Name: 功能磁共振成像（fMRI）技术与听觉刺激鸣禽 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-06-03T08:56:00.000+00:00
Duration: 13 min 5 s
Description: 学习使用功能磁共振成像技术对鸣禽进行听觉刺激实验的非侵入性方法。本方案涵盖声音刺激准备、麻醉定位、图像采集及基于体素的统计分析，可重复测量并定位听觉处理相关脑区。

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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。

1. 听觉刺激的制备
<ol>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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软件进行编码。</li>
</ol>
2. 受试者准备
2.1 受试对象与组大小
本文介绍了一种专门针对（成年）斑马雀使用的实验方案。物种的选择取决于具体的科学问题，但也需考虑其他因素，例如鸟类对麻醉的耐受性。斑马雀（Taeniopygia guttata）应饲养在 aviaries 中，光照周期为 12 小时光照：12 小时黑暗，并在整个研究期间可自由获取食物和水。每次实验所需的最少个体数量为 15 只，该数量考虑了自旋回波功能磁共振成像（fMRI）的敏感性以及实验中所测量生物学现象的自然个体间变异性。
2.2 实验装置的安装与动物准备
（关于所用设备的规格说明，我们参考本文末尾列出的特定试剂和设备清单）
<ol>
	<li>将喙部面罩安装在7T磁共振系统的MRI床面上，并使用塑料管将其连接至气体控制器设备。打开氧气和氮气气瓶，启动气体控制器设备（氧气流速：200 cc/min；氮气流速：400 cc/min）。</li>
</ol>
如上所述，本实验装置采用7T磁共振系统。也可使用其他不同磁场强度的磁共振系统，但在7T条件下，信噪比与磁化率伪影程度之间可达到较好的平衡（见讨论部分）。在更高磁场强度下，信噪比将随之磁化率伪影的增加而提高。
<ol start="2">
	<li>打开反馈控制系统和热空气装置。</li>
	<li>将斑胸草雀的喙部置于面罩中，使用含3%异氟烷的氧气与氮气混合气体对其进行麻醉，并固定其头部直至鸟类完全麻醉。可通过轻拉其足部来验证麻醉程度：当鸟类完全镇静时，足部不会回缩。此外，鸟类的眼睛将部分闭合。</li>
	<li>插入泄殖腔温度探头以监测体温，并将气动传感器置于斑胸草雀腹部下方以监测呼吸频率。合上固定夹克以固定鸟类身体（图3）。</li>
	<li>将呼吸频率维持在每分钟40至100次之间，并将体温稳定在40 ± 0.5 °C的狭窄范围内。若呼吸频率过低或过高，应相应调整麻醉深度（异氟烷浓度%）。若问题持续存在，应立即停止实验并将动物从装置中移出，使其恢复。</li>
	<li>将非磁性动态扬声器置于斑胸草雀头部两侧，并将其连接至放大器。确保扬声器导线远离温度探头，因为若距离过近可能影响温度读数。</li>
	<li>将表面射频线圈放置在斑胸草雀头部上方，并将斑胸草雀置于磁体中心（同时也自动位于位于磁体中部的发射线圈中心）。</li>
	<li>将麻醉水平降低至1.5%异氟烷与氧气和氮气的混合气体。</li>
</ol>
3. 数据采集
<ol>
	<li>获取一组1幅矢状面、1幅水平面和1幅冠状面的梯度回波（GE）定位像（三平面定位序列），以及水平面、冠状面和矢状面的多层图像（采用T2加权快速采集弛豫增强（RARE）自旋回波序列进行定位），以确定脑部在磁体中的位置（图4）。</li>
	<li>通过将梯度上升时间增加至1,000 μs，降低梯度噪声。</li>
	<li>设置fMRI序列：RARE T2加权序列，有效TE：60 msec，TR：2,000 msec，RARE因子：8，视野（FOV）：16 mm，矩阵大小：64 × 32，方位：矢状面，层厚：0.75 mm，层间间隙：0.05 mm，共15层，覆盖几乎整个脑部（图4）。</li>
	<li>在刺激呈现软件中选择听觉实验方案（听觉刺激内容及刺激呈现时间）。该方案包含一系列指令，用于启动特定的听觉刺激，并在特定扫描编号时执行。在fMRI序列的每一次重复中，扫描仪软件会向听觉刺激呈现软件发送一个触发信号，后者记录扫描编号并执行相应的指令。</li>
	<li>为确保听觉刺激呈现软件不会遗漏任何来自扫描仪的触发信号，应首先启动听觉实验方案。待方案完全加载后，再启动fMRI序列。</li>
	<li>每次fMRI实验开始前，先采集12幅伪影图像（dummy images），以使与扫描仪噪声相关的信号在开始听觉刺激前达到稳态。</li>
	<li>采集完成后，将数据零填充至64 × 64。</li>
	<li>使用Paravision的功能工具（处理/功能成像选项）初步查看结果。计算所有“开启”（ON）区段与基线（“关闭”（OFF）区段）之间的差异性BOLD反应。该分析可初步反映实验质量。若在此阶段未在初级听觉区域观察到激活信号，则可能由于刺激呈现技术问题、麻醉深度不当等原因导致鸟类未能听到或处理听觉刺激。此时应检查实验装置并重复测量。</li>
	<li>在与前述fMRI扫描相同的空间方位上，运行一次解剖成像用的3D RARE T2加权序列，参数设置为：有效TE：60 msec，TR：2,000 msec，RARE因子：8，FOV：16 mm，矩阵大小：256 × 128 × 64。</li>
	<li>将数据零填充至256 × 256 × 256。</li>
	<li>将斑胸草雀从MRI扫描床上取出，置于装有红色灯泡的笼中恢复麻醉。通常情况下，斑胸草雀在异氟烷麻醉后的恢复相对较快（最长5分钟）。数分钟后，鸟类会尝试站立；当完全恢复时，会站在栖木上而非蹲在笼底。本实验中麻醉持续时间约为2小时。本实验室对斑胸草雀应用异氟烷麻醉的最长时间为6小时，此后鸟类亦可在5分钟内完全恢复。</li>
</ol>
4. 数据处理
<ol>
	<li>将MR数据转换为Analyze或Nifti格式。</li>
	<li>由于SPM是为处理人类功能磁共振成像（fMRI）数据而开发的，适用于约2 mm的体素大小。SPM中的许多设置均针对这一近似的体素尺寸进行了优化。如果不想更改所有这些设置，最简单的方法是人为增大鸟类fMRI数据的体素尺寸。使用MRIcro工具，将头部信息中的体素尺寸乘以10进行调整。需要注意的是，这种调整不会影响数据本身，不涉及重采样或对数据的任何其他修改。</li>
</ol>
另一种选择是使用“SPMMouse”，这是一个工具箱，可使 SPM 打开并分析任意体素尺寸的文件。该工具允许基于任意图像生成 SPM“玻璃脑”图像，并根据图像文件的头部信息或用户输入的数据自动调整默认的长度尺度。因此，该工具箱的工作方式与我们提出的方法相反：它不是更改图像的体素尺寸以适配 SPM，而是更改 SPM 的默认设置，以兼容不同体素尺寸的图像。
<ol start="3">
	<li>重新对齐 fMRI 数据。将解剖学 3D 数据集与 fMRI 时间序列进行共配准。将 3D 数据（以及共配准后的 fMRI 时间序列）标准化至斑胸草雀脑部 MRI 图谱。将变换矩阵应用于 fMRI 数据集。以上步骤均可使用统计参数映射（Statistical Parametric Mapping, SPM）8 软件完成。</li>
	<li>使用 SPM8 软件，以 0.5 mm 宽度的高斯核对数据进行平滑处理。</li>
	<li>使用 SPM8 进行基于体素的统计分析。将数据建模为方波函数（不使用血流动力学响应函数）。采用经典的限制性最大似然算法估计模型参数。计算每位受试者每种听觉刺激的平均效应（固定效应分析），随后根据需要进行组水平统计分析（混合效应分析）。</li>
	<li>在 SPM8 中将统计参数图投影至斑胸草雀图谱（图 5）9，以定位功能激活区域（图 6）。</li>
</ol>

<ol><li>Van Meir, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatiotemporal+properties+of+the+BOLD+response+in+the+songbirds%27+auditory+circuit+during+a+variety+of+listening+tasks%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Spatiotemporal properties of the BOLD response in the songbirds' auditory circuit during a variety of listening tasks.</a> Neuroimage. 25, 1242-1255 (2005).</li>
<li>Boumans, T., Theunissen, F. E., Poirier, C., Van Der Linden, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+representation+of+spectral+and+temporal+features+of+song+in+the+auditory+forebrain+of+zebra+finches+as+revealed+by+functional+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22The+European+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Neural representation of spectral and temporal features of song in the auditory forebrain of zebra finches as revealed by functional MRI.</a> The European Journal of Neuroscience. 26, 2613-2626 (2007).</li>
<li>Boumans, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+magnetic+resonance+imaging+in+zebra+finch+discerns+the+neural+substrate+involved+in+segregation+of+conspecific+song+from+background+noise%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Functional magnetic resonance imaging in zebra finch discerns the neural substrate involved in segregation of conspecific song from background noise.</a> Journal of Neurophysiology. 99, 931-938 (2008).</li>
<li>Boumans, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+MRI+of+auditory+responses+in+the+zebra+finch+forebrain+reveals+a+hierarchical+organisation+based+on+signal+strength+but+not+selectivity%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+ONE%22%5BJournal%5D)">Functional MRI of auditory responses in the zebra finch forebrain reveals a hierarchical organisation based on signal strength but not selectivity.</a> PloS ONE. 3, e3184(2008).</li>
<li>Vignal, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+brain+hemodynamic+changes+in+a+songbird%3A+responses+to+hypercapnia+measured+with+functional+MRI+and+near-infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Measuring brain hemodynamic changes in a songbird: responses to hypercapnia measured with functional MRI and near-infrared spectroscopy.</a> Physics in Medicine and Biology. 53, 2457-2470 (2008).</li>
<li>Van der Linden, A., Van Meir, V., Boumans, T., Poirier, C., Balthazart, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MRI+in+small+brains+displaying+extensive+plasticity%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Neurosciences%22%5BJournal%5D)">MRI in small brains displaying extensive plasticity.</a> Trends in Neurosciences. 32, 257-266 (2009).</li>
<li>Poirier, C., Van der Linden, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin+echo+BOLD+fMRI+on+songbirds%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+Mol.+Biol%22%5BJournal%5D)">Spin echo BOLD fMRI on songbirds.</a> Methods Mol. Biol. 771, 569-576 (2011).</li>
<li>Poirier, C., Verhoye, M., Boumans, T., Van der Linden, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implementation+of+spin-echo+blood+oxygen+level-dependent+%28BOLD%29+functional+MRI+in+birds%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+in+Biomedicine%22%5BJournal%5D)">Implementation of spin-echo blood oxygen level-dependent (BOLD) functional MRI in birds.</a> NMR in Biomedicine. 23, 1027-1032 (2010).</li>
<li>Poirier, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+three-dimensional+MRI+atlas+of+the+zebra+finch+brain+in+stereotaxic+coordinates%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">A three-dimensional MRI atlas of the zebra finch brain in stereotaxic coordinates.</a> Neuroimage. 41, 1-6 (2008).</li>
<li>Zhao, F., Wang, P., Kim, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortical+depth-dependent+gradient-echo+and+spin-echo+BOLD+fMRI+at+9.4T%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%3A+Official+Journal+of+the+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine+%2F+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Cortical depth-dependent gradient-echo and spin-echo BOLD fMRI at 9.4T.</a> Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 51, 518-524 (2004).</li>
<li>Harel, N., Lin, J., Moeller, S., Ugurbil, K., Yacoub, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+imaging-histological+study+of+cortical+laminar+specificity+of+fMRI+signals%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Combined imaging-histological study of cortical laminar specificity of fMRI signals.</a> NeuroImage. 29, 879-887 (2006).</li>
<li>Duong, T. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microvascular+BOLD+contribution+at+4+and+7+T+in+the+human+brain%3A+gradient-echo+and+spin-echo+fMRI+with+suppression+of+blood+effects%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%3A+Official+Journal+of+the+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine+%2F+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Microvascular BOLD contribution at 4 and 7 T in the human brain: gradient-echo and spin-echo fMRI with suppression of blood effects.</a> Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 49, 1019-1027 (2003).</li>
<li>Lee, S. P., Silva, A. C., Ugurbil, K., Kim, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion-weighted+spin-echo+fMRI+at+9.4+T%3A+microvascular%2Ftissue+contribution+to+BOLD+signal+changes%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%3A+Official+Journal+of+the+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine+%2F+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Diffusion-weighted spin-echo fMRI at 9.4 T: microvascular/tissue contribution to BOLD signal changes.</a> Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 42, 919-928 (1999).</li>
<li>Uludag, K., Muller-Bierl, B., Ugurbil, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+integrative+model+for+neuronal+activity-induced+signal+changes+for+gradient+and+spin+echo+functional+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">An integrative model for neuronal activity-induced signal changes for gradient and spin echo functional imaging.</a> NeuroImage. 48, 150-165 (2009).</li>
<li>Yacoub, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin-echo+fMRI+in+humans+using+high+spatial+resolutions+and+high+magnetic+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%3A+Official+Journal+of+the+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine+%2F+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Spin-echo fMRI in humans using high spatial resolutions and high magnetic fields.</a> Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 49, 655-664 (2003).</li>
<li>Keilholz, S. D., Silva, A. C., Raman, M., Merkle, H., Koretsky, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+MRI+of+the+rodent+somatosensory+pathway+using+multislice+echo+planar+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%3A+Official+Journal+of+the+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine+%2F+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Functional MRI of the rodent somatosensory pathway using multislice echo planar imaging.</a> Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 55, 316-324 (2006).</li>
<li>Keilholz, S. D., Silva, A. C., Raman, M., Merkle, H., Koretsky, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+MRI+of+the+rodent+somatosensory+pathway+using+multislice+echo+planar+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%3A+Official+Journal+of+the+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine+%2F+Society+of+Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Functional MRI of the rodent somatosensory pathway using multislice echo planar imaging.</a> Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 52, 89-99 (2004).</li>
<li>Goloshevsky, A. G., Silva, A. C., Dodd, S. J., Koretsky, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((BOLD+fMRI+and+somatosensory+evoked+potentials+are+well+correlated+over+a+broad+range+of+frequency+content+of+somatosensory+stimulation+of+the+rat+forepaw%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Research%22%5BJournal%5D)">BOLD fMRI and somatosensory evoked potentials are well correlated over a broad range of frequency content of somatosensory stimulation of the rat forepaw.</a> Brain Research. 1195, 67-76 (2008).</li>
<li>Kida, I., Yamamoto, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulus+frequency+dependence+of+blood+oxygenation+level-dependent+functional+magnetic+resonance+imaging+signals+in+the+somatosensory+cortex+of+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience+Research%22%5BJournal%5D)">Stimulus frequency dependence of blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging signals in the somatosensory cortex of rats.</a> Neuroscience Research. 62, 25-31 (2008).</li>
<li>Poirier, C., Boumans, T., Verhoye, M., Balthazart, J., Van der Linden, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Own-song+recognition+in+the+songbird+auditory+pathway%3A+selectivity+and+lateralization%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%3A+The+Official+Journal+of+the+Society+for+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Own-song recognition in the songbird auditory pathway: selectivity and lateralization.</a> The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 29, 2252-2258 (2009).</li>
<li>Poirier, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Own+song+selectivity+in+the+songbird+auditory+pathway%3A+suppression+by+norepinephrine%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+ONE%22%5BJournal%5D)">Own song selectivity in the songbird auditory pathway: suppression by norepinephrine.</a> PloS ONE. 6, e20131(2011).</li>
<li>Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurophysiological+investigation+of+the+basis+of+the+fMRI+signal%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal.</a> Nature. 412, 150-157 (2001).</li>
</ol>

未声明利益冲突。

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...

<table><tbody><tr><td>异氟烷麻醉剂</td><td>Isoflo</td><td>05260-05</td><td></td></tr><tr><td>PC-Sam 硬件/软件</td><td>SA-Instruments</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.i4sa.com&quot; target=&quot;_blank">http://www.i4sa.com&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>监测与门控系统</td><td></td><td>1025</td><td></td></tr><tr><td>磁共振兼容小型啮齿动物加热系统</td><td></td><td></td><td>型号 1025 兼容</td></tr><tr><td>直肠温度探针</td><td></td><td>RTP-102B</td><td>7英寸，0.044英寸</td></tr><tr><td>7T 磁共振成像仪</td><td>Bruker Biospin</td><td>PHS 70/16</td><td></td></tr><tr><td>Paravision 软件</td><td></td><td>5.1</td><td></td></tr><tr><td>梯度插入装置</td><td></td><td>BGA9S</td><td>400 mT/m，300A，500V</td></tr><tr><td>梯度放大器</td><td>Copley Co., USA</td><td>C256</td><td></td></tr><tr><td>发射共振器</td><td></td><td></td><td>内径：72 mm，仅发射，主动去耦</td></tr><tr><td>接收天线 - 20 mm 正交小鼠头部线圈</td><td></td><td></td><td>仅接收，主动去耦</td></tr><tr><td>WaveLab 软件</td><td>Steinberg</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Praat 软件</td><td>Paul Boersma, 阿姆斯特丹大学</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.praat.org&quot; target=&quot;_blank">http://www.praat.org&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>非磁性动态扬声器</td><td>Visation, Germany</td><td>HK 150</td><td></td></tr><tr><td>光纤麦克风</td><td>Optoacoustics,</td><td>Optimic 1160</td><td></td></tr><tr><td>音频放大器</td><td>Phonic corporation</td><td>MM 1002a</td><td></td></tr><tr><td>呈现软件</td><td>Neurobehavioral Systems Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRIcro</td><td>Chris Rorden</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.cabiatl.com/mricro/mricro/&quot; target=&quot;_blank">http://www.cabiatl.com/mricro/mricro/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>统计参数映射（SPM）</td><td>伦敦大学学院神经影像中心</td><td>8</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/&quot; target=&quot;_blank">http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/&lt;/a&gt;</td></tr></tbody></table>

鸣禽听觉刺激下的功能性磁共振成像（fmri）

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) with Auditory Stimulation in Songbirds

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。

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）。
<img src="/files/ftp_upload/4369/4369fig1.jpg" alt="频率与时间的频谱图分析；音频信号模式；实验数据可视化。" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/4369/4369fig1highres.jpg" ...

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。

鸣禽听觉刺激下的功能性磁共振成像（fMRI）

鸟类鸣唱的神经生物学作为人类语言的模型，是行为神经科学领域的一个重要研究方向。尽管电生理学和……

本实验的总体目标是展示一种优化的方案，用于在鸣禽大脑的听觉和鸣唱控制区域中成功可视化声音感知与处理过程。通过功能磁共振成像（fMRI）实现这一目标，首先需制备高质量的听觉刺激材料，并将其纳入开-关区块实验设计中，以便在功能磁共振成像（fMRI）扫描期间向鸟类呈现。第二步是为扫描做准备：先将鸟类麻醉，然后将其置于特制的动物承载床上，再将承载床放入MRI扫描仪的孔腔内。随后可在听觉刺激过程中采集fMRI图像。最后一步是预处理所获取的MRI数据，包括将图像标准化至斑胸草雀图谱。最终通过基于体素的统计分析，实现对所得结果的可视化，并定位听觉刺激所诱导的脑部激活区域。相较于在太阳鸟研究中更常用的一些其他方法（如电生理学、组织学和分子定位技术），该技术的主要优势在于，fMRI是一种非侵入性的活体方法，可对同一受试个体进行纵向研究，并能一次性对全脑进行无先验假设的分析，无需预先确定参与特定神经过程的神经结构位置。初次使用该方法的研究者可能会遇到困难，因为在鸟类中实施功能磁共振成像与在人类或啮齿类动物中使用该方法存在显著差异，且挑战性大得多。这不仅是因为这些鸟类的大脑体积较小，还因为它们的颅骨包含大量含气腔隙，容易引发磁化率伪影。通过采用对这类伪影敏感性低于梯度回波序列的自旋回波序列，我们能够以很高的空间特异性实现鸣禽全脑的功能成像。此外，扫描仪的孔径空间狭小，可能对听觉刺激产生畸变。因此，为了开始本方案的准备工作，需使用光纤麦克风在七特斯拉磁共振系统的孔洞内播放声音刺激时同步记录声音信号，并验证所用磁共振系统引起的声音失真情况。此处可见，在磁体孔洞内鸟类头部位置记录的白噪声与扫描仪外部记录的白噪声相比，某些频率成分被增强或抑制。为补偿这种人为增强效应，需使用Wave Lab软件对每个刺激信号应用均衡器函数，以校正上述设置中的频率响应。在此方案中，函数由一个包含屏幕上所示参数的高斯核组成。此处，鸣禽声音刺激应由特定鸟类的多个独立鸣唱动机组成，这些动机之间穿插着静音时段；需调整这些静音时段的持续时间，以确保所有刺激中声音与静音的总量保持一致。每个刺激的总时长为16秒，对应于两幅功能性磁共振成像（fMRI）图像的采集时间。使用预处理软件对每首歌曲的强度进行归一化处理，使其均方根值一致，并在400赫兹处应用高通滤波器，然后将其整合到完整的刺激序列中。实验可使用呈现软件设计，采用开-关区组设计，交替呈现听觉刺激期与静息期。每个区组持续16秒，对应于两幅图像的采集时间，每种刺激类型呈现25次，从而在每位受试者中针对每种刺激采集50幅图像。不同被试内部及被试之间的条件呈现顺序应随机化。同时设置实验范式，使其能够接收来自扫描仪的触发信号。这可以确保在fMRI序列的每次重复扫描过程中，扫描软件都会向听觉呈现软件发送一个触发信号，后者随之记录扫描编号并执行相应的指令。本文介绍了一种专门针对成年斑马雀的实验方案。斑马雀应在12小时光照、12小时黑暗的光周期条件下饲养于鸟舍中，并在整个研究期间可随时获取食物和饮水。每次实验所需的最少个体数量为15只。该样本量考虑了自旋回波功能磁共振成像（fMRI）的敏感性以及实验中所测量生物学现象的自然个体间变异性。实验准备时，首先使用塑料管将喙部面罩连接至气体控制器设备，并将其安装在7 T磁共振系统（MR系统）的磁共振成像床（MRI床）上。打开氧气和氮气钢瓶，并启动气体控制器设备。接着打开反馈控制的系统和热空气流动装置。然后，通过将斑胸草雀的喙部引入面罩并固定其头部，使用氧气和氮气混合气体中的 3% 异氟烷对其进行麻醉，直至鸟类完全麻醉。可通过轻轻拉扯脚掌来确认麻醉状态。当鸟类完全镇静后，其足部将不再回缩，同时眼睛会闭合。在整个实验过程中，插入泄殖腔温度探针以监测体温，并将气动传感器置于腹部下方以监测呼吸频率。然后在整个实验过程中使用外套固定鸟类的身体。将呼吸频率维持在每分钟40至100次之间，并保持体温恒定在40摄氏度。如果呼吸频率过低或过高，应相应调整麻醉深度。如果问题仍然存在，应停止实验并将动物从装置中移出。为了恢复，将非磁性动态扬声器放置在斑胸草雀头部两侧，并将其连接至放大器。确保扬声器的导线远离温度探针，因为这可能会影响温度读数。当距离过近时，将表面射频线圈放置在斑胸草雀头部上方。然后将斑胸草雀置于磁体中心。最后，在扫描前将麻醉水平降低至1.5%异氟烷。开始扫描时，首先确定大脑在磁体中的位置。在矢状面、水平面和冠状面各获取一组单层梯度回波定位图像，以及后续用于功能扫描定位的多层定位图像。然后通过将梯度上升时间增加至1000微秒，以降低梯度噪声。接下来，准备一个快速采集弛豫增强序列，即罕见的T2加权fMRI序列。然后设定覆盖几乎整个大脑的15个矢状面切片。现在在呈现软件中选择听觉实验协议，以确保听觉呈现软件不会遗漏扫描仪发出的任何触发信号。首先启动听觉实验方案。待方案完全加载后，再开始 FMRI 序列。每次 FMRI 实验开始前，应先采集 10 张虚拟图像，以使信号在开始听觉刺激前达到稳态。采集完成后归零。将数据填充至 64×64，以初步查看结果来评估数据质量。使用功能工具。在 ParaVision 软件中，计算所有“开启”区段与基线之间的差异性 BOLD 反应。如果在初级听觉区域未观察到激活，则表明鸟类可能由于技术问题或麻醉水平的原因未能听到或处理听觉刺激。应验证实验装置并重复测量。功能像采集完成后，在与先前的 FMRI 扫描相同的方向上运行一个解剖学 3D rare T 二权重序列。然后将该数据零填充至 256 × 256 × 256。最后将斑马雀从MRI检查床上移开，并将其置于装有加热灯的笼子中，使其从麻醉状态中恢复。通常情况下，斑马雀从异氟烷麻醉中恢复所需时间不到五分钟。数分钟后，鸟类会尝试站立，一旦完全恢复，它将不再坐在笼底，而是停栖在树枝上，此时可开始数据处理。首先，将MR数据转换为Analyze或NIfTI格式。然后在SPM中开始数据处理之前，需要通过将体素尺寸乘以10来调整鸣禽fMRI数据。由于fMRI分析软件是为处理人类fMRI数据而开发的，因此最简单的方法是使用MRI Cropper软件人为增大鸟类fMRI数据的体素尺寸。请注意，此调整不会影响数据本身，不会对数据进行重新采样或任何其他修改。接下来，对获取的数据进行预处理。使用 SPM 时，首先对 FMRI 数据进行八次初步重对齐，并将解剖学 3D 数据集与 FMRI 时间序列进行共配准。然后将 3D 数据和已共配准的 FMRI 时间序列归一化至斑胸草雀脑 MRI 图谱。将变换矩阵应用于FMRI数据集，并使用0.5毫米高斯核对数据进行平滑处理。然后在SPM 8中进行基于体素的统计分析，首先在个体鸟类水平上进行分析，随后进行组水平分析。最后，为了可视化结果并定位功能激活区域，将统计参数图投射到斑胸草雀图谱、高分辨率3D斑胸草雀脑图谱上。本实验在生物成像实验室设计了所述斑胸草雀FMRI结果分析所使用的立体定位坐标，即MRI图谱数据集。脑区划分和核团划分可通过此处所示网站免费获取。此处展示的是左半球三维重建的侧视图，图中将图谱中的结构划分投影在其正中矢状切面上。我们可以看到，在不同听觉刺激下，初级听觉区域L区及邻近的次级听觉区域相对于静息状态所诱发的fMRI BOLD反应示例。T 值根据图中显示的色标进行颜色编码，仅显示 T 检验结果具有显著性的体素。这是斑马雀功能性磁共振成像（FMRI）实验的另一个示例。图像显示了鸟类自身鸣唱在脑区 XMLD 和 HVC 区域的选择性反应。图像下方的数字表示距中线的毫米坐标。正值表示切片和统计结果来自右半球。本视频中描述的方案可轻松适用于其他鸣禽，如八哥。这是此类功能性磁共振成像实验结果的一个示例。在欧洲椋鸟中，该图显示了同一鸟类个体在不同季节下，听觉刺激相对于静息状态所诱发的脑区激活。在鸣禽中实施并优化功能磁共振成像技术，为鸣禽研究领域开辟了新的研究方向。已有研究表明，该技术对于分析这些动物模型中发声交流所涉及的复杂感觉运动和认知过程是一种有价值的实验手段。此外，由于其具有非侵入性和全脑成像的优势，功能磁共振成像（fMRI）可作为补充方法，用于辅助更为常见的局部性和侵入性研究手段。在太阳鸟中不断增多的fMRI实验数量，证明了该技术在认知研究问题上的适用性；未来应进一步努力拓展MRI实验的应用范围，超越听觉处理这一在麻醉状态下仍保持活跃的过程，转向对清醒状态下经训练适应成像方案的受试动物的研究。这可能会为鸟类积极参与电磁干扰实验并能实验性地控制其注意力的研究提供新的可能性。

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功能磁共振成像（fMRI）技术与听觉刺激鸣禽

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利用功能成像绘制人类听觉皮层在θ爆发刺激后的效应图谱

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利用超声波血脑屏障破坏结合锰增强磁共振成像进行功能性神经影像学研究

来源： Galenchik-Chan, A., et al. 采用广视野视网膜定位刺激的视觉皮层功能磁共振成像（fMRI）. J. Vis. Exp. (2023).

视觉皮层血氧水平依赖性功能磁共振成像

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罗切斯特大学医学中心的转化脑图谱研究：通过个性化脑图谱保护大脑功能

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同步进行fMRI期间获取高质量脑电图数据的最佳现行实践

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