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요약

우리는 일반적으로 사용되는 것보다 더 많은 시야를 활용하여 시각 피질 기능을 매핑하는 기술을 개발했습니다. 이 접근법은 시력 장애 및 안과 질환의 평가를 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

초록

광시야각 표현이 가능한 고해상도 망막소 혈액 산소화 수준 의존적(BOLD) 기능적 자기 공명 영상(fMRI)을 사용하여 주변 및 중추 시각 피질을 기능적으로 매핑할 수 있습니다. 시각 뇌의 기능적 변화를 측정하는 이 방법은 일반적으로 시야의 <30°를 커버하는 표준 fMRI 시각적 프레젠테이션 설정에 비해 시야의 >100°(±50°) 이상을 자극하여 후두엽의 기능적 매핑을 가능하게 합니다. BOLD fMRI를 위한 간단한 광시야각 자극 시스템은 피사체의 얼굴 가까이에 대형 거울이나 스크린을 배치하고 표준 헤드 코일의 뒤쪽 절반만 사용하여 시야를 방해하지 않고 넓은 시야각을 제공하여 일반적인 MR 호환 프로젝터를 사용하여 설정할 수 있습니다. 그런 다음 다양한 망막권 자극 패러다임을 사용하여 광시야각 망막소 fMRI 맵을 이미지화할 수 있으며, 데이터를 분석하여 중심 및 주변 시력에 해당하는 시각 피질 영역의 기능적 활성을 결정할 수 있습니다. 이 방법은 녹내장과 같은 안과 질환 및 이에 수반될 수 있는 시력 상실로 인한 주변 및 중추 시각 피질의 변화를 평가하는 데 사용할 수 있는 실용적이고 구현하기 쉬운 시각적 표현 시스템을 제공합니다.

서문

기능적 자기공명영상(fMRI)은 국소 혈류의 변화가 뇌 영역의 활성화와 상관관계가 있기 때문에 자극에 반응하여 시각 피질 내 국소 신경혈관 기능의 변화를 평가하는 데 유용한 방법입니다 1,2. 고분해능 망막소 혈액 산소화 수준 의존적(BOLD) 신호 측정은 뇌 내 혈류 및 혈액 산소화의 국소적 변화에 의해 유발되는 디옥시헤모글로빈의 변화를 나타냅니다 1,2. fMRI 데이터에서 수집된 대담한 활동 패턴은 말초 및 중추 시각 피질을 기능적으로 매핑하는 데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 시각 장애 및 신경 퇴행에 대한 반응으로 망막 토픽 맵의 변화를 감지하는 데 사용할 수 있습니다3.

대부분의 이전 fMRI 연구는 좁은 시야(중심 시야의 약 ±12°) 비망막 자극 또는 좁은 시야의 시각 자극을 동반한 단순 망막 자극을 사용했는데, 이는 시각 피질에서 망막 표현의 제한된 기능적 구획화를 제공하고 주변부를 제외한 중심 시야에만 제한적인 평가를 제공했다3. 결과적으로, 협시야 fMRI 데이터는 녹내장 환자에서 일관되지 않은 BOLD 퍼센트 변화를 보고했다 4,5,6. 따라서 특히 녹내장과 같은 질병을 평가할 때 주변 및 중심 시야를 평가하기 위한 개선된 fMRI 접근 방식이 필요합니다.

녹내장은 비가역적 실명의 주요 원인으로, 80세까지 10%의 사람들에게 영향을 미친다7. 녹내장은 시신경을 통해 시각 자극을 뇌로 전달하는 역할을 하는 망막 신경절 세포의 진행성 비가역적 신경 퇴화로 인해 발생합니다. 녹내장의 가장 흔한 형태인 원발성 개방각 녹내장(POAG)의 경우, 안압이 상승하면 망막 신경 섬유층(RNFL)이 얇아져 주변 시야가 상실되고 말초 및 중추 실명이 뒤따른다 8,9,10,11. 동물 연구의 조직학적 증거에 따르면 녹내장은 시신경, 시신경, 외측 생식핵, 시신경 방사선 및 시각 피질의 점진적인 신경 퇴행을 추가로 초래합니다12,13. MRI 기술은 시각 피질의 혈액 산소 공급과 신경 퇴화를 모두 평가하는 최소 침습 방법을 제공합니다. 녹내장 환자에서 MRI는 시각 경로(13,14,15,16)에서 회백질 위축의 증거를 발견하였고, 시신경, 시신경 및 시신경 방사선(1,17,18)에서 비정상적인 백질의 증거를 발견하였다.

시각 처리에 미치는 영향을 더 자세히 조사하기 위해 fMRI를 사용하여 시각적 신호에 반응하는 뇌 기능을 감지할 수 있습니다. 본 명세서의 프로토콜은 Zhou et al3에 의해 기술된 바와 같이, 광시야(>100°) 자극을 갖는 고분해능 망막근 fMRI를 사용하여 저비용, 광시야 망막국소 맵을 획득하는 새로운 방법을 기술한다. fMRI의 편심률과 극각의 망막소 매핑을 유도하기 위해 팽창하는 고리와 회전하는 쐐기의 시각적 자극을 사용했습니다. BOLD fMRI 퍼센트 변화는 중심 시력과 주변 시력 모두에 해당하는 뇌 기능을 평가하기 위해 편심률의 함수로 분석되었습니다. BOLD fMRI 퍼센트 변화는 시각 피질 전체의 활성화를 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 fMRI 측정은 녹내장과 같은 시야 결함과 관련된 안과 질환에서 발견되는 시각 피질에 대한 신경 퇴행성 변화와 기능적 영향을 평가하는 신뢰할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다.

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프로토콜

인간 참가자를 대상으로 한 연구는 텍사스 대학교 보건 과학 센터와 스토니 브룩 대학교의 기관 지침에 따라 수행되었으며, 이러한 연구 및 데이터 사용에 대해 참가자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다.

1. MRI 스캐너 및 영상 프로토콜 설정

  1. fMRI의 경우 다중 채널 수신기 헤드 코일이 있는 3T MRI 스캐너를 사용하십시오. 다른 전계 강도도 사용할 수 있지만 신호 대 잡음비(SNR) 또는 왜곡 아티팩트에 어려움이 있을 수 있으므로 그에 따라 조정하십시오. fMRI의 경우 헤드 코일의 뒤쪽 절반만 사용하여 코일의 앞쪽 절반에 의해 방해받지 않고 더 큰 시야각을 허용합니다.
  2. 반복 시간(TR) 2.2초, 에코 시간(TE) 2.8ms, 시야(FOV) 176mm x 256mm x 208mm, 공간 분해능 1mm x 1mm x 1mm, 대역폭 190Hz/픽셀, 플립 각도 13°, 스캔 지속 시간 3.1분3.
  3. TR 2s, TE 30ms, FOV 220mm x 220mm, 평면 내 해상도 1.7mm x 1.7mm, 두께 3mm의 슬라이스 29개, 대역폭 1,500Hz/pixel3로 그래디언트-에코, 에코-평면 이미징(EPI) 시퀀스를 설정합니다.
  4. 헤드 코일과 스캐너 보어의 치수를 측정한 다음 폴리염화비닐(PVC) 파이프를 적절한 길이로 절단하고 PVC 엘보우로 연결하여 간단한 프레임을 구성합니다. 너비 25cm, 높이 15cm 이상의 거울을 구하여 나사로 플라스틱 막대에 부착합니다(거울에 작은 구멍을 뚫을 수 있음).
    1. 나일론 나사를 사용하여 플라스틱 막대의 끝을 PVC 프레임에 부착합니다(그림 1A). 각 참가자의 각도를 최적화하기 위해 거울을 손으로 회전할 수 있도록 나일론 나사가 약간 느슨한지 확인하십시오.
  5. MRI 구멍 안으로 들어갈 화면을 만드십시오. MRI 보어와 비슷한 크기의 리어 프로젝션 스크린 세그먼트를 자릅니다. 보어 크기의 프레임을 구성하고 나사로 프레임에 스크린을 부착합니다. 헤드 코일 바로 뒤에 있는 스캐너 내부에 화면을 배치하여 화면과 미러 사이의 거리를 최소화하고 FOV를 최대화합니다.
    알림: 스캐너 보어가 충분히 큰 경우 참가자가 거울 및 후면 프로젝션 화면 설정 대신 직접 볼 수 있는 단일 화면을 사용할 수 있습니다. 뒷면을 위해 얇은 나무판에 부착된 프로젝션 스크린이나 얇은 무광택 흰색 플라스틱 시트를 스크린으로 사용하여 거울 대신 프레임에 놓을 수 있습니다. 그런 다음 프로젝터가 화면을 채우고 초점이 맞춰지도록 프로젝터를 배치하고 초점을 맞춰야 합니다.

2. 참가자 준비

  1. 참가자에게 fMRI 스캔의 절차, 위험 및 이점에 대해 알립니다. 정보에 입각한 동의를 얻습니다.
  2. 참가자가 MRI에 대한 금기 사항이 없는지 확인하십시오. 여기에는 심박 조율기, 금속 임플란트 또는 밀실 공포증에 대한 선별 검사가 포함됩니다. 불확실성이 있는 경우 자격을 갖춘 방사선 전문의 또는 연구원과 상의하고 불확실성이 남아 있는 경우 참가자를 연구에서 제외하십시오.
  3. 시각적 자극 프로토콜과 참가자가 fMRI 스캔 중에 중앙 십자가에 고정해야 할 필요성을 설명합니다. 참가자가 절차에 익숙해지도록 교육 목적으로 시각적 자극에 대한 짧은 시연을 보여줍니다.
  4. 참가자가 편안하고 편안한지 확인하기 위해 MRI 스캐너의 테이블 위에 참가자를 조심스럽게 배치합니다. 귀마개 및/또는 소음 감쇠 헤드셋을 제공하여 참가자가 듣게 되는 음향 소음을 줄여 청력을 보호하십시오.
  5. 머리 측면에 폼 패딩을 사용하여 참가자의 머리를 헤드 코일 어레이의 뒤쪽 절반에 고정하여 머리가 적절하게 고정되어 모션 아티팩트를 줄입니다. 스캐너의 포지셔닝 시스템을 사용하여 테이블을 스캐너 구멍으로 옮깁니다.
  6. 와이드 배치view 스크린 또는 거울은 환자의 눈에서 10cm 떨어져 있습니다(그림 1B). 헤드 코일 바로 뒤에 있는 스캐너 보어 뒷면의 보어 크기 스크린을 놓습니다. 일관된 시야각을 얻기 위해 각 참가자에 대해 미러/화면의 위치와 각도를 조정합니다.
  7. 참가자가 인터콤을 통한 통신 을 통해 스캔하는 동안 편안한지 확인하십시오.

3. 참가자의 fMRI 스캔

  1. 3개의 직교 평면과 스캐너 조정 및 주파수 조정 및 shim을 위한 보정을 사용하여 로컬라이저 스캔을 실행합니다.
  2. MP-RAGE 해부학적 스캔을 실행하여 EPI 슬라이스를 배치합니다.
  3. 행동 또는 심리 실험을 실행하기 위한 프로그램을 사용하여 다음 단계에 설명된 대로 시각적 자극을 만듭니다.
  4. fMRI 프로토콜을 시작할 때 참가자에게 10초 동안 자극 중심의 회색 배경 위에 있어야 하는 흰색 십자가(3° x 3°)에 고정하도록 지시합니다.
    알림: 흰색 십자가는 각 시각적 자극 패러다임 전후에 10초 동안 표시됩니다. 따라서 각 패러다임에 대한 총 fMRI 자극 테스트는 200초입니다.
  5. 30초(6°/s의 각속도 제공) 동안 첫 번째 시각적 자극 패러다임(일련의 회전 쐐기)을 제시하고 6주기를 순환합니다. 쐐기 자극에는 8Hz 대비 반전 흑백(100% 대비) 바둑판 패턴과 함께 화면/거울의 가장자리(>100° 시야)까지 확장되는 회전 쐐기 프레임의 12개 프레임(시계 방향 회전 스캔 1개, 시계 반대 방향 스캔 1개)이 포함되어야 합니다(그림 2A).
  6. 흰색 십자가를 다시 한 번 10초 동안 제시합니다.
  7. 3.4초 동안(시야의 1.8°/s에서 확장 또는 수축) 두 번째 시각 자극 패러다임(일련의 확장 및 수축 고리)으로 3.4-3.6단계를 반복하고 6주기를 순환합니다. 고리 자극에는 8Hz 대비 반전 흑백(100% 대비) 바둑판 패턴이 있는 팽창 또는 수축 고리(>100° 시야)의 8개 프레임이 포함되어야 합니다(그림 2B).
  8. fMRI를 완료한 후 참가자에게 가만히 있으라고 지시하면서 테이블을 스캐너 구멍 밖으로 옮깁니다. 미러/스크린을 제거하고 헤드 코일의 앞쪽 부분을 뒤쪽과 함께 놓고 테이블을 스캐너 중앙으로 다시 이동합니다.
  9. 움직임이 있는 경우 빠른 로컬라이저 스캔을 획득하고 전체 헤드 코일로 MP-RAGE 스캔을 획득합니다.
    알림: 그룹 분석 및 재구성 목적으로 정확한 정합을 위해 전체 헤드 코일이 있는 해부학적 이미지가 필요합니다.

4. 망막소 fMRI 데이터 분석

  1. MRI 분석용 FreeSurfer 응용 프로그램(https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)20을 다운로드하여 설치합니다.
    참고: FreeSurfer 버전 5.3.0이 여기에 사용되었습니다.
  2. MRI 스캐너에서 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 형식의 이미지를 얻습니다. dcm2niix 응용 프로그램 (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)21을 사용하여 DICOM 파일을 nifti 형식으로 변환합니다.
  3. T1 가중 스캔을 처리하여 다음 두 단계에 설명된 대로 피질 표면 참조를 제공합니다. FreeSurfer를 사용하여 구조 데이터를 nifti 형식에서 .mgz 형식으로 변환합니다(mri_convert 명령).
  4. 셸 환경에서 recon-all 명령을 사용하여 구조 데이터의 자동화된 분할 및 피질 재구성을 수행합니다.
    참고: 이 단계를 완료하는 데 20시간 이상 걸릴 수 있습니다.
  5. 그래픽 사용자 인터페이스 tksurfer를 사용하여 팽창된 반구를 보고 종골 균열을 따라 시각 피질을 가상으로 절단하고 후두엽을 선택합니다. mris_flatten 명령을 사용하여 시각 피질 패치를 평평하게 만듭니다. 양쪽 반구에 대해 이 단계를 반복합니다.
  6. fMRI 데이터의 경우, 먼저 데이터의 시작과 끝에서 고정 교차만 표시된 나머지 기간을 제거합니다. fMRI 데이터에서 인공물이나 큰 움직임이 있는지 스크리닝합니다.
  7. 공간 평활화와 동작 보정을 위해 기능 데이터를 전처리합니다. 망막소 자극 패러다임을 모델링하고 표준 혈류역학적 반응 함수를 적용하여 반응 함수를 구성합니다.
  8. FreeSurfer 기능 분석 스트림(mkanalysis-sess, selxavg3-sess, fieldsign-sess 명령)을 사용하여 fMRI 데이터의 망막권 위상 인코딩 분석을 수행하여 BOLD fMRI 시계열과 모델링된 응답 함수의 상관 관계를 분석하고 p < 0.01의 유의 수준으로 위상 인코딩된 망막권 맵을 얻습니다(그림 3).
  9. tksurfer-sess 명령을 사용하여 가상으로 평평해진 시각 피질에 겹쳐진 색으로 구분된 활성화 맵을 사용하여 망막 토픽 맵의 결과를 시각화하고 rtview 명령을 사용하여 표시합니다.
  10. 쐐기 자극의 위상 인코딩된 망막토픽 맵을 사용하여 해부학적 랜드마크 및 FreeSurfer 아틀라스와 함께 필드 사인 맵(그림 3A)으로 일차 시각 피질(V1) 및 기타 추가 줄무늬 영역(V2 및 V3)의 경계를 정의하는 데 도움이 됩니다.
  11. 서로 다른 편심에서 BOLD 응답을 계산하려면 먼저 FSL Feat(http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl)를 사용하여 z-점수 임계값이 Z >2.3 22,23인 고리 자극의 각 크기에 대한 일반 선형 모델을 사용하여 통계 맵을 계산합니다. 그룹 분석을 수행하는 경우 FSL Feat를 사용하여 그룹 차이의 통계 맵에 대한 두 번째 수준 분석을 계산하면 다양한 편심에서 BOLD 응답을 결정하는 데 도움이 됩니다.
  12. FreeSurfer bbregister 및 tkregister2 명령을 사용하여 fMRI 이미지를 재구성된 피질 표면에 공동 등록하여 참가자의 fMRI 데이터를 뇌의 해부학적 구조 이미지에 정렬하고 정확한 공간 정렬을 보장합니다.
  13. 고리 자극을 8개의 프레임 각각에 대한 편심률로 그룹화합니다. 각 프레임에 대해 활성화된 복셀 영역을 기반으로 다양한 편심에 대한 관심 영역을 수동으로 그립니다. 굵은 비율의 변화를 이심률의 함수로 표시합니다. 또한 편심률 데이터를 중심(< ±12°) 및 주변부(> ±12°) 영역으로 분류하여 망막소피 fMRI 연구에서 ±12°의 시각적 자극이 일반적입니다.

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결과

POAG 진단을 받은 9명의 참가자(남성 4명, 36-74세)와 연령이 일치하는 건강한 지원자 9명(남성 6명, 53-65세)은 앞서 언급한 광시야 fMRI 프로토콜을 사용하여 평가되었습니다. POAG는 녹내장, 시신경 디스크 부항 및/또는 21mmHg 이상의 안압(IOP)과 일치하는 시야 결손의 발현을 평가하여 개방각 환자에서 임상적으로 확인되었습니다3. 광시야각(±55°)을 사용하여 각 그룹?...

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토론

광시야각 망막소정 fMRI를 활용하기 위한 위의 프로토콜은 시력 상실 및 안과 질환이 뇌에 미치는 영향을 평가하는 혁신적인 방법입니다. 더 넓은 시야 화면을 사용하여 시각 피질의 광시야 망막 매핑을 통해 이 접근 방식을 통해 시각 시스템의 기능적 조직을 보다 포괄적으로 이해할 수 있습니다. 이것은 녹내장과 같은 신경 퇴행에서 발생하는 뇌의 시각 처리 시스템의 이상을 더 잘 이해할 수 있?...

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공개

저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 말

이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)[R01EY030996]의 지원을 받았습니다.

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자료

NameCompanyCatalog NumberComments
1/4"-20 nylon machine screws, knurled head thumb screwto attach rod to PVC frame
1-1/4 inch PVC pipelength of ~5-10 ft is needed
3T MRI scannerSiemens
6-32 nylon machine screws, rounded headto attach mirror/screen to rod
8-channel head array coilSiemens
90 degree PVC elbow, 1-1/4 inch fitting
Acrylic mirrorWidth and length of 25-30cm
Acrylic rod1 inch width, ~ 2 ft long depening on size of scanner bore and head coil
E-PrimePsychology Software Toolsto prepare and present visual stimuli paradigms
Plywood sheet, 1/2 inch thickSize should be at least as large as the scanner bore. Cut as bore-sized frame for the projection screen
Rear projection screenSize should be at least as large as the scanner bore

참고문헌

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