Risonanza magnetica funzionale (fMRI) della corteccia visiva con stimolazione retinotopica ad ampio raggio
Summary
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.
Introduction
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 80anni. 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 visiva12,13. 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal 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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