Methodenartikel

Functionele Magnetische Resonantie Imaging (fMRI) met Auditieve Stimulatie in Zangvogels

17.7K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/4369

⸱

3 juni 2013

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Bio-Imaging Lab, University of Antwerp

In dit artikel

Samenvatting

Dit artikel toont een geoptimaliseerde procedure voor de beeldvorming van de neurale substraten van auditieve stimulatie in de zangvogelhersenen met behulp van functionele Magnetische Resonantie Imaging (fMRI). Het beschrijft de bereiding van de geluidsstimuli, de positionering van het onderwerp en de verwerving en daaropvolgende analyse van de fMRI data.

Samenvatting

De neurobiologie van vogelgezang, als model voor menselijke spraak, is een uitgesproken gebied van onderzoek in behavioral neuroscience. Overwegende elektrofysiologie en moleculaire aanpak kan het onderzoek van een van beide verschillende stimuli op enkele neuronen, of een stimulus in grote delen van de hersenen, bloedoxygenatie niveau afhankelijke (BOLD) functionele Magnetische Resonantie Imaging (fMRI) kunnen combineren van beide voordelen, dwz vergelijken de neurale activering geïnduceerd door verschillende stimuli in de gehele hersenen tegelijk. fMRI bij zangvogels is een uitdaging vanwege de geringe omvang van hun hersenen en omdat hun botten en vooral hun schedel bestaan ​​talrijke lucht holtes, het induceren van belang gevoeligheid artefacten. Gradiënt-echo (GE) BOLD fMRI is met succes toegepast op zangvogels 1-5 (voor een review, zie 6). Deze studies gericht op de primaire en secundaire auditieve hersengebieden, die vrij zijn van de gevoeligheid voor artefacten regio. Omdat processes van belang kan optreden buiten deze regio, is hele brein BOLD fMRI nodig met behulp van een MRI-sequentie minder gevoelig voor deze artefacten. Dit kan worden bereikt door spin-echo (SE) BOLD fMRI 7,8. In dit artikel beschrijven we hoe je deze techniek in zebravinken (Taeniopygia guttata), dat zijn kleine zangvogels met een lichaamsgewicht van 15-25 g uitgebreid bestudeerd in gedragsneurowetenschappen van vogelgezang gebruiken. Het belangrijkste onderwerp van fMRI onderzoek naar zangvogels is perceptie van de zang en lied leren. De auditieve aard van de prikkels in combinatie met de zwakke BOLD gevoeligheid van SE (vergeleken met GE) op basis van fMRI sequenties maakt de uitvoering van deze techniek zeer uitdagend.

Protocol

1. Voorbereiding van de auditieve stimuli

  1. Eerst registreren het geluid-stimuli, terwijl die wordt afgespeeld in de boring van de 7T MR-systeem. De boring is een afgesloten ruimte die de auditieve stimuli leidt tot verbetering van bepaalde auditieve frequenties verstoren. Figuur 1 toont de frequenties verbeterd en onderdrukt zoals door onze opnames van witte ruis die ter plaatse van het hoofd van de vogel in de magneet boring met een glasvezel-microfoon (Optimic 1160, Optoacoustics). Om deze kunstmatige verhoging te compenseren, wordt een equalizer functie toegepast op elke stimulus met WaveLab software. Voor onze configuratie zijn de functie uit een Gaussische kernel met de volgende parameters: de maximale amplitude:-20dB, gecentreerd op 3750 Hz, breedte: 0,05 octaven (overeenkomend met het bereik 2.500-5.000 Hz ons systeem).
  2. Het lied stimuli zijn samengesteld uit verschillende individuele lied motieven van elke vogel afgewisseld met periodes van stilte. De dfiguratie van deze stille periodes wordt aangepast aan het totale bedrag van geluid en stilte identiek over alle stimuli te houden. Deze constructie behoudt de natuurlijke intra-individuele en interindividuele variabiliteit van de lengte lied. De totale lengte van elke stimulus 16 sec. De intensiteit van elk nummer genormaliseerd in termen van aangepaste wortel van het gemiddelde kwadraat en high-pass gefilterd bij 400 Hz voordat geïntegreerd in de volledige stimulus (song en stille perioden). Deze manipulaties worden gedaan met behulp van Praat software.
  3. Het experiment bestaat uit een AAN / UIT blokuitvoering afwisselende auditieve stimulatie periodes (ON blokken) met rustperiodes (OFF blokken) (Figuur 2). Elk blok (ON en OFF) duurt 16 seconden, wat overeenkomt met de acquisitie tijd van 2 beelden (zie hieronder voor acquisitie). Elke stimulus type wordt 25 maal gepresenteerd, waardoor de acquisitie van 50 beelden per impuls en per onderwerp. De presentatie volgorde van de voorwaarden moeten worden gerandomiseerd binnen en tussenonderwerpen. Dit gerandomiseerde volgorde van de stimuli kan worden gecodeerd in presentatie-software.

2. Betreft Voorbereiding

2.1 Onderwerp en groepsgrootte

Hier presenteren we een protocol specifiek aangepast aan het gebruik van (volwassen) zebravinken. De keuze van de soort afhankelijk van de wetenschappelijke vraag. Echter, andere overwegingen zoals vogel robuustheid op anesthesie kan ook rekening worden gehouden. Zebravinken (Taeniopygia guttata) dienen te worden gehuisvest in volières onder een 12 uur licht: 12 uur donker fotoperiode en hebben toegang tot voedsel en water ad libitum gedurende het onderzoek. Het minimale aantal personen per experiment is 15. Dit aantal houdt rekening met de gevoeligheid van spin-echo fMRI en natuurlijke inter-individuele variabiliteit van biologische fenomenen gemeten in het experiment.

2.2 Installatie van de opstelling en voorbereiding van het dier

(Voor specificatiesvan de gebruikte apparatuur, verwijzen we naar de lijst van specifieke reagentia en apparatuur aan het eind van dit artikel)

  1. Installeer de snavel masker op de MRI-bed van een 7T MR-systeem en sluit deze aan op het gas controller apparaat met plastic buizen. Open beide zuurstof en stikstof gasflessen en schakel het gas controller apparaat (debiet zuurstof: 200 cc / min; stikstof: 400 cc / min).

Zoals hierboven vermeld, wordt een 7T MR systeem dat in de gepresenteerde instellingen. Andere MR systemen met verschillende veldsterktes zijn ook mogelijk, maar 7T een goed compromis wordt bereikt tussen de signaal-ruisverhouding en de mate van gevoeligheid artefacten (zie bespreking). Bij hogere veldsterktes de signaal-ruisverhouding zal toenemen samen met de mate van gevoeligheid artefacten.

  1. Schakel de feedback gestuurde systeem en de warme luchtstroom apparaat.
  2. Verdoven de zebravink met 3% isofluraan in een mengsel van zuurstof en stikstof door de introductie van zijn snavelin het masker en houdt het hoofd naar beneden totdat de vogel is volledig verdoofd. Dit kan worden geverifieerd door zachtjes trekken de voet: wanneer de vogel volledig verdoofd de voet niet worden teruggetrokken door de vogel. Bovendien zal de ogen van de vogel gedeeltelijk gesloten.
  3. Introduceer de cloaca temperatuursensor aan de lichaamstemperatuur te screenen en monitoren van de ademhaling door het plaatsen van een pneumatische sensor onder de zebravink buik. Sluit de mantel om het lichaam van de vogel (figuur 3) te beperken.
  4. Onderhouden ademhalingsfrequentie binnen het bereik van 40-100 ademhalingen per minuut en houdt de lichaamstemperatuur constant binnen een nauwe bandbreedte van 40 ± 0,5 ° C. Als de ademhaling assortiment is te laag / hoog, het niveau van de anesthesie (% isofluraan) dienovereenkomstig. Wanneer het probleem zich blijft voordoen, moet het experiment worden gestopt en het dier verwijderd uit de setup om te herstellen.
  5. Plaats de niet-magnetische dynamische luidsprekers aan weerszijden van de zebravink hoofd en converbind ze aan de versterker. Zorg ervoor dat de draden van de luidsprekers worden weggeleid van de temperatuursensor, want het kan de temperatuurmeting beïnvloeden wanneer te sluiten.
  6. Plaats het oppervlak RF spoel op de top van de zebravink hoofd en de positie van de zebravink in het midden van de magneet (en automatisch het middelpunt van de zendspoel, die is gelegen in het midden van de magneet).
  7. Verlaag de anesthesie niveau 1,5% isofluraan gemengd met zuurstof en stikstof.

3. Data Acquisition

  1. Verwerven van een set van 1 sagittale, 1 horizontale en 1 coronale gradiënt-echo (GE) scout afbeelding (tri-piloot sequence) en sets van horizontale, coronale en sagittale multi-slice beelden (loodsen T 2-gewogen snelle acquisitie relaxatie-enhanced ( RARE) SE sequentie) om de positie van de hersenen in de magneet (figuur 4) te bepalen.
  2. Verminderen het lawaai van de hellingen door hun hellingstijden tot 1000 microseconden.
  3. Bereid de fMRI volgorde: RARE T 2-gewogen sequentie, effectieve TE: 60 msec, TR: 2000 msec, ZELDZAME factor: 8, FOV: 16 mm, matrixgrootte: 64 x 32, oriëntatie: sagittale, slice dikte: 0.75 mm, Inter-slice dikte van de tussenruimte: 0,05 mm, 15 segmenten die bijna de gehele hersenen (Figuur 4).
  4. Selecteer de auditieve protocol (auditieve stimuli en de timing van de stimulus levering) in de presentatiesoftware. Dit protocol bestaat uit een opeenvolging van commando's - voor de initiatie van specifieke auditieve stimuli - die worden uitgevoerd op een specifieke scan-nummer. Bij elke herhaling binnen de fMRI volgorde, zal de scanner software een trigger te sturen naar de auditieve presentatie software die op hun beurt registreert de scan-nummer en voert de betreffende commando.
  5. Om ervoor te zorgen dat de auditieve presentatiesoftware geen enkele trekker van de scanner missen, wordt het auditieve protocol eerst geïnitieerd. Nadat het protocol volledig is geladen, wordt de fMRI volgorde gestart.
  6. Elke fMRI experiment wordt voorafgegaan door de acquisitie van 12 dummy beelden om het signaal toegeschreven aan de scannerruis een stabiele toestand te bereiken voordat auditieve stimulatie.
  7. Na overname zero-vul de data naar 64 x 64.
  8. Neem een ​​eerste (voorlopige) blik op de resultaten met behulp van de functionele Tool van Paravision (optie Verwerking / Functionele Beeldvorming). Bereken het verschil BOLD respons tussen alle ON blokken en de basislijn (OFF blokken). Deze analyse geeft een eerste indicatie van de kwaliteit van het experiment. Als er geen activering is te zien in de primaire auditieve gebieden in dit stadium, heeft de vogel waarschijnlijk niet horen / verwerkt de auditieve stimuli te wijten aan technische problemen met de stimulus presentatie, anesthesie-niveau, enz. De setup moet worden geverifieerd en de meting herhaald.
  9. Uitvoeren van een anatomische 3D ZELDZAME T2-gewogen sequentie in dezelfde richting als de vorige fMRI scans en met effectieve TE: 60 msec, TR: 2000 msec, ZELDZAME factor: 8, FOV: 16 mm, matrixgrootte: 256 x 128 x 64.
  10. Zero-vul de gegevens tot 256 x 256 x 256.
  11. Neem de zebravink uit de MRI bed en laat het herstellen van anesthesie in een kooi onder een rode lamp. Normaal gesproken, het herstel van een zebravink na isofluraananesthesie relatief snel gaat (maximaal 5 minuten). Na slechts een paar minuten, zal de vogels proberen op te staan ​​en zodra de vogel volledig is hersteld, zal het neerstrijken op een tak in plaats van zittend op de bodem van de kooi. De duur van de anesthesie ongeveer 2 uur voor het onderhavige experiment. De maximale tijd van isofluraananesthesie toegepast op zebravinken in ons lab is 6 uur, waarna de vogels ook teruggevonden binnen 5 minuten.

4. Data Processing

  1. Zetten de MR-gegevens in Analyseren of Nifti formaat.
  2. Omdat SPM is ontwikkeld om fMRI data verkregen in mensen verwerken, die voor voxels van ongeveer 2 mm. Talrijke SPM instellingen lenen voor deze benadering voxel. Als men niet wmier om al deze instellingen te wijzigen, de eenvoudigste manier om te gaan is om kunstmatig verhogen van de voxel grootte van de vogel fMRI data. Pas de voxel grootte in de header van de echte voxelgrootte met 10 behulp MRIcro vermenigvuldigen. Opgemerkt wordt, dat deze aanpassing niet de data op zichzelf geen resampling of andere wijzigingen van de data wordt toegepast beïnvloeden.

Een alternatief hiervoor is het gebruik van "SPMMouse 'die een toolbox waarmee SPM openen en analyseren van bestanden van elke voxel dimensie. De tool maakt het mogelijk SPM 'glazen brains' te worden gemaakt van een afbeelding, en past automatisch de standaardinstellingen lengteschalen op basis van de headers van beeldbestanden of door de gebruiker ingevoerde gegevens. Vandaar dat deze toolbox werkt in de tegenovergestelde manier dan wat wij voorstellen. In plaats van het veranderen van de voxel grootte van de afbeeldingen om te passen in SPM, worden de standaardinstellingen van SPM veranderd om afbeeldingen te gebruiken met verschillende voxel maten.

  1. Lijn de fMRI data. Co-registratie van de anatomische 3D dataset aan thij fMRI tijdreeksen. Normaliseren van de 3D-gegevens (en de co-geregistreerde fMRI tijdreeksen) aan de zebravink hersenen MRI atlas. Breng de transformatiematrix om de fMRI dataset. Dit kan allemaal worden gedaan met behulp van statistische Parametric Mapping (SPM) 8 software.
  2. Strijk de data met een 0,5-mm breedte Gaussiaanse kernel met SPM8.
  3. Voeren statistische voxel-based analyses met behulp SPM8. Model van de gegevens als een doos-auto (geen hemodynamische respons functie). Schatten modelparameters met de klassieke Restricted Maximum Likelihood algoritme. Bereken het gemiddelde effect van elke auditieve stimulus in elk onderwerp (fixed-effect analyse) en vervolgens berekenen statistieken als gewenst groep analyses (mixed-effect analyses).
  4. Projecteer het statistische parametrische kaart op de zebravink atlas (figuur 5) 9 in SPM8 aan de functionele activeringen (figuur 6) te lokaliseren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Wij hier visueel voorgesteld een geoptimaliseerde reeks van procedures voor een succesvolle beeldvorming van de neurale substraten van auditieve stimuli in zebravink hersenen. Ten eerste procedure voor de bereiding van de auditieve stimuli leidt stimuli die kunnen worden in een AAN / UIT paradigma blok (fig. 2) opgenomen en die zijn genormaliseerd om mogelijke verschillen in geluidsdrukniveau dat een differentiële respons in de hersenen kan oproepen elimineren . Na bereiding van de zebravink voor ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In dit rapport, een geoptimaliseerd protocol voor de gedetailleerde in-vivo karakterisatie van neurale substraten van auditieve stimulatie in verdoofde zebravinken beschrijven we.

In lijn met de gepresenteerde protocol, de meerderheid van de functionele hersenactiviteit studies bij dieren met behulp van BOLD fMRI, verdoven de dieren tijdens de overname. Training dieren te laten wennen aan de magneet milieu en de scanner lawaai tijdens de studieperioden is ook mogelijk, maar tijdrove...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Geen belangenconflicten verklaard.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd ondersteund door subsidies van het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek - Vlaanderen (FWO, project Nr G.0420.02 en G.0443.11N), de Herculesstichting (subsidie ​​Nr AUHA0012), gecoördineerde Research Actions (GOA financiering) van de Universiteit Antwerpen, en mede gesponsord door EC - FP6 project Dimi, LSHB-CT-2005-512146 en EC - FP6 project EMIL LSHC-CT-2004-503569 om A.VdL. G.DG en CP zijn postdocs van het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek - Vlaanderen (FWO).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Isofluraan anestheticumIsoflo05260-05
PC-Sam hardware/softwareSA-Instrumentshttp://www.i4sa.com
Monitorings- en gating-systeem1025
MR-compatibel verwarmingssysteem voor kleine knaagdierenCompatibel met Model 1025
Rectale temperatuursondeRTP-102B7'', 0.044''
7T MR-scannerBruker BiospinPHS 70/16
Paravision-software5.1
Gradient insertBGA9S400 mT/m, 300A, 500V
GradientversterkersCopley Co., USAC256
ZendresonatorenBinnendiameter: 72 mm, alleen verzendend, actief ontkoppeld
Ontvangstantenne - 20 mm quadrature muizenkopAlleen ontvangend, actief ontkoppeld
WaveLab-softwareSteinberg
Praat-softwarePaul Boersma, Universiteit van Amsterdamhttp://www.praat.org
Niet-magnetische dynamische luidsprekersVisation, DuitslandHK 150
GlasvezelmicrofoonOptoacoustics,Optimic 1160
GeluidsversterkerPhonic corporationMM 1002a
PresentatiesoftwareNeurobehavioral Systems Inc.
MRIcroChris Rordenhttp://www.cabiatl.com/mricro/mricro/
Statistical Parametric Mapping (SPM)Welcome Trust Centre for Neuroimaging8http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Zangvogelbreinspin echo fMRIzebrazeefinktauditieve cortexvoxelgebaseerde analyseMRI atlasanesthesieprotocoldatapreprocessing

Gerelateerde artikelen