Hoge resolutie functionele magnetische resonantie imaging methoden voor Human middenhersenen

Het algemene doel van deze procedure is het meten van fMRI-signalen met een hoge resolutie in de menselijke middenhersenen en hersenstam. Dit wordt bereikt door eerst de juiste visuele stimulus aan de proefpersoon te presenteren. Vervolgens wordt een optimale set fMRI-parameters toegepast.

Procedures en parameters worden gebruikt om gegevens te verzamelen en de gegevens worden geanalyseerd met een combinatie van standaard analyse-technieken en technieken op basis van oppervlakteanalyse. De laatste stap is om de gegevens over een 3D-oppervlakterepresentatie te leggen voor visualisatie. Uiteindelijk wordt fMRI met hoge resolutie gebruikt om een topografische representatie van de poolhoek bij visuele stimulatie in de superieure colliculus van de mens weer te geven.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden voor subcorticale structuren is dat we in staat zijn een hoge resolutie te bereiken terwijl we de lage signaal-ruisverhouding die gepaard gaat met hoge resolutie fMRI overwinnen. We kunnen dit bereiken door gebruik te maken van gespecialiseerde technieken voor beeldanalyse en -acquisitie. Hoewel deze methode specifiek is ontworpen om de functie in de menselijke nucleus colliculi superior in beeld te brengen, kan deze ook worden toegepast op andere subcorticale regio's, zoals de nucleus colliculi lateralis, de nucleus colliculi inferior of de nucleus subthalamicus.

Om een polaire hoek-retinale atopische kaart in de superieure Colus te verkrijgen, wordt eerst een functioneel paradigma opgezet met een wig van 90 graden met bewegende stippen als stimulus. De stimulus is verdeeld in twee bij drie virtuele sectoren, waarbij stippen in een van de sectoren bij elke trial willekeurig worden gekozen om langzamer of sneller te bewegen dan alle andere stippen. Hier is een voorbeeldtrial waarbij de stippen in de centrum-linker sector sneller bewegen dan de stippen in andere sectoren.

Na elke trial roteert het wigje rond het fixatiepunt in stappen van 30 graden, zodat de stimulus een volledige cyclus doorloopt met een periode van 24 seconden. Elke run bestaat uit negen en een halve rotaties van de stimulus; experimentele sessies dienen 16 tot 18 runs te bevatten voorafgaand aan het scannen. Laat elk subject de visuele taak oefenen voor elke trial van twee seconden.

Instrueer de proefpersoon om, zonder dat dit zichtbaar is, aandacht te besteden aan het wigvormige vlak en een snelheidstaken uit te voeren terwijl de fixatie wordt gehandhaafd. De proefpersoon moet via een knopdruk aangeven of stippen in een van de sectoren sneller of langzamer bewegen dan in andere sectoren voorafgaand aan het scannen. De standaard MRI-veiligheidsprocedures moeten worden gevolgd. Positioneer de proefpersoon op de scantafel en plaats de RF-spoel over het hoofd.

Zorg vervolgens dat de kop van de proefpersoon wordt gefixeerd met schuimkussentjes om hoofdbewegingen te minimaliseren. Leg uit dat fMRI bijzonder gevoelig is voor bewegingsartefacten, vooral bij de hoge ruimtelijke resoluties die in deze studie worden gebruikt. Plaats daarnaast een MRI-compatibel knoppenpaneel in één hand en geef instructies over welke knop tijdens de taak moet worden ingedrukt.

De stimulus wordt geprojecteerd op een beeldscherm dat wordt bekeken via een spiegel die op de spoel is gemonteerd. De superieure colliculus van de mens is een kleine maar duidelijke structuur van ongeveer negen millimeter in diameter, gelegen op het dorsale oppervlak van de middenhersenen, en er zijn meerdere localisatieseries vereist voor de precieze lokalisatie ervan. Voer de localisaties uit in het sagittale, axiale en coronale vlak.

Gebruik nu deze localizer-beelden om de superieure colliculus nauwkeurig af te grenzen met acht tot 10 aaneengesloten coupes. Neem vervolgens structurele T1-gewogen beelden met een hoge resolutie op met behulp van een driedimensionale SPGR-sequentie. Deze beelden worden gebruikt om de fMRI-gegevens uit te lijnen met een structureel referentievolume met een hoge resolutie, dat in een aparte sessie moet worden verkregen.

Stel vervolgens in voor functionele beeldvorming met gebruik van een drie-shot spiraaltraject-acquisitie om een in-plane pixelgrootte van 1,2 millimeter te verkrijgen. Stel de echotijd in op 40 milliseconden, wat langer is dan gewoonlijk in de cortex wordt gebruikt en correspondeert met een langere gemeten waarde van T2*. Stel de TR in op 1 seconde, zodat er elke drie seconden een volume wordt geacquireerd.

Zodra u klaar bent, start u de scan terwijl het functionele paradigma wordt uitgevoerd. Nadat de functionele beeldvorming is voltooid, verkrijgt u in een aparte sessie een weitere T1-structurele beeldserie met hoge resolutie. Verkrijg voor elk subject een referentievolume met hoge resolutie met behulp van een T1-gewogen sequentie die een goed weefselcontrast biedt.

Deze sequentie zal ongeveer 28 minuten duren. Zodra de beeldvorming is voltooid, gebruikt u een combinatie van automatische en handmatige technieken in de ITK SNAP-software om delen van de hersenstam en thalamus in het volumebeled met hoge resolutie te segmenteren. De interface tussen het cerebrospinaalvloeistofweefsel en de superieure colliculus wordt geïnterpoleerd vanuit de segmentatie met behulp van ISO-dichtheidstessellatie en vervolgens verfijnd om een gladde, nauwkeurige oppervlaktevoorstelling te verkrijgen.

Dit oppervlak biedt vertices en normalen die worden gebruikt voor laminaire berekeningen, evenals een manier om functionele gegevens te visualiseren. De beschreven analyse maakt gebruik van het softwarepakket Mr.Vista en tools die zijn ontwikkeld binnen het Mr.Vista-framework. Begin met het initialiseren van een sessie en kies de optie om de intensiteit van de gemiddelde gegevens ruimtelijk te normaliseren om de effecten van spoelinhomogeniteit te verminderen en gooi de eerste halve cyclus van beelden weg.

Om transiënte MR-evenwicht en hemodynamische effecten te vermijden. Open vervolgens de Mr.Vista-software. Voer daarna correcties uit voor beweging van de proefpersoon en slice-timing.

Bereken vervolgens het gemiddelde van de meerdere runs die binnen elke sessie zijn geregistreerd. Om de SNR te verbeteren, dient de structurele data van de FMRI-sessie te worden uitgelijnd met het referentievolume. Laad de uitlijning en segmentatie in Mr.Vista.

Transformeer vervolgens de functionele tijdreeksgegevens naar het gesegmenteerde referentievolume. Gebruik voor de volgende stappen tools die zijn ontwikkeld binnen het Mr.Vista-framework. Bereken een afstandskaart door de afstand te bepalen tussen elke voxel van het SC-weefsel en het dichtstbijzijnde vertex op het SE-oppervlak.

Deze afstanden worden gebruikt om de laminaire positie binnen het referentievolume te meten. Voer vervolgens een laminair segmentatieproces uit om diepte-gemiddelden van tijdreeksgegevens mogelijk te maken, zodat de SNR wordt verbeterd. Gebruik voor elk punt op het SC-oppervlak deze laminaire associaties om de tijdreeks over een gespecificeerd dieptebereik te middelen, om zo de topografische representatie van de gegevens te analyseren.

Voer een coherentieanalyse uit op de diepte-gemiddelde tijdreeksen door voor elke voxel een sinusgolf te fitten op de stimulus-herhalingsfrequentie; leid uit deze fit oppervlaktekaarten af van respons, amplitude, coherentie en fase. De fase van de sinusvormige fit zal de positie van de stimulus meten. Hier zien we fasedata geprojecteerd op een 3D-oppervlak van de SC; een nul-fase komt overeen met de bovenste verticale meridiaan.

De stimulus roteert vervolgens met de klok mee, zodat een fase van pi gedeeld door twee overeenkomt met het moment waarop de stimulus is geroteerd naar de horizontale meridiaan in het rechtergezichtsveld. Na een fase van pi radialen gaat de stimulus over naar het linkergezichtsveld, enzovoort. De respons op visuele stimulatie wordt contralateraal gerepresenteerd in de SC IE; het linkergezichtsveld wordt gerepresenteerd op de rechter SC en vice versa.

De grenzen van de gehele oppervlakkige omvang van de SC zijn aangegeven met rode stippellijnen. Er is sprake van een topografische organisatie van de activiteit. Het rechterbovenzichtveld wordt mediaal op de linker colus gerepresenteerd en het onderveld wordt lateraal gerepresenteerd.

Op dezelfde manier wordt het linker bovenste gezichtsveld mediaal gerepresenteerd op de rechter colliculus en het onderste veld lateraal. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u fMRI met hoge resolutie uitvoert in de menselijke middenhersenen en hersenstam; in het bijzonder zou u moeten begrijpen hoe u een visuele stimulus presenteert, fMRI-data met hoge resolutie verzamelt, standaardanalyses en oppervlaktegebaseerde analyses uitvoert en tenslotte de data op een 3D-oppervlak rendert om retinotopische kaarten op het oppervlak van de superieure colliculus te verkrijgen.