Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) du cortex visuel avec stimulation rétinotopique à grand angle

Résumé

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.

Résumé

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 visuel^12,13. 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.

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Protocole

La recherche avec des participants humains a été réalisée conformément aux directives institutionnelles du Centre des sciences de la santé de l’Université du Texas et de l’Université Stony Brook, avec le consentement éclairé obtenu des participants pour ces études et l’utilisation de leurs données.

1. Mise en place des protocoles d’IRM et d’imagerie

1. Pour l’IRMf, utilisez un scanner IRM 3T avec des bobines de tête de réception multicanaux. Différentes intensités de champ peuvent également être utilisées, mais peuvent présenter des difficultés avec le rapport signal/bruit (SNR) ou les artefacts de distorsion, alors ajustez en conséquence. N’utilisez que la moitié postérieure de la bobine de tête pour l’IRMf afin de permettre un angle de vision plus grand non obstrué par la moitié antérieure de la bobine.
2. Configurer une séquence d’écho de gradient d’acquisition rapide (MP-RAGE) pondérée en T1 avec un temps de répétition (TR) de 2,2 s, un temps d’écho (TE) de 2,8 ms, un champ de vision (FOV) de 176 mm x 256 mm x 208 mm, une résolution spatiale de 1 mm x 1 mm x 1 mm, une bande passante de 190 Hz/pixel, un angle de retournement de 13°, et une durée de balayage de 3,1 min³.
3. Configurez une séquence d’imagerie échoplanaire (EPI) à écho de gradient avec un TR de 2 s, un TE de 30 ms, un champ de vision de 220 mm x 220 mm, une résolution dans le plan de 1,7 mm x 1,7 mm, 29 tranches d’une épaisseur de 3 mm et une bande passante de 1 500 Hz/pixel³.
4. Mesurez les dimensions de la bobine de tête et de l’alésage du scanner, puis construisez un cadre simple en coupant un tuyau en polychlorure de vinyle (PVC) en longueurs appropriées et en les reliant avec des coudes en PVC. Procurez-vous un miroir d’au moins 25 cm de large et 15 cm de haut et fixez-le à une tige en plastique à l’aide de vis (de petits trous peuvent être percés dans le miroir).
   1. Fixez les extrémités de la tige en plastique au cadre en PVC à l’aide de vis en nylon (Figure 1A). Assurez-vous que les vis en nylon sont légèrement desserrées pour permettre de faire pivoter le miroir à la main afin d’optimiser l’angle pour chaque participant.
5. Faites un écran pour aller à l’intérieur de l’alésage de l’IRM. Découpez un segment d’un écran de rétroprojection d’environ la taille de l’alésage de l’IRM. Construisez un cadre de la taille de l’alésage et fixez l’écran au cadre avec des vis. Placez l’écran à l’intérieur du scanner juste derrière la bobine de tête pour minimiser la distance entre l’écran et le miroir et maximiser le champ de vision.
   REMARQUE : Si l’alésage du scanner est suffisamment grand, un seul écran peut être utilisé pour que le participant puisse voir directement au lieu de la configuration du miroir et de l’écran de rétroprojection. Un écran de projection fixé à une fine feuille de bois en guise de support ou une fine feuille de plastique blanc mat peut être utilisé comme écran et placé sur le cadre à la place d’un miroir. Le projecteur doit ensuite être positionné et mis au point, de manière à remplir l’écran et à être net.

2. Préparation des participants

1. Informez le participant de la procédure, des risques et des avantages de l’IRMf. Obtenir leur consentement éclairé.
2. Assurez-vous que le participant n’a pas de contre-indications à l’IRM. Cela inclut le dépistage des stimulateurs cardiaques, des implants métalliques ou de la claustrophobie. Si vous avez des doutes, consultez un radiologue ou un chercheur qualifié et excluez le participant de l’étude s’il subsiste une incertitude.
3. Expliquez le protocole de stimulation visuelle et la nécessité pour les participants de se fixer sur la croix centrale pendant les examens par IRMf. Montrez au participant une courte démonstration de la stimulation visuelle à des fins pédagogiques pour le familiariser avec la procédure.
4. Positionnez soigneusement le participant sur la table de l’appareil d’IRM pour vous assurer qu’il est à l’aise et détendu. Prévoyez des bouchons d’oreille et/ou un casque d’écoute insonorisant pour réduire le bruit acoustique que le participant entendra afin de protéger son ouïe.
5. Immobiliser la tête du participant dans la moitié postérieure de la bobine de tête, en utilisant un rembourrage en mousse sur les côtés de la tête pour s’assurer que la tête est correctement immobilisée afin de réduire les artefacts de mouvement. Utilisez le système de positionnement du scanner et déplacez la table dans l’alésage du scanner.
6. Placez l’écran large ou le miroir à 10 cm des yeux du patient (Figure 1B). Placez l’écran de la taille d’un alésage à l’arrière de l’alésage du scanner, juste derrière la bobine de tête. Ajustez la position et l’angle du miroir/écran pour chaque participant afin d’obtenir un angle de vision cohérent.
7. Assurez-vous que le participant est à l’aise tout au long de la numérisation via la communication via l’interphone.

3. IRMf du participant

1. Exécutez un balayage d’alignement de piste avec trois plans orthogonaux et des réglages et étalonnages du scanner pour le réglage de la fréquence et le calage.
2. Exécutez un scan anatomique MP-RAGE pour aider à positionner les tranches EPI.
3. Créez des stimuli visuels, comme décrit dans les étapes suivantes, à l’aide d’un programme permettant d’exécuter des expériences comportementales ou psychologiques.
4. Au début du protocole d’IRMf, demandez au participant de se fixer sur la croix blanche (3° x 3°), qui doit être au-dessus d’un fond gris au centre des stimuli pendant 10 s.
   REMARQUE : La croix blanche sera affichée avant et après chaque paradigme de stimulation visuelle pendant 10 s. Ainsi, le test de stimulation IRMf total pour chaque paradigme est de 200 s.
5. Présenter le premier paradigme de stimulation visuelle (une série de coins rotatifs) pendant une période de 30 s (ce qui donne une vitesse angulaire de 6°/s) et parcourir six périodes. Les stimuli en forme de coin doivent comprendre 12 images de coins rotatifs (une avec balayage dans le sens des aiguilles d’une montre et une dans le sens inverse des aiguilles d’une montre), s’étendant jusqu’au bord de l’écran/miroir (champ visuel de >100°), avec un motif en damier noir et blanc à inversion de contraste de 8 Hz (contraste de 100 %) (Figure 2A).
6. Présentez à nouveau la croix blanche pendant 10 s.
7. Répétez les étapes 3.4 à 3.6 avec le deuxième paradigme de stimulation visuelle (une série d’anneaux d’expansion et de contraction) pendant une période de 30 s (dilatation ou contraction à 1,8 °/s du champ visuel) et faites un cycle de six périodes. Les stimuli en anneau doivent comprendre huit images d’anneaux en expansion ou en contraction (champ visuel de >100°), avec un motif en damier noir et blanc (contraste de 100 %) à inversion de contraste de 8 Hz (Figure 2B).
8. Après avoir terminé l’IRMf, sortez la table de l’alésage du scanner tout en demandant au participant de rester immobile. Retirez le miroir/l’écran, placez la partie antérieure de la bobine de tête en plus de la partie postérieure et replacez la table au centre du scanner.
9. Procurez-vous un balayage rapide de l’alignement de piste en cas de mouvement et obtenez un balayage MP-RAGE avec la bobine de tête complète.
   REMARQUE : Une image anatomique avec l’ensemble de la bobine de tête est nécessaire pour un enregistrement précis pour les analyses de groupe et les besoins de reconstruction.

4. Analyse des données d’IRMf rétinotopique

1. Téléchargez et installez l’application FreeSurfer pour l’analyse IRM (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)²⁰.
   NOTE : La version 5.3.0 de FreeSurfer a été utilisée ici.
2. Obtenez des images au format DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) à partir du scanner IRM. Convertissez les fichiers DICOM au format nifti à l’aide de l’application dcm2niix (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)²¹.
3. Traitez l’analyse pondérée T1 pour fournir une référence de surface corticale, comme décrit dans les deux étapes suivantes. Utilisez FreeSurfer pour convertir des données structurelles du format nifti au format .mgz (commande mri_convert).
4. Utilisez la commande recon-all dans un environnement shell pour effectuer une segmentation automatisée et une reconstruction corticale des données structurelles.
   REMARQUE : Cette étape peut prendre plus de 20 heures.
5. Utilisez l’interface utilisateur graphique tksurfer pour visualiser l’hémisphère gonflé et couper virtuellement le cortex visuel le long de la fissure calcarine, puis sélectionnez le lobe occipital. Utilisez la commande mris_flatten pour aplatir le patch du cortex visuel. Répétez cette étape pour les deux hémisphères.
6. Pour les données IRMf, supprimez d’abord les périodes de repos, avec seulement la croix de fixation présentée, du début et de la fin des données. Examinez les données d’IRMf à la recherche d’artefacts ou de mouvements importants.
7. Prétraitez les données fonctionnelles pour le lissage spatial et la correction du mouvement. Modélisez le paradigme du stimulus rétinotopique et appliquez une fonction de réponse hémodynamique canonique pour construire la fonction de réponse.
8. Effectuez une analyse rétinotopique codée en phase des données IRMf à l’aide du flux d’analyse fonctionnelle FreeSurfer (commandes mkanalysis-sess, selxavg3-sess et fieldsign-sess) pour corréler la série temporelle IRMf BOLD avec une fonction de réponse modélisée et obtenir des cartes rétinotopiques codées en phase, avec un niveau de signification de p < 0,01 (Figure 3).
9. Visualisez les résultats des cartes rétinotopiques avec des cartes d’activation codées par couleur superposées sur le cortex visuel virtuellement aplati à l’aide de la commande tksurfer-sess et affichez-les à l’aide de la commande rtview.
10. Utilisez les cartes rétinotopiques codées en phase à partir des stimuli en coin pour aider à définir les limites du cortex visuel primaire (V1) et d’autres zones extra-striées (V2 et V3) à l’aide de cartes de signalisation de terrain (Figure 3A), ainsi que de points de repère anatomiques et d’atlas FreeSurfer.
11. Pour calculer la réponse BOLD à différentes excentricités, utilisez d’abord FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) pour calculer des cartes statistiques à l’aide d’un modèle linéaire général pour chaque taille de stimuli en anneau avec un seuil de score z de Z > 2,3^22,23. Si une analyse de groupe est en cours, calculez l’analyse de deuxième niveau pour les cartes statistiques des différences de groupe avec FSL Feat pour aider à déterminer la réponse BOLD à différentes excentricités.
12. Co-enregistrez les images IRMf sur la surface corticale reconstruite à l’aide des commandes bbregister et tkregister2 de FreeSurfer pour aligner les données IRMf du participant sur l’image structurelle anatomique de son cerveau et assurer un alignement spatial précis.
13. Regroupez les stimuli en anneau par excentricité pour chacune des huit images. Dessinez manuellement des régions d’intérêt pour différentes excentricités en fonction des régions de voxel activées pour chaque image. Prenez les changements en pourcentage en gras et tracez-les en fonction de l’excentricité. De plus, regroupez les données d’excentricité dans les régions centrales (< ±12°) et périphériques (> ±12°), où un stimulus visuel de ±12° est typique des études d’IRMf rétinotopique.

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Résultats

Neuf participants diagnostiqués avec POAG (quatre hommes, âgés de 36 à 74 ans) et neuf volontaires sains appariés selon l’âge (six hommes, âgés de 53 à 65 ans) ont été évalués à l’aide du protocole d’IRMf à large vision susmentionné, tel que décrit précédemment par Zhou et al³. Le POAG a été confirmé cliniquement chez les patients présentant un angle ouvert par l’évaluation de la présentation de défauts du champ visuel compatibles avec un glaucome, une ventouse di...

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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...

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matériels

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