Высокое разрешение функциональной магнитно-резонансной томографии методы по правам мозга
10 мая 2012 г.
В этой статье описываются методы для выполнения высокого разрешения функциональной магнитно-резонансной томографии с 1,2 мм отбор проб в человеческом мозге и подкорковых структур с использованием 3T сканера. Использование этих методов для решения топографических карт визуальной стимуляции в человеческом верхний бугорок (SC) приводится в качестве примера.
Общая цель данной процедуры заключается в измерении сигналов фМРТ с высоким разрешением в среднем мозге и стволе мозга человека. Это достигается путем предварительного предъявления подопытному соответствующего зрительного стимула, после чего применяется оптимальный набор параметров фМРТ.
Для сбора данных используются определенные процедуры и параметры, после чего данные анализируют с помощью комбинации стандартных методов и методов анализа на основе поверхностей. Заключительным этапом является наложение данных на трехмерное представление поверхности для визуализации. В конечном итоге применяется фМРТ высокого разрешения для демонстрации топографического представления полярного угла при зрительной стимуляции в верхней двухолмистой пластинке (superior colliculus) человека.
Основное преимущество данного метода по сравнению с существующими способами исследования подкорковых структур заключается в возможности достижения высокого разрешения при одновременном преодолении низкого соотношения сигнал/шум, характерного для фМРТ высокого разрешения. Это становится возможным благодаря использованию специализированных методов сбора и анализа изображений. Хотя данный метод был разработан специально для визуализации функций верхнего двухолмия человека, он также может быть применен к другим подкорковым областям, таким как латеральное коленчатое ядро, нижнее двухолмие или субталамическое ядро.
Для получения карты атопических зон сетчатки в верхнем полюсе по полярному углу сначала установите функциональную парадигму, используя в качестве стимула сектор из движущихся точек с углом 90 градусов. Стимул разделен на два на три виртуальных сектора, при этом в одном из секторов точки в каждой пробе случайным образом выбираются так, чтобы двигаться медленнее или быстрее всех остальных точек. Ниже приведен пример пробы, в которой точки в центральном левом секторе движутся быстрее, чем точки в других секторах.
После каждого испытания клин поворачивается вокруг точки фиксации с шагом 30 градусов, так что стимул совершает полный цикл с периодом 24 секунды. Каждая серия состоит из девяти с половиной вращений стимула; экспериментальные сессии должны включать от 16 до 18 серий перед сканированием. Каждый испытуемый должен потренироваться выполнять визуальную задачу в каждом двухсекундном испытании.
Дайте испытуемому инструкцию незаметно сосредоточиться на клине и выполнить задание по дискриминации скорости, сохраняя фиксацию взгляда. С помощью нажатия кнопки испытуемый должен указать, движутся ли точки в одном из секторов быстрее или медленнее, чем в других секторах, перед началом сканирования. Необходимо соблюдать стандартные процедуры безопасности МРТ. Разместите испытуемого на столе сканера и установите РЧ-катушку на голову.
Затем обязательно зафиксируйте голову испытуемого с помощью поролоновых подушечек, чтобы свести к минимуму ее движение. Объясните, что ФМРТ особенно чувствительна к артефактам движения, особенно при высоком пространственном разрешении, используемом в данном исследовании. Также поместите в руку испытуемого совместимую с МРТ кнопку и дайте инструкции о том, какую кнопку следует нажимать во время выполнения задания.
Стимул проецируется на экран, который наблюдается с помощью зеркала, установленного на катушке. Верхний двухолмик человека представляет собой небольшую, но отчетливую структуру диаметром около девяти миллиметров, расположенную на дорсальной поверхности среднего мозга; для его точной локализации требуется выполнение нескольких серий локализационных изображений. Выполните локализацию в сагиттальной, аксиальной и корональной плоскостях.
Теперь используйте эти локаторные изображения, чтобы точно определить область верхней доли с восемью-десятью смежными срезами. Затем получите структурные изображения с высоким разрешением, взвешенные по T1, используя трехмерную последовательность SPGR. Эти изображения будут использоваться для совмещения данных fMRI с эталонным структурным объемом высокого разрешения, который должен быть получен в отдельном сеансе.
Затем настройте функциональную визуализацию, используя трехкратную спиральную траекторию сбора данных для получения размера пикселя в плоскости 1.2 millimeters. Установите время эха на 40 milliseconds, что превышает значения, обычно используемые для коры, и соответствует более длительному измеренному значению T two star. Установите TR на 1 second, чтобы объем данных собирался каждые три секунды.
Когда будете готовы, начните сканирование во время выполнения функциональной парадигмы. После завершения функциональной визуализации получите еще одну серию структурных Т1-взвешенных изображений высокого разрешения в отдельной сессии. Для каждого испытуемого получите эталонный объем высокого разрешения, используя Т1-взвешенную последовательность, которая обеспечит хороший контраст тканей.
Эта последовательность продлится около 28 минут. После завершения визуализации используйте комбинацию автоматических и ручных методов, предусмотренных в программном обеспечении ITK SNAP, для сегментации участков ствола мозга и таламуса в объеме с высоким разрешением. Граница раздела между спинномозговой жидкостью и тканью верхнего двухолмия интерполируется на основе сегментации с использованием тесселяции по изоплотности, а затем уточняется для создания гладкого и точного представления поверхности.
Эта поверхность предоставляет вершины и нормали, которые используются для ламинарных расчетов, а также средство визуализации функциональных данных. В описанном анализе используется программный пакет Mr.Vista, а также инструменты, разработанные на базе Mr.Vista. Начните с инициализации сессии и выбора опции пространственной нормализации интенсивности усредненных данных для уменьшения эффектов неоднородности катушек, после чего отбросьте первый полуцикл изображений.
Для предотвращения переходных процессов установления МР-равновесия и гемодинамических эффектов. Затем откройте программное обеспечение Mr.Vista. После этого выполните коррекцию движений испытуемого и временную коррекцию срезов.
Затем вычислите среднее значение для нескольких серий, записанных в рамках каждого сеанса. Для повышения отношения сигнал/шум (SNR) совместите структурные данные сеанса FMRI с референсным объемом. Загрузите результаты совмещения и сегментации в Mr.Vista.
Затем преобразуйте данные функциональных временных рядов в сегментированный референсный объем. Для выполнения следующих шагов используйте инструменты, разработанные на базе платформы Mr.Vista. Вычислите карту расстояний, определив расстояние между каждым вокселем ткани SC и ближайшей к нему вершиной на поверхности SE.
Эти расстояния используются для определения ламинарной позиции внутри эталонного объема. Затем выполните процесс ламинарной сегментации, чтобы обеспечить усреднение временных рядов данных по глубине для повышения SNR. Для каждой точки на поверхности SC используйте эти ламинарные связи для усреднения временных рядов в заданном диапазоне глубин с целью анализа топографического представления данных.
Выполните когерентный анализ временных рядов, усредненных по глубине, путем аппроксимации синусоидой на частоте повторения стимула для каждого вокселя; на основе этой аппроксимации постройте карты поверхности отклика, амплитуды, когерентности и фазы. Фаза синусоидальной аппроксимации будет определять положение стимула. Здесь представлены данные о фазе, наложенные на 3D-поверхность SC; нулевая фаза соответствует верхнему вертикальному меридиану.
Затем стимул вращается по часовой стрелке, таким образом, фаза π/2 соответствует моменту, когда стимул повернулся к горизонтальному меридиану в правом зрительном поле. Через π радиан фазы стимул переходит в левое зрительное поле и так далее. Ответ на зрительную стимуляцию представлен контрлатерально в SC IE: левое зрительное поле представлено в правой SC и наоборот.
Границы всей поверхностной области SC отмечены красными пунктирными линиями. Активность имеет топографическую организацию. Правое верхнее зрительное поле представлено медиально в левом colus, а нижнее поле — латерально.
Аналогично, левое верхнее поле зрения представлено медиально на правом верхнем холмике, а нижнее — латерально. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как проводить фМРТ высокого разрешения среднего мозга и ствола мозга человека; в частности, вы сможете понять, как предъявлять визуальный стимул, собирать данные фМРТ высокого разрешения, выполнять стандартный и поверхностный анализ и, наконец, визуализировать данные на 3D-поверхности для получения топических карт на поверхности верхнего холмика.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье описываются методы проведения функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) высокого разрешения с шагом дискретизации 1,2 mm в структурах среднего мозга и подкорковых структурах человека с использованием сканера 3T. В исследовании показано, как эти методы позволяют визуализировать топографические карты зрительной стимуляции в верхнем холмике (SC) человека.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Нейровизуализация
- Функциональная МРТ
Теоретические основы
- фМРТ высокого разрешения позволяет получать детальные изображения структур мозга.
- Средний мозг и ствол мозга человека являются критическими областями для обработки зрительной информации.
- Топографическое картирование позволяет выявить, как зрительные стимулы представлены в мозге.
- Сканеры 3Т обеспечивают расширенные возможности визуализации по сравнению со сканерами с меньшей напряженностью поля.
Цель исследования
- Для измерения сигналов фМРТ высокого разрешения в среднем мозге и стволе мозга человека.
- Для анализа репрезентации зрительных стимулов в верхнем холмике.
- Для демонстрации эффективности передовых методов визуализации в нейробиологических исследованиях.
Используемые методы
- Предъявление визуальных стимулов испытуемым.
- Использование оптимальных процедур и параметров фМРТ для сбора данных.
- Сочетание стандартных методов анализа и методов анализа на основе поверхности для обработки данных.
- Наложение данных на 3D-представление поверхности для визуализации.
Основные результаты
- МРТ высокого разрешения позволила успешно зафиксировать детальные сигналы из среднего мозга.
- Было достигнуто топографическое представление полярного угла при визуальной стимуляции.
- Данные методы продемонстрировали потенциал для более глубокого понимания процессов визуальной обработки в мозге.
- Результаты подтверждают целесообразность использования визуализации высокого разрешения в нейробиологических исследованиях.
Выводы
- фМРТ высокого разрешения является мощным инструментом для изучения функций мозга.
- Данные методы позволяют получить представление об организации областей зрительного восприятия.
- Будущие исследования могут опираться на эти методы для изучения других функций мозга.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
фМРТ высокого разрешения позволяет неинвазивно исследовать цепи среднего мозга, имеющие решающее значение для сенсомоторной интеграции и аттенционного контроля, что обладает прогностической ценностью при валидации мишеней для методов нейромодуляционной терапии. Благодаря определению топографической организации в подкорковых ядрах, данный метод способствует механистическому снижению рисков при разработке кандидатов в препараты для ЦНС, воздействующих на пути визуально-пространственной обработки или механизмы бодрствования. Эта возможность повышает уверенность в биомаркерах связывания с мишенью и помогает принимать решения о продолжении или прекращении разработки на ранних этапах поиска новых соединений.
Стратегические применения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проводить функциональный анализ мишеней среднего мозга, таких как верхнее двухолмие, для проверки гипотез о сетях внимания и механизмах сенсорного гейтинга.
- Практическая ценность: обеспечивает воспроизводимые данные фМРТ с разрешением по глубине, что снижает вариабельность при оценке степени воздействия на целевые структуры в различных исследованияниях.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Позволяет получать количественные ламинарно-специфичные BOLD-сигналы, подходящие для скрининга соединений, модулирующих подкорковые пути пробуждения или зрительного внимания, по принципу биохимического анализа.
- Практическая ценность: Стандартизированный сбор данных (воксели 1,2 мм, TE~40ms, многократный спиральный спуск) и анализ на основе поверхности обеспечивают воспроизводимость между лабораториями при передаче методики анализа.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: обеспечивает межвидовое сопоставление функциональной организации структур среднего мозга, что подтверждает трансляционную значимость доклинических моделей.
- Практическая ценность: структурные эталонные объемы и протоколы сегментации позволяют осуществлять лонгитюдный мониторинг модуляции мишеней в моделях заболеваний.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Данный метод интегрируется в рабочие процессы по поиску новых биологических мишеней, обеспечивая функциональную валидацию мишеней в среднем мозге перед идентификацией ведущих соединений, при этом полученные результаты позволяют оценить готовность анализа и обеспечить непрерывность доклинических исследований.
- Открывающая биология (Discovery Biology): Обеспечивает проверку гипотез о путях внимания и визуально-моторных путях посредством анализа временных рядов, усредненных по глубине в определенных пластинках среднего мозга.
- Скрининг: Предоставляет количественные данные фМРТ с ламинарным разрешением, что позволяет проводить скрининг соединений для модуляции мишеней в подкорковых цепях.
- Аналитика: Позволяет создавать карты фазы, амплитуды и когерентности на основе синусоидальной аппроксимации сигналов, синхронизированных со стимулом, что делает возможным сравнительный анализ различных условий.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает преемственность от валидации мишеней у человека до доклинических моделей с помощью общих трехмерных представлений поверхности и картирования глубины.
- Корпоративное повторное использование: Справочный структурный объем и конвейер сегментации создают многократно используемую платформу для изучения различных мишеней в среднем мозге и стволе мозга в рамках нескольких проектов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов при валидации мишени за счет уменьшения механистической неопределенности в функционировании цепей среднего мозга.
- Операционная ценность: Стандартизированный спиральный сбор данных и анализ на основе поверхности повышают воспроизводимость и масштабируемость между различными центрами и исследованиями.
- Стратегическая ценность: Позволяет принимать решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) на более ранних этапах, предоставляя функциональные биомаркеры взаимодействия с мишенью в труднодоступных для визуализации подкорковых областях.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритизацию программ по ЦНС с учетом рисков путем валидации модуляции мишеней в нейронных цепях, имеющих значение при данном заболевании.
Особенности реализации
- Опыт в сборе данных фМРТ, использовании спиральных последовательностей и инструментов анализа нейронных структур на основе поверхности (например, Mr.Vista, ITK-SNAP).
- Доступ к сканеру 3T с возможностью многокадровой спиральной визуализации с TE~40ms и TR~1s для обеспечения разрешения 1.2 mm.
- Стандартизация парадигм визуальной стимуляции и протоколов замера времени отклика при нажатии кнопок для всех операторов и центров.
- Адаптация рабочих процессов сегментации и картирования глубины для других подкорковых структур (например, нижнего холма, субталамического ядра).
- Управление физиологическим шумом и чувствительностью к движению при высоком пространственном разрешении, что требует строгого отбора испытуемых и мониторинга фиксации взгляда.
