عالية الدقة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للطرق الدماغ المتوسط ​​الإنسان

Summary

توضح هذه المقالة التقنيات لأداء عالية الدقة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي مع أخذ العينات مم 1.2 في الدماغ المتوسط ​​البشرية والهياكل تحت القشرية باستخدام ماسح ضوئي 3T. ويرد استخدام هذه التقنيات إلى حل الخرائط الطبوغرافية من التحفيز البصري في أكيمة الإنسان المتفوق (SC) كمثال على ذلك.

Abstract

وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) هو أداة تستخدم على نطاق واسع لقياس غير جراحية يرتبط نشاط الدماغ البشري. ومع ذلك، فقد تم استخدامه في معظمها تركز على قياس النشاط على سطح قشرة الدماغ وليس في المناطق تحت القشرية مثل الدماغ المتوسط ​​والدماغ. يجب أن الرنين المغناطيسي الوظيفي تحت القشرية تغلب تحديين: القرار المكانية والضوضاء الفسيولوجية. نحن هنا وصف مجموعة من التقنيات المتقدمة الأمثل لأداء عالية الدقة الرنين المغناطيسي الوظيفي في SC الإنسان، وبنية على السطح الظهري من المخ الأوسط، ويمكن أيضا أساليب يمكن استخدامها لجذع الدماغ صورة أخرى، وهياكل تحت القشرية.

عالية الدقة (1.2 voxels ملم) الرنين المغناطيسي الوظيفي للSC يتطلب نهجا غير تقليدية. يتم الحصول على العينات المطلوبة المكانية باستخدام لقطات متعددة (معشق) دوامة اكتساب ^1. ويستخدم منذ ذلك الحين، تي ₂ * من الأنسجة SC أطول مما كانت عليه في القشرة، وقتا أطول في المقابل الصدى (T _E ~ 40 ميللي ثانية) إلى ماكسيmize تباين وظيفي. لتغطية المدى الكامل للاتفاقية استكهولم، ويتم الحصول على 8-10 شرائح. لكل دورة وحصل أيضا على تشريح الهيكلي مع وصفة طبية شريحة نفس الرنين المغناطيسي الوظيفي، والتي تستخدم لمحاذاة البيانات الوظيفية إلى وحدة تخزين إشارة ذات دقة عالية.

في جلسة منفصلة، ​​ولكل موضوع، ونحن خلق قرار عالية (0.7 مم أخذ العينات) حجم مرجع باستخدام _T-1 المرجح أن يعطي تسلسل جيد المقابل الأنسجة. في حجم إشارة، منطقة المخ الأوسط غير مجزأة باستخدام تطبيقات البرمجيات ITK-SNAP ^2. ويستخدم هذا التقسيم لخلق تمثيل سطح 3D من المخ الأوسط في آن معا، على نحو سلس ودقيق ^3. وتستخدم القمم السطحية والأوضاع الطبيعية لرسم خريطة للعمق من سطح الدماغ المتوسط ​​في غضون ال ⁴ الأنسجة.

يتم تحويل البيانات وظيفي في نظام الإحداثيات من حجم مرجع مجزأة. عمق جمعيات للvoxelsتمكين المتوسط ​​من الرنين المغناطيسي الوظيفي بيانات السلاسل الزمنية ضمن نطاقات عمق محدد لتحسين جودة الإشارة. يتم تقديم البيانات على سطح 3D التصور.

في مختبرنا نستخدم هذه التقنية لقياس الخرائط الطبوغرافية من التحفيز البصري، والانتباه البصري السرية والعلنية داخل SC ^1. كمثال على ذلك، علينا أن نبرهن للتمثيل الطبوغرافية من زاوية القطبية إلى التحفيز البصري في SC.

Protocol

1. قطبي الزاوية المحفز علم الطوبوغرافيا وعلم النفس البدني

للحصول على خريطة القطبية زاوية شبكي التوضع في الشوري، ونحن نستخدم اسفين 90 درجة من النقاط تتحرك كما الحافز (2-9 درجة الانحراف من زاوية بصرية، يعني نقطة السرعة 4 درجات / ثانية) (الشكل 1). من المعروف أن يتعزز النشاط في SC عن طريق تطبيق اهتمام السرية ^5، وبالتالي فإننا نستخدم مهمة الاهتمام في نموذج لنا لزيادة إشارة المتاحة. في محاكمة كل 2 ثانية، وكلف المواد لحضور سرا إلى إسفين كامل وتنفيذ مهمة التمييز سرعة مع الحفاظ على تثبيت. وينقسم إلى وتد 2 × 3 قطاعات الظاهري مع النقاط في واحد من القطاعات، تم اختيارهم عشوائيا في كل محاكمة، والانتقال نحو أبطأ أو أسرع من كل النقاط الأخرى. بعد كل تجربة، وإسفين هو تناوب 30 درجة حول تثبيت بحيث التحفيز بالتناوب تماما مع فترة ثانية 24. كل المدى يتكون من 9.5 الدوران من التحفيز (228 ثانية)، وتشمل الدورات التجريبية16-18 أشواط.

للحفاظ على أداء موضوع على هذه المهمة طوال مدة كل المدى، يتم ضبط صعوبة المهمة باستخدام اثنين معشق عشوائيا عامين حتى واحد إلى أسفل السلالم. بعد كل التجربتين الصحيح متتالية وقلص الفارق السرعة بنسبة 8٪، ومقابل كل محاكمة غير صحيح، يتم زيادة الفرق بنسبة 8٪.

قبل المسح الضوئي، وممارسة جميع المواضيع المهمة البصرية خارج الماسح الضوئي حتى تحقيق مستوى ثابت من الأداء، وهذا يتطلب ممارسة 3-4 مدة 20 دقيقة الدورات. عتبات التمييز النموذجية هي في حدود 1 ° -1.5 ثانية / درجة.

2. موضوع التحضير

1. يتم تأمين المواد رؤساء مع منصات لتقليل حركة رأس قبل أن يتم وضعه هم داخل الماسح الضوئي تحمل. في هذه القرارات مكانية عالية، الرنين المغناطيسي الوظيفي حساسة بشكل خاص إلى الحركة الفنية، وذلك لتحقيق الاستقرار رئيس أمر بالغ الأهمية.
2. وترد الموضوعات التصوير بالرنين المغناطيسي، المتوافقةجنيه وسادة زر في يد واحدة وتعليمات حول أي زر للضغط للإشارة إلى أحكامهم حول سرعة نقطة.

3. وتنص على توطين SC

1. SC الإنسان هو بنية صغيرة ولكنها متميزة، ~ 9 مليمتر في القطر، وتقع على سقف الدماغ المتوسط. عند استخدام عدد قليل من شرائح الرنين المغناطيسي الوظيفي، ويلزم عدة سلسلة التصوير وكالايزر للتوطين على وجه الدقة. نحن تشغيل هذه الطائرات على طول سلسلة السهمي، محوري، والاكليلية.
2. ثم نستخدم هذه الصور وكالايزر أن يصف بدقة SC مع 8-10 شرائح متجاورة، 1.2 مم، مجال للرؤية (FOV)، 170 مم في طائرة منحرف شبه محوري،.
3. ويتم الحصول المقبل، صور عالية الدقة تي الهيكلية _{1-المرجح} استخدام ثلاثي الأبعاد (3D) RF-مدلل العشب (SPGR) تسلسل (15 ° زاوية الوجه، 1.2 voxels ملم) مرة واحدة قبل جمع البيانات الفنية ومرة واحدة بعد. وتستخدم هذه الصور كمرجع لمحاذاة البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي لشارع عالية الدقةuctural حجم المرجعية التي تم الحصول عليها في جلسة منفصلة التي وصفنا في وقت لاحق.

4. التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي معلمات

تم تنفيذ كافة التصوير على الماسح الضوئي Signa GE 3T HD12 باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي GE-الموفر من 8 قنوات، لفائف الرأس. وكانت الإثارة 6.4 MS-إطارات سينك نبض تطبيقها باستخدام اللولب هيئة الماسح الضوئي.

للحصول على عينات 1.2 ملم في SC الإنسان، ونحن نستخدم لمدة ثلاثة طلقة دوامة مسار اكتساب ^6،7. وهناك حاجة إلى ثلاثة أعيرة نارية لعدة أسباب. ولا سيما اكتساب احد بالرصاص، عن الماسح الضوئي لدينا وFOV يتطلب> 77 ميللي ثانية، وقتا طويلا ليكون عمليا. يتم الجمع بين لقطات متعددة معا بعد التصحيح من خلال طرح القيمة الأولية والاتجاه الخطي للمرحلة. يتم زيادة الشركة المصرية للاتصالات بنسبة 2 مللي على الإطار الأول لتقدير خريطة حقل من أول مجلدين المكتسبة، ويتم استخدام هذه الخريطة لتصحيح خطي. كانت الصور التي أعيد بناؤها 1 SNR من ~ 20. الزمانية أطياف السلطة في SC voxels عادةوأظهرت القليل من البنية الفيزيولوجية المرتبطة الضوضاء، واستخدام وحيازة 3-تسديدة كان لها تأثير قوي على تصفية آثار الترددات العالية نسبيا من نبض القلب والتنفس. غيرها من الضوضاء للحد من التقنيات هي إشكالية في هذا السياق ذات دقة عالية. على سبيل المثال، وأساليب تصحيح بأثر رجعي مثل RETROICOR ⁶ لا تنطبق على لقطات متعددة البيانات، وتبوب القلب يدخل الضوضاء والقطع الأثرية المرتبطة اضطراب التوازن ₁ تي.

وقت الصدى، تي _E = 40 ميللي ثانية، أطول من التي تستخدم عادة في القشرة (30 ميللي ثانية) لأننا قياس (أ) ₂ في المقابل يعد T * في الأنسجة SC (~ 60 ميللي ثانية) من التي لوحظت في المادة الرمادية القشرية (~ 45 ميللي ثانية).

ويقتصر عرض النطاق الترددي لاكتساب إلى 62.5 كيلو هرتز للحد من ذروة الانحدار الحالية التي تسبب التدفئة غير المرغوب فيها على الماسح الضوئي لدينا. نختار TR = 1 ثانية، وذلك مع ثلاث طلقات وحصلت على حجم كل 3ثوانى.

5. الهيكلية نمذجة التصوير بالرنين المغناطيسي و3D

في جلسة منفصلة واحد لكل موضوع، ونحن الحصول على قرار عالية (0.7 مم أخذ العينات) حجم مرجع باستخدام _T-1 المرجح أن يعطي تسلسل جيد المقابل الأنسجة (3D SPGR، 15 درجة زاوية الوجه، انقلاب أعد _أنا مع تي = 450 ميللي ثانية، 2 جثذائةضأترؤ، ~ مدة 28 دقيقة، 0.7 voxels ملم).

في هذا الكتاب المرجعي، ونحن جزء من أنسجة المخ الأوسط، والدماغ، وأجزاء من المهاد (الشكل 2A) باستخدام مزيج من التقنيات الآلية واليدوية التي قدمها تطبيق ITK-SNAP ^2. على وجه الخصوص، ونحن نستخدم أداة تقسيم الآلي الذي المستخدم البذور نقاط متعددة داخل كل جذع الدماغ، والبرمجيات ثم يتوسع تلقائيا تقسيم حول نقاط البذور مقيدة داخل منطقة محددة وفقا لمعايير التباين وشدة. هذا التقسيم التلقائي ثم ضبطإد، إذا لزم الأمر، وذلك باستخدام دليل، "الطلاء مثل" أدوات فوكسل.

ومحرف السائل النسيج الدماغي واجهة للSC من تجزئة باستخدام isodensity التغطية بالفسيفساء السطح، ويتم تكرير هذه السطحية الأولية للحد من الآثار التعرج (الشكل رقم 2، B و D) باستخدام تباين تشوه سطح الخوارزمية ^3. هذا السطح يوفر القمم وناقلات العادي إلى الخارج لاستخدامها كمرجع لحسابات الصفحي (موضح أدناه)، فضلا عن وسيلة لتصور البيانات الوظيفية.

6. صورة التحليل

لتحليل البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي، ونحن استخدام حزمة البرامج mrVista (متوفرة للتحميل في http://white.stanford.edu/mrvista.php) ، فضلا عن الأدوات التي وضعت في إطار mrVista في مختبرنا. في الخطوات القليلة المقبلة فإننا نستخدم أدوات حزمة mrVista:

1. تهيئةدورة في mrVista، واختيار الخيار لتطبيع مكانيا لشدة البيانات المتوسط ​​للحد من الآثار من التجانس لفائف. تطبيع يستخدم طريقة متماثل الشكل، وهذا هو، قسمة نسخة منخفضة تمرير تصفية من كثافة حجم صورة متوسط ​​زمنيا مع تصحيح مضافة قوية لضجيج يقدر. يتم تجاهل دورة النصف الأول من صور (12 ثانية) لتجنب عابر MR توازن الدورة الدموية وآثار.
2. تصحيح في غضون التي تديرها الحركة. وتقدر حركة من السلسلة الزمنية من وحدات التخزين. ومع ذلك، لأن من نسبة الإشارة إلى الضوضاء منخفض نسبيا (SNR) من الصور، ونحن نفذ أول عربة النقل 5-عينة تمهيد بناء على السلسلة الزمنية. ثم يتم تسجيل كل وحدة تخزين للمتوسط ​​من العينات ال 5 الماضية. نلاحظ أن لا تستخدم إلا تمهيد لتقدير الحركة، ويتم صقل البيانات الفعلية.
3. تشكل المعدلات الزمنية للبيانات كل تشغيل للصورة حركة لتصحيح، واستخدام هذه المعدلات لتصحيح بين تديرها حركة USIنانوغرام في الماضي البعيد كمرجع.
4. إجراء تصحيح شريحة-توقيت. نحن نستخدم متسلسلة اكتساب شريحة، وذلك بسبب أخطاء أداء تصحيح توقيت بعد تصحيح الحركة ستكون صغيرة (~ 125 مللي ثانية).
5. يدير سجلت متوسط ​​متعددة داخل كل دورة لتحسين SNR.
6. محاذاة البيانات الهيكلية من الدورة الرنين المغناطيسي الوظيفي لحجم إشارة الهيكلية باستخدام خوارزمية قوية تسجيل كثافة المستندة إلى ^8. تحميل المواءمة وتجزئة في mrVista.
7. تحويل السلاسل الزمنية وظيفية البيانات إلى حجم مرجع مجزأة. في الخطوات التالية نستخدم الأدوات التي تم تطويرها في المختبر لإجراء مزيد من التحليل.
8. احسب المسافة خريطة طريق حساب المسافة بين كل voxels الأنسجة SC قمة الرأس وأقرب على سطح SC. وتستخدم هذه المسافات لقياس موقف الصفحي ضمن وحدة التخزين مرجع.
9. إجراء عملية تقسيم الصفحي لتمكين المتوسط ​​عمق بيانات السلاسل الزمنية لتحسين اله SNR. وترتبط الصغيرة (1.6 ملم قطر) أقراص من النسيج مع كل قمة من طراز السطح على طول سطح SC سطحي كله، بل وتمتد بعد ذلك كل قرص على حد سواء الداخل والخارج من الأنسجة SC باستخدام سطح الأوضاع الطبيعية المحلية لتشكيل حي الصفحي الفردية ^4.
10. من أجل كل نقطة على سطح الشوري، ونحن نستخدم هذه الجمعيات الصفحي إلى متوسط ​​سلسلة زمنية على نطاق وعمق محدد. منذ ذلك الحين، استجابة الخلايا العصبية البصرية موجودة في المقام الأول في الطبقات السطحية للجنة الدائمة، لتجربة الإثارة البصرية كنا مجموعة من عمق 0-1،8 ملم.

7. رسم الخرائط الطوبوغرافية التحليل

لتحليل تمثيل الطبوغرافية للبيانات، يتم إجراء تحليل الاتساق في السلاسل الزمنية العمق المتوسط ​​من قبل تركيبه على جيباني؛ شبه جيبي في تحفيز وتيرة تكرار (أي 1/24 هرتز لتحفيز ثانية 24 المذكورة أعلاه) لكل فوكسل. من هذا مناسبا، نستمدها خرائط سطح تستجيبSE السعة، والتماسك، ومرحلة. يتم تنفيذ هذا التحليل في المجال تردد، و هو أسلوب شائع لتحديد خرائط شبكي التوضع في القشرة البصرية ^9،10.

في مرحلة من مراحل مناسبا جيبية يقيس الموقف من التحفيز. صفر في المرحلة يتوافق مع خط الطول الرأسي العلوي (الشكل 3). الحافز ثم يدور في اتجاه عقارب الساعة، وذلك في مرحلة π / 2 عندما يقابل الحافز لديه تناوب على خط الطول الأفقي في مجال المرئي حق. بعد راديان π من مرحلة، والتحفيز يعبر في حقل بصري اليسار، وهكذا دواليك.

التي حصلنا عليها أيضا حدود مدى سطحية كامل من اللجنة الدائمة باستخدام التفتيش اليدوي للتشريح عالية الدقة حجم T1 المرجحة. وتتميز هذه الحدود في الشكل. 3 في الحمراء الخطوط المتقطعة.

الرنين المغناطيسي الوظيفي لا يقيس مباشرة النشاط العصبي، وإنما هي استجابة لتدفق الدم الذي هو بإحكام ولكن إلى جانب ببطءإلى النشاط العصبي. وهذا يضيف تأخير الدورة الدموية للاستجابة المرحلة. ويقدر هذا التأخير من خلال اتخاذ جميع voxels فوق عتبة تماسك لدينا من كل SC المنطقة الفائدة من وتتمحور حول وسائلها π في الطائرة المعقدة. في البيانات SC لدينا، هذه التأخيرات هي صغيرة جدا، من أجل من 2-4 ثانية. نلغي هذا التأخير من خلال تناوب مخطط الألوان بعكس عقارب الساعة بمقدار 45 درجة (الموافق 3 ثانية) (الشكل 3).

8. ممثل النتائج

بيانات مرحلة مضافين على سطح 3D من SC (الشكل 3) يدل على ان يتم تمثيل ردا على التحفيز البصري contralaterally في أي SC، يتم تمثيل حقل يسار البصري على حق والعكس SC-A بالعكس.

وهناك أيضا تنظيم شبكي التوضع من هذا النشاط. ويمثل الحق في المجال البصري العلوي بشكل إعلامي على أكيمة الأيسر (أزرق أرجواني)، ويتم تمثيل أدنى مجال أفقيا (الأحمر والأصفر). Similآرلي، يتم تمثيل اليسار المجال البصري العلوي بشكل إعلامي على حق أكيمة (الأزرق السماوي)، ويتم تمثيل أدنى أفقيا (الأخضر والأصفر).

هذه التضاريس ويتسق مع نتائج غير البشرية دراسات الرئيسيات من ردود SC: 1) إلى التحفيز البصري باستخدام واحد وحدة الكهربية، و 2) رسم خرائط الناجم عن تحركات microstimulation العين رمشي ^11،12.

الشكل 1. وصفة شريحة) ينظر في منتصف سهمي صورة. ب) يعني الزمنية (من المدى-1) من الصور الفنية التي تم الحصول عليها من شريحة وسط ملحوظ في الحمراء في A).

الشكل 2. القطبية الزاوية التحفيز الطوبوغرافيا. تناوب اسفين 90 درجة تحريك أسود وأبيض النقاط على خلفية رمادية ببطء حول تثبيت. تم تقسيم إسفين في صفيف من virtu 6آل القطاعات (خطوط رمادية وأضاف أن أؤكد القطاعات) للسماح للموضوع لتنفيذ مهمة التمييز السرعة في قطاع اختيارها عشوائيا.

الشكل 3. الإنقسام والنمذجة السطحية. A) وكانت الدماغ المتوسط، الدماغ، وأجزاء من المهاد مجزأة من ذات الدقة العالية وحدات التخزين تشريح التصوير بالرنين المغناطيسي. ب) تم إنشاء سطح على حافة منطقة مجزأة. ج) بيانات مرحلة خاص بالمنحنى احتواء الاطلاع على شريحة inplane (تماسك> 0.25). D) واستخدم استدارة وعرض موسع للنموذج سطح الدماغ لتصور البيانات مرحلة على SC.

الشكل 4. القطبية الزاوية خرائط. خرائط مرحلة الرنين المغناطيسي الوظيفي في اثنين من الموضوعات التي ترميز زاوية القطبية البصرية. وتقدم عتبات تماسك لكل الخريطة على أسفل اليمين. عجلة الألوان تتعلق المراحل متراكبة من التحفيز في فolar زاوية إلى مواقعها المجال البصري.

Discussion

لدينا اقتناء وتحليل البيانات وتقنيات تمكن من قياس النشاط العصبي في الدماغ البشري تحت القشرية الهياكل بدقة عالية (voxels ملم 1.2). اقتناء دوامة 3-طلقة يقلل من الضوضاء الفسيولوجية التي تضر بشكل خاص لقياسات الرنين المغناطيسي الوظيفي في جميع أنحاء الدماغ المتوسط. وبالإضافة إ...