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

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Neuroscience

Medición de la influencia de la estimulación vestibular magnética en el nistagmo, la percepción del automovimiento y el rendimiento cognitivo en 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

En este artículo, describimos la configuración experimental, el material y los procedimientos para evaluar los movimientos oculares reflexivos, la percepción del automovimiento y las tareas cognitivas bajo estimulación vestibular magnética, así como la orientación anatómica de los órganos vestibulares, en un escáner de tomografía por resonancia magnética (7T-MRT) de 7 Teslas.

Abstract

Los campos magnéticos fuertes inducen mareos, vértigo y nistagmo debido a las fuerzas de Lorentz que actúan sobre la cúpula en los canales semicirculares, un efecto llamado estimulación vestibular magnética (MVS). En este artículo, presentamos una configuración experimental en un escáner MRT 7T (escáner MRI) que permite la investigación de la influencia de los campos magnéticos fuertes en el nistagmo, así como las respuestas perceptivas y cognitivas. La fuerza de MVS se manipula alterando las posiciones de la cabeza de los participantes. La orientación de los canales semicirculares de los participantes con respecto al campo magnético estático se evalúa combinando un magnetómetro 3D e interferencia constructiva 3D en imágenes de estado estacionario (3D-CISS). Este enfoque permite tener en cuenta las diferencias intra e interindividuales en las respuestas de los participantes a MVS. En el futuro, MVS puede ser útil para la investigación clínica, por ejemplo, en la investigación de procesos compensatorios en trastornos vestibulares. Además, podría fomentar la comprensión de la interacción entre la información vestibular y los procesos cognitivos en términos de cognición espacial y la aparición de percepciones de automovimiento bajo información sensorial conflictiva. En los estudios de resonancia magnética funcional, MVS puede provocar un posible efecto de confusión, especialmente en tareas influenciadas por la información vestibular o en estudios que comparan pacientes vestibulares con controles sanos.

Introduction

Se sabe que los campos magnéticos fuertes, es decir, por encima de 1 T, inducen mareos, vértigo y nistagmo, un efecto llamado estimulación vestibular magnética (MVS)^1,2,3. El sistema vestibular se encuentra en el oído interno y mide la aceleración alrededor de los ejes rotacionales (guiñada, cabeceo y balanceo) con tres canales semicirculares y la aceleración a lo largo de los ejes traslacionales (naso-occipital, interaural y cabeza-vertical) con dos órganos de la mácula, el utrículo y el sáculo⁴ (ver Figura 1A). La aparición del efecto MVS puede explicarse por una fuerza de Lorentz inducida por corriente iónica que actúa sobre la cúpula de los canales semicirculares del sistema vestibular ^1,2.

El efecto de MVS aumenta con mayores intensidades de campo ^3,5. La estimulación es causada por dos componentes diferentes. En primer lugar, mover al participante al orificio a través del campo B0 del escáner de resonancia magnética da como resultado un campo magnético dinámico que provoca las fuerzas de Lorentz que actúan sobre la cúpula. En segundo lugar, el campo magnético estático del escáner de resonancia magnética en el que los participantes se acuestan sin movimiento durante los experimentos también causa una fuerza de Lorentz constante. Por lo tanto, en todos los experimentos con escáneres de resonancia magnética, el sistema vestibular del participante es estimulado constantemente por el campo magnético estático. Esto incluye todos los estudios de fMRI, especialmente aquellos en campos magnéticos ultra altos (> 3 T).

El nistagmo se obtiene al ser movido o en movimiento, así como al descansar estáticamente en un campo magnético fuerte. Las fuerzas relacionadas con el movimiento causan un fuerte nistagmo, que se descompone después de un par de minutos⁶. El nistagmo provocado bajo campos magnéticos estáticos es más débil y disminuye gradualmente con el tiempo, pero no desaparece por completo durante la exposición. La dirección del nistagmo depende de la polaridad del campo magnético y se invierte al retirarse del campo magnético ^6,7,8. MVS actúa predominantemente sobre los canales horizontal y superior, resultando en movimientos oculares reflexivos, es decir, nistagmo mayormente horizontal y torsional y, en menor medida, nistagmo vertical⁹. En pacientes vestibulares bilaterales, no se puede observar nistagmo¹, y en pacientes vestibulares unilaterales, los componentes verticales de nistagmo más pronunciados están presentes¹⁰. Como el nistagmo es involuntario, es una medida adecuada para la fuerza de la estimulación vestibular. El nistagmo puede ser suprimido por fijación visual; Por lo tanto, los movimientos oculares deben evaluarse en completa oscuridad.

La percepción no verídica del automovimiento, los mareos y el vértigo a menudo son descritos por los participantes mientras se mueven dentro o fuera del orificio, especialmente en intensidades de campo superiores a 3 T. Los percepciones del automovimiento se han descrito principalmente como rotaciones en el balanceo y, en menor medida, en el plano de guiñada y cabeceo⁷ (ver Figura 1A). Mientras que el nistagmo persiste durante la duración de la exposición, la percepción del automovimiento generalmente desaparece después de 1-3 min⁷. La parte constante del MVS es per se una estimulación interesante, ya que permite una entrada vestibular prolongada que no está acompañada por la percepción consciente del automovimiento.

A partir de estudios que utilizan estimulación vestibular calórica o galvánica, movimiento pasivo o microgravedad, se sabe que la información vestibular puede influir en el desempeño en tareas espaciales ^11,12 y sus correlatos neuronales¹³. Ser movido o moverse dentro de campos magnéticos fuertes ha sido reportado para influir en el rendimiento cognitivo^14,15. Un estudio encontró que MVS podría conducir a síntomas de desrealización debido a la percepción de automovimiento no verídica¹⁶. Sin embargo, los estudios que investigan la influencia del reposo estático en los campos magnéticos no han mostrado resultados concluyentes con respecto a las tareas neuropsicológicas, excepto un deterioro replicado en la precisión visual^17,18,19,20. Recientemente, se ha encontrado la primera evidencia de que MVS puede alterar la atención espacial al inducir un sesgo de negligencia²¹. Esto plantea la cuestión de si MVS puede afectar el rendimiento en tareas conductuales que miden funciones cognitivas superiores. Por ejemplo, no está claro hasta qué punto MVS influye en el razonamiento espacial, es decir, la capacidad de mentalizar objetos y rotaciones propias del cuerpo.

Los estudios de neuroimagen que analizan la actividad en estado de reposo han demostrado que MVS puede inducir cambios en las redes de modo predeterminado^3,22^, lo que puede explicarse por la orientación anatómica específica del sujeto de los órganos vestibulares en relación con la dirección del campo magnético ²³. Con respecto a los experimentos de fMRI, los efectos de MVS deben considerarse cuidadosamente en el diseño del estudio. Además, MVS podría interferir con la estimulación galvánica o vestibular utilizada en experimentos de fMRI. Podría actuar como un factor de confusión en estudios de neuroimagen que comparan participantes con sistemas vestibulares intactos y disfuncionales, ya que los efectos de MVS están ausentes en pacientes vestibulares bilaterales¹.

Para evaluar los efectos de MVS y comparar diferentes fortalezas de MVS dentro de los participantes, aquí describimos una configuración experimental y técnica para medir el nistagmo, la percepción del automovimiento, el rendimiento cognitivo y la posición anatómica de los canales dentro de un escáner de resonancia magnética de 7 T (ver Figura 2). La configuración descrita se puede adaptar y utilizar para experimentos para investigar específicamente las funciones vestibulares y cognitivas superiores bajo MVS o para evaluar y controlar los posibles efectos de confusión de MVS en estudios de fMRI.

Curiosamente, la fuerza de MVS se puede modular cambiando la posición de la cabeza y, por lo tanto, cambiando la orientación de los órganos del extremo vestibular con respecto a la dirección del campo magnético. El efecto de MVS puede reducirse en la mayoría de los participantes inclinando la cabeza hacia adelante hacia el cuerpo (barbilla a pecho)^1,24. Por lo tanto, cambiar la posición de la cabeza en el eje de paso permite la comparación de efectos MVS medibles bajo diferentes intensidades de estimulación.

En este procedimiento, la fuerza de MVS se manipuló dentro de los participantes comparando las mediciones entre dos posiciones de la cabeza (ver Figura 1B). En la condición que debería provocar un MVS más fuerte, el participante estaba acostado en decúbito supino en el escáner con una orientación aproximadamente vertical de la tierra del plano de Reid (posición supina). En la condición que debería provocar MVS más débil, la cabeza del participante se inclinó aproximadamente 30 ° en inclinación hacia adelante (posición inclinada). Teóricamente es posible comparar la posición supina con una posición nula donde no hay nistagmo presente¹. Sin embargo, la inclinación de tono requerida para la posición nula es diferente para cada participante y requiere mucho tiempo para determinarla, ya que esto requiere varias instancias de reposicionamiento y movimiento del participante dentro y fuera del escáner para probar la posición. Esto puede no ser factible para la mayoría de los diseños de estudio. Las dos posiciones de la cabeza, supina e inclinada, permiten comparar diferentes medidas, por ejemplo, la percepción del automovimiento o el rendimiento en tareas entre y dentro de los participantes.

Figura 1: Ejes y planos de posición de la cabeza en el campo magnético . (A) Eje vertical de la cabeza (HV), interaural (IA) y naso-occipital (NO) de la cabeza. La dirección del campo magnético (B0) se alinea con el eje vertical de la cabeza (HV) cuando los participantes se encuentran dentro del orificio en posición supina³¹. (B) Las dos posiciones de la cabeza durante el experimento, con la posición supina (acostada recta) que se sabe que provoca MVS más fuerte en la mayoría de los participantes que la posición inclinada (cabeza inclinada hacia arriba en el plano de cabeceo a aproximadamente 30 °). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Para determinar cómo se orientaron los órganos vestibulares durante las ejecuciones experimentales sin imágenes, conectamos un magnetómetro 3D a las cabezas de los participantes y medimos la orientación de la sonda con respecto al eje Z del campo magnético (Figura 3B). La orientación de los órganos vestibulares en el campo magnético se evaluó con una secuencia anatómica 3D-CISS de alta resolución. Durante la adquisición de imágenes, el magnetómetro se reemplazó con una pipeta de agua (Figura 3D). Esto permitió extraer la orientación del magnetómetro en relación con la dirección del eje Z del campo magnético y alinearlo con las estructuras del oído interno. Entonces podemos sacar conclusiones sobre la orientación de los órganos vestibulares a lo largo de la duración del experimento.

El nistagmo fue rastreado con gafas adecuadas para MRI (Figura 3C). MVS provoca no solo nistagmo horizontal y a veces vertical, sino también torsional; Por lo tanto, se recomienda utilizar un software que también permita el seguimiento de los movimientos oculares torsionales ^9,25.

Los perceptos del automovimiento se pueden evaluar durante la percepción⁷ (al entrar y salir del orificio) y después de que los perceptos del automovimiento desaparezcan, por ejemplo, con cuestionarios. Es importante instruir bien a los participantes, ya que informar verbalmente el automovimiento no verídico a menudo es difícil para los participantes. Indicamos en el protocolo dónde se podría medir la percepción del automovimiento y el rendimiento cognitivo, pero no especificamos las tareas o cuestionarios, ya que dependen en gran medida de la pregunta de investigación. Sin embargo, proporcionamos ejemplos de cuestionarios y paradigmas²⁶.

Figura 2: Configuración técnica del experimento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En resumen, MVS se puede utilizar para investigar la influencia de la estimulación vestibular en el nistagmo, la percepción y los procesos cognitivos, así como para estudiar los procesos de habituación en pacientes con disfunción vestibular. El efecto del campo magnético estático sobre la cúpula permanece constante durante toda la exposición al campo magnético. Como esto simula una aceleración rotacional constante, MVS es un método interesante y adecuado para investigar la función vestibular y su influencia en la percepción y la cognición^27,28. Se puede utilizar para abordar específicamente cuestiones de investigación sobre la influencia de la información vestibular en las funciones cognitivas superiores, como el razonamiento espacial. Sirve como un modelo no invasivo adecuado para la falla unilateral del sistema vestibular, lo que permite el estudio de los procesos compensatorios que pueden surgir en pacientes vestibulares²⁸. Además, es importante considerar los efectos de confusión de MVS en los estudios de fMRI, ya que los correlatos conductuales y neuronales pueden verse alterados por la estimulación vestibular y también interferir cuando se investigan pacientes vestibulares en un campo magnético estático fuerte.

Protocol

Los siguientes pasos fueron parte de un estudio que se ajustó a la Declaración de Helsinki y fue aprobado por el comité de ética del Cantón de Berna, Suiza (2019-02468). Todos los participantes dieron su consentimiento informado por escrito antes de participar en el estudio. NOTA: Se recomienda evaluar la función vestibular de los participantes antes del experimento MVS con pruebas de diagnóstico vestibular estándar, como cuestionarios (p. ej., inventario de discapacidad por mareos29), pruebas calóricas bitérmicas, pruebas pendulares rotatorias, pruebas de impulso de la cabeza (TIH), vertical visual subjetiva (SVV), potenciales miogénicos evocados vestibulares (c-VEMP), potenciales miogénicos vestibulares oculares (o-VEMP), agudeza visual dinámica (DVA) y / o posturografía dinámica. 1. Preparación de la configuración experimental en la sala del escáner (Figura 2) PRECAUCIÓN: Todos los materiales que se lleven dentro de la sala del escáner deben ser seguros para MRI. Conecte el ordenador experimental y el ordenador de seguimiento ocular con un cable Ethernet cruzado para permitir la sincronización de la recopilación de datos. Conecte los botones de respuesta operados por el participante con la computadora experimental a través del cuadro de respuesta. Encienda el proyector conectado al ordenador experimental. Conecte el dispositivo magnetómetro a la computadora magnetómetro conectándolo al conector USB.NOTA: El magnetómetro 3D debe ser adecuado y calibrado para una intensidad de campo ultra alta. En el software utilizado en este estudio, se eligieron los siguientes ajustes: Unidades = Tesla, Rango = 20.00, Tasa de adquisición = 100.00 Hz. Conecte las gafas de seguimiento ocular a la computadora de seguimiento ocular con un cable firewire blindado.NOTA: A menos que el cable sea lo suficientemente largo, la pantalla de la computadora de seguimiento ocular debe verse desde el interior de la sala del escáner para permitir los ajustes de las gafas de seguimiento ocular. Si es necesario, use una pantalla externa colocada frente a la ventana entre la sala de resonancia magnética y la sala de control. Abra el software de seguimiento ocular 9,25. 2. Preparación del participante para ingresar al escáner de resonancia magnética PRECAUCIÓN: Los siguientes pasos son críticos para la seguridad de los participantes y del personal. Deje que el participante lea y firme el consentimiento informado. Confirme que el participante no cumple con los criterios de exclusión de MRI. Proporcione ropa segura para la resonancia magnética, retire objetos metálicos (por ejemplo, piercings) y proporcione una prueba de embarazo (si corresponde).NOTA: Para los criterios de seguridad de RM, ver https://mr-gufi.de/index.php/dokumente. Los criterios varían entre los sitios de investigación. Quítese los lentes de contacto, la sombra de ojos y el rímel a fondo (para un mejor seguimiento ocular). 3. Informar al participante sobre procedimientos y tareas experimentales Explique el procedimiento experimental y dé instrucciones sobre las tareas. Deje que el participante complete las pruebas de práctica (si corresponde). Si se evalúa la percepción del automovimiento, informe al participante sobre ejes específicos de traslación y rotación (ver Figura 1A). Use términos memorables para los movimientos específicos, por ejemplo, “rotación de barbacoa” para rotaciones en guiñada (alrededor del eje vertical de la cabeza) en la posición supina26. 4. Preparación de mediciones de eye-tracker y magnetómetro Coloque una diadema elástica y una tapa de EEG en la cabeza del participante (p. ej., una gorra de EEG segura para MRI sin electrodos) (ver Figura 3A). Fije el magnetómetro detrás de una oreja (debe estar en el rango de las imágenes de secuencia 3D-CISS) tirando de él debajo de la diadema elástica y la tapa del EEG. Fíjelo adecuadamente con cinta adhesiva (consulte la figura 3B). Póngase las gafas de seguimiento ocular sobre la tapa del EEG (véase la figura 3C). Deje que el participante inserte tapones para los oídos. Ajuste los parámetros de seguimiento ocular en las gafas (centrado izquierdo / derecho, centrado arriba / abajo, enfoque) y en el software (centrado izquierda / derecha, centrado arriba / abajo, tamaño de la pupila, contrastes, patrón del iris) para garantizar un buen seguimiento. Figura 3: Preparación del participante . (A) Diadema elástica y tapa EEG (sin electrodos) para fijar el magnetómetro. (B) El magnetómetro se coloca detrás de una oreja. (C) Se montan gafas de seguimiento ocular. (D) La sonda del magnetómetro se retira y se reemplaza con una pipeta de agua para obtener imágenes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 5. Grabación del archivo de calibración de seguimiento ocular NOTA: La calibración sería más precisa si se realiza antes de cada ejecución y en la posición en la que el participante se mueve al escáner. El procedimiento aquí informado es menos preciso, pero se eligió debido a limitaciones técnicas y de tiempo. Deje que el participante se siente 1 m frente a los estímulos de calibración (mida la distancia del estímulo ocular con, por ejemplo, una cinta métrica). Ajuste los parámetros de seguimiento ocular en el software (tamaño de la pupila, contrastes, patrón del iris) para un buen seguimiento.Presione Grabar para iniciar la adquisición de datos. Deje que el participante mire cada punto durante 1 s (cinco puntos en total, tres seguidos, uno por encima del medio, uno por debajo del medio, distancia de puntos 10 cm) con instrucciones verbales: izquierda, abajo, medio, arriba, derecha. Pulse Detener para detener la adquisición de datos. 6. Medición del nistagmo espontáneo antes de entrar en el escáner NOTA: Las mediciones son más precisas cuando tienen lugar fuera del campo magnético en posición supina. Esto podría llevarse a cabo con una cama de resonancia magnética desmontable. Si no está disponible, como en la configuración utilizada en este estudio, se debe elegir una posición fuera de la línea de 50 mT (línea discontinua en el piso). La intensidad del campo magnético en la posición de la medición se puede evaluar con el magnetómetro (0,02 T en la configuración utilizada aquí). Póngase la cubierta de las gafas y asegúrese de que el participante no pueda ver ninguna luz. De lo contrario, deje que el participante cubra su cabeza con tela negra para eliminar cualquier luz que entre. Ajuste los parámetros de seguimiento ocular en el software (tamaño de la pupila, contrastes, patrón del iris) para un buen seguimiento. Dígale al participante que abra los ojos ampliamente.Presione Grabar para iniciar la adquisición de datos. Mida los movimientos oculares durante al menos 30 s. Reajuste los parámetros de seguimiento ocular si es necesario. Pulse Detener para detener la adquisición de datos. Quítese la cubierta de las gafas. 7. Posicionar al participante para el experimento Deje que el participante se acueste en la cama del escáner. Ajuste la posición de inclinación de la cabeza del participante de acuerdo con la primera condición (ya sea en decúbito supino o inclinado hacia arriba en el plano de inclinación a aproximadamente 30°) utilizando cojines apropiados. Coloque el espejo sobre la cabeza del participante y ajústelo para que la pantalla esté dentro del campo de visión del participante. Dale al participante los botones de respuesta para cada mano; Si es necesario, fíjelos con cinta adhesiva. Deje que el participante practique ponerse y quitarse la cubierta de las gafas para que esto se pueda hacer en la oscuridad dentro del orificio; El participante debe repetir esto durante el tiempo que sea necesario y terminar con la cubierta de las gafas.NOTA: Este paso puede conducir al desplazamiento de las gafas, lo que puede afectar las mediciones con respecto a la posición de los ojos. Si es posible, realice una calibración después de este paso. Repita las instrucciones para la primera tarea y pregunte al participante si se entienden las instrucciones. Ajuste los parámetros de seguimiento ocular en las gafas o en el software (tamaño de la pupila, contrastes, patrón del iris) para un buen seguimiento. Ajuste la posición inicial de la cama de resonancia magnética con la ayuda de la cruz láser del escáner de resonancia magnética para asegurarse de que las estructuras del oído interno del participante estén en el centro del orificio durante el experimento. 8. Mover al participante al escáner Si corresponde, inicie el paradigma de percepción de automovimiento presionando Ejecutar e ingresando la información del participante y del ensayo en el software experimental en la computadora experimental. Inicie las mediciones de seguimiento ocular (en la configuración utilizada aquí, esto se inició mediante el paradigma de percepción de automovimiento) presionando Grabar en el software de seguimiento ocular. Dígale al participante que abra los ojos ampliamente. Inicie las mediciones del magnetómetro pulsando Grabar en el software del magnetómetro. Dile al participante que la carrera está comenzando. Dentro de la sala del escáner, comience a mover al participante al orificio. Después de 3 minutos, las percepciones de automovimiento deberían haber desaparecido en la mayoría de los participantes. Por lo tanto, dígales a los participantes que se quiten la cubierta de las gafas si es necesario presentar estímulos visuales (por ejemplo, un cuestionario).NOTA: El seguimiento ocular también se puede continuar durante más tiempo con los ojos cubiertos. Si corresponde, presente un cuestionario de automovimiento en la pantalla iniciándolo presionando Ejecutar en la computadora experimental y dejando que el participante responda a través de botones de respuesta. 9. Presentar un paradigma con una tarea cognitiva Si corresponde, presente un paradigma con una tarea cognitiva en la pantalla iniciándola presionando Ejecutar en la computadora experimental y dejando que el participante responda a través de botones de respuesta. Evalúe la orientación del magnetómetro durante este tiempo.NOTA: Ahora, se pueden implementar diferentes tareas para que el participante las realice. Deje que el participante se ponga y quite la cubierta de las gafas para cambiar entre el seguimiento ocular y los paradigmas basados en la pantalla. 10. Sacar al participante del escáner Deje que el participante se ponga la cubierta de las gafas. Repita los pasos 8-9 (excepto el paso 8.5., que es “sacar al participante del orificio”) 11. Cambia la posición de la cabeza Cambie la posición de la cabeza a la posición aún no evaluada utilizando los cojines apropiados (ya sea en decúbito supino o inclinado) y repita los pasos 8.2-11.NOTA: Si se dispone de una cama de resonancia magnética adecuada, una variación interesante podría ser mover a los participantes al orificio con los pies primero, ya que la entrada invertida en el orificio invierte la dirección del campo en relación con el oído interno. 12. Evaluación de la orientación de los órganos vestibulares Retire el espejo y las gafas sin desplazar el magnetómetro. Instale la bobina del cabezal. Retire la sonda del magnetómetro y sustituya la sonda por una pipeta llena de agua sin desplazar la cubierta del magnetómetro (véase la figura 3D). Coloque la cabeza del participante dentro de la bobina de la cabeza sin desplazar el magnetómetro. Mueva al participante al escáner. Adquiera una secuencia 3D-CISS para imágenes estructurales del oído interno.NOTA: En este estudio, se utilizaron los siguientes parámetros: espesor de corte de 0,4 mm; un campo de visión de 179 mm × 179 mm; un ángulo de giro de 60°; un tiempo de repetición (TR) de 8,29 ms; y un tiempo de eco (TE) de 3,81 ms. El tiempo de adquisición de este 3D-CISS fue de 10 min 53 s. Se han utilizado diferentes secuencias en otros estudios23,30. Mueva al participante fuera del escáner de resonancia magnética. 13. Fin del estudio Retire la pipeta, la tapa, la diadema y los tapones para los oídos, y salga de la sala del escáner con el participante. Si corresponde, deje que el participante complete un cuestionario (por ejemplo, percepción de movimiento propio, diferencias experimentadas entre condiciones, otras experiencias). Informar al participante sobre las preguntas de investigación investigadas (por ejemplo, medir los efectos de MVS sobre el nistagmo, la percepción del automovimiento y las tareas cognitivas mediante la manipulación de la posición de la cabeza en referencia al campo magnético).

Representative Results

Los datos de seguimiento ocular muestran los movimientos oculares horizontales y verticales capturados (ver Figura 4). El seguimiento de los movimientos torsionales del ojo (no mostrado) requiere un software específico 9,25 y/o un postprocesamiento sofisticado. Las grabaciones de calibración se utilizan para transformar unidades de píxeles a grados. Los datos son de buena calidad si se alcanza un seguimiento constante (con aprox. 100 Hz), y los datos extraídos muestran solo artefactos de seguimiento menores (consulte la Figura 4 para ver un ejemplo de artefactos menores, principalmente debido al parpadeo). El nistagmo espontáneo fuera del escáner de resonancia magnética debe evaluarse antes del experimento para excluir el nistagmo debido a otras razones además del campo magnético. Figura 4: Datos de seguimiento ocular. Posiciones horizontales y verticales de los ojos durante la calibración y el movimiento dentro y fuera del escáner de resonancia magnética en posición de cabeza supina. Los datos muestran el nistagmo horizontal, que se invierte entre entrar y salir del agujero. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Los datos del magnetómetro muestran la posición de la sonda del magnetómetro en relación con el eje Z del campo magnético dentro del orificio (Figura 5). Idealmente, los datos rastreados se ven suaves y no muestran alteraciones en las intensidades de campo en cada eje de rotación después de alcanzar el interior del orificio. Por lo tanto, los movimientos significativos de la cabeza de los participantes se pueden detectar fácilmente. Figura 5: Datos del magnetómetro. Los datos del magnetómetro 3D que se mueven hacia el orificio muestran una intensidad de campo máxima de casi 7 T después de aproximadamente 27 s. No hay artefactos de movimiento visibles, lo que indica que el participante no hizo movimientos de cabeza al entrar en el orificio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. La secuencia 3D-CISS fue adquirida con un escáner de resonancia magnética de 7 T. De las imágenes 3D-CISS, se extrajeron los modelos de superficie 3D de los oídos internos izquierdo y derecho y la orientación del magnetómetro (ver Figura 6). Los modelos de superficie se generaron utilizando software de procesamiento y visualización de imágenes médicas. Esto permite extraer la orientación de los canales semicirculares con respecto a la orientación del magnetómetro y el eje Z del campo magnético durante el experimento (ver Figura 7). Figura 6: Modelos de superficie 3D extraídos de la imagen CISS 3D. A) Pipeta de agua en la posición anterior del magnetómetro; (B) estructura derecha (rojo) y (C) izquierda (azul) del oído interno (posiciones y proporciones originales). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7: Orientación de los canales semicirculares extraídos de la imagen 3D-CISS. Para cada canal semicircular, se eligen tres puntos de referencia y se calcula un vector normal de superficie (canal horizontal: verde, canal posterior: rojo, canal superior: azul). Este vector se pone en relación con la orientación de la pipeta de agua (negro) como un proxy para la orientación de la sonda del magnetómetro y con el eje Z del campo magnético (no representado aquí). Unidades en milímetros (mm) (coordenadas absolutas de la imagen MR). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. La orientación de los canales y el magnetómetro con respecto al eje Z del escáner de resonancia magnética de las imágenes 3D-CISS se puede combinar con la orientación del magnetómetro durante las dos ejecuciones sin imágenes. Esto permite la reconstrucción de la orientación del canal durante la exposición MVS bajo diferentes posiciones de la cabeza. Alternativamente, se podría tomar una imagen de cada participante y el magnetómetro conectado fuera del campo magnético. Luego, las estructuras faciales externas podrían reconstruirse para mapear las medidas de orientación del magnetómetro con las estructuras del oído interno y la dirección del campo magnético. Los datos de percepciones de automovimiento y tareas cognitivas (no descritas aquí) se pueden analizar junto con los datos anteriores. Por lo tanto, la posición del canal, los datos de seguimiento ocular (nistagmo horizontal, vertical y torsional), así como las percepciones de automovimiento informadas y los resultados de comportamiento, pueden vincularse para responder a la pregunta de investigación específica del experimento.

Discussion

La configuración reportada es adecuada para investigar varios aspectos de los efectos de MVS sobre el nistagmo, la percepción del automovimiento y el rendimiento en tareas cognitivas. La combinación de las medidas de la respuesta MVS provocada podría proporcionar información sobre cómo el cerebro procesa la información vestibular conflictiva y mostrar cómo la información vestibular influye en los procesos perceptivos y cognitivos a nivel inter e intraindividual. A diferencia de otros métodos de estimulación vestibular, como las sillas rotacionales, MVS provoca un estímulo de aceleración constante, lo que lo hace adecuado para estudios conductuales de mayor duración y su uso como modelo no invasivo para el fracaso unilateral ^8,28. Por lo tanto, este enfoque podría proporcionar información sobre la interacción entre la información vestibular y los procesos cognitivos en términos de cognición espacial y la aparición de percepciones de automovimiento bajo información sensorial conflictiva. En el futuro, el uso de MVS puede ser explotado en la investigación clínica, por ejemplo, para investigar la compensación temprana en etapa aguda al desequilibrio vestibular durante la exposición a MVS. Estos hallazgos podrían conectarse a mecanismos de compensación después de lesiones vestibulares. La comparación de los participantes con órganos vestibulares normales y disfuncionales podría fomentar el conocimiento sobre los procesos de adaptación en pacientes vestibulares a la información vestibular entrante alterada.

El procedimiento descrito incluye pasos críticos para la adquisición segura y precisa de datos en un escáner de resonancia magnética de 7 T. En primer lugar, el entorno de resonancia magnética plantea varias dificultades. La configuración experimental debe ser segura para MRI, lo que puede requerir cambios en las gafas de seguimiento ocular o las conexiones de cable en comparación con una configuración sin MRI. Esto puede llevar a compromisos en la calidad de los datos. Además, los participantes deben cumplir con los criterios de inclusión de MRI y deben tolerar los inconvenientes del proceso (por ejemplo, inclinar la cabeza mientras están acostados en el escáner de MRI durante varios minutos). En segundo lugar, el seguimiento ocular en el escáner, especialmente la adquisición del nistagmo torsional, es difícil y requiere un software especializado²⁵. Para la torsión, el patrón del iris se utiliza para el seguimiento, que requiere imágenes de alta calidad y también está influenciado por las diferencias en los patrones individuales del iris. Otro enfoque podría ser el uso de marcadores de pigmento artificial en la esclerótica³, lo que puede ser desagradable para el participante. En tercer lugar, las percepciones de automovimiento debidas al MVS no son verídicas y, por lo tanto, implican conflictos intravestibulares y multisensoriales²⁸. Por lo tanto, la verbalización de estas experiencias de rotación de la cabeza y / o el cuerpo y la traducción a menudo son difíciles de describir para los participantes. Las instrucciones claras adaptadas a la pregunta de investigación son de crucial importancia. Recomendamos utilizar términos de rotación y traducción bien conocidos con los que los participantes puedan relacionarse, lo que les permite describir mejor su experiencia perceptiva. Para evaluar parámetros de movimiento específicos, se pueden utilizar métodos más detallados, como las clasificaciones de velocidad de rotación a lo largo del tiempo⁷.

La configuración presentada está limitada por las limitaciones técnicas de nuestro equipo y podría mejorarse si se pudieran superar. Por ejemplo, para evaluar no solo la posición estática sino también dinámica de la cabeza dentro del orificio, los datos del magnetómetro también podrían sincronizarse con el seguimiento ocular y los datos de comportamiento. La calibración de las gafas sería mejor si se repite antes de cada carrera. Además, la longitud del cable de seguimiento ocular es importante, ya que esto define si el nistagmo espontáneo se puede medir fuera de la sala del escáner. La mejor solución sería una cama de resonancia magnética desmontable, que se puede mover fuera del campo magnético. Sin embargo, la pantalla de la computadora de seguimiento ocular debe verse desde el interior de la sala del escáner para permitir la calibración y el ajuste fino de los parámetros de seguimiento ocular mientras se tiene acceso a las gafas. En nuestro caso, resolvimos eso a través de una segunda pantalla girada hacia la ventana de la sala del escáner.

MVS podría afectar el rendimiento y las respuestas cerebrales en estudios de fMRI. En estudios que compararon pacientes vestibulares con controles sanos, MVS podría conducir a diferencias grupales debido a una diferencia en la fuerza de estimulación en lugar de otras características del paciente. Con el fin de controlar los efectos MVS de confusión, la configuración actual es un proceso que consume mucho tiempo tanto en el tiempo como en la financiación (equipo). Alternativamente, podría ser útil inclinar la cabeza hacia arriba para ángulos pequeños^7,23 (en la medida permitida por la bobina de la cabeza) o evaluar covariables, como la orientación de los órganos vestibulares con RM como se describió anteriormente ^23,30 y/o nistagmo (p. ej.^, enfoques recientes de seguimiento ocular basados en fMRI³²).

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos a los participantes y al equipo de MR, así como a los revisores cuyos valiosos comentarios mejoraron la calidad del manuscrito. Agradecemos a D. S. Zee por sus valiosos consejos. Estamos agradecidos de que DIATEC AG haya proporcionado una computadora portátil de seguimiento ocular para el experimento. El proyecto cuenta con el apoyo de una subvención SITEM-Insel de la Universidad de Berna otorgada a FWM y 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

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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).

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