Ressonância Magnética Funcional (RMf) do Córtex Visual com Estimulação Retinotópica Ampla

Resumo

Desenvolvemos técnicas para mapear a função do córtex visual utilizando mais do campo visual do que é comumente usado. Esta abordagem tem o potencial de melhorar a avaliação de distúrbios da visão e doenças oculares.

Resumo

A ressonância magnética funcional (RMf) de alta resolução retinotópica dependente do nível de oxigenação sanguínea (BOLD) com uma apresentação ampla pode ser usada para mapear funcionalmente o córtex visual periférico e central. Este método para medir as mudanças funcionais do cérebro visual permite o mapeamento funcional do lobo occipital, estimulando >100° (±50°) ou mais do campo visual, em comparação com as configurações de apresentação visual padrão de RMf que geralmente cobrem <30° do campo visual. Um sistema simples de estimulação de visão ampla para RMf BOLD pode ser configurado usando projetores comuns compatíveis com RM, colocando um grande espelho ou tela perto da face do sujeito e usando apenas a metade posterior de uma bobina de cabeça padrão para fornecer um amplo ângulo de visão sem obstruir sua visão. O mapa de RMf retinotópica de visão ampla pode então ser obtido usando vários paradigmas de estimulação retinotópica, e os dados podem ser analisados para determinar a atividade funcional das regiões corticais visuais correspondentes à visão central e periférica. Este método fornece um sistema de apresentação visual prático e de fácil implementação que pode ser usado para avaliar alterações no córtex visual periférico e central devido a doenças oculares como o glaucoma e a perda de visão que pode acompanhá-los.

Introdução

A ressonância magnética funcional (RMf) é um método valioso para avaliar alterações na função neurovascular regional dentro do córtex visual em resposta a estímulos, uma vez que alterações no fluxo sanguíneo regional correlacionam-se com a ativação de regiões cerebrais ^1,2. As medidas de sinal retinotópico dependente do nível de oxigenação sanguínea de alta resolução (BOLD) representam alterações na desoxihemoglobina, que são impulsionadas por alterações localizadas no fluxo sanguíneo e na oxigenação sanguínea dentro do cérebro ^1,2. Os padrões de atividade BOLD coletados a partir de dados de RMf podem ser usados para mapear funcionalmente o córtex visual periférico e central, bem como detectar alterações no mapa retinotópico em resposta à deficiência visual e^{neurodegeneração3}.

A maioria dos estudos prévios de RMf utilizou estímulos não retinotópicos de visão estreita (em torno de ±12° do campo visual central) ou estímulos retinotópicos simples com estímulos visuais de visão estreita, o que proporcionou parcelamento funcional limitado da representação retinotópica no córtex visual e avaliação limitada apenas ao campo visual central, excluindo a periferia³. Consequentemente, dados de RMf com visão restrita relataram alterações percentuais BOLD inconsistentes em pacientes com glaucoma ^4,5,6. Há, portanto, necessidade de melhores abordagens de RMf para avaliar o campo visual periférico e central, particularmente na avaliação de doenças como o glaucoma.

O glaucoma é a principal causa de cegueira irreversível, acometendo 10% das pessoas até os 80 anos de^{idade 7}. O glaucoma é causado pela neurodegeneração progressiva e irreversível das células ganglionares da retina, responsáveis pela transmissão de estímulos visuais ao cérebro através do nervo óptico. No glaucoma primário de ângulo aberto (GPAA), a forma mais comum de glaucoma, o aumento da pressão intraocular causa adelgaçamento da camada de fibras nervosas da retina (CFNR), levando à perda da visão periférica seguida de cegueira periférica e central 8,9,10,11. Evidências histológicas de estudos em animais sugerem que o glaucoma também resulta em neurodegeneração progressiva do nervo óptico, trato óptico, núcleo geniculado lateral, radiação óptica e córtex visual^12,13. A tecnologia de ressonância magnética oferece um método minimamente invasivo de avaliar a oxigenação sanguínea e a neurodegeneração no córtex visual. Em pacientes com glaucoma, a RM encontrou evidências de atrofia da substância cinzenta na via visual 13,14,15,16 e substância branca anormal no quiasma óptico, trato óptico e radiação óptica ^1,17,18.

Para explorar ainda mais os efeitos no processamento visual, a RMf pode ser usada para detectar a função cerebral em resposta a pistas visuais. O presente protocolo descreve um novo método para a obtenção de um mapa retinotópico de baixo custo e amplo visor usando RMf de retinotopia de alta resolução com estímulos de campo largo (>100°), como descrito por Zhou e^cols.3. Estímulos visuais de anéis expansores e cunhas rotatórias foram utilizados para eliciar o mapeamento retinotópico da excentricidade e ângulo polar para RMf. As alterações percentuais da RMf BOLD foram analisadas em função da excentricidade para avaliar a função cerebral, correspondendo à visão central e periférica. A alteração percentual da RMf BOLD pode ser usada para visualizar a ativação em todo o córtex visual. Essas medidas de RMf fornecem um novo método confiável para avaliar alterações neurodegenerativas e seus efeitos funcionais no córtex visual encontrados em doenças oculares que envolvem defeitos de campo visual, como o glaucoma.

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Protocolo

A pesquisa com participantes humanos foi realizada em conformidade com as diretrizes institucionais do Centro de Ciências da Saúde da Universidade do Texas e da Universidade Stony Brook, com consentimento informado obtido dos participantes para esses estudos e uso de seus dados.

1. Configuração do scanner de RM e protocolos de imagem

1. Para fMRI, use um scanner de ressonância magnética 3T com bobinas de cabeça de receptor multicanal. Diferentes intensidades de campo também podem ser usadas, mas podem apresentar dificuldades com a relação sinal-ruído (SNR) ou artefatos de distorção, então ajuste de acordo. Use apenas a metade posterior da bobina da cabeça para RMf para permitir um ângulo de visão maior desobstruído pela metade anterior da bobina.
2. Montar uma sequência MP-RAGE preparada para gradiente de aquisição rápida (MP-RAGE) ponderada em T1 com tempo de repetição (TR) de 2,2 s, tempo de eco (TE) de 2,8 ms, campo de visão (FOV) de 176 mm x 256 mm x 208 mm, resolução espacial de 1 mm x 1 mm x 1 mm, largura de banda de 190 Hz/pixel, ângulo de inclinação de 13°, e duração do exame de 3,1 min³.
3. Configure uma sequência gradiente-eco, imagem ecoplanar (EPI) com TR de 2 s, TE de 30 ms, FOV de 220 mm x 220 mm, resolução no plano de 1,7 mm x 1,7 mm, 29 cortes com espessura de 3 mm e largura de banda de 1.500 Hz/pixel³.
4. Meça as dimensões da bobina principal e do furo do scanner e, em seguida, construa uma estrutura simples cortando um tubo de cloreto de polivinila (PVC) em comprimentos adequados e conectando-os com cotovelos de PVC. Obtenha um espelho com pelo menos 25 cm de largura e 15 cm de altura e fixe-o a uma haste de plástico com parafusos (pequenos furos podem ser feitos no espelho).
   1. Fixe as extremidades da haste plástica à estrutura de PVC com parafusos de nylon (Figura 1A). Certifique-se de que os parafusos de nylon estejam levemente soltos para permitir que o espelho seja girado manualmente para otimizar o ângulo de cada participante.
5. Faça uma tela para entrar no furo da ressonância magnética. Corte um segmento de uma tela de projeção traseira que seja aproximadamente do tamanho do furo da ressonância magnética. Construa um quadro do tamanho do furo e prenda a tela ao quadro com parafusos. Coloque a tela dentro do scanner logo atrás da bobina de cabeça para minimizar a distância entre a tela e o espelho e maximizar o FOV.
   NOTA: Se o furo do scanner for grande o suficiente, uma única tela pode ser usada para o participante visualizar diretamente em vez da configuração do espelho e da tela de projeção traseira. Uma tela de projeção anexada a uma fina folha de madeira para apoio ou uma folha de plástico branco fosco fino pode ser usada como uma tela e colocada na moldura em vez de um espelho. O projetor deve então ser posicionado e focado, de modo que preencha a tela e esteja em foco.

2. Preparação dos participantes

1. Informe o participante sobre o procedimento, riscos e benefícios do exame de RMf. Obter o seu consentimento informado.
2. Certifique-se de que o participante não tenha contraindicações para a ressonância magnética. Isso inclui a triagem de marca-passos, implantes metálicos ou claustrofobia. Se você tiver alguma incerteza, consulte um radiologista ou pesquisador qualificado e exclua o participante do estudo se alguma incerteza permanecer.
3. Explicar o protocolo de estimulação visual e a necessidade de fixação dos participantes na cruz central durante os exames de RMf. Mostre ao participante uma breve demonstração da estimulação visual para fins instrucionais para familiarizá-lo com o procedimento.
4. Posicione cuidadosamente o participante sobre a mesa do aparelho de ressonância magnética para garantir que ele esteja confortável e relaxado. Forneça protetores auriculares e/ou um fone de ouvido com amortecimento de som para reduzir o ruído acústico que o participante ouvirá para proteger sua audição.
5. Imobilizar a cabeça do participante na metade posterior da matriz da bobina da cabeça, usando acolchoamento de espuma nas laterais da cabeça para garantir que a cabeça seja imobilizada adequadamente para reduzir os artefatos de movimento. Use o sistema de posicionamento do scanner e mova a mesa para o furo do scanner.
6. Coloque a tela ou espelho a 10 cm dos olhos do paciente (Figura 1B). Coloque a tela do tamanho do furo da parte de trás do furo do scanner logo atrás da bobina da cabeça. Ajuste a posição e o ângulo do espelho/tela de cada participante para obter um ângulo de visão consistente.
7. Certifique-se de que o participante esteja confortável durante toda a digitalização através da comunicação através do interfone.

3. RMf do participante

1. Execute uma varredura de localizador com três planos ortogonais e ajustes e calibrações do scanner para ajuste de frequência e shimming.
2. Execute uma varredura anatômica MP-RAGE para ajudar a posicionar as fatias EPI.
3. Crie estímulos visuais, conforme descrito nas etapas a seguir, usando um programa para executar experimentos comportamentais ou psicológicos.
4. No início do protocolo de RMf, instrua o participante a fixar na cruz branca (3° x 3°), que deve estar em cima de um fundo cinza no centro dos estímulos por 10 s.
   OBS: A cruz branca será mostrada antes e após cada paradigma de estimulação visual por 10 s. Assim, o teste de estimulação total por RMf para cada paradigma é de 200 s.
5. Apresentar o primeiro paradigma de estimulação visual (uma série de cunhas rotativas) por um período de 30 s (dando uma velocidade angular de 6°/s) e percorrer seis períodos. Os estímulos de cunha devem incluir 12 quadros de cunhas giratórias (uma varredura com rotação no sentido horário e outra com sentido anti-horário), estendendo-se até a borda da tela/espelho (campo visual de >100°), com padrão quadriculado preto e branco invertendo o contraste de 8 Hz (100% de contraste) (Figura 2A).
6. Apresente a cruz branca mais uma vez por 10 s.
7. Repita os passos 3.4-3.6 com o segundo paradigma de estimulação visual (uma série de anéis de expansão e contração) por um período de 30 s (expandindo ou contraindo a 1,8°/s do campo visual) e percorra seis períodos. Os estímulos anelares devem incluir oito quadros de anéis em expansão ou contração (campo visual de >100°), com padrão quadriculado preto e branco invertendo o contraste de 8 Hz (100% de contraste) (Figura 2B).
8. Após completar a RMf, mova a mesa para fora do furo do scanner enquanto instrui o participante a permanecer imóvel. Remova o espelho/tela, coloque a parte anterior da bobina da cabeça além da posterior e mova a mesa de volta para o centro do scanner.
9. Adquira uma varredura rápida do localizador em caso de qualquer movimento e adquira uma varredura MP-RAGE com a bobina de cabeça completa.
   NOTA: Uma imagem anatômica com toda a bobina da cabeça é necessária para registro preciso para fins de análise e reconstrução do grupo.

4. Análise dos dados de RMf retinotópica

1. Baixe e instale o aplicativo FreeSurfer para análise de RM (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)²⁰.
   NOTA: FreeSurfer versão 5.3.0 foi usado aqui.
2. Obter imagens em formato Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) a partir do scanner de ressonância magnética. Converta os arquivos DICOM para o formato nifti usando o aplicativo dcm2niix (https://www.nitrc.org/projects/mricrogl)²¹.
3. Processe a varredura ponderada em T1 para fornecer uma referência de superfície cortical, conforme descrito nas duas etapas a seguir. Use o FreeSurfer para converter dados estruturais do formato nifti para o formato .mgz (comando mri_convert).
4. Use o comando recon-all em um ambiente shell para executar segmentação automatizada e reconstrução cortical dos dados estruturais.
   NOTA: Esta etapa pode levar mais de 20 h para ser concluída.
5. Use a interface gráfica do usuário tksurfer para visualizar o hemisfério inflado e virtualmente cortar o córtex visual ao longo da fissura de calcarina, e selecionar o lobo occipital. Use o comando mris_flatten para achatar o patch do córtex visual. Repita esta etapa para ambos os hemisférios.
6. Para os dados de RMf, primeiro remover os períodos de repouso, sendo apresentado apenas o cruzamento de fixação, do início e do final dos dados. Examine os dados de RMf em busca de artefatos ou grandes movimentos.
7. Pré-processe os dados funcionais para suavização espacial e correção de movimento. Modelar o paradigma do estímulo retinotópico e aplicar uma função canônica de resposta hemodinâmica para construir a função de resposta.
8. Realizar análise retinotópica codificada por fase dos dados de RMf usando o fluxo de análise funcional FreeSurfer (comandos mkanalysis-sess, selxavg3-sess e fieldsign-sess) para correlacionar a série temporal BOLD fMRI com uma função de resposta modelada e obter mapas retinotópicos codificados por fase, com um nível de significância de p < 0,01 (Figura 3).
9. Visualize os resultados dos mapas retinotópicos com mapas de ativação codificados por cores sobrepostos no córtex visual virtualmente achatado usando o comando tksurfer-sess e exiba usando o comando rtview.
10. Use os mapas retinotópicos codificados por fase dos estímulos de cunha para ajudar a definir os limites do córtex visual primário (V1) e outras áreas extraestriadas (V2 e V3) por mapas de sinais de campo (Figura 3A), juntamente com pontos de referência anatômicos e atlas FreeSurfer.
11. Para calcular a resposta BOLD em diferentes excentricidades, primeiramente use FSL Feat (http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl) para calcular mapas estatísticos usando um modelo linear geral para cada tamanho de estímulo anelar com um limiar de escore z de Z > 2,3 ^22,23. Se a análise de grupo estiver sendo realizada, calcule a análise de segundo nível para mapas estatísticos de diferenças de grupo com FSL Feat para ajudar a determinar a resposta BOLD em diferentes excentricidades.
12. Co-registre as imagens de RMf na superfície cortical reconstruída usando os comandos bbregister e tkregister2 do FreeSurfer para alinhar os dados de RMf do participante à imagem estrutural anatômica de seu cérebro e garantir um alinhamento espacial preciso.
13. Agrupe os estímulos anelares por excentricidade para cada um dos oito quadros. Desenhe manualmente regiões de interesse para diferentes excentricidades com base nas regiões de voxel ativadas para cada quadro. Pegue as mudanças de porcentagem BOLD e plote-as como uma função de excentricidade. Além disso, agrupe os dados de excentricidade em regiões centrais (< ±12°) e periféricas (> ±12°), onde um estímulo visual de ±12° é típico para estudos de RMf retinotópica.

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Resultados

Nove participantes com diagnóstico de GPAA (quatro homens, 36-74 anos) e nove voluntários saudáveis pareados por idade (seis homens, 53-65) foram avaliados usando o protocolo de RMf de visão ampla acima mencionado, conforme descrito anteriormente por Zhou e^cols.3. O GPAA foi confirmado clinicamente em pacientes com ângulo aberto pela avaliação da apresentação de defeitos de campo visual compatíveis com glaucoma, escavação do disco óptico e/ou pressão intraocular (PIO) maior que 21 mm...

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Discussão

O protocolo acima para utilização de RMf retinotópica de visão ampla é um método inovador para avaliar os efeitos da perda de visão e doenças oculares no cérebro. Através do mapeamento retinotópico de campo amplo do córtex visual com o uso de uma tela de visão mais ampla, essa abordagem permite uma compreensão mais abrangente da organização funcional do sistema visual. Isso poderia levar a uma melhor compreensão das anormalidades no sistema de processamento visual do cérebro, que ocorrem na neurodegener...

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Materiais

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