Bu makalede, manyetik vestibüler stimülasyon altında refleksif göz hareketlerini, kendi kendine hareket algısını ve bilişsel görevleri ve vestibüler organların anatomik yönelimini değerlendirmek için deneysel kurulum, materyal ve prosedürleri 7 Tesla Manyetik rezonans tomografi (7T-MRT) tarayıcısında açıklayacağız.
Güçlü manyetik alanlar, yarı dairesel kanallardaki kupula üzerinde etkili olan Lorentz kuvvetleri nedeniyle baş dönmesi, vertigo ve nistagmusa neden olur, manyetik vestibüler stimülasyon (MVS) adı verilen bir etki. Bu makalede, güçlü manyetik alanların nistagmus üzerindeki etkisinin yanı sıra algısal ve bilişsel tepkilerin araştırılmasına olanak tanıyan bir 7T MRT tarayıcısında (MRI tarayıcı) deneysel bir kurulum sunuyoruz. MVS’nin gücü, katılımcıların kafa pozisyonlarını değiştirerek manipüle edilir. Katılımcıların yarım daire şeklindeki kanallarının statik manyetik alana göre oryantasyonu, kararlı durum (3D-CISS) görüntülerinde bir 3D manyetometre ve 3D yapıcı girişim birleştirilerek değerlendirilir. Bu yaklaşım, katılımcıların MVS’ye verdikleri yanıtlardaki bireyler arası ve bireyler arası farklılıkları hesaba katmaya olanak tanır. Gelecekte, MVS klinik araştırmalar için, örneğin vestibüler bozukluklarda telafi edici süreçlerin araştırılmasında yararlı olabilir. Ayrıca, vestibüler bilgi ile bilişsel süreçler arasındaki etkileşimi mekansal biliş açısından ve çelişkili duyusal bilgiler altında kendi kendine hareket algılarının ortaya çıkmasını teşvik edebilir. fMRI çalışmalarında, MVS, özellikle vestibüler bilgilerden etkilenen görevlerde veya vestibüler hastaları sağlıklı kontrollerle karşılaştıran çalışmalarda olası bir kafa karıştırıcı etki ortaya çıkarabilir.
Güçlü manyetik alanların, yani 1 T’nin üzerinde, manyetik vestibüler stimülasyon (MVS) 1,2,3 adı verilen bir etki olan baş dönmesi, vertigo ve nistagmusa neden olduğu bilinmektedir. Vestibüler sistem iç kulakta bulunur ve üç yarı dairesel kanal ile dönme eksenleri (sapma, eğim ve rulo) etrafındaki ivmeyi ve iki maküla organı, utrikül ve sakkül4 ile translasyonel eksenler (nazo-oksipital, inter-aural ve baş-dikey) boyunca ivmeyi ölçer (bkz. Şekil 1A). MVS etkisinin ortaya çıkışı, vestibüler sisteminyarı dairesel kanallarının kupulası üzerinde etkili olan iyonik akıma bağlı bir Lorentz kuvveti ile açıklanabilir 1,2.
MVS’nin etkisi daha yüksek alan mukavemetleri 3,5 ile artar. Stimülasyona iki farklı bileşen neden olur. İlk olarak, katılımcıyı MRI tarayıcısının B0 alanı boyunca deliğe hareket ettirmek, kupula üzerinde etkili olan Lorentz kuvvetlerini ortaya çıkaran dinamik bir manyetik alanla sonuçlanır. İkincisi, katılımcıların deneyler sırasında hareketsiz yattığı MRI tarayıcısının statik manyetik alanı da sabit bir Lorentz kuvvetine neden olur. Böylece, MRI tarayıcıları kullanılarak yapılan tüm deneylerde, katılımcının vestibüler sistemi statik manyetik alan tarafından sürekli olarak uyarılır. Bu, tüm fMRI çalışmalarını, özellikle de ultra yüksek manyetik alanlardakileri (> 3 T) içerir.
Nistagmus, hareket ettirilerek veya hareket ettirilerek ve ayrıca güçlü bir manyetik alanda statik olarak dinlenerek ortaya çıkar. Hareketle ilgili kuvvetler, birkaç dakika sonra çürüyen güçlü nistagmusa neden olur6. Statik manyetik alanlar altında ortaya çıkan nistagmus daha zayıftır ve zamanla yavaş yavaş azalır, ancak maruz kalma sırasında tamamen kaybolmaz. Nistagmusun yönü manyetik alanın polaritesine bağlıdır ve manyetik alandan çekildiğinde tersine döner 6,7,8. MVS ağırlıklı olarak yatay ve üstün kanallara etki eder, bu da refleksif göz hareketlerine, yani çoğunlukla yatay ve burulma nistagmusuna ve daha az ölçüde dikey nistagmus9’a neden olur. İki taraflı vestibüler hastalarda nistagmus gözlenemez1, tek taraflı vestibüler hastalarda ise daha belirgin vertikal nistagmus komponentleri10 olarak mevcuttur. Nistagmus istemsiz olduğundan, vestibüler stimülasyonun gücü için çok uygun bir önlemdir. Nistagmus görsel fiksasyon ile bastırılabilir; Bu nedenle göz hareketleri tamamen karanlıkta değerlendirilmelidir.
Gerçek olmayan kendi kendine hareket algısı, baş dönmesi ve vertigo, özellikle 3 T’nin üzerindeki alan kuvvetlerinde, deliğin içine veya dışına taşınırken katılımcılar tarafından sıklıkla tanımlanır. Kendi kendine hareket algıları çoğunlukla rulo halinde ve daha az ölçüde sapma ve eğim düzlemi7’de rotasyonlar olarak tanımlanmıştır (bkz. Şekil 1A). Nistagmus maruziyet süresi boyunca devam ederken, kendi kendine hareket algısı genellikle 1-3 dakika7 sonra kaybolur. MVS’nin sabit kısmı kendi başına ilginç bir uyarımdır, çünkü bilinçli kendi kendine hareket algısının eşlik etmediği uzun süreli vestibüler girdiye izin verir.
Kalorik veya galvanik vestibüler stimülasyon, pasif hareket veya mikrogravite kullanan çalışmalardan, vestibüler bilginin uzamsal görevlerdeki performansı etkileyebileceği bilinmektedir 11,12 ve sinirsel korelasyonları13. Güçlü manyetik alanların içinde hareket etmenin veya hareket etmenin bilişsel performansı etkilediği bildirilmiştir14,15. Bir çalışma, MVS’nin gerçek olmayan kendi kendine hareket algısı nedeniyle derealizasyon semptomlarına yol açabileceğini bulmuştur16. Bununla birlikte, manyetik alanlarda statik olarak dinlenmenin etkisini araştıran çalışmalar, görsel doğrulukta tekrarlanan bir bozulma dışında, nöropsikolojik görevlerle ilgili kesin sonuçlar göstermemiştir17,18,19,20. Son zamanlarda, MVS’nin ihmal benzeri bir önyargıya neden olarak mekansal dikkati değiştirebileceğine dair ilk kanıtlar bulunmuştur21. Bu, MVS’nin daha yüksek bilişsel işlevleri ölçen davranışsal görevlerdeki performansı etkileyip etkilemeyeceği sorusunu gündeme getirmektedir. Örneğin, MVS’nin mekansal akıl yürütmeyi, yani nesneleri ve kendi vücut rotasyonlarını zihinselleştirme yeteneğini ne ölçüde etkilediği açık değildir.
İstirahat durumu aktivitesini analiz eden nörogörüntüleme çalışmaları, MVS’nin varsayılan mod ağlarında 3,22’de değişikliklere neden olabileceğini göstermiştir; bu, vestibüler organların manyetik alan yönüne göre konuya özgü anatomik oryantasyonu ile açıklanabilir23. fMRI deneyleri ile ilgili olarak, MVS’nin etkileri çalışmanın tasarımında dikkatlice düşünülmelidir. Ayrıca, MVS, fMRI deneylerinde kullanılan galvanik veya vestibüler stimülasyona müdahale edebilir. Bilateral vestibüler hastalarda MVS’nin etkileri bulunmadığından, katılımcıları sağlam ve disfonksiyonel vestibüler sistemlerle karşılaştıran nörogörüntüleme çalışmalarında bir karıştırıcı olarak hareket edebilir1.
MVS’nin etkilerini değerlendirmek ve katılımcılar içinde MVS’nin farklı güçlü yönlerini karşılaştırmak için, burada nistagmus, kendi kendine hareket algısı, bilişsel performans ve 7 T MRI tarayıcısı içindeki kanalların anatomik konumunu ölçmek için deneysel ve teknik bir kurulum sunuyoruz (bkz. Şekil 2). Açıklanan kurulum, MVS altında vestibüler ve daha yüksek bilişsel işlevleri spesifik olarak araştırmak veya MVS’nin fMRI çalışmalarında olası kafa karıştırıcı etkilerini değerlendirmek ve kontrol etmek için deneyler için uyarlanabilir ve kullanılabilir.
İlginç bir şekilde, MVS’nin gücü, baş pozisyonunu değiştirerek ve dolayısıyla vestibüler uç organların yönünü manyetik alanın yönüne göre değiştirerek modüle edilebilir. MVS’nin etkisi, çoğu katılımcıda başın vücuda doğru öne doğru eğilmesiyle (çeneden göğse)1,24 azaltılabilir. Böylece, eğim eksenindeki kafa pozisyonunun değiştirilmesi, farklı stimülasyon kuvvetleri altında ölçülebilir MVS etkilerinin karşılaştırılmasına izin verir.
Bu prosedürde, MVS’nin gücü, iki kafa pozisyonu arasındaki ölçümleri karşılaştırarak katılımcılar arasında manipüle edildi (bkz. Şekil 1B). Daha güçlü MVS’yi ortaya çıkarması gereken durumda, katılımcı tarayıcıda Reid’in düzleminin yaklaşık olarak yeryüzü dikey yönüyle (sırtüstü pozisyon) sırtüstü yatıyordu. Daha zayıf MVS’yi ortaya çıkarması gereken durumda, katılımcının başı öne doğru yaklaşık 30 ° eğildi (eğimli pozisyon). Sırtüstü pozisyonunu, nistagmusun bulunmadığı boş bir pozisyonla karşılaştırmak teorik olarak mümkündür1. Bununla birlikte, boş konum için gerekli perde eğimi her katılımcı için farklıdır ve belirlenmesi zaman alıcıdır, çünkü bu, konumu test etmek için katılımcıyı tarayıcının içine ve dışına yeniden konumlandırma ve hareket ettirme için birkaç örnek gerektirir. Bu, çoğu çalışma tasarımı için uygun olmayabilir. Sırtüstü ve eğik iki baş pozisyonu, katılımcılar arasındaki ve içindeki görevlerde kendi kendine hareket algısı veya performansı gibi farklı ölçümleri karşılaştırmaya izin verir.
Resim 1: Manyetik alandaki kafa pozisyonunun eksenleri ve düzlemleri . (A) Başın baş-dikey (HV), inter-aural (IA) ve nazo-oksipital (NO) ekseni. Manyetik alanın (B0) yönü, katılımcılar sırtüstü pozisyonda deliğin içinde yatarken baş-dikey eksen (HV) ile hizalanır31. (B) Deney sırasındaki iki kafa pozisyonu, sırtüstü pozisyonun (düz uzanan) çoğu katılımcıda eğimli pozisyondan daha güçlü MVS ortaya çıkardığı bilinmektedir (baş, pitch düzleminde yaklaşık 30 ° ‘de yukarı doğru eğilmiştir). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Görüntüleme yapılmadan yapılan deneysel çalışmalar sırasında vestibüler organların nasıl yönlendirildiğini belirlemek için, katılımcıların kafalarına bir 3D manyetometre taktık ve probun manyetik alanın Z eksenine göre yönünü ölçtük (Şekil 3B). Vestibüler organların manyetik alandaki oryantasyonu yüksek çözünürlüklü anatomik 3D-CISS sekansı ile değerlendirildi. Görüntü yakalama sırasında, manyetometre bir su pipeti ile değiştirildi (Şekil 3D). Bu, manyetometrenin manyetik alanın Z ekseninin yönüne göre yönünü çıkarmaya ve iç kulak yapılarına hizalamaya izin verdi. Daha sonra deney süresince vestibüler organların oryantasyonu hakkında sonuçlar çıkarabiliriz.
Nistagmus MRG’ye uygun gözlüklerle izlendi (Şekil 3C). MVS sadece yatay ve bazen dikey değil, aynı zamanda burulma nistagmusunu da ortaya çıkarır; Bu nedenle, burulma göz hareketlerinin izlenmesini de sağlayan bir yazılım kullanılması önerilir 9,25.
Öz-hareket algıları, algı7 sırasında (deliğe girip çıkarken) ve kendi kendine hareket algıları kaybolduktan sonra, örneğin anketlerle değerlendirilebilir. Katılımcılara iyi talimat vermek önemlidir, çünkü gerçek olmayan kendi kendine hareketi sözlü olarak bildirmek katılımcılar için genellikle zordur. Protokolde, öz-hareket algısının ve bilişsel performansın ölçülebileceği yerleri belirtiyoruz, ancak araştırma sorusuna güçlü bir şekilde bağlı oldukları için görevleri veya anketleri belirtmiyoruz. Bununla birlikte, örnek anketler ve paradigmalarsunuyoruz 26.
Şekil 2: Deneyin teknik kurulumu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Özetle, MVS, vestibüler stimülasyonun nistagmus, algı ve bilişsel süreçler üzerindeki etkisini araştırmak ve vestibüler disfonksiyonu olan hastalarda alışkanlık süreçlerini incelemek için kullanılabilir. Statik manyetik alanın kupula üzerindeki etkisi, manyetik alana maruz kalma boyunca sabit kalır. Bu, sabit bir dönme ivmesini simüle ettiğinden, MVS vestibüler fonksiyonu ve algı ve biliş üzerindeki etkisini araştırmak için ilginç ve uygun bir yöntemdir27,28. Özellikle vestibüler bilginin mekansal akıl yürütme gibi daha yüksek bilişsel işlevler üzerindeki etkisiyle ilgili araştırma sorularını ele almak için kullanılabilir. Vestibüler hastalarda ortaya çıkabilecek telafi edici süreçlerin incelenmesini sağlayan vestibüler sistemin tek taraflı başarısızlığı için uygun bir noninvaziv model olarak hizmet vermektedir28. Ayrıca, MVS’nin fMRI çalışmalarında kafa karıştırıcı etkilerini göz önünde bulundurmak önemlidir, çünkü davranışsal ve nöral korelasyonlar vestibüler stimülasyon ile değiştirilebilir ve ayrıca güçlü bir statik manyetik alanda vestibüler hastaları araştırırken müdahale edebilir.
Bildirilen kurulum, MVS’nin nistagmus, kendi kendine hareket algısı ve bilişsel görevlerdeki performans üzerindeki etkilerinin çeşitli yönlerini araştırmak için uygundur. Ortaya çıkan MVS yanıtının ölçümlerini birleştirmek, beynin çelişkili vestibüler bilgileri nasıl işlediği gibi içgörüler verebilir ve vestibüler bilginin bireyler arası ve bireyler arası düzeyde algısal ve bilişsel süreçleri nasıl etkilediğini gösterebilir. Rotasyonel sandalyeler gibi diğer vestibüler stimülasyon yöntemlerinin aksine, MVS sabit bir hızlanma uyaranı ortaya çıkarır, bu da onu daha uzun süreli davranışsal çalışmalar için uygun hale getirir ve tek taraflı başarısızlık için invaziv olmayan bir model olarak kullanılır 8,28. Bu nedenle, bu yaklaşım, vestibüler bilgi ile bilişsel süreçler arasındaki etkileşime, mekansal biliş açısından ve çelişkili duyusal bilgiler altında kendi kendine hareket algılarının ortaya çıkması konusunda içgörüler sağlayabilir. Gelecekte, MVS kullanımı klinik araştırmalarda, örneğin MVS’ye maruz kalma sırasında vestibüler dengesizliğe akut evre erken kompanzasyonunu araştırmak için kullanılabilir. Bu bulgular daha sonra vestibüler lezyonlardan sonra kompanzasyon mekanizmalarına bağlanabilir. Normal ve disfonksiyonel vestibüler organlara sahip katılımcıların karşılaştırılması, vestibüler hastalarda değişen gelen vestibüler bilgilere adaptasyon süreçleri hakkında bilgi sahibi olmayı teşvik edebilir.
Açıklanan prosedür, 7 T MRI tarayıcısında güvenli ve doğru veri toplama için kritik adımları içerir. İlk olarak, MRG ortamı çeşitli zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Deney düzeneği MRG güvenli olmalıdır, bu da MRI olmayan bir kuruluma kıyasla göz izleme gözlüklerinde veya kablo bağlantılarında değişiklikler gerektirebilir. Bu, veri kalitesinde ödün verilmesine neden olabilir. Ayrıca, katılımcılar MRG dahil etme kriterlerini karşılamalı ve işlemin rahatsızlığını tolere etmelidir (örneğin, MRI tarayıcısında birkaç dakika yatarken başını eğmek). İkincisi, tarayıcıda göz izleme, özellikle burulma nistagmusun elde edilmesi zordur ve özel bir yazılım gerektirir25. Burulma için, irisin deseni, yüksek kaliteli görüntüler gerektiren ve ayrıca bireysel iris modellerindeki farklılıklardan etkilenen izleme için kullanılır. Başka bir yaklaşım, sklera3 üzerinde yapay pigment belirteçleri kullanmak olabilir, bu da katılımcı için tatsız olabilir. Üçüncüsü, MVS’ye bağlı kendi kendine hareket algıları gerçek değildir ve bu nedenle, vestibüler ve çoklu duyusal çatışmaların yanı sıra28 anlamına gelir. Bu nedenle, bu baş ve / veya vücut rotasyonunun ve çeviri deneyimlerinin sözel hale getirilmesi katılımcılar için genellikle zordur. Araştırma sorusuna uyarlanmış açık talimatlar çok önemlidir. Katılımcıların ilişki kurabilecekleri iyi bilinen rotasyon ve çeviri terimlerini kullanmanızı öneririz, böylece algısal deneyimlerini daha iyi tanımlayabilirler. Belirli hareket parametrelerini değerlendirmek için, zaman içindeki dönme hızı derecelendirmeleri gibi daha ince taneli yöntemler kullanılabilir7.
Sunulan kurulum, ekipmanımızın teknik kısıtlamaları ile sınırlıdır ve bunların üstesinden gelinebilirse geliştirilebilir. Örneğin, sadece statik değil, aynı zamanda delik içindeki dinamik kafa pozisyonunu da değerlendirmek için, manyetometre verileri göz izleme ve davranışsal verilerle de senkronize edilebilir. Gözlüklerin kalibrasyonu her koşudan önce tekrarlanırsa daha iyi olur. Ayrıca, göz izleme kablosunun uzunluğu da önemlidir, çünkü bu, spontan nistagmusun tarayıcı odasının dışında ölçülüp ölçülemeyeceğini tanımlar. En iyi çözüm, manyetik alanın dışına taşınabilen çıkarılabilir bir MRI yatağı olacaktır. Bununla birlikte, gözlüklere erişirken göz izleme parametrelerinin kalibrasyonunu ve ince ayarını sağlamak için göz izleme bilgisayar ekranının tarayıcı odasının içinden görülmesi gerekir. Bizim durumumuzda, bunu tarayıcı odası penceresine doğru döndürülmüş ikinci bir ekranla çözdük.
MVS, fMRI çalışmalarında performansı ve beyin tepkilerini etkileyebilir. Vestibüler hastaları sağlıklı kontrollerle karşılaştıran çalışmalarda, MVS diğer hasta özellikleri yerine stimülasyon gücündeki farklılık nedeniyle grup farklılıklarına yol açabilir. Kafa karıştırıcı MVS etkilerini kontrol etmek amacıyla, mevcut kurulum hem zaman hem de finansal olarak zaman alıcı bir süreçtir (ekipman). Alternatif olarak, başın 7,23 küçükaçılar için yukarı doğru eğilmesi (kafa bobininin izin verdiği ölçüde)veya vestibüler organların yukarıda tarif edildiği gibi MRG ile oryantasyonu gibi eşdeğişkenliklerin değerlendirilmesi ve / veya nistagmus (örneğin, son fMRI tabanlı göz izleme yaklaşımları32) yararlı olabilir.
The authors have nothing to disclose.
Katılımcılara, MR ekibine ve değerli yorumları makalenin kalitesini artıran hakemlere teşekkür ederiz. D. S. Zee’ye değerli tavsiyeleri için teşekkür ederiz. DIATEC AG’nin deney için göz alıcı bir dizüstü bilgisayar sağladığı için minnettarız. Proje, Bern Üniversitesi’nden FWM ve GM’ye verilen bir SITEM-Insel destek hibesi ile desteklenmektedir.
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 |