在本文中,我们描述了在磁性前庭刺激下评估反射性眼球运动、自我运动感知和认知任务的实验设置、材料和程序,以及前庭器官的解剖方向,在 7 特斯拉磁共振断层扫描 (7T-MRT) 扫描仪中。
强磁场由于洛伦兹力作用在半规管中的冲天炉上而诱发头晕、眩晕和眼球震颤,这种效应称为磁前庭刺激 (MVS)。在本文中,我们介绍了7T MRT扫描仪(MRI扫描仪)中的实验装置,该装置可以研究强磁场对眼球震颤以及感知和认知反应的影响。MVS的力量是通过改变参与者的头部位置来操纵的。通过结合3D磁力计和稳态(3D-CISS)图像中的3D相长干涉来评估参与者半规管相对于静态磁场的方向。这种方法可以解释参与者对MVS反应的个体内和个体间差异。将来,MVS可用于临床研究,例如,在前庭疾病的代偿过程调查中。此外,它可以促进对前庭信息与认知过程之间相互作用的见解,即空间认知和相互冲突的感觉信息下自我运动感知的出现。在功能磁共振成像研究中,MVS可以引起可能的混杂效应,特别是在受前庭信息影响的任务或将前庭患者与健康对照进行比较的研究中。
已知强磁场(即高于 1 T)会诱发头晕、眩晕和眼球震颤,这种效应称为磁前庭刺激 (MVS)1,2,3。前庭系统位于内耳,通过三个半规管测量围绕旋转轴(偏航、俯仰和滚动)的加速度,以及沿两个黄斑器官、椭圆囊和囊4的平移轴(鼻枕、耳间和头部垂直)的加速度(见图1A)。MVS效应的出现可以通过离子电流诱导的洛伦兹力作用在前庭系统半规管的冲天炉上来解释1,2。
MVS的效果随着场强的提高而增加3,5。刺激是由两种不同的成分引起的。首先,通过MRI扫描仪的B0场将参与者移动到孔中会产生动态磁场,从而引发作用在冲天炉上的洛伦兹力。其次,参与者在实验过程中躺在MRI扫描仪中不动的静态磁场也会导致恒定的洛伦兹力。因此,在使用MRI扫描仪的所有实验中,参与者的前庭系统不断受到静态磁场的刺激。这包括所有功能磁共振成像研究,尤其是超高磁场(> 3 T)的研究。
眼球震颤是通过移动或移动以及在强磁场中静静静止引起的。与运动相关的力会导致强烈的眼球震颤,几分钟后会衰减6。在静磁场下诱发的眼球震颤较弱,并随着时间的推移逐渐减少,但在暴露期间不会完全消失。眼球震颤的方向取决于磁场的极性,并在退出磁场时反转6,7,8。MVS 主要作用于水平和上管,导致反射性眼球运动,即主要是水平和扭转性眼球震颤,其次是垂直眼球震颤9。在双侧前庭患者中,不能观察到眼球震颤1,而在单侧前庭患者中,存在更明显的垂直眼球震颤成分10。由于眼球震颤是不自主的,因此它是衡量前庭刺激强度的合适指标。眼球震颤可以通过视觉固定来抑制;因此,必须在完全黑暗的情况下评估眼球运动。
参与者在移入或移出孔时经常描述非真实的自我运动感知、头晕和眩晕,尤其是在 3 T 以上的场强时。自运动的感知大多被描述为滚动中的旋转,在较小程度上,在偏航和俯仰平面7 中旋转(见 图1A)。虽然眼球震颤在暴露期间持续存在,但自我运动感知通常在 1-3 分钟后消失7.MVS的恒定部分本身是一种有趣的刺激,因为它允许延长前庭输入,而不伴有意识的自我运动感知。
从使用热量或电前庭刺激、被动运动或微重力的研究中,已知前庭信息可以影响空间任务的表现11,12 及其神经相关性13.据报道,在强磁场内移动或移动会影响认知能力14,15。一项研究发现,由于非真实的自我运动感知,MVS 可能导致现实化症状16.然而,调查在磁场中静息的影响的研究并没有显示出关于神经心理学任务的结论性结果,除了视觉准确性的重复恶化17,18,19,20。最近,第一个证据表明MVS可以通过诱导类似忽视的偏见来改变空间注意力21。这就提出了一个问题,即MVS是否会影响测量更高认知功能的行为任务的表现。例如,目前尚不清楚MVS在多大程度上影响空间推理,即心理化物体和自己身体旋转的能力。
分析静息状态活动的神经影像学研究表明,MVS可以诱导默认模式网络3,22的变化,这可以通过前庭器官相对于磁场方向23的受试者特异性解剖方向来解释。关于功能磁共振成像实验,在研究设计中必须仔细考虑MVS的影响。此外,MVS可能会干扰fMRI实验中使用的电或前庭刺激。在比较具有完整和功能失调的前庭系统的参与者的神经影像学研究中,它可能是一个混杂因素,因为双侧前庭患者没有MVS的影响1。
为了评估MVS的效果并比较参与者体内MVS的不同强度,我们在这里描述了一种实验和技术设置,用于测量眼球震颤,自我运动感知,认知表现以及7 T MRI扫描仪内运河的解剖位置(见 图2)。所描述的设置可以调整并用于实验,以专门研究MVS下的前庭和高级认知功能,或评估和控制MVS在fMRI研究中可能的混杂效应。
有趣的是,MVS的强度可以通过改变头部位置来调节,因此,改变前庭终末器官相对于磁场方向的方向。大多数参与者可以通过将头部向前倾斜到身体(下巴到胸部)来减少MVS的影响1,24。因此,改变俯仰轴上的头部位置可以比较不同刺激强度下可测量的MVS效应。
在这个过程中,通过比较两个头部位置之间的测量值,在参与者体内操纵MVS的强度(见 图1B)。在应该引起更强MVS的条件下,参与者仰卧在扫描仪中,与Reid平面的地球垂直方向大致相同(仰卧位置)。在应该引起较弱MVS的条件下,参与者的头部向前倾斜约30°(倾斜位置)。理论上可以将仰卧位与不存在眼球震颤的零位进行比较1.然而,每个参与者对零位置所需的俯仰倾斜度是不同的,并且确定起来非常耗时,因为这需要多次重新定位并将参与者移入和移出扫描仪以测试位置。对于大多数研究设计来说,这可能不可行。仰卧和倾斜的两个头部位置允许比较不同的测量方法,例如,参与者之间和参与者内部任务中的自我运动感知或表现。
图 1:磁场中头部位置 的轴和平面。 (A) 头部的头部垂直 (HV)、耳间 (IA) 和鼻枕轴 (NO)。当参与者仰卧位躺在孔内时,磁场(B0)的方向与头部垂直轴(HV)对齐31。(B)实验过程中的两个头部位置,已知仰卧位置(直卧)在大多数参与者中比倾斜位置(头部在俯仰平面上向上倾斜约30°)引起更强的MVS。 请点击此处查看此图的大图。
为了确定在没有成像的情况下在实验运行期间前庭器官是如何定向的,我们将3D磁力计连接到参与者的头部,并测量了探头相对于磁场Z轴的方向(图3B)。使用高分辨率解剖学3D-CISS序列评估磁场中前庭器官的方向。在图像采集过程中,磁力计被水移液管取代(图3D)。这允许提取磁力计相对于磁场Z轴方向的方向,并将其与内耳结构对齐。然后,我们可以在整个实验过程中得出有关前庭器官方向的结论。
用适合MRI的护目镜跟踪眼球震颤(图3C)。MVS 不仅引起水平,有时还引起垂直,还引起扭转性眼球震颤;因此,建议使用能够跟踪扭转眼球运动的软件9,25。
可以在感知7 期间(进入和离开钻孔时)和自我运动感知消失后(例如,通过问卷)评估自我运动感知。很好地指导参与者很重要,因为口头报告非真实的自我运动对参与者来说通常很困难。我们在协议中指出可以测量自我运动感知和认知表现的地方,但没有指定任务或问卷,因为它们强烈依赖于研究问题。然而,我们提供了示例问卷和范式26.
图 2:实验的技术设置。 请点击此处查看此图的大图。
总之,MVS可用于研究前庭刺激对眼球震颤,知觉和认知过程的影响,以及研究前庭功能障碍患者的习惯化过程。在整个暴露于磁场的过程中,静态磁场对冲天炉的影响保持不变。由于这模拟了恒定的旋转加速度,MVS是一种有趣且合适的方法来研究前庭功能及其对感知和认知的影响27,28。它可用于专门解决有关前庭信息对高级认知功能(如空间推理)影响的研究问题。它可作为前庭系统单侧衰竭的合适非侵入性模型,从而能够研究前庭患者可能出现的代偿过程28。此外,在功能磁共振成像研究中考虑MVS的混杂效应很重要,因为行为和神经相关性可以通过前庭刺激改变,并且在强静电磁场中研究前庭患者时也会干扰。
报告的设置适用于研究MVS对眼球震颤,自我运动感知和认知任务表现的影响的各个方面。结合诱发MVS反应的测量可以给出一些见解,例如大脑如何处理相互冲突的前庭信息,并显示前庭信息如何影响个体间和体内水平的感知和认知过程。与其他前庭刺激方法(如旋转椅)相比,MVS引起恒定的加速刺激,使其适用于更持久的行为研究,并用作单侧衰竭的非侵入性模型8,28。因此,这种方法可以从空间认知和冲突的感觉信息下自我运动感知的出现的角度,为前庭信息与认知过程之间的相互作用提供见解。将来,MVS的使用可以在临床研究中利用,例如,研究暴露于MVS期间对前庭失衡的急性期早期补偿。然后,这些发现可能与前庭病变后的代偿机制有关。将参与者与正常和功能失调的前庭器官进行比较可以促进有关前庭患者对改变传入的前庭信息的适应过程的知识。
所描述的程序包括在 7 T MRI 扫描仪中安全准确地采集数据的关键步骤。首先,MRI环境带来了一些困难。实验设置必须是MRI安全的,与非MRI设置相比,这可能需要改变眼动追踪护目镜或电缆连接。这可能会导致数据质量下降。此外,参与者必须符合MRI纳入标准,并应容忍该过程的不便(例如,在MRI扫描仪中躺几分钟时倾斜头部)。其次,扫描仪中的眼动追踪,特别是扭转性眼球震颤的获取,是困难的,需要专门的软件25。对于扭转,虹膜的图案用于跟踪,这需要高质量的图像,并且还受到单个虹膜图案差异的影响。另一种方法是在巩膜3上使用人造色素标记物,这对参与者来说可能是不愉快的。第三,MVS引起的自我运动感知是非真实的,因此意味着前庭内和多感官冲突28。因此,这些头部和/或身体旋转和翻译经历的言语化通常很难为参与者描述。适应研究问题的明确说明至关重要。我们建议使用参与者可以与之相关的众所周知的轮换和翻译术语,从而使他们能够更好地描述他们的感知体验。为了评估特定的运动参数,可以使用更细粒度的方法,例如旋转速度随时间变化的额定值7。
所呈现的设置受到我们设备的技术限制,如果可以克服这些限制,可以改进。例如,为了评估孔内的静态和动态头部位置,磁力计数据还可以与眼动追踪和行为数据同步。如果在每次运行前重复校准护目镜会更好。此外,眼动追踪电缆的长度也很重要,因为这决定了是否可以在扫描室外测量自发性眼球震颤。最好的解决方案是可拆卸的MRI床,它可以移动到磁场之外。但是,眼动追踪计算机屏幕必须从扫描仪室内看到,以便在使用护目镜的同时对眼动追踪参数进行校准和微调。在我们的例子中,我们通过向扫描仪室窗口旋转的第二个屏幕解决了这个问题。
MVS可能会影响功能磁共振成像研究中的性能和大脑反应。在比较前庭患者与健康对照组的研究中,MVS可能导致群体差异,因为刺激强度的差异而不是其他患者特征。为了控制混杂的MVS效果,当前的设置在时间和财务(设备)上都是一个耗时的过程。或者,将头部向上倾斜小角度7,23(在头部线圈允许的范围内)或评估协变量,例如如上所述的MRI前庭器官的方向23,30和/或眼球震颤(例如,最近基于fMRI的眼动追踪方法32)可能是有用的。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢参与者和MR团队,以及审稿人,他们的宝贵意见提高了稿件的质量。我们感谢D. S. Zee的宝贵建议。我们很感激DIATEC AG为实验提供了一台眼动追踪笔记本电脑。该项目得到了伯尔尼大学授予FWM和GM的SITEM-Insel支持赠款的支持。
3D Magnetometer | Metrolab Technology, Switzerland | THM1176-HF | Calibrated for 7 Tesla, with fibre optic cable, CE-labelled |
AMIRA 6.3 (Software) | Thermo Fisher Scientific, USA | Medical image processing and visualization software | |
Celeritas Fiber Optic Response Box Unit | Psychology Software Tools | Response box | |
Celeritas Fiber Optic Response Unit | Psychology Software Tools | PST-100761 | Response buttons, 5 buttons for each hand |
Ear plugs | |||
EEG cap | Any MRI safe EEG cap is suitable | ||
Elastic band | Used to fixate the Magnetometer behind the ear | ||
Ethernet cable (crossover) | Daetwyler | Uninet 5502 flex 4P FRNC/LSOH 522830.01 | |
Ethernet cable adapter | TP-Link | UE305 | |
Experimental laptop | Computer with enough performance, with Response Buttons software (e.g. Celeritas), software for running paradigm (e.g. MATLAB, PsychToolBox), Ethernet cable link to eye-tracking computer | ||
Eye-tracking Goggles (Visual Eyes) | Interacoustics | 515b | Micromedical goggles with infrared camera: Point Grey Firefly, CE-labelled, modified for 7 Tesla, shielded firewire cable |
Eye-tracking laptop | Computer with enough performance, with eye-tracking software (e.g. OpenIris), Ethernet cable link to experimental computer | ||
Headband | MRI safe headband | ||
Magnetom Terra 7T MRI Scanner | Siemens Healthcare, Erlangen Germany | Located at Translational Imaging Center (TIC) in the Swiss Institute of Translational and Entrepreneurial Medicine (sitem-insel AG) in Bern, Switzerland | |
Magnetometer laptop | Computer with enough performance, with magnetometer software (e.g. EZMag3D) | ||
MATLAB R2017b (Software) | MathWorks | Experimental paradigm can be run e.g. with PsychToolBox (Brainard, D. H., & Vision, S. (1997). The psychophysics toolbox. Spatial vision, 10(4), 433-436.) | |
Metrolab EZMag3D v1.1.2 (Software) | Metrolab Technology, Switzerland | 3D magnetometer software: https://www.metrolab.com/resources/downloads/ | |
MRI-Mirror | Siemens Healthcare, Erlangen Germany | ||
OpenIris (Software) | Software to record and analyse the eye movements within the MRI-scanner. Reference: Otero-Millan, J., Roberts, D.C., Lasker, A., Zee, D.S., Kheradmand, A. Knowing what the brain is seeing in three dimensions: A novel, noninvasive, sensitive, accurate, and low-noise technique for measuring ocular torsion. Journal of Vision. 15 (14), 11, doi: 10.1167/15.14.11 (2015). | ||
Pregnancy test | e.g. early pregnancy test stripes (10 mIU/mL) | ||
Projector system | Hyperion Psychology Tools | ||
Triangle Cushion | Siemens Healthcare, Erlangen Germany |