Selective photoreceptor stimulation via silent substitution for rod and cone specific pRF mapping

Abstract

Blutoxigenierungsabhängige funktionelle Magnetresonanztomographie (BOLD fMRT) ist eine nichtinvasive Methode zur Untersuchung der menschlichen Gehirnaktivität. Sie basiert auf den unterschiedlichen magnetischen Suszeptibilitäten von sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Hämoglobin. Während der Datenaufnahme wird den Teilnehmern ein Stimulus gezeigt, die Art des Stimulus hängt dabei von der zu untersuchenden Region ab. Eine, auf fMRT basierende, Methode zur Untersuchung der retinotopischen Organisation des menschlichen visuellen Systems nennt sich population receptive field (pRF) mapping. Sie ermöglicht die Zuordnung von Regionen des Gesichtsfeldes zu den entsprechenden Regionen des primären visuellen Kortex. Typischerweise verwendete Stimuli sind entweder eine Kombination aus Kreissegmenten und Ringen oder balkenförmige Stimuli, beide zeigen ein Schachbrettmuster mit hohem Kontrast.In typischen pRF-Experimenten werden alle Arten von Photorezeptoren auf der Netzhaut, Stäbchen und Zapfen, aktiviert. Dies liegt daran, dass sich die Lichtspektren, bei denen die Rezeptoren angeregt werden, überlappen. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es pRF mapping durchzuführen, mit einem Stimulus Design, dass darauf zu geschneidert ist die Aktivität von entweder Stäbchen oder Zapfen zu begünstigen. Um dies zu erreichen, wurde der ”Silent Substitution” Ansatz verwendet. Er basiert auf der Tatsache, dass jede Photorezeptor Unterart ein spezifisches Empfindlichkeitsprofil für verschiedene Wellenlängen aufweist. Durch die Verwendung von Stimului mit speziell gewählten Farb- und Intensitätseigenschaften können individuelle Photorezeptor Unterarten einzeln angeregt werden.Um Stäbchen oder Zapfen einzeln anzuregen, wurde zwei Stimuli erzeugt. Aufgrund der Eigenschaften des Videoprojektors, war es nur möglich maximal zwei Arten von Photorezeptoren stillzulegen. Beim stäbchen-selektiven Stimulus wurden L- und M-Zapfen stillgelegt und beim zapfen-selektiven Stimulus wurden Zapfen stillgelegt. Besonderes Augenmerk wurde auch auf die Lichtverhältnisse während der Messung gelegt. Die Messungen wurden mit einem 3T SIEMENS Prisma Fit Scanner an sieben gesunden Probanden durchgeführt. Im Zuge der ersten Messungen wurde fünf Teilnehmern der stäbchen-selektive Stimulus bei niedrigen und sehr niedrigen Lichtverhältnissen und der zapfen-selektive Stimulus bei hellen Lichtverhältnissen präsentiert. Da Zapfen bei niedrigen Lichtverhältnissen kaum angeregt werden und Stäbchen bei hellen Lichtverhältnissen gesättigt sind, wurden unterschiedliche Lichtverhältnisse verwendet um, zusätzlich zum Design der Stimuli, die maximale Reaktion des gewollten Photorezeptors sicherzustellen.Drei funktionale Messungen wurden durchgeführt. Pro Helligkeitslevel: ein Durchgang mit einem Stimulus, der das gesamte Gesichtsfeld stimuliert und zwei Durchgänge mit einem balkenförmigen Stimulus. Im Zuge einer zweiten Studie wurde drei Teilnehmern die gleichen Stimuli gezeigt, aber mit umgekehrten Lichtverhältnissen. Der zapfen-selektive Stimulus wurde bei schwachen und sehr schwachen Lichtverhältnissen präsentiert und der stäbchen-selektive bei hellen Lichtverhältnissen. Die erfassten Daten wurden verarbeitet und analysiert um Aktivitätskarten vom visuellen Kortex zu berechnen. Diese wurde verwendet um Grafiken der Verteilung der aktiven Voxel über die Exzentrizität zu erstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass, für den zapfen-selektiven und den stäbchen-selektiven Stimulus bei voller Helligkeit, die Verteilung der aktiven Voxel mit der Verteilung der Zapfen auf der Retina übereinstimmt. Im Falle des stäbchen-selektiven Stimulus kommt die Aktivität durch die Aktivierung der S-cones zustande. Für den stäbchenselektiven Stimulus bei schwachen Lichtverhältnissen stimmt die Verteilung der aktiven Voxel mit der Verteilung der Stäbchen überein, was auf die Aktivierung von vorwiegend Stäbchen hindeutet. Der zapfen-selektive Stimulus bei schwachen Lichtverhältnissen resultierte auch in einer Verteilung der Voxel, die mit der Verteilung der Stäbchen übereinstimmt. Das deutet darauf hin, dass dieser Stimulus Stäbchen nicht vollständig stilllegen konnte.Zusammenfassend wird diese Diplomarbeit zeigen, dass wir in der Lage waren individuelle Photorezeptoren Unterarten selektiv anzuregen, indem wir Silent Substitution mit Messbedingungen kombiniert haben, die auf die Eigenschaften des betreffenden Photorezeptors angepasst wurden.

Blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI) is a non-invasive technique used to study human brain activity. It exploits the different magnetic susceptibilities of oxygenated and deoxygenated hemoglobin. During image acquisition participants are shown a stimulus, the type of which, depends on the brain region of interest.The fMRI-based technique used to investigate the retinotopic organisation of the human visual system, is called population receptive field (pRF) mapping. It allows the mapping of areas in the visual field to their corresponding regions of the primary visual cortex. Typically used stimuli include a combination of wedges and rings or bar stimuli, both revealing a high-contrast checkerboard pattern. In typical pRF experiments both types of photoreceptors of the retina, rods and cones, are activated, due to the overlapping spectral sensitivity of the individual photoreceptors. The goal of this thesis is to perform pRF mapping, with tailored stimulus designs that favour activity in either rods or cones. To achieve this, the ”silent substitution” approach was used. It is based on the fact that each photoreceptor subtype has a specific sensitivity profile across different wavelengths. By using stimuli with specifically designed colour and intensity properties, individual photoreceptor subtypes can be activated separately.To activate rods or cones individually, two stimuli were generated. Due to the properties of the video projector, it was only possible to silence a maximum of two photoreceptor types per stimulus. The rod-selective stimulus silenced L- and Mcones and the cone-selective stimulus silenced rods. Special consideration was also taken in regards to the light conditions during the experiments. Measurements were obtained in seven healthy subjects using a 3T SIEMENS Prisma Fit scanner. For the first set of measurements, five participants were presented with the rod-selective stimulus at low and very-low luminance levels and the cone-selective stimulus at high luminance levels. As cones are hardly activated at low luminance levels and rods are saturated at high luminance levels, different light levels were used, in addition to the stimulus design, to ensure maximum response in the photoreceptor of interest. Three functional runs were recorded. At each luminance level: one run with full-field stimulation and two runs with bar-shaped stimuli. In a second study, three participants were shown the same stimuli as in the first study but the light conditions were switched. The cone-selective stimulus was shown at low and verylow luminance levels while the rod-selective stimulus was shown at full brightness. The acquired data was preprocessed and analysed to calculate visual field maps. From them, plots of the distribution of the activated voxels over eccentricity were generated.The results show a distribution of activated voxels that matches the distribution of cones on the retina for the cone-selective and rod-selective stimulus at high luminance levels. For the rod-selective stimulus the response is due to the activation of the S-cone. For the rod-selective stimulus at low luminance levels the distribution of activated voxels matches the distribution of rods, indicating the activation of predominantly rods. This was ensured by the stimulus design in combination with the low luminance levels, that ensured no additional activation of S-cones. The coneselective stimulus at low luminance levels also resulted in a voxel distribution that matches the distribution of rods on the retina, indicating that the stimulus could not fully silence rod photoreceptors.In summary, it is shown in this thesis that we were able to selectively activate individual photoreceptor subtypes by combining silent substitution with measurement conditions, that were adjusted to match the properties of the photoreceptor of interest.