Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) av synbarken med vidvinkelretinotopisk stimulering

Summary

Vi har utvecklat tekniker för att kartlägga synbarkens funktion genom att utnyttja mer av synfältet än vad som vanligtvis används. Detta tillvägagångssätt har potential att förbättra utvärderingen av synstörningar och ögonsjukdomar.

Abstract

Högupplöst retinotopisk blodsyresättningsnivåberoende (BOLD) funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) med en bred presentation kan användas för att funktionellt kartlägga den perifera och centrala synbarken. Denna metod för att mäta funktionella förändringar i den visuella hjärnan möjliggör funktionell kartläggning av occipitalloben, vilket stimulerar >100° (±50°) eller mer av synfältet, jämfört med vanliga fMRI-visuella presentationsuppställningar som vanligtvis täcker <30° av synfältet. Ett enkelt stimuleringssystem med bred betraktningsvinkel för BOLD fMRI kan ställas in med vanliga MR-kompatibla projektorer genom att placera en stor spegel eller skärm nära motivets ansikte och endast använda den bakre halvan av en standardhuvudspole för att ge en bred betraktningsvinkel utan att hindra deras sikt. Den vidvinkelretinotopiska fMRI-kartan kan sedan avbildas med hjälp av olika retinotopiska stimuleringsparadigm, och data kan analyseras för att bestämma den funktionella aktiviteten hos visuella kortikala regioner som motsvarar central och perifer syn. Denna metod ger ett praktiskt, lättimplementerat visuellt presentationssystem som kan användas för att utvärdera förändringar i den perifera och centrala synbarken på grund av ögonsjukdomar som glaukom och den synförlust som kan följa med dem.

Introduction

Funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) är en värdefull metod för att bedöma förändringar i regional neurovaskulär funktion i synbarken som svar på stimuli, eftersom förändringar i regionalt blodflöde korrelerar med aktiveringen av hjärnregioner ^1,2. Högupplösta retinotopiska blodsyresättningsnivåberoende (BOLD) signalmätningar representerar förändringar i deoxihemoglobin, som drivs av lokala förändringar i blodflöde och blodsyresättning i hjärnan ^1,2. BOLD-aktivitetsmönster som samlas in från fMRI-data kan användas för att funktionellt kartlägga den perifera och centrala synbarken, samt upptäcka förändringar i den retinotopiska kartan som svar på synnedsättning och neurodegeneration³.

De flesta tidigare fMRI-studier använde sig av smal syn (cirka ±12° av det centrala synfältet) icke-retinotopiska stimuli eller enkla retinotopiska stimuli med smal visuell stimuli, vilket gav begränsad funktionell parcellation av den retinotopiska representationen i synbarken och begränsad bedömning till endast det centrala synfältet, exklusive periferin³. Följaktligen har fMRI-data med smal vy rapporterat inkonsekventa procentuella förändringar i BOLD hos glaukompatienter ^4,5,6. Det finns därför ett behov av förbättrade fMRI-metoder för att bedöma det perifera och centrala synfältet, särskilt vid utvärdering av sjukdomar som glaukom.

Glaukom är den främsta orsaken till irreversibel blindhet och drabbar 10 % av alla människor vid 80 års^ålder. Glaukom orsakas av den progressiva, irreversibla neurodegenerationen av retinala ganglieceller, som är ansvariga för att överföra visuella stimuli till hjärnan genom synnerven. Vid primär öppenvinkelglaukom (POAG), den vanligaste formen av glaukom, orsakar ökat intraokulärt tryck förtunning av näthinnans nervfiberskikt (RNFL), vilket leder till förlust av perifer syn följt av perifer och central blindhet 8,9,10,11. Histologiska bevis från djurstudier tyder på att glaukom dessutom resulterar i progressiv neurodegeneration av synnerven, synkanalen, laterala genikulatkärnan, optisk strålning och synbarken^12,13. MRT-teknik erbjuder en minimalt invasiv metod för att bedöma både blodets syresättning och neurodegeneration i synbarken. Hos patienter med glaukom har MRT funnit tecken på grå substansatrofi i synvägen 13,14,15,16 och onormal vit substans i synchiasmen, synkanalen och optisk strålning ^1,17,18.

För att ytterligare utforska effekterna på visuell bearbetning kan fMRI användas för att upptäcka hjärnans funktion som svar på visuella signaler. Protokollet beskriver här en ny metod för att erhålla en billig retinotopkarta med bred betraktningsvy med hjälp av högupplöst retinotopi fMRI med vidvinkelstimuli (>100°), som beskrivs av Zhou et al³. Visuella stimuli av expanderande ringar och roterande kilar användes för att framkalla retinotopisk kartläggning av excentriciteten och den polära vinkeln för fMRI. BOLD fMRI procentuella förändringar analyserades som en funktion av excentricitet för att utvärdera hjärnans funktion, motsvarande både central och perifer syn. Den procentuella förändringen av BOLD fMRI kan användas för att visualisera aktivering i hela synbarken. Dessa fMRI-mätningar ger en tillförlitlig ny metod för att utvärdera neurodegenerativa förändringar och deras funktionella effekter på synbarken som finns vid ögonsjukdomar som involverar synfältsdefekter, såsom glaukom.

Protocol

Forskning med mänskliga deltagare utfördes i enlighet med institutionella riktlinjer vid University of Texas Health Science Center och Stony Brook University, med informerat samtycke från deltagarna för dessa studier och användning av deras data. 1. Inställning av MR-skanner och bildprotokoll För fMRI, använd en 3T MR-skanner med flerkanaliga mottagarhuvudspolar. Olika fältstyrkor kan också användas men kan ge svårigheter med signal-brusförhållande (SNR…

Representative Results

Nio deltagare som diagnostiserats med POAG (fyra män, 36-74 år gamla) och nio åldersmatchade friska frivilliga (sex män, 53-65 år) utvärderades med hjälp av det tidigare nämnda fMRI-protokollet med bred syn, som tidigare beskrivits av Zhou et al3. POAG bekräftades kliniskt hos patienter med öppen vinkel genom bedömning av synfältsdefekter som överensstämmer med glaukom, koppning av optiska skivor och/eller ett intraokulärt tryck (IOP) större än 21mmHg3. En …

Discussion

Ovanstående protokoll för användning av vidvinkelretinotopisk fMRI är en innovativ metod för att utvärdera effekterna av synförlust och ögonsjukdomar på hjärnan. Genom vidvinkelretinotopisk kartläggning av synbarken med hjälp av en bredare bildskärm möjliggör detta tillvägagångssätt en mer omfattande förståelse av det visuella systemets funktionella organisation. Detta skulle kunna leda till en bättre förståelse för avvikelser i hjärnans visuella bearbetningssystem, som uppstår vid neurodegenera…

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