Intrinsic Signal Changes Accompanying Sensory Stimulation- Functional Brain Mapping With Magnetic...

7/25/2019 Intrinsic Signal Changes Accompanying Sensory Stimulation- Functional Brain Mapping With Magnetic Resonance I

1/5

P r o c .

N a t i . A c a d . S c i . USA

V o l .

8 9 , p p .

5 9 5 1 - 5 9 5 5 ,

J u l y

1 9 9 2

N e u r o b i o l o g y

I n t r i n s i c s i g n a l

c h a n g e s a c c o m p a n y i n g s e n s o r y

s t i m u l a t i o n :

F u n c t i o n a l

b r a i n

mapping

w i t h m a g n e t i c r e s o n a n c e

i m a g i n g

( c e r e b r a l b l o o d

f l o w / b l o o d

o x y g e n a t i o n / v i s u a l

c o r t e x / p o s i t r o n e m i s s i o n

t o m o g r a p h y / m a g n e t i c

s u s c e p t i b i l i t y )

S E H I OGAWAt,

DAVID W.

T A N K t ,

RAVI

MENONt, JUTTA

M.

ELLERMANNt,

SEONG-GI

K I M t ,

HELLMUT

MERKLEt,

AND KAMIL UGURBILt

t B i o l o g i c a l

C o m p u t a t i o n

R e s e ar c h D e pa r t me n t ,

AT T B e l l L a b o r a t o r i e s , 6 0 0 M o u n t a i n A v en u e ,

M u r r a y

H i l l ,

NJ

0 7 9 7 4 ;

a n d

t C e n t e r f o r

M a g n e t i c

R e s o n a n c e

R e s e a r c h , U n i v e r s i t y o f M i n n e s o t a M ed i ca l S ch oo l , 3 8 5

E as t R i ve r R o a d , M i n n e a p o l i s ,

MN 5 5 4 5 5

C o m m u n i c a t e d

b y

R . L l i n d s , M a r c h

3 1 ,

1 9 9 2

ABSTRACT

W e r e p o r t t h a t v i s u a l s t i m u l a t i o n p r o d u c e s

a n

e a s i l y d e t e c t a b l e ( 5 - 2 0 )

t r a n s i e n t

i n c r e a s e

i n

t h e

i n t e n s i t y

o f

w a t e r

p r o t o n m ag n e t i c r e s o n a n c e s i g n a l s

i n

human

p r i m a r y

v i s u a l

c o r t e x

i n g r a d i e n t

e c h o i m a g e s

a t 4 - T

m a g n e t i c - f i e l d

s t r e n g t h .

T h e o b s e r v e d

c h a n g e s

p r e d o m i n a n t l y o c c u r i n a r e a s

c o n t a i n i n g g r a y

m a t t e r

a n d

c a n

b e

u s e d t o p r o d u c e h i g h -

s p a t i a l - r e s o l u t i o n f u n c t i o n a l b r a i n

m a p s

i n h u m a n s .

R e d u c i n g

t h e

i m a g e - a c q u i s i t i o n

e c h o t i me f r o m 4 0 m s e c

t o

8 m s e c r e d u c e s

t h e

a m p l i t u d e o f

t h e

f r a c t i o n a l s i g n a l

c h a n g e ,

s u g g e s t i n g

t h a t

i t

i s

p r o d u c e d

b y

a

c h a n g e i n a p p a r e n t t r a n s v e r s e r e l a x a t i o n

t i m e

T 2 .

T h e a m p l i t u d e ,

s i g n ,

a n d

e c h o - t i m e d e p e n d e n c e o f t h e s e

i n t r i n s i c s i g n a l

c h a n g e s

a r e c o n s i s t e n t

w i t h

t h e

i d e a t h a t n e u r a l

a c t i v a t i o n i n c r e a s e s

r e g i o n a l

c e r e b r a l

b l o o d f l o w

a n d c o n c o m -

i t a n t l y

i n c r e a s e s v e n o u s - b l o o d o x y g e n a t i o n .

M a g n e t i c - r e s o n a n c e i m a g i n g ( M R I )

o f r o de n t

b r a i n s

a t

h i g h

( 7 - T ) m a g n e t i c - f i e l d s t r e n g t h s h o w s

p r o t o n s i g n a l - i n t e n s i t y

a l t e r a t i o n s r e l a t e d t o

b l o o d o x y g e n a t io n

i n

r e g i o n s c l o s e

t o

l o c a l

b l o o d v e s s e l s

( 1 - 3 ) .

W e

h a v e t e r me d t h i s

p h e n o m e n o n

b l o o d o x y g e n a t i o n - l e v e l - d e p e n d e n t (BOLD)

c o n t r a s t a n d

h a v e

d e m o n s t r a t e d t h a t t h e

u n d e r l y i n g m e c h a n i s m i s

a m a g -

n e t i c - s u s c e p t i b i l i t y v a r i a t i o n

c a u s e d

b y d e o x y h e m o g l o b i n ,

a n

e n d o g e n o u s

p a r a m a g n e t i c

c o n t r a s t a g e n t .

I t w a s f u r t h e r

d e m o n s t r a t e d

t h a t

t h i s

m a g n e t i c - s u s c e p t i b i l i t y

e f f e c t

c o u l d

b e

u s e d t o m e a s u r e i n

v i v o

c h a n g e s

i n

h e m o d y n a m i c s .

F o r

e x a m p l e , p h a r m a c o l o g i c a l l y

i n d u c e d c h a n g e s

i n

c e r e b r a l

b l o o d

f l o w

a n d

o x y g e n

u t i l i z a t i o n p r o d u c e m e a s u r a b l e

c h a n g e s

i n

B O L D

c o n t r a s t

i n

t h e

r a t

c e r e b r a l

c o r t e x .

S i m i l a r

r e s u l t s

h a v e

r e c e n t l y

b e e n d e m o n s t r a t e d i n c a t b r a i n ( 4 ) .

T h e r e i s i n c r e a s e d e v i d e n c e t h a t a

l o c a l e l e v a t i o n

i n

h u m a n - b r a i n v e n o u s - b l o o d o x y g en a t i o n a c c o m p a n i e s

a n i n -

c r e a s e i n

n e u r o n a l

a c t i v i t y

( 5 - 8 ) .

F o r e x a m p l e , p o s i t r o n

e m i s s i o n

t o m o g r a p h y

i m a g i n g

e x p e r i m e n t s d e m o n s t r a t e

s t i m u l a t i o n - p r o d u c e d

i n c r e a s e s i n r e g i o n a l

c e r e b r a l

b l o o d

f l o w w i t h o u t

s i g n i f i c a n t l y

c h a n g i n g

l o c a l

o x y g e n

u s e ,

t h u s

p r e d i c t i n g

a n e l e v a t i o n

i n

v e n o u s - b l o o d o x y g en a t i o n ( 6 , 7 ) .

T h i s r e s u l t s u g g e s t e d

t h a t B O L D c o n t r a s t i m a g i n g c o u l d

b e

u s e d

t o

ma p

human

m e n t a l

o p e r a t i o n s .

To e x a m i n e

w h e t h e r

d e t e c t a b l e

i n t r i n s i c

m a g n e t i c - s u s c e p t i b i l i t y

c h a n g e s

a r e

p r o -

d u c e d

i n t h e h u m a n

b r a i n

i n

r e s p o n s e

t o

n e u r o n a l

a c t i v a t i o n ,

we

s t u d i e d

t h e e f f e c t o f

v i s u a l

s t i m u l a t i o n o n g r a d i e n t e c h o

i m a g e s

o f human v i s u a l c o r t e x a c q u i r e d

a t h i g h - m a g n e t i c -

f i e l d

s t r e n g t h .

I n

g e n e r a l ,

h i g h - f i e l d s t r e n g t h i n c r e a s e s t h e

m a g n i t u d e

o f

s u s c e p t i b i l i t y

c o n t r a s t e f f e c t s ,

a c c e n t u a t i n g

B O L D c o n t r a s t .

MATE RIALS

AND M E T H O D S

MR I

e x p e r i m e n t s

w e r e

d o n e

w i t h a 4 - T

w h o l e - b o d y i m a g i n g

s y s t e m

w i t h

a c t i v e l y

s h i e l d e d

g r a d i e n t

c o i l s

[ S i s c o

( S u n n y -

v a l e , C A ) / S i e m e n s

E r l a n g e n

F . R . G . ) ] . A p p r o v a l

f o r

t h e s e

h u m a n e x p e r i m e n t s

w a s o b t a i n e d f r o m t h e i n s t i t u t i o n a l

r e -

v i e w

b o a r d o f

t h e

U n i v e r s i t y

o f

M i n n e s o t a M e d i c a l

S c h o o l .

R a d i o f r e q u e n c y

p o w e r

d e p o s i t i o n

w a s k e p t t w o o r d e r s o f

m a g n i t u d e b e l o w F o o d a n d D r u g A d m i n i s t r a t i o n

s p e c i f i c -

a b s o r p t i o n

r a t e

g u i d e l i n e s . A

s n u g l y f i t t e d

h e a d

h o l d e r

w i t h

a

c u r v e d - s u r f a c e

r a d i o f r e q u e n c y c o i l ( 1 4

cm i n

d i a m e t e r )

w a s

u s e d t o

l i m i t

m o t i o n a r t i f a c t s .

H i g h - r e s o l u t i o n l o n g i t u d i n a l

r e l a x a t i o n

t i m e

T i - w e i g h t e d

i ma g e s w e r e

o b t a i n e d

b y

u s i n g

a

f a s t

i m a g i n g s t e a d y - s t a t e p r e c e s s i o n

( F I S P ) ( 9 ) - b a s e d

f a s t -

g r a d i e n t - r e c a l l e d

e c h o s e q u e n c e [ e c h o

t i m e

( T E )

=

8

m s ;

r e p e t i t i o n

t i m e ( T R )

=

1 3

m s ; 0 . 5 - c m s l i c e

w i d t h ]

w i t h

2 5 6 - p h a s e - e n c o d i n g

s t e p s s e g m e n t e d

i n f o u r b l o c k s

o f

6 4

i n t e r l e a v e d

s t e p s .

An a d i a b a t i c

i n v e r s i o n

p u l s e

f o l l o w e d

b y

a n

i n v e r s i o n r e c o v e r y

t im e o f

1 . 2 s

w a s u s e d t o

g e n e r a t e

T 1 - w e i g h t e d p r e c o n t r a s t ,

w h i c h ,

a t

4

T ,

e n h a n c e s t h e

w h i t e -

m a t t e r

s i g n a l

( 1 0 , 1 1 ) .

F o r

t h e v i s u a l - s t i m u l a t i o n e x p e r i -

m e n t s ,

c o n s e c u t i v e

g r a d i e n t

e c h o i m a g e s

w e r e o b t a i n e d

f r o m

t h e

a v e r a g e o f

t w o

s c a n s b y u s i n g a

F I S P

p u l s e s e q u e n c e ( T E

=

4 0

m s ;

T R

=

4 5

m s ; 6 4 - p h a s e - e n c o d i n g s t e p s ;

1 2 8

c o m p l e x

r e a d o u t p o i n t s ;

t i m e i n t e r v a l b e t w e e n s c a n s

=

2 s ; 1 - c m

s l i c e

t h i c k n e s s ) , p r o d u c i n g

a n

e f f e c t i v e i m a g e - r e p e t i t i o n

r a t e

o f

= 1 0 s .

T h e

i m a g e s

w e r e

z e r o - f i l l e d t o

2 5 6

x

2 5 6 b e f o r e

F o u r i e r

t r a n s f o r m a t i o n .

T h e

p l o t s

o f

s i g n a l - i n t e n s i t y

c h a n g e

v e r s u s

i m a g e

n u m b e r

w e r e

d i g i t a l l y

f i l t e r e d ( g a u s s i a n

f i l t e r :

2 - p o i n t w i d t h ) . I m a g e s

i n t h e

f i g u r e s

w e r e

s e g m e n t e d

f r o m

f u l l

i m a g e s

a n d

d i s p l a y e d

u s i n g

I M A G E 1 . 3 7 s o f t w a r e

f r o m

t h e

N a t i o n a l I n s t i t u t e s o f H e a l t h .

E x p e r i m e n t s

w e r e d o n e o n

s i x

n o r m a l

h u m a n v o l u n t e e r s .

T h e

o c c i p i t a l

p o l e

o f t h e h e a d o f

e a c h s u b j e c t

wa s f i t t e d

i n t h e

h e a d

h o l d e r

w i t h

a

c u r v e d - s u r f a c e

r a d i o f r e q u e n c y

c o i l ,

s o

a s

t o i n c r e a s e

t h e

s i g n a l - t o - n o i s e

r a t i o

f r o m

t h e

a r e a

e n c o m p a s s -

i n g

p r i m a r y

v i s u a l c o r t e x . B i n o c u l a r

v i s u a l

s t i m u l a t i o n

was

p r o v i d e d b y l i g h t - t i g h t

g o g g l e s c o n t a i n i n g

l i g h t - e m i t t i n g

d i o d e

( L E D )

a r r a y s ( m o d e l

S l O V S g o g g l e s ; G r a s s ) .

I n some

e x p e r -

i m e n t s ,

b i n o c u l a r h e m i f i e l d v i s u a l

s t i m u l a t i o n was

m a d e .

I n

t h i s

c a s e ,

s u b j e c t s

w e r e

k e p t

i n

t h e

d a r k

a n d , d u r i n g

t h e

v i s u a l - s t i m u l a t i o n p e r i o d ,

w e r e i n s t r u c t e d

t o

f i x a t e

o n a s m a l l

g r e e n

L E D

l o c a t e d

d i r e c t l y

a h e a d

a t

a

d i s t a n c e o f = 1 5

c m ,

t h e

l o n g e s t

d i r e c t

d i s t a n c e

p o s s i b l e

w i t h i n t h e

m a g n e t

b o r e .

H e m i -

f i e l d

p e r i p h e r a l


was

t h e n

p r o v i d e d b y

a n

a l t e r n a t -

i n g

5 - c m

s q u a r e

r e d / g r e e n

c h e c k e r b o a r d

L E D

d i s p l a y ( m o d e l

S l O V S ,

b o x

d i s p l a y ;

G r a s s )

a t t h e same d i s t a n c e

b u t

c e n t e r e d

e i t h e r 8 cm t o

t h e l e f t s i d e o r

8 cm

t o t h e

r i g h t

s i d e

o f t h e

f i x a t i o n

p o i n t .

T h e b o x

w a s

m o v e d

f r o m o n e

h e m i f i e l d

p o s i t i o n

t o

t h e

o t h e r

b e t w e e n

i m a g e s e q u e n c e s

b u t

d u r i n g

t h e

sa me

i m a g i n g

s e s s i o n . F o r a l l

e x p e r i m e n t s ,

h e a r t

r a t e

a n d

a r t e r i a l

b l o o d

o x y g e n a t i o n

w e r e

m o n i t o r e d

t h r o u g h o u t

a n

i m a g i n g

s e s s i o n

b y u s i n g

a N o n i n

f i b e r - o p t i c

o x i m e t e r .

A b b r e v i a t i o n s : BOLD,

b l o o d

o x y g e n a t i o n - l e v e l

d e p e n d e n t ;

M R I ,

m a g n e t i c

r e s o n a n c e

i m a g i n g ;

L E D , l i g h t - e m i t t i n g d i o d e ;

T E ,

e c h o

t i m e ; T R , r e p e t i t i o n

t i m e ;

F I S P , f a s t - i m a g i n g

s t e a d y - s t a t e

p r e c e s -

s i o n .

5 9 5 1

T h e

p u b l i c a t i o n

c o s t s o f

t h i s a r t i c l e w e r e

d e f r a y e d

i n

p a r t

b y

p a g e c h a r g e

p a y m e n t .

T h i s

a r t i c l e

m u s t

t h e r e f o r e b e

h e r e b y

m a r k e d

a d v e r t i s e me n t

i n

a c c o r d a n c e

w i t h 1 8 U . S . C .

1 7 3 4

s o l e l y

t o

i n d i c a t e t h i s f a c t .


2/5

P r o c .

N a t l .

A c a d . S c i . USA 8 9

( 1 9 9 2 )

RESULTS

O u r b a s i c e x p e r i m e n t a l

f i n d i n g

i s

t h a t v i s u a l s t i m u l a t i o n

t r a n s i e n t l y i n c r e a s e s t h e

m a g n i t u d e o f t h e w a t e r p r o t o n s i g n a l

i n

t h e

p r i m a r y

v i s u a l

c o r t e x . T h i s r e s u l t

i s

i l l u s t r a t e d

i n F i g .

1 f o r a n e x p e r i me n t t h a t

u s e d

a s a g i t t a l

p l a n e t h a t

i n c l u d e d

t h e

c a l c a r i n e

f i s s u r e , t h e a n a t o m i c a l

l o c a t i o n

o f h u m a n

p r i m a r y

v i s u a l c o r t e x , a n d i n F i g . 2 ,

w h e r e

t h e i m a g e p l a n e w a s

p o s i t i o n e d

a t

a n o b l i q u e a n g l e

p a r a l l e l

t o t h e

b a n k

o f t h i s

f i s s u r e .

O u r p r o c e d u r e

w a s

t o

f i r s t m a k e

h i g h - c o n t r a s t

T l - w e i g h t e d

s a g i t t a l

i m a g e s

( 0 . 5 - c m

s l i c e w i d t h ) o f

t h e

o c c i p i t a l l o b e s , i n

w h i c h

t h e s i g n a l

f r o m w hi t e m at t e r

w a s

e n h a n c e d ,

t o

l o c a t e

t h e c a l c a r i n e

f i s s u r e . A

c o n t i n u o u s

t i m e s e r i e s

o f g r a d i e n t

e c h o i ma g e s [ F I S P p u l s e s e q u e n c e s 9 ;

TE =

4 0

m s ]

c o n -

t a i n i n g

p e r i o d s o f

v i s u a l

s t i m u l a t i o n w a s

t h e n e i t h e r

t a k e n

i n

t h i s s a g i t t a l

p l a n e ( F i g . 1 ) o r

i n a n o b l i q u e p l a n e

( F i g .

2 )

a l o n g

t h e c a l c a r i n e f i s s u r e .

T h e s e r i e s c o n t a i n e d 8 5

i m a g e s

a c q u i r e d

a t

a r a t e

o f o n e i m a g e e v er y 1 0

s . T h e

f i r s t

2 0 i m a g e s

w e r e

a c q u i r e d

w i t h o u t

v i s u a l s t i m u l a t i o n

a n d

r e p r e s e n t e d t h e

c o n t r o l

c o n d i t i o n .

T h e n

b i n o c u l a r

p a t t e r n e d - f l a s h

v i s u a l

s t i m u l a t i o n ( 1 0 H z ) w a s p r o v i d e d

f i r s t d u r i n g

t h e 1 0 0 - s

p e r i o d

b e t w e e n i m a g e s

2 0 - 3 0 a n d f o r a

s e c o n d

1 5 0 - s

t i m e

p e r i o d

b e t w e e n

i m a g e s 5 0 - 6 5 .

T h e

s i g n a l i n t e n s i t y

i n

s e v e r a l

r e g i o n s o f

i n t e r e s t

o u t l i n e d

b y

b o x e s

i n F i g .

l a

( s a g i t t a l

i m a g e )

a n d

F i g . 2 a

( o b l i q u e

d

l i g h t

l i g h t

1.4

.

t

s

00

_

0

i m a g e )

w e r e c a l c u l a t e d f o r e a c h

g r a d i e n t e c h o i m a g e i n t h e

s e q u e n c e .

T h e

t i me c o u r s e

o f t h e s i g n a l

i n t e n s i t y f o r

e a c h

b o x

r e g i o n

i s s h o w n

i n

F i g .

i d

( s a g i t t a l i m a g e )

a n d

F i g . 2 d ( o b l i q u e

i m a g e ) .

A t s o m e , b u t n o t

a l l , b o x

l o c a t i o n s ,

a n i n c r e a s e

i s

o b s e r v e d

f o r

e a c h o f t h e t w o s t i m u l a t i o n p e r i o d s

t h a t

o c -

c u r r e d

d u r i n g

t h e i m a g e

s e q u e n c e

a c q u i s i t i o n . T h e s i g n a l

c h a n g e f o l l o w s t h e t i m e

c o u r s e o f s t i m u l a t i o n : a n

i n c r e a s e

c o m m e n c e s

w i t h

o n s e t o f

v i s u a l s t i m u l a t i o n , a n d a d e c r e a s e

c o m m e n c e s

w i t h

o f f s e t

o f

s t i m u l a t i o n .

T h e

r e t u r n

t o

b a s e l i n e

l e v e l a f t e r s t i m u l a t i o n o c c u r r e d w i t h i n

1 0 - 2 0 s .

When

t h e s u m

o f e i g h t i m a g e s a c q u i r e d

d u r i n g a v i s u a l -


p e r i o d a r e

s u b t r a c t e d f r o m t h e

s u m

o f

e i g h t

i m a g e s

a c q u i r e d d u r i n g a p e r i o d w i t h o u t

s t i m u l a t i o n ,

a l o -

c a l i z e d c h a n g e

i n s i g n a l i n t e n s i t y

i s

s e e n i n

t h e

r e g i o n

c o r r e s p o n d i n g

t o

h u m a n v i s u a l

c o r t e x .

T h i s

l o c a l i z e d

c h a n g e

i s

d i s p l a y e d

a s a p s e u d o c o l o r map i n F i g .

l c

( s a g i t t a l

i m a g e )

a n d

F i g . 2 c

( o b l i q u e i m a g e ) .

C o m p a r i n g t h e s e m a p s

w i t h t h e



i m a g e s

( F i g s .

l a a n d

2 a )

d e m o n -

s t r a t e s

t h a t

l a r g e c h a n g e s

w e r e

o b s e r v e d i n

t h e

g r a y - m a t t e r

a r e a s

l o c a t e d

i n

p r o x i m i t y

t o t h e

d a r k

r e g i o n s

i n

t h e T 1 -

w e i g h t e d i m a g e s .

A s t i m u l u s - p r o d u c e d

l o c a l i z e d i n c r e a s e i n

s i g n a l

i n t e n s i t y

w a s o b s e r v e d w i t h i n t h e

k n o w n a n a t o m i c a l

l o c a t i o n o f t h e

h u m a n

p r i m a r y v i s u a l

c o r t e x i n a l l

p a t t e r n e d

b i n o c u l a r p h o t i c


e x p e r i m e n t s ( s i x

s u b j e c t s ;

4 8

v i s u a l - s t i m u l a t i o n

p e r i o d s ;

1 2 s a g i t t a l , 3 6

o b l i q u e ) .

T h e

l a r g e s t

f r a c t i o n a l

F I G . 1 . I n t r i n s i c s i g n a l

c h a n g e s

i n

s a g i t t a l - b r a i n

i m a g e s

p r o d u c e d

b y p h o t i c

s t i m u l a t i o n .

( a ) S a g i t t a l -

s l i c e

i m a g e

o f

t h e

o c c i p i t a l

p o l e

t a k e n w i t h

a n

i n v e r s i o n r e c o v e r y

p u l s e

s e q u e n c e .

T h e

o b l i q u e

l i n e i s

o r i e n t e d

a l o n g

t h e b a n k o f

t h e

c a l -

c a n n e

f i s s u r e .

( b )

G r a d i e n t e c h o

i m a g e ( F I S P

s e q u e n c e ;

TE

=

4 0

m s )

a t

t h e s a m e

a n a t o m i c a l

l o c a -

t i o n .

c P s e u d o c o l o r map

o f

t h e

d i f f e r e n c e

i n

s i g n a l

i n t e n s i t y

b e -

t w e e n t h e

a v e r a g e

o f

e i g h t

i m a g e s

a c q u i r e d

d u r i n g

p h o t i c


a n d

e i g h t

i m a g e s

t a k e n i n t h e

d a r k .

( d )

T i m e c o u r s e o f


c h a n g e s i n a r b i t r a r y u n i t s )

f o r

r e -

g i o n s

i n d i c a t e d

b y

t h e t h r e e

b o x e s

o u t l i n e d

i n b .

5 9 5 2

N e u r o b i o l o g y :

O g a w a

e t A

.- N

. C - , P e . e v

A A . .

A l * .

1 1 1 . . 1 6 4 1 .

1 - . -

: 1 9 .

4

N - l e

..

,

A

v l


3/5

P r o c .

N a t l .

A c a d . S c i .

USA

8 9 ( 1 9 9 2 )

5 9 5 3

d

l i g h t

l i g h t

1 0 0

Z -

. -

nt .

U 0 -

8 0

-

6 0

3

0

2 0

4 0

6 0

8 0

I m a g e

Number

F I G . 2 .

I n t r i n s i c

s i g n a l

c h a n g e s

p r o d u c e d

b y

p h o t i c


i n

o b l i q u e

b r a i n

i m a g e s a l o n g

t h e c a l -

c a r i n e f i s s u r e .

a


i m -

a g e

o f

t h e

b r a i n

t a k e n

w i t h t h e s l i c e

a x i s

o r i e n t e d

p a r a l l e l

t o

t h e

c a l c a r -

i n e

f i s s u r e . T h e

o c c i p i t a l p o l e

i s a t

t h e

t o p o f t h e i m a g e .

( b )

G r a d i e n t

e c h o

i m a g e

( F I S P

s e q u e n c e ;

TE

=

4 0

m s )

a t

t h e sa me a n a t o m i c a l l o -

c a t i o n .

( c ) P s e u d o c o l o r

map o f

t h e

d i f f e r e n c e i n

s i g n a l

i n t e n s i t y p r o -

d u c e d

b y p h o t i c s t i m u l a t i o n . ( d )

T i m e

c o u r s e

o f c h a n g e s

i n s i g n a l

i n t e n s i t y

f o r

r e g i o n s i n d i c a t e d b y

t h e t h r e e

b o x e s

o u t l i n e d

i n

a .

c h a n g e s

i n


i n a

g i v e n

i m a g e

s e q u e n c e

r a n g e d

b e t w e e n

5 a n d

20 ( m e a n 8 . 2 ; SD

=

3 . 3 ) . A l t h o u g h

g l o b a l

c h a n g e s i n s i g n a l

i n t e n s i t y c a n b e

o b s e r v e d when h e a r t

r a t e c h a n g e s ( d a t a

n o t s h o w n ) , i n a l l e x p e r i m e n t s

r e p o r t e d

h e r e , h e a r t r a t e s d i d

n o t

c h a n g e

d u r i n g o r a f t e r v i s u a l

s t i m u l a t i o n . T h e

s i g n a l

i n t e n s i t y d u r i n g t h e

p er i o d w i t h o u t

v i s u a l s t i m u l a t i o n f l u c t u a t e d

w i t h a SD

o f

2

a n d

c o n t a i n s

c o n t r i b u t i o n s f r o m

b o t h

i n s t r u m e n t a t i o n n o i s e

a n d

p h y s i o l -

o g y - r e l a t e d

c h a n g e s i n s i g n a l

i n t e n s i t y . T h e

i n d i v i d u a l

c o n -

t r i b u t i o n s f r o m t h e s e t w o

s o u r c e s

w e r e

n o t

q u a n t i t a t i v e l y

d e t e r m i n e d i n

t h e s e

e x p e r i m e n t s .

W e r e

t h e

o b s e r v e d

c h a n g e s

i n

s i g n a l i n t e n s i t y p r o d u c e d

b y

a

c h a n g e i n

1 2

( o r

T 2 ) d u e t o a m a g n e t i c - s u s c e p t i b i l i t y

v a r i a t i o n a c c o m p a n y i n g

a n

a l t e r a t i o n

i n b l o o d o x y g en a t i o n

1 , t h e n

r e d u c i n g t h e

e c h o

t i m e u s e d i n t h e

i m a g i n g - p u l s e

s e q u e n c e s ho u l d r e d u c e t h e

f r a c t i o n a l


c h a n g e . W e

e x a m i n e d t h i s i n t w o e x p e r i m e n t s .

A f t e r

a

r e d u c t i o n

i n T E f r o m 4 0 ms t o 8 m s ,

w i t h a l l o t h e r

a c q u i s i t i o n

p a r a m e t e r s h e l d c o n s t a n t ,

t h e

o v e r a l l s i g n a l i n t e n s i t y

w a s

h i g h e r , b u t t h e f r a c t i o n a l

c h a n g e i n s i g n a l i n t e n s i t y

p r o d u c e d

b y

v i s u a l


w a s r e d u c e d > 3 - f o l d ;

t h i s

d i f f e r e n c e

i s

i l l u s t r a t e d

i n

F i g . 3 .

A t

s h o r t

T E ,

t h e s t i m u l a t i o n - i n d u c e d

s i g n a l - i n t e n s i t y c h a n g e s

w e r e

n o t e a s i l y

d e t e c t a b l e

i n

t h e

p r e s e n c e

o f

a

b a c k g r o u n d - s i g n a l

f l u c t u a t i o n o f - 2 . T h i s

r e s u l t i n d i c a t e s

t h a t

t h e

s i g n a l

c h a n g e s e e n u p o n


a t

4 0 - m s

e c h o t i m e

i s

n o t s t r o n g l y

r e l a t e d

t o

a

c h a n g e

i n T 1

o r

a

c h a n g e

i n

t h e s t e a d y - s t a t e z- m a g n e t i z a t i o n - f o r

e x a m p l e ,

t h a t p r o d u c e d b y a n i n c r e a s e d

f l o w o f

b l o o d

w a t e r

m o l e c u l e s

i n t o

t h e

o b s e r v i n g

s l i c e ( a

T ,

e f f e c t , s e e

r e f . 1 2 ) .

W e r e T 1 -

o r

T U - r e l a t e d

p h e n o m e n a

r e s p o n s i b l e

f o r

t h e

s t i m u l a t i o n -

i n d u c e d

s i g n a l c h a n g e , t h e

f r a c t i o n a l c h a n g e o f t h e s i g n a l

i s

e x p e c t e d

t o

b e

TE

i n d e p e n d e n t , c o n t r a r y

t o o u r

m e a s u r e -

m e n t s .

C h a n g e s

i n

s i g n a l

i n t e n s i t y c a u s e d b y

7 2

e f f e c t s

i n

g r a d i e n t

e c h o

i m a g e s

a r e

T E - d e p e n d e n t ,

c o n s i s t e n t

w i t h t h e

T E

d e p e n d e n c e

o f o u r

o b s e r v e d

s i g n a l c h a n g e .

W h e t h e r

s e n s o r y


p r o d u c e s c h a n g e s

i n

T 2

o b s e r v a b l e i n

s p i n - e c h o

i m a g e s r e q u i r e s

f u r t h e r

s t u d y .

I f s i m i l a r

c h a n g e s

a r e

o b s e r v e d

i n

s p i n - e c h o


t h i s

w o u l d

s u g g e s t

t h a t

d y n a m i c

a v e r a g i n g o f

t h e f i e l d v a r i a t i o n a r o u n d

v e n o u s

b l o o d

v e s s e l s

b y

w a t e r

d i f f u s i o n

a t a

g i v e n

e c h o

t i m e

i s

a p p r e c i a b l e .

I f

s i m i l a r

c h a n g e s

a r e

n o t

s e e n ,

t h e

f i e l d

v a r i a t i o n e x t e n d s

f a r

b e y o n d

t h e

w a t e r - d i f f u s i o n d i s t a n c e .

W h i c h e f f e c t s

a r e

i m -

p o r t a n t

w i l l

d e p e n d

on

t h e s i z e

o f b l o o d

v e s s e l s

i n

h u m a n

b r a i n


f o r t h e B O L D i m a g e s i g n a l i n

a

p a r t i c u l a r

i m a g i n g

c o n d i t i o n

( f i e l d

s t r e n g t h ,

e c h o t i m e , a n d s p a t i a l

r e s o l u t i o n ) ( 1 3 ) .

D e p e n d e n c e

o f

i m a g e - s i g n a l

i n t e n s i t y

o n

v e n o u s - b l o o d


m e a s u r e d

i n

r o d e n t b r a i n s

a t 7 T

( S . O .

a n d

T . M .

L e e ,

u n p u b l i s h e d w o r k )

c a n b e u s e d t o r o u g h l y

i n t e r p r e t

t h e

s i z e o f

s i g n a l c h a n g e s

s e e n

i n

o u r e x p e r i m e n t s .

S u c h

a n

a n a l y s i s

s u g g e s t s

t h a t ,

a t 4

T ,

a 4

c h a n g e

i n i m a g e

s i g n a l

i n t e n s i t y w o u l d

b e

p r o d u c e d b y

a 50

i n c r e a s e

o f r e g i o n a l

c e r e b r a l b l o o d

f l o w . T h e

c h a n g e s

we

o b s e r v e d

i n t h e

p r e s e n t

s t u d y w e r e m u c h

l a r g e r .

T h i s r e s u l t m ay

i n d i c a t e

t h a t

r e -

g i o n a l - c e r e b r a l - b l o o d - f l o w

i n c r e a s e s

i n t h e

g r a y

m a t t e r

may

b e

s i g n i f i c a n t l y h i g h e r

t h a n

t h e

v a l u e o f

3 0 - 7 5

d e t e r m i n e d

b y

a

p o s i t r o n - e m i s s i o n

t o m o g r a p h y

s t u d y

u n d e r

a

s i m i l a r

s t i m u l u s

p a r a d i g m 7 . P o s i t r o n - e m i s s i o n

t o m o g r a p h y f u n c -

t i o n a l

a c t i v a t i o n

s t u d i e s

h a v e

b e e n r e c o n s t r u c t e d

t o

a n a v -

e r a g e

r e s o l u t i o n o f

b e t w e e n

0 . 5

a n d

2

c m .

S u c h

a

r e s o l u t i o n

n e c e s s a r i l y

i n c l u d e s c o n t r i b u t i o n s

f r o m

g r a y

a n d w h i t e m a t -

t e r .

O n e c o n s e q u e n c e

o f

t h i s r e s o l u t i o n

m ay

b e t o

d i m i n i s h

t h e

i n t e n s i t y o f

t h e

g r a y - m a t t e r s i g n a l .

I t

i s

i n t e r e s t i n g

t o n o t e

t h a t

a

s t i m u l u s - p r o d u c e d

i n c r e a s e

i n

b l o o d

v o l u m e w i t h

n o

c h a n g e

i n

b l o o d o x y g e n a t i o n e n h a n c e s

t h e

s u s c e p t i b i l i t y -

v i s u a l


1 1 0 -

1 0 5 -

T=8me

_

C l

0

c

a )

c

0)

i T

1 0 0 -

9 5 -

9 0 -

8 5 -

T E = 4 0

m s e c

6

1 0 2 0 3 0 4 0

5 0

I m a g e

N u m b e r

6 0 7 0

F I G . 3 .

R e d u c i n g

T E r e d u c e s

a m p l i t u d e

o f t h e v i s u a l

s t i m u l a t i o n -

i n d u c e d i n t r i n s i c

s i g n a l c h a n g e .

T h e

t i m e

c o u r s e

o f i n t r i n s i c

s i g n a l

c h a n g e s

o b s e r v e d

a t

a f i x e d

c a u d a l

p o s i t i o n

i n

p r i m a r y

v i s u a l c o r t e x

a r e s h o w n

f o r TE

=

4 0

m s a n d

T E

=

8

m s .

O t h e r

e x p e r i m e n t a l

c o n d i t i o n s

w e r e

a s

i n

F i g . 2 , e x c e p t

t h a t

p a t t e r n e d - f l a s h

v i s u a l


wa s

p r o v i d e d

b e t w e e n

i m a g e s

1 5 - 2 5 a n d 3 5 - 5 5 .

N e u r o b i o l o g y :

O g a w a

e t a l .


4/5

P r o c .

N a t l . A c a d . S c i .

USA 8 9

( 1 9 9 2 )

d i f f e r e n c e

e f f e c t

a n d w o u l d

b e e x p e c t e d t o

p r o d u c e a

d e -

c r e a s e

i n

t h e w a t e r

p r o t o n s i g n a l u n d e r t h e c o n d i t i o n s

u s e d

i n

t h e s e

e x p e r i m e n t s .

O u r o b s er v at i o n o f a n i n c r e a s e

i n s i g n a l

i n t e n s i t y

i n d i c a t e s

t h a t

v e n o u s - b l o o d o x y g e n a t i o n

h a s i n -

c r e a s e d t o s u c h a n e x t e n t

t h a t , d e s p i t e

t h e p r o b a b l e i n c r e a s e

i n

b l o o d

v o l u m e , t h e o v e r a l l

s u s c e p t i b i l i t y - d i f f e r e n c e e f f e c t i s

g r e a t l y

r e d u c e d .

T h e g o o d s p a t i a l

r e s o l u t i o n

o b s e r v e d i n t h e f u n c t i o n a l

b r a i n

m a p s i n F i g s . i c

a n d 2 c s u g g e s t e d t h e

f e a s i b i l i t y o f u s i n g

i n t r i n s i c

s i g n a l

c h a n g e s

t o map

w i t h i n a n i n d i v i d u a l

b r a i n

a r e a . T o

d e m o n s t r a t e t h i s c a p a b i l i t y we h a d s u b j e c t s

f i x a t e

o n

a n

LE D

w h i l e

a

r e v e r s i n g

r e d / g r e e n

c h e c k e r b o a r d

p a t t e r n

w a s

p r e s e n t i n e i t h e r t h e l e f t o r

t h e r i g h t v i s u a l

f i e l d . F i g . 4

s h o w s

t h a t

t h i s v i s u a l

s t i m u l u s

p r o d u c e d

a l a t e r a l i z e d

a c t i -

v a t i o n

i n m o r e r o s t r a l

a r e a s o f p r i m a r y

v i s u a l

c o r t e x . A

h i g h - r e s o l u t i o n

T i - w e i g h t e d i m a g e t a k e n

a l o n g a n o b l i q u e

s l i c e

p a r a l l e l t o t h e s u b j e c t ' s

c a l c a r i n e f i s s u r e i s

s h o w n

i n F i g .

4

U p p e r

L e f t ,

w h e r e t h e l e f t -

a n d

r i g h t - h a n d

s i d e s o f

t h e

s u b j e c t ' s

b r a i n a r e i n d i c a t e d . I n

t h e i m a g e ,

t h r e e

r e g i o n s o f

i n t e r e s t

a r e

o u t l i n e d

w i t h

b o x e s . O n e

p o s i t i o n

i s

l o c a t e d

i n t h e

c a u d a l

r e g i o n ,

n e a r t h e

o c c i p i t a l p o l e .

T h i s

r e g i o n

o f

p r i m a r y

v i s u a l c o r t e x i s

k n o w n

t o

r e s p o n d t o v i s u a l

i n p u t f r o m t h e

m a c u l a r

p o r t i o n o f t h e

r e t i n a

( 1 4 ) .

T h e

o t h e r

t w o b o x e s a r e

l o c a t e d m o r e

r o s t r a l , i n a r e a s

k n o w n

t o

r e s p o n d

t o v i s u a l


i n l e f t

a n d r i g h t

p e r i m a c u l a r

a n d

p e r i p h e r a l v i s u a l

s p a c e

( 1 4 ) .

T h e t i m e

c o u r s e

o f

s i g n a l

i n t e n s i t y

a t

t h e s e

t h r e e

r e g i o n s

o f

i n t e r e s t

a r e

s h o w n

b o t h

f o r

l e f t - f i e l d


( L

t r a c e s ) a n d

r i g h t - f i e l d s t i m u l a t i o n

( R t r a c e s ) .

T h e

b o x c o r r e -

s p o n d i n g t o

t h e

m a c u l a r r e g i o n o f t h e

r e t i n a

s h o w s a n

i n c r e a s e d

i n t e n s i t y f o r

b o t h L a n d

R

s t i m u l i , a s

e x p e c t e d ,

b e c a u s e

t h e s u b j e c t

f i x a t e d

o n a n

LED

f o r

b o t h L a n d

R

s t i m u l u s p a r a d i g m s .

I n

c o n t r a s t ,

t h e m o r e

r o s t r a l l y

p o s i -

t i o n e d

b o x

i n t h e l e f t

o c c i p i t a l

l o b e o n l y s h o w s

a

s i g n a l

i n c r e a s e

f o r

r i g h t - v i s u a l - f i e l d

s t i m u l a t i o n ,

w h e r e a s

a

s i m i l a r l y

l e f t

r i g h t

l o c a t e d

b o x

i n t h e

r i g h t o c c i p i t a l

l o b e

o n l y s h o w s

a

s i g n a l

i n c r e a s e f o r

l e f t - v i s u a l - f i e l d

s t i m u l a t i o n . T h e s e r e s u l t s

a r e

c o n s i s t e n t

w i t h

t h e

w e l l - k n o w n

h e m i f i e l d

l a t e r a l i z a t i o n

o f

p r i m a r y v i s u a l c o r t e x

a n d d e m o n s t r a t e

t h e u s e

o f i n t r i n s i c

s i g n a l c h a n g e s i n

r e f i n e d m a p p i n g

o f b r a i n r e g i o n s .

DISCUSSION

W e

h a v e


t h a t

s e n s o r y


p r o d u c e s

a n


c h a n g e

i n

g r a d i e n t - e c h o MRI

a t

h i g h - m a g n e t i c

f i e l d s

a n d

t h a t t h e

c h a n g e c a n b e f o l l o w e d i n t i m e .

S i t e s o f

t h e

o b s e r v e d

s i g n a l

c h a n g e

a r e

p r e d o m i n a n t l y a s s o c i a t e d w i t h

t h e

g r a y - m a t t e r

a r e a s

e a s i l y

o b s e r v e d i n


T 1 -

w e i g h t e d i m a g e s

a n d

c a n b e u s e d

t o

p r o d u c e

h i g h - s p a t i a l -

r e s o l u t i o n

f u n c t i o n a l

b r a i n

m a p s .

T h e

r e d u c t i o n o f t h e

s t i m u l u s - i n d u c e d

s i g n a l

c h a n g e

p r o -

d u c e d

b y

s h o r t e n i n g

t h e

i m a g e - a c q u i s i t i o n

T E

s h o w s t h a t t h e

o b s e r v e d

c h a n g e s

a r e c a u s e d

b y

a

c h a n g e

i n

7

( o r

T 2 .

W e

s u g g e s t

t h a t

t h e

7

c h a n g e s

a r e

c a u s e d

b y

a

s t i m u l u s - i n d u c e d

c h a n g e

i n

m a g n e t i c

s u s c e p t i b i l i t y t h a t

r e s u l t s f r o m a

r e d u c e d

c o n c e n t r a t i o n

o f t h e

p a r a m a g n e t i c

s p e c i e s

d e o x y h e m o g l o b i n

i n v e n o u s

b l o o d

( 1 - 3 ) .

T h i s

i n t e r p r e t a t i o n

i s

c o n s i s t e n t

w i t h

p o s i t r o n

e m i s s i o n

t o m o g r a p h y

e x p e r i m e n t s

t h a t s h o w

a

l a r g e

i n c r e a s e i n

r e g i o n a l c e r e b r a l

b l o o d f l o w

a n d

l i t t l e

i n c r e a s e i n

o x y g e n u t i l i z a t i o n

6 , 7 ,

t h u s

p r e d i c t i n g

a

l o c a l i z e d i n c r e a s e

i n

v e n o u s - b l o o d

o x y g e n a t i o n .

O u r h u m a n

i m a g in g e x p e r i m en t s

w e r e

m o t i v a t e d

b y

a

s t u d y o f B O L D

c o n t r a s t

i n

r o d e n t

b r a i n s .

B O L D

c o n t r a s t

w a s

f i r s t o b s e r v e d i n

h i g h - f i e l d

( 7 - T )

g r a d i e n t

e c h o i m a g e s o f

r o d e n t b r a i n s ( 1 ,

1 5 )

a s

d a r k

l i n e s

s u r r o u n d i n g

h i g h l y

d e o x -

y g e n a t e d

v e n o u s

b l o o d v e s s e l s .

I n

v i t r o

b l o o d

p h a n t o m

e x p e r i m e n t s a n d i ma g e

s i m u l a t i o n ( 2 )

h a v e

d e m o n s t r a t e d t h a t

B O L D c o n t r a s t

i n s h o r t

e c h o

t i m e s i s

p r i m a r i l y a

7

e f f e c t d u e

I> 0

\

\

;Jl\v

r

L

R

F I G .

4 .

L a t e r a l i z e d

s i g n a l -

i n t e n s i t y

c h a n g e s p r o d u c e d

b y

r i g h t - f i e l d o r

l e f t - f i e l d p h o t i c

s t i m -

u l a t i o n . ( U p p e r

L e f t )


i m a g e

o f

t h e b r a i n

t a k e n w i t h

t h e

i m a g e

s l i c e

p l a n e o r i e n t e d p a r a l l e l

t o t h e

c a l c a r i n e

f i s s u r e , a s i n

F i g .

2 a .

( U p p e r R i g h t a n d

L o w e r )

T i m e c o u r s e s o f


c h a n g e s

f o r r e g i o n s i n d i c a t e d

b y

t h e

t h r e e b o x e s

i n

U p p e r L e f t .

F o r

e a c h

b o x ,

t h e


c h a n g e p r o d u c e d

b y l e f t ( L )

a n d

r i g h t

( R )

v i s u a l f i e l d s a r e

s h o w n .

T h e

u p p e r b o x i s l o c a t e d

n e a r

t h e

a r e a o f v i s u a l

c o r t e x

c o r r e s p o n d -

i n g

t o

t h e m a c u l a r

r e g i o n o f

t h e

R

r e t i n a

a n d

r e s p o n d s

t o b o t h L

a n d

R s t i m u l a t i o n

p ar a d ig ms ( U p pe r

R i g h t ) .

T h e

m o r e

r o s t r a l l y

l o c a t e d

b o x e s s h o w

o n l y a

s i g n a l c h a n g e

w h e n

v i s u a l

s t i m u l a t i o n o c c u r s

i n

t h e

c o n t r a l a t e r a l

v i s u a l

h e m i f i e l d

( L o w e r ) .

L

R

.VN/.V

5 9 5 4

N e u r o b i o l o g y : O g a w a

e t

a l .


5/5

P r o c .

N a t l . A c a d .

S c i .

USA 8 9 ( 1 9 9 2 ) 5 9 5 5

t o

a m a g n e t i c - s u s c e p t i b i l i t y

v a r i a t i o n c a u s e d b y d e o x y h e m o -

g l o b i n , a n e n d o g e n o u s

p a r a m a g n e t i c c o n t r a s t a g e n t .

I t w a s p r e v i o u s l y

s h o w n b y

T h u l b o r n e t

a l .

( 1 6 ) t h a t

t h e T 2

r e l a x a t i o n o f b l o o d w a t e r d e p e n d s o n t h e d e g r e e

o f

o x y g e n -

a t i o n o f t h e b l o o d , a n d t h e m a g n e t i c - s u s c e p t i b i l i t y

e f f e c t

i n d u c e d

b y

e r y t h r o c y t e s c o n t a i n i n g

d e o x y h e m o g l o b i n

w a s


f o r t h e T 2

r a t e

c h a n g e . T h e c o n s e q u e n c e

f o r MRI

o f t h e s e T 2 c h a r a c t e r i s t i c s

o f b l o o d w a t e r

h a s

b e e n

r e v i e w e d

b y B r o o k s a n d D i C h i r o

( 1 7 ) .

C o m p a r e d

t o t h e s e T 2

e f f e c t s

o n

b l o o d

w a t e r ,

B O L D

c o n t r a s t

i n

g r a d i e n t

e c h o i m a g e s

h a s

a n

i m p o r t a n t a d d i t i o n a l

f e a t u r e .

P a r t

o f t h e

c o n t r i b u t i o n t o

B O L D c o n t r a s t

c o m e s

f r o m t i s s u e

w a t e r

a r o u n d

t h e b l o o d

v e s s e l

a n d

l e s s

f r o m b l o o d w a t e r i t s e l f . T h i s s i t u a t i o n i s

b e c a u s e

t h e f i e l d d i s t o r t i o n t h a t p r o d u c e s t h e

i m a g e c h a n g e

e x t e n d s t o t h e a r e a a r o u n d t h e

b l o o d

v e s s e l a t

d i s t a n c e s t w i c e

o r m o r e t h e

r a d i u s

o f

t h e

v e s s e l .

T h e r e f o r e , t h e r e i s a n

a m p l i f i c a t i o n

i n

t e r m s o f t h e

n u m b e r

o f

w a t e r m o l e c u l e s

c o n t r i b u t i n g

t o

t h e

i m a g e c o n t r a s t . B l o o d w a t e r

i n m i n o r

v e s s e l s i s

v e r y

d i f f i c u l t t o i m a g e

i n

b r a i n t i s s u e b e c a u s e o f

t h e

s m a l l

f r a c t i o n a l

b l o o d

v o l u m e a n d

t h e

l i m i t e d i m a g e r e s o l u -

t i o n .

T h a t

B O L D

c o n t r a s t c o u l d

b e

u s e d t o

m e a s u r e i n v i v o

c h a n g e s

i n

h e m o d y n a m i c s

w a s

d e m o n s t r a t e d i n

r a t - b r a i n

i ma g in g e x p er i m en t s

3 , w h e r e

p h a r m a c o l o g i c a l l y

i n d u c e d

c h a n g e s

i n

c e r e b r a l

b l o o d f l o w a n d o x y g e n

u t i l i z a t i o n

p r o -

d u c e d

m e as u r a b l e c h a n ge s

i n B O L D

c o n t r a s t

i n

t h e

c e r e b r a l

c o r t e x . T u r n e r e t a l . ( 4 )

r e c e n t l y

s h o w e d

t h a t

t r a n s i e n t a n o x i c

c o n d i t i o n s

p r o d u c e d

a

l a r g e t e m p o r a r y d e c r e a s e

i n

i n t r i n s i c

i m a g e s i g n a l s

a t 2 - T

f i e l d ,

u s i n g e c ho - p l a n n e r i m ag i n g

t e c h -

n i q u e .

A q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f

B O L D

i m a g e s i g n a l c h a n g e s

h a s

r e c e n t l y

b e e n m a d e , i n c l u d i n g t h o s e o b s e r v e d u n d e r

c o n d i t i o n s w h e r e v e n o u s b l o o d

v e s s e l s

a r e

n o t

w e l l r e s o l v e d ,

a

c o n d i t i o n a p p r o p r i a t e

f o r h u m a n - b r a i n e x p e r i m e n t s ( S . O . ,

T . M .

L e e ,

a n d

B . B a r e r r e ; u n p u b l i s h e d w o r k ) .

T h e m e a -

s u r e m e n t s we r e p o r t

h e r e

o f

c h a n g e s

i n h u m a n

v i s u a l

c o r t e x

s i g n a l

i n t e n s i t y p r o d u c e d b y v i s u a l s t i m u l a t i o n

a r e ,

i n g e n -

e r a l ,

c o n s i s t e n t

w i t h t h e

p r e d i c t i o n s m a d e i n

t h i s

e a r l i e r

w o r k

o n B O L D c o n t r a s t .

T h e m e t h o d we


h e r e

i s

t o t a l l y

n o n i n v a s i v e

a n d

b a s e d

o n

p h y s i o l o g y - d e p e n d e n t


c h a n g e s

t o p r o v i d e

w e l l - r e s o l v e d f u n c t i o n a l

b r a i n

m a p s .

I t i s a

p r a c -

t i c a l i m p r o v e m e n t

o v e r d y n a m i c s u s c e p t i b i l i t y - c o n t r a s t

i m -

a g i n g

o f

n e u r a l l y

i n d u c e d

c h a n g e s

i n

c e r e b r a l

b l o o d v o l u m e

u s i n g e c h o - p l a n a r t e c h n i q u e s t o g e t h e r

w i t h

b o l u s i n j e c t i o n s

o f

e x o g e n o u s

c o n t r a s t

a g e n t s

( 1 8 ) .

A l t h o u g h

t h e

l a t t e r i m a g -

i n g

m e t h o d

c l e a r l y d e m o n s t r a t e d

t h e p r o m i s e

o f MRI m e t h -

o d s

i n f u n c t i o n a l

m a p p i n g ,

t h e

u s e o f

e x o g e n o u s

c o n t r a s t

a g e n t s

l i m i t s

i t s

p r a c t i c a l

u t i l i t y b e c a u s e o n l y

a l i m i t e d

n u m b e r o f s c a n s c a n

b e d o n e o n

a n

i n d i v i d u a l . B e c a u s e o u r

m e t h o d

u s e s i n t r i n s i c s i g n a l s ,

r e p e t i t i v e m e a s u r e m e n t s

c a n

b e t a k e n o n

a

s i n g l e

s u b j e c t .

I t

i s

i n c r e a s i n g l y

e v i d e n t t h a t t h e

m a p p i n g

o f h u m a n m e n t a l o p e r a t i o n s may r e q u i r e m a n y

s c a n s

o n

a

s i n g l e

i n d i v i d u a l b e c a u s e o f a n

i n t r a - s u b j e c t

v a r i a b i l i t y i n l o c a t i o n

o f

d i s c r e t e

b r a i n a r e a s

t h a t

c a n n o t

b e

c o m p e n s a t e d

f o r

w i t h

a

s t a n d a r d i z e d c o o r d i n a t e s y s t e m .

A n o t h e r a d v a n t a g e

o f

t h e

i n t r i n s i c

s i g n a l - c h a n g e

m e t h o d

i s

t h a t

t e m p o r a l

i n f o r m a t i o n

a b o u t

t h e

o n s e t

a n d

o f f s e t

o f

t h e

c h a n g e

i n

h e m o d y n a m i c s

i s

o b t a i n e d .

D y n a m i c

s u s c e p t i b i l -

i t y - c o n t r a s t i m a g i n g

c a n n o t

p r o v i d e

t h i s

t e m p o r a l

i n f o r m a -

t i o n .

I n

s o m e

o f

o u r


t h e

i n c r e a s e d


p r o d u c e d b y

v i s u a l


w a s

a c c o mp a n i e d b y

a n

u n d e r s h o o t i n t h e


i n t h e

r e c o v e r y p e r i o d

i m m e d i a t e l y

a f t e r

s t i m u l u s t e r m i n a t i o n . F o r

e x a m p l e ,

t h i s

u n d e r s h o o t

i s

p r o m i n e n t

i n

t h e TE

=

4 0 - m s


t i m e

c o u r s e

s h o w n

i n

F i g .

3 .

W e

d o

n o t u n d e r s t a n d

t h e

o r i g i n

o f t h i s

e f f e c t ,

b u t a s i m i l a r

p h e n o m e n o n

h a s

b e e n

r e p o r t e d

i n

o x y g e n - e l e c t r o d e

m e a s u r e m e n t s

o f t i s s u e

o x y g e n

l e v e l

i n

h u m a n

v i s u a l c o r t e x

5 .

T h e MR I f u n c t i o n a l

m a p p i n g

m e t h o d d e s c r i b e d

i s b a s e d

o n

i n t r i n s i c

s i g n a l

c h a n g e s

t h a t r i s e

a n d

d e c a y

o n

t h e

s e c o n d s

t i m e

s c a l e .

I n

t h e

p r e s e n t s t u d y ,

we u s e d

a

F I S P

i m a g e -

a c q u i s i t i o n p u l s e s e q u e n c e .

T h e

s e q u e n c e

c a n

b e r u n w i t h

a

s h i e l d e d

g r a d i e n t

c o i l

s y s t e m

w i t h o u t

p a r t i c u l a r l y

s t r o n g

g r a d i e n t s t r e n g t h

t o

a c q u i r e i m a g e s ,

b u t t h e

s i n g l e - s c a n

i m a g i n g

t i m e

w a s d i c t a t e d

e s s e n t i a l l y b y

TE

a n d

t h e

n u m b e r

o f

s t e p s

r e q u i r e d

f o r t h e

i m a g e

r e s o l u t i o n .

E c h o - p l a n a r

i m a g i n g

m e t h o d s

( 1 9 )

c o u l d

p r o v i d e

a m u c h

s h o r t e r

i m a g i n g

t i m e f o r

a

s i n g l e

s c a n .

F o r

7 2 - d e p e n d e n t

i m a g i n g ,

h o w e v e r ,

t h e r e

i s

a

l i m i t

i n t h e

l e n g t h

o f t h e e c h o

t r a i n , e s p e c i a l l y

i n

h i g h - m a g n e t i c

f i e l d ,

w h i c h ,

i n

t u r n ,

l i m i t s

t h e

i m a g e

r e s o l u -

t i o n .

A l t h o u g h

f u r t h e r

t e c h n i c a l

d e v e l o p m e n t

may

b e

r e -

q u i r e d ,

i t s h o u l d

b e

p o s s i b l e

t o f o l l o w

s p a t i a l c h a n g e s

i n

b l o o d


t h a t

may

o c c u r

on

t h e

s u b - s e c o n d

t i m e

s c a l e ,

a l t h o u g h

t h i s m e a s u r e m e n t

w i l l

n e c e s s a r i l y r e q u i r e

some

s a c r i f i c e

o f

s p a t i a l

r e s o l u t i o n

a n d

s i g n a l - t o - n o i s e

r a t i o .

W e

t h a n k

M .

R a i c h l e

f o r

e n c o u r a g e m e n t

a n d

g u i d a n c e

i n

t h e

p u r s u i t

o f

t h e s e

s t u d i e s .

T h i s

w o r k

wa s

s u p p o r t e d

b y AT T

B e l l

L a b o r a t o r i e s ,

N a t i o n a l

I n s t i t u t e s o f H e a l t h G r a n t s

H L 3 3 6 0 0

a n d

H L 3 2 4 2 7

( t o K . U . ) ,

a n d

a

f e l l o w s h i p

f r o m

t h e A l b e r t a

H e r i t a g e

F o u n d a t i o n

f o r M ed i c a l R e s e a r c h

( t o R . M . ) .

1 .

O g a w a ,

S . ,

L e e ,

T .

M . , N a y a k ,

A .

S .

G l y n n ,

P .

( 1 9 9 0 )

M a g n .

R e s o n .

M e d .

1 4 ,

6 8 - 7 8 .

2 .

O g a w a ,

S .

L e e ,

T . M .

( 1 9 9 0 )

M a g n .

R e s o n . M e d .

1 6 ,

9 - 1 8 .

3 .

O g a w a ,

S . ,

L e e ,

T .

M . , K a y ,

A .

R .

T a n k ,

D . W.

( 1 9 9 0 )

P r o c .

N a i l . A c a d . S c i . USA

8 7 ,

9 8 6 8 - 9 8 7 2 .

4 .

T u r n e r , R . ,

L e

B i h a n ,

D . , M o o n e ,

C .

T . , D e s p r e s ,

D .

F r a n k ,

J .

( 1 9 9 1 )

M a g n .

R e s o n .

M e d .

2 2 ,

1 5 9 - 1 6 6 .

5 .

C o o p e r ,

R . ,

P a p a k o s t o p o u l o s ,

D .

C r o w ,

H . J .

( 1 9 7 5 )

R a p i d

C h a n g e s o f

C o r t i c a l

O x y g e n

A s s o c i a t e d

w i t h M o t o r a n d

C o g -

n i t i v e F u n c t i o n

i n Ma n

( C h u r c h i l l L i v i n g s t o n e ,

A v i e m o r e ,

S c o t l a n d ) , p p .

1 - 1 4 . 8 - 1 4 . 9 .

6 .

F o x ,

P .

T .

R a i c h l e ,

M.

E .

( 1 9 8 6 )

P r o c .

N a t l .

A c a d .

S c i .

USA

8 3 ,

1 1 4 0 - 1 1 4 4 .

7 .

F o x ,

P .

T . , R a i c h l e ,

M .

E . , M i n t u n ,

M.

A .

D e n c e ,

C .

( 1 9 8 8 )

S c i e n c e

2 4 1 ,

4 6 2 - 4 6 4 .

8 .

F r o s t i g ,

R .

D . ,

L i e k e ,

E .

E . , T s ' o ,

D .

Y .

G r i n v a l d ,

A .

( 1 9 9 0 )

P r o c . N a i l . A c a d . S c i .

US A

8 7 ,

6 0 8 2 - 6 0 8 6 .

9 .

O p p e l t , A . ,

G r a u m a n n ,

R . ,

B a r f u s s , H . ,

F i s h c h e r , H . , H a r t l ,

W.

S c h a j o r ,

W.

( 1 9 8 6 )

E l e c t o m e d i c a

5 4 ,

1 5 - 1 8 .

1 0 .

K o e n i g ,

S .

H . ,

B r o w n ,

R .

D . , I I I ,

S p i l l e r ,

M .

L u n d b o m ,

N .

( 1 9 9 0 )

M a g n .

R e s o n . M e d .

1 4 ,

4 8 2 - 4 9 5 .

1 1 .

M e n o n ,

R . S .

A l l e n ,

P .

S .

( 1 9 9 1 ) M a g n .

R e s o n . M e d .

2 0 ,

2 1 4 - 2 2 7 .

1 2 .

S i n g e r ,

J . R .

( 1 9 5 9 )

S c i e n c e

1 3 0 ,

1 6 3 2 - 1 6 3 3 .

1 3 .

F i s e l ,

C .

R . , A c k e r m a n ,

J .

L . , B u x t o n ,

R .

B . ,

G a r r i d o ,

L . ,

B e l l i v e a u ,

J .

W . ,

R o s e n ,

B . R .

B r a d y ,

T . J .

( 1 9 9 1 )

M a g n .

R e s o n . M e d .

1 7 ,

3 3 6 - 3 4 7 .

1 4 .

M a r t i n ,

J . H .

( 1 9 8 9 ) N e u r o a n a t o m y :

T e x t a n d

A t l a s

E l s e v i e r ,

New

Y o r k ) .

1 5 .

O g a w a ,

S . ,

L e e ,

T .

M . ,

K a y ,

A . R .

T a n k ,

D .

W.

( 1 9 8 9 )

S o c .

N e u r o s c i .

A n n u . M e et .

1 9 ,

3 4 3 . 1 3

a b s t r . .

1 6 .

T h u l b o r n ,

K .

R . ,

W a t e r t o n ,

J .

C . ,

M a t h e w s ,

P .

M .

R a d d a ,

G .

K .

( 1 9 8 2 )

B i o c h i m .

B i o p h y s .

A c t a

7 1 4 ,

2 6 5 - 2 7 0 .

1 7 .

B r o o k s ,

R .

A .

D i

C h i r o ,

G .

( 1 9 8 7 )

M e d .

P h y s .

1 4 ,

9 0 3 - 9 1 3 .

1 8 .

B e l l i v e a u ,

J .

W . , K e n n e d y ,

D .

N . , M c K i n s t r y ,

R .

C . ,

B u c h -

b i n d e r ,

B .

R . , W e i s s k o f f ,

R .

M . ,

C o h e n ,

M.

S . ,

V e v e a ,

J .

M . ,

B r a d y ,

T . J .

R o s e n ,

B . R .

( 1 9 9 1 )

S c i e n c e

2 5 4 ,

7 1 6 - 7 1 9 .

1 9 .

S t e h l i n g ,

M .

K . , T u r n e r ,

R .

M a n s f i e l d ,

P .

( 1 9 9 1 )

S c i e n c e

2 5 4 ,

4 3 - 4 9 .

N e u r o b i o l o g y : O g a w a

e t

a l .

Intrinsic Signal Changes Accompanying Sensory Stimulation- Functional Brain Mapping With Magnetic...

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