Ad alta risoluzione magnetica funzionale per immagini Metodi risonanza per mesencefalo umano

Summary

Questo articolo descrive le tecniche per eseguire ad alta risoluzione risonanza magnetica funzionale, con 1,2 mm di campionamento mesencefalo umano e strutture subcorticali utilizzando uno scanner 3T. L'uso di queste tecniche per risolvere le mappe topografiche di stimolazione visiva nella umano collicolo superiore (SC) è dato come un esempio.

Abstract

Risonanza magnetica funzionale (fMRI) è uno strumento ampiamente utilizzato per la misurazione non invasiva correlati di attività cerebrale umana. Tuttavia, il suo impiego è stato quasi focalizzata sulla misurazione dell'attività sulla superficie della corteccia cerebrale, piuttosto che in regioni subcorticali come mesencefalo e tronco cerebrale. FMRI Subcortical devono superare due sfide: la risoluzione spaziale e il rumore fisiologico. Qui si descrive un insieme ottimale di tecniche sviluppate per eseguire alta risoluzione fMRI in umana SC, una struttura sulla superficie dorsale del mesencefalo, i metodi possono anche essere usati per tronco altra immagine e strutture sottocorticali.

Ad alta risoluzione (1,2 mm voxel) fMRI della SC richiede un approccio non convenzionale. Il campionamento spaziale desiderata si ottiene utilizzando un multi-shot (interleaved) l'acquisizione a spirale ^1. Poiché, T ₂ * di tessuto SC è più lunga in corteccia, un tempo di eco corrispondentemente più lungo (T _E ~ 40 msec) viene utilizzato per maxizare il contrasto funzionale. Per coprire la piena portata della SC, 8-10 fette si ottengono. Per ogni sessione un'anatomia strutturale con la prescrizione fetta stessa fMRI si ottiene anche, che viene utilizzato per allineare i dati funzionali ad alta risoluzione volume di riferimento.

In una sessione separata, per ogni soggetto, creiamo una ad alta risoluzione (0,7 campionamento mm) con un volume di riferimento T _1-pesata sequenza che dà un buon contrasto dei tessuti. Nel volume di riferimento, la regione del mesencefalo è segmentato utilizzando il ITK-SNAP applicazione software ^2. Questa segmentazione viene utilizzato per creare una rappresentazione 3D superficie del mesencefalo che sia agevole e preciso ^3. I vertici di superficie e normali vengono utilizzati per creare una mappa di profondità dalla superficie mesencefalo all'interno del tessuto ^4.

Dati funzionali si trasforma nel sistema di coordinate del volume riferimento segmentato. Associazioni di profondità dei voxelconsentire la media dei dati di serie temporali fMRI all'interno di intervalli di profondità specificati per migliorare la qualità del segnale. Rendering dei dati sulla superficie 3D per la visualizzazione.

Nel nostro laboratorio usiamo questa tecnica per misurare le mappe topografiche di stimolazione visiva e occulta e palese attenzione visiva all'interno della SC ^1. Come esempio, si dimostrano la rappresentazione topografica di angolo polare alla stimolazione visiva in SC.

Protocol

1. Polar angolo Stimulus Topografia e Psicofisica

Per ottenere un angolo polare-map retinotopica nella SC, usiamo un cuneo a 90 ° di punti in movimento come lo stimolo (eccentricità 2-9 ° di angolo visivo, significa dot-velocità 4 ° / sec) (Fig. 1). È noto che l'attività nel SC è migliorate applicando attenzione segreta ^5, quindi usiamo un compito attenzione nel nostro paradigma per aumentare segnale disponibile. In studio ogni 2 s, i soggetti sono istruiti a partecipare segretamente al cuneo intero ed eseguire un compito velocità di discriminazione, pur mantenendo la fissazione. Il cuneo è diviso in 2 × 3 settori virtuali con puntini in uno dei settori, scelti a caso per ogni prova, in movimento lento o più veloce di tutti gli altri punti. Dopo ogni prova, il cuneo è ruotato di 30 ° intorno al fissaggio in modo che lo stimolo ruota completamente con un periodo di 24 sec. Ogni ciclo è composto di 9,5 rotazioni dello stimolo (228 sec), e le sessioni sperimentali sono16-18 corse.

Per mantenere le prestazioni del soggetto a questo compito per tutta la durata di ogni corsa, la difficoltà del compito viene regolato tramite due intercalati in modo casuale due-up-one-down scale. Dopo ogni due prove consecutive corretti la differenza di velocità è ridotta dell'8%, e per ogni prova non corretto, la differenza è aumentato dell'8%.

Prima della scansione, tutti i soggetti in pratica il compito visivo di fuori dello scanner fino a raggiungere un livello stabile di performance; questo richiede 3-4 20 minuti sessioni di prove di durata. Soglie di discriminazione tipiche sono nel campo di 1 ° -1,5 ° / sec.

2. Preparazione Oggetto

1. Teste soggetti sono fissati con i rilievi per ridurre al minimo movimento della testa, prima di essere posizionati all'interno dello scanner foro. A queste alte risoluzioni spaziali, fMRI è particolarmente sensibile agli artefatti da movimento, in modo da stabilizzare la testa è fondamentale.
2. I soggetti viene assegnato un MRI-compatible pulsantiera in una mano e istruiti sulla quale pulsante premere per indicare i loro giudizi sulla velocità dot.

3. Localizzazione e prescrizione del SC

1. SC umana è una struttura piccola ma distinta, ~ 9 mm di diametro, che si trova sul tetto del mesencefalo. Quando si utilizza un piccolo numero di fette fMRI, più serie di immagini localizzatore sono necessari per la sua localizzazione precisa. Noi usiamo queste serie lungo i piani sagittali, assiali e coronali.
2. Abbiamo poi usare queste immagini localizzatore di prescrivere proprio la SC con 8-10 fette contigue, 1.2 mm di spessore, campo di vista (FOV), 170 mm in obliquo, quasi-assiale piano.
3. Successivamente, ad alta risoluzione immagini T _1-pesate strutturali sono ottenuti utilizzando un tridimensionale (3D)-RF viziata GRASS (SPGR) sequenza (15 ° angolo di nutazione, 1.2 mm voxel) una volta prima di raccogliere i dati funzionali e una volta dopo. Queste immagini vengono usate come riferimento per allineare i dati di fMRI ad alta risoluzione strvolume di riferimento uctural ottenuto in una sessione separata, che descriveremo più avanti.

4. Parametri funzionali MRI

Tutte le immagini è stata eseguita su un 3T GE Signa HD12 scanner MRI con il GE fornito a 8 canali, bobina testa. Eccitazione era una finestra 6,4 ms-sinc impulso applicato utilizzando la bobina corpo dello scanner.

Per ottenere il campionamento 1,2 mm umana SC, si usa una tre-shot traiettoria a spirale di acquisizione ^6,7. Tre colpi sono necessari per diverse ragioni. In particolare, l'acquisizione single-shot per il nostro scanner e FOV richiede> 77 msec, troppo lungo per essere pratico. I colpi sono combinati insieme dopo la correzione sottraendo il valore iniziale e l'andamento lineare della fase. TE è incrementato di 2 ms sul primo telaio per stimare una mappa campo dai primi due volumi acquisite, e questa mappa viene utilizzato per la correzione lineare. Immagini ricostruite aveva un SNR di ~ 20. Spettri di potenza temporale in SC voxel tipicamentedimostrato poco della struttura associata rumore fisiologica, l'uso di un 3-shot acquisizione ha avuto un forte effetto di filtraggio sulle comparativamente alta frequenza effetti di impulso cardiaco e respirazione. Altre tecniche di riduzione del rumore sono problematici in questo contesto ad alta risoluzione. Ad esempio, i metodi di correzione a posteriori come RETROICOR ⁶ non sono applicabili a multi-shot dati e gating cardiaco introduce rumore e artefatti associati a disturbo della T ₁ equilibrio.

Tempo di eco, T _E = 40 msec, è più lungo tipicamente utilizzati in corteccia (30 msec), perché abbiamo misurato un corrispondente più T ₂ * nel tessuto SC (~ 60 msec) a quelli osservati nella materia grigia corticale (~ 45 msec).

Larghezza di banda di acquisizione è limitata a 62,5 kHz per ridurre il gradiente di picco di corrente che provoca il riscaldamento indesiderato sul nostro scanner. Abbiamo scelto TR = 1 sec, quindi con tre colpi di un volume viene acquisito ogni 3sec.

5. Modellazione strutturale MRI e 3D

In una singola sessione separata per ogni soggetto, si ottiene ad alta risoluzione (0,7 campionamento mm) con un volume di riferimento T _1-pesata sequenza che dà un buon contrasto dei tessuti (3D SPGR, 15 ° angolo di flip, inversione preparato con T = 450 _I msec, 2 eccitazioni, ~ durata 28 minuti, 0,7 mm voxel).

In questo volume di riferimento, si segmento del tessuto del mesencefalo, tronco cerebrale, e porzioni del talamo (Fig. 2A) utilizzando una combinazione di tecniche automatiche e manuali forniti dalla ITK-SNAP applicazione ^2. In particolare, si utilizza uno strumento automatico di segmentazione in cui l'utente semi più punti all'interno di ogni tronco cerebrale, il software poi si espande automaticamente la segmentazione intorno ai punti seme vincolati all'interno di una regione definita da criteri di contrasto e intensità. Questa segmentazione automatica è quindi regolareed, eventualmente, utilizzando manuale "vernice-like", strumenti voxel.

Il fluido cerebro-spinale-tessuto interfaccia della SC viene interpolato dalla segmentazione con superficie tessellation isodensità, e questa superficie iniziale viene raffinata per ridurre gli artefatti di aliasing (Fig. 2, B e D) con una superficie deformabile variazionale algoritmo di ^3. Questa superficie fornisce vertici e esteriori vettori normali per essere utilizzati come riferimento per i calcoli laminari (descritta sotto) così come un mezzo per visualizzare i dati funzionali.

6. Image Analysis

Per analizzare i dati fMRI, si usa il pacchetto software mrVista (disponibile per il download all'indirizzo http://white.stanford.edu/mrvista.php), come pure gli strumenti sviluppati sul quadro mrVista nel nostro laboratorio. Nei passaggi successivi usiamo gli strumenti standard di pacchetti mrVista:

1. Inizializzarela sessione in mrVista, scegliendo l'opzione per normalizzare spazialmente l'intensità dei dati mediati per ridurre gli effetti di disomogeneità bobina. La normalizzazione utilizza un metodo omomorfica, cioè, dividendo da un passa-basso versione filtrata delle intensità di volume temporalmente medi di immagine con una correzione per il rumore additivo robusto stimato. Il ciclo di prima metà di immagini (12 sec) viene eliminato per evitare transitori equilibrio MR e gli effetti emodinamici.
2. Correggere within-run movimento. Il movimento è stimata dalla serie storica dei volumi. Tuttavia, a causa della relativamente basso rapporto segnale-rumore (SNR) delle immagini, abbiamo prima eseguire un 5-campione vagone lisciatura sulla serie temporale. Ogni volume viene quindi registrato il media degli ultimi 5 campioni. Si noti che smoothing viene utilizzato solo per stimare il movimento, ed i dati effettivi non viene lisciata.
3. Formare medie temporali di ogni esecuzione del movimento corretti dati di immagine, e utilizzare queste medie per correggere la tra-run movimento USIng l'ultima corsa come riferimento.
4. Eseguire una fetta di correzione di temporizzazione. Usiamo l'acquisizione sequenziale fetta, in modo da errori dovuti a tempi di eseguire la correzione dopo la correzione del movimento sarà piccola (~ 125 msec).
5. Il multiplo medio piste registrate all'interno di ogni sessione per migliorare SNR.
6. Allineare i dati strutturali della sessione fMRI al volume strutturale di riferimento utilizzando un robusto algoritmo basato su intensità di registrazione ^8. Caricare l'allineamento e la segmentazione in mrVista.
7. Trasformare i dati di serie temporali funzionali al volume di riferimento segmentato. Nei passi seguenti si utilizzano strumenti messi a punto nel nostro laboratorio per eseguire ulteriori analisi.
8. Calcola una mappa distanza calcolando la distanza tra voxel tessuto ciascuno SC ed il suo vertice più vicino sulla superficie SC. Queste distanze vengono utilizzati per misurare la posizione laminare all'interno del volume di riferimento.
9. Eseguire un processo di segmentazione laminare per consentire media profondità del tempo serie dati per migliorare the SNR. Piccoli (1,6 mm di diametro) dischi di tessuto sono associati ad ogni vertice del modello superficie lungo l'intera superficie superficiale SC, e ogni disco viene quindi esteso sia verso l'interno e verso l'esterno dal tessuto SC utilizzando le normali alla superficie locali per formare un quartiere singolo laminare ^4.
10. Per ogni punto della superficie SC, usiamo queste associazioni laminari per mediare la serie temporale in un intervallo di profondità specificato. Dal momento che, i neuroni visivi rispondenti sono principalmente presenti negli strati superficiali della SC, per l'esperimento di stimolazione visiva è stato utilizzato un intervallo di profondità 0-1,8 mm.

7. Mapping analisi topografica

Per analizzare la rappresentazione topografica dei dati, l'analisi coerenza viene eseguita sulla profondità-mediata serie tempo montando una sinusoide a frequenza di ripetizione stimolo (ad esempio, Hz 1/24 per lo stimolo 24 sec descritto sopra) per ciascun voxel. Da questa misura, ricaviamo le mappe superficiali di responsabilitàse l'ampiezza, la coerenza, e la fase. Tale analisi viene effettuata nel dominio della frequenza, ed è una tecnica comune per quantificare mappe retinotopica in corteccia visiva ^9,10.

La fase di adattamento sinusoidale misura la posizione dello stimolo. Fase zero corrisponde all'angolo superiore meridiano verticale (Fig. 3). Lo stimolo poi ruota in senso orario, quindi un π / 2 corrisponde alla fase quando lo stimolo è ruotato al meridiano orizzontale nel campo visivo destra. Dopo radianti ¸ di fase, lo stimolo attraversa nel campo visivo di sinistra, e così via.

Abbiamo anche ottenuto confini l'intera estensione superficiale della SC con l'ispezione manuale ad alta risoluzione T1-pesata anatomia volume. Questi confini sono contrassegnati in Fig. 3 con linee tratteggiate rosse.

fMRI non misura direttamente l'attività neurale, ma piuttosto un flusso ematico risposta che è strettamente accoppiati, ma lentamentel'attività neurale. Questo aggiunge un ritardo alla risposta emodinamica fase. Il ritardo è stimato adottando tutte le voxels sopra la soglia di coerenza da ogni SC regione d'interesse, i loro mezzi e centratura intorno π nel piano complesso. Tra i nostri dati SC, questi ritardi sono piuttosto piccole, dell'ordine di 2-4 sec. Togliamo questo ritardo ruotando la colormap in senso antiorario di 45 gradi (corrispondente a 3 sec) (Fig. 3).

8. Risultati rappresentativi

Fase dati sovrapposti su una superficie 3D della SC (Fig. 3) mostra che la risposta allo stimolo visivo è rappresentato nella controlateralmente, SC cioè, il campo visivo di sinistra è rappresentata sulla destra SC e vice-versa uno.

C'è anche una organizzazione retinotopica dell'attività. Il campo superiore destra visivo è rappresentato medialmente sulla sinistra collicolo (blu-magenta), e il campo inferiore è rappresentato lateralmente (rosso-giallo). SimilArly, a sinistra in alto campo visivo è rappresentato medialmente sulla destra collicolo (blu-ciano) e inferiore è rappresentato lateralmente (verde-giallo).

Questa topografia è coerente con i risultati degli studi sui primati non-umani di risposte SC: 1) alla stimolazione visiva, utilizzando una singola unità di elettrofisiologia, e 2) la mappatura delle microstimolazione movimenti oculari saccadici indotte ^11,12.

Figura 1. Una prescrizione Slice) visualizzate su sagittale immagine. B) media temporale (da 1-run) di immagini funzionali ottenute da fetta centrale segnato in rosso in A).

Figura 2. Polar angolo stimolo topografia. Un cuneo a 90 ° di muoversi e nero puntini bianchi su uno sfondo grigio ruotato lentamente intorno fissazione. Il cuneo è stato suddiviso in una serie di 6 virtùsettori al (linee grigie aggiunto per sottolineare settori) per consentire al soggetto di eseguire un'operazione discriminazione velocità in un settore scelto a caso.

Figura 3. Segmentazione e modellazione di superfici. A) Il mesencefalo, nel tronco encefalico, e porzioni del talamo sono stati segmentati ad alta risoluzione volumi di anatomia MRI. B) Una superficie è stata creata sul bordo della regione segmentata. C)-fit sinusoidale dati di fase visualizzati su una fetta inplane (coerenza> 0,25). D) A e ruotato vista ingrandita del modello superficie tronco è stato utilizzato per visualizzare i dati di fase sulla SC.

Figura 4. Polar-angolo mappe. mappe di fase fMRI in due soggetti che codificano visiva angolo polare. Soglie di coerenza per ogni mappa sono disponibili in basso a destra. La ruota dei colori sovrapposti riguarda le fasi dello stimolo in pangolo OLAR alle loro posizioni del campo visivo.

Discussion

Le nostre tecniche di acquisizione e di analisi dei dati consentono di misurare l'attività neurale in strutture sub-corticali del cervello umano ad alta risoluzione (1,2 mm voxel). Il 3-shot di acquisizione a spirale riduce il rumore fisiologico che è particolarmente dannoso per le misure fMRI in tutto il mesencefalo. Inoltre, la segmentazione laminare del tessuto ci permette di eseguire la profondità media dei dati che contribuiscono a migliorare il SNR. Abbiamo usato questi metodi per mostrare precise mappe topografiche polare angolo di stimolazione visiva e segrete attenzione visiva nell'essere umano SC ^1. La segmentazione laminare permette anche l'analisi dei profili di profondità di attività funzionali che variano sotto controllo sperimentale ^1.

I nostri metodi di imaging aprire nuove strade per la sperimentazione nel campo delle neuroscienze umani strutture subcorticali. Questi metodi possono permettere una traduzione di fine-scala di ricerche effettuate su animali in aree sottocorticali agli esseri umani, ad esempio, indaginegating l'organizzazione delle risposte uditive in strutture come il collicolo inferiore e il nucleo cocleare ^13-15, o le risposte visive e multisensoriale in nuclei del talamo, come pulvinar ^16,17. Infine, queste tecniche in grado di fornire la localizzazione funzionale per piccole strutture, come il nucleo subtalamico e il globo pallido, che spesso sono gli obiettivi per la stimolazione cerebrale profonda nei pazienti con malattia di Parkinson, distonia o di dolore cronico ^18-21.