title: Retinotopic mapping
Creators: name: Hummer, Allan
Publisher: name: TU Wien
Year: 2013

description: Während der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelte sich die Magnetresonanztomographie (MRT) zu einem der wichtigsten Werkzeuge der klinischen Diagnostik und wird nun in Krankenhäusern weltweit routinemäßigig angewandt. Die Entdeckung des "blood oxygen level dependent" (BOLD) Kontrastes in den 1990ern ermöglichte neben anatomischen Untersuchungen unseres kompliziertesten Organes, des Gehirns, auch funktionelle Analysen während der Ausführung bestimmter Aufgaben. Der Okzipitallappen, im Speziellen der visuelle Kortex, stellt das Hauptziel visueller Signale und damit das visuelle Verarbeitungszentrum dar. Jedoch wird nicht der ganze visuelle Kortex benötigt um ein bestimmtes visuelles Signal zu verarbeiten. Die Regionen im primären visuellen Kortex sind für die Verarbeitung bestimmter visueller Signale verantwortlich basierend auf der Gesichtsfeldhälfte, der Art der Ganglienzelle und der Position der Ganglienzelle in der Retina, in der das Signal seinen Ursprung hat. Auf dieser sogenannten "Retinotopie", welche die Beziehung zwischen der räumlichen Ganglienzellenposition in der Retina und der Lage der entsprechenden Neuronen im visuellen Kortex beschreibt, liegt der Fokus dieser Masterarbeit. Für jedes Voxel im visuellen Kortex gibt es eine entsprechende Region im Gesichtsfeld. Umgekehrt wird jeder Ort im Gesichtsfeld auf eine bestimmte Region im visuellen Kortex abgebildet. Dies kann grafisch als "retinotopische Karte" dargestellt werden. Um eine solche Karte zu erhalten, wurde eine "traveling wave" Analyse basierend auf rotierendem Keil und sich vergrößerenden Ring-Stimuli aufgesetzt. Diese periodischen Stimuli wurden durch zwei sinusförmige Regressoren modeliert. Nachdem die Methode mittels künstlich erzeugter Daten überprüft wurde, wurde sie auf gemessene Daten angewandt. Durch Überlagerung auf eine abgeflachte Darstellung der grauen Substanz konnten die Erbnisse visualisiert werden. Die Retinotopie kann auf dieser Oberfläche durch benachbarte Halbkreise für den vergrößernden Ring Stimulus und durch Keile für den rotierenden Keil Stimulus beobachtet werden. Mit Hilfe beider Stimuli kann also ein beliebiger Punkt des Gesichtsfeldes durch Polarkoordinaten beschrieben werden. Um genauere retinotopische Karten zu schaffen wurden zusätzliche Messungen vorgenommen und mit Hilfe einer erst kürzlich vorgestellten Methode namens "population receptive field (pRF) mapping" ausgewertet. Die funktionellen Daten wurden mittels einer sogenannten "multiband EPI" Sequenz aufgenommen, die durch die gleichzeitige Anregung mehrerer Schichten verglichen mit Standardsequenzen weitaus höhere Auflösungen ermöglichte. Neben den regulären Stimuli wurden auch zentrale und periphere Gesichtsfeldausfälle simuliert. Die pRF Analyse zeigte, dass der okzipitale Pol auf visuelle Stimuli, welche im Gesichtsfeldzentrum präsentiert werden, reagiert. Regionen welche sich anterior davon befinden, reagieren hingegen auf periphere Stimuli. Bei den simulierten lokalen Gesichtsfeldausfällen wurde genau bei jenen Voxeln keine funktionelle Aktivierung festgestellt, welche zuvor durch eine reguläre Stimulation eben diesen Gesichtsfeldregionen zugeordnet wurden. Die Erzeugung von exakten retinotopischen Karten könnte zum besseren Verständnis von Krankheiten dienen, welche fokale Gesichtsfeldausfälle verursachen. Beispiele dafür sind die altersbedinge Makuladegeneration und das Glaukom, auch grüner Star genannt.
description: In the second half of the 20th century magnetic resonance imaging (MRI) evolved to one of the most important tools in clinical diagnostics and is now used in hospitals around the world as an indispensable tool on a daily basis. The discovery of the "blood oxygen level dependent" (BOLD) contrast in the 1990s made it possible to not only analyze the structure of our most complex organ, the brain, but also its function during given tasks. One of the regions best examined by functional MRI (fMRI) is the occipital lobe, in particular the visual cortex, which is the main target for visual signals and the center of visual processing. Not all of the visual cortex is engaged with processing every visual signal. The regions of the primary visual cortex are responsible for processing visual signals depending on factors like visual hemifield, class of ganglion cell and spatial position of the ganglion cell within the retina. The so-called "retinotopic organization", which describes the relation between the ganglion cells spatial position in the retina and the location of corresponding neurons in the visual cortex is the main focus of this master thesis. For each voxel in the visual cortex there is a corresponding region of the visual field. On the other hand every location in visual space is mapped onto a specific location of the visual cortex. This results in a "retinotopic map". To produce such a map a traveling wave analysis approach using rotating wedge and expanding ring stimuli was applied. This periodic stimuli were then estimated with two sinusoidal regressors. After validating the method using artificial data, it was applied on real data. The results are visualized using a flattened gray matter surface. The retinotopy of the visual cortex can be seen in the form of adjacent semicircles for the expanding ring stimulus and wedges for the rotating wedge stimulus on this surfaces. With the help of both stimuli we can therefore assign an arbitrary visual field region using polar coordinates. In order to perform more accurate retinotopic mapping additional data has been recorded and evaluated using a recently proposed method for "population receptive field (pRF) mapping". Functional data was obtained using a "multiband EPI" sequence, which employs simultaneous excitation of several slices to enable higher resolution when compared to conventional sequences. Simulated localized central and peripheral vision loss were also part of this experiment. The pRF analysis showed that the occipital pole corresponds to visual stimuli presented at the center of the visual field, while anterior regions correspond to stimulation of more peripheral regions. Additionally, localized vision loss indeed causes a loss of activation in the voxels which were associated with the affected visual field locations by the full stimulation experiment. Accurate pRF mapping which is achieved using this technique could be of particular importance for gaining a better understanding for diseases which result in localized loss of vision. Examples are age-related macular degeneration (AMD) and glaucoma.