Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) van de visuele cortex met retinotopische stimulatie met breedbeeld

Published: December 8, 2023 doi: 10.3791/65597
Automatic Translation
*1, *1, 2, 3, 4
1Renaissance School of Medicine at Stony Brook University, 2Department of Radiology, University of Colorado School of Medicine, 3Department of Radiology, Montefiore-Einstein, 4Department of Radiology, School of Medicine, Stony Brook University
* These authors contributed equally

Summary

We hebben technieken ontwikkeld om de functie van de visuele cortex in kaart te brengen, waarbij we meer van het gezichtsveld gebruiken dan gebruikelijk is. Deze aanpak heeft het potentieel om de evaluatie van zichtstoornissen en oogziekten te verbeteren.

Abstract

Retinotopische bloedoxygenatieniveau-afhankelijke (BOLD) functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) met hoge resolutie en een breedbeeldpresentatie kan worden gebruikt om de perifere en centrale visuele cortex functioneel in kaart te brengen. Deze methode voor het meten van functionele veranderingen van het visuele brein maakt het mogelijk om de occipitale kwab functioneel in kaart te brengen, waardoor >100° (±50°) of meer van het gezichtsveld wordt gestimuleerd, vergeleken met standaard fMRI-visuele presentatieopstellingen die gewoonlijk <30° van het gezichtsveld beslaan. Een eenvoudig breedbeeldstimulatiesysteem voor BOLD fMRI kan worden ingesteld met behulp van gewone MR-compatibele projectoren door een grote spiegel of scherm dicht bij het gezicht van het onderwerp te plaatsen en alleen de achterste helft van een standaard hoofdspoel te gebruiken om een brede kijkhoek te bieden zonder het zicht te belemmeren. De breedbeeld retinotopische fMRI-kaart kan vervolgens worden afgebeeld met behulp van verschillende retinotopische stimulatieparadigma's, en de gegevens kunnen worden geanalyseerd om de functionele activiteit te bepalen van visuele corticale regio's die overeenkomen met centraal en perifeer zicht. Deze methode biedt een praktisch, eenvoudig te implementeren visueel presentatiesysteem dat kan worden gebruikt om veranderingen in de perifere en centrale visuele cortex als gevolg van oogziekten zoals glaucoom en het verlies van gezichtsvermogen dat daarmee gepaard kan gaan, te evalueren.

Introduction

Functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) is een waardevolle methode om veranderingen in de regionale neurovasculaire functie in de visuele cortex te beoordelen als reactie op stimuli, aangezien veranderingen in de regionale bloedstroom correleren met de activering van hersengebieden 1,2. Retinotopische bloedoxygenatieniveau-afhankelijke (BOLD) signaalmetingen met hoge resolutie vertegenwoordigen veranderingen in deoxyhemoglobine, die worden aangedreven door gelokaliseerde veranderingen in de bloedstroom en bloedoxygenatie in de hersenen 1,2. BOLD-activiteitspatronen verzameld uit fMRI-gegevens kunnen worden gebruikt om de perifere en centrale visuele cortex functioneel in kaart te brengen, en om veranderingen in de retinotopische kaart te detecteren als reactie op visuele beperkingen enneurodegeneratie.

De meeste eerdere fMRI-onderzoeken maakten gebruik van niet-retinotopische stimuli met een beperkt zicht (ongeveer ±12° van het centrale gezichtsveld) of eenvoudige retinotopische stimuli met visuele stimuli met een beperkt gezichtsvermogen, wat zorgde voor een beperkte functionele parcellatie van de retinotopische representatie in de visuele cortex en een beperkte beoordeling van alleen het centrale gezichtsveld, met uitzondering van de periferie3. Bijgevolg hebben fMRI-gegevens met beperkte weergave inconsistente BOLD-procentuele veranderingen gerapporteerd bij glaucoompatiënten 4,5,6. Er is daarom behoefte aan verbeterde fMRI-benaderingen voor het beoordelen van het perifere en centrale gezichtsveld, met name bij de evaluatie van ziekten zoals glaucoom.

Glaucoom is de belangrijkste oorzaak van onomkeerbare blindheid en treft 10% van de mensen op de leeftijd van 807. Glaucoom wordt veroorzaakt door de progressieve, onomkeerbare neurodegeneratie van retinale ganglioncellen, die verantwoordelijk zijn voor het overbrengen van visuele stimuli naar de hersenen via de oogzenuw. Bij primair openkamerhoekglaucoom (POAG), de meest voorkomende vorm van glaucoom, veroorzaakt verhoogde intraoculaire druk dunner worden van de retinale zenuwvezellaag (RNFL), wat leidt tot verlies van perifeer zicht, gevolgd door perifere en centrale blindheid 8,9,10,11. Histologisch bewijs uit dierstudies suggereert dat glaucoom bovendien resulteert in progressieve neurodegeneratie van de oogzenuw, het oogkanaal, de laterale geniculaire kern, optische straling en visuele cortex12,13. MRI-technologie biedt een minimaal invasieve methode om zowel de bloedoxygenatie als de neurodegeneratie in de visuele cortex te beoordelen. Bij patiënten met glaucoom heeft MRI aanwijzingen gevonden voor atrofie van grijze stof in het visuele pad 13,14,15,16 en abnormale witte stof in het optische chiasma, het optische kanaal en de optische straling 1,17,18.

Om de effecten op visuele verwerking verder te onderzoeken, kan fMRI worden gebruikt om de hersenfunctie te detecteren als reactie op visuele signalen. Het protocol hierin beschrijft een nieuwe methode om een goedkope, breedbeeld-retinotopische kaart te verkrijgen met behulp van retinotopische fMRI met hoge resolutie met breedveldstimuli (>100°), zoals beschreven door Zhou et al3. Visuele stimuli van uitzettende ringen en roterende wiggen werden gebruikt om retinotopische mapping van de excentriciteit en polaire hoek voor fMRI op te wekken. BOLD fMRI-procentuele veranderingen werden geanalyseerd als een functie van excentriciteit om de hersenfunctie te evalueren, overeenkomend met zowel centraal als perifeer zicht. De procentuele verandering van BOLD fMRI kan worden gebruikt om activering in de visuele cortex te visualiseren. Deze fMRI-metingen bieden een betrouwbare nieuwe methode om neurodegeneratieve veranderingen en hun functionele effecten op de visuele cortex te evalueren die worden aangetroffen bij oogziekten met gezichtsvelddefecten, zoals glaucoom.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Onderzoek met menselijke deelnemers werd uitgevoerd in overeenstemming met de institutionele richtlijnen van het Health Science Center van de Universiteit van Texas en de Stony Brook University, met geïnformeerde toestemming van deelnemers voor deze onderzoeken en het gebruik van hun gegevens.

1. Installatie van MRI-scanner en beeldvormingsprotocollen

  1. Gebruik voor fMRI een 3T MRI-scanner met meerkanaals ontvangerkopspoelen. Verschillende veldsterktes kunnen ook worden gebruikt, maar kunnen problemen opleveren met signaal-ruisverhouding (SNR) of vervormingsartefacten, dus pas dienovereenkomstig aan. Gebruik alleen de achterste helft van de hoofdspoel voor fMRI om een grotere kijkhoek mogelijk te maken die niet wordt belemmerd door de voorste helft van de spoel.
  2. Stel een T1-gewogen magnetisatie-voorbereide MP-RAGE-sequentie (Rapid Acquisition Gradient Echo) in met een herhalingstijd (TR) van 2,2 s, echotijd (TE) van 2,8 ms, gezichtsveld (FOV) van 176 mm x 256 mm x 208 mm, ruimtelijke resolutie van 1 mm x 1 mm x 1 mm, bandbreedte van 190 Hz/pixel, draaihoek van 13°, en een scanduur van 3,1 min3.
  3. Stel een gradiënt-echo, echo-planaire beeldvorming (EPI)-sequentie in met een TR van 2 s, TE van 30 ms, FOV van 220 mm x 220 mm, in-plane resolutie van 1,7 mm x 1,7 mm, 29 plakjes met een dikte van 3 mm en een bandbreedte van 1.500 Hz/pixel3.
  4. Meet de afmetingen van de kopspoel en de scannerboring en construeer vervolgens een eenvoudig frame door een polyvinylchloride (PVC)-buis in geschikte lengtes te snijden en deze te verbinden met PVC-ellebogen. Zorg voor een spiegel van minimaal 25 cm breed en 15 cm hoog en bevestig deze met schroeven aan een plastic staaf (kleine gaatjes kunnen in de spiegel worden geboord).
    1. Bevestig de uiteinden van de plastic staaf aan het PVC-frame met nylon schroeven (Figuur 1A). Zorg ervoor dat de nylon schroeven iets los zitten, zodat de spiegel met de hand kan worden gedraaid om de hoek voor elke deelnemer te optimaliseren.
  5. Maak een scherm om in de MRI-boring te gaan. Knip een segment van een achterprojectiescherm dat ongeveer zo groot is als de MRI-boring. Construeer een frame ter grootte van de boring en bevestig het scherm met schroeven aan het frame. Plaats het scherm in de scanner net achter de hoofdspoel om de afstand tussen het scherm en de spiegel te minimaliseren en het gezichtsveld te maximaliseren.
    NOTITIE: Als de boring van de scanner groot genoeg is, kan een enkel scherm worden gebruikt dat de deelnemer direct kan bekijken in plaats van de opstelling van de spiegel en het achterprojectiescherm. Een projectiescherm dat aan een dunne houten plaat is bevestigd voor de achterkant of een plaat van dun mat wit plastic kan als scherm worden gebruikt en op het frame worden geplaatst in plaats van een spiegel. De projector moet dan zo worden gepositioneerd en gefocust, dat deze het scherm vult en scherp is.

2. Voorbereiding van de deelnemer

  1. Informeer de deelnemer over de procedure, risico's en voordelen van de fMRI-scan. Verkrijg hun geïnformeerde toestemming.
  2. Zorg ervoor dat de deelnemer geen contra-indicaties heeft voor MRI. Dit omvat screening op pacemakers, metalen implantaten of claustrofobie. Als u enige onzekerheid heeft, raadpleeg dan een gekwalificeerde radioloog of onderzoeker en sluit de deelnemer uit van het onderzoek als er nog enige onzekerheid bestaat.
  3. Leg het visuele stimulatieprotocol uit en de noodzaak voor de deelnemers om zich tijdens de fMRI-scans op het centrale kruis te fixeren. Laat de deelnemer een korte demonstratie van de visuele stimulatie zien voor instructiedoeleinden om hem vertrouwd te maken met de procedure.
  4. Plaats de deelnemer voorzichtig op de tafel van de MRI-scanner om ervoor te zorgen dat hij zich comfortabel en ontspannen voelt. Zorg voor oordopjes en/of een geluiddempende headset om het akoestische geluid dat de deelnemer hoort te verminderen om zijn gehoor te beschermen.
  5. Immobiliseer het hoofd van de deelnemer in de achterste helft van de hoofdspoelarray, met behulp van schuimvulling aan de zijkanten van het hoofd om ervoor te zorgen dat het hoofd goed wordt geïmmobiliseerd om bewegingsartefacten te verminderen. Gebruik het positioneringssysteem van de scanner en verplaats de tafel in de scannerboring.
  6. Plaats het breedbeeldscherm of de spiegel op 10 cm van de ogen van de patiënt (Figuur 1B). Plaats het scherm ter grootte van een boring vanaf de achterkant van de scannerboring net achter de kopspoel. Pas de positie en hoek van de spiegel/het scherm voor elke deelnemer aan om een consistente kijkhoek te bereiken.
  7. Zorg ervoor dat de deelnemer zich tijdens de scan op zijn gemak voelt via communicatie via de intercom.

3. fMRI-scan van deelnemer

  1. Voer een lokalisatiescan uit met drie orthogonale vlakken en scanneraanpassingen en kalibraties voor frequentieaanpassing en shimming.
  2. Voer een anatomische MP-RAGE-scan uit om de EPI-plakjes te positioneren.
  3. Creëer visuele stimuli, zoals beschreven in de volgende stappen, met behulp van een programma voor het uitvoeren van gedrags- of psychologische experimenten.
  4. Instrueer de deelnemer aan het begin van het fMRI-protocol om zich te fixeren op het witte kruis (3° x 3°), dat gedurende 10 seconden op een grijze achtergrond in het midden van de stimuli moet staan.
    NOTITIE: Het witte kruis wordt gedurende 10 seconden voor en na elk visueel stimulatieparadigma weergegeven. De totale fMRI-stimulatietest voor elk paradigma is dus 200 s.
  5. Presenteer het eerste visuele stimulatieparadigma (een reeks roterende wiggen) gedurende een periode van 30 s (wat een hoeksnelheid van 6°/s oplevert) en doorloop zes perioden. De wigstimuli moeten 12 frames van roterende wiggen bevatten (één scan met de klok mee en één met tegen de klok in), die zich uitstrekken tot aan de rand van het scherm/de spiegel (>100° gezichtsveld), met een 8 Hz contrastomkerend zwart-wit (100% contrast) dambordpatroon (Figuur 2A).
  6. Presenteer het witte kruis nogmaals gedurende 10 s.
  7. Herhaal stap 3.4-3.6 met het tweede visuele stimulatieparadigma (een reeks uitzettende en samentrekkende ringen) gedurende een periode van 30 s (uitzetten of samentrekken bij 1,8°/s van het gezichtsveld) en doorloop zes perioden. De ringstimuli moeten bestaan uit acht frames van uitzettende of samentrekkende ringen (>100° gezichtsveld), met een 8 Hz contrastomkerend zwart-wit (100% contrast) dambordpatroon (Figuur 2B).
  8. Na het voltooien van de fMRI, verplaatst u de tafel uit de scannerboring terwijl u de deelnemer instrueert stil te blijven. Verwijder de spiegel/het scherm, plaats het voorste deel van de hoofdspoel naast de achterste en plaats de tafel terug naar het midden van de scanner.
  9. Verkrijg een snelle lokalisatiescan in geval van een beweging en verkrijg een MP-RAGE-scan met de volledige kopspoel.
    OPMERKING: Een anatomisch beeld met de hele kopspoel is nodig voor nauwkeurige registratie voor groepsanalyses en reconstructiedoeleinden.

4. Analyse van retinotopische fMRI-gegevens

  1. Download en installeer de FreeSurfer-applicatie voor MRI-analyse (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20.
    OPMERKING: FreeSurfer versie 5.3.0 is hierin gebruikt.
  2. Verkrijg beelden in DICOM-formaat (Digital Imaging and Communications in Medicine) van de MRI-scanner. Converteer de DICOM-bestanden naar nifti-indeling met behulp van de dcm2niix-toepassing (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21.
  3. Verwerk de T1-gewogen scan om een corticale oppervlaktereferentie te verkrijgen, zoals beschreven in de volgende twee stappen. Gebruik FreeSurfer om structurele gegevens te converteren van nifti-formaat naar .mgz-formaat (mri_convert commando).
  4. Gebruik het recon-all-commando in een shell-omgeving om geautomatiseerde segmentatie en corticale reconstructie van de structurele gegevens uit te voeren.
    OPMERKING: Deze stap kan meer dan 20 uur in beslag nemen.
  5. Gebruik de grafische gebruikersinterface tksurfer om de opgeblazen hemisfeer te bekijken en snijd virtueel de visuele cortex langs de calcarine-spleet en selecteer de occipitale kwab. Gebruik de opdracht mris_flatten om de visuele cortexpleister af te vlakken. Herhaal deze stap voor beide hersenhelften.
  6. Verwijder voor de fMRI-gegevens eerst de rustperioden, met alleen het fixatiekruis weergegeven, van het begin en einde van de gegevens. Screen de fMRI-gegevens op artefacten of grote bewegingen.
  7. Verwerk de functionele gegevens voor ruimtelijke afvlakking en bewegingscorrectie. Modelleer het retinotopische stimulusparadigma en pas een canonieke hemodynamische responsfunctie toe om de responsfunctie te construeren.
  8. Voer retinotopische fasegecodeerde analyse uit van de fMRI-gegevens met behulp van de FreeSurfer-functionele analysestroom (mkanalysis-sess, selxavg3-sess en fieldsign-sess-commando's) om de BOLD fMRI-tijdreeks te correleren met een gemodelleerde responsfunctie en fasegecodeerde retinotopische kaarten te verkrijgen, met een significantieniveau van p < 0,01 (Figuur 3).
  9. Visualiseer de resultaten van de retinotopische kaarten met kleurgecodeerde activeringskaarten die over de vrijwel afgeplatte visuele cortex worden gelegd met behulp van het tksurfer-sess-commando en geef ze weer met het rtview-commando.
  10. Gebruik de fasegecodeerde retinotopische kaarten van de wigstimuli om de grenzen van de primaire visuele cortex (V1) en andere extra dwarsgestreepte gebieden (V2 en V3) te definiëren door veldtekenkaarten (Figuur 3A), samen met anatomische oriëntatiepunten en FreeSurfer-atlassen.
  11. Om de BOLD-respons bij verschillende excentriciteiten te berekenen, gebruikt u eerst FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) om statistische kaarten te berekenen met behulp van een algemeen lineair model voor elke grootte van ringstimuli met een z-scoredrempel van Z > 2,322,23. Als er een groepsanalyse wordt uitgevoerd, bereken dan de analyse op het tweede niveau voor statistische kaarten van groepsverschillen met FSL Feat om de BOLD-respons bij verschillende excentriciteiten te helpen bepalen.
  12. Co-registreer de fMRI-beelden op het gereconstrueerde corticale oppervlak met behulp van de FreeSurfer bbregister- en tkregister2-commando's om de fMRI-gegevens van de deelnemer af te stemmen op het anatomische structurele beeld van hun hersenen en een nauwkeurige ruimtelijke uitlijning te garanderen.
  13. Groepeer de ringstimuli op excentriciteit voor elk van de acht frames. Teken handmatig interessante gebieden voor verschillende excentriciteiten op basis van de geactiveerde voxelgebieden voor elk frame. Neem de BOLD-procentuele veranderingen en plot ze als een functie van excentriciteit. Gooi de excentriciteitsgegevens ook in centrale (< ±12°) en perifere (> ±12°) regio's, waar een visuele stimulus van ±12° typisch is voor retinotopische fMRI-onderzoeken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Negen deelnemers met de diagnose POAG (vier mannen, 36-74 jaar oud) en negen gezonde vrijwilligers van dezelfde leeftijd (zes mannen, 53-65) werden geëvalueerd met behulp van het eerder genoemde breedbeeld fMRI-protocol, zoals eerder beschreven door Zhou et al3. POAG werd klinisch bevestigd bij patiënten met een open hoek door beoordeling van de presentatie van gezichtsvelddefecten die overeenkomen met glaucoom, cupping van de optische schijf en/of een intraoculaire druk (IOD) van meer dan 21 mmHg3. Een breedbeeld visuele presentatie (±55°) werd gebruikt om het centrale en perifere zicht in elke groepte evalueren 3.

Figuur 3 toont de retinotopische fMRI-kaarten voor polaire (wig) en excentriciteit (ring) stimuli van een POAG en een gezonde controledeelnemer. De poolkaarten (figuur 3A) lieten geen duidelijke verschillen zien tussen de POAG en gezonde deelnemers. De excentriciteitskaarten (Figuur 3B) toonden aan dat het centrale gebied van de parafovea dat werd geactiveerd door de kleinere ringstimuli groter leek bij de POAG-patiënt in vergelijking met de gezonde deelnemer. Het vergrote parafoveale gebied in de visuele cortex van POAG-deelnemers suggereert corticale veranderingen als reactie op perifere zichtstoornissen.

BOLD-procentuele veranderingen voor centrale (<24°) en perifere (>24°) gezichtsvelden tussen POAG-subgroepen en de gezonde controlegroep werden vergeleken (Figuur 4). BOLD-procentuele veranderingen bij verschillende excentriciteiten waren verminderd bij POAG-patiënten in vergelijking met gezonde controledeelnemers, voornamelijk bij meer perifere excentriciteiten (Figuur 4A). De BOLD-procentuele veranderingen waren significant verminderd tussen de twee groepen, vooral bij grotere excentriciteiten (p < 0,05, tweerichtings-ANOVA met Bonferroni post-hoctest). De gemiddelde BOLD-procentuele veranderingen voor centraal zicht (alle stimuli <24°) waren slechts licht en niet significant verminderd bij POAG-patiënten, terwijl de BOLD-respons voor perifeer zicht (alle stimuli >24°) significant verminderd was (Figuur 4B). Deze resultaten wijzen op het potentiële nut van dit protocol om veranderingen in de visuele cortexfunctie gelokaliseerd in perifeer of centraal zicht te beoordelen, wat relevant is voor visuele stoornissen zoals glaucoom.

Figure 1
Figuur 1: Experimentele opstelling. (A) De spiegel van 25 cm breed en 15 cm hoog wordt op zijn plaats gehouden met een frame gemaakt van PVC-buis. (B) Opstelling van het presentatiesysteem op een MRI-scanner, waarop het achterste deel van een head-array-spoel, de spiegel en het frame en het back-projectiescherm (pijlen) in de boring direct achter de hoofdspoel te zien zijn. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Visuele stimulatieparadigma's. (A) Drie frames uit het polaire retinotopische visuele stimulatieparadigma, die bestaan uit met de klok mee en tegen de klok in draaiende wiggen met een contrast-afwisselend dambordpatroon. (B) Drie frames uit het excentriciteitsparadigma, die bestaan uit uitzettende en samentrekkende ringen met een contrasterend dambordpatroon. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Retinotopische polaire en excentriciteitskaarten. Representatieve (A) polaire kaart met behulp van een roterende wig van een normale controle en (B) excentriciteitskaarten met behulp van uitzettende/samentrekkende ringen van een normale controle en een POAG-deelnemer. Zowel de linker- als de rechterhersenhelft (LH en RH) worden weergegeven met gedefinieerde visuele corticale grenzen (V1, V2 en V3). Eén frame van elk paradigma wordt weergegeven in de centrale inzet. De kleurenschalen worden toegewezen aan de overeenkomstige gebieden van het gezichtsveld, zoals aangegeven door de kleurenwielen, waarbij A) wordt toegewezen aan de polaire hoek van de wigstimuli en B) wordt toegewezen aan de excentriciteit van de ringstimuli. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: BOLD-percentage verandert als functie van excentriciteit en centrale of perifere gezichtsvelden. (A) Groepsgemiddelde BOLD-procentuele veranderingen ten opzichte van de ringstimuli bij gezonde controles en POAG-patiënten als functie van excentriciteit. De BOLD-procentuele verandering voor elke grootte van de ringstimuli werd berekend om de gegevens bij elke excentriciteit te geven. (B) BOLD-procentuele veranderingen tussen gezonde controle- en POAG-patiënten van centraal (< ±12°) en perifeer (> ±12°) van het gezichtsveld, door gegevens van alle excentriciteiten te combineren. Gegevens zijn gemiddelde ± standaardfout van het gemiddelde. *p < 0,05, twee-factor ANOVA met post hoc correlatie. Dit cijfer is met toestemming aangepast van Zhou et al.3 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het bovenstaande protocol voor het gebruik van breedbeeld retinotopische fMRI is een innovatieve methode om de effecten van verlies van gezichtsvermogen en oogziekten op de hersenen te evalueren. Door retinotopische mapping van de visuele cortex met een breder veld met behulp van een breder scherm, maakt deze benadering een beter begrip mogelijk van de functionele organisatie van het visuele systeem. Dit zou kunnen leiden tot een beter begrip van afwijkingen in het visuele verwerkingssysteem van de hersenen, die optreden bij neurodegeneratie, zoals bij glaucoom24,25. Deze technologie kan ook worden gebruikt om hersendegeneratie en reorganisatie te detecteren en te analyseren bij andere aandoeningen die blindheid veroorzaken, zoals leeftijdsgebonden maculadegeneratie.

Een enkel menselijk oog heeft een kijkhoek van ongeveer 100°. Eerdere technieken die in de meeste visuele fMRI-onderzoeken werden gebruikt, gebruikten een gezichtsveld van minder dan 30°, waardoor het deel van de visuele cortex dat door de fMRI kon worden geactiveerd en geanalyseerdwerd beperkt 28. Bijgevolg kon het perifere zicht niet worden gevisualiseerd, waardoor alle analyses uitsluitend op het centrale gezichtsveld moesten worden gericht. Klinisch verhinderde dit clinici om preoperatieve corticale mapping nauwkeurig uit te voeren, cruciaal voor het vermijden van vitale locaties bij het uitvoeren van hersenoperaties29. Met de breedbeeld retinotopische fMRI-techniek die in dit protocol wordt beschreven, is de kijkhoek vergroot tot maximaal 100° (±50°)3,30,31. Om een breedbeeld mogelijk te maken en visuele obstructie veroorzaakt door de hoofdspoel te verminderen, wordt alleen de achterste helft van de hoofdspoel gebruikt. Kopspoelen hebben meestal een relatief klein venster, met balken eroverheen die het vermogen belemmeren om de breedbeeld-retinotopische stimuli volledig te zien. Het gebruik van alleen het achterste deel van de hoofdspoel veroorzaakt echter een grote signaalinhomogeniteit in de hersenen en vermindert de SNR in de voorste en centrale regio's. De beeldkwaliteit en SNR van de achterste occipitale kwab mogen niet zwaar worden beïnvloed32. De exacte effecten van het gebruik van alleen het achterste deel van de spoel zijn echter waarschijnlijk afhankelijk van een specifiek spoelontwerp (aantal en grootte van arrayed spoelen), dus het testen van de SNR of signaal-ruisfluctuatieverhouding bij een paar proefpersonen met en zonder het voorste deel kan worden gedaan als er bezorgdheid bestaat over aanzienlijk SNR-verlies met een bepaalde spoel32.

Een goede opstelling van de T1-gewogen MP-RAGE-sequentie is essentieel om functionele beelden goed te registreren bij structurele beelden van de hersenen met hoge resolutie en voor anatomische registratie bij sjablonen of voor groepsstudies. Als zodanig verkrijgen we het T1-gewogen beeld met behulp van de volledige hoofdspoel, wat kan resulteren in een lichte beweging van de deelnemer ten opzichte van de fMRI-scan. Uitlijning van de fMRI met de anatomische scan is een routinematige analysestap, dus dit zou geen probleem moeten zijn. Als alternatief zou de verwerving van het T1-gewogen beeld zonder de voorste spoel kunnen worden gedaan, maar de inhomogeniteit van het beeld kan van invloed zijn op de kwaliteit van de registratie van een referentiesjabloon. Om bewegingsartefacten te voorkomen, is het van cruciaal belang om het hoofd van de deelnemer op de juiste manier in de hoofdspoel te immobiliseren. Bewegingsartefacten kunnen van nature optreden zonder de juiste stabilisatie, wat een negatieve invloed heeft op de kwaliteit van de verzamelde fMRI-gegevens, wat leidt tot slechtere resultaten van de analyse. Hoewel bewegingscorrectie na de verwerking routine is voor fMRI-analyse, kunnen grote bewegingen nog steeds van invloed zijn op de resultaten, dus het is belangrijk om functionele scans te controleren op gegevenskwaliteit en studies met belangrijke artefacten weg te gooien. In dit protocol kregen de deelnemers de opdracht om zich gedurende 10 seconden op een wit kruis te concentreren, zowel voor als na elk visueel stimulatieparadigma, om BOLD-basisgegevens te verkrijgen. Dit hielp de variabiliteit van de fMRI bij aanvang te verminderen en stelde de hersenen van de proefpersoon ook in staat zich aan te passen aan de scannergeluiden en de helderheid van het achtergrondscherm voordat de daadwerkelijke visuele gegevenstests begonnen.

Er zijn verschillende alternatieve benaderingen die kunnen worden overwogen voor breedbeeld-fMRI. De hierin beschreven benadering, waarbij gebruik wordt gemaakt van een groot scherm/spiegel met alleen de achterste helft van de hoofdspoel, kan een matig breedbeeld bieden tot ongeveer 100° FOV 3,30. De kosten om de spiegel/het scherm te maken zijn erg laag (mogelijk 28. MR-compatibele bril was nodig om de deelnemer in staat te stellen zich op het scherm te concentreren. Ellis et al. gebruikten ook een vergelijkbare benadering, maar met de projector naar beneden gekanteld op een spiegel aan de onderkant van de boring, die de stimuli rechtstreeks op de bovenkant van de boring boven het gezicht van het onderwerp weerkaatste, waardoor een visuele hoek van 115°32 ontstond. Het beeld wordt vervormd door de gebogen boring, waardoor de beelden voor de stimuli moeten worden vervormd om te corrigeren. Een uitbreiding van deze aanpak werd onlangs gemeld met een op maat gemaakt gebogen scherm aan de bovenkant van de scannerboring en twee spiegels die een ultrabreed gezichtsveld van 175°34 konden bieden. Sommige van deze gerapporteerde methoden gebruikten het voorste deel van de hoofdspoel en andere niet; elk van deze methoden kan echter in beide richtingen worden gebruikt, met mogelijk een iets hogere SNR met behulp van de voorste spoel, maar met de afweging van een verminderde kijkhoek en delen van het gezichtsveld die worden geblokkeerd. Een mogelijke beperking bij alle methoden waarbij een projector wordt gebruikt, is dat voor een scherm met aangepaste grootte en locatie de projector moet worden aangepast aan de focus en grootte van het geprojecteerde beeld door de projector/lens aan te passen, de projector te verplaatsen of aangepaste lenzen te krijgen als de vorige methoden niet voldoende zijn.

Een andere benadering gebruikte een transparante plastic staaf met een gebogen uiteinde als scherm, met een projector om een iets grotere kijkhoek van 120° te bieden, wat compatibel is met het gebruik van de voorste hoofdspoel zonder het gezichtsveld te beperken. Er kan echter alleen monoculaire stimulatie worden uitgevoerd. Er is een speciale lens voor de projector nodig, wat de kosten verhoogt, en er moeten contactlenzen worden gedragen zodat de deelnemer zich op het scherm kan concentreren, wat de installatie bemoeilijkt31. Een vergelijkbare aanpak maakte gebruik van glasvezelbundels om beelden van een scherm rechtstreeks naar het oog van een deelnemer te verzenden en te presenteren, wat een visuele hoek tot 120°33 opleverde. Contactlenzen moeten ook worden gedragen en er mag slechts één oog tegelijk worden gestimuleerd. Deze methode vereist een lange glasvezelbundel met hoge dichtheid, die een relatief lage resolutie kan hebben voor de presentatie en redelijk duur kan zijn33.

Slechtziendheid en oogziekte kunnen de structuur en functie van de visuele cortex beïnvloeden. BOLD fMRI kan worden gebruikt om de retinotopische corticale functie te visualiseren, maar de meeste visuele presentatiesystemen die voor fMRI worden gebruikt, stimuleren alleen het centrale gezichtsveld. Dit protocol beschrijft de implementatie van een breedbeeldpresentatiesysteem voor fMRI dat kan worden gebruikt om de perifere en centrale visuele cortex functioneel in kaart te brengen. Dit systeem kan eenvoudig en tegen lage kosten worden opgezet met behulp van gangbare MR-compatibele projectoren. Hoewel met enkele beperkingen, heeft het beschreven protocol het potentieel om functies van de visuele cortex te analyseren die overeenkomen met centraal en perifeer zicht op een niveau dat kosten en precisie in evenwicht houdt. De gegevens die via deze methode worden verzameld, kunnen worden geanalyseerd om selectieve activering te bepalen op basis van verschillende soorten visuele stimuli en hersencommunicatie tussen verschillende gebieden voor visuele verwerking. Deze methode kan worden gebruikt om veranderingen in de functie van perifere en centrale visuele cortex als gevolg van verlies van gezichtsvermogen en oogziekten zoals glaucoom te evalueren. Deze technologie heeft daarom toepassingen bij de diagnose, het beheer en de behandeling van oogziekten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health [R01EY030996].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1/4"-20 nylon machine screws, knurled head thumb screw to attach rod to PVC frame
1-1/4 inch PVC pipe length of ~5-10 ft is needed
3T MRI scanner Siemens
6-32 nylon machine screws, rounded head to attach mirror/screen to rod
8-channel head array coil Siemens
90 degree PVC elbow, 1-1/4 inch fitting
Acrylic mirror Width and length of 25-30cm
Acrylic rod 1 inch width, ~ 2 ft long depening on size of scanner bore and head coil
E-Prime Psychology Software Tools to prepare and present visual stimuli paradigms
Plywood sheet, 1/2 inch thick Size should be at least as large as the scanner bore. Cut as bore-sized frame for the projection screen
Rear projection screen Size should be at least as large as the scanner bore

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (12), 5675-5679 (1992).
  2. Ogawa, S., et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (13), 5951-5955 (1992).
  3. Zhou, W., et al. Retinotopic fMRI reveals visual dysfunction and functional reorganization in the visual cortex of mild to moderate glaucoma patients. Journal of Glaucoma. 26 (5), 430-437 (2017).
  4. Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: a method for comparing cortical function with damage to the optic disk. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (2), 733-744 (2007).
  5. Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: Comparing fMRI measurements of cortical function with visual field loss. Progress in Retinal and Eye Research. 26 (1), 38-56 (2007).
  6. Gerente, V. M., et al. Evaluation of glaucomatous damage via functional magnetic resonance imaging, and correlations thereof with anatomical and psychophysical ocular findings. PLoS One. 10 (5), e0126362 (2015).
  7. Allingham, R. R., Damji, K., Freedman,, Moroj, S., Shafranov, G. Shields' textbook of glaucoma. 5th ed. , Lippincott Willliams & Wilkins. Philadelphia. (2005).
  8. Kerrigan-Baumrind, L. A., Quigley, H. A., Pease, M. E., Kerrigan, D. F., Mitchell, R. S. Number of ganglion cells in glaucoma eyes compared with threshold visual field tests in the same persons. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 41 (3), 741-748 (2000).
  9. Quigley, H. A., Addicks, E. M., Green, W. R. Optic nerve damage in human glaucoma. III. Quantitative correlation of nerve fiber loss and visual field defect in glaucoma, ischemic neuropathy, papilledema, and toxic neuropathy. Archives of Ophthalmology. 100 (1), 135-146 (1982).
  10. Smith 3rd, E. L., Hung, L. F., Harwerth, R. S. Developmental visual system anomalies and the limits of emmetropization. Ophthalmic and Physiological Optics. 19 (2), 90-102 (1999).
  11. Limb, G. A., Martin, K. R. Sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Working Group. Current prospects in optic nerve protection and regeneration: sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Conference. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (8), 5941-5954 (2011).
  12. Gupta, N., Yucel, Y. H. Glaucoma as a neurodegenerative disease. Current Opinion in Ophthalmology. 18 (2), 110-114 (2007).
  13. Yucel, Y. H., Zhang, Q., Weinreb, R. N., Kaufman, P. L., Gupta, N. Effects of retinal ganglion cell loss on magno-, parvo-, koniocellular pathways in the lateral geniculate nucleus and visual cortex in glaucoma. Progress in Retinal and Eye Research. 22 (4), 465-481 (2003).
  14. Zikou, A. K., et al. Voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging of the optic pathway in primary open-angle glaucoma: a preliminary study. American Journal of Neuroradiology. 33 (1), 128-134 (2012).
  15. Chen, W. W., et al. Structural brain abnormalities in patients with primary open-angle glaucoma: a study with 3T MR imaging. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (1), 545-554 (2013).
  16. Yu, L., et al. Morphologic changes in the anterior and posterior subregions of V1 and V2 and the V5/MT + in patients with primary open-angle glaucoma. Brain Research. 1588, 135-143 (2014).
  17. Hernowo, A. T., Boucard, C. C., Jansonius, N. M., Hooymans, J. M. M., Cornelissen, F. W. Automated morphometry of the visual pathway in primary open-angle glaucoma. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (5), 2758-2766 (2011).
  18. Dai, H., et al. Whole-brain voxel-based analysis of diffusion tensor MRI parameters in patients with primary open angle glaucoma and correlation with clinical glaucoma stage. Neuroradiology. 55 (2), 233-243 (2013).
  19. Zhou, W., Muir, E. R., Chalfin, S., Nagi, K. S., Duong, T. Q. MRI study of the posterior visual pathways in primary open angle glaucoma. Journal of Glaucoma. 26 (2), 173-181 (2017).
  20. Dale, A. M., Fischl, B., Sereno, M. I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. NeuroImage. 9 (2), 179-194 (1999).
  21. Li, X., Morgan, P. S., Ashburner, J., Smith, J., Rorden, C. The first step for neuroimaging data analysis: DICOM to NIfTI conversion. Journal of Neuroscience Methods. 264, 47-56 (2016).
  22. Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, 208-219 (2004).
  23. Woolrich, M. W., Ripley, B. D., Brady, M., Smith, S. M. Temporal autocorrelation in univariate linear modeling of FMRI data. NeuroImage. 14 (6), 1370-1386 (2001).
  24. Murphy, M. C., et al. Retinal structures and visual cortex activity are impaired prior to clinical vision loss in glaucoma. Scientific Reports. 6, 31464 (2016).
  25. Chan, R. W., et al. Relationships between cerebrovascular reactivity, visual-evoked functional activity, and resting-state functional connectivity in the visual cortex and basal forebrain in glaucoma. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 4037-4040 (2021).
  26. Murphy, M. C., et al. Top-down influence on the visual cortex of the blind during sensory substitution. Neuroimage. 125, 932-940 (2016).
  27. Bang, J. W., Hamilton-Fletcher, G., Chan, K. C. Visual plasticity in adulthood: perspectives from Hebbian and homeostatic plasticity. The Neuroscientist. 29 (1), 117-138 (2023).
  28. Greco, V., et al. A low-cost and versatile system for projecting wide-field visual stimuli within fMRI scanners. Behavior Research Methods. 48 (2), 614-620 (2016).
  29. DeYoe, E. A., Raut, R. V. Visual mapping using blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging. Neuroimaging Clinics of North America. 24 (4), 573-584 (2014).
  30. Pitzalis, S., et al. Wide-field retinotopy defines human cortical visual area v6. The Journal of Neuroscience. 26 (30), 7962-7973 (2006).
  31. Wu, J., et al. Development of a method to present wide-view visual stimuli in MRI for peripheral visual studies. Journal of Neuroscience Methods. 214 (2), 126-136 (2013).
  32. Ellis, C. T., et al. Re-imagining fMRI for awake behaving infants. Nature Communications. 11 (1), 4523 (2020).
  33. Yan, T., Jin, F., He, J., Wu, J. Development of a wide-view visual presentation system for visual retinotopic mapping during functional MRI. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (2), 441-447 (2011).
  34. Park, J., Soucy, E., Segawa, J., Konkle, T. Full-field fMRI: a novel approach to study immersive vision. Journal of Vision. 22 (14), 4018 (2022).

Tags

Deze maand in JoVE nummer 202
Functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) van de visuele cortex met retinotopische stimulatie met breedbeeld
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Galenchik-Chan, A., Chernoff, D.,… More

Galenchik-Chan, A., Chernoff, D., Zhou, W., Duong, T. Q., Muir, E. R. Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) of the Visual Cortex with Wide-View Retinotopic Stimulation. J. Vis. Exp. (202), e65597, doi:10.3791/65597 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter