Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) du cortex visuel avec stimulation rétinotopique à grand angle
Summary
Nous avons développé des techniques pour cartographier la fonction du cortex visuel en utilisant une plus grande partie du champ visuel que ce qui est couramment utilisé. Cette approche a le potentiel d’améliorer l’évaluation des troubles de la vision et des maladies oculaires.
Abstract
L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) à haute résolution dépendant du niveau d’oxygénation du sang rétinotopique (BOLD) avec une présentation large peut être utilisée pour cartographier fonctionnellement le cortex visuel périphérique et central. Cette méthode de mesure des changements fonctionnels du cerveau visuel permet de cartographier fonctionnellement le lobe occipital, stimulant >100° (±50°) ou plus du champ visuel, par rapport aux configurations de présentation visuelle IRMf standard qui couvrent généralement <30° du champ visuel. Un simple système de stimulation à grand champ de vision pour l’IRMf BOLD peut être mis en place à l’aide de projecteurs compatibles IRM courants en plaçant un grand miroir ou un écran près du visage du sujet et en utilisant uniquement la moitié postérieure d’une bobine de tête standard pour fournir un grand angle de vision sans obstruer sa vision. La carte IRMf rétinotopique à large vue peut ensuite être imagée à l’aide de différents paradigmes de stimulation rétinopique, et les données peuvent être analysées pour déterminer l’activité fonctionnelle des régions corticales visuelles correspondant à la vision centrale et périphérique. Cette méthode fournit un système de présentation visuelle pratique et facile à mettre en œuvre qui peut être utilisé pour évaluer les changements dans le cortex visuel périphérique et central dus à des maladies oculaires telles que le glaucome et la perte de vision qui peut les accompagner.
Introduction
L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une méthode précieuse pour évaluer les changements dans la fonction neurovasculaire régionale dans le cortex visuel en réponse à des stimuli, car les changements dans le flux sanguin régional sont corrélés à l’activation des régions cérébrales 1,2. Les mesures de signal BOLD (Ticinotopic Bloodation Level Dependent Level-Gradation) à haute résolution représentent les changements dans la désoxyhémoglobine, qui sont entraînés par des changements localisés dans le flux sanguin et l’oxygénation du sang dans le cerveau 1,2. Les modèles d’activité BOLD collectés à partir des données d’IRMf peuvent être utilisés pour cartographier fonctionnellement le cortex visuel périphérique et central, ainsi que pour détecter les changements dans la carte rétinotopique en réponse à une déficience visuelle et à la neurodégénérescence3.
La plupart des études d’IRMf antérieures utilisaient des stimuli non rétinopiques à vue étroite (environ ±12° du champ visuel central) ou des stimuli rétinotopiques simples avec des stimuli visuels à vision étroite, ce qui a fourni une parcellisation fonctionnelle limitée de la représentation rétinotopique dans le cortex visuel et une évaluation limitée au champ visuel central, à l’exclusion de la périphérie3. Par conséquent, les données d’IRMf à vision étroite ont rapporté des changements de pourcentage BOLD incohérents chez les patients atteints de glaucome 4,5,6. Il est donc nécessaire d’améliorer les approches d’IRMf pour évaluer le champ visuel périphérique et central, en particulier dans l’évaluation de maladies telles que le glaucome.
Le glaucome est la première cause de cécité irréversible, touchant 10 % des personnes à l’âge de 80 ans7. Le glaucome est causé par la neurodégénérescence progressive et irréversible des cellules ganglionnaires de la rétine, qui sont responsables de la transmission des stimuli visuels au cerveau par le nerf optique. Dans le glaucome primitif à angle ouvert (GAPO), la forme la plus courante de glaucome, l’augmentation de la pression intraoculaire provoque un amincissement de la couche de fibres nerveuses rétiniennes (RNFL), entraînant une perte de la vision périphérique suivie d’une cécité périphérique et centrale 8,9,10,11. Les preuves histologiques provenant d’études animales suggèrent que le glaucome entraîne en outre une neurodégénérescence progressive du nerf optique, du tractus optique, du noyau géniculé latéral, du rayonnement optique et du cortex visuel12,13. La technologie IRM offre une méthode peu invasive d’évaluation de l’oxygénation du sang et de la neurodégénérescence dans le cortex visuel. Chez les patients atteints de glaucome, l’IRM a mis en évidence une atrophie de la matière grise dans la voie visuelle 13,14,15,16 et une substance blanche anormale dans le chiasma optique, le tractus optique et le rayonnement optique 1,17,18.
Pour explorer davantage les effets sur le traitement visuel, l’IRMf peut être utilisée pour détecter la fonction cérébrale en réponse à des signaux visuels. Le présent protocole décrit une nouvelle méthode permettant d’obtenir une carte rétinotopique à faible coût et à large champ de vision à l’aide d’une IRMf de rétinotopie à haute résolution avec des stimuli à grand champ (>100°), comme décrit par Zhou et al3. Des stimuli visuels d’anneaux en expansion et de coins rotatifs ont été utilisés pour obtenir une cartographie rétinotopique de l’excentricité et de l’angle polaire pour l’IRMf. Les changements en pourcentage de l’IRMf BOLD ont été analysés en fonction de l’excentricité pour évaluer la fonction cérébrale, correspondant à la fois à la vision centrale et périphérique. Le changement de pourcentage d’IRMf BOLD peut être utilisé pour visualiser l’activation dans tout le cortex visuel. Ces mesures d’IRMf fournissent une nouvelle méthode fiable pour évaluer les changements neurodégénératifs et leurs effets fonctionnels sur le cortex visuel trouvés dans les maladies oculaires impliquant des défauts du champ visuel, tels que le glaucome.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole ci-dessus pour l’utilisation de l’IRMf rétinotopique à large champ de vision est une méthode innovante pour évaluer les effets de la perte de vision et des maladies oculaires sur le cerveau. Grâce à une cartographie rétinotopique à champ large du cortex visuel avec l’utilisation d’un écran à vision plus large, cette approche permet une compréhension plus complète de l’organisation fonctionnelle du système visuel. Cela pourrait conduire à une meilleure compréhension des anomalies du s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health [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).
