We thank the VISTA software group (Brian Wandell and associates, at Stanford).
S. S. was supported by McNair 2280403105,NEI R01-EY109272, and NEI R01-EY024019 and as HHMI Early Carrer Award. A. P. and G. K. was supported by the Max-Planck Society, G. K. was supported by the PLASTICISE project of the 7th Framework Programme of the European Commission, Contract no. HEATH-F2-2009-223524.

1.データ集録<ol><li>以前にデュムランとWandell 1及びLee らに記載されているように信頼性のある網膜の視覚的応答を誘発するのに有効で刺激プロトコルを準備します。2。しかし、他の十分に確立されたパラダイムが取り組むべき具体的な実験の質問に応じても適用可能である。 </li><li>現在のバー刺激は45度刻みで、スペースの8方向に沿って画面を順次横切っ漂流。バーは一回のfMRIフレームが開始ステップを移動し、フレームが終了するまで、新しい場所にとどまるように動きがスキャナフレーム取得（TR〜2秒）と同期していることを確認します。 </li><li>正しいベースライン信号を測定するには、バー刺激1ずにエポックを追加します。 <ol><li>刺激が提示され、その上視角で視野（10°〜15までの半径）を定義します。現在の移動やちらつきチェッカーボードパターン（チェッカーサイズ= 0.94 X 0.94度2、パットバー内のRN更新レート= 250ミリ秒/パターン）が強い視覚的な応答を誘発する。 </li><li>入力以下の特定のパラメータ：モーションの8等間隔の方向、1.875度に等しいバー幅、バーがフレームあたり半分のバー幅（2秒）で移動する。さらなる詳細は、Lee らに見出すことができる。2。 </li><li>被写体の目が実験中に凝視する画面中央のスポット（〜0.25°）を生成します。時間内にランダムにスポットの色を変更します。 </li></ol></li><li> 192フレーム時間（運動の各方向に24フレーム）を持つ典型的なエコープラナーイメージング（EPI）スキャンを使用してMRIスキャナにおける被験者の脳をスキャンします。信号対雑音比を増加させるためにスキャンを4-8回繰り返す。 </li><li> EPIシーケンスのためのパラメータを設定し、次のように：TR = 2秒、TE = 40ミリ秒、マトリクスサイズ= 64×64、28スライス、ボクセルサイズ= 3×3×3ミリメートル3、フリップ角を= 90°、または、シーケンスを適用する細かい解像度（Eと。G。、2×2×2ミリメートル3）または唯一の視覚野2を覆う短いTR（ 例えば 、1〜1.5秒）。 </li><li>固定を確実にする機能的なスキャン中アイトラッカーシステムとトラック目の動きは、固定点の1〜1.5°の範囲内に維持されている。 注記：ここでは、ゴーグルシステムにおける頭部座標ベースのアイトラッカーが使用されるが、他の適切なアイトラッカーシステムが代わりに使用することができる。 </li><li>ステップ1.3.2で生成された画面中央にスポットを固定するために被験者に指示します。被験者が固着されていることを確認するには、固定スポットの色の変化を報告するように指示する。 </li><li> 1×1×1ミリメートル3解像度（; TRは= 1900ミリ秒、TE = 2.26ミリ秒、TI = 900ミリ秒、= 9°フリップ角、176パーティション例えば 、T1-MPRAGE）で、解剖学的スキャンを取得します。 注：これらの解剖学的スキャンはセグメント化のためだけでなく、スキャン内および間の両方の解剖学的構造に機能画像を整列させるために使用されます。機能との間のより良い位置合わせのためにら（EPI）の画像と解剖学は、T1強調高速のスポイルグラジエントエコー（SPGR）シーケンス1を使用して、EPIと同一の解像度で、また面内解剖スキャンを得る。 </li></ol> 2.データの前処理注：以前のPRF特性を推定するため、いくつかの典型的なfMRIデータ前処理ステップが必要とされる、そのような頭部の動き補正および解剖学的スキャンに対する機能ボリュームのアラインメントである。この記事では、得られた結果の全ての前処理、推定、分析、およびプレゼンテーションがVistaソフトウェアサイトで入手可能なオープンソースのMATLABベースのソフトウェアツールボックスVISTAラボを使用して実行されます。 http://white.stanford.edu/newlm/index.php/Main_Page。 <ol><li> MATLABに解剖スキャンをロードし、createVolAnatという関数を使用してボリューム解剖を準備します。 </li><li>機能」ItkGray」を使用してセグメントグレー状物質、白質、およびCSF。 </li><li> DICOMに変換することによって機能的なデータを準備します（ つまり、 </emrInitという関数を使用してVistaに組み込まNIFTI（ すなわち 、標準機能的MRIファイル形式）ファイル、およびロードデータにM&gt;、シーメンスの生のMRIファイル形式）ファイル。 </li><li>正しい頭の動きとアフィン行列変換に基づくrxAlignを使用してステップ2.1でロード解剖学的構造に機能的な画像を整列。 </li><li> mrVISTA分析TimeSeriesは平均tSeriesをクリックすることにより、信号対雑音比を改善するための平均官能動き補正されたスキャン。眼球運動は1〜1.5°以上の固定から逸脱している間の平均化スキャンから除外する。異なる実行からの信号は、DC-ドリフトを除去した後、別のDC-ドリフト、平均機能スキャンを持っている場合。 </li><li>マッピングは、機能スキャンやグレー状物質との間で座標計算し、以下のメニューを選択することで、機能的なスキャンで対応する灰白質ボクセルを識別する：mrVISTAウィンドウオープングレー3-ビューウィンドウを。オプションのいずれかを選択する、補間による灰白質ボクセルでBOLD信号を割り当てるmrVISTAでvailable。 </li></ol> PRF地形とパラメトリックモデリングの3の推定<ol><li>コー​​ドファイルは、以下のリンクからダウンロードします。https://sites.google.com/site/leesangkyun/prf/codes.zip、圧縮ファイルを解凍し、ローカルコンピュータの好ましい位置に配置します。 MATLABでフォルダのパスを追加します。 </li><li> mrVISTA分析網膜モデルセットパラメータ：以下のメニューを選択することで、実験に用いた刺激パラメータを設定します。刺激画像、刺激サイズ、標準的な血行動態機能、fMRIをスキャナのフレームレートのような次のパラメータを指定します。 </li><li> PRF推定に先立ち、初期パラメータセット（ 図1B）を準備します。 <ol><li>コー​​ドファイルから「tprf_set_params.m」の相互検証セットを設定します。ディバイド少なくとも2つのサブセットに時系列（テスト用1セットと訓練のための残りのセット）バーがSWEEするのは十分な長さであるP全体の刺激スペース。あるいは、ステップ2.4​​でスキャンを平均化することなく、テストのために1スキャンを除外し、訓練のための残りのスキャンを使用してスキャンを検証する。 </li><li>粗いパラメータセットを設定します（ 図1のλ、λ= [10 -2 10 -1 1 10 1 10 2]） &quot;tprf_set_params.m」で。その後、「tprf_set_params.m」で（[0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1 3 5 7 9]）細かいスケール範囲を設定します。 注：プログラムは最高説明される分散になりλを選択するために粗いセットを使用します。その後、プログラムはさらに最高説明された分散が得λの選択を精緻化、微細なスケール範囲を使用して、選択したλの周りの空間を検索します。 </li><li> 「tprf_set_params.m」で視覚的に反応するボクセルのために説明される分散の閾値（0.2）を設定します。 注：この閾値は、視覚的に応答するボクセルを選択するための基準として使用される。また、作るしきい値を自動的に計算することができる（非視覚的応答性脳領域における1cmの半径の球を描くことによって、例えば 、）は、非視覚的応答領域のためのROI。 </li><li> 「tprf_set_params.m」に正規化された地形でのPRF中央領域を定義するための閾値（[0.3、0.5、0.7]）のセットを設定します（ つまり 、[0から1]または[-1〜1]バー刺激なしエポックとステップ1.3.1で）。 注：しきい値のセットから提供されたプログラムは、PRFセンタモデルが最大の信号分散を説明しているPRF中心領域を定義した閾値、 すなわち 「最良」のしきい値を選択します。代替的に、地形の特徴に応じてしきい値の異なるセットを選択する。 </li></ol></li><li> 「tprf_runpRFest.m「PRFトポグラフィを計算する（ 図1）を実行し、2D異方性ガウシアンにフィット。このプロトコルに記載されているすべてのパラメータを指定した後、およびコー​​ドを実行、最終推定結果を得る。 </li></ol><img alt="図1" src="/files/ftp_upload/51811/51811fig1highres.jpg" width="700" /> 図1：PRF推定プロセス。 （A）工程の模式図は、PRF形状推定に続いて時間 （t）を ：血行動態応答関数、A（t）は ：刺激、 メートル ：PRF、レッグ：L2ノルム正則（B）PRF形状推定のための具体的な手順。とPRFセンターのモデリング。推定に必要なパラメータのセットが各ステップに記載されています。一次元地形のセクションとそのモデルが示されている。 「モデルフィッティング」の下で、黒と赤の曲線は、それぞれ、0.5の中央しきい値と地形とのPRFセンタモデルを表す。青い点線は、PRFのしきい値を示し、中心領域。

<ol>
	<li>Dumoulin, S. O., Wandell, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Population+receptive+field+estimates+in+human+visual+cortex.">Population receptive field estimates in human visual cortex.</a> Neuroimage. 39, 647-660 (2008).</li><li>Lee, S., Papanikolaou, A., Logothetis, N. K., Smirnakis, S. M., Keliris, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+method+for+estimating+population+receptive+field+topography+in+visual+cortex.">A new method for estimating population receptive field topography in visual cortex.</a> Neuroimage. 81, 144-157 (2013).</li><li>Hastie, T., Tibshirani, R., Friedman, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The elements of statistical learning : data mining, inference, and prediction. , (2009).</li><li>Sereno, M. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Borders+of+multiple+visual+areas+in+humans+revealed+by+functional+magnetic+resonance+imaging.">Borders of multiple visual areas in humans revealed by functional magnetic resonance imaging.</a> Science. 268, 889-893 (1995).</li><li>Engel, S. A., Glover, G. H., Wandell, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retinotopic+organization+in+human+visual+cortex+and+the+spatial+precision+of+functional+MRI.">Retinotopic organization in human visual cortex and the spatial precision of functional MRI.</a> Cereb Cortex. 7, 181-192 (1997).</li><li>Engel, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=fMRI+of+human+visual+cortex.">fMRI of human visual cortex.</a> Nature. 369, 525 (1994).</li><li>DeYoe, E. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+striate+and+extrastriate+visual+areas+in+human+cerebral+cortex.">Mapping striate and extrastriate visual areas in human cerebral cortex.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 93, 2382-2386 (1996).</li><li>Greene, C. A., Dumoulin, S. O., Harvey, B. M., Ress, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+population+receptive+fields+in+human+early+visual+cortex+using+back-projection+tomography.">Measurement of population receptive fields in human early visual cortex using back-projection tomography.</a> J Vis. , (2014).</li><li>Zuiderbaan, W., Harvey, B. M., Dumoulin, S. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+center-surround+configurations+in+population+receptive+fields+using+fMRI.">Modeling center-surround configurations in population receptive fields using fMRI.</a> J Vis. , (2012).</li><li>Harvey, B. M., Dumoulin, S. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+relationship+between+cortical+magnification+factor+and+population+receptive+field+size+in+human+visual+cortex:+constancies+in+cortical+architecture.">The relationship between cortical magnification factor and population receptive field size in human visual cortex: constancies in cortical architecture.</a> J Neurosci. 31, 13604-13612 (2011).</li><li>Haak, K. V., Cornelissen, F. W., Morland, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Population+receptive+field+dynamics+in+human+visual+cortex.">Population receptive field dynamics in human visual cortex.</a> PLoS One. 7, e37686 (2012).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

この記事では、人間の視覚野とどのように受容野のための適切なパラメトリックモデルを選択するためにそれを利用するには視覚的な人口受容野の地形を推定する方法を示します。成功レチノトピーために、適切な刺激プロトコルで効率的な分析方法を選択する必要があり、被験者の実験パラメータ（運動および固定）が最適化されるべきである。それが明確な刺激の場所とは異なるBOLD応答...

機能的磁気共鳴画像法（fMRI）対策巨視的スケールで視覚皮質の非侵襲的に機能的な組織（典型的にはミリメートルのオーダー）。早期のfMRIレチノトピー研究は、刺激位置間のコヒーレンス測定値を使用し、BOLD応答4-7を誘発した。これらの研究は、一般的に人口受容野の大きさを推定しませんでした。以降、デュムランとWandell 1 BOLD応答を予測するために、このモデルの線形関数を使用して、明示的にPRFの位置とサイズをモデル化することによってこのような制限を克服するための方法を提案した。しかし、この先駆的な方法の一つの限界は、パラメトリックPRFモデルが事前に選択されなければならない、及び誤ったPRFにつながる可能性が適切でないと判明した場合を推定することである。 パラメトリックPRF-モデル法の限界を克服するために、新しい方法が開発されている。これらのメソッドは直接sにBOLD応答を予測PRFトポグラフィを再構成することによってtimulus。グリーンらによって提案された方法8は、バック突出した個々の1D刺激空間へBOLD応答を、一般的なコンピュータ断層撮影技術のように2D刺激空間でPRFトポグラフィを構築することにより、PRFトポグラフィを再構築する。一方、我々が提案した方法2を直接線形回帰を使用して正則化技法を適用することによって、2D PRF形状を推定する。この方法では、PRFのトポグラフィは、所与のボクセルのニューロン集団の応答を推定するために刺激を乗じて重みのセットとして表される。その後、刺激により誘発される最終的な血液酸素レベル依存（BOLD）応答は、ニューロン集団の応答と標準的な血行動態応答関数を畳み込むことによって推定される。アンダー制約線形システムを解決するために、追加的に、リッジ回帰の正則化は、スパースを実施するために使用されている（ 図1参照下）。正則化技術は、ノイズやアーチファクトを抑制し、したがって、私たちの方法は、より堅牢にPRFの地形を推定することができます。 地形的な方法は、実際のP​​RF構造を明らかにすることができ、したがって、特定のパラメトリック形状を有するようにPRF形状を強制していない。適切なパラメトリックモデルは、PRFトポグラフィに基づいて選択することができる。例えば、PRFのトポグラフィは、PRFセンターとサラウンドを分離するために使用することができ、その後のPRF中心モデリングサラウンド抑制の影響ならびにに対して遠隔地に生じる他の潜在的なアーチファクトの影響を最小化することにより、より正確であることができるPRFセンター。我々は最近、PRF 9に定量的な手法と直接いくつかの他の方法との比較（ すなわち地形を推定する前に）ガウス1、等方性のフィット異方性ガウシアン、及び等方性のガウス分布の違いを行った。これはtopogrことが見出されたaphyベースの方法は、BOLD信号の時系列の変動を説明し、より高い達成することによりPRF中心モデリングに関して、これらの方法を上回る。 様々な分野でのPRF特性の正確な推定は、彼らが視野をカバーする方法明らかにし、それが視覚に関連し、特にとして視覚野の機能的な組織を調査するために重要である。そのような偏心1,10およびPRFセンターサラウンド団体9 PRFサイズの変更はよく人間の文献で ​​検討されている方法などのプロパティ。 PRFトポグラフィより正確なPRFパラメータモデリングの結果、未知の規則性を明らかにする可能性が高いと推定するための提案された方法は、容易に直接パラメトリックモデルで事前にモデル化されていない。このアプローチは、誰のためにPRF構造は必ずしも予測可能な事前ないが、視覚路病変を有する患者では、PRFの組織を研究するために特に適しているであろう。以下は、目を推定する方法を記述されているE PRF地形とどのPRFセンターをモデル化するために地形を使用する方法。

<table><tbody><tr><td>MRI scanner</td><td>Siemens/Philips/GE</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>The Mathworks, Inc.</td><td></td><td>http://www.mathworks.com&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>VISTA software</td><td>VISTA software group</td><td></td><td>http://white.stanford.edu/newlm/index.php/Software</td></tr><tr><td>PsychoToolbox</td><td>PsychoToolbox&amp;nbsp;</td><td></td><td>http://psychtoolbox.org&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Eye Tracker (VisuaStimDigital)</td><td>Resonance Technology Inc</td><td></td><td>http://mrivideo.com/</td></tr></tbody></table>

topographical estimation of visual population receptive fields by fmri

細胞の隣接集団が視野の近隣の部分にマップされるように視覚野はretinotopically構成されています。機能的磁気共鳴画像は、私たちは、ボクセルベースの人口受容野（PRF）、 すなわち 、各ボクセル内の細胞を活性化し、視野の一部を推定することができます。 1）PRFモデルが事前に選択され、完全に実際のPRF形状をキャプチャしないこと、および2）PRFセンターが刺激スペースの国境近くの誤局在する傾向がある：前に、直接、PRF推定方法1は、一定の制限を受ける。ここで新たな地形PRF推定方法2は、主に、これらの制限を回避することが提案されている。線形モデルは、標準的な血行動態応答関数と視覚刺激に対するPRFの線形応答を畳み込むことにより血液酸素レベル依存（BOLD）信号を予測するために使用される。 PRF地形は、成分がSTRを表す重みベクトルとして表現さ​​れる別の視野の場所で発表刺激に対するボクセルニューロンの集合体応答のength。得られた一次方程式は、PRFトポグラフィを得、リッジ回帰3を使用してPRFウェイトベクトルについて解くことができる。推定トポグラフィーに一致するPRFモデルは、それによってそのような等 PRF-中心位置、PRFの向き、サイズ、PRFパラメータの推定値を改善する、事後選択することができる。 PRF地形が利用可能持つこともPRF構造に関する先験的仮定を加えることなく、様々なPRFの特性の抽出を可能にするのPRFパラメータ推定値を視覚的に確認することができます。このアプローチは、視覚系の障害を有する患者のPRF組織を調査するために特に有用であることを約束。

正確なPRFモデリングは正しくPRF形状をキャプチャする必要があります。 PRFの地形を知らなくても、1,9-11先行研究で使用円対称モデルの選択が合理的な選択である。局所網膜組織は視野のすべての方向に均一である場合には、地元住民の応答が神経応答の円対称の累積的な集合体として表すことができるからである。しかし、我々の観察は、これは必ずしもそうでは（ 図2）</stro...

Watch this Scientific Journal Video about Topographical Estimation of Visual Population Receptive Fields by fMRI at JoVE.com

Topographical Estimation of Visual Population Receptive Fields by fMRI

It is important to obtain unbiased estimates of visual population receptive fields (pRFs) by functional magnetic resonance imaging. We use mild regularization constraints to estimate pRF topography without a-priori assumptions about pRF shape, allowing us to choose specific pRF models post-hoc. This is particularly advantageous in subjects with visual-pathway lesions.

fMRIのことで視覚人口受容野の地形の推定

Visual cortex is retinotopically organized so that neighboring populations of cells map to neighboring parts of the visual field. Functional magnetic ...

topographical-estimation-of-visual-population-receptive-fields-by-fmri

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Behavior

9.2K ビュー.  Baylor College of Medicine. It is important to obtain unbiased estimates of visual population receptive fields (pRFs) by functional magnetic resonance imaging. We use mild regularization constraints to estimate pRF topography without a-priori assumptions about pRF shape, allowing us to choose specific pRF models post-hoc. This is particularly advantageous in subjects with visual-pathway lesions.

ビデオ: Topographical Estimation of Visual Population Receptive Fields by fMRI

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) with Auditory Stimulation in Songbirds

The neurobiology of birdsong, as a model for human speech, is a pronounced area of research in behavioral neuroscience. Whereas electrophysiology and molecular approaches allow the investigation of either different stimuli on few neurons, or one stimulus in large parts of the brain, blood oxygenation level dependent (BOLD) functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) allows combining both advantages, i.e. compare the neural activation induced by different stimuli in the entire brain at once. fMRI in songbirds is challenging because of the small size of their brains and because their bones and especially their skull comprise numerous air cavities, inducing important susceptibility artifacts. Gradient-echo (GE) BOLD fMRI has been successfully applied to songbirds 1-5 (for a review, see 6). These studies focused on the primary and secondary auditory brain areas, which are regions free of susceptibility artifacts. However, because processes of interest may occur beyond these regions, whole brain BOLD fMRI is required using an MRI sequence less susceptible to these artifacts. This can be achieved by using spin-echo (SE) BOLD fMRI 7,8 . In this article, we describe how to use this technique in zebra finches (Taeniopygia guttata), which are small songbirds with a bodyweight of 15-25 g extensively studied in behavioral neurosciences of birdsong. The main topic of fMRI studies on songbirds is song perception and song learning. The auditory nature of the stimuli combined with the weak BOLD sensitivity of SE (compared to GE) based fMRI sequences makes the implementation of this technique very challenging.

Functional Magnetic Resonance Imaging fMRI with Auditory Stimulation in Songbirds

This article shows an optimized procedure for imaging of the neural substrates of auditory stimulation in the songbird brain using functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). It describes the preparation of the sound stimuli, the positioning of the subject and the acquisition and subsequent analysis of the fMRI data.

鳴禽類における聴覚刺激と機能的磁気共鳴画像法（fMRI）

The neurobiology of birdsong, as a model for human speech, is a pronounced area of research in behavioral neuroscience. Whereas electrophysiology and ...

行動学

fMRI Validation of fNIRS Measurements During a Naturalistic Task

We present a method to compare brain activity recorded with near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a dance video game task to that recorded in a reduced version of the task using fMRI (functional magnetic resonance imaging). Recently, it has been shown that fNIRS can accurately record functional brain activities equivalent to those concurrently recorded with functional magnetic resonance imaging for classic psychophysical tasks and simple finger tapping paradigms. However, an often quoted benefit of fNIRS is that the technique allows for studying neural mechanisms of complex, naturalistic behaviors that are not possible using the constrained environment of fMRI. Our goal was to extend the findings of previous studies that have shown high correlation between concurrently recorded fNIRS and fMRI signals to compare neural recordings obtained in fMRI procedures to those separately obtained in naturalistic fNIRS experiments. Specifically, we developed a modified version of the dance video game Dance Dance Revolution (DDR) to be compatible with both fMRI and fNIRS imaging procedures. In this methodology we explain the modifications to the software and hardware for compatibility with each technique as well as the scanning and calibration procedures used to obtain representative results. The results of the study show a task-related increase in oxyhemoglobin in both modalities and demonstrate that it is possible to replicate the findings of fMRI using fNIRS in a naturalistic task. This technique represents a methodology to compare fMRI imaging paradigms which utilize a reduced-world environment to fNIRS in closer approximation to naturalistic, full-body activities and behaviors. Further development of this technique may apply to neurodegenerative diseases, such as Parkinson&#8217;s disease, late states of dementia, or those with magnetic susceptibility which are contraindicated for fMRI scanning.

We present a method to compare functional brain activity recorded during a naturalistic task using fNIRS with activity recorded during fMRI.

自然主義タスク中fNIRS計測のfMRIの検証

We present a method to compare brain activity recorded with near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a dance video game task to that recorded in a reduced ...

High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Functional MRI (fMRI) is a widely used tool for non-invasively measuring correlates of human brain activity. However, its use has mostly been focused upon measuring activity on the surface of cerebral cortex rather than in subcortical regions such as midbrain and brainstem. Subcortical fMRI must overcome two challenges: spatial resolution and physiological noise. Here we describe an optimized set of techniques developed to perform high-resolution fMRI in human SC, a structure on the dorsal surface of the midbrain; the methods can also be used to image other brainstem and subcortical structures.
High-resolution (1.2 mm voxels) fMRI of the SC requires a non-conventional approach. The desired spatial sampling is obtained using a multi-shot (interleaved) spiral acquisition1. Since, T2* of SC tissue is longer than in cortex, a correspondingly longer echo time (TE ~ 40 msec) is used to maximize functional contrast. To cover the full extent of the SC, 8-10 slices are obtained. For each session a structural anatomy with the same slice prescription as the fMRI is also obtained, which is used to align the functional data to a high-resolution reference volume.
In a separate session, for each subject, we create a high-resolution (0.7 mm sampling) reference volume using a T1-weighted sequence that gives good tissue contrast. In the reference volume, the midbrain region is segmented using the ITK-SNAP software application2. This segmentation is used to create a 3D surface representation of the midbrain that is both smooth and accurate3. The surface vertices and normals are used to create a map of depth from the midbrain surface within the tissue4.
Functional data is transformed into the coordinate system of the segmented reference volume. Depth associations of the voxels enable the averaging of fMRI time series data within specified depth ranges to improve signal quality. Data is rendered on the 3D surface for visualization.
In our lab we use this technique for measuring topographic maps of visual stimulation and covert and overt visual attention within the SC1. As an example, we demonstrate the topographic representation of polar angle to visual stimulation in SC.

This article describes techniques to perform high-resolution functional magnetic resonance imaging with 1.2 mm sampling in human midbrain and subcortical structures using a 3T scanner. Use of these techniques to resolve topographic maps of visual stimulation in the human superior colliculus (SC) is given as an example.

人間の中脳の高解像度機能的磁気共鳴画像法

Functional MRI (fMRI) is a widely used tool for non-invasively measuring correlates of human brain activity. However, its use has mostly been focused upon ...

神経科学

Co-analysis of Brain Structure and Function using fMRI and Diffusion-weighted Imaging

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when studying the brain, as the functional role that a brain area fulfills may be largely defined by its connections to other brain areas. In this report, we describe a novel, non-invasive approach for relating brain structure and function using magnetic resonance imaging (MRI). This approach, a combination of structural imaging of long-range fiber connections and functional imaging data, is illustrated in two distinct cognitive domains, visual attention and face perception. Structural imaging is performed with diffusion-weighted imaging (DWI) and fiber tractography, which track the diffusion of water molecules along white-matter fiber tracts in the brain (Figure 1). By visualizing these fiber tracts, we are able to investigate the long-range connective architecture of the brain. The results compare favorably with one of the most widely-used techniques in DWI, diffusion tensor imaging (DTI). DTI is unable to resolve complex configurations of fiber tracts, limiting its utility for constructing detailed, anatomically-informed models of brain function. In contrast, our analyses reproduce known neuroanatomy with precision and accuracy. This advantage is partly due to data acquisition procedures: while many DTI protocols measure diffusion in a small number of directions (e.g., 6 or 12), we employ a diffusion spectrum imaging (DSI)1, 2 protocol which assesses diffusion in 257 directions and at a range of magnetic gradient strengths. Moreover, DSI data allow us to use more sophisticated methods for reconstructing acquired data. In two experiments (visual attention and face perception), tractography reveals that co-active areas of the human brain are anatomically connected, supporting extant hypotheses that they form functional networks. DWI allows us to create a "circuit diagram" and reproduce it on an individual-subject basis, for the purpose of monitoring task-relevant brain activity in networks of interest.

We describe a novel approach for simultaneous analysis of brain function and structure using magnetic resonance imaging (MRI). We assess brain structure with high-resolution diffusion-weighted imaging and white-matter fiber tractography. Unlike standard structural MRI, these techniques allow us to directly relate anatomical connectivity to functional properties of brain networks.

fMRIと拡散強調画像を用いた脳の構造と機能の同時分析

The study of complex computational systems is facilitated by network maps, such as circuit diagrams. Such mapping is particularly informative when ...

Detecting Pre-Stimulus Source-Level Effects on Object Perception with Magnetoencephalography

Pre-stimulus oscillatory brain activity influences upcoming perception. The characteristics of this pre-stimulus activity can predict whether a near-threshold stimulus will be perceived or not perceived, but can they also predict which one of two competing stimuli with different perceptual contents is perceived? Ambiguous visual stimuli, which can be seen in one of two possible ways at a time, are ideally suited to investigate this question. Magnetoencephalography (MEG) is a neurophysiological measurement technique that records magnetic signals emitted as a result of brain activity. The millisecond temporal resolution of MEG allows for a characterization of oscillatory brain states from as little as 1 second of recorded data. Presenting an empty screen around 1 second prior to the ambiguous stimulus onset therefore provides a time window in which one can investigate whether pre-stimulus oscillatory activity biases the content of upcoming perception, as indicated by participants&#39;&#160;reports. The spatial resolution of MEG is not excellent, but sufficient to localise sources of brain activity at the centimetre scale. Source reconstruction of MEG activity then allows for testing hypotheses about the oscillatory activity of specific regions of interest, as well as the time- and frequency-resolved connectivity between regions of interest. The described protocol enables a better understanding of the influence of spontaneous, ongoing brain activity on visual perception.

This article describes how to set up an experiment that allows detecting pre-stimulus source-level influences on object perception using magnetoencephalography (MEG). It covers stimulus material, experimental design, MEG recording, and data analysis.

磁気脳波による物体知覚に対する刺激前のソースレベルの影響の検出

Pre-stimulus oscillatory brain activity influences upcoming perception. The characteristics of this pre-stimulus activity can predict whether a ...

Mapping Regional Homogeneity and Functional Connectivity of the Visual Cortex in Resting-State fMRI

A combined regional homogeneity (ReHo) and functional connectivity (FC) method, a type of noninvasive functional magnetic resonance imaging (fMRI) method, has been used to evaluate synchronous neuronal activity changes in retinitis pigmentosa (RP). The purpose of this study is to describe our method for analysis of intra- and interregional synchronizations of changes in neuronal activity in RP patients. The advantages of the combined ReHo and FC method are that it is both noninvasive and sufficiently sensitive to investigate changes in cerebral synchronous neuronal activity changes in vivo. Here, 16 RP patients and 14 healthy controls closely matched in age, sex, and education underwent resting-state fMRI scans. Two sample t-tests were conducted to compare ReHo and FC across groups. Our results showed that visual network disconnection and reorganization of the retino-thalamocortical pathway and dorsal visual stream occurred in the RP patients. Here, we describe the details of this method, its use, and the impact of its key parameters in a step-by-step manner.

We present a protocol for analyzing functional magnetic resonance imaging data to investigate spontaneous neural activity alterations in retinitis pigmentosa patient using a combined regional homogeneity and functional connectivity method.

A combined regional homogeneity (ReHo) and functional connectivity (FC) method, a type of noninvasive functional magnetic resonance imaging (fMRI) method, ...

Simultaneous Data Collection of fMRI and fNIRS Measurements Using a Whole-Head Optode Array and Short-Distance Channels

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a portable neuroimaging methodology, more robust to motion and more cost-effective than functional magnetic resonance imaging (fMRI), which makes it highly suitable for conducting naturalistic studies of brain function and for use with developmental and clinical populations. Both fNIRS and fMRI methodologies detect changes in cerebral blood oxygenation during functional brain activation, and prior studies have shown high spatial and temporal correspondence between the two signals. There is, however, no quantitative comparison of the two signals collected simultaneously from the same subjects with whole-head fNIRS coverage. This comparison is necessary to comprehensively validate area-level activations and functional connectivity against the fMRI gold standard, which in turn has the potential to facilitate comparisons of the two signals across the lifespan. We address this gap by describing a protocol for simultaneous data collection of fMRI&#160;and fNIRS signals that: i) provides whole-head fNIRS coverage; ii) includes short-distance measurements for regression of the non-cortical, systemic physiological signal; and iii) implements two different methods for optode-to-scalp co-registration of fNIRS measurements. fMRI and fNIRS data from three subjects are presented, and recommendations for adapting the protocol to test developmental and clinical populations are discussed. The current setup with adults allows scanning sessions for an average of approximately 40 min, which includes both functional and structural scans. The protocol outlines the steps required to adapt the fNIRS equipment for use in the magnetic resonance (MR) environment, provides recommendations for both data recording and optode-to-scalp co-registration, and discusses potential modifications of the protocol to fit the specifics of the available MR-safe fNIRS system. Representative subject-specific responses from a flashing-checkerboard task illustrate the feasibility of the protocol to measure whole-head fNIRS signals in the MR environment. This protocol will be particularly relevant for researchers interested in validating fNIRS signals against fMRI across the lifespan.

We present a method for simultaneously collecting fMRI and fNIRS signals from the same subjects with whole-head fNIRS coverage. The protocol has been tested with three young adults and can be adapted for data collection for developmental studies and clinical populations.

全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いたfMRIとfNIRSの同時測定データ収集

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a portable neuroimaging methodology, more robust to motion and more cost-effective than functional ...

視覚障害の評価を強化するための視覚皮質マッピングの進歩

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) of the Visual Cortex with Wide-View Retinotopic Stimulation

High-resolution retinotopic blood oxygenation level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) with a wide-view presentation can be used to functionally map the peripheral and central visual cortex. This method for measuring functional changes of the visual brain allows for functional mapping of the occipital lobe, stimulating &gt;100&#176; (&plusmn;50&#176;) or more of the visual field, compared to standard fMRI visual presentation setups which usually cover &lt;30&#176; of the visual field. A simple wide-view stimulation system for BOLD fMRI can be set up using common MR-compatible projectors by placing a large mirror or screen close to the subject's face and using only the posterior half of a standard head coil to provide a wide-viewing angle without obstructing their vision. The wide-view retinotopic fMRI map can then be imaged using various retinotopic stimulation paradigms, and the data can be analyzed to determine the functional activity of visual cortical regions corresponding to central and peripheral vision. This method provides a practical, easy-to-implement visual presentation system that can be used to evaluate changes in the peripheral and central visual cortex due to eye diseases such as glaucoma and the vision loss that may accompany them.

著者スポットライト:広視野fMRIマッピングによる視覚野研究への洞察 

We have developed techniques for mapping the visual cortex function utilizing more of the visual field than is commonly used. This approach has the potential to enhance the evaluation of vision disorders and eye diseases.

広視野網膜トピック刺激による視覚野の機能的磁気共鳴画像法(fMRI)

High-resolution retinotopic blood oxygenation level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) with a wide-view presentation can be ...

fMRIのことで視覚人口受容野の地形の推定

要約

さらに動画を探す

この動画の章

鳴禽類における聴覚刺激と機能的磁気共鳴画像法（fMRI）

自然主義タスク中fNIRS計測のfMRIの検証

人間の中脳の高解像度機能的磁気共鳴画像法

fMRIと拡散強調画像を用いた脳の構造と機能の同時分析

磁気脳波による物体知覚に対する刺激前のソースレベルの影響の検出

Mapping Regional Homogeneity and Functional Connectivity of the Visual Cortex in Resting-State fMRI

全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いたfMRIとfNIRSの同時測定データ収集

広視野網膜トピック刺激による視覚野の機能的磁気共鳴画像法(fMRI)

広視野網膜トピック刺激による視覚野の機能的磁気共鳴画像法(fMRI)

広視野網膜トピック刺激による視覚野の機能的磁気共鳴画像法(fMRI)