דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) של קליפת המוח הראייתית עם גירוי רטינוטופי רחב
Summary
פיתחנו טכניקות למיפוי תפקוד קליפת המוח הראייתית תוך ניצול גדול יותר של שדה הראייה ממה שנהוג להשתמש. גישה זו יש פוטנציאל לשפר את ההערכה של הפרעות ראייה ומחלות עיניים.
Abstract
ניתן להשתמש בדימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) ברזולוציה גבוהה של חמצון דם ברזולוציה גבוהה עם תצוגה רחבה כדי למפות באופן פונקציונלי את קליפת המוח הראייתית ההיקפית והמרכזית. שיטה זו למדידת שינויים תפקודיים במוח החזותי מאפשרת מיפוי תפקודי של האונה העורפית, המגרה >100° (±50°) או יותר משדה הראייה, בהשוואה למערכי תצוגה חזותית סטנדרטיים של fMRI המכסים בדרך כלל <30° של שדה הראייה. ניתן להגדיר מערכת פשוטה לגירוי רחב עבור BOLD fMRI באמצעות מקרנים נפוצים תואמי MR על ידי הצבת מראה גדולה או מסך קרוב לפניו של המצולם ושימוש רק בחצי האחורי של סליל ראש סטנדרטי כדי לספק זווית צפייה רחבה מבלי לחסום את ראייתו. לאחר מכן ניתן לצלם את מפת fMRI רטינוטופית רחבה באמצעות פרדיגמות שונות של גירוי רטינוטופי, וניתן לנתח את הנתונים כדי לקבוע את הפעילות התפקודית של אזורי קליפת המוח החזותיים המתאימים לראייה מרכזית והיקפית. שיטה זו מספקת מערכת הצגה חזותית מעשית וקלה ליישום שניתן להשתמש בה כדי להעריך שינויים בקליפת המוח הראייתית ההיקפית והמרכזית עקב מחלות עיניים כגון גלאוקומה ואובדן הראייה שעלול להתלוות אליהן.
Introduction
דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) הוא שיטה רבת ערך להערכת שינויים בתפקוד הנוירו-וסקולרי האזורי בקליפת המוח הראייתית בתגובה לגירויים, שכן שינויים בזרימת הדם האזורית מתואמים עם הפעלת אזורי מוח 1,2. מדידות אותות תלויות רמת חמצון דם רטינוטופית ברזולוציה גבוהה (BOLD) מייצגות שינויים בדאוקסיהמוגלובין, המונעים על ידי שינויים מקומיים בזרימת הדם וחמצון הדם במוח 1,2. דפוסי פעילות BOLD שנאספו מנתוני fMRI יכולים לשמש למיפוי תפקודי של קליפת המוח הראייתית ההיקפית והמרכזית, כמו גם לזהות שינויים במפה הרטינוטופית בתגובה לליקוי ראייה וניוון עצבי3.
רוב מחקרי ה-fMRI הקודמים עשו שימוש בגירויים לא-רטינוטופיים בעלי ראייה צרה (בסביבות ±12° של שדה הראייה המרכזי) או גירויים רטינוטופיים פשוטים עם גירויים חזותיים צרי ראייה, אשר סיפקו פרצלציה תפקודית מוגבלת של הייצוג הרטינוטי בקליפת המוח הראייתית והגבילו את ההערכה לשדה הראייה המרכזי בלבד, למעט הפריפריה3. כתוצאה מכך, נתוני fMRI צרים דיווחו על שינויים לא עקביים באחוזי BOLD בחולי גלאוקומה 4,5,6. לכן יש צורך בגישות fMRI משופרות להערכת שדה הראייה ההיקפי והמרכזי, במיוחד בהערכת מחלות כגון גלאוקומה.
גלאוקומה היא הגורם המוביל לעיוורון בלתי הפיך, המשפיע על 10% מהאנשים עד גיל 807. גלאוקומה נגרמת על ידי ניוון עצבי מתקדם, בלתי הפיך של תאי גנגליון ברשתית, אשר אחראים על העברת גירויים חזותיים למוח דרך עצב הראייה. בגלאוקומה ראשונית פתוחת זווית (POAG), הצורה הנפוצה ביותר של גלאוקומה, לחץ תוך עיני מוגבר גורם לדילול שכבת סיבי עצב הרשתית (RNFL), מה שמוביל לאובדן ראייה היקפית ואחריה עיוורון היקפי ומרכזי 8,9,10,11. עדויות היסטולוגיות ממחקרים בבעלי חיים מצביעות על כך שגלאוקומה גורמת גם לניוון עצבי מתקדם של עצב הראייה, מערכת הראייה, גרעין המין הצידי, קרינה אופטית וקליפת המוח הראייתית12,13. טכנולוגיית MRI מציעה שיטה זעיר פולשנית להערכת חמצון הדם וניוון עצבי בקליפת המוח הראייתית. בחולים עם גלאוקומה, MRI מצא עדות לאטרופיה של חומר אפור במסלול הראייה 13,14,15,16 וחומר לבן חריג בכיאזמה אופטית, מערכת הראייה וקרינה אופטית 1,17,18.
כדי לחקור עוד יותר את ההשפעות על עיבוד חזותי, ניתן להשתמש ב-fMRI כדי לזהות תפקוד מוחי בתגובה לרמזים חזותיים. הפרוטוקול כאן מתאר שיטה חדשנית להשגת מפה רטינוטופית בעלות נמוכה ותצוגה רחבה באמצעות fMRI רטינוטופיה ברזולוציה גבוהה עם גירויים בעלי שדה רחב (>100°), כפי שמתואר על ידי Zhou et al3. גירויים חזותיים של טבעות מתרחבות וטריזים מסתובבים שימשו כדי לעורר מיפוי רטינוטופי של האקסצנטריות והזווית הקוטבית עבור fMRI. שינויים נועזים באחוזי fMRI נותחו כפונקציה של אקסצנטריות להערכת תפקוד המוח, המקביל הן לראייה המרכזית והן לראייה ההיקפית. השינוי באחוזי fMRI מודגש עשוי לשמש להמחשת הפעלה בכל קליפת המוח הראייתית. מדדי fMRI אלה מספקים שיטה חדשה ואמינה להערכת שינויים נוירודגנרטיביים והשפעותיהם התפקודיות על קליפת המוח הראייתית הנמצאות במחלות עיניים המערבות פגמים בשדה הראייה, כגון גלאוקומה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול הנ”ל לשימוש ב-fMRI רטינוטופי רחב טווח הוא שיטה חדשנית להערכת ההשפעות של אובדן ראייה ומחלות עיניים על המוח. באמצעות מיפוי רטינוטופי רחב שדה של קליפת המוח הראייתית באמצעות מסך רחב יותר, גישה זו מאפשרת הבנה מקיפה יותר של הארגון התפקודי של מערכת הראייה. זה יכול להוביל להבנה טובה יותר ש?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות [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 |
References
- Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (12), 5675-5679 (1992).
- Ogawa, S., et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (13), 5951-5955 (1992).
- Zhou, W., et al. Retinotopic fMRI reveals visual dysfunction and functional reorganization in the visual cortex of mild to moderate glaucoma patients. Journal of Glaucoma. 26 (5), 430-437 (2017).
- Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: a method for comparing cortical function with damage to the optic disk. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (2), 733-744 (2007).
- Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: Comparing fMRI measurements of cortical function with visual field loss. Progress in Retinal and Eye Research. 26 (1), 38-56 (2007).
- Gerente, V. M., et al. Evaluation of glaucomatous damage via functional magnetic resonance imaging, and correlations thereof with anatomical and psychophysical ocular findings. PLoS One. 10 (5), e0126362 (2015).
- Allingham, R. R., Damji, K., Freedman, S., Moroj, G., Shafranov, . Shields’ textbook of glaucoma. 5th ed. , (2005).
- Kerrigan-Baumrind, L. A., Quigley, H. A., Pease, M. E., Kerrigan, D. F., Mitchell, R. S. Number of ganglion cells in glaucoma eyes compared with threshold visual field tests in the same persons. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 41 (3), 741-748 (2000).
- Quigley, H. A., Addicks, E. M., Green, W. R. Optic nerve damage in human glaucoma. III. Quantitative correlation of nerve fiber loss and visual field defect in glaucoma, ischemic neuropathy, papilledema, and toxic neuropathy. Archives of Ophthalmology. 100 (1), 135-146 (1982).
- Smith 3rd, E. L., Hung, L. F., Harwerth, R. S. Developmental visual system anomalies and the limits of emmetropization. Ophthalmic and Physiological Optics. 19 (2), 90-102 (1999).
- Limb, G. A., Martin, K. R. Sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Working Group. Current prospects in optic nerve protection and regeneration: sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Conference. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (8), 5941-5954 (2011).
- Gupta, N., Yucel, Y. H. Glaucoma as a neurodegenerative disease. Current Opinion in Ophthalmology. 18 (2), 110-114 (2007).
- Yucel, Y. H., Zhang, Q., Weinreb, R. N., Kaufman, P. L., Gupta, N. Effects of retinal ganglion cell loss on magno-, parvo-, koniocellular pathways in the lateral geniculate nucleus and visual cortex in glaucoma. Progress in Retinal and Eye Research. 22 (4), 465-481 (2003).
- Zikou, A. K., et al. Voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging of the optic pathway in primary open-angle glaucoma: a preliminary study. American Journal of Neuroradiology. 33 (1), 128-134 (2012).
- Chen, W. W., et al. Structural brain abnormalities in patients with primary open-angle glaucoma: a study with 3T MR imaging. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (1), 545-554 (2013).
- Yu, L., et al. Morphologic changes in the anterior and posterior subregions of V1 and V2 and the V5/MT + in patients with primary open-angle glaucoma. Brain Research. 1588, 135-143 (2014).
- Hernowo, A. T., Boucard, C. C., Jansonius, N. M., Hooymans, J. M. M., Cornelissen, F. W. Automated morphometry of the visual pathway in primary open-angle glaucoma. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (5), 2758-2766 (2011).
- Dai, H., et al. Whole-brain voxel-based analysis of diffusion tensor MRI parameters in patients with primary open angle glaucoma and correlation with clinical glaucoma stage. Neuroradiology. 55 (2), 233-243 (2013).
- Zhou, W., Muir, E. R., Chalfin, S., Nagi, K. S., Duong, T. Q. MRI study of the posterior visual pathways in primary open angle glaucoma. Journal of Glaucoma. 26 (2), 173-181 (2017).
- Dale, A. M., Fischl, B., Sereno, M. I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. NeuroImage. 9 (2), 179-194 (1999).
- Li, X., Morgan, P. S., Ashburner, J., Smith, J., Rorden, C. The first step for neuroimaging data analysis: DICOM to NIfTI conversion. Journal of Neuroscience Methods. 264, 47-56 (2016).
- Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, 208-219 (2004).
- Woolrich, M. W., Ripley, B. D., Brady, M., Smith, S. M. Temporal autocorrelation in univariate linear modeling of FMRI data. NeuroImage. 14 (6), 1370-1386 (2001).
- Murphy, M. C., et al. Retinal structures and visual cortex activity are impaired prior to clinical vision loss in glaucoma. Scientific Reports. 6, 31464 (2016).
- Chan, R. W., et al. Relationships between cerebrovascular reactivity, visual-evoked functional activity, and resting-state functional connectivity in the visual cortex and basal forebrain in glaucoma. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 4037-4040 (2021).
- Murphy, M. C., et al. Top-down influence on the visual cortex of the blind during sensory substitution. Neuroimage. 125, 932-940 (2016).
- Bang, J. W., Hamilton-Fletcher, G., Chan, K. C. Visual plasticity in adulthood: perspectives from Hebbian and homeostatic plasticity. The Neuroscientist. 29 (1), 117-138 (2023).
- Greco, V., et al. A low-cost and versatile system for projecting wide-field visual stimuli within fMRI scanners. Behavior Research Methods. 48 (2), 614-620 (2016).
- DeYoe, E. A., Raut, R. V. Visual mapping using blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging. Neuroimaging Clinics of North America. 24 (4), 573-584 (2014).
- Pitzalis, S., et al. Wide-field retinotopy defines human cortical visual area v6. The Journal of Neuroscience. 26 (30), 7962-7973 (2006).
- Wu, J., et al. Development of a method to present wide-view visual stimuli in MRI for peripheral visual studies. Journal of Neuroscience Methods. 214 (2), 126-136 (2013).
- Ellis, C. T., et al. Re-imagining fMRI for awake behaving infants. Nature Communications. 11 (1), 4523 (2020).
- Yan, T., Jin, F., He, J., Wu, J. Development of a wide-view visual presentation system for visual retinotopic mapping during functional MRI. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (2), 441-447 (2011).
- Park, J., Soucy, E., Segawa, J., Konkle, T. Full-field fMRI: a novel approach to study immersive vision. Journal of Vision. 22 (14), 4018 (2022).
