ברזולוציה גבוהה תהודה מגנטית פונקציונלית שיטות המוח התיכון האדם
10 במאי 2012
מאמר זה מתאר שיטות לביצוע ברזולוציה גבוהה תהודה מגנטי תפקודי עם הדגימה 1.2 מ"מ המוח התיכון האדם מבנים קורטיקליים באמצעות סורק 3T. שימוש בטכניקות הללו כדי לפתור מפות טופוגרפיות של גירוי חזותי של אדם מעולה colliculus (SC) ניתנת כדוגמה.
המטרה הכללית של הליך זה היא למדוד אותי FMRI ברזולוציה גבוהה במוח האמצעי ובגזע המוח של בני אדם. דבר זה מושג תחילה על ידי הצגת הגירוי הוויזואלי המתאים לנבדק. לאחר מכן, נקבעת מערך אופטימלית של FMRI.
נעשה שימוש בפרוצדורות ובפרמטרים כדי לאסוף נתונים, והנתונים מנותחים באמצעות שילוב של טכניקות ניתוח סטנדרטיות וטכניקות מבוססות פני-שטח. השלב הסופי הוא הצבת הנתונים על ייצוג תלת-ממדי של פני השטח לצורך ויזואליזציה. בסופו של דבר, נעשה שימוש ב-FMRI ברזולוציה גבוהה כדי להציג ייצוג טופוגרפי של הזווית הקוטבית לגירוי חזותי ב-superior colliculus אנושי.
היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות למבנים תת-קליפתיים הוא היכולת להשיג רזולוציה גבוהה תוך התגברות על יחס אות לרעש הנמוך המאפיין FMRI ברזולוציה גבוהה. אנו מסוגלים לעשות זאת באמצעות שימוש בטכניקות רכישה וניתוח תמונה ייעודיות. אף ששיטה זו תוכננה ספציפית להדמיית תפקוד ב-superior colus אנושי, ניתן ליישמה גם באזורים תת-קליפתיים אחרים כגון ה-lateral ululate nucleus, ה-inferior colus, או ה-subthalamic nucleus.
כדי להשיג מפת אטופיה רטינלית בזווית פולרית בחלק העליון של ה-Colus, הגדירו תחילה פרדיגמה תפקודית המשתמשת בגיסום של 90 מעלות של נקודות נעות כגירוי. הגירוי מחולק לשני על ידי שלושה מגזרים וירטואליים, כאשר הנקודות באחד המגזרים נבחרות באופן אקראי בכל ניסוי לנוע לאט יותר או מהר יותר מכל שאר הנקודות. להלן דוגמה לניסוי שבו הנקודות במגזר השמאלי המרכזי נעות מהר יותר מהנקודות במגזרים אחרים.
לאחר כל ניסוי, הטריז מסתובב סביב נקודת הקיבוע במרווחים של 30 מעלות, כך שהגירוי משלים מחזור מלא במחזוריות של 24 שניות. כל ריצה מורכבת מתשע וחצי סיבובים של הגירוי, והסשנים הניסיוניים צריכים לכלול בין 16 ל-18 ריצות לפני הסריקה. יש להנחות כל נבדק להתאמן במשימה החזותית עבור כל ניסוי שנמשך שתי שניות.
הנחה את הנבדק להפנות את תשומת ליבו באופן סמוי אל הטריז ולבצע משימה של הבחנה במהירות תוך שמירה על קיבוע המבט. באמצעות לחיצה על כפתור, על הנבדק לציין אם נקודות באחד המגזרים נעות מהר יותר או לאט יותר מאשר במגזרים אחרים לפני הסריקה. יש להקפיד על נהלי הבטיחות הסטנדרטיים של MRI. מקם את הנבדק על שולחן הסורק והנח את סליל ה-RF על ראשו.
לאחר מכן, יש להבטיח את קיבוע ראשו של הנבדק באמצעות רפידות ספוג כדי למזער את תנועת הראש. הסבירו כי FMRI רגיש במיוחד לארטפקטים של תנועה, בייחוד ברזולוציות המרחביות הגבוהות המשמשות במחקר זה. כמו כן, הניחו לוח מקשים תואם MRI באחת מידיו של הנבדק ותנו הנחיות לגבי איזה כפתור יש ללחוץ במהלך המשימה.
הגירוי מוקרן על מסך תצוגה הנצפה באמצעות מראה המותקנת על הסליל. ה-superior colliculus האנושי הוא מבנה קטן אך מובחן, שקוטרו כ-9 mm וממוקם על פני השטח הדורסליים של הגוף האמצעי, ונדרשות מספר סדרות של הדמיות למיקום (localizer) לצורך מיקומו המדויק. הפעל את ה-localizers לאורך מישורי sagittal, axial ו-coronal.
כעת השתמשו בתמונות הלוקליזציה אלו כדי להגדיר במדויק את ה-superior colliculus עם שמונה עד 10 פרוסות רצופות. לאחר מכן, השגיחו תמונות מבניות ברזולוציה גבוהה המשוקללות ל-T1 באמצעות רצף SPGR תלת-ממדי. תמונות אלו ישמשו ליישור נתוני ה-fMRI לנפח ייחוס מבני ברזולוציה גבוהה, שיש להשיגו במפגש נפרד.
בשלב הבא, הגדירו את המערכת לדימות תפקודי באמצעות רכישת מסלול ספירלי של שלושה רכישות (three shot spiral trajectory) כדי להשיג גודל פיקסל במישור של 1.2 millimeters. הגדירו את זמן ההד (echo time) ל-40 milliseconds, שהוא ארוך יותר ממה שבדרך כלל משתמשים בו בקורטקס, ומתאים לערך מדידה ארוך יותר של T two star. הגדירו את ה-TR לשנייה אחת, כך שנפח נרכש בכל שלוש שניות.
כאשר המערכת מוכנה, התחילו את הסריקה תוך כדי הרצת הפרדיגמה התפקודית. עם השלמת ההדמיה התפקודית, השגיחו סדרת תמונות מבניות נוספת ברזולוציה גבוהה של T one במפגש נפרד. עבור כל נבדק, השגיחו נפח ייחוס ברזולוציה גבוהה באמצעות רצף T one weighted שיספק ניגודיות רקמות טובה.
רצף זה יימשך כ-28 דקות. עם השלמת הדימוי, השתמש בשילוב של טכניקות אוטומטיות וידניות המסופקות בתוכנת ITK SNAP כדי לבצע סגמנטציה של חלקים מגזע המוח והתלמוס בנפח ברזולוציה גבוהה. הממשק בין רקמת הנוזל הצרברוספינלי לבין ה-superior colliculus עובר אינטרפולציה מהסגמנטציה באמצעות ISO density tessellation, ולאחר מכן עובר עידון כדי להפיק ייצוג פני שחלק ומדויק.
משטח זה מספק קודקודים ונורמלים המשמשים לחישובים למינריים, וכן אמצעי להדמיה של נתונים פונקציונליים. הניתוח המתואר עושה שימוש בחבילת התוכנה Mr.Vista וכן בכלים שפותחו על גבי תשתית Mr.Vista. התחלו באתחול הפעלה (session) ובחירה באפשרות לנרמל מרחבית את העוצמה של הנתונים הממוצעים כדי להפחית את ההשפעות של חוסר הומוגניות בסליל, והספילו את מחזור התמונות הראשון.
כדי למנוע שיווי משקל MR חולף והשפעות המודינמיות. לאחר מכן, פתח את תוכנת ה-Mr.Vista. בשלב הבא, בצע תיקוני תנועת נבדק ותזמון פרוסות.
לאחר מכן, חשבו ממוצע של מספר ההרצות שנרשמו בכל מפגש. כדי לשפר את ה-SNR, יישרו את הנתונים המבניים של מפגש ה-FMRI לנפח הייחוס. טענו את היישור והסגמנטציה ל-Mr.Vista.
לאחר מכן, העבירו את נתוני סדרות הזמן הפונקציונליות לנפח הייחוס המפולח. השלבים הבאים משתמשים בכלים שפותחו על גבי מסגרת Mr.Vista. חשבו מפת מרחקים על ידי חישוב המרחק בין כל ווקסל של רקמת SC לבין הקודקוד הקרוב אליו ביותר על פני השטח של SE.
מרחקים אלו משמשים למדידת המיקום הלמינרי בתוך נפח הייחוס. לאחר מכן, בצע תהליך של סגמנטציה למינרית כדי לאפשר מיצוע עומק של נתוני סדרות עיתיות לצורך שיפור ה-SNR. עבור כל נקודה על פני השטח של ה-SC, השתמש בקישורים למינריים אלו כדי לבצע מיצוע של הסדרות העיתיות על פני טווח עומק מוגדר, במטרה לנתח את הייצוג הטופוגרפי של הנתונים.
בצעו ניתוח קוהרנטיות על סדרות הזמן הממוצעות בעומק על ידי התאמת סינוס בתדר חזרת הגירוי עבור כל ווקסל; מהתאמה זו גזרו מפות פני שטח של תגובה, אמפליטודה, קוהרנטיות ופאזה. הפאזה של התאמת הסינוס תמדוד את מיקום הגירוי. כאן אנו רואים נתוני פאזה המוטלים על פני שטח תלת-ממדיים של ה-SC; פאזה אפס מתאימה למרידיאן האנכי העליון.
לאחר מכן הגירוי מסתובב עם כיוון השעון, כך שפזה של פאי חלקי שתיים מתאימה למצב שבו הגירוי הסתובב למרידיאן האופקי בשדה הראייה הימני. לאחר פזה של פאי רדיאנים, הגירוי עובר לשדה הראייה השמאלי וכן הלאה. התגובה לגירוי חזותי מיוצגת בצורה קונטרלטרלית ב-SC IE; השדה החזותי השמאלי מיוצג ב-SC הימני ולהפך.
גבולות כל ההיקף השטחי של ה-SC מסומנים בקוים מקווקווים אדומים. קיימת ארגון טופוגרפי של הפעילות. השדה הראייתי העליון הימני מיוצג מדיאלית ב-colus השמאלי, והשדה התחתון מיוצג לטרלית.
באופן דומה, השדה הראייתי העליון השמאלי מיוצג מדיאלית ב-colliculus הימני, והשדה התחתון מיוצג לטרלית. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי אופן ביצוע FMRI ברזולוציה גבוהה בג้าน המוח ובמוח האמצעי של בני אדם; בפרט, תוכלו להבין כיצד להציג גירוי חזותי, לאסוף נתוני FMRI ברזולוציה גבוהה, לבצע ניתוח סטנדרטי וניתוח מבוסס פני שטח, ולבסוף להקיץ את הנתונים על פני שטח תלת-ממדיים כדי לקבל מפות טופוגרפיות על פני השטח של ה-superior colliculus.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מתאר טכניקות לביצוע דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) ברזולוציה גבוהה עם דגימה של 1.2 mm במבנים תת-קורטיקליים ובגבעול המוח האנושי באמצעות סורק 3T. המחקר מדגים כיצד טכניקות אלו יכולות להפיק מפות טופוגרפיות של גירוי חזותי בקומיקולוס העליון (SC) האנושי.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- דימות מוחי
- MRI תפקודי
רקע
- fMRI ברזולוציה גבוהה מאפשרת הדמיה מפורטת של מבני המוח.
- המוח האמצעי וגזע המוח של בני האדם הם אזורים קריטיים לעיבוד חזותי.
- מיפוי טופוגרפי יכול לחשוף כיצד גירויים חזותיים מיוצגים במוח.
- סורקי 3T מספקים יכולות הדמיה משופרות בהשוואה לסורקים בעלי עוצמת שדה נמוכה יותר.
מטרת המחקר
- למדידת אותות fMRI ברזולוציה גבוהה באזור הגבול המרכזי ובגזע המוח של בני אדם.
- לניתוח הייצוג של גירויים חזותיים ב-superior colliculus.
- להדגמת היעילות של טכניקות דימוי מתקדמות במחקר במדעי המוח.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הצגת גירויים חזותיים לנבדקי המחקר.
- שימוש בפרוצדורות ובפרמטרים אופטימליים של fMRI לאיסוף נתונים.
- שילוב של טכניקות ניתוח סטנדרטיות וטכניקות המבוססות על פני השטח לניתוח הנתונים.
- הצמדה של נתונים על ייצוג תלת-ממדי של פני השטח לצורך ויזואליזציה.
תוצאות עיקריות
- fMRI ברזולוציה גבוהה הצליחה ללכוד אותות מפורטים מהמוח האמצעי.
- הושג ייצוג טופוגרפי של הזווית הקוטבית לגירוי חזותי.
- הטכניקות הדגימו פוטנציאל להבנה משופרת של העיבוד החזותי במוח.
- התוצאות תומכות בשימוש בדימות ברזולוציה גבוהה במחקרים במדעי המוח.
מסקנות
- fMRI ברזולוציה גבוהה הוא כלי רב עוצמה לחקר תפקודי המוח.
- טכניקות אלו יכולות לספק תובנות לגבי הארגון של אזורי העיבוד החזותי.
- מחקרים עתידיים יכולים להתבסס על שיטות אלו כדי לחקור תפקודי מוח אחרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית להנהלה
fMRI ברזולוציה גבוהה מאפשרת חקירה לא פולשנית של מעגלי הגבעול המרכזי (midbrain) הקריטיים לאינטגרציה סנסו-מוטורית ולבקרה קשבית, ומספקת ערך ניבוי בתיקוף מטרות עבור טיפולים בנוירומודולציה. באמצעות פיתוח הארגון הטופוגרפי בגרעינים תת-קורטיקליים, השיטה תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית של מועמדים לתרופות למערכת העצבים המרכזית המשפיעות על עיבוד חזותי-מרחבי או על נתיבי עוררות. יכולת זו מגבירה את הביטחון בביומארקרים של מעורבות המטרה (target engagement) ומספקת מידע לקבלת החלטות של go/no-go בקווי תגליות מוקדמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה תפקודית של יעדים במוח האמצעי, כגון ה-superior colliculus, כדי לתקף היפותזות לגבי רשתות קשב ומנגנונים של סינון חושי (sensory gating).
- ערך תפעולי: מספק תוצאות fMRI הניתנות לשחזור ובעלות רזולוציית עומק, המפחיתות את השונות בהערכות של מעורבות היעד בין מחקרים שונים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר אותות BOLD כמותיים ספציפיים לשכבות (laminar-specific), המתאימים לסריקה דמוית-בדיקה (assay-like screening) של תרכובות המודולטיביות של מסלולי עוררות תת-קורטיקליים או מסלולי קשב חזותי.
- ערך תפעולי: רכישה סטנדרטית (ווקסלים של 1.2 mm, TE~40ms, ספיראלי רב-שלבי/multi-shot spiral) וניתוח מבוסס-פני שטח מבטיחים שחזור בין מעבדות לצורך העברת הבדיקה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאפשר הצלבה של ארגון תפקודי במבני הג cooperating גב-מוח בין מינים שונים, ובכך תומך בתוקף תרגומי של מודלים פרה-קליניים.
- ערך תפעולי: נפחי ייחוס מבניים ופרוטוקולי סגמנטציה מאפשרים מעקב אורך של מודולציית מטרה במודלים של מחלות.
שילוב תהליכי עבודה וקווי עיבוד (Pipeline)
השיטה משתלבת בתהליכי עבודה של ביולוגיה של גילוי על ידי אספקת תיקוף פונקציונלי של מטרות במוח האמצעי לפני זיהוי מובילים (lead identification), כאשר התוצאים מעניקים מידע על מוכנות הבדיקה והמשכיות פרה-קלינית.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות על מסלולים קשביים וויזואו-מוטוריים באמצעות ניתוח סדרות זמן ממוצעות-עומק בלמינות מוגדרות של הג้าน המוחית.
- סריקה: מספק פלטי fMRI כמותיים בע resolución למינרה, המאפשרים סריקת תרכובות למשם מודולציה של מטרות במעגלים תת-קורטיקליים.
- אנליטיקה: מייצר מפות פאזה, אמפליטודה וקוהרנטיות מהתאמה סינוסואידלית של אותות נעולים לגירוי, מה שמאפשר ניתוח השוואתי בין תנאים שונים.
- מחקר תרגומי: מקל על רציפות מאישוש מטרות בבני אדם למודלים פרה-קליניים באמצעות ייצוגי פני שטח תלת-ממדיים משותפים ומיפוי עומק.
- שימוש חוזר ארגוני: נפח ייחוס מבני וצינור סגמנטציה יוצרים פלטפורמה לשימוש חוזר למחקר של מטרות מרובות בג้าน המוח ובמוח האמצעי לאורך פרויקטים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: משפר את הביטחון החיזוי במסיכה של המטרה על ידי הפחתת העמימות המכניסטית בתפקוד מעגלי הג้าน המרכזי.
- ערך תפעולי: רכישת ספירלה סטנדרטית וניתוח מבוסס פני שטח משפרים את השחזוריות והיכולת להרחבה בין אתרים ומחקרים.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מוקדמת יותר לגבי המשך הפיתוח (go/no-go) על ידי אספקת סממנים ביולוגיים תפקודיים של מעורבות המטרה באזורים תת-קליפתיים שקשה לדמות.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים של תוכניות CNS על ידי תיקוף של מודולציית המטרה במעגלים עצביים רלוונטיים למחלה.
שיקולי יישום
- מומחיות ברכישת fMRI, רצפי ספירלה (spiral sequences) וכלי ניתוח נוירו-אנליזה מבוססי משטח (למשל, Mr.Vista, ITK-SNAP).
- גישה לסורק 3T המסוגל לבצע דימות ספירלה רב-שלבי (multi-shot spiral imaging) עם TE~40ms ו-TR~1s לרזולוציה של 1.2 mm.
- סטנדרטיזציה של פרדיגמות גירויים ויזואליים ופרוטוקולי תזמון תגובת-לחצן בין מפעילים ואתרים שונים.
- התאמה של זרימות עבודה לסגמנטציה ומיפוי עומק למבנים תת-קורטיקליים אחרים (למשל, inferior colliculus, subthalamic nucleus).
- ניהול רעש פיזיולוגי ורגישות לתנועה ברזולוציות מרחביות גבוהות, הדורשים סינון קפדני של נבדקים וניטור קיבוע.
