Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) der Sehrinde mit retinotopischer Stimulation
Summary
Wir haben Techniken entwickelt, um die Funktion des visuellen Kortex abzubilden und dabei mehr vom Gesichtsfeld zu nutzen, als üblicherweise verwendet wird. Dieser Ansatz hat das Potenzial, die Beurteilung von Sehstörungen und Augenerkrankungen zu verbessern.
Abstract
Die hochauflösende retinotope Blutoxygenierungsniveau-abhängige (BOLD) funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) mit einer Weitwinkeldarstellung kann zur funktionellen Kartierung des peripheren und zentralen visuellen Kortex verwendet werden. Diese Methode zur Messung funktioneller Veränderungen des visuellen Gehirns ermöglicht eine funktionelle Kartierung des Okzipitallappens, die >100° (±50°) oder mehr des Gesichtsfeldes stimuliert, im Vergleich zu Standard-fMRT-Präsentationsaufbauten, die normalerweise <30° des Gesichtsfeldes abdecken. Ein einfaches Weitwinkel-Stimulationssystem für BOLD fMRT kann mit gängigen MR-kompatiblen Projektoren eingerichtet werden, indem ein großer Spiegel oder eine Leinwand in der Nähe des Gesichts des Probanden platziert wird und nur die hintere Hälfte einer Standard-Kopfspule verwendet wird, um einen weiten Betrachtungswinkel zu bieten, ohne die Sicht zu behindern. Die retinotope fMRT-Karte mit breiter Ansicht kann dann mit verschiedenen retinotopen Stimulationsparadigmen abgebildet werden, und die Daten können analysiert werden, um die funktionelle Aktivität visueller kortikaler Regionen zu bestimmen, die dem zentralen und peripheren Sehen entsprechen. Diese Methode bietet ein praktisches, einfach zu implementierendes visuelles Präsentationssystem, mit dem Veränderungen im peripheren und zentralen visuellen Kortex aufgrund von Augenerkrankungen wie Glaukom und dem damit einhergehenden Sehverlust beurteilt werden können.
Introduction
Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine wertvolle Methode, um Veränderungen der regionalen neurovaskulären Funktion innerhalb des visuellen Kortex als Reaktion auf Reize zu beurteilen, da Veränderungen des regionalen Blutflusses mit der Aktivierung von Hirnregionen korrelieren 1,2. Hochauflösende retinotope Blutoxygenierungsniveau-abhängige (BOLD) Signalmessungen stellen Veränderungen des Desoxyhämoglobins dar, die durch lokalisierte Veränderungen des Blutflusses und der Blutsauerstoffversorgung im Gehirn angetrieben werden 1,2. BOLD-Aktivitätsmuster, die aus fMRT-Daten gesammelt werden, können verwendet werden, um den peripheren und zentralen visuellen Kortex funktionell zu kartieren und Veränderungen in der retinotopen Karte als Reaktion auf Sehbehinderung und Neurodegeneration zu erkennen3.
In den meisten früheren fMRT-Studien wurden nicht-retinotope Stimuli mit eingeschränkter Sicht (ca. ±12° des zentralen Gesichtsfeldes) oder einfache retinotope Stimuli mit visuellen Reizen mit eingeschränkter Sicht verwendet, die eine begrenzte funktionelle Parzellierung der retinotopen Repräsentation im visuellen Kortex und eine auf das zentrale Gesichtsfeld beschränkte und die Beurteilung nur auf das zentrale Gesichtsfeld mit Ausnahme der Peripherie beschränkten3. Folglich haben Narrow-View-fMRT-Daten inkonsistente BOLD-prozentuale Veränderungen bei Glaukompatienten berichtet 4,5,6. Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten fMRT-Ansätzen zur Beurteilung des peripheren und zentralen Gesichtsfeldes, insbesondere bei der Beurteilung von Erkrankungen wie dem Glaukom.
Das Glaukom ist die Hauptursache für irreversible Erblindung, von der 10 % der Menschen im Alter von 80 Jahren betroffen sind7. Das Glaukom wird durch die fortschreitende, irreversible Neurodegeneration von retinalen Ganglienzellen verursacht, die für die Übertragung visueller Reize an das Gehirn über den Sehnerv verantwortlich sind. Beim primären Offenwinkelglaukom (POWG), der häufigsten Form des Glaukoms, führt ein erhöhter Augeninnendruck zu einer Ausdünnung der retinalen Nervenfaserschicht (RNFL), was zum Verlust des peripheren Sehens führt, gefolgt von peripherer und zentraler Blindheit 8,9,10,11. Histologische Befunde aus Tierversuchen deuten darauf hin, dass das Glaukom zusätzlich zu einer fortschreitenden Neurodegeneration des Sehnervs, des Sehtrakts, des lateralen Nucleus geniculatus, der optischen Strahlung und des visuellen Kortex führt12,13. Die MRT-Technologie bietet eine minimalinvasive Methode, um sowohl die Sauerstoffversorgung des Blutes als auch die Neurodegeneration in der Sehrinde zu beurteilen. Bei Patienten mit Glaukom hat die MRT Hinweise auf eine Atrophie der grauen Substanz in der Sehbahn 13,14,15,16 und eine abnorme weiße Substanz im Chiasma opticus, im Sehtrakt und in der optischen Strahlung gefunden 1,17,18.
Um die Auswirkungen auf die visuelle Verarbeitung weiter zu untersuchen, kann fMRT verwendet werden, um die Gehirnfunktion als Reaktion auf visuelle Hinweise zu erkennen. Das hierin enthaltene Protokoll beschreibt ein neuartiges Verfahren zur Erlangung einer kostengünstigen, breitbildigen retinotopischen Karte unter Verwendung einer hochauflösenden Retinotopie-fMRT mit Weitfeld-Stimuli (>100°), wie von Zhou et al.3 beschrieben. Visuelle Stimuli von expandierenden Ringen und rotierenden Keilen wurden verwendet, um eine retinotope Kartierung der Exzentrizität und des Polarwinkels für die fMRT zu erhalten. Die prozentualen Veränderungen von BOLD fMRT wurden als Funktion der Exzentrizität analysiert, um die Gehirnfunktion zu bewerten, die sowohl dem zentralen als auch dem peripheren Sehen entspricht. Die BOLD-fMRT-prozentuale Veränderung kann verwendet werden, um die Aktivierung im gesamten visuellen Kortex zu visualisieren. Diese fMRT-Messungen stellen eine zuverlässige neue Methode dar, um neurodegenerative Veränderungen und ihre funktionellen Auswirkungen auf die Sehrinde bei Augenerkrankungen mit Gesichtsfeldausfällen wie dem Glaukom zu bewerten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das obige Protokoll zur Nutzung der retinotopen fMRT mit breiter Sicht ist eine innovative Methode zur Bewertung der Auswirkungen von Sehverlust und Augenerkrankungen auf das Gehirn. Durch die retinotope Weitfeldkartierung des visuellen Kortex unter Verwendung eines breiteren Bildschirms ermöglicht dieser Ansatz ein umfassenderes Verständnis der funktionellen Organisation des visuellen Systems. Dies könnte zu einem besseren Verständnis von Anomalien im visuellen Verarbeitungssystem des Gehirns führen, die bei Neurod…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health [R01EY030996] unterstützt.
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 |
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