本文介绍了一种利用功能磁共振成像(fMRI)技术对鸣禽大脑中听觉刺激神经基础进行成像的优化流程。该方法涵盖了声音刺激的制备、受试动物的定位、fMRI数据的采集以及后续分析过程。
本文介绍了一种利用功能磁共振成像(fMRI)技术对鸣禽大脑中听觉刺激神经基础进行成像的优化流程。该方法涵盖了声音刺激的制备、受试动物的定位、fMRI数据的采集以及后续分析过程。
鸟类鸣唱的神经生物学作为人类语言的模型,是行为神经科学中一个重要的研究领域。电生理学和分子生物学方法虽然能够研究少数神经元对不同刺激的反应,或研究单一刺激在大脑大范围区域的效应,但只有基于血氧水平依赖(BOLD)的功能性磁共振成像(fMRI)能够结合这两者的优势,即一次性比较不同刺激在整个大脑中引发的神经活动。i.e. 比较不同刺激在整个大脑中引发的神经激活。在鸣禽中进行fMRI研究具有挑战性,因其脑体积较小,且其骨骼特别是颅骨含有大量气腔,容易引起显著的磁化率伪影。梯度回波(GE)BOLD fMRI已成功应用于鸣禽研究1-5(综述见6),但这些研究主要集中在无磁化率伪影的一级和二级听觉脑区。然而,由于感兴趣的过程可能发生在这些区域之外,因此需要采用对伪影不敏感的MRI序列进行全脑BOLD fMRI。这可以通过使用自旋回波(SE)BOLD fMRI7,8来实现。本文中,我们描述了如何在斑胸草雀(Taeniopygia guttata)中应用该技术,这是一种体重为15–25 g的小型鸣禽,被广泛用于鸟类鸣唱行为神经科学的研究。目前针对鸣禽的fMRI研究主要关注鸣唱的感知与学习。由于刺激具有听觉特性,而基于SE的fMRI序列(相较于GE)BOLD敏感性较弱,因此该技术的实施极具挑战性。
1. 听觉刺激的制备
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本文以可视化方式展示了一套优化的实验流程,用于成功成像斑胸草雀大脑中对听觉刺激产生响应的神经基础。首先,所描述的听觉刺激制备方法可生成适用于ON/OFF区组设计(图2)的刺激材料,并经过归一化处理,以消除声压水平差异可能引发的大脑差异性反应。在完成斑胸草雀的MRI扫描准备并将其置于磁体孔道内(图1)后,即可进行fMRI数据采集。此外,还需获取一幅三维高分辨率图像,以便将数据标准化至斑胸草雀脑图谱9。最后,通过对数据进行预处理和统计分析,可实现对实验结果的可视化呈现(图6)。
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本报告中,我们描述了一种优化的实验方案,用于在麻醉的斑胸草雀中对听觉刺激的神经基础进行详细的体内表征。
根据本方案,大多数使用BOLD fMRI进行的动物功能性脑激活研究,均在数据采集期间对动物实施麻醉。虽然也可以通过训练使动物适应磁体环境和扫描过程中的噪声,但这种方法耗时较长且具有挑战性,因此很少被采用。
尽管麻醉能够减轻应激对目标生理反应的影响并便于动物操作,但其对神经反应以及对神经活动与fMRI测量的BOLD反应之间传递函数的影响,仍是当前一项持续且重要的研究课题。因此,本实验室研究了麻醉对斑马雀在听觉刺激期间BOLD反应的影响 2因此,研究了三种在斑马雀中广泛使用的麻醉剂——美托咪定、异氟烷和尿烷,它们作用于不同的神经递质系统。结果表明,在三种麻醉剂作用下,听觉刺激均能引发明显的BOLD反应,但在与以下方面相关的反应中,三种试剂之间存在细微差异 例如 激活区域的扩展。根据本研究的结果以及异氟烷在临床应用中最常使用这一事实——因其具有恢复相对较快和副作用较小的显著.......
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本研究得到了佛兰德研究基金会(FWO,项目编号 G.0420.02 和 G.0443.11N)、赫拉克勒斯基金会(资助编号 AUHA0012)、安特卫普大学的协同研究行动(GOA 资助),以及欧盟第六框架计划项目 DiMI(LSHB-CT-2005-512146)和欧盟第六框架计划项目 EMIL(LSHC-CT-2004-503569)对 A.VdL 的部分资助。G.DG 和 C.P. 为佛兰德研究基金会(FWO)的博士后研究员。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 异氟烷麻醉剂 | Isoflo | 05260-05 | |
| PC-Sam 硬件/软件 | SA-Instruments | http://www.i4sa.com | |
| 监测与门控系统 | 1025 | ||
| 磁共振兼容小型啮齿动物加热系统 | 型号 1025 兼容 | ||
| 直肠温度探针 | RTP-102B | 7英寸,0.044英寸 | |
| 7T 磁共振成像仪 | Bruker Biospin | PHS 70/16 | |
| Paravision 软件 | 5.1 | ||
| 梯度插入装置 | BGA9S | 400 mT/m,300A,500V | |
| 梯度放大器 | Copley Co., USA | C256 | |
| 发射共振器 | 内径:72 mm,仅发射,主动去耦 | ||
| 接收天线 - 20 mm 正交小鼠头部线圈 | 仅接收,主动去耦 | ||
| WaveLab 软件 | Steinberg | ||
| Praat 软件 | Paul Boersma, 阿姆斯特丹大学 | http://www.praat.org | |
| 非磁性动态扬声器 | Visation, Germany | HK 150 | |
| 光纤麦克风 | Optoacoustics, | Optimic 1160 | |
| 音频放大器 | Phonic corporation | MM 1002a | |
| 呈现软件 | Neurobehavioral Systems Inc. | ||
| MRIcro | Chris Rorden | http://www.cabiatl.com/mricro/mricro/ | |
| 统计参数映射(SPM) | 伦敦大学学院神经影像中心 | 8 | http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/ |
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