Misurare l'influenza della stimolazione vestibolare magnetica sul nistagmo, sulla percezione del movimento e sulle prestazioni cognitive in una MRT 7T
Summary
In questo articolo, descriviamo la configurazione sperimentale, il materiale e le procedure per valutare i movimenti oculari riflessivi, la percezione del movimento di sé e le attività cognitive sotto stimolazione vestibolare magnetica, nonché l’orientamento anatomico degli organi vestibolari, in uno scanner per tomografia a risonanza magnetica da 7 Tesla (7T-MRT).
Abstract
Forti campi magnetici inducono vertigini, vertigini e nistagmo a causa delle forze di Lorentz che agiscono sulla cupula nei canali semicircolari, un effetto chiamato stimolazione vestibolare magnetica (MVS). In questo articolo, presentiamo una configurazione sperimentale in uno scanner MRT 7T (scanner MRI) che consente l’indagine dell’influenza di forti campi magnetici sul nistagmo e sulle risposte percettive e cognitive. La forza di MVS viene manipolata alterando le posizioni della testa dei partecipanti. L’orientamento dei canali semicircolari dei partecipanti rispetto al campo magnetico statico viene valutato combinando un magnetometro 3D e un’interferenza costruttiva 3D in immagini stazionarie (3D-CISS). Questo approccio consente di tenere conto delle differenze intra e interindividuali nelle risposte dei partecipanti alla MVS. In futuro, MVS può essere utile per la ricerca clinica, ad esempio, nello studio dei processi compensativi nei disturbi vestibolari. Inoltre, potrebbe favorire approfondimenti sull’interazione tra informazioni vestibolari e processi cognitivi in termini di cognizione spaziale e l’emergere di percezioni di auto-movimento sotto informazioni sensoriali contrastanti. Negli studi fMRI, la MVS può suscitare un possibile effetto confondente, specialmente in compiti influenzati da informazioni vestibolari o in studi che confrontano pazienti vestibolari con controlli sani.
Introduction
Forti campi magnetici, cioè superiori a 1 T, sono noti per indurre vertigini, vertigini e nistagmo, un effetto chiamato stimolazione vestibolare magnetica (MVS)1,2,3. Il sistema vestibolare si trova nell’orecchio interno e misura l’accelerazione attorno agli assi rotazionali (imbardata, beccheggio e rollio) con tre canali semicircolari e l’accelerazione lungo gli assi traslazionali (naso-occipitale, inter-aurale e testa-verticale) con due organi della macula, l’utricolo e il sacculo4 (vedi Figura 1A). L’emergere dell’effetto MVS può essere spiegato da una forza di Lorentz indotta dalla corrente ionica che agisce sulla cupula dei canali semicircolari del sistema vestibolare 1,2.
L’effetto di MVS aumenta con intensità di campo più elevate 3,5. La stimolazione è causata da due diverse componenti. In primo luogo, spostando il partecipante nel foro attraverso il campo B0 dello scanner MRI si ottiene un campo magnetico dinamico che suscita forze di Lorentz che agiscono sulla cupola. In secondo luogo, il campo magnetico statico dello scanner MRI in cui i partecipanti giacciono senza movimento durante gli esperimenti provoca anche una forza di Lorentz costante. Pertanto, in tutti gli esperimenti che utilizzano scanner MRI, il sistema vestibolare del partecipante è costantemente stimolato dal campo magnetico statico. Ciò include tutti gli studi fMRI, in particolare quelli in campi magnetici ultra-alti (> 3 T).
Il nistagmo viene suscitato dall’essere spostato o in movimento, così come dal riposo statico in un forte campo magnetico. Le forze legate al movimento causano un forte nistagmo, che decade dopo un paio di minuti6. Il nistagmo suscitato dai campi magnetici statici è più debole e diminuisce gradualmente nel tempo, ma non scompare completamente durante l’esposizione. La direzione del nistagmo dipende dalla polarità del campo magnetico e si inverte al ritiro dal campo magnetico 6,7,8. La MVS agisce prevalentemente sui canali orizzontale e superiore, determinando movimenti oculari riflessivi, cioè nistagmo prevalentemente orizzontale e torsionale e, in misura minore, nistagmo verticale9. Nei pazienti vestibolari bilaterali, non è possibile osservare nistagmo1, e nei pazienti vestibolari unilaterali sono presenti componenti nistagmo verticali più pronunciate10. Poiché il nistagmo è involontario, è una misura adatta per la forza della stimolazione vestibolare. Il nistagmo può essere soppresso dalla fissazione visiva; Pertanto, i movimenti oculari devono essere valutati nella completa oscurità.
La percezione non veridica del movimento di sé, le vertigini e le vertigini sono spesso descritte dai partecipanti mentre vengono spostati dentro o fuori dal foro, specialmente in intensità di campo superiori a 3 T. Le percezioni del movimento di sé sono state per lo più descritte come rotazioni nel rollio e, in misura minore, nel piano di imbardata e beccheggio7 (vedi Figura 1A). Mentre il nistagmo persiste per tutta la durata dell’esposizione, la percezione del movimento di sé di solito scompare dopo 1-3 minuti7. La parte costante della MVS è di per sé una stimolazione interessante poiché consente un input vestibolare prolungato che non è accompagnato dalla percezione cosciente dell’auto-movimento.
Da studi che utilizzano la stimolazione vestibolare calorica o galvanica, il movimento passivo o la microgravità, è noto che le informazioni vestibolari possono influenzare le prestazioni nei compiti spaziali 11,12 e i suoi correlati neurali13. È stato riportato che essere spostati o muoversi all’interno di forti campi magnetici influenza le prestazioni cognitive14,15. Uno studio ha scoperto che la MVS potrebbe portare a sintomi di derealizzazione a causa della percezione non veridica del movimento di sé16. Tuttavia, gli studi che studiano l’influenza del riposo statico nei campi magnetici non hanno mostrato risultati conclusivi per quanto riguarda i compiti neuropsicologici, tranne un deterioramento replicato dell’accuratezza visiva17,18,19,20. Recentemente, è stata trovata la prima evidenza che MVS può alterare l’attenzione spaziale inducendo un pregiudizio simile alla negligenza21. Ciò solleva la questione se MVS possa influire sulle prestazioni nelle attività comportamentali che misurano le funzioni cognitive superiori. Ad esempio, non è chiaro fino a che punto MVS influenzi il ragionamento spaziale, cioè la capacità di mentalizzare gli oggetti e le rotazioni del proprio corpo.
Studi di neuroimaging che analizzano l’attività dello stato di riposo hanno dimostrato che la MVS può indurre cambiamenti nelle reti di modalità predefinita3,22, che possono essere spiegati dall’orientamento anatomico specifico del soggetto degli organi vestibolari rispetto alla direzione del campo magnetico 23. Per quanto riguarda gli esperimenti fMRI, gli effetti della MVS devono essere attentamente considerati nella progettazione dello studio. Inoltre, la MVS potrebbe interferire con la stimolazione galvanica o vestibolare utilizzata negli esperimenti fMRI. Potrebbe agire come confondente negli studi di neuroimaging confrontando i partecipanti con sistemi vestibolari intatti e disfunzionali, poiché gli effetti della MVS sono assenti nei pazienti vestibolari bilaterali1.
Per valutare gli effetti della MVS e confrontare i diversi punti di forza della MVS all’interno dei partecipanti, descriviamo qui una configurazione sperimentale e tecnica per misurare il nistagmo, la percezione del movimento di sé, le prestazioni cognitive e la posizione anatomica dei canali all’interno di uno scanner MRI da 7 T (vedi Figura 2). La configurazione descritta può essere adattata e utilizzata per esperimenti per studiare specificamente le funzioni cognitive vestibolari e superiori sotto MVS o per valutare e controllare i possibili effetti confondenti della MVS negli studi fMRI.
È interessante notare che la forza di MVS può essere modulata cambiando la posizione della testa e, quindi, cambiando l’orientamento degli organi terminali vestibolari rispetto alla direzione del campo magnetico. L’effetto della MVS può essere ridotto nella maggior parte dei partecipanti inclinando la testa in avanti verso il corpo (dal mento al petto)1,24. Pertanto, la modifica della posizione della testa nell’asse del passo consente il confronto di effetti MVS misurabili sotto diverse forze di stimolazione.
In questa procedura, la forza di MVS è stata manipolata all’interno dei partecipanti confrontando le misurazioni tra due posizioni della testa (vedi Figura 1B). Nella condizione che avrebbe dovuto suscitare MVS più forte, il partecipante giaceva supino nello scanner con un orientamento approssimativamente verticale terrestre del piano di Reid (posizione supina). Nella condizione che avrebbe dovuto suscitare MVS più deboli, la testa del partecipante è stata inclinata di circa 30° in passo verso la parte anteriore (posizione inclinata). È teoricamente possibile confrontare la posizione supina con una posizione nulla in cui non è presente nistagmo1. Tuttavia, l’inclinazione del passo richiesta per la posizione nulla è diversa per ciascun partecipante e richiede molto tempo per determinarla, poiché ciò richiede diversi casi di riposizionamento e spostamento del partecipante dentro e fuori dallo scanner per testare la posizione. Questo potrebbe non essere fattibile per la maggior parte dei disegni di studio. Le due posizioni della testa, supina e inclinata, consentono di confrontare diverse misure, ad esempio la percezione del movimento di sé o le prestazioni nei compiti tra e all’interno dei partecipanti.
Figura 1: Assi e piani di posizione della testa nel campo magnetico . (A) Asse testa-verticale (HV), inter-udiale (IA) e naso-occipitale (NO) della testa. La direzione del campo magnetico (B0) si allinea con l’asse testa-verticale (HV) quando i partecipanti giacciono all’interno del foro in posizione supina31. (B) Le due posizioni della testa durante l’esperimento, con la posizione supina (sdraiata dritta) nota per suscitare MVS più forte nella maggior parte dei partecipanti rispetto alla posizione inclinata (testa inclinata verso l’alto nel piano di beccheggio a circa 30°). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Per determinare come gli organi vestibolari erano orientati durante le prove sperimentali senza imaging, abbiamo collegato un magnetometro 3D alle teste dei partecipanti e misurato l’orientamento della sonda rispetto all’asse Z del campo magnetico (Figura 3B). L’orientamento degli organi vestibolari nel campo magnetico è stato valutato con una sequenza anatomica 3D-CISS ad alta risoluzione. Durante l’acquisizione delle immagini, il magnetometro è stato sostituito con una pipetta ad acqua (Figura 3D). Ciò ha permesso di estrarre l’orientamento del magnetometro rispetto alla direzione dell’asse Z del campo magnetico e di allinearlo alle strutture dell’orecchio interno. Possiamo quindi trarre conclusioni sull’orientamento degli organi vestibolari per tutta la durata dell’esperimento.
Il nistagmo è stato monitorato con occhiali adatti alla risonanza magnetica (Figura 3C). MVS suscita nistagmo non solo orizzontale e talvolta verticale ma anche torsionale; Pertanto, si consiglia di utilizzare un software che consenta anche il monitoraggio dei movimenti oculari torsionali 9,25.
Le percezioni di auto-movimento possono essere valutate durante la percezione7 (mentre si entra ed esce dal foro) e dopo che le percezioni di auto-movimento svaniscono, ad esempio, con questionari. È importante istruire bene i partecipanti, poiché riportare verbalmente l’auto-movimento non veridico è spesso difficile per i partecipanti. Indichiamo nel protocollo dove potrebbe essere misurata la percezione del movimento di sé e le prestazioni cognitive ma non specifichiamo i compiti o i questionari, poiché dipendono fortemente dalla domanda di ricerca. Noi, tuttavia, forniamo questionari e paradigmi di esempio26.
Figura 2: Configurazione tecnica dell’esperimento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
In sintesi, la MVS può essere utilizzata per studiare l’influenza della stimolazione vestibolare sul nistagmo, sulla percezione e sui processi cognitivi, nonché per studiare i processi di assuefazione in pazienti con disfunzione vestibolare. L’effetto del campo magnetico statico sulla cupula rimane costante per tutta l’esposizione al campo magnetico. Poiché questo simula un’accelerazione rotazionale costante, MVS è un metodo interessante e adatto per studiare la funzione vestibolare e la sua influenza sulla percezione e sulla cognizione27,28. Può essere utilizzato per affrontare specificamente domande di ricerca riguardanti l’influenza delle informazioni vestibolari sulle funzioni cognitive superiori, come il ragionamento spaziale. Serve come modello non invasivo adatto per il fallimento unilaterale del sistema vestibolare, che consente lo studio dei processi compensativi che possono insorgere nei pazienti vestibolari28. Inoltre, è importante considerare gli effetti confondenti della MVS negli studi fMRI, poiché i correlati comportamentali e neurali possono essere alterati dalla stimolazione vestibolare e interferire anche quando si studiano pazienti vestibolari in un forte campo magnetico statico.
Protocol
Representative Results
Discussion
La configurazione riportata è adatta a studiare vari aspetti degli effetti MVS sul nistagmo, sulla percezione del movimento di sé e sulle prestazioni nei compiti cognitivi. La combinazione delle misure della risposta MVS indotta potrebbe fornire intuizioni come il modo in cui il cervello elabora le informazioni vestibolari contrastanti e mostrare come le informazioni vestibolari influenzano i processi percettivi e cognitivi a livello interindividuale e intra-individuale. A differenza di altri metodi di stimolazione vestibolare, come le sedie rotazionali, MVS suscita uno stimolo di accelerazione costante, rendendolo adatto per studi comportamentali più duraturi e l’uso come modello non invasivo per il fallimento unilaterale 8,28. Pertanto, questo approccio potrebbe fornire approfondimenti sull’interazione tra informazioni vestibolari e processi cognitivi in termini di cognizione spaziale e l’emergere di percezioni di auto-movimento sotto informazioni sensoriali contrastanti. In futuro, l’uso della MVS può essere sfruttato nella ricerca clinica, ad esempio, per studiare la compensazione precoce dello stadio acuto allo squilibrio vestibolare durante l’esposizione alla MVS. Questi risultati potrebbero quindi essere collegati ai meccanismi di compensazione dopo le lesioni vestibolari. Il confronto dei partecipanti con organi vestibolari normali e disfunzionali potrebbe favorire la conoscenza dei processi di adattamento nei pazienti vestibolari alle informazioni vestibolari alterate in entrata.
La procedura descritta include passaggi critici per l’acquisizione sicura e accurata dei dati in uno scanner MRI da 7 T. In primo luogo, l’ambiente MRI pone diverse difficoltà. La configurazione sperimentale deve essere sicura per la risonanza magnetica, che potrebbe richiedere modifiche agli occhiali di tracciamento oculare o alle connessioni dei cavi rispetto a una configurazione non MRI. Ciò può portare a compromessi nella qualità dei dati. Inoltre, i partecipanti devono soddisfare i criteri di inclusione della risonanza magnetica e devono tollerare l’inconveniente del processo (ad esempio, inclinare la testa mentre si è sdraiati nello scanner MRI per diversi minuti). In secondo luogo, l’eye-tracking nello scanner, in particolare l’acquisizione del nistagmo torsionale, è difficile e richiede un software specializzato25. Per la torsione, il modello del diaframma viene utilizzato per il tracciamento, che richiede immagini di alta qualità ed è anche influenzato dalle differenze nei singoli modelli di iride. Un altro approccio potrebbe essere l’uso di marcatori di pigmenti artificiali sulla sclera3, che può essere spiacevole per il partecipante. In terzo luogo, le percezioni di auto-movimento dovute alla MVS non sono veridiche e, quindi, implicano conflitti intra-vestibolari e multisensoriali28. Pertanto, la verbalizzazione di queste esperienze di rotazione della testa e / o del corpo e di traduzione sono spesso difficili da descrivere per i partecipanti. Istruzioni chiare adattate alla domanda di ricerca sono di importanza cruciale. Raccomandiamo di utilizzare termini di rotazione e traduzione ben noti a cui i partecipanti possano relazionarsi, consentendo loro di descrivere meglio la loro esperienza percettiva. Per valutare specifici parametri di movimento, è possibile utilizzare metodi a grana più fine, come i valori della velocità di rotazione nel tempo7.
La configurazione presentata è limitata dai vincoli tecnici delle nostre attrezzature e potrebbe essere migliorata se questi potessero essere superati. Ad esempio, per valutare non solo la posizione della testa statica ma anche dinamica all’interno del foro, i dati del magnetometro potrebbero anche essere sincronizzati con i dati di tracciamento oculare e comportamentali. La calibrazione degli occhiali sarebbe migliore se ripetuta prima di ogni corsa. Inoltre, la lunghezza del cavo di tracciamento oculare è importante, in quanto definisce se il nistagmo spontaneo può essere misurato al di fuori della stanza dello scanner. La soluzione migliore sarebbe un letto di risonanza magnetica staccabile, che può essere spostato al di fuori del campo magnetico. Tuttavia, lo schermo del computer di tracciamento oculare deve essere visto dall’interno della sala scanner per consentire la calibrazione e la messa a punto dei parametri di tracciamento oculare pur avendo accesso agli occhiali. Nel nostro caso, abbiamo risolto il problema tramite un secondo schermo ruotato verso la finestra della sala scanner.
La MVS potrebbe influenzare le prestazioni e le risposte cerebrali negli studi fMRI. Negli studi che hanno confrontato pazienti vestibolari con controlli sani, MVS potrebbe portare a differenze di gruppo a causa di una differenza nella forza di stimolazione invece di altre caratteristiche del paziente. Allo scopo di controllare gli effetti MVS confondenti, la configurazione corrente è un processo che richiede tempo sia in termini di tempo che di denaro (apparecchiatura). In alternativa, potrebbe essere utile inclinare la testa verso l’alto per piccoli angoli7,23 (nella misura consentita dalla bobina della testa) o valutare le covariate, come l’orientamento degli organi vestibolari con la risonanza magnetica come descritto sopra 23,30 e/o il nistagmo (ad esempio, recenti approcci di tracciamento oculare basati sulla fMRI 32).
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo i partecipanti e il team MR, così come i revisori i cui preziosi commenti hanno migliorato la qualità del manoscritto. Ringraziamo D. S. Zee per i suoi preziosi consigli. Siamo grati che DIATEC AG abbia fornito un laptop eye-tracking per l’esperimento. Il progetto è sostenuto da una sovvenzione SITEM-Insel dell’Università di Berna assegnata a FWM e 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 |
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