הדמיה תפקודית של השמיעתי Cortex בחתולים בוגרים באמצעות גבוהה שדה fMRI
19 בפברואר 2014
מחקרים תפקודיים של מערכת השמיעה אצל יונקים באופן מסורתי שנערכו תוך שימוש בטכניקות מרחבית ממוקדות כגון קלטות אלקטרו. הפרוטוקול הבא מתאר שיטה של הדמיה דפוסים בקנה מידה גדולה של פעילות המודינמית עוררה בחתול השמיעתי קליפת המוח באמצעות תהודה מגנטית תפקודית.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לדמות באופן פונקציונלי את קליפת המוח השמיעתית השלמה של החתול באמצעות הדמיית תהודה מגנטית תפקודית בשדה גבוה. זה מושג על ידי הכנת ציוד הסאונד להצגת גירוי. השלב השני הוא להכין את החתול לסריקה על ידי הרדמה, ואז למקם אותו במזחלת תואמת MRI.
לאחר מכן, תמונות אנטומיות ותפקודיות נאספות על פני כל המוח במהלך הצגת הגירוי. השלב האחרון הוא לעבד את התמונות כדי לכמת את רמת ההפעלה המוחית במהלך הצגת הגירוי. בסופו של דבר, הדמיה פונקציונלית משמשת כדי להראות את מידת ההפעלה במהלך הצגת קול בקליפת המוח השמיעתית השלמה של החתול
.שיטה זו יכולה לשמש כדי לעזור לענות על שאלות מפתח בתפקוד השמיעתי, כגון קיומה של היררכיה בקליפת המוח השמיעתית. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כגון הדמיה אופטית, הוא ש-FMRI אינו פולשני ויכול למדוד פעילות תפקודית בקליפת המוח בתוך הגולגולת השלמה. שיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי תפקוד השמיעה וניתן ליישם אותה על אופנים חושיים אחרים כגון ראייה ותחושה סומטית.
ידגימו את ההליך פאם ניקסון, טכנאית וטרינרית רשומה, ואיימי הול, סטודנטית לתואר שני במעבדה שלנו. כל ההליכים בבעלי חיים כמתואר בפרוטוקול זה, חייבים לקבל אישור מוועדת השימוש בבעלי חיים של המוסד שלך לפני הניסוי. כדי להתחיל בהכנה לפרוטוקול זה, חבר תחילה את המחשב, שישמש להצגת הגירוי השמיעתי לכרטיס הקול החיצוני באמצעות כבל USB.
לאחר מכן חבר את הכבלים המחברים את יציאות הפלט של כרטיס הקול החיצוני ליציאות הקלט של מגבר המתח הסטריאו. לאחר מכן, חבר כבלים המחברים את יציאות הפלט של מגבר הכוח הסטריאו ליציאות הקלט של תיבת השנאי של מערכת האוזניות התואמות FMRI. השתמש בכבלים קואקסיאליים מסוככים עם חיבורי BNC כדי לחבר את תיבת השנאי ללוח החדירה מחוץ לחדר הסורק.
לאחר מכן חבר את מכלול כבל האוזניות ליציאות ה-BNC המתאימות בלוח החדירה. בתוך חדר הסורק, חבר את קצות אוזניות הקצף לאוזניות. לאחר מכן חבר את האוזניות למכלול הכבל.
הפעל גירוי שמיעתי לבדיקה כדי לאשר שהצליל מועבר מהמחשב לאוזניות. נתק את האוזניות והכנס את הקצף היטב לאוזני החתול במהלך שלב הכנת החיה. ראשית, הגדר את משאבת המזרק שתשמש לשמירה על הרדמה תוך שילוב של 60 מיליליטר מי מלח ו-0.07 מיליליטר קטמין במזרק של 60 מיליליטר והנח אותו במשאבת המזרק.
לאחר מכן יש לתת תערובת הרגעה של אטרופין סולפט ו-SUP promazine באמצעות זריקה תת עורית. לאחר 20 דקות, יש לתת קטמין ו-d מיטו הידרוכלוריד באמצעות זריקה תוך שרירית כדי לגרום להרדמה. לאחר שהחתול איבד את רפלקס הכתיבה שלו, מרחו משחה עיניים על העיניים כדי למנוע יובש במהלך ההליך.
כמו כן, הנח קטטר שוכן בווריד הספנוס המדיאלי להעברה תוך ורידית של קטמין. במהלך ההליך, שוב, בדקו השראת הרדמה מוצלחת על ידי צביטת אצבע על ארבע הכפות והתבוננות אם החתול מושך את כפתו. לאחר שרפלקס עלי הכותרת נעלם, יש לדכא את רפלקס איסור הפרסום על ידי ריסוס לידוקאין על דפנות הלוע.
לאחר מכן החדירו את החתול עם צינור אנדוטרכאלי 4.0 או 4.5. שמור על הרדמה לאורך כל מפגש ההדמיה עם קצב עירוי קבוע של קטמין ואיזוף פלואור בשאיפה המועבר ב-100% חמצן ב-1 עד 1.5 ליטר לדקה. השכבה הבאה מבודדת ניילון בועות פלסטיק על רצפת המזחלת התואמת ל-MRI.
לאחר מכן הניחו רפידות חימום מלאות בשעווה חמה על גבי ניילון הבועות. מניחים שכבה נוספת של ניילון נצמד על גבי כריות החימום. לאחר מכן הניחו את החתול בתנוחת חזה בתוך עטיפת הבועות המבודדת במזחלת תואמת MRI.
לאחר שהחתול ממוקם, כוונו את הראש כדי לקבל גישה לאוזניים. גלגל את קצות אוזני הקצף לקוטר הקטן ביותר האפשרי. לאחר מכן הכנס כל מתאם אוזניה עמוק לתוך תעלת האוזן.
לאחר החדרתם, קצות האוזניים המוקצפות צריכות להתרחב כדי למלא את החלל בתוך תעלות האוזן. כוונן את החתול עד שראשו ממוקם כראוי בתוך סליל תדר הרדיו התלת-ערוצי, ייצב את הראש עם דampקצף זיכרון אקוסטי. הקפד להניח קצף סביב האוזניים כדי לספק הנחתה נוספת של רעש הסורק.
כעת עטפו את גופת החתול בשמיכה של ניילון בועות פלסטיק מבודד. לאחר מכן אבטח והובל את המזחלת למיטת הסורק. חברו את קווי העירוי, צינורות ההרדמה וציוד הניטור לחתול.
כמו כן, חבר את האוזניות למכלול כבל האוזניות המחובר ללוח החדירה. התחל את עירוי הקטמין בקצב הזרימה הבסיסי של 0.6 מיליגרם לק"ג לשעה. לאחר מכן הגדל את קצב הזרימה כנדרש בהתבסס על עומק ההרדמה, הגדר את מינון הפלואור הראשוני ל-0.5%ואז הורד ל-0.4% לאחר איסוף הסריקות האנטומיות.
עקבו ורשמו את ריווי החמצן בדם של החתול ואת רמות ה-CO2 של החתול, קצב הלב, הנשימה וטמפרטורת פי הטבעת לאורך כל הניסוי. שימוש בציוד ניטור תואם MRI הממוקם במרחק מתאים מהסורק. עלייה קבועה בקצב הלב ובנשימה קשורה בדרך כלל להתאוששות קרובה מהרדמה.
התחל באיסוף סריקות ייחוס אנטומיות של מוח החתול בכיוון פרוסה צירית באמצעות רצף הדמיית הבזק עם פרמטרי ההדמיה הנראים על המסך כאן. משך הסריקה האנטומית צריך להיות כשש דקות. לאחר מכן, הגדר להדמיה פונקציונלית באמצעות רכישה מישורית של הד משולב מקוטע עם פרמטרי ההדמיה הנראים על המסך כאן.
התחל את רכישת נפח התמונה תוך הצגת גירוי רעש לבן בפס רחב. בתכנון בלוק, יש להפעיל את הגירוי השמיעתי למשך 30 שניות ולסירוגין עם מצב בסיס שקט 32. חזור על שלב זה עד לעורר אקוסטית פעילויות נועזות שנצפו בקליפת המוח השמיעתית.
משך כל ריצה פונקציונלית באמצעות עיצוב בלוק צריך להיות כ-4.5 דקות עבור 90 כרכים. הצג את הגירוי למספר הרצוי של ריצות פונקציונליות. לאחר השלמת סשן ה-MRI, הוציאו את החתול מהמזחלת.
המשיכו לספק חימום משלים עם כריות חימום ומגבות עד שהחיה תתאושש לחלוטין. לאחר חזרת רפלקס הקאה, הסר את הצינור האנדוטרכיאלי. עקוב אחר ה-CAT עד לשחזור רפלקס הכתיבה.
לאחר מכן החזירו את החיה למתקן. העריכו את החיה למחרת ההליך כדי להבטיח שאין תופעות לוואי מהניסוי. לאחר הניסוי, בחר תוכנת ניתוח FMRI מתאימה כגון SPM או FSL כדי לעבד את הנפחים הפונקציונליים שנרכשו.
כאן אנו יכולים לראות את ההפעלה הנועזת בשני בעלי חיים בתגובה לגירוי רעש פס רחב 32 המוצג בבלוק. תכנן את המפות הסטטיסטיות של T של רעש הפס הרחב לעומת ניגודיות הבסיס. בשני מישורי פרוסות תמונה חושפים אשכולות רציפים של פעילות אקוסטית דו-צדדית בקליפת המוח השמיעתית.
תרשימים אלה מציגים מודולציות באות המודגש במהלך ריצה פונקציונלית אחת בווקסלים המודגשים. וכאן אנו יכולים לראות את מסלולי הזמן הממוצע הקשורים לאירוע של התגובה המודגשת מנורמלים לאות הבסיס המודגש הממוצע. בדוגמאות אלה, האות המודגש מציג עלייה משמעותית ביחס לקו הבסיס שלוש עד שש שניות לאחר תחילת הגירוי.
בעת ניסיון הליך זה, חשוב לעקוב מקרוב אחר הפרמטרים הפיזיולוגיים של החתול כדי להבטיח רמה עקבית של טשטוש לאורך כל ההליך. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות בעל הבנה טובה כיצד לבצע ניסוי הדמיית תהודה מגנטית תפקודי כדי לבחון את תפקוד קליפת המוח השמיעתית בתכשיר מורדם. אל תשכח שעבודה עם סורקי MRI עלולה להיות מסוכנת.
בעת ביצוע הליך זה, ודא תמיד שהצוות נבדק כראוי, שמערך הניסוי תואם MRI, ושמכשירי הניטור בטוחים ל-MRI או ממוקמים במרחק בטוח מהמגנט.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מפרט שיטה להדמיית דפוסי פעילות המודינמית בקליפת המוח השמיעתית של חתולים באמצעות דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI). מחקר זה שואף לספק תובנות לגבי הדמיה תפקודית של המערכת השמיעתית ביונקים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- דימות תפקודי
- מערכת השמיעה
רקע
- שיטות מסורתיות לחקר מערכת השמיעה כוללות הקלטות אלקטרופיזיולוגיות.
- דימות תהודה מגנטית פונקציונלית (fMRI) מאפשרת ויזואליזציה של פעילות מוחית בתגובה לצליל.
- מחקר זה מתמקד בקליפת השמיעה השלמה של החתול.
- הבנת העיבוד השמיעתי חיונית להשגת תובנות לגבי תפקוד המוח של יונקים.
מטרת המחקר
- לבצע דימות תפקודי של קליפת השמיעה בחתול באמצעות fMRI בשדה גבוה.
- להעריך את רמות הפעילות המוחית במהלך השמעת צלילים.
- להמחיש תבניות רחבות של פעילות המודינמית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנה של ציוד קול עבור הצגת הגירויים.
- הרדמה והצבת החתול במחת (sled) תואם-MRI.
- איסוף תמונות אנטומיות ופונקציונליות במהלך הצגת הגירויים.
- עיבוד תמונות לכימות רמות הפעילות המוחית.
תוצאות עיקריות
- דימות מוצלח של קליפת השמיעה השלמה במהלך השמעת צלילים.
- כימות של רמות הפעילות המוחית בתגובה לגירויים שמיעתיים.
- ויזואליזציה של דפוסי פעילות המודינמית ברחבי קליפת השמיעה.
מסקנות
- דימות תפקודי מספק תובחנות בעלות ערך לגבי עיבוד שמיעתי ביונקים.
- ניתן ליישם את השיטה במחקרים נוספים של תפקודי מוח הקשורים לקול.
- fMRI בשדה גבוה יעיל לחקר פעילות מוחית רחבת היקף.
שאלות נשאלות שוב ושוב
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
דימיון תפקודי של קליפת המוח השמיעתית בחתולים בוגרים באמצעות fMRI בשדה גבוה מאפשר השוואה בין-מינית של תגובות המודינמיות, ובכך תומך במדעי העצבים תרגומיים במחקר של עיבוד שמיעתי. שיטה זו מגשרת בין מחקרי fMRI בבני אדם לבין אלקטרופיזיולוגיה בבעלי חיים, ובכך מקלה על תיקוף מטרות במודולציה של המסלול השמיעתי והסרת סיכונים מכניסטית עבור טיפולים תחושתיים. היא מספקת ביטחון חיזוי במודלים של תפקוד שמיעתי על ידי כימות הפעלה מוחית המעוררת גירוי במערכות קורטיקליות שלמות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של ההיררכיה והארגון התפקודי של קליפת המוח השמיעתית במודל של יונקים.
- ערך תפעולי: מספק מיפוי המודינמי לא פולשני של המוח כולו, כדי להבהיר את המעורבות של הנתיב השמיעתי.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מספק מדידות כמותיות של אות BOLD כקריאה הדירה לתגובה לגירוי שמיעתי.
- ערך תפעולי: תומך בסטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות הצגת גירויים במבנה של בלוקים (block-design) ופרוטוקולי הרדמה מבוקרים.
מחקר תרגומי וקדם-קליני
- ערך מדעי: מקל על מידול מערכות רלוונטיות למחלות על ידי מתן אפשרות להשוואת תפקוד שמיעתי בין מינים שונים.
- ערך תפעולי: מבטיח רצף תרגומי משלב הגילוי ועד לאישור פרה-קליני באמצעות קריאות דימות סטנדרטיות.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
השיטה משתלבת בביולוגיה של הגילוי על ידי כך שהיא מאפשרת בדיקת השערות לגבי הארגון של קליפת המוח השמיעתית, ותומכת במוכנות לסריקה באמצעות פלטים המודינמיים מדידים.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בהבהרת מסלולים ובהפחתת סיכונים ביולוגיים של יעדים שמיעתיים באמצעות מיפוי הפעלה של המוח כולו.
- סריקה: מספקת מוכנות לבדיקה (assay) באמצעות תגובות BOLD הדירות לגירויים שמיעתיים מבוקרים.
- אנליטיקה: מייצרת מדידות המודינמיות כמותיות המאפשרות השוואת הפעלה קורטיקלית בין תנאים שונים.
- מחקר תרגומי: מקשרת לרציפות פרה-קלינית באמצעות ויזואליזציה של קליפת השמיעה שאינה תלויה במין.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה לשימוש חוזר להערכת תפקודים חושיים רב-מודאליים מעבר למערכות שמיעה.
השפעה תפעולית ואורגנית
- ערך מדעי: ביטחון ניבוי במודלים של עיבוד שמיעתי באמצעות כימות תגובה המודינמית.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה ויכולת שחזור באמצעות הגשת גירויים תואמים ל-MRI וניטור פיזיולוגי.
- ערך אסטרטגי: הפחתת סיכון ביולוגי בבחירת מטרות חושיות באמצעות תיקוף תפקודי בין-מיני.
- השפעה על הפורטפוליו: מספק בסיס להחלטות המשך (go/no-go) בפיתוח טיפולים שמיעתיים באמצעות מדדי הפעלה אובייקטיביים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בהרדמה וטרינרית, פיזיולוגיה של MRI ומערכות להגשת גירויים שמיעתיים.
- תלוי בתשתית MRI שדה גבוה, חומרה להגשת צלילים וניטור פיזיולוגי תואם fMRI.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין מחלקות הנוירולוגיה, מדעי הווטרינריה ותפעול הדימות.
- שיקולי התאמה כוללים שונות במערכת המודל באנטומיה השמיעתית ובתזמון התגובה ההמודינמית.
- מגבלות מעשיות כוללות משתעלים פיזיולוגיים הנגרמים מההרדמה והפרעות מרעש הסורק הדורשות מיתון.
