具有宽视网膜刺激的视觉皮层功能性磁共振成像 （fMRI）

摘要

我们已经开发了利用比常用更多的视野来绘制视觉皮层功能的技术。这种方法有可能加强对视力障碍和眼部疾病的评估。

摘要

具有宽视角表现的高分辨率视网膜血氧水平依赖性 （BOLD） 功能性磁共振成像 （fMRI） 可用于功能性地绘制外周和中央视觉皮层。这种测量视觉大脑功能变化的方法允许枕叶的功能映射，刺激>100°（±50°）或更多的视野，而标准fMRI视觉呈现设置通常覆盖<30°的视野。BOLD fMRI的简单宽视角刺激系统可以使用普通的MR兼容投影仪进行设置，方法是将大镜子或屏幕放置在靠近受试者脸部的位置，并仅使用标准头部线圈的后半部分来提供宽视角而不会阻碍他们的视线。然后可以使用各种视网膜刺激范式对宽视网膜 fMRI 图进行成像，并且可以分析数据以确定与中央和周边视觉相对应的视觉皮层区域的功能活动。这种方法提供了一个实用的、易于实施的视觉呈现系统，可用于评估由于青光眼等眼部疾病以及可能伴随的视力丧失而导致的外周和中央视觉皮层的变化。

引言

功能性磁共振成像 （fMRI） 是一种有价值的方法，用于评估视觉皮层内区域神经血管功能对刺激的反应，因为区域血流的变化与大脑区域的激活相关 ^1,2。高分辨率视网膜血氧水平依赖性 （BOLD） 信号测量表示脱氧血红蛋白的变化，这是由脑内血流和血氧的局部变化驱动的 ^1,2。从 fMRI 数据中收集的 BOLD 活动模式可用于功能性地绘制外周和中央视觉皮层，以及检测视网膜位图的变化以响应视觉障碍和神经退行性变³。

以前的大多数 fMRI 研究使用窄视距（中央视野约 ±12°）非视网膜刺激或具有窄视视网膜刺激的简单视网膜刺激，这为视网膜皮层中的视网膜表征提供了有限的功能性包裹，并且仅对中央视野（不包括外周）的评估有限³。因此，窄视 fMRI 数据显示青光眼患者的 BOLD 百分比变化不一致 ^4,5,6。因此，需要改进功能磁共振成像方法来评估周边和中央视野，特别是在评估青光眼等疾病时。

青光眼是不可逆转失明的主要原因，影响 10% 的 80 岁⁷ 人。青光眼是由视网膜神经节细胞进行性、不可逆的神经退行性变引起的，视网膜神经节细胞负责通过视神经将视觉刺激传递到大脑。在原发性开角型青光眼 （POAG） 中，最常见的青光眼形式，眼压升高会导致视网膜神经纤维层 （RNFL） 变薄，导致周边视力丧失，随后出现周边和中央失明 8,9,10,11。来自动物研究的组织学证据表明，青光眼还会导致视神经、视束、外侧膝状核、视辐射和视觉皮层的进行性神经退行性变^12,13。MRI 技术提供了一种评估视觉皮层血氧和神经退行性变的微创方法。在青光眼患者中，MRI 发现视觉通路^{13、14、15、16} 有灰质萎缩的证据，视交叉、视束和视辐射 ^1,17,18 有异常白质的证据。

为了进一步探索对视觉处理的影响，fMRI可用于检测大脑功能对视觉线索的反应。本文的协议描述了一种使用具有宽视场 （>100°） 刺激的高分辨率视网膜 fMRI 获得低成本、宽视角视网膜图的新方法，如 周 等人³ 所述。使用膨胀环和旋转楔形的视觉刺激来引出 fMRI 的偏心率和极角的视网膜定位。将 BOLD fMRI 百分比变化分析为偏心率的函数，以评估大脑功能，对应于中央和周边视觉。BOLD fMRI 百分比变化可用于可视化整个视觉皮层的激活。这些功能磁共振成像测量提供了一种可靠的新方法来评估神经退行性变化及其对涉及视野缺陷的眼部疾病（如青光眼）中视觉皮层的功能影响。

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研究方案

德克萨斯大学健康科学中心和石溪大学根据机构指南对人类参与者进行研究，并获得参与者的知情同意，并使用他们的数据。

1. MRI扫描仪和成像协议的设置

1. 对于 fMRI，请使用带有多通道接收器头线圈的 3T MRI 扫描仪。也可以使用不同的场强，但可能会遇到信噪比 （SNR） 或失真伪影的困难，因此请进行相应调整。仅使用头部线圈的后半部分进行 fMRI，以允许更大的视角不受线圈前半部分的阻碍。
2. 设置重复时间 （TR） 为 2.2 s、回波时间 （TE） 为 2.8 ms、视场 （FOV） 为 176 mm x 256 mm x 208 mm、空间分辨率为 1 mm x 1 mm x 1 mm x 1 mm、带宽为 190 Hz/像素、翻转角度为 13°、 扫描持续时间为 3.1 分钟³.
3. 设置梯度回波、回波平面成像 （EPI） 序列，TR 为 2 s，TE 为 30 ms，FOV 为 220 mm x 220 mm，面内分辨率为 1.7 mm x 1.7 mm，29 个厚度为 3 mm 的切片，带宽为 1,500 Hz/pixel³。
4. 测量头部线圈和扫描器孔的尺寸，然后通过将聚氯乙烯 （PVC） 管切割成合适的长度并用 PVC 弯头连接来构建一个简单的框架。获得一面至少 25 厘米宽、15 厘米高的镜子，并用螺丝将其固定在塑料杆上（可以在镜子上钻小孔）。
   1. 用尼龙螺钉将塑料棒的末端连接到 PVC 框架上（图 1A）。确保尼龙螺丝略微松动，以便用手旋转镜子，以优化每个参与者的角度。
5. 制作一个屏幕以进入 MRI 孔。切割一段大约与 MRI 孔大小相同的背投屏幕。构建一个与孔大小相同的框架，并用螺钉将屏幕连接到框架上。将屏幕放置在扫描仪内，就在头部线圈的后面，以最小化屏幕和镜子之间的距离并最大化 FOV。
   注意:如果扫描仪孔足够大，则可以使用单个屏幕供参与者直接查看，而不是镜子和背投屏幕设置。将投影屏幕连接到薄木板作为背衬或薄薄的哑光白色塑料片上，可以用作屏幕并放置在框架上而不是镜子上。然后，投影仪应定位并聚焦，使其充满屏幕并处于对焦状态。

2. 参与者准备

1. 告知参与者 fMRI 扫描的程序、风险和益处。征得他们的知情同意。
2. 确保参与者没有任何 MRI 禁忌症。这包括筛查心脏起搏器、金属植入物或幽闭恐惧症。如果您有任何不确定性，请咨询合格的放射科医生或研究人员，如果仍然存在任何不确定性，请将参与者排除在研究之外。
3. 解释视觉刺激方案以及参与者在 fMRI 扫描期间需要注视中央十字架。出于教学目的，向参与者展示视觉刺激的简短演示，以使他们熟悉该程序。
4. 小心地将参与者放在 MRI 扫描仪的桌子上，以确保他们感到舒适和放松。提供耳塞和/或消音耳机，以减少参与者将听到的噪音，以保护他们的听力。
5. 将参与者的头部固定在头部线圈阵列的后半部分，在头部两侧使用泡沫衬垫，以确保头部正确固定，以减少运动伪影。使用扫描仪的定位系统，将工作台移入扫描仪孔中。
6. 将宽视角屏幕或镜子放置在距离患者眼睛 10 厘米处（图 1B）。将孔大小的屏幕从扫描仪孔的背面放置在头部线圈的后面。为每个参与者调整镜子/屏幕的位置和角度，以实现一致的视角。
7. 通过对讲机进行通信，确保参与者在整个扫描过程中感到舒适。

3. 参与者的 fMRI 扫描

1. 使用三个正交平面运行定位器扫描，并对扫描仪进行频率调整和匀场调整和校准。
2. 运行 MP-RAGE 解剖扫描以帮助定位 EPI 切片。
3. 创建视觉刺激，如以下步骤所述，使用用于运行行为或心理实验的程序。
4. 在 fMRI 协议开始时，指示参与者注视白色十字 （3° x 3°），该十字应位于刺激中心的灰色背景之上 10 秒。
   注意:白色十字将在每个视觉刺激范式之前和之后显示 10 秒。因此，每个范式的总 fMRI 刺激测试为 200 秒。
5. 提出第一个视觉刺激范式（一系列旋转楔形），持续 30 秒（角速度为 6°/s），并在六个周期内循环。楔形刺激应包括 12 帧旋转楔形（一帧顺时针旋转扫描，一帧逆时针旋转扫描），延伸到屏幕/镜子的边缘（>100° 视野），具有 8 Hz 对比度反转黑白（100% 对比度）棋盘图案（图 2A）。
6. 再次呈现白色十字架 10 秒。
7. 使用第二种视觉刺激范式（一系列扩张和收缩环）重复步骤 3.4-3.6，持续 30 秒（以视野的 1.8°/s 扩张或收缩）循环六个周期。环刺激应包括八帧扩张或收缩的环（>100°视野），具有 8 Hz 对比度反转黑白（100% 对比度）棋盘图案（图 2B）。
8. 完成 fMRI 后，将工作台移出扫描仪孔，同时指示参与者保持静止。取下镜子/屏幕，将头部线圈的前部放在后部，然后将工作台移回扫描仪的中心。
9. 在发生任何移动时获取快速定位器扫描，并使用全头线圈获取 MP-RAGE 扫描。
   注意:需要带有整个头部线圈的解剖图像才能准确配准，以便进行组分析和重建。

4. 视网膜功能磁共振成像数据分析

1. 下载并安装用于 MRI 分析的 FreeSurfer 应用程序 （https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu）²⁰。
   注意:此处使用的是 FreeSurfer 版本 5.3.0。
2. 从 MRI 扫描仪获取医学数字成像和通信 （DICOM） 格式的图像。使用 dcm2niix 应用程序 （https://www.nitrc.org/projects/mricrogl）²¹ 将 DICOM 文件转换为 nifti 格式。
3. 处理 T1 加权扫描以提供皮质表面参考，如以下两个步骤所述。使用 FreeSurfer 将结构数据从 nifti 格式转换为 .mgz 格式（mri_convert命令）。
4. 在 shell 环境中使用 recon-all 命令对结构数据执行自动分割和皮层重建。
   注意:此步骤可能需要 20 小时以上才能完成。
5. 使用图形用户界面 tksurfer 查看充气的半球，并沿钙骨裂隙虚拟切割视觉皮层，并选择枕叶。使用 mris_flatten 命令将视觉皮层贴片展平。对两个半球重复此步骤。
6. 对于 fMRI 数据，首先从数据的开始和结束时删除休息期，仅显示注视交叉。筛选 fMRI 数据中的伪影或大运动。
7. 对功能数据进行预处理，以实现空间平滑和运动校正。对视网膜刺激范式进行建模，并应用规范的血流动力学反应函数来构建反应函数。
8. 使用 FreeSurfer 功能分析流（mkanalysis-sess、selxavg3-sess 和 fieldsign-sess 命令）对 fMRI 数据进行视网膜相位编码分析，以将 BOLD fMRI 时间序列与建模的响应函数相关联，并获得相位编码的视网膜位图，显著性水平 为 p < 0.01（图 3）。
9. 使用 tksurfer-sess 命令将颜色编码的激活图叠加在几乎扁平的视觉皮层上，可视化视网膜图的结果，并使用 rtview 命令显示。
10. 使用来自楔形刺激的相位编码视网膜图，通过场征图（图 3A）以及解剖标志和 FreeSurfer 图谱，帮助定义初级视觉皮层 （V1） 和其他额外条纹区域（V2 和 V3）的边界。
11. 要计算不同偏心率下的 BOLD 响应，首先使用 FSL Feat （http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl） 使用通用线性模型计算统计图，用于 z 分数阈值为 Z > 2.3^22,23。如果正在执行组分析，请使用 FSL Feat 计算组差异统计图的二级分析，以帮助确定不同偏心率下的 BOLD 响应。
12. 使用 FreeSurfer bbregister 和 tkregister2 命令将 fMRI 图像共同配准到重建的皮质表面上，以将参与者的 fMRI 数据与其大脑的解剖结构图像对齐并确保准确的空间对齐。
13. 按八帧中每一帧的偏心率对环刺激进行分组。根据每帧的激活体素区域手动绘制不同偏心率的感兴趣区域。获取 BOLD 百分比变化，并将它们绘制为偏心率的函数。此外，将偏心率数据分箱到中央 （< ±12°） 和外围 （> ±12°） 区域，其中 ±12° 视觉刺激是视网膜 fMRI 研究的典型特征。

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结果

如周等人^之前描述的那样，使用上述宽视fMRI协议评估了9名被诊断患有POAG的参与者（4名男性，36-74岁）和9名年龄匹配的健康志愿者（6名男性，53-65岁）。通过评估与青光眼、视盘拔罐和/或眼内压 （IOP） 大于 21 mmHg³ 一致的视野缺损的表现，在开角患者中临床确诊 POAG。使用广视角视觉呈现 （±55°） 评估每组的中央和周边视力³。

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讨论

上述利用广视网膜视网膜 fMRI 的方案是评估视力丧失和眼部疾病对大脑影响的创新方法。通过使用更宽的视野屏幕对视觉皮层进行宽视网膜定位，这种方法可以更全面地了解视觉系统的功能组织。这可以更好地了解大脑视觉处理系统的异常，这发生在神经退行性疾病中，例如青光眼^24,25。该技术还可用于检测和分析导致失明的其他条件下的大脑退化和重...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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