula i de halvcirkelformade kanalerna i det vestibulära systemet 1,2.
Effekten av MVS ökar med högre fältstyrkor 3,5. Stimuleringen orsakas av två olika komponenter. För det första, att flytta deltagaren in i hålet genom B0-fältet i MR-skannern resulterar i ett dynamiskt magnetfält som framkallar Lorentz-krafter som verkar på kupolen. För det andra orsakar det statiska magnetfältet hos MR-skannern där deltagarna ligger utan rörelse under experimenten också en konstant Lorentz-kraft. Således, i alla experiment med MR-skannrar, stimuleras deltagarens vestibulära system ständigt av det statiska magnetfältet. Detta inkluderar alla fMRI-studier, särskilt de i ultrahöga magnetfält (> 3 T).
Nystagmus framkallas genom att flyttas eller röra sig, samt genom att vila statiskt i ett starkt magnetfält. De rörelserelaterade krafterna orsakar stark nystagmus, som sönderfaller efter ett par minuter6. Nystagmusen som framkallas under statiska magnetfält är svagare och minskar gradvis över tiden men försvinner inte helt under exponering. Nystagmusens riktning beror på magnetfältets polaritet och vänder vid uttag från magnetfältet 6,7,8. MVS verkar främst på de horisontella och överlägsna kanalerna, vilket resulterar i reflexiva ögonrörelser, dvs mestadels horisontell och torsionsnystagmus och, i mindre utsträckning, vertikal nystagmus9. Hos bilaterala vestibulära patienter kan ingen nystagmus observeras1, och hos ensidiga vestibulära patienter finns mer uttalade vertikala nystagmuskomponenter närvarande10. Eftersom nystagmusen är ofrivillig är det ett väl lämpat mått för styrkan hos den vestibulära stimuleringen. Nystagmus kan undertryckas genom visuell fixering; Därför måste ögonrörelser bedömas i fullständigt mörker.
Icke-veridisk självrörelseuppfattning, yrsel och svindel beskrivs ofta av deltagarna medan de flyttas in i eller ut ur borrningen, särskilt i fältstyrkor över 3 T. Självrörelsens percept har mestadels beskrivits som rotationer i rullning och, i mindre utsträckning, i gir och tonhöjd7 (se figur 1A). Medan nystagmus kvarstår över exponeringens längd, försvinner självrörelseuppfattningen vanligtvis efter 1-3 min7. Den konstanta delen av MVS är i sig en intressant stimulering eftersom den möjliggör långvarig vestibulär inmatning som inte åtföljs av medveten självrörelseuppfattning.
Från studier med kalorisk eller galvanisk vestibulär stimulering, passiv rörelse eller mikrogravitation är det känt att vestibulär information kan påverka prestanda i rumsliga uppgifter 11,12 och dess neurala korrelat13. Att flyttas eller röra sig inuti starka magnetfält har rapporterats påverka kognitiv prestanda14,15. En studie visade att MVS möjligen kan leda till symtom på derealisering på grund av icke-veridisk självrörelseuppfattning16. Studier som undersöker påverkan av att vila statiskt i magnetfält har dock inte visat avgörande resultat avseende neuropsykologiska uppgifter, förutom en replikerad försämring av visuell noggrannhet17,18,19,20. Nyligen har de första bevisen hittats att MVS kan förändra rumslig uppmärksamhet genom att inducera en försummelseliknande bias21. Detta väcker frågan om MVS kan påverka prestanda i beteendeuppgifter som mäter högre kognitiva funktioner. Det är till exempel oklart i vilken utsträckning MVS påverkar rumsliga resonemang, det vill säga förmågan att mentalisera objekt och egna kroppsrotationer.
Neuroimaging-studier som analyserar vilotillståndsaktivitet har visat att MVS kan inducera förändringar i standardlägesnätverk3,22, vilket kan förklaras av ämnesspecifik anatomisk orientering av de vestibulära organen i förhållande till magnetfältets riktning 23. När det gäller fMRI-experiment måste effekterna av MVS noggrant beaktas vid utformningen av studien. Dessutom kan MVS störa galvanisk eller vestibulär stimulering som används i fMRI-experiment. Det kan fungera som en förvirrare i neuroimaging-studier som jämför deltagare med intakta och dysfunktionella vestibulära system, eftersom effekterna av MVS saknas hos bilaterala vestibulära patienter1.
För att bedöma effekterna av MVS och jämföra olika styrkor av MVS inom deltagarna, beskriver vi här en experimentell och teknisk inställning för att mäta nystagmus, självrörelseuppfattning, kognitiv prestanda och den anatomiska positionen av kanalerna inuti en 7 T MR-skanner (se figur 2). Den beskrivna uppställningen kan anpassas och användas för experiment för att specifikt undersöka vestibulära och högre kognitiva funktioner under MVS eller för att bedöma och kontrollera för eventuella störeffekter av MVS i fMRI-studier.
Intressant kan styrkan hos MVS moduleras genom att ändra huvudpositionen och därför ändra orienteringen av de vestibulära ändorganen med avseende på magnetfältets riktning. Effekten av MVS kan minskas hos de flesta deltagare genom att luta huvudet framåt mot kroppen (haka till bröst)1,24. Således möjliggör ändring av huvudpositionen i tonhöjdsaxeln jämförelse av mätbara MVS-effekter under olika stimuleringsstyrkor.
I denna procedur manipulerades styrkan hos MVS hos deltagarna genom att jämföra mätningar mellan två huvudpositioner (se figur 1B). I det tillstånd som skulle framkalla starkare MVS låg deltagaren liggande i skannern med en ungefär jordvertikal orientering av Reids plan (ryggläge). I det tillstånd som skulle framkalla svagare MVS lutades deltagarens huvud cirka 30 ° i tonhöjd framåt (lutande läge). Det är teoretiskt möjligt att jämföra den bakre positionen med en nollposition där ingen nystagmus är närvarande1. Den lutning som krävs för nollpositionen är dock olika för varje deltagare och tidskrävande att bestämma, eftersom detta kräver flera fall av omplacering och förflyttning av deltagaren in och ut ur skannern för att testa positionen. Detta kanske inte är genomförbart för de flesta studiedesigner. De två huvudpositionerna, liggande och lutande, gör det möjligt att jämföra olika mått, t.ex. självrörelseuppfattning eller prestanda i uppgifter mellan och inom deltagarna.
Figur 1: Huvudaxlar och plan för huvudposition i magnetfältet . (A) Huvudvertikal (HV), inter-aural (IA) och naso-occipital (NO) axel av huvudet. Magnetfältets riktning (B0) ligger i linje med den huvudvertikala axeln (HV) när deltagarna ligger inuti hålet i ryggläge31. (B) De två huvudpositionerna under experimentet, med ryggläge (liggande rakt) känt för att framkalla starkare MVS hos de flesta deltagare än det lutande läget (huvudet lutat uppåt i tonplanet vid cirka 30 °). Klicka här för att se en större version av denna figur.
För att bestämma hur de vestibulära organen orienterades under experimentkörningarna utan avbildning, fäste vi en 3D-magnetometer på deltagarnas huvuden och mätte sondens orientering i förhållande till magnetfältets Z-axel (figur 3B). De vestibulära organens orientering i magnetfältet bedömdes med en högupplöst anatomisk 3D-CISS-sekvens. Under bildförvärv ersattes magnetometern med en vattenpipett (figur 3D). Detta möjliggjorde extraktion av magnetometerns orientering i förhållande till riktningen för magnetfältets Z-axel och anpassning till inre öronstrukturerna. Vi kan sedan dra slutsatser om orienteringen av de vestibulära organen under hela experimentets varaktighet.
Nystagmus spårades med MR-lämpliga skyddsglasögon (figur 3C). MVS framkallar inte bara horisontell och ibland vertikal utan också torsionsnystagmus; Därför rekommenderas att använda programvara som också möjliggör spårning av torsionsögonrörelser 9,25.
Självrörelsepercepts kan bedömas under perception7 (medan du går in och ut ur borrningen) och efter att självrörelseuppfattningarna försvinner, t.ex. med frågeformulär. Det är viktigt att instruera deltagarna väl, eftersom muntlig rapportering av icke-veridisk självrörelse ofta är svår för deltagarna. Vi anger i protokollet var självrörelseuppfattningen och kognitiv prestanda kan mätas men specificerar inte uppgifterna eller frågeformulären, eftersom de starkt beror på forskningsfrågan. Vi ger dock exempel på frågeformulär och paradigm26.
Figur 2: Teknisk konfiguration av experimentet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Sammanfattningsvis kan MVS användas för att undersöka påverkan av vestibulär stimulering på nystagmus, perception och kognitiva processer, samt för att studera tillvänjningsprocesser hos patienter med vestibulär dysfunktion. Effekten av det statiska magnetfältet på cupula förblir konstant under hela exponeringen för magnetfältet. Eftersom detta simulerar en konstant rotationsacceleration är MVS en intressant och lämplig metod för att undersöka vestibulär funktion och dess påverkan på perception och kognition27,28. Det kan användas för att specifikt ta itu med forskningsfrågor som rör påverkan av vestibulär information på högre kognitiva funktioner, såsom rumsliga resonemang. Det fungerar som en lämplig icke-invasiv modell för ensidigt misslyckande i det vestibulära systemet, vilket möjliggör studier av kompensationsprocesser som kan uppstå hos vestibulära patienter28. Dessutom är det viktigt att överväga de förvirrande effekterna av MVS i fMRI-studier, eftersom beteendemässiga och neurala korrelat kan förändras genom vestibulär stimulering och även störa vid undersökning av vestibulära patienter i ett starkt statiskt magnetfält.
Protocol
Följande steg var en del av en studie som överensstämde med Helsingforsdeklarationen och godkändes av den etiska kommittén i kantonen Bern, Schweiz (2019-02468). Alla deltagare gav sitt skriftliga informerade samtycke före studiedeltagande.
OBS: Det rekommenderas att bedöma deltagarnas vestibulära funktion före MVS-experimentet med standard vestibulära diagnostiska tester såsom frågeformulär (t.ex. yrselhandikappinventering29), bitermiska kaloritester, roterande pendeltester, huvudimpulstester (HIT), subjektiv visuell vertikal (SVV), vestibulära framkallade myogena potentialer (c-VEMP), okulära vestibulära myogena potentialer (o-VEMP), dynamisk synskärpa (DVA) och / eller dynamisk posturografi.
1. Förberedelse av experimentuppställningen i skannerrummet (figur 2)
VARNING: Allt material som tas in i skannerrummet måste vara MR-säkert.
- Anslut experimentdatorn och ögonspårningsdatorn med en crossover Ethernet-kabel för att möjliggöra synkronisering av datainsamling.
- Anslut svarsknapparna som används av deltagaren till experimentdatorn via svarsrutan.
- Slå på projektorn som är ansluten till experimentdatorn.
- Anslut magnetometerenheten till magnetometerdatorn genom att ansluta den till USB-kontakten.
3D-magnetometern måste vara lämplig och kalibrerad för ultrahög fältstyrka. I programvaran som användes i denna studie valdes följande inställningar: Enheter = Tesla, Räckvidd = 20,00, Förvärvshastighet = 100,00 Hz. - Anslut ögonspårningsglasögonen till ögonspårningsdatorn med en skärmad firewire-kabel.
OBS: Om inte kabeln är tillräckligt lång måste ögonspårningsdatorskärmen ses inifrån skannerrummet för att möjliggöra justeringar av ögonspårningsglasögonen. Använd vid behov en extern skärm placerad framför fönstret mellan MR-rummet och kontrollrummet. - Öppna eyetracking-programmet 9,25.
2. Förberedelse av deltagaren för att komma in i MR-skannern
VARNING: Följande steg är avgörande för deltagarnas och personalens säkerhet.
- Låt deltagaren läsa och underteckna det informerade samtycket.
- Bekräfta att deltagaren inte uppfyller MR-uteslutningskriterierna. Tillhandahåll MR-säkra kläder, ta bort metallföremål (t.ex. piercingar) och tillhandahåll ett graviditetstest (om tillämpligt).
OBS: För MR-säkerhetskriterier, se https://mr-gufi.de/index.php/dokumente. Kriterierna varierar mellan forskningsplatserna. - Ta bort kontaktlinser, ögonskugga och mascara noggrant (för bättre ögonspårning).
3. Informera deltagaren om experimentella förfaranden och uppgifter
- Förklara det experimentella tillvägagångssättet och ge instruktioner om uppgifterna. Låt deltagaren slutföra övningsprövningar (om tillämpligt).
- Om självrörelseuppfattning bedöms, informera deltagaren om specifika översättnings- och rotationsaxlar (se figur 1A). Använd minnesvärda termer för de specifika rörelserna, t.ex. "grillrotation" för rotationer i gir (runt den huvudvertikala axeln) i ryggläge26.
4. Förberedelse av eye-tracker och magnetometermätningar
- Sätt ett elastiskt huvudband och EEG-lock på deltagarens huvud (t.ex. ett MR-säkert EEG-lock utan elektroder) (se figur 3A).
- Fäst magnetometern bakom ett öra (måste ligga inom intervallet för 3D-CISS-sekvensbilderna) genom att dra den under det elastiska huvudbandet och EEG-locket. Fäst den på lämpligt sätt med tejp (se figur 3B).
- Sätt på ögonspårningsglasögonen över EEG-locket (se figur 3C).
- Låt deltagaren sätta i öronproppar.
- Justera ögonspårningsparametrarna på glasögonen (vänster / höger centrering, upp / ner centrering, fokus) och i programvaran (vänster / höger centrering, upp / ner centrering, pupillstorlek, kontraster, irismönster) för att säkerställa god spårning.
Figur 3: Förberedelse av deltagaren . (A) Elastiskt huvudband och EEG-lock (utan elektroder) för fixering av magnetometern. (B) Magnetometern placeras bakom ett öra. (C) Ögonspårningsglasögon är monterade. (D) Magnetometersonden avlägsnas och ersätts med en vattenpipett för avbildning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
5. Registrera kalibreringsfilen för ögonspårning
OBS: Kalibrering skulle vara mest exakt om den görs före varje körning och i den position där deltagaren flyttas in i skannern. Det här rapporterade förfarandet är mindre exakt men valdes på grund av tidsmässiga och tekniska begränsningar.
- Låt deltagaren sitta 1 m framför kalibreringsstimuli (mät ögonstimulansavståndet med till exempel ett måttband).
- Justera ögonspårningsparametrarna i programvaran (pupillstorlek, kontraster, irismönster) för bra spårning.
- Tryck på Spela in för att starta datainsamlingen.
- Låt deltagaren titta på varje punkt i 1 s (fem prickar totalt, tre i rad, en ovanför mitten, en under mitten, prickavstånd 10 cm) med verbal instruktion: vänster, ner, mitt, upp, höger.
- Tryck på Stopp för att stoppa datainsamlingen.
6. Mätning av spontan nystagmus innan du går in i skannern
OBS: Mätningarna är mest exakta när de sker utanför magnetfältet i ryggläge. Detta kan utföras med en avtagbar MR-säng. Om det inte är tillgängligt, som i den inställning som används i denna studie, bör en position utanför 50 mT-linjen (streckad linje på golvet) väljas. Magnetfältets styrka vid mätpositionen kan bedömas med magnetometern (0,02 T i den inställning som används här).
- Sätt på skyddsglasögonskyddet och se till att deltagaren inte kan se något ljus. Annars, låt deltagaren täcka huvudet med svart tyg för att eliminera allt ljus som kommer in.
- Justera ögonspårningsparametrarna i programvaran (pupillstorlek, kontraster, irismönster) för bra spårning. Be deltagaren att öppna ögonen brett.
- Tryck på Spela in för att starta datainsamlingen.
- Mät ögonrörelserna i minst 30 sekunder. Justera ögonspårningsparametrarna om det behövs.
- Tryck på Stopp för att stoppa datainsamlingen.
- Ta av skyddsglasögonskyddet.
7. Placera deltagaren för experimentet
- Låt deltagaren lägga sig på skannerbädden.
- Justera huvudlutningspositionen för deltagaren enligt det första villkoret (antingen liggande eller lutad uppåt i stigningsplanet vid cirka 30 °) med hjälp av lämpliga kuddar.
- Placera spegeln över deltagarens huvud och justera den så att skärmen är inne i deltagarens synfält.
- Ge deltagaren svarsknapparna för varje hand; Fixa dem vid behov med tejp.
- Låt deltagaren öva på att sätta på och ta av locket på glasögonen så att detta kan göras i mörkret inuti hålet; Deltagaren ska upprepa detta så länge det behövs och avsluta med locket på glasögonen.
OBS: Detta steg kan leda till förskjutning av glasögonen, vilket kan påverka mätningarna av ögonens position. Om möjligt, utför en kalibrering efter detta steg. - Upprepa instruktionerna för den första uppgiften och fråga deltagaren om instruktionerna förstås.
- Justera ögonspårningsparametrarna antingen på glasögonen eller i programvaran (pupillstorlek, kontraster, irismönster) för bra spårning.
- Justera MR-sängens startposition med hjälp av MR-skannerns laserkors för att säkerställa att deltagarens inre öronstrukturer kommer att vara i mitten av hålet under experimentet.
8. Flytta deltagaren till skannern
- Om tillämpligt, starta självrörelseuppfattningsparadigmet genom att trycka på Kör och ange deltagar- och testinformationen i experimentprogramvaran på experimentdatorn.
- Starta ögonspårningsmätningarna (i inställningen som används här startades detta av självrörelseuppfattningsparadigmet) genom att trycka på Record i ögonspårningsprogrammet. Be deltagaren att öppna ögonen brett.
- Starta magnetometermätningarna genom att trycka på Spela in i magnetometerprogramvaran.
- Berätta för deltagaren att körningen startar.
- Inne i skannerrummet börjar du flytta deltagaren in i hålet.
- Efter 3 minuter borde uppfattningar om självrörelse ha försvunnit hos de flesta deltagare. Berätta därför för deltagarna att ta av glasögonens skydd om visuella stimuli behöver presenteras (t.ex. ett frågeformulär).
OBS: Eye-tracking kan också fortsätta under en längre tid med täckta ögon. - Om tillämpligt, presentera ett frågeformulär för egen rörelse på skärmen genom att starta det genom att trycka på Kör på experimentdatorn och låta deltagaren svara via svarsknappar.
9. Presentera ett paradigm med en kognitiv uppgift
- Om tillämpligt, presentera ett paradigm med en kognitiv uppgift på skärmen genom att starta den genom att trycka på Kör på experimentdatorn och låta deltagaren svara via svarsknappar. Bedöm magnetometerns orientering under denna tid.
OBS: Nu kan olika uppgifter genomföras för deltagaren att utföra. Låt deltagaren ta locket på glasögonen på och av för att växla mellan ögonspårning och skärmbaserade paradigmer.
10. Flytta deltagaren ur skannern
- Låt deltagaren sätta på locket på glasögonen.
- Upprepa steg 8-9 (förutom steg 8.5, som är "flytta deltagaren ur hålet")
11. Byt huvudposition
- Byt huvudposition till det läge som ännu inte bedömts med lämpliga kuddar (antingen liggande eller lutande) och upprepa steg 8.2-11.
OBS: Om en lämplig MR-säng är tillgänglig kan en intressant variant vara att flytta deltagarna in i hålet med fötterna först, eftersom omvänd inträde i hålet vänder fältriktningen i förhållande till innerörat.
12. Bedömning av orienteringen av de vestibulära organen
- Ta bort spegeln och skyddsglasögonen utan att förskjuta magnetometern.
- Installera huvudspolen.
- Ta bort magnetometerns sond och ersätt sonden med en pipett fylld med vatten utan att förskjuta magnetometerns lock (se figur 3D).
- Placera deltagarens huvud inuti huvudspolen utan att förskjuta magnetometern.
- Flytta deltagaren till skannern.
- Skaffa en 3D-CISS sekvens för strukturell inre öronavbildning.
OBS: I denna studie användes följande parametrar: en skivtjocklek på 0,4 mm; ett synfält på 179 mm × 179 mm; en vändvinkel på 60°; en repetitionstid (TR) på 8,29 ms; och en ekotid (TE) på 3,81 ms. Förvärvstiden för denna 3D-CISS var 10 min 53 s. Olika sekvenser har använts i andra studier23,30. - Flytta ut deltagaren från MR-skannern.
13. Studiens slut
- Ta bort pipetten, locket, pannbandet och öronpropparna och lämna skannerrummet med deltagaren.
- Om tillämpligt, låt deltagaren fylla i ett frågeformulär (t.ex. självrörelseuppfattning, upplevda skillnader mellan förhållanden, andra erfarenheter).
- Debriefa deltagaren om de undersökta forskningsfrågorna (t.ex. mätning av effekter av MVS på nystagmus, självrörelseuppfattning och kognitiva uppgifter genom att manipulera huvudposition i förhållande till magnetfältet).
Representative Results
Ögonspårningsdata visar de fångade horisontella och vertikala ögonrörelserna (se figur 4). Spårning av vridningsögonrörelser (visas inte) kräver specifik programvara 9,25 och / eller sofistikerad efterbehandling. Kalibreringsinspelningar används för att omvandla enheter från pixlar till grader. Data är av god kvalitet om en stadig spårning (med cirka 100 Hz) uppnås och extraherade data endast visar mindre spårningsartefakter (se figur 4 för ett exempel på mindre artefakter, främst på grund av blinkning). Spontan nystagmus utanför MR-skannern bör bedömas före experimentet för att utesluta nystagmus på grund av andra orsaker än magnetfältet.
Figur 4: Ögonspårningsdata. Horisontella och vertikala ögonpositioner under kalibrering och förflyttning in och ut ur MR-skannern i ryggläge. Data visar den horisontella nystagmusen, som växlar mellan att flytta in och ut ur borrningen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Magnetometerdata visar magnetometersondens position i förhållande till Z-axeln för magnetfältet inuti hålet (figur 5). Helst ser spårade data jämna ut och visar inga förändringar i fältstyrkor i varje rotationsaxel efter att ha nått insidan av borrningen. Således kan betydande huvudrörelser hos deltagarna lätt detekteras.
Figur 5: Magnetometerdata. Data från 3D-magnetometern som rör sig in i hålet visar en maximal fältstyrka på nästan 7 T efter cirka 27 s. Inga rörelseartefakter är synliga, vilket indikerar att deltagaren inte gjorde huvudrörelser när han gick in i borrningen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
3D-CISS-sekvensen förvärvades med en 7 T MR-skanner. Från 3D-CISS-bilderna extraherades 3D-ytmodellerna av vänster och höger inneröron och magnetometerorienteringen (se figur 6). Ytmodellerna genererades med hjälp av medicinsk bildbehandling och visualiseringsprogramvara. Detta gör det möjligt att extrahera orienteringen av de halvcirkelformade kanalerna med avseende på magnetometerorienteringen och Z-axeln för magnetfältet under experimentet (se figur 7).
Figur 6: 3D-ytmodeller extraherade från 3D CISS-bilden. a) Vattenpipett vid tidigare magnetometerläge. (B) höger (röd) och (C) vänster (blå) innerörats struktur (ursprungliga positioner och proportioner). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: Orientering av de halvcirkelformade kanalerna som extraherats från 3D-CISS-bilden. För varje halvcirkelformad kanal väljs tre landmärken och en ytnormalvektor beräknas (horisontell kanal: grön, bakre kanal: röd, överlägsen kanal: blå). Denna vektor sätts i relation till vattenpipettens orientering (svart) som en proxy för magnetometerns sondorientering och med magnetfältets Z-axel (visas inte här). Enheter i millimeter (mm) (absoluta koordinater för MR-bilden). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Kanalernas och magnetometerns orientering i förhållande till MR-skannerns Z-axel från 3D-CISS-bilderna kan kombineras med magnetometerns orientering under de två körningarna utan avbildning. Detta möjliggör rekonstruktion av kanalorienteringen under MVS-exponering under olika huvudpositioner. Alternativt kan en bild av varje deltagare och den bifogade magnetometern tas utanför magnetfältet. Därefter kunde de yttre ansiktsstrukturerna rekonstrueras för att kartlägga magnetometerns orienteringsmått med inre öronstrukturer och magnetfältets riktning. Data om självrörelsepercepts och kognitiva uppgifter (beskrivs inte här) kan analyseras tillsammans med ovanstående data. Således kan kanalposition, ögonspårningsdata (horisontell, vertikal och torsionsnystagmus), liksom rapporterade självrörelsepercepter och beteenderesultat, kopplas för att svara på experimentets specifika forskningsfråga.
Discussion
Den rapporterade installationen är lämplig för att undersöka olika aspekter av MVS-effekter på nystagmus, självrörelseuppfattning och prestanda i kognitiva uppgifter. Att kombinera måtten på det framkallade MVS-svaret kan ge insikter som hur hjärnan bearbetar motstridig vestibulär information och visa hur vestibulär information påverkar perceptuella och kognitiva processer på inter- och intraindividuell nivå. Till skillnad från andra vestibulära stimuleringsmetoder, såsom rotationsstolar, framkallar MVS en konstant accelerationsstimulans, vilket gör den lämplig för långvariga beteendestudier och användning som en icke-invasiv modell för ensidigt misslyckande 8,28. Därför kan detta tillvägagångssätt ge insikter i samspelet mellan vestibulär information och kognitiva processer när det gäller rumslig kognition och uppkomsten av självrörelseuppfattningar under motstridig sensorisk information. I framtiden kan användningen av MVS utnyttjas i klinisk forskning, till exempel för att undersöka akut stadium tidig kompensation till vestibulär obalans vid exponering för MVS. Dessa fynd kan sedan kopplas till kompensationsmekanismer efter vestibulära lesioner. Jämförelsen av deltagare med normala och dysfunktionella vestibulära organ kan främja kunskap om anpassningsprocesser hos vestibulära patienter till den förändrade inkommande vestibulära informationen.
Den beskrivna proceduren innehåller kritiska steg för säker och korrekt datainsamling i en 7 T MR-skanner. För det första medför MR-miljön flera svårigheter. Den experimentella installationen måste vara MR-säker, vilket kan kräva ändringar i ögonspårningsglasögon eller kabelanslutningar jämfört med en icke-MR-inställning. Detta kan leda till kompromisser i datakvaliteten. Deltagarna måste också uppfylla MR-inklusionskriterierna och bör tolerera besväret med processen (t.ex. luta huvudet medan de ligger i MR-skannern i flera minuter). För det andra är ögonspårning i skannern, särskilt förvärv av torsionsnystagmus, svår och kräver specialiserad programvara25. För vridning används irismönstret för spårning, vilket kräver högkvalitativa bilder och påverkas också av skillnader i enskilda irismönster. Ett annat tillvägagångssätt kan vara att använda konstgjorda pigmentmarkörer på sclera3, vilket kan vara obehagligt för deltagaren. För det tredje är självrörelseuppfattningar på grund av MVS icke-veridiska och innebär således intravestibulära såväl som multisensoriska konflikter28. Därför är verbaliseringen av dessa huvud- och / eller kroppsrotations- och översättningsupplevelser ofta svåra att beskriva för deltagarna. Tydliga instruktioner anpassade till forskningsfrågan är av avgörande betydelse. Vi rekommenderar att du använder välkända rotations- och översättningstermer som deltagarna kan relatera till, så att de bättre kan beskriva sin perceptuella upplevelse. För att bedöma specifika rörelseparametrar kan mer finkorniga metoder användas, såsom klassificeringar av rotationshastighet över tid7.
Den presenterade installationen begränsas av de tekniska begränsningarna för vår utrustning och kan förbättras om dessa kan övervinnas. Till exempel, för att bedöma inte bara statisk utan också dynamisk huvudposition inuti borrningen, kan magnetometerdata också synkroniseras med ögonspårning och beteendedata. Kalibreringen av glasögonen skulle vara bättre om den upprepas före varje körning. Ögonspårningskabelns längd är också av betydelse, eftersom detta definierar om spontan nystagmus kan mätas utanför skannerrummet. Den bästa lösningen skulle vara en avtagbar MR-säng, som kan flyttas utanför magnetfältet. Ögonspårningsdatorskärmen måste dock ses inifrån skannerrummet för att möjliggöra kalibrering och finjustering av ögonspårningsparametrarna samtidigt som den har tillgång till glasögonen. I vårt fall löste vi det via en andra skärm roterad mot skannerrumsfönstret.
MVS kan påverka prestanda och hjärnsvar i fMRI-studier. I studier som jämförde vestibulära patienter med friska kontroller kunde MVS leda till gruppskillnader på grund av en skillnad i stimuleringsstyrka istället för andra patientegenskaper. För att kontrollera förvirrande MVS-effekter är den nuvarande installationen en tidskrävande process både tidsmässigt och ekonomiskt (utrustning). Alternativt kan det vara till nytta att luta huvudet uppåt för små vinklar 7,23 (i den utsträckning som huvudspolen tillåter) eller bedöma kovariater, såsom orienteringen av de vestibulära organen med MRT enligt beskrivningen ovan23,30 och/eller nystagmus (t.ex. nyligen använda fMRI-baserade ögonspårningsmetoder 32).
Disclosures
Inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Vi tackar deltagarna och MR-teamet, liksom granskarna vars värdefulla kommentarer förbättrade kvaliteten på manuskriptet. Vi tackar D. S. Zee för hans värdefulla råd. Vi är tacksamma för att DIATEC AG tillhandahöll en eyetracking-bärbar dator för experimentet. Projektet stöds av ett SITEM-Insel-stödbidrag från universitetet i Bern som tilldelas FWM och 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).
