Darstellung der Augendominanzkolumnen im primären visuellen

Darstellung der Augendominanzkolumnen im primären visuellen Kortex des
Menschen durch separate Kartierung augenspezifischer Aktivierungen
Peter Dechent und Jens Frahm
Biomedizinische NMR Forschungs GmbH, 37070 Göttingen; [email protected]
EINLEITUNG:
Neben der funktionellen Spezialisierung einzelner
Hirnregionen zeigt insbesondere der Kortex des
somatosensorischen und visuellen Systems eine
kolumnare Organisation von Neuronen mit ähnlichen
Eigenschaften [1−3]. Aus Untersuchungen solcher
Einheiten des menschlichen visuellen Kortex mit Hilfe
der funktionellen Magnetresonanz−Tomografie (fMRT)
[4−6] resultierten Aktivierungen, welche mit
Bandenbreiten von 0.75 − 1 mm der Struktur der
Augendominanzkolumnen entsprechen.
Diese Studie erweitert vorangegangene Arbeiten
durch eine völlig unabhängige Kartierung augen−
spezifischer Aktivierungen mittels zweier getrennter
Experimente sowie durch eine nochmalige Steigerung
der räumlichen Auflösung.
METHODEN:
Vier gesunde Probanden wurden mit der
blutsauerstoffsättigungs−empfindlichen (BOLD) fMRT
bei 2.0 T (Siemens Vision, Erlangen, Deutschland)
untersucht. Es wurde eine Multi−Echo−FLASH−
Technik [6] (5 Echos pro HF−Anregung, mittleres TE =
43 ms, TR = 105 ms, Kippwinkel 15°) mit einer
zeitlichen Auflösung von 4 s verwendet. Um eine hohe
räumliche Auflösung zu erzielen, wurde eine sagittale
Schicht (2 mm Schichtdicke) nahe des Inter−
hemisphärenspaltes gewählt (Abb. A), welche die
Fissura calcarina mit einer Auflösung von 0.25 x 0.25
mm² abbildete (interpoliert von 0.5 x 0.5 mm²,
Datenmatrix: 190 x 256, Meßfeld: 96 x 128 mm²). Um
Einfaltungen zu verhindern, wurde die Sequenz um eine
räumliche Vorsättigung ergänzt.
PARADIGMA:
Zur visuellen Stimulation wurde ein invertierendes
schwarz−weißes Schachbrettmuster (Frequenz 5 Hz)
entweder dem linken oder − in einem separaten
Experiment − dem rechten Auge im Vergleich mit
einem schwarzen Bild präsentiert. Ein Experiment
beinhaltete vier Zyklen monokularer Stimulation (12 s)
und Kontrolle (24 s) und dauerte etwa 2.5 min für jedes
Auge.
DATENANALYSE:
Statistisch signifikant aktivierte Bildelemente wurden
durch Kreuz−Korrelation unter Verwendung einer
Referenzfunktion identifiziert, welche die Stimulus−
präsentation um ein Bild verschob (4 s, um der hämo−
dynamischen Verzögerung Rechnung zu tragen). Die
Datenanalyse beinhaltete einen 1−2−1 zeitlichen Filter
und war auf eine Region im primären visuellen Kortex
entlang der Fissura calcarina beschränkt. Diese Region
wurde durch eine retinotope Kartierung individuell
identifiziert [7]. Aktivierungskarten wurden mit einer
statistischen Analyse unter Verwendung von
Fehlerwahrscheinlichkeiten von p ≤ 0.05 für
Aktivierungszentren und p ≤ 0.3 für direkt benachbarte
Bildelemente generiert [aus 8 angepasst].
ERGEBNISSE UND DISKUSSION:
Eine monokulare Stimulation resultierte in einem
verstärkten BOLD fMRT Signalintensitätsanstieg, der
eine regionale neuronale Aktivität mit hoher
Augendominanz wiederspiegelt (Abb. C und E). Die
prozentuale fMRT Signaländerung von etwa 24 %
zwischen den beiden funktionellen Zuständen liegt weit
über den üblicherweise erhaltenen 6 % bei schlechterer
räumlicher Auflösung, aber sonst vergleichbaren
Meßbedingungen [9]. Da Makrovaskulatur sowohl
durch technische Einstellungen als auch durch visuelle
Inspektion der anatomischen und BOLD fMRT
Rohbilder ausgeschlossen wurde, spiegelt dieses
Ergebnis eine Zunahme des funktionellen Kontrast−
Rausch−Verhältnisses bei hoher räumlicher Auflösung
durch Reduktion von Partialvolumeneffekten wieder
[10].
Die Überlagerung augenspezifischer Aktivierungs−
karten (Abb. D und F) resultiert in einer Karte
komplementärer Aktivierungen (Abb. B) mit Banden−
breiten von 0.5 − 1.25 mm und nur einer geringen
Anzahl überlappender Bildelemente. In dem gezeigten
Beispiel waren nach Stimulation des linken bzw.
rechten Auges 55 % bzw. 58 % aller aktivierten
Bildelemente involviert. Die Anzahl überlappender
Bildelemente (12 %) liegt deutlich unter dem erwarteten
Wert für zufälliges Rauschen (31 %). Diese zu
vernachlässigende Überlappung bestätigt die Identi−
fizierung räumlich getrennter, augenspezifischer,
funktioneller Einheiten.
ZUSAMENFASSUNG:
Diese Arbeit zeigt, dass mit der BOLD fMRT bei
einer Auflösung im Submillimeter−Bereich funktionelle
Einheiten kartiert werden können. Hier wurde dieser
Ansatz für eine Darstellung der Augendominanz−
kolumnen durch Generierung zweier unabhängiger
Aktivierungskarten
in
separaten
Experimenten
demonstriert.
Grundsätzlich bietet dieser Ansatz die Möglichkeit,
auch andere spezialisierte Neuronenpopulationen
mit
ähnlichen
räumlichen
Dimensionen
zu
charakterisieren und einen Zugang zur funktionellen
Architektur des lebenden menschlichen Gehirns zu
eröffnen.
LITERATUR:
1. Hubel, D.H. und Wiesel, T.N., J Physiol (Lond), 160,
106, 1962
2. Hubel, D.H. und Wiesel, T.N., J Physiol (Lond), 195,
215, 1968
3. Frostig, R.D. et al., Proc Natl Acad Sci USA, 87,
6082, 1990
4. Menon, R.S. et al., J Neurophysiol, 77, 2780, 1997
5. Menon, R.S. et al., Magn Reson Med, 41, 230, 1999
6. Dechent, P. et al., Neuroreport, 11, 3247, 2000
7. Sereno, M.I. et al., Science, 268, 889, 1995
8. Kleinschmidt, A. et al, J Int Imag Sys Technol, 6,
238, 1995
9. Fransson, P. et al, Magn Reson Med, 39, 912, 1998
10. Frahm, J. et al, Magn Reson Med, 29, 139, 1993
Abbildung: Die Kartierung der Augendominanzkolumnen durch monokulare Stimulation in separaten Experimenten.
A Die sagittale Schichtführung beinhaltet die Fissura calcarina.
B Die Überlagerung der separaten Aktivierungskarten nach Stimulation des linken (rot/schwarz) und rechten Auges
(gelb/weiß) bei einer räumlichen Auflösung von 0.25 x 0.25 mm² und 2 mm Schichtdicke mit nur geringem Anteil an
Überlappungen (blau).
C Der BOLD fMRT Signalintensitätszeitverlauf aller aktivierten Bildelemente durch die Stimulation des linken Auges
und D die entsprechende Aktivierungskarte (rot/schwarz).
E Der BOLD fMRT Signalintensitätszeitverlauf aller aktivierten Bildelemente durch die Stimulation des rechten Auges
und F die entsprechende Aktivierungskarte (gelb/weiß).