במאמר זה, אנו מתארים את מערך הניסוי, החומר והנהלים להערכת תנועות עיניים רפלקסיביות, תפיסת תנועה עצמית ומשימות קוגניטיביות תחת גירוי שיווי משקל מגנטי, כמו גם את האוריינטציה האנטומית של איברי שיווי המשקל, בסורק טומוגרפיית תהודה מגנטית 7 טסלה (7T-MRT).
שדות מגנטיים חזקים גורמים לסחרחורת, סחרחורת וניסטגמוס כתוצאה מכוחות לורנץ הפועלים על הכיפה בתעלות החצי עגולות, אפקט הנקרא גירוי ווסטיבולרי מגנטי (MVS). במאמר זה נציג מערך ניסיוני בסורק MRT 7T (סורק MRI) המאפשר לחקור את ההשפעה של שדות מגנטיים חזקים על ניסטגמוס, כמו גם תגובות תפיסתיות וקוגניטיביות. הכוח של MVS הוא מניפולציה על ידי שינוי עמדות הראש של המשתתפים. כיוון התעלות החצי עגולות של המשתתפים ביחס לשדה המגנטי הסטטי מוערך על ידי שילוב של מגנטומטר תלת-ממדי והפרעה בונה תלת-ממדית בתמונות מצב יציב (3D-CISS). גישה זו מאפשרת להסביר הבדלים תוך-אישיים ובין-אישיים בתגובות המשתתפים ל-MVS. בעתיד, MVS יכול להיות שימושי למחקר קליני, למשל, בחקירת תהליכי פיצוי בהפרעות שיווי משקל. יתר על כן, הוא יכול לטפח תובנות לגבי יחסי הגומלין בין מידע ווסטיבולרי ותהליכים קוגניטיביים במונחים של קוגניציה מרחבית והופעתן של תפיסות תנועה עצמית תחת מידע חושי סותר. במחקרי fMRI, MVS יכול לעורר השפעה מבלבלת אפשרית, במיוחד במשימות המושפעות ממידע וסטיבולרי או במחקרים המשווים חולים וסטיבולריים עם קבוצת ביקורת בריאה.
שדות מגנטיים חזקים, כלומר מעל 1 T, ידועים כגורמים לסחרחורת, סחרחורת וניסטגמוס, השפעה הנקראת גירוי ווסטיבולרי מגנטי (MVS)1,2,3. מערכת שיווי המשקל ממוקמת באוזן הפנימית ומודדת תאוצה סביב צירי סיבוב (פיהוק, גובה וגלגול) עם שלוש תעלות חצי עגולות ותאוצה לאורך צירי תרגום (naso-occipital, inter-aural, וראש-אנכי) עם שני איברי מקולה, האוטריקל, ו saccule4 (ראה איור 1A). הופעתו של אפקט MVS יכולה להיות מוסברת על ידי כוח לורנץ המושרה על ידי זרם יוני הפועל על הכיפה של התעלות החצי עגולות של מערכת שיווי המשקל 1,2.
ההשפעה של MVS עולה עם עוצמות שדה גבוהות יותר 3,5. הגירוי נגרם על ידי שני מרכיבים שונים. ראשית, העברת המשתתף לתוך הבור דרך שדה B0 של סורק MRI גורמת לשדה מגנטי דינמי המעורר כוחות לורנץ הפועלים על הכיפה. שנית, השדה המגנטי הסטטי של סורק ה-MRI שבו המשתתפים שוכבים ללא תזוזה במהלך הניסויים גורם גם הוא לכוח לורנץ קבוע. לכן, בכל הניסויים באמצעות סורקי MRI, מערכת שיווי המשקל של המשתתף מגורה כל הזמן על ידי השדה המגנטי סטטי. זה כולל את כל מחקרי fMRI, במיוחד אלה בשדות מגנטיים גבוהים במיוחד (> 3 T).
ניסטגמוס מתעורר על ידי תנועה או תנועה, כמו גם על ידי מנוחה סטטית בשדה מגנטי חזק. הכוחות הקשורים לתנועה גורמים לניסטגמוס חזק, אשר דועך לאחר מספר דקות6. הניסטגמוס המופק תחת שדות מגנטיים סטטיים חלש יותר ופוחת בהדרגה עם הזמן אך אינו נעלם לחלוטין במהלך החשיפה. כיוון הניסטגמוס תלוי בקוטביות השדה המגנטי ומתהפך עם נסיגת השדה המגנטי 6,7,8. MVS פועל בעיקר על התעלות האופקיות והעליונות, וכתוצאה מכך תנועות עיניים רפלקסיביות, כלומר, בעיקר ניסטגמוס אופקי ופיתול, ובמידה פחותה, ניסטגמוס אנכי9. בחולים וסטיבולריים דו-צדדיים, לא ניתן לראות ניסטגמוס1, ובחולים שיווי משקל חד צדדיים, רכיבי ניסטגמוס אנכיים בולטים יותר נמצאים10. מכיוון שהניסטגמוס אינו רצוני, זהו מדד מתאים היטב לחוזק הגירוי הווסטיבולרי. ניסטגמוס יכול להיות מדוכא על ידי קיבוע חזותי; לכן, תנועות עיניים יש להעריך בחושך מוחלט.
תפיסת תנועה עצמית לא מילולית, סחרחורת וסחרחורת מתוארים לעתים קרובות על ידי המשתתפים בזמן שהם מועברים לתוך או מחוץ לשעמום, במיוחד בעוצמות שדה מעל 3 T. התפיסות של תנועה עצמית תוארו בעיקר כסיבובים בגליל, ובמידה פחותה יותר, במישור הפיהוק והגובה7 (ראו איור 1A). בעוד ניסטגמוס נמשך לאורך החשיפה, תפיסת התנועה העצמית נעלמת בדרך כלל לאחר 1-3 דקות7. החלק הקבוע של MVS הוא כשלעצמו גירוי מעניין שכן הוא מאפשר קלט שיווי משקל ממושך שאינו מלווה בתפיסת תנועה עצמית מודעת.
ממחקרים שהשתמשו בגירוי ווסטיבולרי קלורי או גלווני, תנועה פסיבית או מיקרו-כבידה, ידוע כי מידע וסטיבולרי יכול להשפיע על ביצועים במשימות מרחביות 11,12 והקורלציה העצבית שלו13. תנועה או תנועה בתוך שדות מגנטיים חזקים דווחה כמשפיעה על ביצועים קוגניטיביים14,15. מחקר אחד מצא כי MVS עלול להוביל לסימפטומים של דה-ריאליזציה עקב תפיסת תנועה עצמית לא מילולית16. עם זאת, מחקרים שבדקו את ההשפעה של מנוחה סטטית בשדות מגנטיים לא הראו תוצאות חד משמעיות לגבי משימות נוירופסיכולוגיות, למעט הידרדרות משוכפלת בדיוק החזותי17,18,19,20. לאחרונה, נמצאו ראיות ראשונות לכך ש-MVS יכול לשנות את הקשב המרחבי על ידי גרימת הטיה דמוית הזנחה21. זה מעלה את השאלה האם MVS יכול להשפיע על ביצועים במשימות התנהגותיות המודדות תפקודים קוגניטיביים גבוהים יותר. לדוגמה, לא ברור באיזו מידה MVS משפיע על חשיבה מרחבית, כלומר היכולת לבצע מנטליזציה של אובייקטים וסיבובי גוף עצמי.
מחקרי דימות מוחי שניתחו את פעילות מצב המנוחה הראו כי MVS יכול לגרום לשינויים ברשתות מצב ברירת מחדל3,22, אשר יכולים להיות מוסברים על ידי כיוון אנטומי ספציפי לנושא של איברי שיווי המשקל ביחס לכיוון השדה המגנטי 23. לגבי ניסויי fMRI, יש לשקול בזהירות את ההשפעות של MVS בתכנון המחקר. יתר על כן, MVS עלול להפריע לגירוי גלווני או שיווי משקל המשמש בניסויי fMRI. זה יכול לפעול כבלבול במחקרי דימות מוחי המשווים משתתפים עם מערכות שיווי משקל שלמות ולא מתפקדות, שכן ההשפעות של MVS נעדרות בחולים שיווי משקל דו-צדדי1.
כדי להעריך את ההשפעות של MVS ולהשוות עוצמות שונות של MVS בקרב משתתפים, אנו מתארים כאן מערך ניסויי וטכני למדידת ניסטגמוס, תפיסת תנועה עצמית, ביצועים קוגניטיביים והמיקום האנטומי של התעלות בתוך סורק MRI 7 T (ראו איור 2). ניתן להתאים את המערך המתואר ולהשתמש בו לניסויים כדי לחקור באופן ספציפי תפקודים וסטיבולריים וקוגניטיביים גבוהים יותר תחת MVS או להעריך ולשלוט בהשפעות המבלבלות האפשריות של MVS במחקרי fMRI.
מעניין, כוחו של MVS יכול להיות אפנן על ידי שינוי מיקום הראש, ולכן, שינוי הכיוון של איברי קצה שיווי המשקל ביחס לכיוון של השדה המגנטי. ההשפעה של MVS יכולה להיות מופחתת אצל רוב המשתתפים על ידי הטיית הראש קדימה לכיוון הגוף (סנטר לחזה)1,24. לפיכך, שינוי מיקום הראש בציר המגרש מאפשר השוואה של אפקטים MVS מדידים בעוצמות גירוי שונות.
בהליך הזה, החוזק של MVS עבר מניפולציה בקרב המשתתפים על-ידי השוואת מדידות בין שתי עמדות ראש (ראו איור 1B). במצב שאמור לעורר MVS, המשתתף שכב שוכב בסורק עם כיוון אנכי-ארצי בקירוב של מישור ריד (מצב שכיבה). במצב שאמור לעורר MVS, ראשו של המשתתף היה מוטה כ-30° בגובהו לחזית (מצב מוטה). תיאורטית ניתן להשוות את תנוחת השכיבה למצב ריק שבו אין ניסטגמוס1. עם זאת, הטיית הגובה הנדרשת עבור מיקום האפס שונה עבור כל משתתף ולוקח זמן לקבוע, מכיוון שהדבר דורש מספר מקרים של מיקום מחדש והזזת המשתתף פנימה והחוצה מהסורק כדי לבדוק את המיקום. זה לא יכול להיות ריאלי עבור רוב עיצובי המחקר. שתי תנוחות הראש, שכיבה ומוטה, מאפשרות להשוות בין מדדים שונים, למשל תפיסת תנועה עצמית או ביצועים במשימות בין המשתתפים ובתוכם.
איור 1: צירים ומישורים של מיקום ראש בשדה המגנטי . (A) ציר ראש-אנכי (HV), בין-שמיעתי (IA) וציר naso-occipital (NO) של הראש. כיוון השדה המגנטי (B0) מתיישר עם ציר ראש-אנכי (HV) כאשר המשתתפים שוכבים בתוך הבור במצב שכיבה31. (B) שתי תנוחות הראש במהלך הניסוי, כאשר תנוחת השכיבה (שכיבה ישרה) ידועה כמעוררת MVS חזק יותר אצל רוב המשתתפים מאשר תנוחת ההטיה (ראש מוטה כלפי מעלה במישור המגרש בערך ב-30°). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
כדי לקבוע כיצד כיוונו איברי שיווי המשקל במהלך ריצות הניסוי ללא הדמיה, חיברנו מגנטומטר תלת-ממדי לראשי המשתתפים ומדדנו את כיוון הגשושית ביחס לציר Z של השדה המגנטי (איור 3B). הכיוון של איברי שיווי המשקל בשדה המגנטי הוערך עם רצף אנטומי 3D-CISS ברזולוציה גבוהה. במהלך רכישת התמונה, המגנומטר הוחלף בפיפטת מים (איור 3D). זה איפשר לחלץ את כיוון המגנטומטר ביחס לכיוון ציר Z של השדה המגנטי וליישר אותו למבני האוזן הפנימית. לאחר מכן אנו יכולים להסיק מסקנות לגבי הכיוון של איברי שיווי המשקל לאורך כל תקופת הניסוי.
הניסטגמוס היה במעקב באמצעות משקפי MRI המתאימים (איור 3C). MVS מעורר לא רק ניסטגמוס אופקי ולפעמים אנכי אלא גם ניסטגמוס פיתול; לכן, מומלץ להשתמש בתוכנה המאפשרת גם מעקב אחר תנועות עיניים פיתול 9,25.
ניתן להעריך תפיסות של תנועה עצמית במהלך תפיסה7 (בעת כניסה ויציאה מהשעמום) ולאחר שתפיסת התנועה העצמית נעלמת, למשל באמצעות שאלונים. חשוב להדריך את המשתתפים היטב, שכן דיווח מילולי על תנועה עצמית לא מילולית הוא לעתים קרובות קשה למשתתפים. אנו מציינים בפרוטוקול היכן ניתן למדוד את תפיסת התנועה העצמית ואת הביצועים הקוגניטיביים, אך איננו מציינים את המשימות או השאלונים, מכיוון שהם תלויים מאוד בשאלת המחקר. אנו, לעומת זאת, מספקים שאלונים ופרדיגמות לדוגמה26.
איור 2: הגדרה טכנית של הניסוי. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
לסיכום, MVS יכול לשמש לחקר ההשפעה של גירוי שיווי משקל על ניסטגמוס, תפיסה ותהליכים קוגניטיביים, כמו גם לחקור תהליכי הרגלה בחולים עם תפקוד לקוי של שיווי המשקל. השפעת השדה המגנטי הסטטי על הכיפה נשארת קבועה לאורך כל החשיפה לשדה המגנטי. מכיוון שזו מדמה תאוצה סיבובית קבועה, MVS היא שיטה מעניינת ומתאימה לחקור את תפקוד שיווי המשקל והשפעתו על תפיסה וקוגניציה27,28. ניתן להשתמש בו כדי לענות באופן ספציפי על שאלות מחקר הנוגעות להשפעת מידע ווסטיבולרי על תפקודים קוגניטיביים גבוהים יותר, כגון חשיבה מרחבית. הוא משמש מודל לא פולשני מתאים לכשל חד צדדי של מערכת שיווי המשקל, המאפשר לחקור תהליכי פיצוי שעלולים להתעורר בחולים שיווי משקל28. יתר על כן, חשוב לקחת בחשבון את ההשפעות המבלבלות של MVS במחקרי fMRI, שכן קורלציות התנהגותיות ועצביות יכולות להשתנות על ידי גירוי שיווי משקל וגם להפריע בעת חקירת חולים שיווי משקל בשדה מגנטי סטטי חזק.
המערך המדווח מתאים לחקור היבטים שונים של השפעות MVS על ניסטגמוס, תפיסת תנועה עצמית וביצועים במשימות קוגניטיביות. שילוב המדדים של תגובת MVS יכול לתת תובנות כגון כיצד המוח מעבד מידע ווסטיבולרי סותר ולהראות כיצד מידע שיווי משקל משפיע על תהליכים תפיסתיים וקוגניטיביים ברמה הבין-אישית והתוך-אישית. בניגוד לשיטות גירוי שיווי משקל אחרות, כגון כיסאות סיבוביים, MVS מעורר גירוי תאוצה קבוע, מה שהופך אותו מתאים למחקרים התנהגותיים ארוכי טווח ומשמש כמודל לא פולשני לכשל חד צדדי 8,28. לכן, גישה זו יכולה לספק תובנות לגבי יחסי הגומלין בין מידע ווסטיבולרי ותהליכים קוגניטיביים במונחים של קוגניציה מרחבית והופעתן של תפיסות תנועה עצמית תחת מידע חושי סותר. בעתיד, השימוש ב-MVS יכול להיות מנוצל במחקר קליני, למשל, כדי לחקור פיצוי מוקדם בשלב חריף לחוסר איזון ווסטיבולרי במהלך חשיפה ל-MVS. ממצאים אלה יכולים להיות קשורים למנגנוני פיצוי לאחר נגעים וסטיבולריים. ההשוואה של המשתתפים עם איברים שיווי משקל נורמליים ולא מתפקדים יכולה לטפח ידע על תהליכי הסתגלות בחולים שיווי משקל למידע שיווי המשקל הנכנס שהשתנה.
ההליך המתואר כולל שלבים קריטיים לרכישת נתונים בטוחה ומדויקת בסורק MRI 7 T. ראשית, סביבת ה-MRI מציבה מספר קשיים. מערך הניסוי חייב להיות בטוח ל-MRI, מה שעשוי לדרוש שינויים במשקפי המעקב אחר העיניים או בחיבורי הכבלים בהשוואה למערך שאינו MRI. הדבר עלול להוביל לפגיעה באיכות הנתונים. כמו כן, המשתתפים חייבים לעמוד בקריטריונים להכללת MRI וצריכים לסבול את אי הנוחות של התהליך (למשל, הטיית הראש תוך כדי שכיבה בסורק MRI במשך מספר דקות). שנית, מעקב עיניים בסורק, במיוחד רכישת ניסטגמוס פיתול, הוא קשה ודורש תוכנה מיוחדת25. עבור פיתול, דפוס הקשתית משמש לעקיבה, הדורשת תמונות באיכות גבוהה ומושפעת גם מהבדלים בדפוסי הקשתית הבודדים. גישה אחרת יכולה להיות שימוש בסמני פיגמנט מלאכותיים על לובן העין3, מה שיכול להיות לא נעים עבור המשתתף. שלישית, תפיסת תנועה עצמית עקב MVS אינה מילולית, ולכן מרמזת על קונפליקטים תוך-וסטיבולריים כמו גם רב-חושיים28. לכן, לעתים קרובות קשה לתאר את הניסוח של חוויות סיבוב הראש ו/או הגוף והתרגום עבור המשתתפים. הוראות ברורות המותאמות לשאלת המחקר הן בעלות חשיבות מכרעת. אנו ממליצים להשתמש במונחי רוטציה ותרגום ידועים אליהם יכולים המשתתפים להזדהות, ובכך לאפשר להם לתאר טוב יותר את החוויה התפיסתית שלהם. להערכת פרמטרי תנועה ספציפיים, ניתן להשתמש בשיטות עדינות יותר, כגון דירוגים של מהירות סיבוב לאורך זמן7.
ההתקנה המוצגת מוגבלת על ידי האילוצים הטכניים של הציוד שלנו וניתן לשפר אותה אם ניתן להתגבר עליהם. לדוגמה, כדי להעריך לא רק את מיקום הראש הסטטי אלא גם הדינמי בתוך המשעמם, נתוני המגנומטר יכולים להיות מסונכרנים גם עם מעקב אחר העיניים ונתוני התנהגות. כיול משקפי המגן יהיה טוב יותר אם יחזור על עצמו לפני כל ריצה. כמו כן, אורך כבל מעקב העיניים הוא בעל חשיבות, שכן זה מגדיר אם ניסטגמוס ספונטני ניתן למדוד מחוץ לחדר הסורק. הפתרון הטוב ביותר יהיה מיטת MRI ניתקת, אשר ניתן להזיז מחוץ לשדה המגנטי. עם זאת, יש לראות את מסך המחשב העוקב אחר העיניים מתוך חדר הסורק כדי לאפשר כיול וכוונון עדין של פרמטרי מעקב העיניים תוך גישה למשקפי המגן. במקרה שלנו, פתרנו את זה באמצעות מסך שני שסובב לכיוון חלון חדר הסורק.
MVS עשוי להשפיע על הביצועים ועל תגובות המוח במחקרי fMRI. במחקרים שהשוו בין חולי שיווי משקל לקבוצת ביקורת בריאה, MVS יכול להוביל להבדלים קבוצתיים בגלל הבדל בעוצמת הגירוי במקום מאפיינים אחרים של המטופל. לצורך שליטה בהשפעות MVS מבלבלות, ההתקנה הנוכחית היא תהליך גוזל זמן הן מבחינת זמן והן מבחינה כספית (ציוד). לחלופין, הטיית הראש כלפי מעלה עבור זוויות קטנות7,23 (במידה המותרת על ידי סליל הראש) או הערכת קובריאטים, כגון כיוון איברי שיווי המשקל עם MRI כמתואר לעיל 23,30 ו / או ניסטגמוס (למשל, גישות מעקב עיניים מבוססות fMRI אחרונות 32), יכול להיות שימושי.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים למשתתפים ולצוות MR, כמו גם למבקרים שהערותיהם יקרות הערך שיפרו את איכות כתב היד. אנו מודים לד.ס. זי על עצתו החשובה. אנו אסירי תודה על כך ש- DIATEC AG סיפקה מחשב נייד למעקב אחר העיניים עבור הניסוי. הפרויקט נתמך על ידי מענק תמיכה SITEM-Insel מאוניברסיטת ברן המוענק ל- FWM ו- GM.
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 |