Høyoppløselige funksjonell magnetisk resonans imaging metoder for Human midbrain
Summary
Denne artikkelen beskriver teknikker for å utføre høy oppløsning funksjonell magnetisk resonans avbildning med 1,2 mm prøvetaking i menneskelig midbrain og subkortikale strukturer ved hjelp av en 3T-skanner. Bruk av disse teknikkene til å løse topografiske kart visuell stimulering i den menneskelige overlegne colliculus (SC) er gitt som et eksempel.
Abstract
Funksjonell MRI (fMRI) er en mye brukt verktøy for ikke-invasiv måling korrelerer av menneskelig hjerne aktivitet. Imidlertid har bruken meste blitt fokusert på å måle aktiviteten på overflaten av hjernebarken enn i subkortikale regioner som midbrain og hjernestammen. Subkortikal fMRI må overvinne to utfordringer: romlig oppløsning og fysiologiske støy. Her beskriver vi en optimalisert sett av teknikker utviklet for å utføre høyoppløselig fMRI i menneskelig SC, en struktur på dorsal overflaten av midbrain, metodene kan også brukes til bilde annet hjernestammen og subkortikale strukturer.
Høy oppløsning (1,2 mm voxels) fMRI av SC krever en ikke-konvensjonell tilnærming. Ønsket spatial sampling er innhentet ved hjelp av en multi-shot (innfelt) spiral oppkjøpet en. Siden er T 2 * av SC vev lenger enn i cortex, en tilsvarende lengre ekko tid (T E ~ 40 msek) brukes til maxiMize funksjonell kontrast. For å dekke hele omfanget av SC, er 8-10 skiver innhentet. For hver sesjon en strukturell anatomi med samme skive resepten som fMRI blir også innhentet, som brukes til å justere de funksjonelle data til en høy oppløsning referanse volum.
I en egen sesjon for hvert fag, skaper vi en høy oppløsning (0,7 mm sampling) referanse volumet ved hjelp av en T 1-vektede sekvens som gir god vev kontrast. I referansen volum er midbrain regionen segmenterte bruke ITK-SNAP program to. Denne segmentering brukes til å lage en 3D overflate representasjon av midbrain som er både jevn og nøyaktig tre. Overflaten hjørner og normaler blir brukt til å lage et kart over dybden fra midbrain overflaten innenfor vev 4.
Funksjonelle data blir transformert inn i koordinatsystemet av det segmenterte referanse volum. Dybde assosiasjoner til voxelsmuliggjøre gjennomsnitt av fMRI tidsseriedata innenfor angitte Dybden varierer for å bedre signalkvalitet. Data er gjengitt på 3D overflaten for visualisering.
I vårt laboratorium bruker vi denne teknikken for å måle topografiske kart visuell stimulering og skjult og åpenbar visuell oppmerksomhet innenfor SC en. Som et eksempel, demonstrerer vi topografisk representasjon av polare vinkelen til visuell stimulering i SC.
Protocol
Discussion
Våre kjøp og data-analyse teknikker aktivere måling av nevral aktivitet i subkortikale menneskelige hjerne strukturer i høy oppløsning (1,2 mm voxels). Den 3-shot spiral oppkjøp reduserer fysiologiske støyen som er spesielt skadelig for fMRI målinger rundt midbrain. I tillegg gir vår laminær segmentering av vev oss å utføre dybde gjennomsnitt av de data som bidrar til å forbedre SNR. Vi har brukt disse metodene for å vise presise polar-vinkel topografiske kart for visuell stimulering og skjult visuell oppm…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette materialet er basert på arbeid støttet av National Science Foundation i henhold Grant BCS 1.063.774.
Referências
- Katyal, S., Zughni, S., Greene, C., Ress, D. Topography of covert visual attention in human superior colliculus. Journal of Neurophysiology. 104, 3074-3083 (2010).
- Yushkevich, P. A. User-guided 3D active contour segmentation of anatomical structures: significantly improved efficiency and reliability. NeuroImage. 31, 1116-1128 (2006).
- Xu, G., Pan, Q., Bajaj, C. L. Discrete Surface Modeling Using Partial Differential Equations. Computer Aided Geometric Design. 23, 125-145 (2006).
- Ress, D., Glover, G. H., Liu, J., Wandell, B. Laminar profiles of functional activity in the human brain. NeuroImage. 34, 74-84 (2007).
- Schneider, K. A., Kastner, S. Effects of sustained spatial attention in the human lateral geniculate nucleus and superior colliculus. J. Neurosci. 29, 1784-1795 (2009).
- Glover, G. H. Simple analytic spiral K-space algorithm. Magn. Reson. Med. 42, 412-415 (1999).
- Glover, G. H., Lai, S. Self-navigated spiral fMRI: interleaved versus single-shot. Magn. Reson. Med. 39, 361-368 (1998).
- Nestares, O., Heeger, D. J. Robust multiresolution alignment of MRI brain volumes. Magn. Reson. Med. 43, 705-715 (2000).
- Engel, S. A., Glover, G. H., Wandell, B. A. Retinotopic organization in human visual cortex and the spatial precision of functional MRI. Cereb. Cortex. 7, 181-192 (1997).
- Schneider, K. A., Kastner, S. Visual responses of the human superior colliculus: a high-resolution functional magnetic resonance imaging study. Journal of Neurophysiology. 94, 2491-2503 (2005).
- Cynader, M., Berman, N. Receptive-field organization of monkey superior colliculus. Journal of Neurophysiology. 35, 187-201 (1972).
- Robinson, D. A. Eye movements evoked by collicular stimulation in the alert monkey. Vision Research. 12, 1795-1808 (1972).
- Schreiner, C. E., Langner, G. Laminar fine structure of frequency organization in auditory midbrain. Nature. 388, 383-385 (1997).
- Baumann, S. Orthogonal representation of sound dimensions in the primate midbrain. Nature Neuroscience. 14, 423-425 (2011).
- Malmierca, M. S. A discontinuous tonotopic organization in the inferior colliculus of the rat. J. Neurosci. 28, 4767 (2008).
- Bender, D. Retinotopic organization of macaque pulvinar. Journal of Neurophysiology. 46, 672 (1981).
- Grieve, K. L., Acuña, C., Cudeiro, J. The primate pulvinar nuclei: vision and action. Trends in Neurosciences. 23, 35-39 (2000).
- Rodriguez-Oroz, M. C. The subthalamic nucleus in Parkinson’s disease: somatotopic organization and physiological characteristics. Brain. 124, 1777 (2001).
- Romanelli, P. Microelectrode recording revealing a somatotopic body map in the subthalamic nucleus in humans with Parkinson disease. Journal of Neurosurgery. 100, 611-618 (2004).
- DeLong, M. R., Crutcher, M. D., Georgopoulos, A. P. Primate globus pallidus and subthalamic nucleus: functional organization. Journal of Neurophysiology. 53, 530 (1985).
- Houeto, J. L. Acute deep-brain stimulation of the internal and external globus pallidus in primary Dystonia functional mapping of the pallidum. Archives of Neurology. 64, 1281-1286 (2007).
