광시야 망막 자극을 이용한 시각 피질의 기능적 자기 공명 영상(fMRI)
Summary
우리는 일반적으로 사용되는 것보다 더 많은 시야를 활용하여 시각 피질 기능을 매핑하는 기술을 개발했습니다. 이 접근법은 시력 장애 및 안과 질환의 평가를 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
Abstract
광시야각 표현이 가능한 고해상도 망막소 혈액 산소화 수준 의존적(BOLD) 기능적 자기 공명 영상(fMRI)을 사용하여 주변 및 중추 시각 피질을 기능적으로 매핑할 수 있습니다. 시각 뇌의 기능적 변화를 측정하는 이 방법은 일반적으로 시야의 100°(±50°) 이상을 자극하여 후두엽의 기능적 매핑을 가능하게 합니다. BOLD fMRI를 위한 간단한 광시야각 자극 시스템은 피사체의 얼굴 가까이에 대형 거울이나 스크린을 배치하고 표준 헤드 코일의 뒤쪽 절반만 사용하여 시야를 방해하지 않고 넓은 시야각을 제공하여 일반적인 MR 호환 프로젝터를 사용하여 설정할 수 있습니다. 그런 다음 다양한 망막권 자극 패러다임을 사용하여 광시야각 망막소 fMRI 맵을 이미지화할 수 있으며, 데이터를 분석하여 중심 및 주변 시력에 해당하는 시각 피질 영역의 기능적 활성을 결정할 수 있습니다. 이 방법은 녹내장과 같은 안과 질환 및 이에 수반될 수 있는 시력 상실로 인한 주변 및 중추 시각 피질의 변화를 평가하는 데 사용할 수 있는 실용적이고 구현하기 쉬운 시각적 표현 시스템을 제공합니다.
Introduction
기능적 자기공명영상(fMRI)은 국소 혈류의 변화가 뇌 영역의 활성화와 상관관계가 있기 때문에 자극에 반응하여 시각 피질 내 국소 신경혈관 기능의 변화를 평가하는 데 유용한 방법입니다 1,2. 고분해능 망막소 혈액 산소화 수준 의존적(BOLD) 신호 측정은 뇌 내 혈류 및 혈액 산소화의 국소적 변화에 의해 유발되는 디옥시헤모글로빈의 변화를 나타냅니다 1,2. fMRI 데이터에서 수집된 대담한 활동 패턴은 말초 및 중추 시각 피질을 기능적으로 매핑하는 데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 시각 장애 및 신경 퇴행에 대한 반응으로 망막 토픽 맵의 변화를 감지하는 데 사용할 수 있습니다3.
대부분의 이전 fMRI 연구는 좁은 시야(중심 시야의 약 ±12°) 비망막 자극 또는 좁은 시야의 시각 자극을 동반한 단순 망막 자극을 사용했는데, 이는 시각 피질에서 망막 표현의 제한된 기능적 구획화를 제공하고 주변부를 제외한 중심 시야에만 제한적인 평가를 제공했다3. 결과적으로, 협시야 fMRI 데이터는 녹내장 환자에서 일관되지 않은 BOLD 퍼센트 변화를 보고했다 4,5,6. 따라서 특히 녹내장과 같은 질병을 평가할 때 주변 및 중심 시야를 평가하기 위한 개선된 fMRI 접근 방식이 필요합니다.
녹내장은 비가역적 실명의 주요 원인으로, 80세까지 10%의 사람들에게 영향을 미친다7. 녹내장은 시신경을 통해 시각 자극을 뇌로 전달하는 역할을 하는 망막 신경절 세포의 진행성 비가역적 신경 퇴화로 인해 발생합니다. 녹내장의 가장 흔한 형태인 원발성 개방각 녹내장(POAG)의 경우, 안압이 상승하면 망막 신경 섬유층(RNFL)이 얇아져 주변 시야가 상실되고 말초 및 중추 실명이 뒤따른다 8,9,10,11. 동물 연구의 조직학적 증거에 따르면 녹내장은 시신경, 시신경, 외측 생식핵, 시신경 방사선 및 시각 피질의 점진적인 신경 퇴행을 추가로 초래합니다12,13. MRI 기술은 시각 피질의 혈액 산소 공급과 신경 퇴화를 모두 평가하는 최소 침습 방법을 제공합니다. 녹내장 환자에서 MRI는 시각 경로(13,14,15,16)에서 회백질 위축의 증거를 발견하였고, 시신경, 시신경 및 시신경 방사선(1,17,18)에서 비정상적인 백질의 증거를 발견하였다.
시각 처리에 미치는 영향을 더 자세히 조사하기 위해 fMRI를 사용하여 시각적 신호에 반응하는 뇌 기능을 감지할 수 있습니다. 본 명세서의 프로토콜은 Zhou et al3에 의해 기술된 바와 같이, 광시야(>100°) 자극을 갖는 고분해능 망막근 fMRI를 사용하여 저비용, 광시야 망막국소 맵을 획득하는 새로운 방법을 기술한다. fMRI의 편심률과 극각의 망막소 매핑을 유도하기 위해 팽창하는 고리와 회전하는 쐐기의 시각적 자극을 사용했습니다. BOLD fMRI 퍼센트 변화는 중심 시력과 주변 시력 모두에 해당하는 뇌 기능을 평가하기 위해 편심률의 함수로 분석되었습니다. BOLD fMRI 퍼센트 변화는 시각 피질 전체의 활성화를 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 fMRI 측정은 녹내장과 같은 시야 결함과 관련된 안과 질환에서 발견되는 시각 피질에 대한 신경 퇴행성 변화와 기능적 영향을 평가하는 신뢰할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
광시야각 망막소정 fMRI를 활용하기 위한 위의 프로토콜은 시력 상실 및 안과 질환이 뇌에 미치는 영향을 평가하는 혁신적인 방법입니다. 더 넓은 시야 화면을 사용하여 시각 피질의 광시야 망막 매핑을 통해 이 접근 방식을 통해 시각 시스템의 기능적 조직을 보다 포괄적으로 이해할 수 있습니다. 이것은 녹내장과 같은 신경 퇴행에서 발생하는 뇌의 시각 처리 시스템의 이상을 더 잘 이해할 수 있?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)[R01EY030996]의 지원을 받았습니다.
Materials
| 1/4"-20 nylon machine screws, knurled head thumb screw | to attach rod to PVC frame | ||
| 1-1/4 inch PVC pipe | length of ~5-10 ft is needed | ||
| 3T MRI scanner | Siemens | ||
| 6-32 nylon machine screws, rounded head | to attach mirror/screen to rod | ||
| 8-channel head array coil | Siemens | ||
| 90 degree PVC elbow, 1-1/4 inch fitting | |||
| Acrylic mirror | Width and length of 25-30cm | ||
| Acrylic rod | 1 inch width, ~ 2 ft long depening on size of scanner bore and head coil | ||
| E-Prime | Psychology Software Tools | to prepare and present visual stimuli paradigms | |
| Plywood sheet, 1/2 inch thick | Size should be at least as large as the scanner bore. Cut as bore-sized frame for the projection screen | ||
| Rear projection screen | Size should be at least as large as the scanner bore |
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