Summary
Bu makalede, manyetik vestibüler stimülasyon altında refleksif göz hareketlerini, kendi kendine hareket algısını ve bilişsel görevleri ve vestibüler organların anatomik yönelimini değerlendirmek için deneysel kurulum, materyal ve prosedürleri 7 Tesla Manyetik rezonans tomografi (7T-MRT) tarayıcısında açıklayacağız.
Abstract
Güçlü manyetik alanlar, yarı dairesel kanallardaki kupula üzerinde etkili olan Lorentz kuvvetleri nedeniyle baş dönmesi, vertigo ve nistagmusa neden olur, manyetik vestibüler stimülasyon (MVS) adı verilen bir etki. Bu makalede, güçlü manyetik alanların nistagmus üzerindeki etkisinin yanı sıra algısal ve bilişsel tepkilerin araştırılmasına olanak tanıyan bir 7T MRT tarayıcısında (MRI tarayıcı) deneysel bir kurulum sunuyoruz. MVS'nin gücü, katılımcıların kafa pozisyonlarını değiştirerek manipüle edilir. Katılımcıların yarım daire şeklindeki kanallarının statik manyetik alana göre oryantasyonu, kararlı durum (3D-CISS) görüntülerinde bir 3D manyetometre ve 3D yapıcı girişim birleştirilerek değerlendirilir. Bu yaklaşım, katılımcıların MVS'ye verdikleri yanıtlardaki bireyler arası ve bireyler arası farklılıkları hesaba katmaya olanak tanır. Gelecekte, MVS klinik araştırmalar için, örneğin vestibüler bozukluklarda telafi edici süreçlerin araştırılmasında yararlı olabilir. Ayrıca, vestibüler bilgi ile bilişsel süreçler arasındaki etkileşimi mekansal biliş açısından ve çelişkili duyusal bilgiler altında kendi kendine hareket algılarının ortaya çıkmasını teşvik edebilir. fMRI çalışmalarında, MVS, özellikle vestibüler bilgilerden etkilenen görevlerde veya vestibüler hastaları sağlıklı kontrollerle karşılaştıran çalışmalarda olası bir kafa karıştırıcı etki ortaya çıkarabilir.
Introduction
Güçlü manyetik alanların, yani 1 T'nin üzerinde, manyetik vestibüler stimülasyon (MVS) 1,2,3 adı verilen bir etki olan baş dönmesi, vertigo ve nistagmusa neden olduğu bilinmektedir. Vestibüler sistem iç kulakta bulunur ve üç yarı dairesel kanal ile dönme eksenleri (sapma, eğim ve rulo) etrafındaki ivmeyi ve iki maküla organı, utrikül ve sakkül4 ile translasyonel eksenler (nazo-oksipital, inter-aural ve baş-dikey) boyunca ivmeyi ölçer (bkz. Şekil 1A). MVS etkisinin ortaya çıkışı, vestibüler sisteminyarı dairesel kanallarının kupulası üzerinde etkili olan iyonik akıma bağlı bir Lorentz kuvveti ile açıklanabilir 1,2.
MVS'nin etkisi daha yüksek alan mukavemetleri 3,5 ile artar. Stimülasyona iki farklı bileşen neden olur. İlk olarak, katılımcıyı MRI tarayıcısının B0 alanı boyunca deliğe hareket ettirmek, kupula üzerinde etkili olan Lorentz kuvvetlerini ortaya çıkaran dinamik bir manyetik alanla sonuçlanır. İkincisi, katılımcıların deneyler sırasında hareketsiz yattığı MRI tarayıcısının statik manyetik alanı da sabit bir Lorentz kuvvetine neden olur. Böylece, MRI tarayıcıları kullanılarak yapılan tüm deneylerde, katılımcının vestibüler sistemi statik manyetik alan tarafından sürekli olarak uyarılır. Bu, tüm fMRI çalışmalarını, özellikle de ultra yüksek manyetik alanlardakileri (> 3 T) içerir.
Nistagmus, hareket ettirilerek veya hareket ettirilerek ve ayrıca güçlü bir manyetik alanda statik olarak dinlenerek ortaya çıkar. Hareketle ilgili kuvvetler, birkaç dakika sonra çürüyen güçlü nistagmusa neden olur6. Statik manyetik alanlar altında ortaya çıkan nistagmus daha zayıftır ve zamanla yavaş yavaş azalır, ancak maruz kalma sırasında tamamen kaybolmaz. Nistagmusun yönü manyetik alanın polaritesine bağlıdır ve manyetik alandan çekildiğinde tersine döner 6,7,8. MVS ağırlıklı olarak yatay ve üstün kanallara etki eder, bu da refleksif göz hareketlerine, yani çoğunlukla yatay ve burulma nistagmusuna ve daha az ölçüde dikey nistagmus9'a neden olur. İki taraflı vestibüler hastalarda nistagmus gözlenemez1, tek taraflı vestibüler hastalarda ise daha belirgin vertikal nistagmus komponentleri10 olarak mevcuttur. Nistagmus istemsiz olduğundan, vestibüler stimülasyonun gücü için çok uygun bir önlemdir. Nistagmus görsel fiksasyon ile bastırılabilir; Bu nedenle göz hareketleri tamamen karanlıkta değerlendirilmelidir.
Gerçek olmayan kendi kendine hareket algısı, baş dönmesi ve vertigo, özellikle 3 T'nin üzerindeki alan kuvvetlerinde, deliğin içine veya dışına taşınırken katılımcılar tarafından sıklıkla tanımlanır. Kendi kendine hareket algıları çoğunlukla rulo halinde ve daha az ölçüde sapma ve eğim düzlemi7'de rotasyonlar olarak tanımlanmıştır (bkz. Şekil 1A). Nistagmus maruziyet süresi boyunca devam ederken, kendi kendine hareket algısı genellikle 1-3 dakika7 sonra kaybolur. MVS'nin sabit kısmı kendi başına ilginç bir uyarımdır, çünkü bilinçli kendi kendine hareket algısının eşlik etmediği uzun süreli vestibüler girdiye izin verir.
Kalorik veya galvanik vestibüler stimülasyon, pasif hareket veya mikrogravite kullanan çalışmalardan, vestibüler bilginin uzamsal görevlerdeki performansı etkileyebileceği bilinmektedir 11,12 ve sinirsel korelasyonları13. Güçlü manyetik alanların içinde hareket etmenin veya hareket etmenin bilişsel performansı etkilediği bildirilmiştir14,15. Bir çalışma, MVS'nin gerçek olmayan kendi kendine hareket algısı nedeniyle derealizasyon semptomlarına yol açabileceğini bulmuştur16. Bununla birlikte, manyetik alanlarda statik olarak dinlenmenin etkisini araştıran çalışmalar, görsel doğrulukta tekrarlanan bir bozulma dışında, nöropsikolojik görevlerle ilgili kesin sonuçlar göstermemiştir17,18,19,20. Son zamanlarda, MVS'nin ihmal benzeri bir önyargıya neden olarak mekansal dikkati değiştirebileceğine dair ilk kanıtlar bulunmuştur21. Bu, MVS'nin daha yüksek bilişsel işlevleri ölçen davranışsal görevlerdeki performansı etkileyip etkilemeyeceği sorusunu gündeme getirmektedir. Örneğin, MVS'nin mekansal akıl yürütmeyi, yani nesneleri ve kendi vücut rotasyonlarını zihinselleştirme yeteneğini ne ölçüde etkilediği açık değildir.
İstirahat durumu aktivitesini analiz eden nörogörüntüleme çalışmaları, MVS'nin varsayılan mod ağlarında 3,22'de değişikliklere neden olabileceğini göstermiştir; bu, vestibüler organların manyetik alan yönüne göre konuya özgü anatomik oryantasyonu ile açıklanabilir23. fMRI deneyleri ile ilgili olarak, MVS'nin etkileri çalışmanın tasarımında dikkatlice düşünülmelidir. Ayrıca, MVS, fMRI deneylerinde kullanılan galvanik veya vestibüler stimülasyona müdahale edebilir. Bilateral vestibüler hastalarda MVS'nin etkileri bulunmadığından, katılımcıları sağlam ve disfonksiyonel vestibüler sistemlerle karşılaştıran nörogörüntüleme çalışmalarında bir karıştırıcı olarak hareket edebilir1.
MVS'nin etkilerini değerlendirmek ve katılımcılar içinde MVS'nin farklı güçlü yönlerini karşılaştırmak için, burada nistagmus, kendi kendine hareket algısı, bilişsel performans ve 7 T MRI tarayıcısı içindeki kanalların anatomik konumunu ölçmek için deneysel ve teknik bir kurulum sunuyoruz (bkz. Şekil 2). Açıklanan kurulum, MVS altında vestibüler ve daha yüksek bilişsel işlevleri spesifik olarak araştırmak veya MVS'nin fMRI çalışmalarında olası kafa karıştırıcı etkilerini değerlendirmek ve kontrol etmek için deneyler için uyarlanabilir ve kullanılabilir.
İlginç bir şekilde, MVS'nin gücü, baş pozisyonunu değiştirerek ve dolayısıyla vestibüler uç organların yönünü manyetik alanın yönüne göre değiştirerek modüle edilebilir. MVS'nin etkisi, çoğu katılımcıda başın vücuda doğru öne doğru eğilmesiyle (çeneden göğse)1,24 azaltılabilir. Böylece, eğim eksenindeki kafa pozisyonunun değiştirilmesi, farklı stimülasyon kuvvetleri altında ölçülebilir MVS etkilerinin karşılaştırılmasına izin verir.
Bu prosedürde, MVS'nin gücü, iki kafa pozisyonu arasındaki ölçümleri karşılaştırarak katılımcılar arasında manipüle edildi (bkz. Şekil 1B). Daha güçlü MVS'yi ortaya çıkarması gereken durumda, katılımcı tarayıcıda Reid'in düzleminin yaklaşık olarak yeryüzü dikey yönüyle (sırtüstü pozisyon) sırtüstü yatıyordu. Daha zayıf MVS'yi ortaya çıkarması gereken durumda, katılımcının başı öne doğru yaklaşık 30 ° eğildi (eğimli pozisyon). Sırtüstü pozisyonunu, nistagmusun bulunmadığı boş bir pozisyonla karşılaştırmak teorik olarak mümkündür1. Bununla birlikte, boş konum için gerekli perde eğimi her katılımcı için farklıdır ve belirlenmesi zaman alıcıdır, çünkü bu, konumu test etmek için katılımcıyı tarayıcının içine ve dışına yeniden konumlandırma ve hareket ettirme için birkaç örnek gerektirir. Bu, çoğu çalışma tasarımı için uygun olmayabilir. Sırtüstü ve eğik iki baş pozisyonu, katılımcılar arasındaki ve içindeki görevlerde kendi kendine hareket algısı veya performansı gibi farklı ölçümleri karşılaştırmaya izin verir.
Resim 1: Manyetik alandaki kafa pozisyonunun eksenleri ve düzlemleri . (A) Başın baş-dikey (HV), inter-aural (IA) ve nazo-oksipital (NO) ekseni. Manyetik alanın (B0) yönü, katılımcılar sırtüstü pozisyonda deliğin içinde yatarken baş-dikey eksen (HV) ile hizalanır31. (B) Deney sırasındaki iki kafa pozisyonu, sırtüstü pozisyonun (düz uzanan) çoğu katılımcıda eğimli pozisyondan daha güçlü MVS ortaya çıkardığı bilinmektedir (baş, pitch düzleminde yaklaşık 30 ° 'de yukarı doğru eğilmiştir). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Görüntüleme yapılmadan yapılan deneysel çalışmalar sırasında vestibüler organların nasıl yönlendirildiğini belirlemek için, katılımcıların kafalarına bir 3D manyetometre taktık ve probun manyetik alanın Z eksenine göre yönünü ölçtük (Şekil 3B). Vestibüler organların manyetik alandaki oryantasyonu yüksek çözünürlüklü anatomik 3D-CISS sekansı ile değerlendirildi. Görüntü yakalama sırasında, manyetometre bir su pipeti ile değiştirildi (Şekil 3D). Bu, manyetometrenin manyetik alanın Z ekseninin yönüne göre yönünü çıkarmaya ve iç kulak yapılarına hizalamaya izin verdi. Daha sonra deney süresince vestibüler organların oryantasyonu hakkında sonuçlar çıkarabiliriz.
Nistagmus MRG'ye uygun gözlüklerle izlendi (Şekil 3C). MVS sadece yatay ve bazen dikey değil, aynı zamanda burulma nistagmusunu da ortaya çıkarır; Bu nedenle, burulma göz hareketlerinin izlenmesini de sağlayan bir yazılım kullanılması önerilir 9,25.
Öz-hareket algıları, algı7 sırasında (deliğe girip çıkarken) ve kendi kendine hareket algıları kaybolduktan sonra, örneğin anketlerle değerlendirilebilir. Katılımcılara iyi talimat vermek önemlidir, çünkü gerçek olmayan kendi kendine hareketi sözlü olarak bildirmek katılımcılar için genellikle zordur. Protokolde, öz-hareket algısının ve bilişsel performansın ölçülebileceği yerleri belirtiyoruz, ancak araştırma sorusuna güçlü bir şekilde bağlı oldukları için görevleri veya anketleri belirtmiyoruz. Bununla birlikte, örnek anketler ve paradigmalarsunuyoruz 26.
Şekil 2: Deneyin teknik kurulumu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Özetle, MVS, vestibüler stimülasyonun nistagmus, algı ve bilişsel süreçler üzerindeki etkisini araştırmak ve vestibüler disfonksiyonu olan hastalarda alışkanlık süreçlerini incelemek için kullanılabilir. Statik manyetik alanın kupula üzerindeki etkisi, manyetik alana maruz kalma boyunca sabit kalır. Bu, sabit bir dönme ivmesini simüle ettiğinden, MVS vestibüler fonksiyonu ve algı ve biliş üzerindeki etkisini araştırmak için ilginç ve uygun bir yöntemdir27,28. Özellikle vestibüler bilginin mekansal akıl yürütme gibi daha yüksek bilişsel işlevler üzerindeki etkisiyle ilgili araştırma sorularını ele almak için kullanılabilir. Vestibüler hastalarda ortaya çıkabilecek telafi edici süreçlerin incelenmesini sağlayan vestibüler sistemin tek taraflı başarısızlığı için uygun bir noninvaziv model olarak hizmet vermektedir28. Ayrıca, MVS'nin fMRI çalışmalarında kafa karıştırıcı etkilerini göz önünde bulundurmak önemlidir, çünkü davranışsal ve nöral korelasyonlar vestibüler stimülasyon ile değiştirilebilir ve ayrıca güçlü bir statik manyetik alanda vestibüler hastaları araştırırken müdahale edebilir.
Protocol
Aşağıdaki adımlar, Helsinki Deklarasyonu'na uygun bir çalışmanın parçasıydı ve İsviçre Bern Kantonu etik komitesi tarafından onaylandı (2019-02468). Tüm katılımcılar çalışmaya katılmadan önce yazılı bilgilendirilmiş onamlarını vermişlerdir.
NOT: MVS deneyinden önce katılımcıların vestibüler fonksiyonlarının, anketler (örneğin, baş dönmesi özürlülüğü envanteri29), bitermal kalorik testler, döner pendüler testler, baş impuls testleri (HIT), subjektif görsel dikey (SVV), vestibüler uyarılmış miyojenik potansiyeller (c-VEMP), oküler vestibüler miyojenik potansiyeller (o-VEMP), dinamik görme keskinliği (DVA) ve / veya dinamik postürografi gibi standart vestibüler tanı testleri ile değerlendirilmesi önerilir.
1. Tarayıcı odasında deney düzeneğinin hazırlanması (Şekil 2)
DİKKAT: Tarayıcı odasına getirilen tüm malzemeler MRG güvenli olmalıdır.
- Veri toplamanın senkronizasyonunu sağlamak için deney bilgisayarını ve göz izleme bilgisayarını çapraz ethernet kablosuyla bağlayın.
- Katılımcı tarafından çalıştırılan yanıt düğmelerini, yanıt kutusu aracılığıyla deney bilgisayarına bağlayın.
- Deney bilgisayarına bağlı projektörü açın.
- Manyetometre aygıtını USB konektörüne takarak manyetometre bilgisayara bağlayın.
NOT: 3D manyetometre, ultra yüksek alan mukavemeti için uygun ve kalibre edilmiş olmalıdır. Bu çalışmada kullanılan yazılımlarda şu ayarlar seçilmiştir: Birimler = Tesla, Aralık = 20.00, Edinme hızı = 100.00 Hz. - Göz izleme gözlüklerini korumalı bir firewire kablosuyla göz izleme bilgisayarına bağlayın.
NOT: Kablo yeterince uzun olmadığı sürece, göz izleme gözlüklerinin ayarlanmasını sağlamak için göz izleme bilgisayar ekranı tarayıcı odasının içinden görülmelidir. Gerekirse, MRI odası ile kontrol odası arasındaki pencerenin önüne yerleştirilmiş harici bir ekran kullanın. - Göz izleme yazılımı 9,25'i açın.
2. Katılımcının MRI tarayıcısına girmeye hazırlanması
DİKKAT: Aşağıdaki adımlar katılımcı ve personel güvenliği açısından kritik öneme sahiptir.
- Katılımcının bilgilendirilmiş onayı okumasına ve imzalamasına izin verin.
- Katılımcının MRI hariç tutma kriterlerini karşılamadığını onaylayın. MRG'ye dayanıklı giysiler sağlayın, metalik nesneleri (örneğin, piercing) çıkarın ve bir hamilelik testi yapın (varsa).
NOT: MR güvenlik kriterleri için https://mr-gufi.de/index.php/dokumente bkz. Kriterler araştırma bölgeleri arasında farklılık gösterir. - Kontakt lensleri, göz farını ve maskarayı iyice çıkarın (daha iyi göz takibi için).
3. Katılımcıyı deneysel prosedürler ve görevler hakkında bilgilendirmek
- Deneysel prosedürü açıklayın ve görevler hakkında talimatlar verin. Katılımcının uygulama denemelerini tamamlamasına izin verin (varsa).
- Kendi kendine hareket algısı değerlendirilirse, katılımcıyı belirli çeviri ve dönme eksenleri hakkında bilgilendirin (bkz. Şekil 1A). Belirli hareketler için akılda kalıcı terimler kullanın, örneğin, sırtüstü pozisyon26'da sapma (baş-dikey eksen etrafında) rotasyonları için "barbekü rotasyonu".
4. Göz izleyici ve manyetometre ölçümlerinin hazırlanması
- Katılımcının kafasına elastik bir kafa bandı ve EEG kapağı yerleştirin (örneğin, elektrotsuz MRG güvenli bir EEG kapağı) (bkz. Şekil 3A).
- Manyetometreyi bir kulağın arkasına sabitleyin (3D-CISS sekans görüntüleri aralığında olmalıdır) elastik kafa bandının ve EEG kapağının altına çekerek. Yapışkan bantla uygun şekilde sabitleyin (bkz. Şekil 3B).
- Göz izleme gözlüklerini EEG kapağının üzerine takın (bkz. Şekil 3C).
- Katılımcının kulak tıkacı takmasına izin verin.
- İyi bir izleme sağlamak için gözlüklerdeki (sol/sağ merkezleme, yukarı/aşağı merkezleme, odaklama) ve yazılımdaki (sol/sağ merkezleme, yukarı/aşağı merkezleme, göz bebeği boyutu, kontrastlar, iris deseni) göz izleme parametrelerini ayarlayın.
Şekil 3: Katılımcının hazırlanması. (A) Manyetometreyi sabitlemek için elastik kafa bandı ve EEG kapağı (elektrotsuz). (B) Manyetometre bir kulağın arkasına yerleştirilir. (C) Göz izleme gözlükleri monte edilmiştir. (D) Manyetometre probu çıkarılır ve görüntüleme için bir su pipeti ile değiştirilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
5. Göz izleme kalibrasyon dosyasının kaydedilmesi
NOT: Kalibrasyon, her çalıştırmadan önce ve katılımcının tarayıcıya taşındığı konumda yapılırsa en hassas şekilde yapılır. Burada bildirilen prosedür daha az kesindir, ancak zaman ve teknik kısıtlamalar nedeniyle seçilmiştir.
- Katılımcının kalibrasyon uyaranlarının 1 m önünde oturmasına izin verin (göz uyaranı mesafesini örneğin bir mezura ile ölçün).
- İyi bir izleme için yazılımdaki göz izleme parametrelerini (göz bebeği boyutu, kontrastlar, iris deseni) ayarlayın.
- Veri toplamayı başlatmak için Kaydet'e basın.
- Katılımcının her noktaya 1 s boyunca bakmasına izin verin (toplamda beş nokta, arka arkaya üç, biri ortanın üstünde, biri ortanın altında, noktaların mesafesi 10 cm) sözlü talimatla: sol, aşağı, orta, yukarı, sağ.
- Veri alımını durdurmak için Durdur'a basın.
6. Tarayıcıya girmeden önce spontan nistagmusun ölçülmesi
NOT: Ölçümler, manyetik alanın dışında sırtüstü pozisyonda gerçekleşirken en hassastır. Bu, çıkarılabilir bir MRI yatağı ile gerçekleştirilebilir. Mevcut değilse, bu çalışmada kullanılan kurulumda olduğu gibi, 50 mT çizgisinin dışında bir konum (zemindeki kesikli çizgi) seçilmelidir. Manyetik alanın ölçüm pozisyonundaki gücü, manyetometre ile değerlendirilebilir (burada kullanılan kurulumda 0.02 T).
- Gözlük kapağını takın ve katılımcının herhangi bir ışık görmediğinden emin olun. Aksi takdirde, içeri giren ışığı ortadan kaldırmak için katılımcının kafasını siyah kumaşla örtmesine izin verin.
- İyi bir izleme için yazılımdaki göz izleme parametrelerini (göz bebeği boyutu, kontrastlar, iris deseni) ayarlayın. Katılımcıya gözlerini geniş bir şekilde açmasını söyleyin.
- Veri toplamayı başlatmak için Kaydet'e basın.
- Göz hareketlerini en az 30 sn boyunca ölçün. Gerekirse göz izleme parametrelerini yeniden ayarlayın.
- Veri alımını durdurmak için Durdur'a basın.
- Gözlük kapağını çıkarın.
7. Katılımcının deney için konumlandırılması
- Katılımcının tarayıcı yatağına uzanmasına izin verin.
- Uygun minderler kullanarak katılımcının baş eğme pozisyonunu ilk koşula göre ayarlayın (sırtüstü veya yaklaşık 30°'de perde düzleminde yukarı doğru eğilmiş).
- Aynayı katılımcının başının üzerine yerleştirin ve ekran katılımcının görüş alanı içinde olacak şekilde ayarlayın.
- Katılımcıya her el için yanıt düğmeleri verin; Gerekirse, bunları bantla sabitleyin.
- Katılımcının gözlüklerin kapağını takıp çıkarma pratiği yapmasına izin verin, böylece bu deliğin içindeki karanlıkta yapılabilir; Katılımcı bunu gerektiği kadar tekrarlamalı ve gözlüğün üzerindeki kapakla bitirmelidir.
NOT: Bu adım, gözlüklerin yer değiştirmesine neden olabilir ve bu da gözlerin konumuyla ilgili ölçümleri etkileyebilir. Mümkünse, bu adımdan sonra bir kalibrasyon gerçekleştirin. - İlk görev için talimatları tekrarlayın ve katılımcıya talimatların anlaşılıp anlaşılmadığını sorun.
- İyi bir izleme için gözlükte veya yazılımda göz izleme parametrelerini (göz bebeği boyutu, kontrastlar, iris deseni) ayarlayın.
- Katılımcının iç kulak yapılarının deney sırasında deliğin merkezinde olmasını sağlamak için MRI tarayıcısının lazer haçı yardımıyla MRI yatağının başlangıç konumunu ayarlayın.
8. Katılımcıyı tarayıcıya taşıma
- Mümkünse, Çalıştır'a basıp deney bilgisayarındaki deneysel yazılıma katılımcı ve deneme bilgilerini girerek kendi kendine hareket algısı paradigmasını başlatın.
- Göz izleme ölçümlerini başlatın (burada kullanılan kurulumda, bu kendi kendine hareket algısı paradigması tarafından başlatıldı) göz izleme yazılımında Kaydet'e basarak başlayın. Katılımcıya gözlerini geniş bir şekilde açmasını söyleyin.
- Manyetometre yazılımında Kaydet düğmesine basarak manyetometre ölçümlerini başlatın.
- Katılımcıya koşunun başladığını söyleyin.
- Tarayıcı odasının içinde, katılımcıyı deliğe taşımaya başlayın.
- 3 dakika sonra, çoğu katılımcıda kendi kendine hareket algıları kaybolmuş olmalıydı. Bu nedenle, katılımcılara görsel uyaranların sunulması gerekiyorsa gözlüklerin kapağını çıkarmalarını söyleyin (örneğin, bir anket).
NOT: Göz takibi kapalı gözlerle daha uzun süre devam ettirilebilir. - Varsa, deneysel bilgisayarda Çalıştır'a basarak başlatarak ve katılımcının yanıt düğmeleriyle yanıtlamasına izin vererek ekranda bir kendi kendine hareket anketi sunun.
9. Bilişsel bir görevle bir paradigma sunma
- Mümkünse, deneysel bilgisayarda Çalıştır'a basarak başlatarak ve katılımcının yanıt düğmeleriyle yanıt vermesine izin vererek ekranda bilişsel bir görevi olan bir paradigma sunun. Bu süre zarfında manyetometre yönünü değerlendirin.
NOT: Artık katılımcının yürütmesi için farklı görevler uygulanabilir. Katılımcının göz izleme ve ekran tabanlı paradigmalar arasında geçiş yapmak için gözlüklerin kapağını açıp kapatmasına izin verin.
10. Katılımcıyı tarayıcının dışına taşıma
- Katılımcının gözlüklerin kapağını takmasına izin verin.
- 8-9 arasındaki adımları tekrarlayın ("katılımcıyı delikten çıkarmak" anlamına gelen 8.5. adım hariç)
11. Baş pozisyonunu değiştirin
- Baş pozisyonunu, uygun minderler (sırtüstü veya eğik) kullanılarak henüz değerlendirilmemiş konuma getirin ve 8.2-11 arasındaki adımları tekrarlayın.
NOT: Uygun bir MRI yatağı mevcutsa, ilginç bir varyasyon, katılımcıları önce ayaklarıyla deliğe taşımak olabilir, çünkü deliğe ters giriş, iç kulağa göre alan yönünü tersine çevirir.
12. Vestibüler organların oryantasyonunun değerlendirilmesi
- Manyetometreyi yerinden çıkarmadan aynayı ve gözlükleri çıkarın.
- Kafa bobinini takın.
- Manyetometrenin probunu çıkarın ve probu manyetometrenin kapağını yerinden çıkarmadan suyla dolu bir pipetle değiştirin (bkz. Şekil 3D).
- Manyetometreyi yerinden oynatmadan katılımcının kafasını kafa bobininin içine yerleştirin.
- Katılımcıyı tarayıcıya taşıyın.
- Yapısal iç kulak görüntüleme için bir 3D-CISS dizisi edinin.
NOT: Bu çalışmada aşağıdaki parametreler kullanılmıştır: 0,4 mm'lik bir dilim kalınlığı; 179 mm × 179 mm'lik bir görüş alanı; 60°'lik bir çevirme açısı; 8.29 ms'lik bir tekrarlama süresi (TR); ve 3.81 ms'lik bir yankı süresi (TE). Bu 3D-CISS'in satın alma süresi 10 dakika 53 sn idi. Diğer çalışmalarda farklı diziler kullanılmıştır23,30. - Katılımcıyı MRI tarayıcısının dışına taşıyın.
13. Çalışmanın sonu
- Pipet, kapak, kafa bandı ve kulak tıkacı çıkın ve tarayıcı odasını katılımcıyla birlikte bırakın.
- Mümkünse, katılımcının bir anket doldurmasına izin verin (örneğin, kendi kendine hareket algısı, koşullar arasında yaşanan farklılıklar, diğer deneyimler).
- Katılımcıyı araştırılan araştırma soruları hakkında bilgilendirin (örneğin, MVS'nin nistagmus, kendi kendine hareket algısı ve bilişsel görevler üzerindeki etkilerini manyetik alana atıfta bulunarak kafa pozisyonunu manipüle ederek ölçmek).
Representative Results
Göz izleme verileri, yakalanan yatay ve dikey göz hareketlerini gösterir (bkz. Şekil 4). Burulma göz hareketlerinin izlenmesi (gösterilmemiştir) özel yazılım 9,25 ve/veya sofistike son işlem gerektirir. Kalibrasyon kayıtları, birimleri piksellerden derecelere dönüştürmek için kullanılır. Sabit bir izlemeye (yaklaşık 100 Hz ile) ulaşıldığında veriler iyi kalitededir ve ayıklanan veriler yalnızca küçük izleme yapıtlarını gösterir (çoğunlukla yanıp sönme nedeniyle küçük yapıtların bir örneği için Şekil 4'e bakın). MRG tarayıcısının dışındaki spontan nistagmus, manyetik alan dışındaki nedenlerden dolayı nistagmusu dışlamak için deneyden önce değerlendirilmelidir.
Şekil 4: Göz izleme verileri. Kalibrasyon sırasında yatay ve dikey göz pozisyonları ve sırtüstü kafa pozisyonunda MRI tarayıcısına girip çıkma. Veriler, deliğin içine ve dışına hareket etme arasında tersine dönen yatay nistagmusu göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Manyetometre verileri, manyetometre probunun delik içindeki manyetik alanın Z eksenine göre konumunu gösterir (Şekil 5). İdeal olarak, izlenen veriler pürüzsüz görünür ve deliğin içine ulaştıktan sonra her dönme ekseninde alan kuvvetlerinde herhangi bir değişiklik göstermez. Böylece katılımcıların önemli kafa hareketleri kolaylıkla tespit edilebilmektedir.
Şekil 5: Manyetometre verileri. Deliğe giren 3D manyetometreden gelen veriler, yaklaşık 27 sn sonra neredeyse 7 T'lik bir maksimum alan kuvveti göstermektedir. Hiçbir hareket artefaktı görünmez, bu da katılımcının deliğe girerken baş hareketleri yapmadığını gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
3D-CISS dizisi 7 T MRI tarayıcı ile elde edildi. 3D-CISS görüntülerinden sol ve sağ iç kulakların 3D yüzey modelleri ve manyetometre oryantasyonu çıkarıldı (bkz. Şekil 6). Yüzey modelleri, tıbbi görüntü işleme ve görselleştirme yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur. Bu, deney sırasında manyetometre oryantasyonuna ve manyetik alanın Z eksenine göre yarı dairesel kanalların oryantasyonunun çıkarılmasına izin verir (bkz. Şekil 7).
Şekil 6: 3B CISS görüntüsünden çıkarılan 3B yüzey modelleri. (A) Önceki manyetometre konumundaki su pipeti; (B) sağ (kırmızı) ve (C) sol (mavi) iç kulak yapısı (orijinal pozisyonlar ve oranlar). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: 3D-CISS görüntüsünden çıkarılan yarı dairesel kanalların oryantasyonu. Her yarı dairesel kanal için üç yer işareti seçilir ve bir yüzey normal vektörü hesaplanır (yatay kanal: yeşil, arka kanal: kırmızı, üstün kanal: mavi). Bu vektör, manyetometre probu oryantasyonu için bir vekil olarak su pipetinin (siyah) oryantasyonu ve manyetik alanın Z ekseni (burada gösterilmemiştir) ile ilişkilendirilir. Milimetre (mm) cinsinden birimler (MR görüntüsünün mutlak koordinatları). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Kanalların ve manyetometrenin 3D-CISS görüntülerinden MRI tarayıcısının Z eksenine göre oryantasyonu, görüntüleme olmadan iki çalışma sırasında manyetometrenin yönü ile birleştirilebilir. Bu, MVS maruziyeti sırasında farklı kafa pozisyonları altında kanal oryantasyonunun yeniden yapılandırılmasına izin verir. Alternatif olarak, her katılımcının ve ekli manyetometrenin bir resmi manyetik alanın dışına çekilebilir. Daha sonra, manyetometre oryantasyon ölçümlerini iç kulak yapıları ve manyetik alanın yönü ile haritalamak için dış yüz yapıları yeniden yapılandırılabilir. Kendi kendine hareket algıları ve bilişsel görevlerin verileri (burada açıklanmamıştır) yukarıdaki verilerle birlikte analiz edilebilir. Böylece, kanal konumu, göz izleme verileri (yatay, dikey ve burulma nistagmus) ve ayrıca bildirilen kendi kendine hareket algıları ve davranışsal sonuçlar, deneyin spesifik araştırma sorusunu cevaplamak için bağlanabilir.
Discussion
Bildirilen kurulum, MVS'nin nistagmus, kendi kendine hareket algısı ve bilişsel görevlerdeki performans üzerindeki etkilerinin çeşitli yönlerini araştırmak için uygundur. Ortaya çıkan MVS yanıtının ölçümlerini birleştirmek, beynin çelişkili vestibüler bilgileri nasıl işlediği gibi içgörüler verebilir ve vestibüler bilginin bireyler arası ve bireyler arası düzeyde algısal ve bilişsel süreçleri nasıl etkilediğini gösterebilir. Rotasyonel sandalyeler gibi diğer vestibüler stimülasyon yöntemlerinin aksine, MVS sabit bir hızlanma uyaranı ortaya çıkarır, bu da onu daha uzun süreli davranışsal çalışmalar için uygun hale getirir ve tek taraflı başarısızlık için invaziv olmayan bir model olarak kullanılır 8,28. Bu nedenle, bu yaklaşım, vestibüler bilgi ile bilişsel süreçler arasındaki etkileşime, mekansal biliş açısından ve çelişkili duyusal bilgiler altında kendi kendine hareket algılarının ortaya çıkması konusunda içgörüler sağlayabilir. Gelecekte, MVS kullanımı klinik araştırmalarda, örneğin MVS'ye maruz kalma sırasında vestibüler dengesizliğe akut evre erken kompanzasyonunu araştırmak için kullanılabilir. Bu bulgular daha sonra vestibüler lezyonlardan sonra kompanzasyon mekanizmalarına bağlanabilir. Normal ve disfonksiyonel vestibüler organlara sahip katılımcıların karşılaştırılması, vestibüler hastalarda değişen gelen vestibüler bilgilere adaptasyon süreçleri hakkında bilgi sahibi olmayı teşvik edebilir.
Açıklanan prosedür, 7 T MRI tarayıcısında güvenli ve doğru veri toplama için kritik adımları içerir. İlk olarak, MRG ortamı çeşitli zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Deney düzeneği MRG güvenli olmalıdır, bu da MRI olmayan bir kuruluma kıyasla göz izleme gözlüklerinde veya kablo bağlantılarında değişiklikler gerektirebilir. Bu, veri kalitesinde ödün verilmesine neden olabilir. Ayrıca, katılımcılar MRG dahil etme kriterlerini karşılamalı ve işlemin rahatsızlığını tolere etmelidir (örneğin, MRI tarayıcısında birkaç dakika yatarken başını eğmek). İkincisi, tarayıcıda göz izleme, özellikle burulma nistagmusun elde edilmesi zordur ve özel bir yazılım gerektirir25. Burulma için, irisin deseni, yüksek kaliteli görüntüler gerektiren ve ayrıca bireysel iris modellerindeki farklılıklardan etkilenen izleme için kullanılır. Başka bir yaklaşım, sklera3 üzerinde yapay pigment belirteçleri kullanmak olabilir, bu da katılımcı için tatsız olabilir. Üçüncüsü, MVS'ye bağlı kendi kendine hareket algıları gerçek değildir ve bu nedenle, vestibüler ve çoklu duyusal çatışmaların yanı sıra28 anlamına gelir. Bu nedenle, bu baş ve / veya vücut rotasyonunun ve çeviri deneyimlerinin sözel hale getirilmesi katılımcılar için genellikle zordur. Araştırma sorusuna uyarlanmış açık talimatlar çok önemlidir. Katılımcıların ilişki kurabilecekleri iyi bilinen rotasyon ve çeviri terimlerini kullanmanızı öneririz, böylece algısal deneyimlerini daha iyi tanımlayabilirler. Belirli hareket parametrelerini değerlendirmek için, zaman içindeki dönme hızı derecelendirmeleri gibi daha ince taneli yöntemler kullanılabilir7.
Sunulan kurulum, ekipmanımızın teknik kısıtlamaları ile sınırlıdır ve bunların üstesinden gelinebilirse geliştirilebilir. Örneğin, sadece statik değil, aynı zamanda delik içindeki dinamik kafa pozisyonunu da değerlendirmek için, manyetometre verileri göz izleme ve davranışsal verilerle de senkronize edilebilir. Gözlüklerin kalibrasyonu her koşudan önce tekrarlanırsa daha iyi olur. Ayrıca, göz izleme kablosunun uzunluğu da önemlidir, çünkü bu, spontan nistagmusun tarayıcı odasının dışında ölçülüp ölçülemeyeceğini tanımlar. En iyi çözüm, manyetik alanın dışına taşınabilen çıkarılabilir bir MRI yatağı olacaktır. Bununla birlikte, gözlüklere erişirken göz izleme parametrelerinin kalibrasyonunu ve ince ayarını sağlamak için göz izleme bilgisayar ekranının tarayıcı odasının içinden görülmesi gerekir. Bizim durumumuzda, bunu tarayıcı odası penceresine doğru döndürülmüş ikinci bir ekranla çözdük.
MVS, fMRI çalışmalarında performansı ve beyin tepkilerini etkileyebilir. Vestibüler hastaları sağlıklı kontrollerle karşılaştıran çalışmalarda, MVS diğer hasta özellikleri yerine stimülasyon gücündeki farklılık nedeniyle grup farklılıklarına yol açabilir. Kafa karıştırıcı MVS etkilerini kontrol etmek amacıyla, mevcut kurulum hem zaman hem de finansal olarak zaman alıcı bir süreçtir (ekipman). Alternatif olarak, başın 7,23 küçükaçılar için yukarı doğru eğilmesi (kafa bobininin izin verdiği ölçüde)veya vestibüler organların yukarıda tarif edildiği gibi MRG ile oryantasyonu gibi eşdeğişkenliklerin değerlendirilmesi ve / veya nistagmus (örneğin, son fMRI tabanlı göz izleme yaklaşımları32) yararlı olabilir.
Disclosures
Çıkar çatışması yok.
Acknowledgments
Katılımcılara, MR ekibine ve değerli yorumları makalenin kalitesini artıran hakemlere teşekkür ederiz. D. S. Zee'ye değerli tavsiyeleri için teşekkür ederiz. DIATEC AG'nin deney için göz alıcı bir dizüstü bilgisayar sağladığı için minnettarız. Proje, Bern Üniversitesi'nden FWM ve GM'ye verilen bir SITEM-Insel destek hibesi ile desteklenmektedir.
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).
