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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
s t i m u l a t i o n
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 .
7/25/2019 Intrinsic Signal Changes Accompanying Sensory Stimulation- Functional Brain Mapping With Magnetic Resonance I
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 -
s t i m u l a t i o n
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
c o r r e s p o n d i n g
T i - w e i g h t e d
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
s t i m u l a t i o n
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
s t i m u l a t i o n
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
s i g n a l - i n t e n s i t y
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
7/25/2019 Intrinsic Signal Changes Accompanying Sensory Stimulation- Functional Brain Mapping With Magnetic Resonance I
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
s t i m u l a t i o n
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
T i - w e i g h t e d
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
s i g n a l i n t e n s i t y
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
s i g n a l - i n t e n s i t y
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
s t i m u l a t i o n
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
s t i m u l a t i 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
s t i m u l a t i o n
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
e x p e r i m e n t s ,
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
r e s p o n s i b l e
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
o x y g e n a t i o n
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
s t i m u l a t i o n
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
s t i m u l a t i o n
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 .
7/25/2019 Intrinsic Signal Changes Accompanying Sensory Stimulation- Functional Brain Mapping With Magnetic Resonance I
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
s t i m u l a t i o n
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
s t i m u l a t i o n
( 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
d e m o n s t r a t e d
t h a t
s e n s o r y
s t i m u l a t i o n
p r o d u c e s
a n
i n t r i n s i c s i g n a l
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
c o r r e s p o n d i n g
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 )
T i - w e i g h t e d
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
s i g n a l - i n t e n s i t y
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
s i g n a l - i n t e n s i t y
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 .
7/25/2019 Intrinsic Signal Changes Accompanying Sensory Stimulation- Functional Brain Mapping With Magnetic Resonance I
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
r e s p o n s i b l e
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
d e m o n s t r a t e d
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
i n t r i n s i c s i g n a l
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
e x p e r i m e n t s ,
t h e
i n c r e a s e d
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
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
s i g n a l i n t e n s i t y
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
s i g n a l - i n t e n s i t y
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
o x y g e n a t i o n
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 .