Risonanza magnetica funzionale (fMRI) della corteccia visiva con stimolazione retinotopica ad ampio raggio

Riepilogo

Abbiamo sviluppato tecniche per mappare la funzione della corteccia visiva utilizzando una parte maggiore del campo visivo rispetto a quella comunemente utilizzata. Questo approccio ha il potenziale per migliorare la valutazione dei disturbi della vista e delle malattie degli occhi.

Abstract

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) ad alta risoluzione BOLD (Retinotopic Oxygenation Oxygenation Level-Dependence) con una presentazione ad ampio raggio può essere utilizzata per mappare funzionalmente la corteccia visiva periferica e centrale. Questo metodo per misurare i cambiamenti funzionali del cervello visivo consente la mappatura funzionale del lobo occipitale, stimolando >100° (±50°) o più del campo visivo, rispetto alle configurazioni di presentazione visiva fMRI standard che di solito coprono <30° del campo visivo. Un semplice sistema di stimolazione ad ampio raggio per la fMRI BOLD può essere impostato utilizzando i comuni proiettori compatibili con la risonanza magnetica posizionando un grande specchio o schermo vicino al viso del soggetto e utilizzando solo la metà posteriore di una bobina di testa standard per fornire un ampio angolo di visione senza ostruire la sua visione. La mappa fMRI retinotopica ad ampia visione può quindi essere visualizzata utilizzando vari paradigmi di stimolazione retinotopica e i dati possono essere analizzati per determinare l'attività funzionale delle regioni corticali visive corrispondenti alla visione centrale e periferica. Questo metodo fornisce un sistema di presentazione visiva pratico e facile da implementare che può essere utilizzato per valutare i cambiamenti nella corteccia visiva periferica e centrale dovuti a malattie oculari come il glaucoma e la perdita della vista che può accompagnarle.

Introduzione

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è un metodo prezioso per valutare i cambiamenti nella funzione neurovascolare regionale all'interno della corteccia visiva in risposta agli stimoli, poiché i cambiamenti nel flusso sanguigno regionale sono correlati all'attivazione delle regioni cerebrali ^1,2. Le misurazioni del segnale BOLD (Retinotopic Oxygenation Level-Dependent) ad alta risoluzione rappresentano cambiamenti nella deossiemoglobina, che sono guidati da cambiamenti localizzati nel flusso sanguigno e nell'ossigenazione del sangue all'interno del cervello ^1,2. I modelli di attività BOLD raccolti dai dati fMRI possono essere utilizzati per mappare funzionalmente la corteccia visiva periferica e centrale, nonché per rilevare i cambiamenti nella mappa retinotopica in risposta alla compromissione visiva e alla neurodegenerazione³.

La maggior parte dei precedenti studi di fMRI ha fatto uso di stimoli non retinotopici a visione ristretta (circa ±12° del campo visivo centrale) o di stimoli retinotopici semplici con stimoli visivi a visione ristretta, che hanno fornito una parcellazione funzionale limitata della rappresentazione retinotopica nella corteccia visiva e una valutazione limitata al solo campo visivo centrale, esclusa la periferia³. Di conseguenza, i dati fMRI a visione ristretta hanno riportato variazioni percentuali BOLD incoerenti nei pazienti affetti da glaucoma ^4,5,6. È quindi necessario migliorare gli approcci fMRI per valutare il campo visivo periferico e centrale, in particolare nella valutazione di malattie come il glaucoma.

Il glaucoma è la principale causa di cecità irreversibile e colpisce il 10% delle persone all'età di 80^anni. Il glaucoma è causato dalla neurodegenerazione progressiva e irreversibile delle cellule gangliari retiniche, responsabili della trasmissione degli stimoli visivi al cervello attraverso il nervo ottico. Nel glaucoma primario ad angolo aperto (POAG), la forma più comune di glaucoma, l'aumento della pressione intraoculare provoca l'assottigliamento dello strato di fibre nervose retiniche (RNFL), portando alla perdita della visione periferica seguita da cecità periferica e centrale 8,9,10,11. Le evidenze istologiche provenienti da studi sugli animali suggeriscono che il glaucoma provoca inoltre una progressiva neurodegenerazione del nervo ottico, del tratto ottico, del nucleo genicolato laterale, delle radiazioni ottiche e della corteccia visiva^12,13. La tecnologia MRI offre un metodo minimamente invasivo per valutare sia l'ossigenazione del sangue che la neurodegenerazione nella corteccia visiva. Nei pazienti con glaucoma, la risonanza magnetica ha trovato evidenza di atrofia della sostanza grigia nella via visiva 13,14,15,16 e sostanza bianca anomala nel chiasma ottico, nel tratto ottico e nella radiazione ottica ^1,17,18.

Per esplorare ulteriormente gli effetti sull'elaborazione visiva, la fMRI può essere utilizzata per rilevare la funzione cerebrale in risposta a segnali visivi. Il protocollo qui descritto descrive un nuovo metodo per ottenere una mappa retinotopica a basso costo e ad ampia visione utilizzando la risonanza magnetica funzionale ad alta risoluzione della retinotopia con stimoli ad ampio campo (>100°), come descritto da Zhou et al³. Gli stimoli visivi di anelli di espansione e cunei rotanti sono stati utilizzati per ottenere la mappatura retinotopica dell'eccentricità e dell'angolo polare per la fMRI. Le variazioni percentuali di fMRI BOLD sono state analizzate in funzione dell'eccentricità per valutare la funzione cerebrale, corrispondente sia alla visione centrale che a quella periferica. La variazione percentuale fMRI BOLD può essere utilizzata per visualizzare l'attivazione in tutta la corteccia visiva. Queste misure fMRI forniscono un nuovo metodo affidabile per valutare i cambiamenti neurodegenerativi e i loro effetti funzionali sulla corteccia visiva riscontrati nelle malattie oculari che coinvolgono difetti del campo visivo, come il glaucoma.

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Protocollo

La ricerca con partecipanti umani è stata eseguita in conformità con le linee guida istituzionali presso l'Health Science Center dell'Università del Texas e la Stony Brook University, con il consenso informato ottenuto dai partecipanti per questi studi e l'uso dei loro dati.

1. Impostazione dello scanner MRI e dei protocolli di imaging

1. Per la fMRI, utilizzare uno scanner MRI 3T con bobine di testa del ricevitore multicanale. È possibile utilizzare anche diverse intensità di campo, ma possono presentare difficoltà con il rapporto segnale/rumore (SNR) o artefatti di distorsione, quindi regolare di conseguenza. Utilizzare solo la metà posteriore della bobina di testa per la fMRI per consentire un angolo di visione più ampio non ostruito dalla metà anteriore della bobina.
2. Impostare una sequenza MP-RAGE (Rapid Acquisition Gradient Echo) preparata per la magnetizzazione pesata in T1 con un tempo di ripetizione (TR) di 2,2 s, un tempo di eco (TE) di 2,8 ms, un campo visivo (FOV) di 176 mm x 256 mm x 208 mm, una risoluzione spaziale di 1 mm x 1 mm x 1 mm, una larghezza di banda di 190 Hz/pixel, un angolo di ribaltamento di 13°, e una durata di scansione di 3,1 min³.
3. Impostare una sequenza di imaging ecoplanare (EPI) con eco a gradiente con TR di 2 s, TE di 30 ms, FOV di 220 mm x 220 mm, risoluzione in piano di 1,7 mm x 1,7 mm, 29 sezioni con uno spessore di 3 mm e una larghezza di banda di 1.500 Hz/pixel³.
4. Misurare le dimensioni della bobina della testa e del foro dello scanner, quindi costruire un telaio semplice tagliando un tubo in cloruro di polivinile (PVC) in lunghezze adeguate e collegandoli con gomiti in PVC. Procuratevi uno specchio largo almeno 25 cm e alto 15 cm e fissatelo a un'asta di plastica con delle viti (si possono praticare dei piccoli fori nello specchio).
   1. Fissare le estremità dell'asta di plastica al telaio in PVC con viti di nylon (Figura 1A). Assicurarsi che le viti di nylon siano leggermente allentate per consentire la rotazione manuale dello specchio per ottimizzare l'angolazione per ogni partecipante.
5. Crea uno schermo per andare all'interno del foro della risonanza magnetica. Tagliare un segmento di uno schermo di retroproiezione che abbia all'incirca le dimensioni del foro della risonanza magnetica. Costruisci un telaio delle dimensioni del foro e fissa lo schermo al telaio con le viti. Posiziona lo schermo all'interno dello scanner appena dietro la bobina della testa per ridurre al minimo la distanza tra lo schermo e lo specchio e massimizzare il FOV.
   NOTA: Se il foro dello scanner è sufficientemente grande, è possibile utilizzare un singolo schermo per consentire al partecipante di visualizzare direttamente al posto della configurazione dello specchio e dello schermo di retroproiezione. Uno schermo di proiezione attaccato a un sottile foglio di legno per il supporto o un foglio di plastica bianca opaca sottile può essere utilizzato come schermo e posizionato sulla cornice al posto di uno specchio. Il proiettore deve quindi essere posizionato e messo a fuoco, in modo che riempia lo schermo e sia a fuoco.

2. Preparazione dei partecipanti

1. Informare il partecipante sulla procedura, sui rischi e sui benefici della scansione fMRI. Ottenere il loro consenso informato.
2. Assicurarsi che il partecipante non abbia controindicazioni alla risonanza magnetica. Ciò include lo screening per pacemaker, impianti metallici o claustrofobia. In caso di incertezza, consultare un radiologo o un ricercatore qualificato ed escludere il partecipante dallo studio se permangono incertezze.
3. Spiegare il protocollo di stimolazione visiva e la necessità per i partecipanti di fissarsi sulla croce centrale durante le scansioni fMRI. Mostrare al partecipante una breve dimostrazione della stimolazione visiva a scopo didattico per familiarizzare con la procedura.
4. Posizionare con cura il partecipante sul tavolo dello scanner MRI per assicurarsi che sia comodo e rilassato. Fornisci tappi per le orecchie e/o cuffie fonoassorbenti per ridurre il rumore acustico che il partecipante sentirà per proteggere il suo udito.
5. Immobilizzare la testa del partecipante nella metà posteriore dell'array di spirali di testa, utilizzando un'imbottitura in schiuma ai lati della testa per garantire che la testa sia adeguatamente immobilizzata per ridurre gli artefatti da movimento. Utilizzare il sistema di posizionamento dello scanner e spostare il tavolo nel foro dello scanner.
6. Posizionare lo schermo grandangolare o lo specchio a 10 cm dagli occhi del paziente (Figura 1B). Posizionare lo schermo delle dimensioni del foro dal retro del foro dello scanner appena dietro la bobina della testa. Regolare la posizione e l'angolazione dello specchio/schermo per ciascun partecipante per ottenere un angolo di visione coerente.
7. Assicurarsi che il partecipante si senta a proprio agio durante la scansione tramite la comunicazione tramite l'interfono.

3. Scansione fMRI del partecipante

1. Eseguire una scansione del localizzatore con tre piani ortogonali e regolazioni e calibrazioni dello scanner per la regolazione della frequenza e lo spessore.
2. Eseguire una scansione anatomica MP-RAGE per aiutare a posizionare le fette EPI.
3. Creare stimoli visivi, come descritto nei passaggi seguenti, utilizzando un programma per l'esecuzione di esperimenti comportamentali o psicologici.
4. All'inizio del protocollo fMRI, istruire il partecipante a fissarsi sulla croce bianca (3° x 3°), che dovrebbe essere in cima a uno sfondo grigio al centro degli stimoli per 10 secondi.
   NOTA: La croce bianca verrà mostrata prima e dopo ogni paradigma di stimolazione visiva per 10 secondi. Pertanto, il test di stimolazione fMRI totale per ciascun paradigma è di 200 s.
5. Presentare il primo paradigma di stimolazione visiva (una serie di cunei rotanti) per un periodo di 30 s (con una velocità angolare di 6°/s) e passare attraverso sei periodi. Gli stimoli a cuneo dovrebbero includere 12 fotogrammi di cunei rotanti (una scansione con rotazione in senso orario e una con rotazione in senso antiorario), che si estendono fino al bordo dello schermo/specchio (campo visivo >100°), con un motivo a scacchiera in bianco e nero (contrasto al 100%) a 8 Hz (Figura 2A).
6. Presenta ancora una volta la croce bianca per 10 s.
7. Ripetere i passaggi 3.4-3.6 con il secondo paradigma di stimolazione visiva (una serie di anelli che si espandono e si contraggono) per un periodo di 30 s (espandendosi o contraendosi a 1,8°/s del campo visivo) e passare attraverso sei periodi. Gli stimoli dell'anello dovrebbero includere otto fotogrammi di anelli che si espandono o si contraggono (campo visivo >100°), con un motivo a scacchiera in bianco e nero (contrasto al 100%) a 8 Hz (Figura 2B).
8. Dopo aver completato la fMRI, spostare il tavolo fuori dal foro dello scanner mentre si istruisce il partecipante a rimanere fermo. Rimuovere lo specchio/schermo, posizionare la parte anteriore della bobina della testa oltre a quella posteriore e riportare il tavolo al centro dello scanner.
9. Acquisisci una scansione rapida del localizzatore in caso di movimento e acquisisci una scansione MP-RAGE con la bobina della testina completa.
   NOTA: È necessaria un'immagine anatomica con l'intera spirale della testa per una registrazione accurata per le analisi di gruppo e la ricostruzione.

4. Analisi dei dati della fMRI retinotopica

1. Scaricare e installare l'applicazione FreeSurfer per l'analisi MRI (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)²⁰.
   NOTA: La versione 5.3.0 di FreeSurfer è stata utilizzata in questo documento.
2. Ottenere immagini in formato DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) dallo scanner MRI. Converti i file DICOM in formato nifti utilizzando l'applicazione dcm2niix (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)²¹.
3. Elaborare la scansione pesata in T1 per fornire un riferimento alla superficie corticale, come descritto nei due passaggi seguenti. Utilizzare FreeSurfer per convertire i dati strutturali dal formato nifti al formato .mgz (comando mri_convert).
4. Utilizzare il comando recon-all in un ambiente shell per eseguire la segmentazione automatica e la ricostruzione corticale dei dati strutturali.
   NOTA: questo passaggio può richiedere più di 20 ore per essere completato.
5. Utilizzare l'interfaccia utente grafica tksurfer per visualizzare l'emisfero gonfiato e tagliare virtualmente la corteccia visiva lungo la fessura calcarina e selezionare il lobo occipitale. Usate il comando mris_flatten per appiattire la patch della corteccia visiva. Ripeti questo passaggio per entrambi gli emisferi.
6. Per i dati fMRI, rimuovere prima i periodi di riposo, con solo la croce di fissazione presentata, dall'inizio e dalla fine dei dati. Esamina i dati fMRI per artefatti o movimenti di grandi dimensioni.
7. Pre-elaborazione dei dati funzionali per l'attenuazione spaziale e la correzione del movimento. Modella il paradigma dello stimolo retinotopico e applica una funzione di risposta emodinamica canonica per costruire la funzione di risposta.
8. Eseguire l'analisi retinotopica con codifica di fase dei dati fMRI utilizzando il flusso di analisi funzionale FreeSurfer (comandi mkanalysis-sess, selxavg3-sess e fieldsign-sess) per correlare la serie temporale fMRI BOLD con una funzione di risposta modellata e ottenere mappe retinotopiche codificate in fase, con un livello di significatività di p < 0,01 (Figura 3).
9. Visualizza i risultati delle mappe retinotopiche con mappe di attivazione codificate a colori sovrapposte alla corteccia visiva virtualmente appiattita utilizzando il comando tksurfer-sess e visualizza utilizzando il comando rtview.
10. Utilizzare le mappe retinotopiche codificate in fase dagli stimoli a cuneo per definire i confini della corteccia visiva primaria (V1) e di altre aree striate extra (V2 e V3) mediante mappe dei segni di campo (Figura 3A), insieme a punti di riferimento anatomici e atlanti FreeSurfer.
11. Per calcolare la risposta BOLD a diverse eccentricità, utilizzare prima FSL Feat (^{http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl}) per calcolare mappe statistiche utilizzando un modello lineare generale per ogni dimensione di stimoli ad anello con una soglia di punteggio z di Z > 2.3 ^22,23. Se viene eseguita l'analisi di gruppo, calcolare l'analisi di secondo livello per le mappe statistiche delle differenze di gruppo con FSL Feat per aiutare a determinare la risposta BOLD a diverse eccentricità.
12. Co-registrare le immagini fMRI sulla superficie corticale ricostruita utilizzando i comandi bbregister e tkregister2 di FreeSurfer per allineare i dati fMRI del partecipante all'immagine strutturale anatomica del cervello e garantire un allineamento spaziale accurato.
13. Raggruppa gli stimoli dell'anello in base all'eccentricità per ciascuno degli otto fotogrammi. Disegna manualmente le regioni di interesse per le diverse eccentricità in base alle regioni voxel attivate per ogni fotogramma. Prendi le variazioni percentuali BOLD e tracciale in funzione dell'eccentricità. Inoltre, suddividere i dati di eccentricità in regioni centrali (< ±12°) e periferiche (> ±12°), dove uno stimolo visivo di ±12° è tipico per gli studi di fMRI retinotopici.

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Risultati

Nove partecipanti con diagnosi di POAG (quattro maschi, 36-74 anni) e nove volontari sani di pari età (sei maschi, 53-65) sono stati valutati utilizzando il suddetto protocollo fMRI ad ampia visione, come precedentemente descritto da Zhou et al³. La POAG è stata confermata clinicamente nei pazienti con angolo aperto mediante la valutazione della presentazione di difetti del campo visivo coerenti con glaucoma, coppettazione del disco ottico e/o pressione intraoculare (IOP) superiore a 21 mmHg

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Discussione

Il protocollo di cui sopra per l'utilizzo della fMRI retinotopica ad ampia visione è un metodo innovativo per valutare gli effetti della perdita della vista e delle malattie oculari sul cervello. Attraverso la mappatura retinotopica ad ampio campo della corteccia visiva con l'uso di uno schermo a visione più ampia, questo approccio consente una comprensione più completa dell'organizzazione funzionale del sistema visivo. Ciò potrebbe portare a una migliore comprensione delle anomalie nel sistema di elaborazione visiva...

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Materiali

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