JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
신경과학

Funktionel Imaging af Auditory Cortex i voksne katte ved hjælp af High-felt fMRI

Published: February 19, 2014
doi:
10.3791/50872
, , , , ,
1Department of Physiology and Pharmacology,University of Western Ontario, 2Department of Psychology,University of Western Ontario, 3Department of Medical Biophysics,University of Western Ontario, 4Brain and Mind Institute,University of Western Ontario, 5Centre for Functional and Metabolic Mapping, Robarts Research Institute,University of Western Ontario, 6Cerebral Systems Laboratory,University of Western Ontario, 7National Centre for Audiology,University of Western Ontario

Summary

Funktionelle studier af det auditive system hos pattedyr er traditionelt blevet udført ved anvendelse af rumligt fokuserede teknikker såsom elektrofysiologiske optagelser. Følgende protokol beskriver en fremgangsmåde til at visualisere store mønstre fremkaldt hæmodynamisk aktivitet i katten cortex hjælp af funktionel magnetisk resonans billeddannelse.

Abstract

Aktuelle viden om sensoriske forarbejdning i pattedyr auditive system er hovedsageligt stammer fra elektrofysiologiske studier i en række dyremodeller, herunder aber, fritter, flagermus, gnavere og katte. For at tegne passende paralleller mellem mennesker og dyremodeller af auditive funktion, er det vigtigt at etablere en bro mellem menneskers funktionelle billeddiagnostiske undersøgelser og animalske elektrofysiologiske studier. Funktionel magnetisk resonans (fMRI) er en etableret, minimalt invasiv metode til måling af brede mønstre af hæmodynamisk aktivitet på tværs af forskellige områder af hjernebarken. Denne teknik er almindeligt anvendt til at undersøge sensorisk funktion i den menneskelige hjerne, er et nyttigt redskab i at knytte studier af auditive behandling i både mennesker og dyr og er med succes blevet anvendt til at undersøge auditive funktion i aber og gnavere. Følgende protokol beskriver en eksperimentel procedure for at undersøge auditiv funktion i bedøvede voksenkatte ved at måle stimulus-fremkaldte hæmodynamiske ændringer i auditive cortex hjælp fMRI. Denne metode gør det lettere sammenligning af de hæmodynamiske respons på tværs af forskellige modeller af auditive funktion dermed fører til en bedre forståelse af arter-uafhængige funktioner i pattedyr auditive cortex.

Introduction

Nuværende forståelse af auditive behandling i pattedyr er hovedsageligt stammer fra invasive elektrofysiologiske studier hos aber 1-5, fritter 6-10, flagermus 11-14, gnavere 15-19, og katte 20-24. Elektrofysiologiske teknikker almindeligvis anvender ekstracellulære mikroelektroder at optage aktiviteten af ​​en enkelt eller flere neuroner inden for et lille område af neuralt væv, der omgiver elektroden spids. Etableret funktionelle billeddiagnostiske metoder, såsom optisk billeddannelse og funktionel magnetisk resonans (fMRI), tjene som nyttige supplementer til ekstracellulære indspilninger ved at give en makroskopisk perspektiv samtidig driven aktivitet på tværs af flere, rumligt adskilte områder af hjernen. Intrinsic signal optisk billeddannelse letter visualisering af fremkaldte aktivitet i hjernen ved at måle aktivitetsrelaterede ændringer i refleksionsegenskaber af overfladevand væv mens fMRI udnytter blod-ilt-niveau-afhængig (BOLD)kontrast til at måle stimulus-fremkaldte hæmodynamiske forandringer i hjernen regioner, der er aktive i løbet af en bestemt opgave. Optisk billeddannelse kræver direkte eksponering af kortikale overflade udtrykker udviklingen i overfladevævet reflektans der er relateret til stimulus-fremkaldte aktivitet 25. I sammenligning, fMRI er noninvasive og udnytter paramagnetiske egenskaber af deoxygenated blod til at måle både kortikale overflade 26-28 og sulcus-baserede 27,29 fremkaldte aktivitet inden for en intakt kranium. Stærke sammenhænge mellem BOLD signal og neuronal aktivitet i human primat visuelle cortex 30 og i menneskets auditive cortex 31 validere fMRI som et nyttigt redskab til at studere sensorisk funktion. Da fMRI har været brugt i udstrakt grad til at studere funktioner i auditive vej såsom tonotopic organisation 32-36, lateralisering auditive funktion 37 mønstre af kortikale aktivering, identifikation af kortikale regioner 38, effekter af lydintensitet på auditive respons egenskaber 39,40, og karakteristika af BOLD respons tidsforløbet 29,41 i human, abe, og rotte modeller, udvikling af en passende funktionel billeddannelse protokol til at studere auditive funktion i katten ville give et nyttigt supplement til den funktionelle billeddannelse litteratur. Mens fMRI har også været brugt til at udforske forskellige funktionelle aspekter af den visuelle cortex i den bedøvede kat 26-28,42, har kun få studier brugt denne teknik til at undersøge sensorisk forarbejdning i kat auditive cortex. Formålet med denne protokol er at etablere en effektiv metode til at bruge fMRI at kvantificere funktion i den auditive cortex i bedøvede kat. De eksperimentelle procedurerne i dette manuskript med succes er blevet brugt til at beskrive de elementer i BOLD responstid kursus i den voksne kat auditive cortex 43.

Protocol

Følgende procedure kan anvendes på enhver billeddannelse eksperiment, hvor bedøvede katte anvendes. Trin, der er specielt kræves for auditive eksperimenter (trin 1,1-1,7, 2,8, 4,1) kan modificeres til at rumme andre sensoriske stimulus protokoller. Alle eksperimentelle procedurer modtaget godkendelse fra de Animal Brug Underudvalget Universitet Råd om Animal Care på University of Western Ontario og fulgt de retningslinjer, der er angivet af den canadiske Rådet om Animal Care (CCAC) <s…

Representative Results

Repræsentative funktionelle data blev erhvervet i en 7T horisontal boring scanner og analyseres ved hjælp af statistiske Parametric Mapping Toolbox i Matlab. Robust corticale hæmodynamiske reaktioner på auditiv stimulation har konsekvent blevet observeret hos katte ved hjælp af den beskrevne forsøgsprotokol 43. Figur 6 illustrerer BOLD aktivering i 2 dyr som reaktion på en 30 sek bredbånds støj stimulus præsenteres i en blok design. T-statistik kort over bredbånds støj vs baseline…

Discussion

Ved udformningen af ​​en fMRI eksperiment for en bedøvet dyremodel af auditive funktion, bør der gives følgende emner nøje overvejelse: (i) virkningen af ​​anæstesi på kortikale svar, (ii) virkningen af ​​baggrunden scanner støj, og (iii) optimering af dataindsamlingen fase af den eksperimentelle procedure.

Mens en bedøvet præparat giver den vigtige fordel, at producere en længere periode sedation og minimere potentielle hoved bevægelse under en funktionel billeddannel…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne anerkende bidragene fra Kyle Gilbert, som designede den brugerdefinerede RF-spole, og Kevin Barker, som designede MR-kompatible slæden. Dette arbejde blev støttet af den canadiske Institutes of Health Research (CIHR), naturvidenskab og teknik Forskningsråd Canada (NSERC) og Canada Foundation for Innovation (CFI).

Materials

Material
Atropine sulphate injection 0.5 mg/mL Rafter 8 Products
Acepromazine 5 mg/mL Vetoquinol Inc.
Ketamine hydrochloride 100 mg/mL Bimeda-MTC
Dexmedetomidine hydrochloride (Dexdomitor 0.5 mg/mL) Orion Pharma
Isoflurane 99.9% Abbott Laboratories
Lidocaine (Xylocaine endotracheal 10 mg/metered dose) Astra Zeneca
Lubricating opthalmic ointment (Refresh Lacri Lube) Allergan Inc.
Saline 0.95%
IV Catheter 22g (wings)
IV Extension Set Codan US Corp. BC 269
IV Administration Set 10 drips/mL
Endotracheal tube 4.0
Heating pads (Snuggle Safe) Lenric C21 Ltd.
Syringe 60 mL
Equipment
External sound card Roland Corporation Cakewalk UA-25EX
Stereo power amplifier Pyle Audio Inc. Pyle Pro PCAU11
MRI-compatible insert earphone system Sensimetric Corporation Model S14
Foam ear tips for insert earphones E-A-R Auditory Systems Earlink 3B
End-tidal CO2 monitor Nellcor  N-85
MRI-compatible pulse oximeter Nonin Medical Inc. Model 7500
Syringe pump Harvard Apparatus 70-2208
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Kusmierek, P., Rauschecker, J. P. Functional Specialization of Medial Auditory Belt Cortex inthe Alert Rhesus Monkey. J. Neurophysiol. 102, 1606-1622 (2009).
  3. Recanzone, G. H., Guard, D. C., Phan, M. L. Frequency and Intensity Response Properties of Single Neurons in the Auditory Cortex of the Behaving Macaque Monkey. J. Neurophysiol. 83, 2315-2331 (2000).
  4. Godey, B., Atencio, C. A., Bonham, B. H., Schreiner, C. E., Cheung, S. W. Functional organization of squirrel monkey primary auditory cortex: Responses to frequency-modulation sweeps. J. Neurophysiol. 94, 1299-1311 (2005).
  5. Tian, B., Rauschecker, J. P. Processing of frequency-modulated sounds in the lateral auditory belt cortex of the rhesus monkey. J. Neurophysiol. 92, 2993-3013 (2004).
  6. Mrsic-Flogel, T. D., Versnel, H., King, A. J. Development of contralateral and ipsilateral frequency representations in ferret primary auditory cortex. Eur. J. Neurosci. 23, 780-792 (2006).
  7. Elhilali, M., Fritz, J. B., Chi, T. -. S., Shamma, S. A. Auditory Cortical Receptive Fields: Stable Entities with Plastic Abilities. J. Neurosci. 27, 10372-10382 (2007).
  8. Shamma, S. A., Fleshman, J. W., Wiser, P. R., Versnel, H. Organization of Response Areas in Ferret Primary Auditory Cortex. J. Neurophysiol. 69, 367-383 (1993).
  9. Kowalski, N., Versnel, H., Shamma, S. A. Comparison of Responses in the Anterior and Primary Auditory Fields of the Ferret Cortex. J. Neurophysiol. 73, 1513-1523 (1995).
  10. Nelken, I., Versnel, H. Responses to linear and logarithmic frequency-modulated sweeps in ferret primary auditory cortex. Eur. J. Neurosci. 12, 549-562 (2000).
  11. Shannon-Hartman, S., Wong, D., Maekawa, M. Processing Of Pure-Tone And FM Stimuli In The Auditory Cortex Of The FM Bat, Myotis lucifugus. Hearing Res. 61, 179-188 (1992).
  12. Razak, K. A., Fuzessery, Z. M. Neural Mechanisms Underlying Sensitivity for the Rate and Direction of Frequency-Modulated Sweeps in the Auditory Cortex of the Pallid. J. Neurophysiol. 96, 1303-1319 (2006).
  13. Razak, K. A., Fuzessery, Z. M. GABA Shapes Selectivity for the Rate and Direction of Frequency-Modulated Sweeps in the Auditory Cortex. J. Neurophysiol. 102, 1366-1378 (2009).
  14. Suga, N. Functional Properties of Auditory Neurones in the Cortex of Echo-Locating Bats. J. Physiol. 181, 671-700 (1965).
  15. Harrison, R. V., Kakigi, A., Hirakawa, H., Harel, N., Mount, R. J. Tonotopic mapping in auditory cortex of chinchilla. Hearing Res. 100, 157-163 (1996).
  16. Benson, D. A., Teas, D. C. Single Unit Study of Binaural Interaction in the Auditory Cortex of the Chinchilla. Brain Res. 103, 313-338 (1976).
  17. Ricketts, C., Mendelson, J. R., Anand, B., English, R. Responses to time-varying stimuli in rat auditory cortex. Hearing Res. 123, 27-30 (1998).
  18. Gaese, B. H., Ostwald, J. Temporal Coding of Amplitude and Frequency Modulation in the Rat Auditory Cortex. European J. Neurosci. 7, 438-450 (1995).
  19. Hage, S. R., Ehret, G. Mapping responses to frequency sweeps and tones in the inferior colliculus of house mice. Eur. J. Neurosci. 18, 2301-2312 (2003).
  20. Merzenich, M. M., Knight, P. L., Roth, G. L. Representation of Cochlea Within Primary Auditory Cortex in the Cat. J. Neurophysiol. 38, 231-249 (1975).
  21. Knight, P. L. Representation of the Cochlea within the Anterior Auditory Field (AAF) of the Cat. Brain Res. 130, 447-467 (1977).
  22. Sutter, M. L., Schreiner, C. E., McLean, M., O’Connor, K. N., Loftus, W. C. Organization of Inhibitory Frequency Receptive Fields in Cat Primary Auditory Cortex. J. Neurophysiol. 82, 2358-2371 (1999).
  23. Whitfield, I. C., Evans, E. F. Responses of Auditory Cortical Neurons to Stimuli of Changing Frequency. J. Neurophysiol. 28, 655-672 (1965).
  24. Mendelson, J. R., Cynader, M. S. Sensitivity of cat primary auditory cortex (AI) neurons to the direction and rate of frequency modulation. Brain Res. 327, 331-335 (1985).
  25. Pouratian, N., Toga, A. W., Toga, A. W., Mazziotta, J. C. . Brain Mapping: The Methods. , 97-140 (2002).
  26. Harel, N., Lee, S. P., Nagaoka, T., Kim, D. S., Kim, S. G. Origin of negative blood oxygenation level-dependent fMRI signals. J. Cereb. Blood Flow Metab. 22, 908-917 (2002).
  27. Olman, C., Ronen, I., Ugurbil, K., Kim, D. S. Retinotopic mapping in cat visual cortex using high-field functional magnetic resonance imaging. J. Neurosci. Methods. 131, 161-170 (2003).
  28. Kim, D. S., Duong, T. Q., Kim, S. G. High-resolution mapping of iso-orientation columns by fMRI. Nat. Neurosci. 3, 164-169 (2000).
  29. Belin, P., Zatorre, R. J., Hoge, R., Evans, A. C., Pike, B. Event-related fMRI of the auditory cortex. NeuroImage. 10, 417-429 (1999).
  30. Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature. 412, 150-157 (2001).
  31. Mukamel, R., et al. Coupling between neuronal firing, field potentials, and fMR1 in human auditory cortex. Science. 309, 951-954 (2005).
  32. Bilecen, D., Scheffler, K., Schmid, N., Tschopp, K., Seelig, J. Tonotopic organization of the human auditory cortex as detected by BOLD-FMRI. Hearing Res. 126, 19-27 (1998).
  33. Talavage, T. M., Ledden, P. J., Benson, R. R., Rosen, B. R., Melcher, J. R. Frequency-dependent responses exhibited by multiple regions in human auditory cortex. Hearing Res. 150, 225-244 (2000).
  34. Talavage, T. M., et al. Tonotopic organization in human auditory cortex revealed by progressions of frequency sensitivity. J. Neurophysiol. 91, 1282-1296 (2004).
  35. Wessinger, C. M., Buonocore, M. H., Kussmaul, C. L., Mangun, G. R. Tonotopy in human auditory cortex examined with functional magnetic resonance imaging. Human Brain Map. 5, 18-25 (1997).
  36. Cheung, M. M., et al. BOLD fMRI investigation of the rat auditory pathway and tonotopic organization. NeuroImage. 60, 1205-1211 (2012).
  37. Langers, D. R. M., van Dijk, P., Backes, W. H. Lateralization connectivity and plasticity in the human central auditory system. NeuroImage. 28, 490-499 (2005).
  38. Petkov, C. I., Kayser, C., Augath, M., Logothetis, N. K. Functional imaging reveals numerous fields in the monkey auditory cortex. PLoS Biol. 4, 1213-1226 (2006).
  39. Tanji, K., et al. Effect of sound intensity on tonotopic fMRI maps in the unanesthetized monkey. NeuroImage. 49, 150-157 (2010).
  40. Zhang, J. W., et al. Functional magnetic resonance imaging of sound pressure level encoding in the rat central auditory system. NeuroImage. 65, 119-126 (2013).
  41. Baumann, S., et al. Characterisation of the BOLD response time course at different levels of the auditory pathway in non-human primates. NeuroImage. 50, 1099-1108 (2010).
  42. Jezzard, P., Rauschecker, J. P., Malonek, D. An in vivo model for functional MRI in cat visual cortex. Magn. Reson. Med. 38, 699-705 (1997).
  43. Brown, T. A., et al. Characterisation of the blood-oxygen level-dependent (BOLD) response in cat auditory cortex using high-field fMRI. NeuroImage. 64, 458-465 (2013).
  44. Olfert, E. D., Cross, B. M., McWilliam, A. A. . Canadian Council on Animal Care. 1, (1993).
  45. Franceschini, M. A., et al. The effect of different anesthetics on neurovascular coupling. NeuroImage. 51, 1367-1377 (2010).
  46. Heil, P., Irvine, D. R. F. Functional specialization in auditory cortex: Responses to frequency-modulated stimuli in the cat’s posterior auditory field. J. Neurophysiol. 79, 3041-3059 (1998).
  47. Norena, A. J., Gourevitch, B., Pienkowski, M., Shaw, G., Eggermont, J. J. Increasing spectrotemporal sound density reveals an octave-based organization in cat primary auditory cortex. J. Neurosci. 28, 8885-8896 (2008).
  48. Pienkowski, M., Eggermont, J. J. Long-term, partially-reversible reorganization of frequency tuning in mature cat primary auditory cortex can be induced by passive exposure to moderate-level sounds. Hearing Res. 257, 24-40 (2009).
  49. Zurita, P., Villa, A. E. P., de Ribaupierre, Y., de Ribaupierre, F., Rouiller, E. M. Changes of single unit activity in the cat auditory thalamus and cortex associated with different anesthetic conditions. Neurosci. Res. 19, 303-316 (1994).
  50. Crosby, G., Crane, A. M., Sokoloff, L. Local changes in cerebral glucose-utilization during ketamine anesthesia. Anesthesiology. 56, 437-443 (1982).
  51. Zhao, F., Jin, T., Wang, P., Kim, S. -. G. Isoflurane anesthesia effect in functional imaging studies. NeuroImage. 38, 3-4 (2007).
  52. Cheung, S. W., et al. Auditory cortical neuron response differences under isoflurane versus pentobarbital anesthesia. Hearing Res. 156, 115-127 (2001).
  53. Dueck, M. H., et al. Propofol attenuates responses of the auditory cortex to acoustic stimulation in a dose-dependent manner: A FMRI study. Acta Anaesthesiol. Scand. 49, 784-791 (2005).
  54. Seifritz, E., et al. Spatiotemporal pattern of neural processing in the human auditory cortex. Science. 297, 1706-1708 (2002).
  55. Hall, D. A., et al. 34;Sparse" temporal sampling in auditory fMRI. Human Brain Map. 7, 213-223 (1999).
  56. Backes, W. H., van Dijk, P. Simultaneous sampling of event-related BOLD responses in auditory cortex and brainstem. Magn. Reson. Med. 47, 90-96 (2002).
  57. Grubb, T., Greene, S. A. . In Veterinary Anesthesia and Pain Management Secrets. , 121-126 (2002).

Tags

Functional ImagingAuditory CortexAdult CatsHigh-field FMRISensory ProcessingMammalian Auditory SystemElectrophysiologyAnimal ModelsFunctional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)Hemodynamic ActivityAuditory FunctionAnesthetized CatsStimulus-evoked Responses

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Brown, T. A., Gati, J. S., Hughes, S. M., Nixon, P. L., Menon, R. S., Lomber, S. G. Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI. J. Vis. Exp. (84), e50872, doi:10.3791/50872 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image