Resonancia magnética funcional (fMRI) de la corteza visual con estimulación retinotópica de visión amplia

Resumen

Hemos desarrollado técnicas para mapear la función de la corteza visual utilizando más campo visual de lo que se usa comúnmente. Este enfoque tiene el potencial de mejorar la evaluación de los trastornos de la visión y las enfermedades oculares.

Resumen

La resonancia magnética funcional (fMRI) de alta resolución de alta resolución dependiente del nivel de oxigenación sanguínea retinotópica (BOLD) con una presentación de visión amplia se puede utilizar para mapear funcionalmente la corteza visual periférica y central. Este método para medir los cambios funcionales del cerebro visual permite el mapeo funcional del lóbulo occipital, estimulando >100° (±50°) o más del campo visual, en comparación con las configuraciones estándar de presentación visual de fMRI que generalmente cubren <30° del campo visual. Se puede configurar un sistema de estimulación de visión amplia simple para la resonancia magnética funcional BOLD utilizando proyectores comunes compatibles con RM colocando un espejo o pantalla grande cerca de la cara del sujeto y usando solo la mitad posterior de una bobina de cabeza estándar para proporcionar un ángulo de visión amplio sin obstruir su visión. A continuación, se pueden obtener imágenes del mapa de resonancia magnética funcional retinotópica de visión amplia utilizando varios paradigmas de estimulación retinatópica, y los datos se pueden analizar para determinar la actividad funcional de las regiones corticales visuales correspondientes a la visión central y periférica. Este método proporciona un sistema de presentación visual práctico y fácil de implementar que se puede utilizar para evaluar los cambios en la corteza visual periférica y central debido a enfermedades oculares como el glaucoma y la pérdida de visión que puede acompañarlas.

Introducción

La resonancia magnética funcional (fMRI) es un método valioso para evaluar los cambios en la función neurovascular regional dentro de la corteza visual en respuesta a estímulos, ya que los cambios en el flujo sanguíneo regional se correlacionan con la activación de las regiones cerebrales ^1,2. Las mediciones de señales retinotópicas dependientes del nivel de oxigenación sanguínea de alta resolución (BOLD) representan cambios en la desoxihemoglobina, que son impulsados por cambios localizados en el flujo sanguíneo y la oxigenación sanguínea dentro del cerebro ^1,2. Los patrones de actividad de BOLD recopilados a partir de los datos de fMRI se pueden utilizar para mapear funcionalmente la corteza visual periférica y central, así como para detectar cambios en el mapa retinotópico en respuesta a la discapacidad visual y la neurodegeneración³.

La mayoría de los estudios previos de resonancia magnética funcional utilizaron estímulos no retinotópicos de visión estrecha (alrededor de ±12° del campo visual central) o estímulos retinotópicos simples con estímulos visuales de visión estrecha, lo que proporcionó una parcelación funcional limitada de la representación retinotópica en la corteza visual y una evaluación limitada solo al campo visual central, excluyendo la periferia³. En consecuencia, los datos de fMRI de visión estrecha han reportado cambios porcentuales inconsistentes en BOLD en pacientes con glaucoma ^4,5,6. Por lo tanto, es necesario mejorar los enfoques de resonancia magnética funcional para evaluar el campo visual periférico y central, especialmente en la evaluación de enfermedades como el glaucoma.

El glaucoma es la principal causa de ceguera irreversible, afectando al 10% de las personas antes de los 80 años⁷. El glaucoma es causado por la neurodegeneración progresiva e irreversible de las células ganglionares de la retina, que son las encargadas de transmitir los estímulos visuales al cerebro a través del nervio óptico. En el glaucoma primario de ángulo abierto (GPAAA), la forma más común de glaucoma, el aumento de la presión intraocular provoca un adelgazamiento de la capa de fibras nerviosas de la retina (RNFL), lo que lleva a la pérdida de la visión periférica seguida de ceguera periférica y central 8,9,10,11. La evidencia histológica de estudios en animales sugiere que el glaucoma también resulta en una neurodegeneración progresiva del nervio óptico, el tracto óptico, el núcleo geniculado lateral, la radiación óptica y la corteza visual^12,13. La tecnología de resonancia magnética ofrece un método mínimamente invasivo para evaluar tanto la oxigenación de la sangre como la neurodegeneración en la corteza visual. En pacientes con glaucoma, la resonancia magnética ha encontrado evidencia de atrofia de la sustancia gris en la vía visual 13,14,15,16 y sustancia blanca anormal en el quiasma óptico, el tracto óptico y la radiación óptica ^1,17,18.

Para explorar más a fondo los efectos sobre el procesamiento visual, la resonancia magnética funcional se puede utilizar para detectar la función cerebral en respuesta a las señales visuales. El protocolo descrito describe un método novedoso para obtener un mapa retinotópico de bajo costo y visión amplia utilizando resonancia magnética funcional de retinotopía de alta resolución con estímulos de campo amplio (>100°), como lo describen Zhou et al³. Se utilizaron estímulos visuales de anillos en expansión y cuñas giratorias para obtener el mapeo retinotópico de la excentricidad y el ángulo polar para la resonancia magnética funcional. Se analizaron los cambios porcentuales en la resonancia magnética funcional de BOLD en función de la excentricidad para evaluar la función cerebral, correspondiente tanto a la visión central como a la periférica. El cambio porcentual de resonancia magnética funcional BOLD se puede utilizar para visualizar la activación en toda la corteza visual. Estas medidas de resonancia magnética funcional proporcionan un nuevo método confiable para evaluar los cambios neurodegenerativos y sus efectos funcionales en la corteza visual que se encuentran en enfermedades oculares que involucran defectos del campo visual, como el glaucoma.

Protocolo

La investigación con participantes humanos se realizó de acuerdo con las directrices institucionales del Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Texas y la Universidad de Stony Brook, con el consentimiento informado obtenido de los participantes para estos estudios y el uso de sus datos.

1. Configuración del escáner de resonancia magnética y protocolos de imágenes

1. Para la resonancia magnética funcional, utilice un escáner de resonancia magnética 3T con bobinas de cabezal receptor multicanal. También se pueden utilizar diferentes intensidades de campo, pero pueden presentar dificultades con la relación señal-ruido (SNR) o los artefactos de distorsión, así que ajústelos en consecuencia. Use solo la mitad posterior de la bobina de la cabeza para la resonancia magnética funcional para permitir un ángulo de visión más grande sin obstrucciones por la mitad anterior de la bobina.
2. Configure una secuencia de eco de gradiente de adquisición rápida preparada para magnetización ponderada en T1 (MP-RAGE) con un tiempo de repetición (TR) de 2,2 s, un tiempo de eco (TE) de 2,8 ms, un campo de visión (FOV) de 176 mm x 256 mm x 208 mm, una resolución espacial de 1 mm x 1 mm x 1 mm, un ancho de banda de 190 Hz/píxel, un ángulo de giro de 13°, y una duración de escaneo de 3,1 min³.
3. Configure una secuencia de imágenes ecoplanares (EPI) de gradiente-eco con un TR de 2 s, TE de 30 ms, campo de visión de 220 mm x 220 mm, resolución en el plano de 1,7 mm x 1,7 mm, 29 cortes con un grosor de 3 mm y un ancho de banda de 1.500 Hz/píxel³.
4. Mida las dimensiones de la bobina del cabezal y el orificio del escáner y, a continuación, construya un marco sencillo cortando un tubo de cloruro de polivinilo (PVC) en longitudes adecuadas y conectándolo con codos de PVC. Consigue un espejo de al menos 25 cm de ancho y 15 cm de alto y fíjalo a una varilla de plástico con tornillos (se pueden perforar pequeños agujeros en el espejo).
   1. Fije los extremos de la varilla de plástico al marco de PVC con tornillos de nailon (Figura 1A). Asegúrese de que los tornillos de nailon estén ligeramente sueltos para permitir que el espejo se gire a mano para optimizar el ángulo para cada participante.
5. Haga una pantalla para introducir el orificio de la resonancia magnética. Corte un segmento de una pantalla de retroproyección que sea aproximadamente del tamaño del orificio de la resonancia magnética. Construya un marco que sea del tamaño del orificio y fije la pantalla al marco con tornillos. Coloque la pantalla dentro del escáner justo detrás de la bobina del cabezal para minimizar la distancia entre la pantalla y el espejo y maximizar el campo de visión.
   NOTA: Si el orificio del escáner es lo suficientemente grande, se puede usar una sola pantalla para que el participante la vea directamente en lugar de la configuración del espejo y la pantalla de retroproyección. Se puede usar una pantalla de proyección unida a una lámina delgada de madera como respaldo o una lámina delgada de plástico blanco mate como pantalla y colocarla en el marco en lugar de un espejo. A continuación, el proyector debe colocarse y enfocarse, de modo que llene la pantalla y esté enfocado.

2. Preparación de los participantes

1. Informar al participante sobre el procedimiento, los riesgos y los beneficios de la resonancia magnética funcional. Obtener su consentimiento informado.
2. Asegúrese de que el participante no tenga ninguna contraindicación para la resonancia magnética. Esto incluye la detección de marcapasos, implantes metálicos o claustrofobia. Si tiene alguna duda, consulte con un radiólogo o investigador calificado y excluya al participante del estudio si persiste alguna duda.
3. Explique el protocolo de estimulación visual y la necesidad de que los participantes se fijen en la cruz central durante las resonancias magnéticas funcionales. Muestre al participante una breve demostración de la estimulación visual con fines didácticos para que se familiarice con el procedimiento.
4. Coloque con cuidado al participante en la mesa del escáner de resonancia magnética para asegurarse de que esté cómodo y relajado. Proporcione tapones para los oídos y/o auriculares que amortigüen el sonido para reducir el ruido acústico que escuchará el participante para proteger su audición.
5. Inmovilice la cabeza del participante en la mitad posterior de la matriz de bobinas de la cabeza, utilizando un acolchado de espuma a los lados de la cabeza para asegurarse de que la cabeza esté correctamente inmovilizada para reducir los artefactos de movimiento. Utilice el sistema de posicionamiento del escáner y mueva la mesa hacia el orificio del escáner.
6. Coloque la pantalla de visión amplia o el espejo a 10 cm de los ojos del paciente (Figura 1B). Coloque la pantalla del tamaño del orificio de la parte posterior del orificio del escáner justo detrás de la bobina del cabezal. Ajuste la posición y el ángulo del espejo/pantalla para cada participante para lograr un ángulo de visión consistente.
7. Asegúrese de que el participante se sienta cómodo durante todo el escaneo a través de la comunicación a través del intercomunicador.

3. Exploración por resonancia magnética funcional del participante

1. Ejecute un escaneo del localizador con tres planos ortogonales y ajustes y calibraciones del escáner para el ajuste de frecuencia y la calza.
2. Ejecute un escaneo anatómico MP-RAGE para ayudar a posicionar los cortes EPI.
3. Cree estímulos visuales, como se describe en los siguientes pasos, utilizando un programa para ejecutar experimentos conductuales o psicológicos.
4. Al comienzo del protocolo de resonancia magnética funcional, indique al participante que se fije en la cruz blanca (3° x 3°), que debe estar encima de un fondo gris en el centro de los estímulos durante 10 segundos.
   NOTA: La cruz blanca se mostrará antes y después de cada paradigma de estimulación visual durante 10 s. Por lo tanto, la prueba total de estimulación de fMRI para cada paradigma es de 200 s.
5. Presentar el primer paradigma de estimulación visual (una serie de cuñas giratorias) durante un período de 30 s (dando una velocidad angular de 6°/s) y un ciclo a través de seis períodos. Los estímulos de cuña deben incluir 12 fotogramas de cuñas giratorias (una exploración con rotación en el sentido de las agujas del reloj y otra en sentido contrario a las agujas del reloj), que se extienden hasta el borde de la pantalla/espejo (campo visual de >100°), con un patrón de tablero de ajedrez en blanco y negro (100% de contraste) de 8 Hz que invierte el contraste (Figura 2A).
6. Presenta la cruz blanca una vez más durante 10 s.
7. Repita los pasos 3.4-3.6 con el segundo paradigma de estimulación visual (una serie de anillos que se expanden y contraen) durante un período de 30 s (expandiéndose o contrayéndose a 1,8°/s del campo visual) y realice un ciclo a través de seis períodos. Los estímulos de anillo deben incluir ocho fotogramas de anillos que se expanden o contraen (campo visual >100°), con un patrón de tablero de ajedrez en blanco y negro (100% de contraste) que invierte el contraste de 8 Hz (Figura 2B).
8. Después de completar la resonancia magnética funcional, saque la mesa del orificio del escáner mientras le indica al participante que permanezca quieto. Retire el espejo/pantalla, coloque la parte anterior de la bobina del cabezal además de la parte posterior y vuelva a colocar la mesa en el centro del escáner.
9. Adquiera un escaneo rápido del localizador en caso de cualquier movimiento y adquiera un escaneo MP-RAGE con la bobina de cabeza completa.
   NOTA: Se necesita una imagen anatómica con toda la bobina de la cabeza para un registro preciso para análisis de grupo y fines de reconstrucción.

4. Análisis de los datos de retinatoterapia de resonancia magnética funcional

1. Descargue e instale la aplicación FreeSurfer para el análisis de resonancia magnética (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)²⁰.
   NOTA: En este documento se utilizó la versión 5.3.0 de FreeSurfer.
2. Obtenga imágenes en formato Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) a partir del escáner de resonancia magnética. Convierta los archivos DICOM a formato nifti utilizando la aplicación dcm2niix (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)²¹.
3. Procese el escaneo ponderado en T1 para proporcionar una referencia de superficie cortical, como se describe en los dos pasos siguientes. Utilice FreeSurfer para convertir datos estructurales del formato nifti al formato .mgz (mri_convert comando).
4. Utilice el comando recon-all en un entorno de shell para realizar la segmentación automatizada y la reconstrucción cortical de los datos estructurales.
   NOTA: Este paso puede tardar más de 20 horas en completarse.
5. Utilice la interfaz gráfica de usuario tksurfer para ver el hemisferio inflado y cortar virtualmente la corteza visual a lo largo de la fisura calcarina, y seleccionar el lóbulo occipital. Utilice el comando mris_flatten para aplanar el parche de la corteza visual. Repite este paso para ambos hemisferios.
6. Para los datos de fMRI, primero elimine los períodos de descanso, con solo la cruz de fijación presentada, desde el inicio y el final de los datos. Examine los datos de la resonancia magnética funcional en busca de artefactos o movimientos grandes.
7. Preprocese los datos funcionales para el suavizado espacial y la corrección de movimiento. Modelar el paradigma del estímulo retinotópico y aplicar una función de respuesta hemodinámica canónica para construir la función de respuesta.
8. Realice un análisis retinotópico codificado en fase de los datos de fMRI utilizando el flujo de análisis funcional FreeSurfer (comandos mkanalysis-sess, selxavg3-sess y fieldsign-sess) para correlacionar la serie temporal de fMRI BOLD con una función de respuesta modelada y obtener mapas retinotópicos codificados en fase, con un nivel de significación de p < 0,01 (Figura 3).
9. Visualice los resultados de los mapas retinotópicos con mapas de activación codificados por colores superpuestos en la corteza visual prácticamente aplanada mediante el comando tksurfer-sess y visualícelos mediante el comando rtview.
10. Utilice los mapas retinotópicos codificados en fase de los estímulos de cuña para ayudar a definir los límites de la corteza visual primaria (V1) y otras áreas estriadas adicionales (V2 y V3) mediante mapas de signos de campo (Figura 3A), junto con puntos de referencia anatómicos y atlas de FreeSurfer.
11. Para calcular la respuesta BOLD a diferentes excentricidades, primero use FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) para calcular mapas estadísticos utilizando un modelo lineal general para cada tamaño de estímulos anulares con un umbral de puntuación z de Z > 2.3^22,23. Si se está realizando un análisis de grupo, calcule el análisis de segundo nivel para los mapas estadísticos de las diferencias de grupo con FSL Feat para ayudar a determinar la respuesta BOLD a diferentes excentricidades.
12. Registra conjuntamente las imágenes de resonancia magnética funcional en la superficie cortical reconstruida utilizando los comandos bbregister y tkregister2 de FreeSurfer para alinear los datos de resonancia magnética funcional del participante con la imagen estructural anatómica de su cerebro y garantizar una alineación espacial precisa.
13. Agrupa los estímulos del anillo por excentricidad para cada uno de los ocho fotogramas. Dibuje manualmente regiones de interés para diferentes excentricidades en función de las regiones de vóxel activadas para cada fotograma. Tome los cambios porcentuales en negrita y represéntelos en función de la excentricidad. Además, agrupe los datos de excentricidad en las regiones central (< ±12°) y periférica (> ±12°), donde un estímulo visual de ±12° es típico para los estudios de resonancia magnética funcional retinatópica.

Resultados

Nueve participantes diagnosticados con GPAA (cuatro varones, 36-74 años) y nueve voluntarios sanos de la misma edad (seis varones, 53-65) fueron evaluados utilizando el protocolo de resonancia magnética funcional de visión amplia antes mencionado, como lo describieron previamente Zhou et al³. La GPAA se confirmó clínicamente en pacientes con ángulo abierto mediante la evaluación de la presentación de defectos del campo visual compatibles con glaucoma, ahuecamiento del disco óptico y/o pre...

Discusión

El protocolo anterior para la utilización de la resonancia magnética funcional retinotópica de visión amplia es un método innovador para evaluar los efectos de la pérdida de visión y las enfermedades oculares en el cerebro. A través del mapeo retinotópico de campo amplio de la corteza visual con el uso de una pantalla de visión más amplia, este enfoque permite una comprensión más completa de la organización funcional del sistema visual. Esto podría conducir a una mejor comprensión de las anomalías en el ...

Materiales

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