التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) للقشرة البصرية مع تحفيز شبكية شبكية واسع الرؤية
Summary
لقد طورنا تقنيات لرسم خرائط وظيفة القشرة البصرية باستخدام المزيد من المجال البصري أكثر مما هو شائع الاستخدام. هذا النهج لديه القدرة على تعزيز تقييم اضطرابات الرؤية وأمراض العيون.
Abstract
يمكن استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) عالي الدقة المعتمد على مستوى أكسجة الدم الشبكية (BOLD) مع عرض تقديمي واسع النطاق لرسم خريطة وظيفية للقشرة البصرية المحيطية والمركزية. تسمح هذه الطريقة لقياس التغيرات الوظيفية للدماغ البصري برسم خرائط وظيفية للفص القذالي ، مما يحفز >100 درجة (±50 درجة) أو أكثر من المجال البصري ، مقارنة بإعدادات العرض المرئي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي القياسية التي تغطي عادة <30 درجة من المجال البصري. يمكن إعداد نظام تحفيز بسيط واسع الرؤية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي BOLD باستخدام أجهزة عرض شائعة متوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي عن طريق وضع مرآة كبيرة أو شاشة بالقرب من وجه الشخص واستخدام النصف الخلفي فقط من ملف الرأس القياسي لتوفير زاوية رؤية واسعة دون إعاقة رؤيتهم. يمكن بعد ذلك تصوير خريطة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للشبكية ذات الرؤية الواسعة باستخدام نماذج تحفيز شبكية مختلفة ، ويمكن تحليل البيانات لتحديد النشاط الوظيفي للمناطق القشرية البصرية المقابلة للرؤية المركزية والمحيطية. توفر هذه الطريقة نظام عرض مرئي عملي وسهل التنفيذ يمكن استخدامه لتقييم التغيرات في القشرة البصرية الطرفية والمركزية بسبب أمراض العيون مثل الجلوكوما وفقدان البصر الذي قد يصاحبها.
Introduction
يعد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) طريقة قيمة لتقييم التغيرات في وظيفة الأوعية الدموية العصبية الإقليمية داخل القشرة البصرية استجابة للمنبهات ، حيث ترتبط التغيرات في تدفق الدم الإقليمي بتنشيط مناطق الدماغ 1,2. تمثل قياسات إشارة الأكسجة في الدم عالية الدقة المعتمدة على مستوى الأوكسجين في الدم (BOLD) تغيرات في ديوكسي هيموغلوبين ، والتي تحركها التغيرات الموضعية في تدفق الدم وأكسجة الدم داخل الدماغ 1,2. يمكن استخدام أنماط النشاط الجريئة التي تم جمعها من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لرسم خريطة وظيفية للقشرة البصرية المحيطية والمركزية ، وكذلك اكتشاف التغييرات في خريطة الشبكية استجابة لضعف البصر والتنكس العصبي3.
استخدمت معظم دراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي السابقة المحفزات غير الشبكية ذات الرؤية الضيقة (حوالي ±12 درجة من المجال البصري المركزي) أو المحفزات الشبكية البسيطة مع محفزات بصرية ضيقة الرؤية ، والتي قدمت تقسيما وظيفيا محدودا لتمثيل الشبكية في القشرة البصرية وتقييما محدودا للمجال البصري المركزي فقط ، باستثناء المحيط3. وبالتالي ، أبلغت بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الضيقة عن تغيرات غير متسقة في النسبة المئوية BOLD في مرضى الجلوكوما4،5،6. لذلك هناك حاجة إلى تحسين نهج التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لتقييم المجال البصري المحيطي والمركزي ، لا سيما في تقييم أمراض مثل الجلوكوما.
الجلوكوما هو السبب الرئيسي للعمى الذي لا رجعة فيه ، حيث يؤثر على 10٪ من الناس في سن 807. يحدث الجلوكوما بسبب التنكس العصبي التدريجي الذي لا رجعة فيه لخلايا العقدة الشبكية ، المسؤولة عن نقل المحفزات البصرية إلى الدماغ عبر العصب البصري. في الجلوكوما الأولية مفتوحة الزاوية (POAG) ، وهو الشكل الأكثر شيوعا من الجلوكوما ، تؤدي زيادة ضغط العين إلى ترقق طبقة الألياف العصبية الشبكية (RNFL) ، مما يؤدي إلى فقدان الرؤية المحيطية يليه العمى المحيطي والمركزي8،9،10،11. تشير الأدلة النسيجية من الدراسات التي أجريت على إلى أن الجلوكوما يؤدي أيضا إلى تنكس عصبي تدريجي للعصب البصري والجهاز البصري والنواة الجينية الجانبية والإشعاع البصري والقشرة البصرية12,13. توفر تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي طريقة طفيفة التوغل لتقييم كل من أكسجة الدم والتنكس العصبي في القشرة البصرية. في المرضى الذين يعانون من الجلوكوما ، وجد التصوير بالرنين المغناطيسي دليلا على ضمور المادة الرمادية في المسار البصري13،14،15،16 والمادة البيضاء غير الطبيعية في chiasm البصري ، والجهاز البصري ، والإشعاع البصري1،17،18.
لمزيد من استكشاف التأثيرات على المعالجة البصرية ، يمكن استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للكشف عن وظائف المخ استجابة للإشارات البصرية. يصف البروتوكول الوارد هنا طريقة جديدة للحصول على خريطة شبكية منخفضة التكلفة وواسعة الرؤية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للشبكية عالي الدقة مع محفزات واسعة المجال (>100 درجة) ، كما وصفها Zhou etal 3. تم استخدام المحفزات البصرية لتوسيع الحلقات والأوتاد الدوارة لاستنباط رسم خرائط شبكية للانحراف والزاوية القطبية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. تم تحليل التغيرات في نسبة الرنين المغناطيسي الوظيفي BOLD كدالة للانحراف المركزي لتقييم وظائف المخ ، المقابلة لكل من الرؤية المركزية والمحيطية. يمكن استخدام تغيير النسبة المئوية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي BOLD لتصور التنشيط في جميع أنحاء القشرة البصرية. توفر مقاييس التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي هذه طريقة جديدة موثوقة لتقييم التغيرات التنكسية العصبية وتأثيراتها الوظيفية على القشرة البصرية الموجودة في أمراض العيون التي تنطوي على عيوب في المجال البصري ، مثل الجلوكوما.
Protocol
Representative Results
Discussion
البروتوكول المذكور أعلاه لاستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي واسع النطاق هو طريقة مبتكرة لتقييم آثار فقدان البصر وأمراض العيون على الدماغ. من خلال رسم خرائط شبكية واسعة المجال للقشرة البصرية باستخدام شاشة رؤية أوسع ، يسمح هذا النهج بفهم أكثر شمولا للتنظيم الوظيفي للنظام البصري….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة [R01EY030996].
Materials
| 1/4"-20 nylon machine screws, knurled head thumb screw | to attach rod to PVC frame | ||
| 1-1/4 inch PVC pipe | length of ~5-10 ft is needed | ||
| 3T MRI scanner | Siemens | ||
| 6-32 nylon machine screws, rounded head | to attach mirror/screen to rod | ||
| 8-channel head array coil | Siemens | ||
| 90 degree PVC elbow, 1-1/4 inch fitting | |||
| Acrylic mirror | Width and length of 25-30cm | ||
| Acrylic rod | 1 inch width, ~ 2 ft long depening on size of scanner bore and head coil | ||
| E-Prime | Psychology Software Tools | to prepare and present visual stimuli paradigms | |
| Plywood sheet, 1/2 inch thick | Size should be at least as large as the scanner bore. Cut as bore-sized frame for the projection screen | ||
| Rear projection screen | Size should be at least as large as the scanner bore |
References
- Kwong, K. K., et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (12), 5675-5679 (1992).
- Ogawa, S., et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 89 (13), 5951-5955 (1992).
- Zhou, W., et al. Retinotopic fMRI reveals visual dysfunction and functional reorganization in the visual cortex of mild to moderate glaucoma patients. Journal of Glaucoma. 26 (5), 430-437 (2017).
- Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: a method for comparing cortical function with damage to the optic disk. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (2), 733-744 (2007).
- Duncan, R. O., Sample, P. A., Weinreb, R. N., Bowd, C., Zangwill, L. M. Retinotopic organization of primary visual cortex in glaucoma: Comparing fMRI measurements of cortical function with visual field loss. Progress in Retinal and Eye Research. 26 (1), 38-56 (2007).
- Gerente, V. M., et al. Evaluation of glaucomatous damage via functional magnetic resonance imaging, and correlations thereof with anatomical and psychophysical ocular findings. PLoS One. 10 (5), e0126362 (2015).
- Allingham, R. R., Damji, K., Freedman, S., Moroj, G., Shafranov, . Shields’ textbook of glaucoma. 5th ed. , (2005).
- Kerrigan-Baumrind, L. A., Quigley, H. A., Pease, M. E., Kerrigan, D. F., Mitchell, R. S. Number of ganglion cells in glaucoma eyes compared with threshold visual field tests in the same persons. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 41 (3), 741-748 (2000).
- Quigley, H. A., Addicks, E. M., Green, W. R. Optic nerve damage in human glaucoma. III. Quantitative correlation of nerve fiber loss and visual field defect in glaucoma, ischemic neuropathy, papilledema, and toxic neuropathy. Archives of Ophthalmology. 100 (1), 135-146 (1982).
- Smith 3rd, E. L., Hung, L. F., Harwerth, R. S. Developmental visual system anomalies and the limits of emmetropization. Ophthalmic and Physiological Optics. 19 (2), 90-102 (1999).
- Limb, G. A., Martin, K. R. Sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Working Group. Current prospects in optic nerve protection and regeneration: sixth ARVO/Pfizer Ophthalmics Research Institute Conference. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (8), 5941-5954 (2011).
- Gupta, N., Yucel, Y. H. Glaucoma as a neurodegenerative disease. Current Opinion in Ophthalmology. 18 (2), 110-114 (2007).
- Yucel, Y. H., Zhang, Q., Weinreb, R. N., Kaufman, P. L., Gupta, N. Effects of retinal ganglion cell loss on magno-, parvo-, koniocellular pathways in the lateral geniculate nucleus and visual cortex in glaucoma. Progress in Retinal and Eye Research. 22 (4), 465-481 (2003).
- Zikou, A. K., et al. Voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging of the optic pathway in primary open-angle glaucoma: a preliminary study. American Journal of Neuroradiology. 33 (1), 128-134 (2012).
- Chen, W. W., et al. Structural brain abnormalities in patients with primary open-angle glaucoma: a study with 3T MR imaging. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (1), 545-554 (2013).
- Yu, L., et al. Morphologic changes in the anterior and posterior subregions of V1 and V2 and the V5/MT + in patients with primary open-angle glaucoma. Brain Research. 1588, 135-143 (2014).
- Hernowo, A. T., Boucard, C. C., Jansonius, N. M., Hooymans, J. M. M., Cornelissen, F. W. Automated morphometry of the visual pathway in primary open-angle glaucoma. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (5), 2758-2766 (2011).
- Dai, H., et al. Whole-brain voxel-based analysis of diffusion tensor MRI parameters in patients with primary open angle glaucoma and correlation with clinical glaucoma stage. Neuroradiology. 55 (2), 233-243 (2013).
- Zhou, W., Muir, E. R., Chalfin, S., Nagi, K. S., Duong, T. Q. MRI study of the posterior visual pathways in primary open angle glaucoma. Journal of Glaucoma. 26 (2), 173-181 (2017).
- Dale, A. M., Fischl, B., Sereno, M. I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. NeuroImage. 9 (2), 179-194 (1999).
- Li, X., Morgan, P. S., Ashburner, J., Smith, J., Rorden, C. The first step for neuroimaging data analysis: DICOM to NIfTI conversion. Journal of Neuroscience Methods. 264, 47-56 (2016).
- Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, 208-219 (2004).
- Woolrich, M. W., Ripley, B. D., Brady, M., Smith, S. M. Temporal autocorrelation in univariate linear modeling of FMRI data. NeuroImage. 14 (6), 1370-1386 (2001).
- Murphy, M. C., et al. Retinal structures and visual cortex activity are impaired prior to clinical vision loss in glaucoma. Scientific Reports. 6, 31464 (2016).
- Chan, R. W., et al. Relationships between cerebrovascular reactivity, visual-evoked functional activity, and resting-state functional connectivity in the visual cortex and basal forebrain in glaucoma. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 4037-4040 (2021).
- Murphy, M. C., et al. Top-down influence on the visual cortex of the blind during sensory substitution. Neuroimage. 125, 932-940 (2016).
- Bang, J. W., Hamilton-Fletcher, G., Chan, K. C. Visual plasticity in adulthood: perspectives from Hebbian and homeostatic plasticity. The Neuroscientist. 29 (1), 117-138 (2023).
- Greco, V., et al. A low-cost and versatile system for projecting wide-field visual stimuli within fMRI scanners. Behavior Research Methods. 48 (2), 614-620 (2016).
- DeYoe, E. A., Raut, R. V. Visual mapping using blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging. Neuroimaging Clinics of North America. 24 (4), 573-584 (2014).
- Pitzalis, S., et al. Wide-field retinotopy defines human cortical visual area v6. The Journal of Neuroscience. 26 (30), 7962-7973 (2006).
- Wu, J., et al. Development of a method to present wide-view visual stimuli in MRI for peripheral visual studies. Journal of Neuroscience Methods. 214 (2), 126-136 (2013).
- Ellis, C. T., et al. Re-imagining fMRI for awake behaving infants. Nature Communications. 11 (1), 4523 (2020).
- Yan, T., Jin, F., He, J., Wu, J. Development of a wide-view visual presentation system for visual retinotopic mapping during functional MRI. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (2), 441-447 (2011).
- Park, J., Soucy, E., Segawa, J., Konkle, T. Full-field fMRI: a novel approach to study immersive vision. Journal of Vision. 22 (14), 4018 (2022).
