Name: Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) ze stymulacją słuchową u ptaków śpiewających (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-06-03T08:56:00.000+00:00
Duration: 13 min 5 s
Description: Poznaj nieinwazyjną metodę fMRI do badania przetwarzania słuchowego w mózgu ptaków śpiewających. Protokół obejmuje przygotowanie bodźców dźwiękowych, pozycjonowanie zebry zebrowej i analizę aktywacji mózgu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Niniejsze badania były wspierane przez granty z Research Foundation - Flanders (FWO, projekty nr G.0420.02 i G.0443.11N), Hercules Foundation (grant nr AUHA0012), Concerted Research Actions (finansowanie GOA) z University of Antwerp, a częściowo sponsorowane przez projekty EC - FP6 DiMI, LSHB-CT-2005-512146 oraz EC - FP6 EMIL LSHC-CT-2004-503569 dla A.VdL. G.DG i C.P. są stypendystami podoktorskimi Research Foundation - Flanders (FWO).

1. Przygotowanie bodźców słuchowych
<ol>
	<li>W pierwszej kolejności należy zarejestrować bodźce dźwiękowe podczas ich odtwarzania wewnątrz otworu systemu MR 7T. Otwór jest ograniczoną przestrzenią, która może zniekształcać bodźce słuchowe, co prowadzi do wzmocnienia określonych częstotliwości słuchowych. Rycina 1 przedstawia częstotliwości wzmocnione i stłumione, co wykazują nasze nagrania białego szumu wykonane w miejscu głowy ptaka wewnątrz otworu magnesu przy użyciu mikrofonu światłowodowego (Optimic 1160, Optoacoustics). Aby zrekompensować to sztuczne wzmocnienie, do każdego bodźca stosuje się funkcję korektora za pomocą oprogramowania WaveLab. W naszej konkretnej konfiguracji funkcja ta składa się z jądra Gaussa o następujących parametrach: maksymalna amplituda: -20dB, wycentrowana na 3,750 Hz, szerokość: 0,05 oktawy (co w naszym systemie odpowiada zakresowi 2,500-5,000 Hz).</li>
	<li>Bodźce w postaci pieśni składają się z kilku pojedynczych motywów pieśni każdego ptaka, przeplatanych okresami ciszy. Czas trwania tych okresów ciszy jest dostosowany tak, aby całkowita ilość dźwięku i ciszy była identyczna dla wszystkich bodźców. Taka konstrukcja zachowuje naturalną zmienność długości pieśni w obrębie osobników oraz między osobnikami. Całkowita długość każdego bodźca wynosi 16 sec. Intensywność każdej pieśni jest normalizowana pod kątem dopasowanej wartości średniej kwadratowej (root-mean-square) i filtrowana górnoprzepustowo przy 400 Hz przed zintegrowaniem w kompletny bodziec (pieśń i okresy ciszy). Manipulacje te są wykonywane przy użyciu oprogramowania Praat.</li>
	<li>Eksperyment opiera się na projekcie blokowym ON/OFF, w którym okresy stymulacji słuchowej (bloki ON) przeplatają się z okresami odpoczynku (bloki OFF) (Rycina 2). Każdy blok (ON i OFF) trwa 16 sec, co odpowiada czasowi akwizycji 2 obrazów (patrz poniżej w sekcji akwizycja). Każdy rodzaj bodźca jest prezentowany 25 razy, co skutkuje akwizycją 50 obrazów na bodziec i na badany osobnik. Kolejność prezentacji warunków powinna być randomizowana w obrębie oraz pomiędzy osobnikami. Taka zrandomizowana kolejność bodźców może zostać zaprogramowana w oprogramowaniu Presentation.</li>
</ol>
2. Przygotowanie obiektu
2.1 Badani i wielkość grup
W niniejszym opracowaniu przedstawiamy protokół dostosowany specjalnie do pracy z (dorosłymi) zebra finczami. Wybór gatunku zależy od postawionego pytania badawczego. Należy jednak wziąć pod uwagę również inne kwestie, takie jak odporność ptaków na znieczulenie. Zebra fincze (Taeniopygia guttata) powinny być utrzymywane w wolierach przy fotoperiodzie 12 h światła : 12 h ciemności i mieć ad libitum dostęp do pokarmu i wody przez cały czas trwania badania. Minimalna liczba osobników w jednym eksperymencie wynosi 15. Liczba ta uwzględnia czułość fMRI w sekwencji spin-echo oraz naturalną zmienność międzyosobniczą zjawisk biologicznych mierzonych w eksperymencie.
2.2 Instalacja zestawu i przygotowanie zwierzęcia
(W celu uzyskania szczegółowych informacji na temat wykorzystanego sprzętu, odsyłamy do listy konkretnych odczynników i sprzętu na końcu niniejszego artykułu)
<ol>
	<li>Zainstaluj maskę typu „beak mask” na stole do rezonansu magnetycznego w systemie MRI 7T i połącz ją z kontrolerem gazów za pomocą plastikowych rurek. Otwórz butle z tlenem i azotem, a następnie włącz kontroler gazów (przepływ tlenu: 200 cc/min; azotu: 400 cc/min).</li>
</ol>
Jak wspomniano powyżej, w przedstawionym układzie zastosowano system MR 7T. Możliwe jest użycie innych systemów MR o różnej indukcji pola, jednak przy 7T osiągnięto optymalny kompromis pomiędzy stosunkiem sygnału do szumu a stopniem występowania artefaktów podatności (patrz dyskusja). Przy wyższej indukcji pola stosunek sygnału do szumu wzrośnie wraz ze wzrostem stopnia występowania artefaktów podatności.
<ol start="2">
	<li>Włącz system z regulacją sprzężeniem zwrotnym oraz urządzenie do ogrzewania strumienia powietrza.</li>
	<li>Zanurz dziób kanarka w masce i trzymaj głowę ptaka skierowaną w dół do czasu pełnego znieczulenia, podając 3% izofluranu w mieszaninie tlenu i azotu. Można to zweryfikować, delikatnie pociągając za stopę: gdy ptak jest w pełni uśpiony, nie cofa stopy. Ponadto oczy ptaka będą częściowo przymknięte.</li>
	<li>Wprowadź sondę temperatury kloaki w celu pomiaru temperatury ciała i monitoruj częstotliwość oddychania, umieszczając czujnik pneumatyczny pod brzuchem kanarka. Zapnij kamizelkę, aby unieruchomić ciało ptaka (Rycina 3).</li>
	<li>Utrzymuj częstotliwość oddychania w zakresie 40 - 100 oddechów na minutę i stałą temperaturę ciała w wąskim zakresie 40 ± 0.5 °C. Gdy częstotliwość oddychania jest zbyt niska lub zbyt wysoka, odpowiednio dostosuj poziom znieczulenia (% izofluranu). Jeśli problem będzie się utrzymywał, należy przerwać eksperyment i wyjąć zwierzę z aparatury w celu wybudzenia.</li>
	<li>Umieść niemagnetyczne głośniki dynamiczne po obu stronach głowy kanarka i podłącz je do wzmacniacza. Upewnij się, że przewody głośników są poprowadzone z dala od sondy temperatury, ponieważ zbyt bliska odległość może wpływać na odczyty temperatury.</li>
	<li>Umieść powierzchniową cewkę RF na górnej części głowy kanarka i wypozycjonuj ptaka w centrum magnesu (co automatycznie oznacza centrum cewki nadawczej znajdującej się w środku magnesu).</li>
	<li>Zmniejsz poziom znieczulenia do 1.5% izofluranu w mieszaninie tlenu i azotu.</li>
</ol>
3. Pozyskiwanie danych
<ol>
	<li>Należy pozyskać zestaw 1 obrazu przeglądowego (scout) gradient-echo (GE) w płaszczyźnie strzałkowej, 1 poziomej i 1 czołowej (sekwencja tri-pilot) oraz zestawy obrazów wielowarstwowych w płaszczyznach poziomej, czołowej i strzałkowej (pilotażowa sekencja SE RARE T2-weighted rapid acquisition relaxation-enhanced), aby określić pozycję mózgu w magnesie (Rycina 4).</li>
	<li>Należy zmniejszyć szum gradientów poprzez zwiększenie ich czasów narastania (ramp times) do 1 000 μs.</li>
	<li>Przygotować sekwencję fMRI: sekwencja RARE T2-weighted, efektywne TE: 60 msec, TR: 2 000 msec, czynnik RARE: 8, FOV: 16 mm, rozmiar macierzy: 64 x 32, orientacja: strzałkowa, grubość warstwy: 0,75 mm, grubość przerwy międzywarstwowej: 0,05 mm, 15 warstw obejmujących niemal cały mózg (Rycina 4).</li>
	<li>W oprogramowaniu do prezentacji należy wybrać protokół słuchowy (bodźce słuchowe i czas ich podawania). Protokół ten składa się z sekwencji poleceń – inicjujących konkretne bodźce słuchowe – które są wykonywane przy określonym numerze skanu. Przy każdym powtórzeniu w sekwencji fMRI oprogramowanie skanera wysyła wyzwalacz (trigger) do oprogramowania prezentacji słuchowej, które z kolei rejestruje numer skanu i wykonuje odpowiednie polecenie.</li>
	<li>Aby upewnić się, że oprogramowanie prezentacji słuchowej nie pominie żadnego wyzwalacza ze skanera, w pierwszej kolejności uruchamia się protokół słuchowy. Po pełnym załadowaniu protokołu rozpoczyna się sekwencję fMRI.</li>
	<li>Każdemu eksperymentowi fMRI poprzedza pozyskanie 12 obrazów pustych (dummy images), aby sygnał przypisany do szumu skanera osiągnął stan stacjonarny przed rozpoczęciem stymulacji słuchowej.</li>
	<li>Po pozyskaniu danych należy zastosować zero-filling do rozmiaru 64 x 64.</li>
	<li>Należy dokonać wstępnej oceny wyników za pomocą narzędzia Functional Tool programu Paravision (opcja Processing/Functional Imaging). Obliczamy różnicową odpowiedź BOLD pomiędzy wszystkimi blokami aktywnymi (ON) a linią bazową (bloki OFF). Analiza ta daje wstępną informację o jakości eksperymentu. Jeśli na tym etapie nie stwierdzono aktywacji w głównych obszarach słuchowych, ptak prawdopodobnie nie słyszał lub nie przetwarzał bodźców słuchowych z powodu problemów technicznych z prezentacją bodźców, poziomu znieczulenia itp. W takim przypadku należy zweryfikować ustawienia i powtórzyć pomiar.</li>
	<li>Należy uruchomić anatomiczną sekwencję 3D RARE T2-weighted w tej samej orientacji co poprzednie skany fMRI, z efektywnym TE: 60 msec, TR: 2 000 msec, czynnikiem RARE: 8, FOV: 16 mm i rozmiarem macierzy 256 x 128 x 64.</li>
	<li>Należy zastosować zero-filling danych do rozmiaru 256 x 256 x 256.</li>
	<li>Zebra fincha należy zdjąć z łóżka MRI i pozwolić mu dojść do siebie po znieczuleniu w klatce pod czerwoną lampą. Zazwyczaj powrót zebra fincha do sprawności po znieczuleniu izofluranem przebiega stosunkowo szybko (maksymalnie 5 min). Już po kilku minutach ptaki próbują wstać, a po pełnym wybudzeniu siadają na gałązce zamiast na dnie klatki. Czas trwania znieczulenia w niniejszym eksperymencie wynosi około 2 hr. Maksymalny czas znieczulenia izofluranem stosowany dla zebra finchów w naszym laboratorium to 6 hr, po którym ptaki również budziły się w ciągu 5 min.</li>
</ol>
4. Przetwarzanie danych
<ol>
	<li>Konwertuj dane MR do formatu Analyze lub Nifti.</li>
	<li>Ponieważ program SPM został opracowany do przetwarzania danych fMRI pozyskanych od ludzi, czyli dla wokseli o rozmiarze około 2 mm, wiele ustawień SPM jest dostosowanych do tej przybliżonej wielkości woksela. Jeśli nie chce się zmieniać wszystkich tych ustawień, najprostszym sposobem postępowania jest sztuczne zwiększenie rozmiaru wokseli w danych fMRI ptaków. Za pomocą programu MRIcro dostosuj rozmiar woksela w nagłówku, mnożąc rzeczywisty rozmiar woksela przez 10. Należy zauważyć, że taka korekta nie wpływa na same dane; nie jest stosowany ponowny próbkowanie ani żadne inne modyfikacje danych.</li>
</ol>
Alternatywą do tego rozwiązania jest zastosowanie narzędzia „SPMMouse”, które stanowi zestaw narzędzi umożliwiający programowi SPM otwieranie i analizowanie plików o dowolnym wymiarze wokseli. Narzędzie to pozwala na tworzenie tzw. „szklanych mózgów” (glass brains) w SPM z dowolnego obrazu i automatycznie dostosowuje domyślne skale długości na podstawie nagłówków plików obrazów lub danych wprowadzonych przez użytkownika. Zatem zestaw narzędzi ten działa w sposób przeciwny do proponowanego przez nas rozwiązania. Zamiast zmieniać rozmiar wokseli w obrazach, aby dopasować je do SPM, zmieniane są domyślne ustawienia SPM, aby umożliwić korzystanie z obrazów o różnych rozmiarach wokseli.
<ol start="3">
	<li>Wykonaj ponowne wyrównanie danych fMRI. Przeprowadź korejestrację anatomicznego zbioru danych 3D z szeregami czasowymi fMRI. Znormalizuj dane 3D (oraz skorejestrowane szeregi czasowe fMRI) do atlasu MRI mózgu zebry wyżynnej. Zastosuj macierz transformacji do zbioru danych fMRI. Wszystkie te kroki można wykonać przy użyciu oprogramowania Statistical Parametric Mapping (SPM) 8.</li>
	<li>Wygładź dane za pomocą jądra Gaussa o szerokości 0,5 mm w programie SPM8.</li>
	<li>Przeprowadź statystyczne analizy oparte na wokselach przy użyciu SPM8. Modeluj dane jako funkcję prostokątną (bez funkcji odpowiedzi hemodynamicznej). Oszacuj parametry modelu za pomocą klasycznego algorytmu Restricted Maximum Likelihood. Oblicz średni efekt każdego bodźca słuchowego dla każdego osobnika (analiza efektów stałych), a następnie oblicz statystyki wymagane do analiz grupowych (analizy efektów mieszanych).</li>
	<li>Zrzutuj statystyczną mapę parametrów na atlas zebry wyżynnej (Rycina 5) 9 w programie SPM8, aby zlokalizować aktywacje funkcjonalne (Rycina 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>

Nie zgłoszono konfliktów interesów.

W niniejszym raporcie opisujemy zoptymalizowany protokół szczegółowej charakterystyki in vivo substratów neuronalnych stymulacji słuchowej u znieczulonych zebra finchów.
Zgodnie z przedstawionym protokołem, w większości funkcjonalnych badań aktywacji mózgu zwierząt z wykorzystaniem BOLD fMRI, zwierzęta są znieczulane podczas akwizycji. Możliwe jest również trenowanie zwierząt w celu przyzwyczajenia ich do środowiska magnesu oraz hałasu skanera w okresach badań, jednak jest to proces c...

<table><tbody><tr><td>Środek znieczulający izofluran</td><td>Isoflo</td><td>05260-05</td><td></td></tr><tr><td>Sprzęt i oprogramowanie PC-Sam</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>System monitorowania i synchronizacji (gating)</td><td></td><td>1025</td><td></td></tr><tr><td>System ogrzewania małych gryzoni kompatybilny z MR</td><td></td><td></td><td>Kompatybilny z modelem 1025</td></tr><tr><td>Sonda temperatury rektalnej</td><td></td><td>RTP-102B</td><td>7'', 0.044'' </td></tr><tr><td>Skaner MR 7T</td><td>Bruker Biospin</td><td>PHS 70/16</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie Paravision</td><td></td><td>5.1</td><td></td></tr><tr><td>Wkład gradientowy</td><td></td><td>BGA9S</td><td>400 mT/m, 300A, 500V</td></tr><tr><td>Wzmacniacze gradientowe</td><td>Copley Co., USA</td><td>C256</td><td></td></tr><tr><td>Rezonatory nadawcze</td><td></td><td></td><td>Średnica wewnętrzna: 72 mm, tylko nadawanie, aktywne odsprzęganie</td></tr><tr><td>Antena odbiorcza – 20 mm kwadraturowa do głowy myszy</td><td></td><td></td><td>Tylko odbiór, aktywne odsprzęganie</td></tr><tr><td>Oprogramowanie WaveLab</td><td>Steinberg</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie Praat</td><td>Paul Boersma, University of Amsterdam</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>Dynamiczne głośniki niemagnetyczne</td><td>Visation, Niemcy</td><td>HK 150</td><td></td></tr><tr><td>Mikrofon światłowodowy</td><td>Optoacoustics,</td><td>Optimic 1160</td><td></td></tr><tr><td>Wzmacniacz dźwięku</td><td>Phonic corporation</td><td>MM 1002a</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie do prezentacji</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>Statistical Parametric Mapping (SPM)</td><td>Welcome Trust Centre for Neuroimaging</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>

funkcjonalny obrazowanie rezonansem magnetycznym (fmri) ze stymulacją słuchową u ptaków śpiewających

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

Neurobiologia śpiewu ptaków, jako model mowy ludzkiej, stanowi istotny obszar badań w neurobiologii behawioralnej. Podczas gdy elektrofizjologia i podejścia molekularne pozwalają na badanie różnych bodźców w odniesieniu do kilku neuronów lub jednego bodźca w dużych obszarach mózgu, funkcjonalny obrazowanie rezonansem magnetycznym (fMRI) oparte na poziomie utlenowania krwi (BOLD) pozwala na połączenie obu tych zalet, i.e. porównanie aktywacji neuronalnej wywołanej różnymi bodźcami w całym mózgu jednocześnie. fMRI u ptaków śpiewających jest trudne ze względu na mały rozmiar ich mózgów oraz fakt, że ich kości, a w szczególności czaszka, zawierają liczne jamy powietrzne, co indukuje istotne artefakty podatności magnetycznej. fMRI BOLD z echem gradientowym (GE) zostało z sukcesem zastosowane u ptaków śpiewających 1-5 (przegląd literatury, patrz 6). Badania te koncentrowały się na pierwotnych i wtórnych obszarach słuchowych mózgu, które są regionami wolnymi od artefaktów podatności. Jednakże, ponieważ interesujące procesy mogą zachodzić poza tymi regionami, wymagane jest fMRI BOLD całego mózgu z wykorzystaniem sekwencji MRI mniej podatnej na te artefakty. Można to osiągnąć, stosując fMRI BOLD z echem spinowym (SE) 7,8. W niniejszym artykule opisujemy, jak wykorzystać tę technikę u zebra finczów (Taeniopygia guttata), które są małymi ptakami śpiewającymi o masie ciała 15-25 g, szeroko badanymi w neurobiologii behawioralnej śpiewu ptaków. Głównym tematem badań fMRI u ptaków śpiewających jest percepcja i nauka śpiewu. Słuchowy charakter bodźców w połączeniu ze słabą czułością BOLD sekwencji fMRI opartych na SE (w porównaniu do GE) sprawia, że wdrożenie tej techniki jest bardzo wymagające.

W niniejszej pracy przedstawiono wizualnie zoptymalizowany ciąg procedur służących do skutecznego obrazowania podłoży neuronalnych bodźców słuchowych w mózgu zebry firy. Po pierwsze, opisana procedura przygotowania bodźców słuchowych pozwala na uzyskanie bodźców, które mogą zostać włączone do paradygmatu blokowego ON/OFF (Rycina 2>) i które są znormalizowane w celu wyeliminowania potencjalnych różnic w poziomie ciśnienia akustycznego, co mogłoby wywołać zróżnicowaną reakcję w mózgu. Po przygotowaniu zebr...

Niniejszy artykuł przedstawia zoptymalizowaną procedurę obrazowania neuronalnych substratów stymulacji słuchowej w mózgu ptaka śpiewającego przy użyciu funkcjonalnego obrazowania rezonansem magnetycznym (fMRI). Opisano w nim przygotowanie bodźców dźwiękowych, pozycjonowanie obiektu badawczego oraz akwizycję i późniejszą analizę danych fMRI.

Funkcjonalny obrazowanie rezonansem magnetycznym (fMRI) ze stymulacją słuchową u ptaków śpiewających

Neurobiologia śpiewu ptaków, traktowana jako model mowy ludzkiej, stanowi istotny obszar badań w neuronauce behawioralnej. Podczas gdy elektrofizjologia i ...

Ogólnym celem tej procedury jest przedstawienie zoptymalizowanego protokołu dla skutecznej wizualizacji percepcji i przetwarzania dźwięków w obszarach słuchowych oraz regionach kontroli śpiewu w mózgu ptaka śpiewającego. Wykorzystując funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI), osiąga się to poprzez przygotowanie wysokiej jakości bodźców słuchowych, które mogą zostać włączone do paradygmatu blokowego on-off w celu ich prezentacji ptakowi podczas skanowania fMRI. Drugim krokiem jest przygotowanie ptaka do skanowania poprzez podanie znieczulenia, a następnie umieszczenie go na przystosowanym legowisku dla zwierząt, które następnie wprowadza się do otworu skanera MRI. Następnie można przeprowadzić akwizycję obrazów fMRI podczas stymulacji słuchowej.Ostatnim krokiem jest wstępne przetwarzanie uzyskanych danych MRI, w tym normalizacja obrazów do atlasu zebry (zebra finch). W końcowym etapie stosowana jest statystyczna analiza oparta na wokselach, która umożliwia wizualizację uzyskanych wyników oraz lokalizację aktywacji mózgu wywołanych bodźcami słuchowymi. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi częściej stosowanymi w badaniach nad słonecznikami metodami, takimi jak elektrofizjologia, histologia i techniki mapowania molekularnego, jest to, że fMRI jest nieinwazyjną metodą in vivo, która pozwala na badanie tego samego osobnika w czasie oraz analizę całego mózgu jednocześnie, bez wcześniejszych hipotez dotyczących lokalizacji substratów neuronalnych zaangażowanych w badany proces.Osoby rozpoczynające pracę z tą metodą mogą napotkać trudności, ponieważ wdrażanie funkcjonalnego MRI u ptaków różni się znacząco i jest znacznie bardziej wymagające niż stosowanie tej samej metody u ludzi lub gryzoni. Wynika to nie tylko z niewielkiego rozmiaru mózgów tych obiektów, ale także z faktu, że ich czaszka składa się z licznych jam powietrznych, co powoduje artefakty podatności; stosując sekwencję spin-echo, która jest mniej podatna na te artefakty niż sekwencja gradientowa, możemy przeprowadzić funkcjonalne obrazowanie całego mózgu ptaka śpiewającego z bardzo dobrą specyficznością przestrzenną. Apertura skanera jest ograniczoną przestrzenią, która może zniekształcać bodźce słuchowe.W związku z tym, aby rozpocząć przygotowania do niniejszego protokołu, należy nagrać bodźce dźwiękowe podczas ich odtwarzania wewnątrz otworu systemu MR 7 T przy użyciu mikrofonu światłowodowego i zweryfikować zniekształcenia dla używanego systemu MRI. Tutaj można zobaczyć częstotliwości wzmocnione i stłumione, co pokazują nagrania białego szumu wykonane poza skanerem oraz w miejscu położenia głowy ptaka wewnątrz otworu magnesu. Aby zrekompensować to sztuczne wzmocnienie, należy zastosować funkcję korektora do każdego bodźca, korzystając z oprogramowania Wave Lab dla przedstawionej konfiguracji.W niniejszym protokole funkcja opiera się na jądrze Gaussa z parametrami wyświetlanymi na ekranie. Tutaj bodźce dźwiękowe powinny składać się z kilku poszczególnych motywów śpiewu konkretnego ptaka przeplatanych okresami ciszy; należy dostosować czas trwania tych okresów ciszy tak, aby całkowita ilość dźwięku i ciszy była identyczna dla wszystkich bodźców. Całkowita długość każdego bodźca wynosi 16 sekund, co odpowiada czasowi akwizycji dwóch obrazów fMRI.Używając oprogramowania do przygotowania danych, znormalizuj intensywność każdego utworu pod kątem dopasowanej wartości średniej kwadratowej (RMS) oraz zastosuj filtr górnoprzepustowy o częstotliwości 400 hertz przed włączeniem ich do pełnego bodźca. Eksperyment można zaprojektować za pomocą oprogramowania do prezentacji, stosując blokowy schemat włącz/wyłącz (on-off), naprzemiennie stosując okresy stymulacji słuchowej i okresy odpoczynku. Każdy blok powinien trwać 16 sekund, co odpowiada czasowi akwizycji dwóch obrazów; każdy typ bodźca należy zaprezentować 25 razy, co pozwoli na uzyskanie 50 obrazów na bodziec i na badanego.Kolejność prezentacji warunków powinna zostać zrandomizowana w obrębie i pomiędzy badanymi. Należy również skonfigurować paradygmat eksperymentalny w taki sposób, aby odbierał on triggery ze skanera. Zapewnia to, że podczas każdego powtórzenia w sekwencji fMRI oprogramowanie skanera wyśle trigger do oprogramowania odpowiedzialnego za prezentację bodźców słuchowych, które z kolei zarejestruje numer skanu i wykona odpowiednią komendę.W niniejszym opracowaniu przedstawiamy protokół specjalnie dostosowany do pracy z dorosłymi zebrami domowymi. Zebry domowe powinny być utrzymywane w wolierach przy 12-godzinnym cyklu światła i 12-godzinnym cyklu ciemności, z nielimitowanym dostępem do pożywienia i wody w trakcie całego badania. Minimalna liczba osobników w jednym eksperymencie wynosi 15.Liczba ta uwzględnia czułość fMRI w trybie echa spinowego oraz naturalną zmienność międzyosobniczą zjawisk biologicznych pomierzonych w eksperymencie. Aby przygotować się do eksperymentu, najpierw podłącz maskę na dziób do urządzenia sterującego przepływem gazów za pomocą plastikowych rurek i zamontuj ją na stole MRI w systemie MR o indukcji 7 T. Otwórz butle z tlenem i azotem, a następnie włącz urządzenie sterujące przepływem gazów.Włącz również system z kontrolą sprzężenia zwrotnego oraz urządzenie do ogrzewania strumienia powietrza. Następnie znieczul zebrolika, stosując 3% isofluran w mieszaninie tlenu i azotu; wprowadź dziób ptaka do maski i przytrzymaj głowę, aż ptak zostanie w pełni znieczulony. Można to zweryfikować, delikatnie pociągając za stopę.Gdy ptak zostanie w pełni uspokojony, stopa nie będzie cofana. Ponadto oczy ptaka będą zamknięte. Wprowadź sondę temperatury do kloaki, aby kontrolować temperaturę ciała przez cały czas trwania eksperymentu, oraz umieść czujnik pneumatyczny pod brzuchem w celu monitorowania częstotliwości oddechów.Następnie załóż kamizelkę unieruchamiającą ciało ptaka na cały czas trwania eksperymentu. Utrzymuj częstotliwość oddychania w zakresie od 40 do 100 oddechów na minutę i zachowaj stałą temperaturę ciała na poziomie 40 stopni. Jeśli częstotliwość oddychania jest zbyt niska lub zbyt wysoka, odpowiednio dostosuj poziom znieczulenia.Jeśli problem będzie występował nadal, należy przerwać eksperyment i wyjąć zwierzę z aparatury. W celu regeneracji, należy umieścić niemagnetyczne głośniki dynamiczne po obu stronach głowy kanarka zebra i podłączyć je do wzmacniacza. Należy upewnić się, że przewody głośników są poprowadzone z dala od sondy temperatury, ponieważ mogą one wpływać na odczyt temperatury.W przypadku zbyt bliskiej odległości, należy umieścić powierzchniową cewkę RF na głowie zebra fincza. Następnie należy ustawić zebra fincza w centrum magnesu. Na koniec, przed rozpoczęciem skanowania, należy obniżyć poziom znieczulenia do 1,5% ISO fluoru.Aby rozpocząć skanowanie, najpierw należy określić położenie mózgu w magnesie. Należy wykonać jeden zestaw obrazów lokalizacyjnych (scout) w płaszczyznach strzałkowej, poziomej i czołowej przy użyciu pojedynczego przekroju gradientowego i echa, a także wieloprzekrojowe obrazy lokalizacyjne, które zostaną wykorzystane później do pozycjonowania skanów funkcjonalnych. Następnie należy zmniejszyć szum gradientów, zwiększając ich czasy narastania do 1000 microseconds.Następnie przygotuj sekwencję szybkiego obrazowania z wzmocnionym relaksowaniem, znaną również jako rARE T2-zależne fMRI. Następnie zaplanuj 15 przekrojów strzałkowych obejmujących niemal cały mózg. Teraz wybierz protokół słuchowy w oprogramowaniu do prezentacji, aby upewnić się, że oprogramowanie to nie pominie żadnego sygnału wyzwalającego ze skanera.W pierwszej kolejności uruchom protokół słuchowy. Po pełnym załadowaniu protokołu rozpocznij sekwencję fMRI. Każdemu eksperymentowi fMRI powinno poprzedzać wykonanie 10 obrazów pustych (dummy images), aby sygnał osiągnął stan stacjonarny przed rozpoczęciem stymulacji słuchowej.Po zakończeniu akwizycji należy uzupełnić dane do rozmiaru 64 na 64. Aby ocenić jakość danych, należy wstępnie przeanalizować wyniki, korzystając z narzędzia funkcjonalnego.W oprogramowaniu ParaVision oblicz różnicową odpowiedź BOLD pomiędzy wszystkimi blokami stymulacji a linią bazową. Jeśli w głównych obszarach słuchowych nie zaobserwowano aktywacji, prawdopodobnie ptak nie słyszał lub nie przetworzył bodźców słuchowych z powodu problemów technicznych lub poziomu anestezji. W takim przypadku należy zweryfikować konfigurację i powtórzyć pomiar.Po akwizycji funkcjonalnej wykonaj anatomiczną sekwencję 3D T2-zależną w tej samej orientacji co poprzednie skany fMRI. Następnie uzupełnij te dane zerami (zero-fill) do wymiarów 256 x 256 x 256.Na koniec należy zdjąć zebrę z łoża MRI i pozwolić jej dojść do siebie po anestezji w klatce pod lampą grzewczą. Zazwyczaj powrót zebry do świadomości po anestezji izofluranem trwa mniej niż pięć minut. Już po kilku minutach ptak spróbuje wstać, a po pełnym wybudzeniu usiądzie na żerdzi zamiast na dnie klatki, co będzie sygnałem do rozpoczęcia przetwarzania danych.W pierwszej kolejności należy przekonwertować dane MR na format analyze lub nifty. Następnie, przed rozpoczęciem przetwarzania danych w programie SPM, konieczne jest dostosowanie danych fMRI z ptaków śpiewających poprzez pomnożenie rozmiaru woksela przez 10. Ponieważ oprogramowanie do analizy fMRI zostało opracowane z myślą o przetwarzaniu danych fMRI pozyskiwanych od ludzi, najprostszym sposobem postępowania jest sztuczne zwiększenie rozmiaru woksela w danych fMRI ptaków przy użyciu oprogramowania MRI Crow.Należy zauważyć, że ta korekta nie wpływa na same dane. Nie stosuje się ponownego próbkowania ani żadnych innych modyfikacji danych. Następnie pozyskane dane są poddawane wstępnemu przetwarzaniu.Używając programu SPM8, najpierw należy przeprowadzić ponowną synchronizację danych fMRI oraz korejestrację anatomicznego zbioru danych 3D z szeregiem czasowym fMRI. Następnie należy znormalizować dane 3D oraz skorejestrowany szereg czasowy fMRI do atlasu mózgu zebry fincz (zebra finch brain MRI Atlas).Zastosuj macierz transformacji do zbioru danych fMRI i wygładź dane za pomocą jądra Gaussa o rozmiarze 0,5 millimeter. Następnie przeprowadź statystyczną analizę opartą na wokselach w programie SPM eight, najpierw na poziomie poszczególnych ptaków, a następnie w analizie na poziomie grupy. Na koniec, aby zwizualizować wyniki i zlokalizować aktywacje funkcjonalne, nałóż statystyczną mapę parametryczną na atlas zebra finch, wysokorozdzielczy trójwymiarowy atlas mózgu zebra finch; współrzędne stereotaktyczne wykorzystane w opisanym procesie analizy wyników fMRI zebra finch zostały opracowane na potrzeby tego eksperymentu w Bioimaging lab w ramach zbioru danych MRI Atlas.Kontury mózgu oraz kontury jąder są swobodnie dostępne za pośrednictwem widocznej tutaj strony internetowej. Przedstawiono tutaj widok boczny trójwymiarowej reprezentacji lewej półkuli z naniesionymi strukturami z atlasu, rzutowanymi na jej przekrój środkowy strzałkowy. Widoczny jest tutaj przykład odpowiedzi BOLD w fMRI w obrębie pola L pierwotnego obszaru słuchowego oraz sąsiednich wtórnych obszarów słuchowych, wywołanych przez różne bodźce słuchowe w porównaniu ze stanem spoczynkowym.Wartości T są zakodowane kolorystycznie zgodnie ze skalą przedstawioną na rysunku; wyświetlone zostały tylko te voxele, w których test T okazał się istotny. Jest to kolejny przykład eksperymentu fMRI przeprowadzonego u kanarków zebra. Obrazy pokazują selektywne odpowiedzi na własną pieśń ptaka w obszarach mózgu XMLD i HVC.Liczby pod obrazami wskazują współrzędne w milimetrach od linii środkowej. Znak dodatni oznacza, że przekroje i wyniki statystyczne pochodzą z prawej półkuli. Protokół opisany w tym filmie można łatwo dostosować do zastosowań u innych ptaków śpiewających, takich jak szpaki.To jest przykład wyników takiego eksperymentu fMRI. Na rysunku przedstawiono aktywacje wywołane bodźcami słuchowymi w porównaniu z okresem spoczynku u tego samego osobnika szpaka w różnych sezonach. Wdrożenie i optymalizacja funkcjonalnego rezonansu magnetycznego u ptaków śpiewających otwiera nowe możliwości badawcze w dziedzinie analizy tych ptaków.Wykazano już, że jest to cenna technika w eksperymentalnej analizie złożonych procesów sensoryczno-motorycznych i poznawczych leżących u podstaw komunikacji wokalnej u tych modeli zwierzęcych. Ponadto, dzięki swojej nieinwazyjności i podejściu obejmującemu cały mózg, fMRI może być stosowane jako metoda uzupełniająca dla częściej wykonywanych metod lokalnych i inwazyjnych. Rosnąca liczba eksperymentów fMRI u ptaków z rzędu kolibrów (SUNBIRDS) dowodzi możliwości zastosowania tej metody w badaniach nad procesami poznawczymi; przyszłe wysiłki powinny być skierowane na dalsze rozszerzenie eksperymentów MRI poza przetwarzanie słuchowe, które jest procesem pozostającym aktywnym w warunkach znieczulenia, poprzez wykorzystanie budzących się obiektów przyzwyczajonych do protokołu obrazowania.Może to otworzyć nowe możliwości badawcze, w których ptaki będą mogły aktywnie uczestniczyć w eksperymentach EMI, a ich uwaga będzie mogła być kontrolowana eksperymentalnie.

functional-magnetic-resonance-imaging-fmri-with-auditory-stimulation

Research

JoVE Journal

Behavior

Zachowanie

Tomografia z oceną wagomiaru funkcjonalnego (fMRI) ze stymulacją słuchową u ptaków śpiewających

Przetwarzanie słuchowe stanowi podstawę przetwarzania mowy oraz muzyki. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) została z sukcesem wykorzystana do badania systemów poznawczych, sensorycznych i motorycznych, lecz rzadko stosowano ją w badaniach słuchu. W niniejszej pracy zbadaliśmy połączenie TMS z funkcjonalnym obrazowaniem rezonansem magnetycznym (fMRI), aby zrozumieć organizację funkcjonalną kory słuchowej.

Mapowanie następstw stymulacji wiązką theta w ludzkiej korze słuchowej z wykorzystaniem obrazowania funkcjonalnego

Opisano technikę szerokiego otwierania bariery krew-mózg u myszy z wykorzystaniem mikropęcherzyków i ultradźwięków. Dzięki zastosowaniu tej metody do mózgu myszy można wprowadzić mangan. Ponieważ mangan jest środkiem kontrastowym do MRI, który kumuluje się w zdepolaryzowanych neuronach, podejście to umożliwia obrazowanie aktywności neuronalnej.

Funkcjonalne obrazowanie neuronaukowe z wykorzystaniem ultrasonicznego otwierania bariery krew-mózg i MRI z wzmocnieniem manganem

Źródło: Galenchik-Chan, A., et al. Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) kory wzrokowej z szerokokątną stymulacją retinotopową. J. Vis. Exp. (2023).  Film przedstawia funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) kory wzrokowej w celu mapowania aktywności na podstawie poziomu natlenienia krwi. Strukturalne obrazy MRI są pozyskiwane jako odniesienia anatomiczne, a następnie skany fMRI. Bodźce wzrokowe są wyświetlane w celu aktywacji neuronów retinotopowych w korze wzrokowej. Zwiększone...

Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego kory wzrokowej w zależności od poziomu tlenu we krwi

Opisujemy projekt i montaż zminiaturyzowanych słuchawek odpowiednich do zastąpienia naturalnego słuchowego sprzężenia zwrotnego ptaka śpiewającego zmanipulowanym sygnałem akustycznym.  Sprzęt do przetwarzania dźwięku online służy do manipulowania wyjściem utworu, wprowadzania błędów w czasie rzeczywistym w dźwiękowych informacjach zwrotnych przez słuchawki i napędzania uczenia się motorycznego głosu.

Lekki, oparty na słuchawkach system do manipulowania sprzężeniem zwrotnym u ptaków śpiewających

Badania funkcjonalne układu słuchowego u ssaków były tradycyjnie prowadzone przy użyciu technik skoncentrowanych na przestrzeni, takich jak zapisy elektrofizjologiczne.  Poniższy protokół opisuje metodę wizualizacji wielkoskalowych wzorców wywołanej aktywności hemodynamicznej w korze słuchowej kota za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego.

Funkcjonalne obrazowanie kory słuchowej u dorosłych kotów przy użyciu fMRI o wysokim polu

Neuronalne korelaty słuchania interwałów spółgłoskowych i dysonansowych były szeroko badane, ale mechanizmy neuronalne związane z wytwarzaniem interwałów spółgłoskowych i dysonansowych są mniej znane. W tym artykule testy behawioralne i fMRI są połączone z zadaniami identyfikacji interwałowej i śpiewania, aby opisać te mechanizmy.

Mapowanie fMRI aktywności mózgu związanej z wytwarzaniem wokalnym interwałów spółgłoskowych i dysonansowych

Ten artykuł zawiera przegląd multimodalnego programu mapowania mózgu, zaprojektowanego do identyfikacji obszarów mózgu, które wspierają kluczowe funkcje poznawcze u poszczególnych pacjentów neurochirurgicznych.

Translacyjne mapowanie mózgu w Centrum Medycznym Uniwersytetu Rochester: Ochrona umysłu poprzez spersonalizowane mapowanie mózgu

Opracowaliśmy techniki mapowania funkcji kory wzrokowej, wykorzystując więcej pola widzenia niż jest to powszechnie używane. Podejście to może przyczynić się do poprawy oceny zaburzeń widzenia i chorób oczu.

Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) kory wzrokowej z szerokokątną stymulacją retinotopową

Aby zbadać ewolucję języka, ważne jest porównanie mechanizmów mózgowych u ludzi z tymi u naczelnych. Opracowaliśmy metodę nieinwazyjnego pomiaru elektroencefalografii (EEG) obudzonych zwierząt. Pozwala nam to na bezpośrednie porównywanie danych EEG między ludźmi i zwierzętami w dłuższej perspektywie, bez szkody dla nich.

Pomiary elektroencefalograficzne u obudzonych marmozet słuchających wokalizacji współgatunkowych

Jednoczesna elektroencefalografia (EEG) i funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) to potężne narzędzie do neuroobrazowania.  Jednak wnętrze skanera MRI tworzy trudne środowisko do rejestrowania danych EEG i należy wziąć pod uwagę bezpieczeństwo podczas korzystania ze sprzętu EEG wewnątrz skanera.  W tym artykule przedstawiamy zoptymalizowany protokół akwizycji danych EEG-fMRI.

Najlepsza aktualna praktyka uzyskiwania wysokiej jakości danych EEG podczas jednoczesnego fMRI

Poznaj nieinwazyjną metodę fMRI do badania przetwarzania słuchowego w mózgu ptaków śpiewających. Protokół obejmuje przygotowanie bodźców dźwiękowych, pozycjonowanie zebry zebrowej i analizę aktywacji mózgu.

Funkcjonalny obrazowanie rezonansem magnetycznym (fMRI) ze stymulacją słuchową u ptaków śpiewających

Przeglądaj więcej filmów