Högupplösta functional magnetic resonance imaging metoder för Human mitthjärnan

Summary

I den här artikeln beskrivs tekniker för att utföra högupplösta funktionell magnetisk resonanstomografi med 1,2 mm provtagning i mänsklig mitthjärnan och subkortikala strukturer med hjälp av en 3T scanner. Användning av dessa tekniker för att lösa topografiska kartor av visuell stimulering i den humana colliculus superior (SC) ges som exempel.

Abstract

Funktionell MRI (fMRI) är ett allmänt använt verktyg för icke-invasivt mäta korrelat av mänsklig hjärnans aktivitet. Emellertid har dess användning i allmänhet varit inriktade på att mäta aktivitet på ytan av hjärnbarken snarare än i subkortikala regioner såsom mitthjärnan och hjärnstammen. Subkortikal fMRI måste övervinna två utmaningar: rumslig upplösning och fysiologiska buller. Här beskriver vi en optimerad uppsättning av tekniker som utvecklats för att utföra högupplösande fMRI i humant SC, en struktur på den dorsala ytan av mitthjärnan, metoderna kan också användas för att avbilda andra hjärnstammen och subkortikala strukturer.

Med hög upplösning (1,2 mm voxlar) fMRI av SC kräver en icke-konventionell metod. Den önskade spatiala provtagningen erhålls med hjälp av en multi-shot (interfolierat) spiral förvärvet ^1. Sedan, T är ₂ * SC vävnad längre än i kortex, en motsvarande längre eko tiden (T _E ~ 40 ms) används för att maxiverkade så funktionell skillnad. För att täcka den fulla omfattningen av SC är 8-10 skivor erhålls. För varje session en strukturell anatomi med samma skiva recept som fMRI erhålles också, vilken används för att rikta de funktionella data till en högupplösande referensvolym.

I en separat session för varje ämne, skapar vi en hög upplösning (0,7 mm provtagning) hänvisning volym med en T _1-viktade sekvens som ger god vävnad kontrast. I referensen volymen är mitthjärnan regionen segmenterade med ITK-SNAP program ^2. Denna segmentering används för att skapa en 3D-ytan representation av mitthjärnan som är både mjuk och noggrann ^3. Ytpartiklarna toppunkter och normala individer används för att skapa en karta av djupet från mitthjärnan ytan inuti vävnaden ^4.

Funktionella data omvandlas till koordinatsystemet för det segmenterade referensvolym. Djup föreningar av voxlarmöjliggöra utjämning av fMRI tidsseriedata inom givna djup varierar för att förbättra signalkvaliteten. Data återges på 3D ytan för visualisering.

I vårt labb använder vi denna teknik för att mäta topografiska kartor av visuell stimulans och dold och öppen visuell uppmärksamhet inom SC ^1. Som ett exempel, visar vi den topografiska representation av polär vinkel mot visuell stimulering i SC.

Protocol

1. Polar vinkel topografi stimulans och Psychophysics För att få en polär vinkel retinotopic kartan i SC, använder vi en 90 ° wedge rörliga prickar som stimulus (excentriciteten 2-9 ° av visuell vinkel, menar dot-hastighet 4 ° / sek) (Fig. 1). Det är känt att aktiviteten i SC förstärks genom att dold uppmärksamheten 5, och därför använder vi en uppmärksamhet uppgift i vår paradigm för att öka tillgänglig signal. På varje 2 s försök är ämnen…

Discussion

Våra förvärv och data-analys teknik gör det möjligt att mäta neurala aktivitet i subkortikala mänskliga hjärnan strukturer med hög upplösning (1,2 mm voxlar). Det 3-shot spiral förvärvet minskar fysiologiska brus som är särskilt skadligt för fMRI mätningar runt mitthjärnan. Dessutom kan vi laminär segmentering av vävnaden oss att utföra djup genomsnitt av de data som hjälper till att förbättra SNR. Vi har använt dessa metoder för att visa exakt polära vinklar topografiska kartor över visuell s…