对哺乳动物听觉系统的功能研究传统上采用空间聚焦技术，例如电生理记录。以下方案描述了一种利用功能性磁共振成像来可视化猫听觉皮层中诱发性血流动力学活动大尺度模式的方法。
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摘要
摘要
目前对哺乳动物听觉系统感觉处理的认识主要来源于在多种动物模型（包括猴子、雪貂、蝙蝠、啮齿类动物和猫）上开展的电生理学研究。为了在人类与动物的听觉功能模型之间建立恰当的对应关系，有必要在人类功能成像研究与动物电生理研究之间搭建桥梁。功能性磁共振成像（fMRI）是一种成熟且微创的技术，可用于测量大脑皮层不同区域的血流动力学活动的大范围模式。该技术被广泛用于探测人脑中的感觉功能，是连接人类与动物听觉处理研究的有力工具，并已成功应用于猴子和啮齿类动物听觉功能的研究。以下方案描述了一种通过fMRI测量刺激诱发的听觉皮层血流动力学变化，以研究麻醉成年猫听觉功能的实验流程。该方法有助于比较不同听觉功能模型中的血流动力学反应，从而增进对哺乳动物听觉皮层跨物种共性特征的理解。
引言
目前对哺乳动物听觉处理的理解主要来源于对猴子1-5、雪貂6-10、蝙蝠11-14、啮齿类动物15-19和猫20-24进行的侵入性电生理学研究。电生理技术通常利用细胞外微电极记录电极尖端周围小块神经组织内单个或多个神经元的活动。已建立的功能成像方法，如光学成像和功能磁共振成像（fMRI），通过提供多个空间上分离的脑区在同时激活时的宏观视角，可作为细胞外记录的有益补充。内在信号光学成像通过测量脑组织表面反射特性与活动相关的改变，实现对诱发活动的可视化；而fMRI则利用血氧水平依赖（BOLD）对比来测量特定任务期间活跃脑区中由刺激诱发的血流动力学变化。光学成像需要直接暴露大脑皮层表面，以测量与刺激诱发活动相关的组织表面反射率变化25。相比之下，fMRI具有非侵入性，利用脱氧血红蛋白的顺磁特性，在完整颅骨条件下测量大脑皮层表面26-28以及脑沟内27,29的诱发活动。在非人灵长类动物视觉皮层30和人类听觉皮层31中，BOLD信号与神经元活动之间存在强相关性，这验证了fMRI作为研究感觉功能的有效工具。由于fMRI已被广泛用于研究人类、猴和大鼠模型中听觉通路的特征，例如频率拓扑组织32-36、听觉功能的偏侧化37、皮层激活模式、皮层区域的识别38、声音强度对听....
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方案
以下步骤可应用于使用麻醉猫的任何成像实验。专为听觉实验设计的步骤（步骤 1.1–1.7、2.8、4.1）可根据其他感觉刺激方案进行调整。
所有实验程序均获得西安大略大学动物护理委员会动物使用小组委员会的批准，并遵循加拿大动物护理委员会（CCAC）规定指南44。从动物准备到恢复，所述实验大约需要150分钟。实验的时间进程如图1所示。
1. 刺激设备准备
图2展示了在MRI扫描仪中生成听觉刺激所需的电子元件及其相应的连接方式。所需设备如下：一台计算机、一个外置声卡、一个立体声功率放大器以及一套与fMRI兼容的耳机系统。
- 通过通用串行总线（USB）电缆将用于呈现听觉刺激的计算机连接到外置声卡。
- 将连接外置声卡输出端口的电缆连接至立体声功率放大器的输入端口。
- 将连接立体声功率放大器输出端口的电缆连接至fMRI兼容耳机系统的变压器盒的输入端口。
- 将双耳耳机连接至变压器盒的输出端口。
- 使用带有BNC接头的屏蔽同轴电缆，将变压器盒连接至扫描室外部的穿墙面板。
- 在扫描室内，将耳机电缆组件连接至穿墙面板上对应的BNC端口。
- 将泡沫耳塞连接至耳机，然后将耳....
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结果
采用7T水平孔径扫描仪获取了典型的脑功能数据，并利用MATLAB中的统计参数映射工具箱进行分析。根据所述实验方案，已在猫模型中持续观察到听觉刺激引发的稳定皮层血流动力学反应43。图6展示了两只动物在30秒宽带噪声刺激（以区组设计呈现）下的BOLD激活情况。宽带噪声与基线（无刺激）对比的T统计量图在两个成像切片平面上显示出听觉皮层内双侧对称、连续的激活簇（图6a 和 6d；簇水平FWE校正阈值：p < 0.05）。图6b 和 6e 分别显示了在一次功能扫描过程中，图6a 和 6d 中高亮体素处BOLD信号的时间调制过程。若采用方波形式的一般线性模型拟合，预期BOLD信号将在每次听觉刺激呈现期间相对于基线（无刺激条件）发生调制，其模式类似于区组设计中的“开-关”（ON-OFF）模式。图6c 和 6f 展示了BOL.......
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讨论
在为麻醉动物模型的听觉功能设计功能性磁共振成像（fMRI）实验时，应仔细考虑以下问题：（i）麻醉对皮层反应的影响，（ii）背景扫描噪声的影响，以及（iii）实验过程中数据采集阶段的优化。
尽管麻醉状态下的准备具有能够提供长时间镇静并最大限度减少功能成像过程中潜在头部运动的重要优势，但已知麻醉会影响皮层血流动力学。本方案中描述的麻醉剂在猫听觉皮层（氯胺酮）和视觉皮层（异氟烷）的电生理学46-48及功能成像研究26-28,42中被广泛使用。虽然已知氯胺酮对皮层自发活动的影响较小49，但在大鼠听觉皮层中，10 mg/kg剂量的氯胺酮已被证明会降低脑代谢，从而减弱血流动力学反应50。然而，在本方案推荐的剂量（4 mg/kg）下，猫听觉皮层在声学刺激下可观察到高达6%的BOLD信号变化43。异氟烷常用于研究猫视觉皮层的功能特性；但与清醒状态下的准备相比，它也被证明会降低猫视觉皮层血流动力学反应的幅度51。此外，在剂量超过1.5%时，异氟烷会增加大鼠的脑血流量
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披露
作者声明不存在任何经济或其他方面的利益冲突。
致谢
作者谨此感谢 Kyle Gilbert 在定制射频线圈设计方面的贡献，以及 Kevin Barker 在磁共振成像兼容雪橇设计方面的贡献。本研究工作得到了加拿大卫生研究院（CIHR）、加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）和加拿大创新基金会（CFI）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 材料 | |||
| 硫酸阿托品注射液 0.5 mg/ml | Rafter 8 Products | ||
| 乙酰丙嗪 5 mg/ml | Vetoquinol Inc. | ||
| 盐酸氯胺酮 100 mg/ml | Bimeda-MTC | ||
| 盐酸右美托咪定（Dexdomitor 0.5 mg/ml） | Orion Pharma | ||
| 异氟烷 99.9% | Abbott Laboratories | ||
| 利多卡因（气管内喷雾剂，每计量剂量10 mg） | Astra Zeneca | ||
| 润滑性眼膏（Refresh Lacri Lube） | Allergan Inc. | ||
| 生理盐水 0.95% | |||
| 静脉留置针 22 g（带翼） | |||
| 静脉延长管 | Codan US Corp. | BC 269 | |
| 静脉输液器 10 滴/ml | |||
| 气管插管 4.0 | |||
| 加热垫（Snuggle Safe） | Lenric C21 Ltd. | ||
| 60 ml 注射器 | |||
| 设备 | |||
| 外置声卡 | Roland Corporation | Cakewalk UA-25EX | |
| 立体声功率放大器 | Pyle Audio Inc. | Pyle Pro PCAU11 | |
| MRI 兼容插入式耳机系统 | Sensimetric Corporation | Model S14 | |
| 插入式耳机用泡沫耳塞 | E-A-R Auditory Systems | Earlink 3B | |
| 呼气末 CO2 监测仪 | Nellcor | N-85 | |
| MRI 兼容脉搏血氧仪 | Nonin Medical Inc. | Model 7500 | |
| 注射泵 | Harvard Apparatus | 70-2208 |
参考文献
- Kaas, J. H., Hackett, T. A. Subdivisions of auditory cortex and processing streams in primates. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 11793-11799 (2000).
- Kusmierek, P., Rauschecker, J. P. Functional Specialization of Medial Auditory Belt Cortex inthe Ale....
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重印与许可
