Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) du cortex visuel avec stimulation rétinotopique à grand angle
Summary
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.
Abstract
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 visuel12,13. 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.
Protocol
Representative Results
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…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health [R01EY030996].
Materials
| 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 |
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