Stimulus selection in functional magnetic resonance imaging based retinotopic mapping

Abstract

In den vergangen 30 Jahren erönete die Technik der Blutoxigenierungsabhängigen funktionellen Magnetresonanztomographie (BOLD-fMRT) die Möglichkeit zur nichtinvasiven Abbildung menschlicher Hirnaktivität. Dieser Eekt basiert auf einer Suszeptibilitätsänderung zwischen oxigeniertem und desoxigeniertem Blut. Bei einem typischen fMRT Experiment werden dem Probanden Stimuli während der Datenaufnahme präsentiert, um gezielt Hirnaktivität auszulösen. Diese Aktivität kann, verzögert durch die hämodynamischeAntwortfunktion, aus denfMRTDaten extrahiertwerden. Ultra-hohe Magnetfeldstärken (7T und darüber) ermöglichen aufgrund einer Steigerung der Sensitivität Hirnaktivierungskarten mit Auösungen im sub-Millimeter Bereich. Bei der Auswertung mittels population receptive eld (pRF) mapping wird eine Karte erstellt, welche jedem Punkt auf dem Kortex eindeutig einen Bereich im visuellen Feld zuordnet. Um das zu erreichen, werden bei der Messung ackernde Schachbrettmuster gezeigt, die sich in bestimmten Kongurationen durch das Gesichtsfeld bewegen. Die beiden meist genutzten Stimuli sind einerseits rotierende Kreissegmente, kombiniert mit sich erweiternden bzw. verengenden Ringen, und andererseits Balken,welche in verschiedenen Richtungen durch das Gesichtsfeld wandern. Obwohl die pRF Methode seit bereits über einem Jahrzehnt angewandt wird, gibt es bis heute keinen Konsens, welche Stimulusvariante zu optimalen Ergebnissen führt. Es werden die beiden konventionellen Stimuli anhand von Daten von 10 jungen, gesunden Versuchspersonen verglichen, welche an einem 7T Retinotopie-Experiment teilgenommen haben. Mit Hilfe der pRF Analyse werden Exzentrizitäts- und Polarwinkel- Karten erstellt, umauf die personenspezifsche Abdeckung des visuellen Blickfeldes rückzuschließen. Es wird gezeigt, dass dieWahl des Stimulus beträchtlichen Einuss auf das Ergebnis der pRF Analyse hat.Weiters wird eine neue Art der Kombination der verschiedenen Stimuli vorgestellt, die die Vorteile beider Varianten bündelt. ii

For the last 30 years, blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD-fMRI) has allowed for non-invasive assessment of human brain activity. BOLD-fMRI is based on magnetic susceptibility dierences between deoxygenated and oxygenated haemoglobin. In a typical fMRI experiment, series of fast MR images are acquired while stimuli are presented or applied. Sensitivity benets at ultrahigh elds (7 Tesla and above) enable spatial resolutions in the sub-millimetre range. The haemodynamic response function (HRF) describes the change of fMRI signals, which can be associated with neural activity and is used for the analysis of the acquired fMRI time series. Population receptive eld (pRF) mapping is a specic variant of retinotopic mapping, which uses fMRI to assign areas within the primary visual cortex to specic stimulated regions in the visual eld. These subject-specic mappingsare typically based on stimuli where dierently shaped ickering checkerboardsmove across the visual eld. WhilepRF mapping experiments have now been carried out for over a decade, there is no consensus on the optimum visual stimuli to be used. The two most commonly used stimuli in stateof- the-art pRF mapping are based on the original publications introducing retinotopic and pRF mapping: the classic "wedges and rings" stimulus by S.A. Engel [1], and the "travelling bar" stimulus by S. O. Dumoulin and B. A.Wandell [2]. In this thesis, these two stimuli variants were compared using 7T fMRI experiments in 10 young, healthy subjects. Data were subjected to pRF-mapping analysis in order to obtain eccentricity and polar angle maps for the reconstruction of visual coverage maps. Here we show that the choice of the visual stimulus variant has substantial eects on the outcome of pRF analysis. In order to further improve the results and prot from the advantages of both stimuli, a novel combination method is introduced and tested.