Measuring the Influence of Magnetic Vestibular Stimulation on Nystagmus, Self-Motion Perception, and Cognitive Performance in a 7T MRT

Gerda Wyssen; Miranda Morrison; Athanasia Korda; Wilhelm Wimmer; Jorge Otero-Millan; Matthias Ertl; Andreas A. Szukics; Thomas Wyss; Franca Wagner; Marco D. Caversaccio; Georgios Mantokoudis; Fred W. Mast

doi:10.3791/64022

JoVE Journal > Neuroscience

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Neuroscience

Mesure de l’influence de la stimulation vestibulaire magnétique sur le nystagmus, la perception du mouvement de soi et les performances cognitives dans un MRT 7T

Published: March 03, 2023

doi:

10.3791/64022

Gerda Wyssen^1,6, Miranda Morrison², Athanasia Korda², Wilhelm Wimmer^2,3, Jorge Otero-Millan⁴, Matthias Ertl¹, Andreas A. Szukics^1,6, Thomas Wyss², Franca Wagner^5,6, Marco D. Caversaccio^2,3, Georgios Mantokoudis^2,6, Fred W. Mast^1,6

¹Department of Psychology,University of Bern, ²Department of Otorhinolaryngology, Head and Neck Surgery, lnselspital,University Hospital Bern and University of Bern, ³Hearing Research Laboratory, ARTORG Center for Biomedical Engineering Research,University of Bern, ⁴Herbert Wertheim School of Optometry and Vision Science,University of California, ⁵University Department of Diagnostic and Interventional Neuroradiology, Inselspital, Bern University Hospital,University of Bern, ⁶Translational Imaging Center (TIC),Swiss Institute for Translational and Entrepreneurial Medicine

Summary

Dans cet article, nous décrivons la configuration expérimentale, le matériel et les procédures pour évaluer les mouvements oculaires réflexifs, la perception des mouvements de soi et les tâches cognitives sous stimulation vestibulaire magnétique, ainsi que l’orientation anatomique des organes vestibulaires, dans un scanner de tomographie par résonance magnétique 7 Tesla (7T-MRT).

Abstract

De forts champs magnétiques induisent des vertiges, des vertiges et un nystagmus en raison des forces de Lorentz agissant sur la cupule dans les canaux semi-circulaires, un effet appelé stimulation vestibulaire magnétique (MVS). Dans cet article, nous présentons une configuration expérimentale dans un scanner MRT 7T (scanner IRM) qui permet d’étudier l’influence des champs magnétiques forts sur le nystagmus ainsi que les réponses perceptuelles et cognitives. La force de MVS est manipulée en modifiant les positions de tête des participants. L’orientation des canaux semi-circulaires des participants par rapport au champ magnétique statique est évaluée en combinant un magnétomètre 3D et une interférence constructive 3D dans des images à l’état stationnaire (3D-CISS). Cette approche permet de tenir compte des différences intra et interindividuelles dans les réponses des participants à la MVS. À l’avenir, MVS peut être utile pour la recherche clinique, par exemple, dans l’investigation des processus compensatoires dans les troubles vestibulaires. En outre, il pourrait favoriser la compréhension de l’interaction entre l’information vestibulaire et les processus cognitifs en termes de cognition spatiale et l’émergence de percepts de mouvement de soi sous des informations sensorielles contradictoires. Dans les études IRMf, la MVS peut provoquer un effet de confusion possible, en particulier dans les tâches influencées par l’information vestibulaire ou dans les études comparant des patients vestibulaires à des témoins sains.

Introduction

Les champs magnétiques puissants, c’est-à-dire supérieurs à 1 T, sont connus pour induire des étourdissements, des vertiges et un nystagmus, un effet appelé stimulation vestibulaire magnétique (MVS)^1,2,3. Le système vestibulaire est situé dans l’oreille interne et mesure l’accélération autour des axes de rotation (lacet, tangage et roulis) avec trois canaux semi-circulaires et l’accélération le long des axes de translation (naso-occipital, inter-aural et tête verticale) avec deux organes macula, l’utricule et le saccule⁴ (voir Figure 1A). L’émergence de l’effet MVS peut s’expliquer par une force de Lorentz induite par le courant ionique agissant sur la cupule des canaux semi-circulaires du système vestibulaire ^1,2.

L’effet de MVS augmente avec des intensités de champ plus élevées ^3,5. La stimulation est causée par deux composants différents. Tout d’abord, le déplacement du participant dans l’alésage à travers le champ B0 du scanner IRM entraîne un champ magnétique dynamique qui provoque des forces de Lorentz agissant sur la coupule. Deuxièmement, le champ magnétique statique du scanner IRM dans lequel les participants sont allongés sans mouvement pendant les expériences provoque également une force de Lorentz constante. Ainsi, dans toutes les expériences utilisant des scanners IRM, le système vestibulaire du participant est constamment stimulé par le champ magnétique statique. Cela inclut toutes les études IRMf, en particulier celles portant sur des champs magnétiques ultra-élevés (> 3 T).

Le nystagmus est provoqué en étant déplacé ou en se déplaçant, ainsi qu’en se reposant statiquement dans un fort champ magnétique. Les forces liées au mouvement provoquent un nystagmus fort, qui se désintègre après quelques minutes⁶. Le nystagmus provoqué par les champs magnétiques statiques est plus faible et diminue progressivement avec le temps, mais ne disparaît pas complètement pendant l’exposition. La direction du nystagmus dépend de la polarité du champ magnétique et s’inverse lors du retrait du champ magnétique ^6,7,8. Le MVS agit principalement sur les canaux horizontaux et supérieurs, ce qui entraîne des mouvements oculaires réflexifs, c’est-à-dire principalement un nystagmus horizontal et de torsion et, dans une moindre mesure, un nystagmus^{vertical 9}. Chez les patients vestibulaires bilatéraux, aucun nystagmus ne peut être observé¹, et chez les patients vestibulaires unilatéraux, des composants nystagmus verticaux plus prononcés sont présents¹⁰. Comme le nystagmus est involontaire, c’est une mesure bien adaptée à la force de la stimulation vestibulaire. Le nystagmus peut être supprimé par fixation visuelle; Par conséquent, les mouvements oculaires doivent être évalués dans l’obscurité complète.

La perception non véridique du mouvement de soi, les étourdissements et les vertiges sont souvent décrits par les participants lorsqu’ils sont déplacés dans ou hors de l’alésage, en particulier dans les intensités de champ supérieures à 3 T. Les percepts de l’auto-mouvement ont été principalement décrits comme des rotations dans le roulis et, dans une moindre mesure, dans le plan de lacet et de tangage⁷ (voir la figure 1A). Alors que le nystagmus persiste pendant toute la durée de l’exposition, la perception de l’auto-mouvement disparaît généralement après 1-3 min⁷. La partie constante du MVS est en soi une stimulation intéressante car elle permet un apport vestibulaire prolongé qui n’est pas accompagné d’une perception consciente du mouvement de soi.

D’après des études utilisant la stimulation vestibulaire calorique ou galvanique, le mouvement passif ou la microgravité, on sait que l’information vestibulaire peut influencer la performance dans les tâches spatiales ^11,12 et ses corrélats neuronaux¹³. Il a été rapporté que le fait d’être déplacé ou de se déplacer à l’intérieur de champs magnétiques puissants influence les performances cognitives^14,15. Une étude a révélé que MVS pourrait éventuellement conduire à des symptômes de déréalisation dus à une perception non véridique du mouvement^{de soi 16}. Cependant, les études portant sur l’influence du repos statique dans les champs magnétiques n’ont pas montré de résultats concluants concernant les tâches neuropsychologiques, à l’exception d’une détérioration répliquée de la précision visuelle^17,18,19,20. Récemment, les premières preuves ont été trouvées que MVS peut modifier l’attention spatiale en induisant un biais semblable à la négligence²¹. Cela soulève la question de savoir si MVS peut avoir un impact sur les performances dans les tâches comportementales mesurant les fonctions cognitives supérieures. Par exemple, il n’est pas clair dans quelle mesure MVS influence le raisonnement spatial, c’est-à-dire la capacité de mentaliser les objets et les rotations de son propre corps.

Des études de neuroimagerie analysant l’activité à l’état de repos ont montré que MVS peut induire des changements dans les réseaux en mode par défaut^3,22^, ce qui peut s’expliquer par l’orientation anatomique spécifique du sujet des organes vestibulaires par rapport à la direction du champ magnétique ²³. En ce qui concerne les expériences d’IRMf, les effets de la MVS doivent être soigneusement pris en compte dans la conception de l’étude. De plus, MVS pourrait interférer avec la stimulation galvanique ou vestibulaire utilisée dans les expériences d’IRMf. Il pourrait agir comme un facteur de confusion dans les études de neuroimagerie comparant des participants avec des systèmes vestibulaires intacts et dysfonctionnels, car les effets de MVS sont absents chez les patients vestibulaires bilatéraux¹.

Pour évaluer les effets de la MVS et comparer différentes forces de la MVS chez les participants, nous décrivons ici une configuration expérimentale et technique pour mesurer le nystagmus, la perception de l’auto-mouvement, les performances cognitives et la position anatomique des canaux à l’intérieur d’un scanner IRM 7 T (voir Figure 2). La configuration décrite peut être adaptée et utilisée pour des expériences visant à étudier spécifiquement les fonctions vestibulaires et cognitives supérieures sous MVS ou à évaluer et contrôler les effets confusionnels possibles de MVS dans les études IRMf.

Fait intéressant, la force du MVS peut être modulée en changeant la position de la tête et, par conséquent, en changeant l’orientation des organes vestibulaires par rapport à la direction du champ magnétique. L’effet de la MVS peut être réduit chez la plupart des participants en inclinant la tête vers l’avant vers le corps (du menton à la poitrine)^1,24. Ainsi, changer la position de la tête dans l’axe de tangage permet de comparer des effets MVS mesurables sous différentes forces de stimulation.

Dans cette procédure, la force du MVS a été manipulée chez les participants en comparant les mesures entre deux positions de tête (voir la figure 1B). Dans l’état qui devrait provoquer un MVS plus fort, le participant était couché sur le dos dans le scanner avec une orientation approximativement verticale de la terre du plan de Reid (position couchée sur le dos). Dans l’état qui devrait provoquer un MVS plus faible, la tête du participant était inclinée d’environ 30° vers l’avant (position inclinée). Il est théoriquement possible de comparer la position couchée sur le dos à une position nulle où aucun nystagmus n’est présent¹. Cependant, l’inclinaison de pas requise pour la position nulle est différente pour chaque participant et prend beaucoup de temps à déterminer, car cela nécessite plusieurs cas de repositionnement et de déplacement du participant dans et hors du scanner pour tester la position. Cela peut ne pas être réalisable pour la plupart des plans d’étude. Les deux positions de la tête, couchée sur le dos et inclinée, permettent de comparer différentes mesures, par exemple, la perception de soi ou la performance dans les tâches entre et au sein des participants.

Figure 1: Axes et plans de la position de la tête dans le champ magnétique . (A) Axe de la tête verticale (HV), inter-aurale (IA) et naso-occipital (NO) de la tête. La direction du champ magnétique (B0) s’aligne sur l’axe tête-vertical (HV) lorsque les participants sont couchés à l’intérieur de l’alésage en décubitus dorsal³¹. (B) Les deux positions de la tête au cours de l’expérience, la position couchée sur le dos (couché droit) étant connue pour provoquer un MVS plus fort chez la plupart des participants que la position inclinée (tête inclinée vers le haut dans le plan de tangage à environ 30°). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Pour déterminer comment les organes vestibulaires étaient orientés pendant les essais expérimentaux sans imagerie, nous avons fixé un magnétomètre 3D à la tête des participants et mesuré l’orientation de la sonde par rapport à l’axe Z du champ magnétique (Figure 3B). L’orientation des organes vestibulaires dans le champ magnétique a été évaluée avec une séquence anatomique 3D-CISS à haute résolution. Lors de l’acquisition de l’image, le magnétomètre a été remplacé par une pipette à eau (Figure 3D). Cela a permis d’extraire l’orientation du magnétomètre par rapport à la direction de l’axe Z du champ magnétique et de l’aligner sur les structures de l’oreille interne. Nous pouvons alors tirer des conclusions sur l’orientation des organes vestibulaires pendant toute la durée de l’expérience.

Le nystagmus a été suivi à l’aide de lunettes adaptées à l’IRM (figure 3C). MVS provoque non seulement un nystagmus horizontal et parfois vertical, mais aussi torsionnel; Par conséquent, il est recommandé d’utiliser un logiciel qui permet également de suivre les mouvements oculaires de torsion ^9,25.

Les percepts d’auto-mouvement peuvent être évalués pendant la perception⁷ (à l’entrée et à la sortie de l’alésage) et après la disparition des percepts d’auto-mouvement, par exemple avec des questionnaires. Il est important de bien instruire les participants, car il est souvent difficile pour les participants de rapporter verbalement un mouvement de soi non véridique. Nous indiquons dans le protocole où la perception du mouvement de soi et la performance cognitive pourraient être mesurées mais ne précisons pas les tâches ou les questionnaires, car ils dépendent fortement de la question de recherche. Nous fournissons cependant des exemples de questionnaires et de paradigmes²⁶.

Figure 2 : Configuration technique de l’expérience. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

En résumé, MVS peut être utilisé pour étudier l’influence de la stimulation vestibulaire sur le nystagmus, la perception et les processus cognitifs, ainsi que pour étudier les processus d’accoutumance chez les patients atteints de dysfonction vestibulaire. L’effet du champ magnétique statique sur la cupule reste constant tout au long de l’exposition au champ magnétique. Comme cela simule une accélération rotationnelle constante, MVS est une méthode intéressante et appropriée pour étudier la fonction vestibulaire et son influence sur la perception et la cognition^27,28. Il peut être utilisé pour aborder spécifiquement des questions de recherche concernant l’influence de l’information vestibulaire sur les fonctions cognitives supérieures, telles que le raisonnement spatial. Il sert de modèle non invasif approprié pour la défaillance unilatérale du système vestibulaire, ce qui permet l’étude des processus compensatoires qui peuvent survenir chez les patients vestibulaires²⁸. En outre, il est important de prendre en compte les effets confondants de MVS dans les études IRMf, car les corrélats comportementaux et neuronaux peuvent être modifiés par la stimulation vestibulaire et interférer également lors de l’investigation de patients vestibulaires dans un fort champ magnétique statique.

Protocol

Les étapes suivantes faisaient partie d’une étude conforme à la Déclaration d’Helsinki et approuvée par la commission d’éthique du canton de Berne, Suisse (2019-02468). Tous les participants ont donné leur consentement éclairé écrit avant de participer à l’étude. REMARQUE: Il est recommandé d’évaluer la fonction vestibulaire des participants avant l’expérience MVS avec des tests de diagnostic vestibulaire standard tels que des questionnaires (par exemple, inventaire des étourdissements29), des tests caloriques bithermiques, des tests pendulaires rotatifs, des tests d’impulsions de la tête (HIT), des verticaux visuels subjectifs (SVV), des potentiels myogéniques évoqués vestibulaires (c-VEMP), des potentiels myogéniques vestibulaires oculaires (o-VEMP), une acuité visuelle dynamique (DVA) et / ou une posturographie dynamique. 1. Préparation de l’installation expérimentale dans la salle de scanner (Figure 2) ATTENTION : Tout le matériel apporté à l’intérieur de la salle de scanner doit être sécuritaire pour l’IRM. Connectez l’ordinateur expérimental et l’ordinateur de suivi oculaire avec un câble Ethernet croisé pour permettre la synchronisation de la collecte de données. Connectez les boutons de réponse actionnés par le participant à l’ordinateur expérimental via la boîte de réponse. Allumez le projecteur connecté à l’ordinateur expérimental. Connectez le magnétomètre à l’ordinateur magnétomètre en le branchant sur le connecteur USB.REMARQUE: Le magnétomètre 3D doit être adapté et étalonné pour une intensité de champ ultra-élevée. Dans le logiciel utilisé dans cette étude, les paramètres suivants ont été choisis : Unités = Tesla, Portée = 20,00, Taux d’acquisition = 100,00 Hz. Connectez les lunettes de suivi oculaire à l’ordinateur de suivi oculaire à l’aide d’un câble ignifuge blindé.REMARQUE: À moins que le câble ne soit suffisamment long, l’écran de l’ordinateur de suivi oculaire doit être vu de l’intérieur de la salle de scanner pour permettre le réglage des lunettes de suivi oculaire. Si nécessaire, utilisez un écran externe placé devant la fenêtre entre la salle d’IRM et la salle de contrôle. Ouvrez le logiciel de suivi oculaire 9,25. 2. Préparation du participant à entrer dans le scanner IRM ATTENTION : Les étapes suivantes sont essentielles pour la sécurité des participants et du personnel. Laissez le participant lire et signer le consentement éclairé. Confirmer que le participant ne répond pas aux critères d’exclusion de l’IRM. Fournissez des vêtements sécuritaires pour l’IRM, retirez les objets métalliques (p. ex., piercings) et faites un test de grossesse (s’il y a lieu).REMARQUE : Pour les critères de sécurité des RM, voir https://mr-gufi.de/index.php/dokumente. Les critères varient d’un site de recherche à l’autre. Enlevez soigneusement les lentilles de contact, le fard à paupières et le mascara (pour un meilleur suivi oculaire). 3. Informer le participant sur les procédures et tâches expérimentales Expliquez la procédure expérimentale et donnez des instructions sur les tâches. Laissez le participant compléter les essais pratiques (le cas échéant). Si la perception de l’auto-mouvement est évaluée, informer le participant des axes de translation et de rotation spécifiques (voir la figure 1A). Utilisez des termes mémorables pour les mouvements spécifiques, par exemple, « rotation du barbecue » pour les rotations en lacet (autour de l’axe tête-vertical) en position couchée sur le dos26. 4. Préparation des mesures de l’oculomètre et du magnétomètre Placez un bandeau élastique et un capuchon EEG sur la tête du participant (p. ex., un capuchon EEG sans électrodes sans IRM) (voir la figure 3A). Fixez le magnétomètre derrière une oreille (doit être dans la plage des images de séquence 3D-CISS) en le tirant sous le bandeau élastique et le capuchon EEG. Fixez-le de manière appropriée avec du ruban adhésif (voir la figure 3B). Mettez les lunettes de suivi oculaire au-dessus du capuchon EEG (voir la figure 3C). Laissez le participant insérer des bouchons d’oreille. Ajustez les paramètres de suivi oculaire sur les lunettes (centrage gauche/droite, centrage haut/bas, mise au point) et dans le logiciel (centrage gauche/droite, centrage haut/bas, taille de la pupille, contrastes, motif du diaphragme) pour assurer un bon suivi. Figure 3 : Préparation du participant. (A) Bandeau élastique et capuchon EEG (sans électrodes) pour la fixation du magnétomètre. (B) Le magnétomètre est placé derrière une oreille. (C) Des lunettes de suivi oculaire sont montées. (D) La sonde magnétométrique est retirée et remplacée par une pipette à eau pour l’imagerie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 5. Enregistrement du fichier d’étalonnage du suivi oculaire REMARQUE: L’étalonnage serait plus précis s’il était effectué avant chaque course et dans la position dans laquelle le participant est déplacé dans le scanner. La procédure décrite ici est moins précise mais a été choisie en raison de contraintes de temps et techniques. Laissez le participant s’asseoir à 1 m devant les stimuli d’étalonnage (mesurez la distance de stimulation oculaire avec, par exemple, un ruban à mesurer). Ajustez les paramètres de suivi oculaire dans le logiciel (taille de la pupille, contrastes, motif du diaphragme) pour un bon suivi.Appuyez sur Enregistrer pour démarrer l’acquisition des données. Laissez le participant regarder chaque point pendant 1 s (cinq points au total, trois à la suite, un au-dessus du milieu, un sous le milieu, distance des points 10 cm) avec une instruction verbale: gauche, bas, milieu, haut, droite. Appuyez sur Arrêter pour arrêter l’acquisition de données. 6. Mesure du nystagmus spontané avant d’entrer dans le scanner REMARQUE: Les mesures sont plus précises lorsqu’elles ont lieu en dehors du champ magnétique en décubitus dorsal. Cela pourrait être réalisé avec un lit IRM détachable. S’il n’est pas disponible, comme dans la configuration utilisée dans cette étude, une position en dehors de la ligne 50 mT (ligne pointillée sur le sol) doit être choisie. L’intensité du champ magnétique à la position de la mesure peut être évaluée avec le magnétomètre (0,02 T dans la configuration utilisée ici). Mettez le couvre-lunettes et assurez-vous que le participant ne voit pas la lumière. Sinon, laissez le participant se couvrir la tête avec du tissu noir pour éliminer toute lumière entrante. Ajustez les paramètres de suivi oculaire dans le logiciel (taille de la pupille, contrastes, motif du diaphragme) pour un bon suivi. Dites au participant d’ouvrir grand les yeux.Appuyez sur Enregistrer pour démarrer l’acquisition des données. Mesurez les mouvements oculaires pendant au moins 30 s. Réajustez les paramètres de suivi oculaire si nécessaire. Appuyez sur Arrêter pour arrêter l’acquisition de données. Enlevez le couvercle des lunettes. 7. Positionnement du participant pour l’expérience Laissez le participant s’allonger sur le lit du scanner. Ajustez la position d’inclinaison de la tête du participant en fonction de la première condition (couché sur le dos ou incliné vers le haut dans le plan de tangage à environ 30°) en utilisant des coussins appropriés. Placez le miroir au-dessus de la tête du participant et ajustez-le pour que l’écran soit à l’intérieur du champ de vision du participant. Donnez au participant les boutons de réponse pour chaque main; Si nécessaire, fixez-les avec du ruban adhésif. Laissez le participant s’entraîner à mettre et à enlever le couvercle des lunettes afin que cela puisse être fait dans l’obscurité à l’intérieur de l’alésage; Le participant doit répéter cette opération aussi longtemps que nécessaire et terminer avec la housse sur les lunettes.REMARQUE: Cette étape peut entraîner le déplacement des lunettes, ce qui peut affecter les mesures concernant la position des yeux. Si possible, effectuez un étalonnage après cette étape. Répétez les instructions pour la première tâche et demandez au participant si les instructions sont comprises. Ajustez les paramètres de suivi oculaire sur les lunettes ou dans le logiciel (taille de la pupille, contrastes, motif du diaphragme) pour un bon suivi. Ajustez la position de départ du lit d’IRM à l’aide de la croix laser du scanner IRM pour vous assurer que les structures de l’oreille interne du participant seront au centre de l’alésage pendant l’expérience. 8. Déplacement du participant dans le scanner Le cas échéant, démarrez le paradigme de perception de l’auto-mouvement en appuyant sur Exécuter et en entrant les informations sur le participant et l’essai dans le logiciel expérimental sur l’ordinateur expérimental. Démarrez les mesures de suivi oculaire (dans la configuration utilisée ici, cela a été commencé par le paradigme de la perception de l’auto-mouvement) en appuyant sur Enregistrer dans le logiciel de suivi oculaire. Dites au participant d’ouvrir grand les yeux. Démarrez les mesures du magnétomètre en appuyant sur Enregistrer dans le logiciel du magnétomètre. Dites au participant que la course commence. À l’intérieur de la salle de scanner, commencez à déplacer le participant dans l’alésage. Après 3 minutes, les percepts de l’auto-mouvement auraient dû disparaître chez la plupart des participants. Par conséquent, dites aux participants d’enlever la couverture des lunettes si des stimuli visuels doivent être présentés (p. ex., un questionnaire).REMARQUE: Le suivi oculaire peut également être poursuivi plus longtemps avec les yeux couverts. S’il y a lieu, présentez un questionnaire d’auto-motion à l’écran en le démarrant en appuyant sur Exécuter sur l’ordinateur expérimental et en laissant le participant répondre via des boutons de réponse. 9. Présenter un paradigme avec une tâche cognitive Le cas échéant, présentez un paradigme avec une tâche cognitive à l’écran en la démarrant en appuyant sur Exécuter sur l’ordinateur expérimental et en laissant le participant répondre via des boutons de réponse. Évaluez l’orientation du magnétomètre pendant ce temps.REMARQUE: Maintenant, différentes tâches peuvent être mises en œuvre pour le participant à effectuer. Laissez le participant enfiler et enlever la couverture des lunettes pour passer du suivi oculaire aux paradigmes basés sur l’écran. 10. Sortir le participant du scanner Laissez le participant mettre le couvercle des lunettes. Répétez les étapes 8 et 9 (à l’exception de l’étape 8.5., qui consiste à « sortir le participant de l’alésage ») 11. Changez la position de la tête Changez la position de la tête à la position qui n’a pas encore été évaluée à l’aide des coussins appropriés (couché sur le dos ou incliné) et répétez les étapes 8.2 à 11.REMARQUE: Si un lit d’IRM approprié est disponible, une variante intéressante pourrait être de déplacer les participants dans l’alésage avec leurs pieds en premier, car l’entrée inversée dans l’alésage inverse la direction du champ par rapport à l’oreille interne. 12. Évaluation de l’orientation des organes vestibulaires Retirez le miroir et les lunettes sans déplacer le magnétomètre. Installez la bobine de tête. Retirez la sonde du magnétomètre et remplacez-la par une pipette remplie d’eau sans déplacer le couvercle du magnétomètre (voir Figure 3D). Placez la tête du participant à l’intérieur de la bobine de tête sans déplacer le magnétomètre. Déplacez le participant dans le scanner. Acquérir une séquence 3D-CISS pour l’imagerie structurelle de l’oreille interne.REMARQUE : Dans cette étude, les paramètres suivants ont été utilisés : une épaisseur de tranche de 0,4 mm; un champ de vision de 179 mm × 179 mm; un angle de retournement de 60°; un temps de répétition (TR) de 8,29 ms; et un temps d’écho (TE) de 3,81 ms. Le temps d’acquisition de ce 3D-CISS était de 10 min 53 s. Différentes séquences ont été utilisées dans d’autres études23,30. Sortez le participant du scanner IRM. 13. Fin de l’étude Retirez la pipette, le capuchon, le bandeau et les bouchons d’oreille et quittez la salle du scanner avec le participant. S’il y a lieu, laissez le participant remplir un questionnaire (p. ex., perception des mouvements personnels, différences vécues entre les conditions, autres expériences). Informez le participant des questions de recherche étudiées (par exemple, mesurer les effets de MVS sur le nystagmus, la perception du mouvement de soi et les tâches cognitives en manipulant la position de la tête en référence au champ magnétique).

Representative Results

Les données de suivi oculaire montrent les mouvements oculaires horizontaux et verticaux capturés (voir la figure 4). Le suivi des mouvements oculaires en torsion (non représentés) nécessite un logiciel spécifique 9,25 et/ou un post-traitement sophistiqué. Les enregistrements d’étalonnage sont utilisés pour transformer les unités de pixels en degrés. Les données sont de bonne qualité si un suivi régulier (avec environ 100 Hz) est atteint, et les données extraites ne montrent que des artefacts de suivi mineurs (voir la figure 4 pour un exemple d’artefacts mineurs, principalement dus au clignotement). Le nystagmus spontané à l’extérieur du scanner IRM doit être évalué avant l’expérience pour exclure le nystagmus pour d’autres raisons que le champ magnétique. Figure 4 : Données de suivi oculaire. Positions horizontales et verticales des yeux pendant l’étalonnage et le déplacement dans et hors du scanner IRM en position couchée sur le dos. Les données montrent le nystagmus horizontal, qui s’inverse entre le déplacement dans et hors de l’alésage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Les données du magnétomètre montrent la position de la sonde magnétométrique par rapport à l’axe Z du champ magnétique à l’intérieur de l’alésage (Figure 5). Idéalement, les données suivies semblent lisses et ne montrent aucune modification de l’intensité de champ dans chaque axe de rotation après avoir atteint l’intérieur de l’alésage. Ainsi, les mouvements importants de la tête des participants peuvent être détectés facilement. Figure 5 : Données du magnétomètre. Les données du magnétomètre 3D se déplaçant dans l’alésage montrent une intensité de champ maximale de près de 7 T après environ 27 s. Aucun artefact de mouvement n’est visible, ce qui indique que le participant n’a pas fait de mouvements de tête en entrant dans l’alésage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. La séquence 3D-CISS a été acquise avec un scanner IRM 7 T. À partir des images 3D-CISS, les modèles de surface 3D des oreilles interne gauche et droite et l’orientation du magnétomètre ont été extraits (voir la figure 6). Les modèles de surface ont été générés à l’aide d’un logiciel de traitement et de visualisation d’images médicales. Cela permet d’extraire l’orientation des canaux semi-circulaires par rapport à l’orientation du magnétomètre et de l’axe Z du champ magnétique pendant l’expérience (voir Figure 7). Figure 6 : Modèles de surface 3D extraits de l’image CISS 3D. A) Pipette à eau à la position précédente du magnétomètre; (B) structure de l’oreille interne droite (rouge) et (C) gauche (bleu) (positions et proportions d’origine). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 7 : Orientation des canaux semi-circulaires extraits de l’image 3D-CISS. Pour chaque canal semi-circulaire, trois repères sont choisis, et un vecteur normal de surface est calculé (canal horizontal : vert, canal postérieur : rouge, canal supérieur : bleu). Ce vecteur est mis en relation avec l’orientation de la pipette à eau (noire) en tant qu’indicateur de l’orientation de la sonde magnétométrique et avec l’axe Z du champ magnétique (non représenté ici). Unités en millimètres (mm) (coordonnées absolues de l’image MR). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. L’orientation des canaux et du magnétomètre par rapport à l’axe Z du scanner IRM à partir des images 3D-CISS peut être combinée avec l’orientation du magnétomètre pendant les deux essais sans imagerie. Cela permet la reconstruction de l’orientation du canal lors de l’exposition MVS sous différentes positions de tête. Alternativement, une photo de chaque participant et du magnétomètre attaché pourrait être prise en dehors du champ magnétique. Ensuite, les structures faciales externes pourraient être reconstruites pour cartographier les mesures d’orientation du magnétomètre avec les structures de l’oreille interne et la direction du champ magnétique. Les données des percepts auto-mouvements et des tâches cognitives (non décrites ici) peuvent être analysées avec les données ci-dessus. Ainsi, la position du canal, les données de suivi oculaire (nystagmus horizontal, vertical et torsionnel), ainsi que les percepts d’auto-mouvement et les résultats comportementaux rapportés, peuvent être liés pour répondre à la question de recherche spécifique de l’expérience.

Discussion

La configuration rapportée est adaptée pour étudier divers aspects des effets MVS sur le nystagmus, la perception de l’auto-mouvement et la performance dans les tâches cognitives. La combinaison des mesures de la réponse MVS provoquée pourrait donner des informations telles que la façon dont le cerveau traite les informations vestibulaires contradictoires et montrer comment l’information vestibulaire influence les processus perceptuels et cognitifs au niveau inter- et intra-individuel. Contrairement à d’autres méthodes de stimulation vestibulaire, telles que les chaises rotatives, MVS provoque un stimulus d’accélération constant, ce qui le rend approprié pour des études comportementales plus durables et une utilisation comme modèle non invasif pour l’échec unilatéral ^8,28. Par conséquent, cette approche pourrait fournir des informations sur l’interaction entre l’information vestibulaire et les processus cognitifs en termes de cognition spatiale et l’émergence de percepts de mouvement de soi sous des informations sensorielles contradictoires. À l’avenir, l’utilisation de MVS peut être exploitée dans la recherche clinique, par exemple, pour étudier la compensation précoce aiguë du déséquilibre vestibulaire lors de l’exposition à la MVS. Ces résultats pourraient alors être reliés à des mécanismes de compensation après des lésions vestibulaires. La comparaison des participants avec des organes vestibulaires normaux et dysfonctionnels pourrait favoriser la connaissance des processus d’adaptation chez les patients vestibulaires aux informations vestibulaires entrantes modifiées.

La procédure décrite comprend des étapes critiques pour l’acquisition de données sûres et précises dans un scanner IRM 7 T. Tout d’abord, l’environnement de l’IRM pose plusieurs difficultés. L’installation expérimentale doit être sûre pour l’IRM, ce qui peut nécessiter des modifications des lunettes de suivi oculaire ou des connexions de câble par rapport à une installation non IRM. Cela peut conduire à des compromis dans la qualité des données. De plus, les participants doivent répondre aux critères d’inclusion de l’IRM et doivent tolérer les inconvénients du processus (p. ex., incliner la tête pendant qu’ils sont allongés dans le scanner IRM pendant plusieurs minutes). Deuxièmement, le suivi oculaire dans le scanner, en particulier l’acquisition du nystagmus de torsion, est difficile et nécessite un logiciel spécialisé²⁵. Pour la torsion, le motif de l’iris est utilisé pour le suivi, ce qui nécessite des images de haute qualité et est également influencé par les différences dans les motifs d’iris individuels. Une autre approche pourrait être d’utiliser des marqueurs pigmentaires artificiels sur la sclérotique³, ce qui peut être désagréable pour le participant. Troisièmement, les percepts d’auto-mouvement dus à MVS ne sont pas véridiques et, par conséquent, impliquent des conflits intra-vestibulaires ainsi que multisensoriels²⁸. Par conséquent, la verbalisation de ces expériences de rotation de la tête et/ou du corps et de traduction est souvent difficile à décrire pour les participants. Des instructions claires et adaptées à la question de recherche sont d’une importance cruciale. Nous recommandons d’utiliser des termes de rotation et de traduction bien connus auxquels les participants peuvent s’identifier, leur permettant ainsi de mieux décrire leur expérience perceptuelle. Pour évaluer des paramètres de mouvement spécifiques, des méthodes plus fines peuvent être utilisées, telles que les valeurs nominales de vitesse de rotation au fil du temps⁷.

La configuration présentée est limitée par les contraintes techniques de nos équipements et pourrait être améliorée si celles-ci pouvaient être surmontées. Par exemple, pour évaluer non seulement la position statique mais aussi dynamique de la tête à l’intérieur de l’alésage, les données du magnétomètre pourraient également être synchronisées avec les données de suivi oculaire et comportementales. L’étalonnage des lunettes serait meilleur s’il était répété avant chaque course. En outre, la longueur du câble de suivi oculaire est importante, car elle définit si le nystagmus spontané peut être mesuré en dehors de la salle de scanner. La meilleure solution serait un lit IRM détachable, qui peut être déplacé en dehors du champ magnétique. Cependant, l’écran de l’ordinateur de suivi oculaire doit être vu de l’intérieur de la salle de scanner pour permettre l’étalonnage et le réglage fin des paramètres de suivi oculaire tout en ayant accès aux lunettes. Dans notre cas, nous avons résolu ce problème via un deuxième écran tourné vers la fenêtre de la salle de scanner.

La MVS pourrait affecter les performances et les réponses cérébrales dans les études IRMf. Dans les études comparant des patients vestibulaires à des témoins sains, la MVS pourrait entraîner des différences entre les groupes en raison d’une différence dans la force de stimulation par rapport à d’autres caractéristiques du patient. Dans le but de contrôler les effets MVS confondants, la configuration actuelle est un processus chronophage à la fois chronologique et financier (équipement). Alternativement, incliner la tête vers le haut pour de petits angles^7,23 (dans la mesure permise par la bobine de tête) ou évaluer les covariables, telles que l’orientation des organes vestibulaires avec l’IRM décrite ci-dessus ^23,30 et / ou le nystagmus (par exemple^, les approches récentes de suivi oculaire basées sur l’IRMf ³²), pourraient être utiles.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous remercions les participants et l’équipe de RM, ainsi que les évaluateurs dont les précieux commentaires ont amélioré la qualité du manuscrit. Nous remercions D. S. Zee pour ses précieux conseils. Nous sommes reconnaissants que DIATEC AG ait fourni un ordinateur portable de suivi oculaire pour l’expérience. Le projet est soutenu par une subvention de soutien SITEM-Insel de l’Université de Berne accordée à FWM et GM.

Materials

3D Magnetometer	Metrolab Technology, Switzerland	THM1176-HF	Calibrated for 7 Tesla, with fibre optic cable, CE-labelled
AMIRA 6.3 (Software)	Thermo Fisher Scientific, USA		Medical image processing and visualization software
Celeritas Fiber Optic Response Box Unit	Psychology Software Tools		Response box
Celeritas Fiber Optic Response Unit	Psychology Software Tools	PST-100761	Response buttons, 5 buttons for each hand
Ear plugs
EEG cap			Any MRI safe EEG cap is suitable
Elastic band			Used to fixate the Magnetometer behind the ear
Ethernet cable (crossover)	Daetwyler	Uninet 5502 flex 4P FRNC/LSOH 522830.01
Ethernet cable adapter	TP-Link	UE305
Experimental laptop			Computer with enough performance, with Response Buttons software (e.g. Celeritas), software for running paradigm (e.g. MATLAB, PsychToolBox), Ethernet cable link to eye-tracking computer
Eye-tracking Goggles (Visual Eyes)	Interacoustics	515b	Micromedical goggles with infrared camera: Point Grey Firefly, CE-labelled, modified for 7 Tesla, shielded firewire cable
Eye-tracking laptop			Computer with enough performance, with eye-tracking software (e.g. OpenIris), Ethernet cable link to experimental computer
Headband			MRI safe headband
Magnetom Terra 7T MRI Scanner	Siemens Healthcare, Erlangen Germany		Located at Translational Imaging Center (TIC) in the Swiss Institute of Translational and Entrepreneurial Medicine (sitem-insel AG) in Bern, Switzerland
Magnetometer laptop			Computer with enough performance, with magnetometer software (e.g. EZMag3D)
MATLAB R2017b (Software)	MathWorks		Experimental paradigm can be run e.g. with PsychToolBox (Brainard, D. H., & Vision, S. (1997). The psychophysics toolbox. Spatial vision, 10(4), 433-436.)
Metrolab EZMag3D v1.1.2 (Software)	Metrolab Technology, Switzerland		3D magnetometer software: https://www.metrolab.com/resources/downloads/
MRI-Mirror	Siemens Healthcare, Erlangen Germany
OpenIris (Software)			Software to record and analyse the eye movements within the MRI-scanner. Reference: Otero-Millan, J., Roberts, D.C., Lasker, A., Zee, D.S., Kheradmand, A. Knowing what the brain is seeing in three dimensions: A novel, noninvasive, sensitive, accurate, and low-noise technique for measuring ocular torsion. Journal of Vision. 15 (14), 11, doi: 10.1167/15.14.11 (2015).
Pregnancy test			e.g. early pregnancy test stripes (10 mIU/mL)
Projector system	Hyperion Psychology Tools
Triangle Cushion	Siemens Healthcare, Erlangen Germany

References

Roberts, D. C., et al. MRI magnetic field stimulates rotational sensors of the brain. Current Biology. 21 (19), 1635-1640 (2011).
Ward, B. K., Roberts, D. C., Della Santina, C. C., Carey, J. P., Zee, D. S. Vestibular stimulation by magnetic fields. Annals of the New York Academy of Sciences. 1343 (1), 69-79 (2015).
Boegle, R., Stephan, T., Ertl, M., Glasauer, S., Dieterich, M. Magnetic vestibular stimulation modulates default mode network fluctuations. NeuroImage. 127, 409-421 (2016).
Goldberg, J. M., et al. . The Vestibular System: A Sixth Sense. , (2012).
Antunes, A., Glover, P. M., Li, Y., Mian, O. S., Day, B. L. Magnetic field effects on the vestibular system: Calculation of the pressure on the cupula due to ionic current-induced Lorentz force. Physics in Medicine and Biology. 57 (14), 4477-4487 (2012).
Glover, P. M., Li, Y., Antunes, A., Mian, O. S., Day, B. L. A dynamic model of the eye nystagmus response to high magnetic fields. Physics in Medicine and Biology. 59 (3), 631-645 (2014).
Mian, O. S., Li, Y., Antunes, A., Glover, P. M., Day, B. L. On the vertigo due to static magnetic fields. PloS One. 8 (10), 78748 (2013).
Jareonsettasin, P., et al. Multiple time courses of vestibular set-point adaptation revealed by sustained magnetic field stimulation of the labyrinth. Current Biology. 26 (10), 1359-1366 (2016).
Otero-Millan, J., Zee, D. S., Schubert, M. C., Roberts, D. C., Ward, B. K. Three-dimensional eye movement recordings during magnetic vestibular stimulation. Journal of Neurology. 264, 7-12 (2017).
Ward, B. K., Roberts, D. C., Della Santina, C. C., Carey, J. P., Zee, D. S. Magnetic vestibular stimulation in subjects with unilateral labyrinthine disorders. Frontiers in Neurology. 5, 28 (2014).
Grabherr, L., et al. Mental own-body and body-part transformations in microgravity. Journal of Vestibular Research: Equilibrium and Orientation. 17 (5-6), 279-287 (2007).
van Elk, M., Blanke, O. Imagined own-body transformations during passive self-motion. Psychological Research. 78 (1), 18-27 (2014).
Klaus, M. P., et al. Vestibular stimulation modulates neural correlates of own-body mental imagery. Journal of Cognitive Neuroscience. 32 (3), 484-496 (2020).
Heinrich, A., et al. Cognition and sensation in very high static magnetic fields: A randomized case-crossover study with different field strengths. Radiology. 266 (1), 236-245 (2013).
Van Nierop, L. E., Van Slottje, Z., Kromhout, V. Effects of MRI related magnetic fields on cognitive performance. Occupational and Environmental Medicine. 70, 83 (2013).
Martínez-Gallardo, S., Miguel-Puga, J. A., Cooper-Bribiesca, D., Bronstein, A. M., Jáuregui-Renaud, K. Derealization and motion-perception related to repeated exposure to 3T magnetic resonance image scanner in healthy adults. Journal of Vestibular Research. 31 (2), 69-80 (2021).
Chakeres, D. W., Bornstein, R., Kangarlu, A. Randomized comparison of cognitive function in humans at 0 and 8 Tesla. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 18 (3), 342-345 (2003).
De Vocht, F., et al. Cognitive effects of head-movements in stray fields generated by a 7 Tesla whole-body MRI magnet. Bioelectromagnetics. 28 (4), 247-255 (2007).
Heinrich, A., et al. Effects of static magnetic fields on cognition, vital signs, and sensory perception: A meta-analysis. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 34 (4), 758-763 (2011).
Van Nierop, L. E., Slottje, P., Van Zandvoort, M. J. E., De Vocht, F., Kromhout, H. Effects of magnetic stray fields from a 7 Tesla MRI scanner on neurocognition: A double-blind randomised crossover study. Occupational and Environmental Medicine. 69 (10), 759-766 (2012).
Lindner, A., Wiesen, D., Karnath, H. -. O. Lying in a 3T MRI scanner induces neglect-like spatial attention bias. eLife. 10, 71076 (2021).
Boegle, R., Ertl, M., Stephan, T., Dieterich, M. Magnetic vestibular stimulation influences resting-state fluctuations and induces visual-vestibular biases. Journal of Neurology. 264 (5), 999-1001 (2017).
Boegle, R., Kirsch, V., Gerb, J., Dieterich, M. Modulatory effects of magnetic vestibular stimulation on resting-state networks can be explained by subject-specific orientation of inner-ear anatomy in the MR static magnetic field. Journal of Neurology. 267, 91-103 (2020).
Mian, O. S., Li, Y., Antunes, A., Glover, P. M., Day, B. L. Effect of head pitch and roll orientations on magnetically induced vertigo. Journal of Physiology. 594 (4), 1051-1067 (2016).
Otero-Millan, J., Roberts, D. C., Lasker, A., Zee, D. S., Kheradmand, A. Knowing what the brain is seeing in three dimensions: A novel, noninvasive, sensitive, accurate, and low-noise technique for measuring ocular torsion. Journal of Vision. 15 (14), 11 (2015).
Wyssen, G. Measuring the influence of magnetic vestibular stimulation on reflexive eye-movements, self-motion perception, and cognitive performance in a 7T MRT. OSF. , (2022).
Ward, B. K., et al. Magnetic vestibular stimulation (MVS) as a technique for understanding the normal and diseased labyrinth. Frontiers in Neurology. 8, 122 (2017).
Ertl, M., Boegle, R. Investigating the vestibular system using modern imaging techniques-A review on the available stimulation and imaging methods. Journal of Neuroscience Methods. 326, 108363 (2019).
Jacobson, G. P., Newman, C. W. The development of the dizziness handicap inventory. Archives of Otolaryngology – Head and Neck Surgery. 116 (4), 424-427 (1990).
Go, C. C., et al. Persistent horizontal and vertical, MR-induced nystagmus in resting state Human Connectome Project data. NeuroImage. 255, 119170 (2022).
Dmitry, L., et al. Raw data repository for the article "Spatially resolved fluorescence of caesium lead halide perovskite supercrystals reveals quasi-atomic behavior of nanocrystals" [Data set]. Zenodo. , (2022).
Son, J., et al. Evaluating fMRI-based estimation of eye gaze during naturalistic viewing. Cerebral Cortex. 30 (3), 1171-1184 (2020).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Wyssen, G., Morrison, M., Korda, A., Wimmer, W., Otero-Millan, J., Ertl, M., Szukics, A. A., Wyss, T., Wagner, F., Caversaccio, M. D., Mantokoudis, G., Mast, F. W. Measuring the Influence of Magnetic Vestibular Stimulation on Nystagmus, Self-Motion Perception, and Cognitive Performance in a 7T MRT. J. Vis. Exp. (193), e64022, doi:10.3791/64022 (2023).

Automatically Generated