Functionele Beeldvorming van de auditieve cortex in volwassen katten met behulp van High-field fMRI
19 februari 2014
Functionele studies van het gehoorsysteem bij zoogdieren zijn traditioneel uitgevoerd met behulp van ruimtelijk gerichte technieken zoals elektrofysiologische opnames. Het volgende protocol beschrijft een methode voor het visualiseren van grootschalige patronen van geïnduceerde hemodynamische activiteit in de gehoorschors van katten met behulp van functionele magnetische resonantie beeldvorming.
Het algemene doel van deze procedure is om de intacte gehoorschors van de kat functioneel te beeldvormen met behulp van functionele magnetische resonantiebeeldvorming met een hoog veld. Dit wordt bereikt door eerst de geluidsapparatuur voor te bereiden voor het presenteren van stimuli. De tweede stap is om de kat voor te bereiden op het scannen door middel van anesthesie en vervolgens in een MRI-compatibele slede te plaatsen.
Vervolgens worden anatomische en functionele beelden verzameld over de hele hersenen tijdens het presenteren van stimuli. De laatste stap is om de beelden te verwerken om de mate van hersenactivatie tijdens het presenteren van stimuli te kwantificeren. Uiteindelijk wordt functioneel beeldvormen gebruikt om de mate van activering tijdens geluidspresentatie in de intacte gehoorschors van de kat te tonen.
Deze methode kan worden gebruikt om sleutelvragen over gehoorfunctie te helpen beantwoorden, zoals de bestaande hiërarchie in de gehoorschors. Het belangrijkste voordeel van deze techniek boven bestaande methoden zoals optische beeldvorming, is dat fMRI niet-invasief is en functionele corticale activiteit binnen de intacte schedel kan meten. Deze methode kan inzicht geven in gehoorfunctie en kan worden toegepast op andere sensorische modaliteiten zoals zicht en somatische sensatie.
Het demonstreren van de procedure zal worden gedaan door Pam Nixon, een geregistreerde dierenverzorger, en Amy Hall, een afgestudeerde student in ons laboratorium. Alle dierproeven zoals beschreven in dit protocol, moeten goedkeuring krijgen van het diergebruikcomité van uw instelling vóór het experiment. Om te beginnen met de voorbereiding voor dit protocol, sluit u eerst de computer aan, die zal worden gebruikt om het auditieve stimulus te presenteren aan de externe geluidskaart via een USB-kabel.
Bevestig vervolgens de kabels die de uitgangspoorten van de externe geluidskaart verbinden met de ingangspoorten van de stereoversterker. Bevestig vervolgens kabels die de uitgangspoorten van de stereoversterker verbinden met de ingangspoorten van de transformatorbox van het FMRI-compatibele oordopjessysteem. Gebruik afgeschermde coaxiale kabels met BNC-aansluitingen om de transformatorbox te verbinden met het penetratiepaneel buiten de scannerruimte.
Verbind vervolgens de oordopjeskabelsamenstelling met de bijbehorende BNC-poorten op het penetratiepaneel. In de scannerruimte, bevestig de schuimrubberen oordopjes aan de oordopjes. Verbind vervolgens de oordopjes met de kabelsamenstelling.
Voer een testauditieve stimulus uit om te bevestigen dat geluid wordt verzonden van de computer naar de oordopjes. Koppel de oordopjes los en plaats de schuimrubberen oordopjes veilig in de oren van de kat Tijdens de voorbereidingsfase van het dier. Stel eerst de spuitpomp in om anesthesie te onderhouden tijdens het beeldvormen door 60 milliliter zoutoplossing en 0,07 milliliter ketamine te combineren in een 60 milliliter spuit en deze in de spuitpomp te plaatsen.
Dien vervolgens een sedatief mengsel van atropinesulfaat en een SUP promazine toe via een subcutane injectie. Na 20 minuten, dien ketamine en d meato-hydrochloride toe via een intramusculaire injectie om anesthesie te induceren. Zodra de kat zijn schrijfreflex heeft verloren, breng ooglijm aan op de ogen om uitdroging tijdens de procedure te voorkomen.
Plaats ook een intraveneuze katheter in de mediale saphenusvene voor intraveneuze toediening van ketamine. Tijdens de procedure, test opnieuw voor succesvolle anesthesie-inductie door een teen op de vier poten te knijpen en te observeren of de kat zijn poot terugtrekt. Zodra de petalreflex verdwijnt, onderdruk de uitspugingsreflex door lidocaine op de farynxwanden te sproeien.
Vervolgens intubeer de kat met een 4,0 of 4,5 endotrocheeale buis. Handhaaf anesthesie gedurende de hele beeldvormingssessie met een constante infusiesnelheid van ketamine en geïnhaleerd isofluorine geleverd in 100% zuurstof bij een snelheid van één tot 1,5 liter per minuut. Leg vervolgens isolerende kunststof luchtbellenfolie op de bodem van de MRI-compatibele slede.
Plaats vervolgens warme was gevulde verwarmingskussens bovenop de luchtbellenfolie. Plaats een andere laag kunststof luchtbellenfolie bovenop de verwarmingskussens. Plaats vervolgens de kat in een sternale positie binnen de isolerende luchtbellenfolie in de MRI-compatibele slede.
Zodra de kat is gepositioneerd, pas het hoofd aan om toegang te krijgen tot de oren. Rol de schuimrubberen oordopjes tot de kleinste mogelijke diameter. Breng vervolgens elke oordop diep in de gehoorgang in.
Eenmaal ingebracht, moeten de schuimrubberen oordopjes uitzetten om de ruimte binnen de gehoorgangen te vullen. Pas de kat aan tot zijn hoofd op de juiste manier is gepositioneerd binnen de drie-kanaals radiofrequentie spoel, stabiliseer het hoofd met akoestisch dempingsgeheugenschuim. Zorg ervoor dat u schuim rond de oren plaatst om extra demping van het scannergeluid te bieden.
Wickel nu het lichaam van de kat in een deken van isolerende kunststof luchtbellenfolie. Bevestig vervolgens en transporteer de slede naar de scannerbed. Verbind de infusiegereedschappen, anesthesieafvoerbuizen en bewakingsapparatuur met de kat.
Verbind ook de oordopjes met de oordopjeskabelsamenstelling die aan het penetratiepaneel is bevestigd. Start de ketamine-infusie bij een basisstroomsnelheid van 0,6 milligram per kilogram per uur. Verhoog vervolgens de stroomsnelheid indien nodig Op basis van de diepte van anesthesie, stel de initiële dosis isofluorine in op 0,5% en verlaag deze vervolgens tot 0,4% nadat de anatomische scans zijn verzameld.
Bewaak en registreer de zuurstofverzadiging van het bloed van de kat en de CO2-niveaus, hartslag, ademhaling en rectale temperatuur gedurende het hele experiment. Gebruik MRI-compatibele bewakingsapparatuur gepositioneerd op een geschikte afstand van de scanner. Stedelijke toename van de hartslag en ademhaling wordt meestal geassocieerd met een aanstaande herstel van de anesthesie.
Begin met het verzamelen van anatomische referentiebeelden van de hersenen van de kat in een axiale slice-oriëntatie met behulp van een flashbeeldvormingssequentie met de
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft een methode voor het visualiseren van hemodynamische activiteitspatronen in de auditieve cortex van katten met behulp van functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI). Het onderzoek heeft als doel inzichten te bieden in de functionele beeldvorming van het auditieve systeem bij zoogdieren.
Belangrijke onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Functionele beeldvorming
- Auditief systeem
Achtergrond
- Traditionele methoden voor het bestuderen van het auditieve systeem omvatten elektrofysiologische opnames.
- Functionele magnetische resonantie beeldvorming maakt het mogelijk om hersenactiviteit in reactie op geluid te visualiseren.
- Dit onderzoek richt zich op de intacte auditieve cortex van de kat.
- Het begrijpen van auditieve verwerking is cruciaal voor inzichten in de hersenfunctie van zoogdieren.
Doel van het onderzoek
- Om de auditieve cortex van de kat functioneel af te beelden met behulp van high field fMRI.
- Om de hersenactivatieniveaus tijdens geluidspresentatie te beoordelen.
- Om grootschalige patronen van hemodynamische activiteit te visualiseren.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van geluidsapparatuur voor stimuluspresentatie.
- Verdoving en positionering van de kat in een MRI-compatibele slede.
- Verzamelen van anatomische en functionele beelden tijdens stimuluspresentatie.
- Verwerken van beelden om hersenactivatieniveaus te kwantificeren.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle beeldvorming van de intacte auditieve cortex tijdens geluidspresentatie.
- Kwantificering van hersenactivatieniveaus in reactie op auditieve stimuli.
- Visualisatie van hemodynamische activiteitspatronen in de auditieve cortex.
Conclusies
- Functionele beeldvorming biedt waardevolle inzichten in auditieve verwerking bij zoogdieren.
- De methode kan worden toegepast op verdere studies van hersenfunctie gerelateerd aan geluid.
- High field fMRI is effectief voor het bestuderen van grootschalige hersenactiviteit.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Functional imaging of auditory cortex in adult cats using high-field fMRI enables cross-species comparison of hemodynamic responses, supporting translational neuroscience in auditory processing research. This method bridges human fMRI studies and animal electrophysiology, facilitating target validation in auditory pathway modulation and mechanistic de-risking for sensory therapeutics. It provides predictive confidence in auditory function models by quantifying stimulus-evoked brain activation in intact cortical systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of auditory cortex hierarchy and functional organization in a mammalian model.
- Operational Value: Provides non-invasive, whole-brain hemodynamic mapping to clarify auditory pathway engagement.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Delivers quantitative BOLD signal measurements as a reproducible readout for auditory stimulus response.
- Operational Value: Supports assay standardization through block-design stimulus presentation and controlled anesthesia protocols.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates disease-relevant system modeling by enabling cross-species auditory function comparison.
- Operational Value: Ensures translational continuity from discovery to preclinical validation via standardized imaging readouts.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology by enabling hypothesis testing of auditory cortical organization and supports screening readiness through quantifiable hemodynamic outputs.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification and biological de-risking of auditory targets via whole-brain activation mapping.
- Screening: Provides assay readiness through reproducible BOLD responses to controlled auditory stimuli.
- Analytics: Generates quantitative hemodynamic measurements enabling cross-condition comparison of cortical activation.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through species-independent auditory cortex visualization.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for multimodal sensory function assessment beyond auditory systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in auditory processing models through hemodynamic response quantification.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via MRI-compatible stimulus delivery and physiological monitoring.
- Strategic Value: Reduced biological risk in sensory target selection through cross-species functional validation.
- Portfolio Impact: Informs go/no-go decisions in auditory therapeutic development via objective activation metrics.
Implementation Considerations
- Requires expertise in veterinary anesthesia, MRI physiology, and auditory stimulus delivery systems.
- Dependent on high-field MRI infrastructure, sound presentation hardware, and fMRI-compatible physiological monitoring.
- Necessitates cross-team standardization between neurology, veterinary science, and imaging operations.
- Adaptation considerations include model system variability in auditory anatomy and hemodynamic response timing.
- Practical limitations include anesthesia-induced physiological confounds and scanner noise interference requiring mitigation.
