I denne artikel beskriver vi den eksperimentelle opsætning, materiale og procedurer til vurdering af refleksive øjenbevægelser, selvbevægelsesopfattelse og kognitive opgaver under magnetisk vestibulær stimulering samt de vestibulære organers anatomiske orientering i en 7 Tesla magnetisk resonanstomografi (7T-MRT) scanner.
Stærke magnetfelter fremkalder svimmelhed, svimmelhed og nystagmus på grund af Lorentz-kræfter, der virker på kuplen i de halvcirkelformede kanaler, en effekt kaldet magnetisk vestibulær stimulering (MVS). I denne artikel præsenterer vi en eksperimentel opsætning i en 7T MRT-scanner (MR-scanner), der gør det muligt at undersøge indflydelsen af stærke magnetfelter på nystagmus såvel som perceptuelle og kognitive reaktioner. MVS’ styrke manipuleres ved at ændre deltagernes hovedpositioner. Orienteringen af deltagernes halvcirkelformede kanaler i forhold til det statiske magnetfelt vurderes ved at kombinere et 3D-magnetometer og 3D-konstruktiv interferens i steady-state (3D-CISS) billeder. Denne tilgang gør det muligt at tage højde for intra- og interindividuelle forskelle i deltagernes svar på MVS. I fremtiden kan MVS være nyttigt til klinisk forskning, for eksempel i undersøgelsen af kompenserende processer i vestibulære lidelser. Desuden kunne det fremme indsigt i samspillet mellem vestibulær information og kognitive processer med hensyn til rumlig kognition og fremkomsten af selvbevægelsesopfattelser under modstridende sensorisk information. I fMRI-studier kan MVS fremkalde en mulig forvirrende effekt, især i opgaver påvirket af vestibulær information eller i undersøgelser, der sammenligner vestibulære patienter med raske kontroller.
Stærke magnetfelter, dvs. over 1 T, er kendt for at fremkalde svimmelhed, svimmelhed og nystagmus, en effekt kaldet magnetisk vestibulær stimulering (MVS)1,2,3. Det vestibulære system er placeret i det indre øre og måler acceleration omkring rotationsakser (yaw, pitch og roll) med tre halvcirkelformede kanaler og acceleration langs translationelle akser (naso-occipital, inter-aural og head-vertical) med to makulaorganer, utricle og saccule4 (se figur 1A). Fremkomsten af MVS-effekten kan forklares ved en ionisk strøminduceret Lorentz-kraft, der virker på kuplen i de halvcirkelformede kanaler i det vestibulære system 1,2.
Effekten af MVS øges med højere feltstyrker 3,5. Stimuleringen er forårsaget af to forskellige komponenter. For det første resulterer flytning af deltageren i boringen gennem MR-scannerens B0-felt i et dynamisk magnetfelt, der fremkalder Lorentz-kræfter, der virker på kuplen. For det andet forårsager MR-scannerens statiske magnetfelt, hvor deltagerne ligger uden bevægelse under eksperimenterne, også en konstant Lorentz-kraft. I alle eksperimenter med MR-scannere stimuleres deltagerens vestibulære system således konstant af det statiske magnetfelt. Dette omfatter alle fMRI-undersøgelser, især dem i ultrahøje magnetfelter (> 3 T).
Nystagmus fremkaldes ved at blive flyttet eller bevæge sig, såvel som ved at hvile statisk i et stærkt magnetfelt. De bevægelsesrelaterede kræfter forårsager stærk nystagmus, som henfalder efter et par minutter6. Nystagmusen fremkaldt under statiske magnetfelter er svagere og falder gradvist over tid, men forsvinder ikke helt under eksponering. Nystagmusens retning afhænger af magnetfeltets polaritet og vender ved tilbagetrækning fra magnetfeltet 6,7,8. MVS virker overvejende på de vandrette og overlegne kanaler, hvilket resulterer i refleksive øjenbevægelser, dvs. for det meste vandret og torsionsnystagmus og i mindre grad lodret nystagmus9. Hos bilaterale vestibulære patienter kan der ikke observeres nystagmus1, og hos ensidige vestibulære patienter er mere udtalte lodrette nystagmuskomponenter til stede10. Da nystagmusen er ufrivillig, er det et velegnet mål for styrken af den vestibulære stimulering. Nystagmus kan undertrykkes ved visuel fiksering; Derfor skal øjenbevægelser vurderes i fuldstændig mørke.
Ikke-veridisk selvbevægelsesopfattelse, svimmelhed og svimmelhed beskrives ofte af deltagerne, mens de flyttes ind eller ud af boringen, især i feltstyrker over 3 T. Opfattelsen af selvbevægelse er for det meste blevet beskrevet som rotationer i rulle og i mindre grad i krøje- og pitchplan7 (se figur 1A). Mens nystagmus fortsætter over eksponeringens længde, forsvinder selvbevægelsesopfattelsen normalt efter 1-3 min7. Den konstante del af MVS er i sig selv en interessant stimulering, da den giver mulighed for langvarig vestibulær input, der ikke ledsages af bevidst selvbevægelsesopfattelse.
Fra undersøgelser ved hjælp af kalorisk eller galvanisk vestibulær stimulering, passiv bevægelse eller mikrogravitation er det kendt, at vestibulær information kan påvirke ydeevnen i rumlige opgaver 11,12 og dens neurale korrelater13. At blive flyttet eller bevæge sig inde i stærke magnetfelter er blevet rapporteret at påvirke kognitiv præstation14,15. En undersøgelse viste, at MVS muligvis kunne føre til symptomer på derealisering på grund af ikke-veridisk selvbevægelsesopfattelse16. Undersøgelser, der undersøger indflydelsen af at hvile statisk i magnetfelter, har imidlertid ikke vist afgørende resultater vedrørende neuropsykologiske opgaver, bortset fra en replikeret forringelse af visuel nøjagtighed17,18,19,20. For nylig er de første beviser blevet fundet, at MVS kan ændre rumlig opmærksomhed ved at fremkalde en forsømmelseslignende bias21. Dette rejser spørgsmålet om, hvorvidt MVS kan påvirke ydeevnen i adfærdsmæssige opgaver, der måler højere kognitive funktioner. For eksempel er det uklart, i hvilket omfang MVS påvirker rumlig ræsonnement, dvs. evnen til at mentalisere objekter og egenkropsrotationer.
Neuroimaging undersøgelser, der analyserer hviletilstandsaktivitet, har vist, at MVS kan fremkalde ændringer i standardtilstandsnetværk3,22, hvilket kan forklares ved fagspecifik anatomisk orientering af de vestibulære organer i forhold til magnetfeltretningen23. Med hensyn til fMRI-forsøg skal virkningerne af MVS overvejes nøje i designet af undersøgelsen. Desuden kan MVS interferere med galvanisk eller vestibulær stimulering anvendt i fMRI-eksperimenter. Det kunne fungere som en confounder i neuroimaging undersøgelser, der sammenligner deltagere med intakte og dysfunktionelle vestibulære systemer, da virkningerne af MVS er fraværende hos bilaterale vestibulære patienter1.
For at vurdere virkningerne af MVS og sammenligne forskellige styrker af MVS hos deltagerne, beskriver vi her et eksperimentelt og teknisk setup til måling af nystagmus, selvbevægelsesopfattelse, kognitiv præstation og kanalernes anatomiske position inde i en 7 T MR-scanner (se figur 2). Den beskrevne opsætning kan tilpasses og bruges til eksperimenter til specifikt at undersøge vestibulære og højere kognitive funktioner under MVS eller til at vurdere og kontrollere for de mulige confounding effekter af MVS i fMRI-studier.
Interessant nok kan styrken af MVS moduleres ved at ændre hovedpositionen og derfor ændre orienteringen af de vestibulære endeorganer i forhold til magnetfeltets retning. Effekten af MVS kan reduceres hos de fleste deltagere ved at vippe hovedet fremad mod kroppen (hage mod bryst)1,24. Ændring af hovedpositionen i stigningsaksen muliggør således sammenligning af målbare MVS-effekter under forskellige stimuleringsstyrker.
I denne procedure blev styrken af MVS manipuleret hos deltagerne ved at sammenligne målinger mellem to hovedpositioner (se figur 1B). I den tilstand, der skulle fremkalde stærkere MVS, lå deltageren liggende liggende i scanneren med en omtrent jordlodret orientering af Reids plan (liggende position). I den tilstand, der skulle fremkalde svagere MVS, blev deltagerens hoved vippet ca. 30° i hældning fremad (vippet position). Det er teoretisk muligt at sammenligne den liggende position med en nulposition, hvor der ikke er nystagmustil stede 1. Den krævede pitchhældning for null-positionen er dog forskellig for hver deltager og tidskrævende at bestemme, da dette kræver flere tilfælde af omplacering og flytning af deltageren ind og ud af scanneren for at teste positionen. Dette er muligvis ikke muligt for de fleste undersøgelsesdesign. De to hovedpositioner, liggende og vippede, giver mulighed for at sammenligne forskellige mål, f.eks. selvbevægelsesopfattelse eller præstation i opgaver mellem og inden for deltagerne.
Figur 1: Akser og planer for hovedets position i magnetfeltet . (A) Hoved-lodret (HV), inter-aural (IA) og naso-occipital (NO) akse af hovedet. Magnetfeltets retning (B0) flugter med hovedets lodrette akse (HV), når deltagerne ligger inde i boringen i liggende stilling31. (B) De to hovedpositioner under eksperimentet, hvor liggende stilling (liggende lige) vides at fremkalde stærkere MVS hos de fleste deltagere end den vippede position (hovedet vippes opad i stigningsplanet ved ca. 30°). Klik her for at se en større version af denne figur.
For at bestemme, hvordan de vestibulære organer blev orienteret under de eksperimentelle kørsler uden billeddannelse, fastgjorde vi et 3D-magnetometer til deltagernes hoveder og målte sondens orientering i forhold til magnetfeltets Z-akse (figur 3B). Orienteringen af de vestibulære organer i magnetfeltet blev vurderet med en anatomisk 3D-CISS sekvens med høj opløsning. Under billedoptagelse blev magnetometeret udskiftet med en vandpipette (figur 3D). Dette gjorde det muligt at ekstrahere magnetometerets orientering i forhold til retningen af magnetfeltets Z-akse og justere det til de indre ørestrukturer. Vi kan derefter drage konklusioner om orienteringen af de vestibulære organer i hele eksperimentets varighed.
Nystagmus blev sporet med MR-egnede beskyttelsesbriller (figur 3C). MVS fremkalder ikke kun vandret og undertiden lodret, men også torsionsnystagmus; Derfor anbefales det at bruge software, der også muliggør sporing af torsionsøjenbevægelser 9,25.
Selvbevægelsesopfattelser kan vurderes under opfattelse7 (mens de går ind og ud af boringen) og efter at selvbevægelsesopfattelserne forsvinder, f.eks. med spørgeskemaer. Det er vigtigt at instruere deltagerne godt, da mundtlig rapportering af ikke-veridisk selvbevægelse ofte er vanskelig for deltagerne. Vi angiver i protokollen, hvor selvbevægelsesopfattelsen og kognitiv præstation kan måles, men specificerer ikke opgaverne eller spørgeskemaerne, da de stærkt afhænger af forskningsspørgsmålet. Vi giver dog eksempler på spørgeskemaer og paradigmer26.
Figur 2: Teknisk opsætning af eksperimentet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Sammenfattende kan MVS bruges til at undersøge indflydelsen af vestibulær stimulering på nystagmus, opfattelse og kognitive processer samt til at studere tilvænningsprocesser hos patienter med vestibulær dysfunktion. Effekten af det statiske magnetfelt på kuplen forbliver konstant under hele eksponeringen for magnetfeltet. Da dette simulerer en konstant rotationsacceleration, er MVS en interessant og velegnet metode til at undersøge vestibulær funktion og dens indflydelse på opfattelse og kognition27,28. Det kan bruges til specifikt at behandle forskningsspørgsmål vedrørende indflydelsen af vestibulær information på højere kognitive funktioner, såsom rumlig ræsonnement. Det tjener som en passende ikke-invasiv model for ensidig svigt i det vestibulære system, som muliggør undersøgelse af kompenserende processer, der kan opstå hos vestibulære patienter28. Desuden er det vigtigt at overveje de forvirrende virkninger af MVS i fMRI-studier, da adfærdsmæssige og neurale korrelater kan ændres ved vestibulær stimulering og også interferere, når man undersøger vestibulære patienter i et stærkt statisk magnetfelt.
Den rapporterede opsætning er velegnet til at undersøge forskellige aspekter af MVS-effekter på nystagmus, selvbevægelsesopfattelse og ydeevne i kognitive opgaver. Ved at kombinere målingerne af det fremkaldte MVS-svar kan det give indsigt i, hvordan hjernen behandler modstridende vestibulær information og vise, hvordan vestibulær information påvirker perceptuelle og kognitive processer på inter- og intra-individuelt niveau. I modsætning til andre vestibulære stimuleringsmetoder, såsom rotationsstole, fremkalder MVS en konstant accelerationsstimulus, hvilket gør den velegnet til længerevarende adfærdsstudier og anvendelse som en ikke-invasiv model for ensidig fiasko 8,28. Derfor kunne denne tilgang give indsigt i samspillet mellem vestibulær information og kognitive processer med hensyn til rumlig kognition og fremkomsten af selvbevægelsesopfattelser under modstridende sensorisk information. I fremtiden kan brugen af MVS udnyttes i klinisk forskning, for eksempel til at undersøge akut stadium tidlig kompensation for vestibulær ubalance under eksponering for MVS. Disse fund kunne derefter forbindes med kompensationsmekanismer efter vestibulære læsioner. Sammenligningen af deltagere med normale og dysfunktionelle vestibulære organer kunne fremme viden om tilpasningsprocesser hos vestibulære patienter til den ændrede indgående vestibulære information.
Den beskrevne procedure omfatter kritiske trin for sikker og nøjagtig dataindsamling i en 7 T MR-scanner. For det første udgør MR-miljøet flere vanskeligheder. Den eksperimentelle opsætning skal være MR-sikker, hvilket kan kræve ændringer i øjensporingsbrillerne eller kabelforbindelserne sammenlignet med en ikke-MR-opsætning. Dette kan føre til kompromiser i datakvaliteten. Deltagerne skal også opfylde MR-inklusionskriterierne og skal tolerere ulejligheden ved processen (f.eks. vippe hovedet, mens de ligger i MR-scanneren i flere minutter). For det andet er øjensporing i scanneren, især erhvervelsen af torsionsnystagmus, vanskelig og kræver specialiseret software25. Til torsion bruges irismønsteret til sporing, hvilket kræver billeder af høj kvalitet og påvirkes også af forskelle i individuelle irismønstre. En anden tilgang kunne være at bruge kunstige pigmentmarkører på sclera3, hvilket kan være ubehageligt for deltageren. For det tredje er opfattelser af selvbevægelse på grund af MVS ikke-veridiske og indebærer således intravestibulære såvel som multisensoriske konflikter28. Derfor er verbaliseringen af disse hoved- og/eller kropsrotations- og oversættelsesoplevelser ofte vanskelige at beskrive for deltagerne. Klare instruktioner, der er tilpasset forskningsspørgsmålet, er af afgørende betydning. Vi anbefaler at bruge velkendte rotations- og oversættelsestermer, som deltagerne kan forholde sig til, så de bedre kan beskrive deres perceptuelle oplevelse. Til vurdering af specifikke bevægelsesparametre kan mere finkornede metoder anvendes, såsom vurderinger af rotationshastighed over tid7.
Den præsenterede opsætning er begrænset af de tekniske begrænsninger i vores udstyr og kunne forbedres, hvis disse kunne overvindes. For eksempel for at vurdere ikke kun statisk, men også dynamisk hovedposition inde i boringen, kunne magnetometerdataene også synkroniseres med øjensporing og adfærdsdata. Kalibreringen af beskyttelsesbrillerne ville være bedre, hvis den blev gentaget før hvert løb. Også længden af eye-tracking-kablet er vigtig, da dette definerer, om spontan nystagmus kan måles uden for scannerrummet. Den bedste løsning ville være en aftagelig MR-seng, som kan flyttes uden for magnetfeltet. Eye-tracking-computerskærmen skal dog ses inde fra scannerrummet for at muliggøre kalibrering og finjustering af eye-tracking-parametrene, samtidig med at der er adgang til beskyttelsesbrillerne. I vores tilfælde løste vi det via en anden skærm roteret mod scannerrumvinduet.
MVS kan påvirke ydeevne og hjernerespons i fMRI-studier. I undersøgelser, der sammenlignede vestibulære patienter med raske kontroller, kunne MVS føre til gruppeforskelle på grund af en forskel i stimuleringsstyrke i stedet for andre patientkarakteristika. Med henblik på at kontrollere forvirrende MVS-effekter er den nuværende opsætning en tidskrævende proces både tidsmæssigt og økonomisk (udstyr). Alternativt kan det være nyttigt at vippe hovedet opad i små vinkler7,23 (i det omfang hovedspolen tillader det) eller vurdere kovariater, såsom orienteringen af de vestibulære organer med MR som beskrevet ovenfor23,30 og / eller nystagmus (f.eks. Nylige fMRI-baserede eye-tracking-tilgange 32).
The authors have nothing to disclose.
Vi takker deltagerne og MR-teamet samt korrekturlæserne, hvis værdifulde kommentarer forbedrede manuskriptets kvalitet. Vi takker D. S. Zee for hans værdifulde råd. Vi er taknemmelige for, at DIATEC AG leverede en eye-tracking bærbar computer til eksperimentet. Projektet er støttet af et SITEM-Insel-støttetilskud fra universitetet i Bern tildelt FWM og GM.
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 |