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

Измерение влияния магнитной вестибулярной стимуляции на нистагм, восприятие собственного движения и когнитивные способности в МРТ 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

В этой статье мы описываем экспериментальную установку, материал и процедуры для оценки рефлекторных движений глаз, восприятия собственных движений и когнитивных задач при магнитной вестибулярной стимуляции, а также анатомической ориентации вестибулярных органов на магнитно-резонансном томографе 7 Тесла (7T-MRT).

Abstract

Сильные магнитные поля вызывают головокружение, головокружение и нистагм из-за сил Лоренца, действующих на купулу в полукружных каналах, эффект, называемый магнитной вестибулярной стимуляцией (MVS). В этой статье мы представляем экспериментальную установку в МРТ-сканере 7T (МРТ-сканер), которая позволяет исследовать влияние сильных магнитных полей на нистагм, а также на перцептивные и когнитивные реакции. Силой MVS манипулируют, изменяя положение голов участников. Ориентация полукружных каналов участников по отношению к статическому магнитному полю оценивается путем объединения 3D-магнитометра и 3D-конструктивной интерференции в стационарных (3D-CISS) изображениях. Такой подход позволяет учесть внутри- и межиндивидуальные различия в ответах участников на МВС. В перспективе МВС может быть полезна для клинических исследований, например, при исследовании компенсаторных процессов при вестибулярных расстройствах. Кроме того, это может способствовать пониманию взаимодействия между вестибулярной информацией и когнитивными процессами с точки зрения пространственного познания и появления восприятия самодвижения в условиях противоречивой сенсорной информации. В исследованиях фМРТ MVS может вызывать возможный смешанный эффект, особенно в задачах, на которые влияет вестибулярная информация, или в исследованиях, сравнивающих вестибулярных пациентов со здоровыми контрольными группами.

Introduction

Известно, что сильные магнитные поля, т. е. выше 1 Тл, вызывают головокружение, головокружение и нистагм, эффект, называемый магнитной вестибулярной стимуляцией (MVS)^1,2,3. Вестибулярный аппарат расположен во внутреннем ухе и измеряет ускорение вокруг осей вращения (рыскание, тангаж и крен) с помощью трех полукружных каналов и ускорение по трансляционным осям (носо-затылочной, межслуховой и головно-вертикальной) с двумя макулярными органами, утрикулой и мешочком⁴ (см. рис. 1А). Возникновение эффекта MVS можно объяснить индуцированной ионным током силой Лоренца, действующей на купулу полукружных каналов вестибулярного аппарата ^1,2.

Эффект MVS увеличивается с увеличением напряженности поля ^3,5. Стимуляция вызвана двумя разными компонентами. Во-первых, перемещение участника в отверстие через поле B0 МРТ-сканера приводит к динамическому магнитному полю, которое вызывает силы Лоренца, действующие на купулу. Во-вторых, статическое магнитное поле МРТ-сканера, в котором участники лежат без движения во время экспериментов, также вызывает постоянную силу Лоренца. Таким образом, во всех экспериментах с использованием МРТ-сканеров вестибулярная система участника постоянно стимулируется статическим магнитным полем. Это включает в себя все исследования фМРТ, особенно в сверхсильных магнитных полях (> 3 Тл).

Нистагм возникает при перемещении или перемещении, а также при статическом пребывании в сильном магнитном поле. Силы, связанные с движением, вызывают сильный нистагм, который распадается через пару минут⁶. Нистагм, возникающий под действием статических магнитных полей, слабее и постепенно уменьшается с течением времени, но не исчезает полностью во время воздействия. Направление нистагма зависит от полярности магнитного поля и меняется на противоположное при выходе из магнитного поля ^6,7,8. MVS действует преимущественно на горизонтальные и верхние каналы, что приводит к рефлекторным движениям глаз, т.е. в основном к горизонтальному и торсионному нистагму и, в меньшей степени, к вертикальному нистагму⁹. У двусторонних вестибулярных пациентов нистагма^{не наблюдается1}, а у односторонних вестибулярных пациентов присутствуют более выраженные вертикальные компоненты нистагма¹⁰. Поскольку нистагм является непроизвольным, он хорошо подходит для силы вестибулярной стимуляции. Нистагм может быть подавлен визуальной фиксацией; Поэтому движения глаз необходимо оценивать в полной темноте.

Недостоверное восприятие собственного движения, головокружение и головокружение часто описываются участниками при входе или выходе из отверстия, особенно при напряженности поля выше 3 Тл. Восприятие собственного движения в основном описывается как вращения по крену и, в меньшей степени, в плоскости рыскания и тангажа⁷ (см. рис. 1А). В то время как нистагм сохраняется на протяжении всего воздействия, восприятие собственного движения обычно исчезает через 1-3 минуты⁷ минут. Постоянная часть MVS сама по себе является интересной стимуляцией, поскольку она допускает длительный вестибулярный вход, который не сопровождается сознательным восприятием собственного движения.

Из исследований с использованием калорийной или гальванической вестибулярной стимуляции, пассивного движения или микрогравитации известно, что вестибулярная информация может влиять на выполнение пространственных задач ^11,12 и ее нейронные корреляты¹³. Сообщалось, что перемещение или перемещение внутри сильных магнитных полей влияет на когнитивные функции^14,15. Одно исследование показало, что MVS может привести к симптомам дереализации из-за недостоверного восприятия собственного движения¹⁶. Однако исследования, изучающие влияние статического покоя в магнитных полях, не показали убедительных результатов в отношении нейропсихологических задач, за исключением повторного ухудшения визуальной точности^17,18,19,20. Недавно были обнаружены первые доказательства того, что MVS может изменять пространственное внимание, вызывая смещение, подобное пренебрежению²¹. Это поднимает вопрос о том, может ли MVS влиять на производительность в поведенческих задачах, измеряющих высшие когнитивные функции. Например, неясно, в какой степени MVS влияет на пространственное мышление, т. е. способность к ментализации объектов и вращениям собственного тела.

Нейровизуализационные исследования, анализирующие активность в состоянии покоя, показали, что MVS может индуцировать изменения в сетях^{режима по} умолчанию 3,22^, что можно объяснить анатомической ориентацией вестибулярных органов относительно направления^{магнитного поля 23}. Что касается экспериментов с фМРТ, эффекты MVS должны быть тщательно учтены при планировании исследования. Кроме того, MVS может мешать гальванической или вестибулярной стимуляции, используемой в экспериментах с фМРТ. Это может выступать в качестве искажающего фактора в исследованиях нейровизуализации, сравнивающих участников с интактной и дисфункциональной вестибулярной системой, поскольку эффекты MVS отсутствуют у двусторонних вестибулярных пациентов¹.

Чтобы оценить эффекты MVS и сравнить различные сильные стороны MVS у участников, мы здесь описываем экспериментальную и техническую установку для измерения нистагма, восприятия собственного движения, когнитивных функций и анатомического положения каналов внутри МРТ-сканера 7 Тл (см. Рисунок 2). Описанная установка может быть адаптирована и использована для экспериментов по специальному исследованию вестибулярных и высших когнитивных функций при МВС или для оценки и контроля возможных смешанных эффектов МВС в исследованиях фМРТ.

Интересно, что силу МВС можно модулировать, изменяя положение головы и, следовательно, изменяя ориентацию вестибулярных конечных органов относительно направления магнитного поля. Эффект MVS может быть уменьшен у большинства участников, если наклонить голову вперед к телу (подбородок к груди)^1,24. Таким образом, изменение положения головы на оси шага позволяет сравнивать измеримые эффекты MVS при различных силах стимуляции.

В этой процедуре силой MVS манипулировали у участников путем сравнения измерений между двумя положениями головы (см. Рисунок 1B). В состоянии, которое должно было вызвать более сильный MVS, участник лежал на спине в сканере с приблизительно вертикальной ориентацией плоскости Рейда (положение лежа на спине). В состоянии, которое должно было вызвать более слабый MVS, голова участника была наклонена примерно на 30° по тангажу вперед (наклонное положение). Теоретически можно сравнить положение лежа на спине с нулевым положением, в котором нет нистагма¹. Тем не менее, требуемый наклон высоты тона для нулевой позиции различен для каждого участника и требует много времени для определения, так как для этого требуется несколько случаев изменения положения и перемещения участника в сканер и из него для проверки положения. Это может быть невозможно для большинства дизайнов исследований. Два положения головы, лежа на спине и наклоняясь, позволяют сравнивать различные показатели, например, восприятие собственных движений или выполнение задач между участниками и внутри них.

Рисунок 1: Оси и плоскости положения головы в магнитном поле . (A) Вертикальная (HV), межушная (IA) и носо-затылочная (NO) оси головы. Направление магнитного поля (B0) совпадает с вертикальной осью головы (HV), когда участники лежат внутри отверстия в положении^{лежа на спине 31}. (B) Два положения головы во время эксперимента, при этом положение лежа на спине (лежа прямо), как известно, вызывает более сильный MVS у большинства участников, чем наклоненное положение (голова наклонена вверх в плоскости тангажа примерно на 30°). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Чтобы определить, как вестибулярные органы были ориентированы во время экспериментальных запусков без визуализации, мы прикрепили 3D-магнитометр к головам участников и измерили ориентацию зонда относительно оси Z магнитного поля (рис. 3B). Ориентацию вестибулярных органов в магнитном поле оценивали с помощью анатомической последовательности 3D-CISS высокого разрешения. Во время получения изображения магнитометр был заменен водяной пипеткой (рис. 3D). Это позволило извлечь ориентацию магнитометра относительно направления оси Z магнитного поля и выровнять ее по структурам внутреннего уха. Затем мы можем сделать выводы об ориентации вестибулярных органов на протяжении всего эксперимента.

Нистагм отслеживался с помощью подходящих для МРТ очков (рис. 3C). МВС вызывает не только горизонтальный, а иногда и вертикальный, но и крутильный нистагм; Поэтому рекомендуется использовать программное обеспечение, которое также позволяет отслеживать крутильные движения глаз ^9,25.

Восприятие собственного движения может быть оценено во время восприятия⁷ (при входе и выходе из скважины) и после того, как восприятие собственного движения исчезает, например, с помощью опросников. Важно хорошо проинструктировать участников, так как устное сообщение о неправдивом самодвижении часто бывает трудным для участников. Мы указываем в протоколе, где можно измерить восприятие собственных движений и когнитивные способности, но не указываем задачи или опросники, поскольку они сильно зависят от вопроса исследования. Однако мы приводим примеры вопросников и парадигм²⁶.

Рисунок 2: Техническая настройка эксперимента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Таким образом, MVS может быть использован для исследования влияния вестибулярной стимуляции на нистагм, восприятие и когнитивные процессы, а также для изучения процессов привыкания у пациентов с вестибулярной дисфункцией. Воздействие статического магнитного поля на купулу остается постоянным на протяжении всего воздействия магнитного поля. Поскольку это имитирует постоянное ускорение вращения, MVS является интересным и подходящим методом для исследования вестибулярной функции и ее влияния на восприятие и познание^27,28. Он может быть использован специально для решения исследовательских вопросов, касающихся влияния вестибулярной информации на высшие когнитивные функции, такие как пространственное мышление. Он служит подходящей неинвазивной моделью односторонней недостаточности вестибулярной системы, которая позволяет изучать компенсаторные процессы, которые могут возникнуть у вестибулярных пациентов²⁸. Кроме того, важно учитывать смешанные эффекты MVS в исследованиях фМРТ, поскольку поведенческие и нейронные корреляты могут быть изменены вестибулярной стимуляцией, а также мешать при исследовании вестибулярных пациентов в сильном статическом магнитном поле.

Protocol

Следующие шаги были частью исследования, которое соответствовало Хельсинкской декларации и было одобрено комитетом по этике кантона Берн, Швейцария (2019-02468). Все участники дали свое письменное информированное согласие до участия в исследовании. ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется оценить вестибулярную функцию участников перед экспериментом MVS с помощью стандартных вестибулярных диагностических тестов, таких как опросники (например,.опросник инвалидности головокружения29), битермические калориальные тесты, вращательные маятниковые тесты, тесты головного импульса (HIT), субъективная зрительная вертикаль (SVV), вестибулярные вызванные миогенные потенциалы (c-VEMP), глазные вестибулярные миогенные потенциалы (o-VEMP), динамическая острота зрения (DVA) и / или динамическая постурография. 1. Подготовка экспериментальной установки в томографической комнате (рис. 2) ВНИМАНИЕ: Все материалы, приносимые в комнату сканера, должны быть безопасными для МРТ. Подключите экспериментальный компьютер и компьютер слежения за глазами с помощью кроссоверного кабеля Ethernet, чтобы обеспечить синхронизацию сбора данных. Соедините кнопки ответов, управляемые участником, с экспериментальным компьютером через поле ответа. Включите проектор, подключенный к экспериментальному компьютеру. Подключите магнитометр к компьютеру магнитометра, вставив его в разъем USB.ПРИМЕЧАНИЕ: 3D-магнитометр должен быть подходящим и откалиброванным для сверхвысокой напряженности поля. В программном обеспечении, используемом в этом исследовании, были выбраны следующие настройки: единицы измерения = Тесла, диапазон = 20,00, скорость сбора данных = 100,00 Гц. Подключите очки слежения за глазами к компьютеру слежения за глазами с помощью экранированного кабеля firewire.ПРИМЕЧАНИЕ: Если кабель недостаточно длинный, экран компьютера с отслеживанием глаз должен быть виден изнутри комнаты сканера, чтобы можно было отрегулировать очки слежения за глазами. При необходимости используйте внешний экран, расположенный перед окном между кабинетом МРТ и диспетчерской. Откройте программу слежения за движением глаз 9,25. 2. Подготовка участника к входу в МРТ-сканер ВНИМАНИЕ: Следующие шаги имеют решающее значение для безопасности участников и персонала. Пусть участник прочитает и подпишет информированное согласие. Подтвердите, что участник не соответствует критериям исключения МРТ. Обеспечьте безопасную для МРТ одежду, удалите металлические предметы (например, пирсинг) и сделайте тест на беременность (если применимо).ПРИМЕЧАНИЕ: Критерии безопасности MR см. https://mr-gufi.de/index.php/dokumente. Критерии варьируются в зависимости от исследовательского центра. Тщательно удалите контактные линзы, тени для век и тушь для ресниц (для лучшего отслеживания глаз). 3. Информирование участника об экспериментальных процедурах и задачах Объясните процедуру эксперимента и дайте инструкции по выполнению заданий. Позвольте участнику пройти практические испытания (если применимо). Если оценивается восприятие собственного движения, сообщите участнику о конкретных осях перемещения и вращения (см. рис. 1A). Используйте запоминающиеся термины для конкретных движений, например, «вращение барбекю» для вращений по рысканию (вокруг вертикальной оси головы) в положениилежа на спине 26. 4. Подготовка айтрекеров и магнитометрических измерений Наденьте эластичное оголовье и шапочку для ЭЭГ на голову участника (например, безопасную для МРТ шапочку ЭЭГ без электродов) (см. рис. 3A). Закрепите магнитометр за одним ухом (должен находиться в диапазоне последовательных изображений 3D-СНПЧ), потянув его под эластичное оголовье и колпачок ЭЭГ. Зафиксируйте его соответствующим образом с помощью клейкой ленты (см. рисунок 3B). Наденьте очки для слежения за глазами поверх колпачка ЭЭГ (см. рис. 3C). Пусть участник вставляет беруши. Отрегулируйте параметры слежения за глазами на очках (центрирование влево/вправо, центрирование вверх/вниз, фокусировка) и в программном обеспечении (центрирование влево/вправо, центрирование вверх/вниз, размер зрачка, контрастность, рисунок радужной оболочки), чтобы обеспечить хорошее отслеживание. Рисунок 3: Подготовка участника . (А) Эластичное оголовье и колпачок ЭЭГ (без электродов) для фиксации магнитометра. (B) Магнитометр помещается за одним ухом. (C) Установлены очки для слежения за глазами. (D) Зонд магнитометра снимается и заменяется водяной пипеткой для визуализации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 5. Запись файла калибровки слежения за глазами ПРИМЕЧАНИЕ: Калибровка будет наиболее точной, если она выполняется перед каждым забегом и в том положении, в котором участник перемещается в сканер. Описанная здесь процедура менее точна, но была выбрана из-за временных и технических ограничений. Пусть участник сядет на расстоянии 1 м перед калибровочными стимулами (измерьте расстояние между глазами и стимулом, например, рулеткой). Отрегулируйте параметры отслеживания глаз в программном обеспечении (размер зрачка, контрастность, рисунок радужной оболочки) для хорошего отслеживания.Нажмите «Запись», чтобы начать сбор данных. Пусть участник смотрит на каждую точку в течение 1 с (всего пять точек, три в ряд, одна над серединой, одна под серединой, расстояние точек 10 см) с устной инструкцией: влево, вниз, посередине, вверх, справа. Нажмите кнопку Стоп, чтобы остановить сбор данных. 6. Измерение спонтанного нистагма перед входом в сканер ПРИМЕЧАНИЕ: Измерения наиболее точны при проведении вне магнитного поля в положении лежа на спине. Это может быть выполнено с помощью съемной кровати МРТ. Если он недоступен, как в установке, использованной в этом исследовании, следует выбрать позицию за пределами линии 50 мТл (пунктирная линия на полу). Напряженность магнитного поля в месте измерения можно оценить с помощью магнитометра (0,02 Тл в используемой здесь настройке). Наденьте чехол на очки и убедитесь, что участник не видит света. В противном случае пусть участник покроет голову черной тканью, чтобы предотвратить попадание света. Отрегулируйте параметры отслеживания глаз в программном обеспечении (размер зрачка, контрастность, рисунок радужной оболочки) для хорошего отслеживания. Скажите участнику, чтобы он широко открыл глаза.Нажмите «Запись», чтобы начать сбор данных. Измеряйте движения глаз не менее 30 с. При необходимости отрегулируйте параметры слежения за глазами. Нажмите кнопку Стоп, чтобы остановить сбор данных. Снимите чехол для очков. 7. Позиционирование участника для эксперимента Пусть участник ляжет на кровать сканера. Отрегулируйте положение наклона головы участника в соответствии с первым условием (либо лежа на спине, либо наклоняясь вверх в плоскости поля примерно на 30°), используя соответствующие подушки. Поместите зеркало над головой участника и отрегулируйте его так, чтобы экран находился в поле зрения участника. Дайте участнику кнопки ответа на каждую раздачу; При необходимости зафиксируйте их скотчем. Пусть участник потренируется надевать и снимать чехол очков, чтобы это можно было сделать в темноте внутри канала ствола; Участник должен повторять это столько, сколько необходимо, и закончить с чехлом на очках.ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг может привести к смещению очков, что может повлиять на измерения положения глаз. Если возможно, выполните калибровку после этого шага. Повторите инструкцию к первому заданию и спросите участника, поняты ли инструкции. Отрегулируйте параметры отслеживания глаз либо на очках, либо в программном обеспечении (размер зрачка, контрастность, рисунок радужной оболочки) для хорошего отслеживания. Отрегулируйте исходное положение кровати МРТ с помощью лазерного креста МРТ-сканера, чтобы убедиться, что структуры внутреннего уха участника будут находиться в центре отверстия во время эксперимента. 8. Перемещение участника в сканер Если применимо, запустите парадигму восприятия собственного движения, нажав кнопку «Выполнить» и введя информацию об участнике и испытании в экспериментальное программное обеспечение на экспериментальном компьютере. Запустите измерения отслеживания глаз (в используемой здесь настройке это было начато парадигмой восприятия собственного движения), нажав «Запись» в программном обеспечении для отслеживания глаз. Скажите участнику, чтобы он широко открыл глаза. Запустите измерения магнитометра, нажав кнопку «Запись» в программном обеспечении магнитометра. Скажите участнику, что забег начинается. Внутри комнаты сканера начните перемещать участника в отверстие. Через 3 минуты восприятие самодвижения должно было исчезнуть у большинства участников. Поэтому скажите участникам, чтобы они сняли чехол очков, если необходимо представить визуальные стимулы (например, анкету).ПРИМЕЧАНИЕ: Слежение за глазами также может продолжаться в течение более длительного времени с закрытыми глазами. Если применимо, представьте на экране анкету для самостоятельного движения, запустив ее, нажав «Выполнить» на экспериментальном компьютере и позволив участнику ответить с помощью кнопок ответа. 9. Представление парадигмы с познавательной задачей Если применимо, представьте парадигму с когнитивной задачей на экране, запустив ее, нажав «Выполнить» на экспериментальном компьютере и позволив участнику ответить с помощью кнопок ответа. Оцените ориентацию магнитометра за это время.ПРИМЕЧАНИЕ: Теперь участнику могут быть реализованы различные задания. Пусть участник надевает и снимает защитные очки, чтобы переключаться между парадигмами отслеживания глаз и экранами. 10. Выведение участника из сканера Пусть участник наденет чехол на очки. Повторите шаги 8-9 (кроме шага 8.5., который заключается в том, чтобы «вывести участника из отверстия») 11. Переключите положение головы Переключите положение головы в положение, которое еще не оценено, используя соответствующие подушки (лежачие на спине или наклоненные), и повторите шаги 8.2-11.ПРИМЕЧАНИЕ: Если имеется подходящая кровать для МРТ, интересным вариантом может быть перемещение участников в отверстие ногами вперед, поскольку обратный вход в отверстие меняет направление поля относительно внутреннего уха. 12. Оценка ориентации вестибулярных органов Снимите зеркало и очки, не смещая магнитометр. Установите катушку головки. Снимите щуп магнитометра и замените зонд пипеткой, наполненной водой, не смещая крышку магнитометра (см. рис. 3D). Поместите голову участника внутрь катушки головки, не смещая магнитометр. Переместите участника в сканер. Получите последовательность 3D-CISS для структурной визуализации внутреннего уха.ПРИМЕЧАНИЕ: В данном исследовании использовались следующие параметры: толщина среза 0,4 мм; поле зрения 179 мм × 179 мм; угол поворота 60°; время повторения (TR) 8,29 мс; и время эха (TE) 3,81 мс. Время захвата этого 3D-CISS составило 10 мин 53 с. В других исследованиях использовались различные последовательности23,30. Выведите участника из МРТ-сканера. 13. Окончание обучения Снимите пипетку, колпачок, повязку на голову и беруши и покиньте комнату сканера вместе с участником. Если применимо, позвольте участнику заполнить анкету (например, восприятие собственного движения, пережитые различия между условиями, другие переживания). Ознакомьте участника с исследуемыми вопросами исследования (например, измерение влияния MVS на нистагм, восприятие собственного движения и когнитивные задачи путем манипулирования положением головы по отношению к магнитному полю).

Representative Results

Данные слежения за движением глаз показывают зафиксированные горизонтальные и вертикальные движения глаз (см. рис. 4). Отслеживание крутильных движений глаз (не показано) требует специального программного обеспечения 9,25 и/или сложной постобработки. Калибровочные записи используются для преобразования единиц измерения из пикселей в градусы. Данные имеют хорошее качество, если достигается устойчивое отслеживание (примерно с частотой около 100 Гц), а извлеченные данные показывают только незначительные артефакты отслеживания (см. Рисунок 4 для примера незначительных артефактов, в основном из-за мигания). Спонтанный нистагм вне МРТ-сканера должен быть оценен до эксперимента, чтобы исключить нистагм по другим причинам, кроме магнитного поля. Рисунок 4: Данные отслеживания взгляда. Горизонтальное и вертикальное положение глаз во время калибровки и входа и выхода из МРТ-сканера в положении лежачей головы. Данные показывают горизонтальный нистагм, который меняется на противоположный между входом в отверстие и выходом из него. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Данные магнитометра показывают положение щупа магнитометра по отношению к оси Z магнитного поля внутри отверстия (рис. 5). В идеале отслеживаемые данные выглядят гладкими и не показывают изменений напряженности поля на каждой оси вращения после достижения внутренней части отверстия. Таким образом, значительные движения головы участников могут быть легко обнаружены. Рисунок 5: Данные магнитометра. Данные 3D-магнитометра, движущегося в канал ствола, показывают максимальную напряженность поля почти 7 Тл примерно через 27 с. Артефакты движения не видны, что указывает на то, что участник не делал движений головой при входе в канал ствола. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Последовательность 3D-CISS была получена с помощью МРТ-сканера 7 Тл. Из изображений 3D-CISS были извлечены 3D-модели поверхности левого и правого внутреннего уха и ориентация магнитометра (см. рис. 6). Модели поверхности были созданы с использованием программного обеспечения для обработки и визуализации медицинских изображений. Это позволяет выделить ориентацию полукружных каналов относительно ориентации магнитометра и оси Z магнитного поля во время эксперимента (см. рис. 7). Рисунок 6: 3D-модели поверхности, извлеченные из 3D-изображения CISS. а) водопроводная пипетка в прежнем положении магнитометра; (B) правая (красная) и (C) левая (синяя) структура внутреннего уха (исходное положение и пропорции). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 7: Ориентация полукружных каналов, извлеченная из изображения 3D-CISS. Для каждого полукружного канала выбираются три ориентира и вычисляется вектор нормальной поверхности (горизонтальный канал: зеленый, задний канал: красный, верхний канал: синий). Этот вектор приводится в связь с ориентацией водопроводной пипетки (черной) в качестве прокси для ориентации зонда магнитометра и с осью Z магнитного поля (здесь не изображено). Единицы измерения в миллиметрах (мм) (абсолютные координаты МР-изображения). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Ориентация каналов и магнитометра относительно оси Z МРТ-сканера по изображениям 3D-CISS может быть совмещена с ориентацией магнитометра в течение двух прогонов без визуализации. Это позволяет реконструировать ориентацию канала во время воздействия MVS при различных положениях головы. В качестве альтернативы, фотография каждого участника и прикрепленного магнитометра может быть сделана вне магнитного поля. Затем внешние лицевые структуры могут быть реконструированы, чтобы сопоставить измерения ориентации магнитометра со структурами внутреннего уха и направлением магнитного поля. Данные восприятий самодвижения и когнитивных задач (здесь не описаны) могут быть проанализированы вместе с приведенными выше данными. Таким образом, положение канала, данные отслеживания глаз (горизонтальный, вертикальный и торсионный нистагм), а также сообщаемые восприятия собственного движения и поведенческие результаты могут быть связаны с ответом на конкретный исследовательский вопрос эксперимента.

Discussion

Представленная установка подходит для исследования различных аспектов влияния MVS на нистагм, восприятие собственных движений и производительность в когнитивных задачах. Объединение показателей выявленного ответа MVS может дать представление о том, как мозг обрабатывает противоречивую вестибулярную информацию, и показать, как вестибулярная информация влияет на перцептивные и когнитивные процессы на меж- и внутрииндивидуальном уровне. В отличие от других методов вестибулярной стимуляции, таких как вращающиеся кресла, MVS вызывает постоянный стимул ускорения, что делает его пригодным для более длительных поведенческих исследований и использования в качестве неинвазивной модели односторонней неудачи ^8,28. Таким образом, этот подход может дать представление о взаимодействии между вестибулярной информацией и когнитивными процессами с точки зрения пространственного познания и возникновения восприятия самодвижения при противоречивой сенсорной информации. В будущем использование МВС может быть использовано в клинических исследованиях, например, для изучения ранней компенсации вестибулярного дисбаланса в острой стадии во время воздействия МВС. Эти результаты могут быть связаны с механизмами компенсации после вестибулярных поражений. Сравнение участников с нормальными и дисфункциональными вестибулярными органами может способствовать получению знаний о процессах адаптации у вестибулярных пациентов к измененной поступающей вестибулярной информации.

Описанная процедура включает в себя критические шаги для безопасного и точного сбора данных в МРТ-сканере 7 Тл. Во-первых, среда МРТ создает ряд трудностей. Экспериментальная установка должна быть безопасной для МРТ, что может потребовать изменения очков слежения за глазами или кабельных соединений по сравнению с установкой без МРТ. Это может привести к ухудшению качества данных. Кроме того, участники должны соответствовать критериям включения в МРТ и должны терпеть неудобства процесса (например, наклон головы во время лежания в МРТ-сканере в течение нескольких минут). Во-вторых, отслеживание взгляда в сканере, особенно обнаружение торсионного нистагма, затруднено и требует специализированного программного обеспечения²⁵. Для кручения рисунок радужной оболочки используется для отслеживания, что требует высококачественных изображений, а также зависит от различий в индивидуальных рисунках радужной оболочки. Другим подходом может быть использование искусственных пигментных маркеров на склере³, что может быть неприятно для участника. В-третьих, восприятие собственного движения, обусловленное MVS, является неверидным и, таким образом, подразумевает как внутривестибулярные, так и мультисенсорные конфликты²⁸. Таким образом, вербализация этих переживаний вращения головы и/или тела и перевода часто трудно описать участникам. Решающее значение имеют четкие инструкции, адаптированные к исследовательскому вопросу. Мы рекомендуем использовать хорошо известные термины ротации и перевода, к которым участники могут относиться, что позволяет им лучше описать свой опыт восприятия. Для оценки конкретных параметров движения можно использовать более детальные методы, такие как оценки скорости вращения во времени⁷.

Представленная установка ограничена техническими ограничениями нашего оборудования и может быть улучшена, если их удастся преодолеть. Например, для оценки не только статического, но и динамического положения головы внутри канала ствола данные магнитометра также могут быть синхронизированы с данными отслеживания глаз и поведения. Калибровка очков была бы лучше, если бы повторялась перед каждой пробежкой. Кроме того, важна длина кабеля слежения за глазами, так как она определяет, можно ли измерить спонтанный нистагм за пределами комнаты сканера. Оптимальным решением будет съемная кровать МРТ, которую можно перемещать за пределы магнитного поля. Тем не менее, экран компьютера слежения за глазами должен быть виден изнутри комнаты сканера, чтобы можно было откалибровать и точно настроить параметры слежения за глазами при доступе к очкам. В нашем случае мы решили эту проблему с помощью второго экрана, повернутого к окну комнаты сканера.

MVS может влиять на производительность и реакцию мозга в исследованиях фМРТ. В исследованиях, сравнивающих вестибулярных пациентов со здоровой контрольной группой, MVS может привести к групповым различиям из-за разницы в силе стимуляции, а не в других характеристиках пациента. С целью контроля смешанных эффектов MVS текущая настройка является трудоемким процессом как с точки зрения времени, так и с финансовой точки зрения (оборудование). В качестве альтернативы может быть полезно наклонить голову вверх для небольших углов^7,23 (в той степени, в которой это допускается катушкой головы) или оценить ковариаты, такие как ориентация вестибулярных органов с помощью МРТ, как описано выше ^23,30, и/или нистагм (например^, недавние подходы к слежению за глазами на основе фМРТ ³²).

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы благодарим участников и команду MR, а также рецензентов, чьи ценные комментарии улучшили качество рукописи. Мы благодарим Д. С. Зее за его ценные советы. Мы благодарны за то, что компания DIATEC AG предоставила для эксперимента ноутбук с отслеживанием взгляда. Проект поддерживается грантом SITEM-Insel от Бернского университета, присужденным FWM и 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