Geniş Görüşlü Retinotopik Stimülasyon ile Görsel Korteksin Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntülemesi (fMRI)
Summary
Yaygın olarak kullanılandan daha fazla görsel alan kullanarak görsel korteks işlevini haritalamak için teknikler geliştirdik. Bu yaklaşım, görme bozukluklarının ve göz hastalıklarının değerlendirilmesini geliştirme potansiyeline sahiptir.
Abstract
Periferik ve merkezi görsel korteksi fonksiyonel olarak haritalamak için geniş görüşlü bir sunuma sahip yüksek çözünürlüklü retinotopik kan oksijenasyon düzeyine bağlı (BOLD) fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) kullanılabilir. Görsel beynin fonksiyonel değişikliklerini ölçmek için kullanılan bu yöntem, genellikle görsel alanın 100° (±50°) veya daha fazlasını uyararak oksipital lobun fonksiyonel haritalanmasına izin verir. BOLD fMRI için basit bir geniş görüş stimülasyon sistemi, MR uyumlu yaygın projektörler kullanılarak, deneğin yüzüne yakın bir yere büyük bir ayna veya ekran yerleştirilerek ve görüşlerini engellemeden geniş bir görüş açısı sağlamak için standart bir kafa bobininin yalnızca arka yarısı kullanılarak kurulabilir. Geniş görüşlü retinotopik fMRI haritası daha sonra çeşitli retinotopik stimülasyon paradigmaları kullanılarak görüntülenebilir ve veriler, merkezi ve periferik görmeye karşılık gelen görsel kortikal bölgelerin fonksiyonel aktivitesini belirlemek için analiz edilebilir. Bu yöntem, glokom gibi göz hastalıklarına bağlı olarak periferik ve santral görme korteksinde meydana gelen değişiklikleri ve bunlara eşlik edebilecek görme kaybını değerlendirmek için kullanılabilecek pratik, uygulaması kolay bir görsel sunum sistemi sağlar.
Introduction
Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), bölgesel kan akışındaki değişiklikler beyin bölgelerininaktivasyonu ile ilişkili olduğundan, uyaranlara yanıt olarak görsel korteks içindeki bölgesel nörovasküler fonksiyondaki değişiklikleri değerlendirmek için değerli bir yöntemdir 1,2. Yüksek çözünürlüklü retinotopik kan oksijenasyon seviyesine bağlı (BOLD) sinyal ölçümleri, beyindeki kan akışındaki lokalize değişiklikler ve kan oksijenasyonu tarafından yönlendirilen deoksihemoglobindeki değişiklikleri temsil eder 1,2. fMRI verilerinden toplanan BOLD aktivite paternleri, periferik ve merkezi görsel korteksi işlevsel olarak haritalamak ve ayrıca görme bozukluğu ve nörodejenerasyona yanıt olarak retinotopik haritadaki değişiklikleri tespit etmek için kullanılabilir3.
Önceki fMRI çalışmalarının çoğu, görsel kortekste retinotopik temsilin sınırlı fonksiyonel parselasyonunu ve perifer hariç sadece merkezi görme alanıyla sınırlı değerlendirme sağlayan dar görüşlü (merkezi görme alanının yaklaşık ±12°’si) retinotopik olmayan uyaranları veya dar görüşlü görsel uyaranları içeren basit retinotopik uyaranları kullanmıştır3. Sonuç olarak, dar görüşlü fMRI verileri, glokom hastalarında tutarsız BOLD yüzde değişiklikleri bildirmiştir 4,5,6. Bu nedenle, özellikle glokom gibi hastalıkların değerlendirilmesinde, periferik ve merkezi görme alanını değerlendirmek için geliştirilmiş fMRI yaklaşımlarına ihtiyaç vardır.
Glokom, 80 yaşına kadar insanların %10’unu etkileyen, geri dönüşü olmayan körlüğün önde gelen nedenidir7. Glokom, optik sinir yoluyla beyne görsel uyaranların iletilmesinden sorumlu olan retinal ganglion hücrelerinin ilerleyici, geri dönüşümsüz nörodejenerasyonundan kaynaklanır. Glokomun en yaygın formu olan primer açık açılı glokomda (PAAG), artmış göz içi basıncı, retina sinir lifi tabakasının (RSLT) incelmesine neden olarak periferik görme kaybına ve ardından periferik ve merkezi körlüğeyol açar 8,9,10,11. Hayvan çalışmalarından elde edilen histolojik kanıtlar, glokomun ayrıca optik sinir, optik yol, lateral genikülat çekirdek, optik radyasyon ve görsel kortekste ilerleyici nörodejenerasyona yol açtığını göstermektedir 12,13. MRI teknolojisi, görsel kortekste hem kan oksijenasyonunu hem de nörodejenerasyonu değerlendirmek için minimal invaziv bir yöntem sunar. Glokomlu hastalarda MRG, görme yolunda 13,14,15,16 gri madde atrofisi ve optik kiazma, optik yol ve optik radyasyondaanormal beyaz madde kanıtı bulmuştur 1,17,18.
Görsel işleme üzerindeki etkileri daha fazla araştırmak için, görsel ipuçlarına yanıt olarak beyin fonksiyonlarını tespit etmek için fMRI kullanılabilir. Buradaki protokol, Zhou ve ark.3 tarafından tanımlandığı gibi, geniş alan (>100°) uyaranlarla yüksek çözünürlüklü retinotopi fMRI kullanarak düşük maliyetli, geniş görüşlü bir retinotopik harita elde etmek için yeni bir yöntemi açıklamaktadır. genişleyen halkaların ve dönen takozların görsel uyaranları, fMRI için eksantriklik ve polar açının retinotopik haritasını çıkarmak için kullanıldı. BOLD fMRI yüzde değişiklikleri, hem merkezi hem de periferik görüşe karşılık gelen beyin fonksiyonunu değerlendirmek için eksantrikliğin bir fonksiyonu olarak analiz edildi. BOLD fMRI yüzde değişimi, görsel korteks boyunca aktivasyonu görselleştirmek için kullanılabilir. Bu fMRI ölçümleri, glokom gibi görme alanı kusurlarını içeren göz hastalıklarında bulunan nörodejeneratif değişiklikleri ve bunların görme korteksi üzerindeki fonksiyonel etkilerini değerlendirmek için güvenilir yeni bir yöntem sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Geniş görüşlü retinotopik fMRG kullanımı için yukarıdaki protokol, görme kaybı ve göz hastalıklarının beyin üzerindeki etkilerini değerlendirmek için yenilikçi bir yöntemdir. Görsel korteksin daha geniş açılı bir ekran kullanılarak geniş alan retinotopik haritalaması yoluyla, bu yaklaşım görsel sistemin işlevsel organizasyonunun daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlar. Bu, glokom24,25 gibi nörodejenerasyonda meydana …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklenmiştir [R01EY030996].
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 |
References
- Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (12), 5675-5679 (1992).
- Ogawa, S., et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (13), 5951-5955 (1992).
- Zhou, W., et al. Retinotopic fMRI reveals visual dysfunction and functional reorganization in the visual cortex of mild to moderate glaucoma patients. Journal of Glaucoma. 26 (5), 430-437 (2017).
- Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: a method for comparing cortical function with damage to the optic disk. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (2), 733-744 (2007).
- Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: Comparing fMRI measurements of cortical function with visual field loss. Progress in Retinal and Eye Research. 26 (1), 38-56 (2007).
- Gerente, V. M., et al. Evaluation of glaucomatous damage via functional magnetic resonance imaging, and correlations thereof with anatomical and psychophysical ocular findings. PLoS One. 10 (5), e0126362 (2015).
- Allingham, R. R., Damji, K., Freedman, S., Moroj, G., Shafranov, . Shields’ textbook of glaucoma. 5th ed. , (2005).
- Kerrigan-Baumrind, L. A., Quigley, H. A., Pease, M. E., Kerrigan, D. F., Mitchell, R. S. Number of ganglion cells in glaucoma eyes compared with threshold visual field tests in the same persons. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 41 (3), 741-748 (2000).
- Quigley, H. A., Addicks, E. M., Green, W. R. Optic nerve damage in human glaucoma. III. Quantitative correlation of nerve fiber loss and visual field defect in glaucoma, ischemic neuropathy, papilledema, and toxic neuropathy. Archives of Ophthalmology. 100 (1), 135-146 (1982).
- Smith 3rd, E. L., Hung, L. F., Harwerth, R. S. Developmental visual system anomalies and the limits of emmetropization. Ophthalmic and Physiological Optics. 19 (2), 90-102 (1999).
- Limb, G. A., Martin, K. R. Sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Working Group. Current prospects in optic nerve protection and regeneration: sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Conference. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (8), 5941-5954 (2011).
- Gupta, N., Yucel, Y. H. Glaucoma as a neurodegenerative disease. Current Opinion in Ophthalmology. 18 (2), 110-114 (2007).
- Yucel, Y. H., Zhang, Q., Weinreb, R. N., Kaufman, P. L., Gupta, N. Effects of retinal ganglion cell loss on magno-, parvo-, koniocellular pathways in the lateral geniculate nucleus and visual cortex in glaucoma. Progress in Retinal and Eye Research. 22 (4), 465-481 (2003).
- Zikou, A. K., et al. Voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging of the optic pathway in primary open-angle glaucoma: a preliminary study. American Journal of Neuroradiology. 33 (1), 128-134 (2012).
- Chen, W. W., et al. Structural brain abnormalities in patients with primary open-angle glaucoma: a study with 3T MR imaging. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (1), 545-554 (2013).
- Yu, L., et al. Morphologic changes in the anterior and posterior subregions of V1 and V2 and the V5/MT + in patients with primary open-angle glaucoma. Brain Research. 1588, 135-143 (2014).
- Hernowo, A. T., Boucard, C. C., Jansonius, N. M., Hooymans, J. M. M., Cornelissen, F. W. Automated morphometry of the visual pathway in primary open-angle glaucoma. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (5), 2758-2766 (2011).
- Dai, H., et al. Whole-brain voxel-based analysis of diffusion tensor MRI parameters in patients with primary open angle glaucoma and correlation with clinical glaucoma stage. Neuroradiology. 55 (2), 233-243 (2013).
- Zhou, W., Muir, E. R., Chalfin, S., Nagi, K. S., Duong, T. Q. MRI study of the posterior visual pathways in primary open angle glaucoma. Journal of Glaucoma. 26 (2), 173-181 (2017).
- Dale, A. M., Fischl, B., Sereno, M. I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. NeuroImage. 9 (2), 179-194 (1999).
- Li, X., Morgan, P. S., Ashburner, J., Smith, J., Rorden, C. The first step for neuroimaging data analysis: DICOM to NIfTI conversion. Journal of Neuroscience Methods. 264, 47-56 (2016).
- Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, 208-219 (2004).
- Woolrich, M. W., Ripley, B. D., Brady, M., Smith, S. M. Temporal autocorrelation in univariate linear modeling of FMRI data. NeuroImage. 14 (6), 1370-1386 (2001).
- Murphy, M. C., et al. Retinal structures and visual cortex activity are impaired prior to clinical vision loss in glaucoma. Scientific Reports. 6, 31464 (2016).
- Chan, R. W., et al. Relationships between cerebrovascular reactivity, visual-evoked functional activity, and resting-state functional connectivity in the visual cortex and basal forebrain in glaucoma. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 4037-4040 (2021).
- Murphy, M. C., et al. Top-down influence on the visual cortex of the blind during sensory substitution. Neuroimage. 125, 932-940 (2016).
- Bang, J. W., Hamilton-Fletcher, G., Chan, K. C. Visual plasticity in adulthood: perspectives from Hebbian and homeostatic plasticity. The Neuroscientist. 29 (1), 117-138 (2023).
- Greco, V., et al. A low-cost and versatile system for projecting wide-field visual stimuli within fMRI scanners. Behavior Research Methods. 48 (2), 614-620 (2016).
- DeYoe, E. A., Raut, R. V. Visual mapping using blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging. Neuroimaging Clinics of North America. 24 (4), 573-584 (2014).
- Pitzalis, S., et al. Wide-field retinotopy defines human cortical visual area v6. The Journal of Neuroscience. 26 (30), 7962-7973 (2006).
- Wu, J., et al. Development of a method to present wide-view visual stimuli in MRI for peripheral visual studies. Journal of Neuroscience Methods. 214 (2), 126-136 (2013).
- Ellis, C. T., et al. Re-imagining fMRI for awake behaving infants. Nature Communications. 11 (1), 4523 (2020).
- Yan, T., Jin, F., He, J., Wu, J. Development of a wide-view visual presentation system for visual retinotopic mapping during functional MRI. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (2), 441-447 (2011).
- Park, J., Soucy, E., Segawa, J., Konkle, T. Full-field fMRI: a novel approach to study immersive vision. Journal of Vision. 22 (14), 4018 (2022).
