鸣禽听觉刺激下的功能性磁共振成像（fMRI）

摘要

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。

摘要

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 fMRI^7,8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。

方案

1. 听觉刺激的制备

1. 首先记录在7T磁共振系统孔洞内播放的声音刺激。该孔洞为一个密闭空间，可能导致听觉刺激失真，从而增强某些听觉频率。图1展示了通过光纤麦克风（Optimic 1160, Optoacoustics）在磁体孔洞内鸟头位置记录白噪声所显示的增强与抑制的频率。为补偿这种人为增强效应，使用WaveLab软件对每个刺激应用均衡器函数。在我们的特定设置中，该函数包含一个高斯核，参数如下：最大振幅：-20 dB，中心频率：3,750 Hz，带宽：0.05 倍频程（对应我们系统中2,500–5,000 Hz的范围）。
2. 歌曲刺激由每只鸟的多个独立鸣唱动机交替插入静音段构成。这些静音段的持续时间经过调整，以确保所有刺激中的声音与静音总量保持一致。这种设计保留了个体内部和个体间鸣唱长度的自然变异性。每个刺激的总长度为16秒。在整合到完整刺激（包括歌曲和静音段）之前，每首歌曲的强度均通过均方根值归一化处理，并在400 Hz处进行高通滤波。这些操作使用Praat软件完成。
3. 实验采用ON/OFF区组设计，交替呈现听觉刺激期（ON区组）与静息期（OFF区组）（图2）。每个区组（ON和OFF）持续16秒，对应于2幅图像的采集时间（采集参数见下文）。每种刺激类型重复呈现25次，从而每名受试者每种刺激可获得50幅图像。各条件的呈现顺序应在受试者内部和之间随机化。这种随机化的刺激顺序可通过Presentation软件进行....

结果

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）。

讨论

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.......

材料

本文使用的材料清单

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/