Hochauflösende Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Mittelhirn

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, hochaufgelöste fMRT-Signale im menschlichen Mittelhirn und Hirnstamm zu messen. Dies wird erreicht, indem zunächst dem Versuchsteilnehmer ein geeigneter visueller Reiz präsentiert wird. Anschließend wird ein optimaler Satz von fMRT-Untersuchungen durchgeführt.

Verfahren und Parameter werden zur Datenerfassung verwendet, und die Daten werden mithilfe einer Kombination aus Standard- und oberflächenbasierten Analysetechniken ausgewertet. Im letzten Schritt erfolgt die Überlagerung der Daten mit einer 3D-Oberflächendarstellung zur Visualisierung. Letztendlich wird hochauflösende fMRT verwendet, um eine topographische Darstellung des Polarwinkels auf visuelle Reize im menschlichen oberen Hügel des Vierhügels zu zeigen.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden für subkortikale Strukturen liegt darin, dass wir eine hohe Auflösung erreichen können, während wir das mit hochauflösendem FMRT verbundene niedrige Signal-Rausch-Verhältnis überwinden. Dies ermöglichen uns spezialisierte Techniken zur Bildanalyse und -akquise. Obwohl diese Methode speziell zur Abbildung der Funktion im menschlichen oberen Hügel entwickelt wurde, kann sie auch auf andere subkortikale Regionen wie den lateralen Kniehöckerkern, den unteren Hügel oder den Subthalamuskern angewendet werden.

Um einen Polarwinkel zu erhalten, wird zunächst ein funktionelles Paradigma unter Verwendung eines 90-Grad-Sektors aus bewegten Punkten als Reiz für die atopische Retinakarte im superior Colus eingerichtet. Der Reiz wird durch drei virtuelle Sektoren in zwei Hälften geteilt, wobei die Punkte in einem der Sektoren bei jeder Durchführung zufällig ausgewählt werden, um langsamer oder schneller als alle anderen Punkte zu bewegen. Hier ist ein Beispielversuch, bei dem sich die Punkte im mittleren linken Sektor schneller bewegen als die Punkte in den anderen Sektoren.

Nach jedem Durchlauf dreht sich der Keil in 30-Grad-Schritten um die Fixation, sodass der Reiz einen vollständigen Zyklus mit einer Periode von 24 Sekunden durchläuft. Jeder Durchgang besteht aus neuninhalb Umdrehungen des Reizes, und die experimentellen Sitzungen sollten vor dem Scannen 16 bis 18 Durchgänge umfassen. Lassen Sie jeden Probanden die visuelle Aufgabe für jeden zwei Sekunden dauernden Durchlauf üben.

Weisen Sie die Versuchsperson an, den Keil verdeckt wahrzunehmen und eine Geschwindigkeitsdiskriminationsaufgabe durchzuführen, während sie die Fixation beibehält. Mithilfe eines Tastendrucks soll die Versuchsperson angeben, ob sich die Punkte in einem der Sektoren schneller oder langsamer als in den anderen Sektoren bewegen. Vor der Durchführung müssen die üblichen MRI-Sicherheitsverfahren beachtet werden. Platzieren Sie die Versuchsperson auf dem Scanner-Tisch und positionieren Sie die HF-Spule über dem Kopf.

Befestigen Sie dann den Kopf der Versuchsperson mit Schaumstoffpolstern, um Kopfbewegungen zu minimieren. Erklären Sie, dass die fMRT besonders empfindlich gegenüber Bewegungsartefakten ist, insbesondere bei den hohen räumlichen Auflösungen, die in dieser Studie verwendet werden. Platzieren Sie außerdem ein MRT-KOMPATIBLES Knopfpad in einer Hand und geben Sie Anweisungen, welchen Knopf während der Aufgabe zu drücken ist.

Der Reiz wird auf einen Bildschirm projiziert, der über einen am Spulenhalter montierten Spiegel betrachtet wird. Der obere Hügel des Menschen ist eine kleine, aber deutliche Struktur mit einem Durchmesser von etwa neun Millimetern, die sich an der dorsalen Oberfläche des Mittelhirns befindet; für seine genaue Lokalisation sind mehrere Lokalisierungs-Bildserie in sagittaler, axialer und koronaler Ebene erforderlich. Führen Sie die Lokalisierungen entlang der sagittalen, axialen und koronalen Ebenen durch.

Verwenden Sie nun diese Lokalisierungsbilder, um den oberen Kolliculus mit acht bis zehn benachbarten Schichten genau zu definieren. Erhalten Sie anschließend hochauflösende T1-gewichtete Strukturbilder mithilfe einer dreidimensionalen SPGR-Sequenz. Diese Bilder dienen zur Ausrichtung der FMRI-Daten auf ein hochauflösendes strukturelles Referenzvolumen, das in einer separaten Sitzung aufgenommen werden sollte.

Richten Sie als Nächstes die funktionelle Bildgebung mit einer Dreifach-Spiral-Trajektorienaufnahme ein, um eine in der Ebene liegende Pixelgröße von 1,2 Millimetern zu erzielen. Stellen Sie die Echokammerzeit auf 40 Millisekunden ein, was länger ist als üblich in der Hirnrinde und einem längeren gemessenen T2*-Wert entspricht. Wählen Sie die TR auf eine Sekunde, sodass alle drei Sekunden ein Volumen erfasst wird.

Wenn bereit, starten Sie die Aufnahme unter gleichzeitigem Durchführen des funktionellen Paradigmas. Sobald die funktionelle Bildgebung abgeschlossen ist, erwerben Sie in einer separaten Sitzung eine weitere hochauflösende T1-strukturelle Bildserie. Erstellen Sie für jeden Probanden ein hochauflösendes Referenzvolumen mithilfe einer T1-gewichteten Sequenz, die einen guten Gewebekontrast liefert.

Diese Sequenz dauert etwa 28 Minuten. Nach Abschluss der Bildgebung verwenden Sie eine Kombination aus automatischen und manuellen Techniken, die in der ITK-SNAP-Software bereitgestellt werden, um Teile des Hirnstamms und des Thalamus im hochauflösenden Volumen zu segmentieren. Die Gewebegrenzfläche zwischen Zerebrospinalflüssigkeit und oberem Hügel wird aus der Segmentierung mittels ISO-Dichtetessellierung interpoliert und anschließend verfeinert, um eine glatte, präzise Oberflächendarstellung zu erzeugen.

Diese Oberfläche liefert Knotenpunkte und Normalenvektoren, die für laminare Berechnungen sowie zur Visualisierung funktioneller Daten verwendet werden. Die beschriebene Analyse nutzt das Softwarepaket Mr.Vista sowie Werkzeuge, die auf dem Mr.Vista-Framework entwickelt wurden. Beginnen Sie mit der Initialisierung einer Sitzung und wählen Sie die Option, die Intensität der Durchschnittsdaten räumlich zu normalisieren, um die Auswirkungen der Spuleninhomogenität zu verringern, und verwerfen Sie die erste halbe Bildzyklussequenz.

Um transiente MR-Gleichgewichts- und hämodynamische Effekte zu vermeiden. Öffnen Sie dann die Mr.Vista-Software. Führen Sie anschließend Bewegungskorrekturen des Probanden und Slice-Timing-Korrekturen durch.

Danach die mehrfachen Durchläufe, die innerhalb jeder Sitzung aufgezeichnet wurden, mitteln. Um die SNR zu verbessern, die strukturellen Daten der FMRI-Sitzung an das Referenzvolumen ausrichten. Die Ausrichtung und Segmentierung in Mr.Vista laden.

Danach die funktionellen Zeitreihendaten in das segmentierte Referenzvolumen transformieren. In den folgenden Schritten Werkzeuge verwenden, die im Mr.Vista-Framework entwickelt wurden. Eine Distanzkarte berechnen, indem der Abstand zwischen jedem SC-Gewebe-Voxel und seinem nächstgelegenen Vertex auf der SE-Oberfläche ermittelt wird.

Diese Abstände werden verwendet, um die laminäre Position innerhalb des Referenzvolumens zu messen. Führen Sie anschließend einen laminären Segmentierungsprozess durch, um eine Tiefenmittelung der Zeitreihendaten zu ermöglichen und die SNR zu verbessern. Für jeden Punkt auf der SC-Oberfläche verwenden Sie diese laminären Zuordnungen, um die Zeitreihe über einen bestimmten Tiefenbereich zu mitteln, um die topographische Darstellung der Daten zu analysieren.

Führen Sie eine Kohärenzanalyse an der tiefengemittelten Zeitsreihe durch, indem Sie für jeden Voxel eine Sinuskurve mit der Wiederholungsfrequenz des Stimulus anpassen; aus dieser Anpassung leiten Sie Oberflächenkarten der Antwort, Amplitude, Kohärenz und Phase ab. Die Phase der sinusförmigen Anpassung misst die Position des Stimulus. Hier sehen wir Phasendaten, die auf eine 3D-Oberfläche des SC aufgelegt sind; die Nullphase entspricht dem oberen vertikalen Meridian.

Der Reiz dreht sich anschließend im Uhrzeigersinn, sodass ein Kuchenstück über zwei Phasen dem Zeitpunkt entspricht, zu dem sich der Reiz entlang des horizontalen Meridians in das rechte Gesichtsfeld bewegt hat. Nach π Radiant Phase tritt der Reiz in das linke Gesichtsfeld über, und so weiter. Die Antwort auf visuelle Reize wird kontralateral im SC dargestellt: Das linke Gesichtsfeld wird im rechten SC abgebildet und umgekehrt.

Die Grenzen der gesamten oberflächlichen Ausdehnung des SC sind durch rote gestrichelte Linien markiert. Die Aktivität weist eine topographische Organisation auf. Das rechte obere Gesichtsfeld wird medial auf dem linken Kollikulus dargestellt und das untere Feld laterally.

Ebenso wird das linke obere Gesichtsfeld medial auf dem rechten Colliculus dargestellt und das untere lateral. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man hochauflösende fMRT im menschlichen Mittelhirn und im Hirnstamm durchführt. Insbesondere sollten Sie verstehen, wie man einen visuellen Reiz präsentiert, hochauflösende fMRT-Daten sammelt, eine Standard- und eine oberflächenbasierte Analyse durchführt und die Daten schließlich auf einer 3D-Oberfläche darstellt, um topographische Karten auf der Oberfläche des Colliculus superior zu erhalten.