Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

הדמיה תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) עם גירוי שמיעתי בציפורי שיר

Published: June 3, 2013 doi: 10.3791/4369
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Bio-Imaging Lab, University of Antwerp

Summary

מאמר זה מציג את הליך אופטימלי עבור הדמיה של מצעים העצביים של גירוי שמיעתי במוח ציפור השיר באמצעות תהודה מגנטית תפקודית (fMRI). הוא מתאר את ההכנה של גירויי קול, מיקום של הנושא והרכישה וניתוח שלאחר מכן את נתוני ה-fMRI.

Abstract

נוירוביולוגיה של ציוץ הציפורים, כמודל לדיבור אנושי, היא אזור בולט של מחקר במדעי המוח התנהגותיים. אילו electrophysiology ומולקולרי גישות לאפשר החקירה או גירויים שונים על כמה תאי עצב, או גירוי אחד בחלקים גדולים של המוח, רמת חמצון בדם תלויה (BOLD) דימות תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) מאפשרת שילוב של שני היתרונות, כלומר להשוות את ההפעלה העצבית הנגרם על ידי גירויים שונים במוח כולו בבת אחת. fMRI בציפור שיר מאתגר בגלל גודלו הקטן של המוח שלהם ובגללם את עצמות הגולגולת שלהם ובעיקר מהווה חללי אוויר רבים, גרימת חפצי רגישות חשובות. שיפוע ההד (GE) fMRI BOLD יושם בהצלחה לציפור שיר (1-5 לביקורת, ראה 6). מחקרים אלה התמקדו באזורים במוח השמיעתי הראשוניים ומשניים, שהם אזורים חופשיים של חפצים רגישים. עם זאת, בגלל procהנון של עניין עשוי להתרחש מעבר לאזורים אלה, נדרש כל fMRI BOLD המוח באמצעות רצף ה-MRI פחות רגיש לממצאים אלה. זו יכולה להיות מושגת על ידי שימוש בספין הד (SE) fMRI BOLD 7,8. במאמר זה, אנו מתארים כיצד להשתמש בטכניקה זו בפרושי זברה (Taeniopygia guttata), שהם ציפור שיר קטן עם משקל גוף של 15-25 גרם נחקר רב במדעי מוח התנהגות של ציוץ הציפורים. הנושא העיקרי של מחקרי fMRI על ציפור שיר הוא שיר תפיסה ולמידת שיר. הטבע השמיעתי של הגירויים בשילוב עם רגישות BOLD החלשה של SE (בהשוואה ל-GE) רצפי fMRI מבוסס הופכים את היישום של טכניקה זו מאוד מאתגר.

Protocol

1. הכנה של הגירויים שמיעתיים

  1. ראשון להקליט את קול לגירויים בזמן שמתנהל בתוך הנישא של מערכת MR 7T. משעמם הוא מקום מוקף שיכול לעוות את הגירויים השמיעתיים וכתוצאה מכך השיפור של תדרי שמיעה מסוימים. איור 1 מציג את התדרים משופרים והמדוכאים, כפי שמוצג על ידי ההקלטות של רעש לבן שנעשה במיקום של הראש של ציפור בתוך המגנט שלנו נשאו באמצעות מיקרופון של סיבים אופטיים (Optimic 1160, Optoacoustics). כדי לפצות השיפור המלאכותי הזה, פונקצית אקולייזר מוחלת על כל גירוי באמצעות תוכנת WaveLab. להגדרה המסוימת שלנו, הפונקציה מורכבת מליבת גאוס עם הפרמטרים הבאים: המשרעת המרבית:-20dB, מרוכז על 3,750 הרץ, רוחב: 0.05 אוקטבות (מקביל לטווח 2,500-5,000 הרץ למערכת שלנו).
  2. הגירויים הם השיר מורכבים מכמה מוטיבים שיר אישיים של כל ציפור משולבת עם תקופות של שתיקה. דuration של תקופות השקטות הללו מותאמים כדי לשמור על הסכום הכולל של קול ודממה זהה על כל הגירויים. בנייה זו חוסכת בשונות התוך אישית והבין אישית טבעית באורך שיר. האורך הכולל של כל גירוי הוא 16 שניות. עוצמתו של כל שיר הוא מנורמל במונחים של התאמת שורש ממוצע מרובעת וגבוה לעבור סינון ב 400 הרץ, לפני ששולב בגירוי המלא (שיר ותקופות שקטות). מניפולציות אלו נעשות שימוש בתוכנת Praat.
  3. הניסוי מורכב מON / OFF תקופות לחסום לסירוגין עיצוב שמיעתי גירוי (על בלוקים) עם תקופות מנוחה (מחוץ לגושים) (איור 2). כל בלוק (לסירוגין) נמשך 16 שניות בלבד, אשר תואמת את זמן רכישת 2 תמונות (ראה בהמשך לרכישה). כל סוג גירוי מוצג 25 פעמים, וכתוצאה מהרכישה של 50 תמונות לכל גירוי וכל נושא. סדר הצגת התנאים צריך להיות אקראי בתוך וביןנושאים. סדר אקראי זה של הגירויים יכול להיות מקודד בתוכנת מצגת.

2. הכנת נושא

2.1 נושא וגודל קבוצה

כאן אנו מציגים פרוטוקול במיוחד מותאם לשימוש (למבוגרים בלבד) פינק זברה. הבחירה של המינים תלויים בשאלות מדעיות. עם זאת, שיקולים אחרים כמו חוסן ציפור להרדמה יכולים גם להילקח בחשבון. הזברה פינק (Taeniopygia guttata) צריך להיות שוכנו בבתי גידול תחת אור 12 שעות: photoperiod החשוך 12 שעות ויש לי גישה כלרצונך מודעת מזון ומים לאורך כל תקופת המחקר. המספר מינימאלי של אנשים לניסוי הוא 15. מספר זה לוקח בחשבון את הרגישות של fMRI ספין הד והשונות בין הפרט הטבעי של תופעות ביולוגיות שנמדדו בניסוי.

2.2 התקנת ההתקנה והכנה של בעלי החיים

(לפירוטשל הציוד המשומש, אנו מתייחסים לרשימה של חומרים כימיים וציוד ספציפיים בסוף המאמר זה)

  1. התקן את מסיכת המקור על מיטת בדיקת MRI של מערכת MR 7T ולחבר אותו למכשיר בקר הגז עם צינורות פלסטיק. פתח את שני בקבוקי גז חנקן והחמצן והפעל את התקן בקר הגז (חמצן קצב זרימה: 200 סמ"ק / דקה; חנקן: 400 סמ"ק / דקה).

כאמור, מערכת MR 7T משמשת בהתקנה המוצגת. מערכות אחרות MR עם עוצמות שדה שונות הם גם אפשרי, אבל ב7T תושג פשרה טובה בין יחס אות לרעש ורמה של חפצים רגישים (ראה דיון). בעוצמות שדה גבוהות יותר יחס אות לרעש יגדל יחד עם מידת רגישות של חפצים.

  1. הפעל את המערכת המבוקרת המשוב ומכשיר זרימת אוויר חם.
  2. לטשטש פינק הזברה עם 3% isoflurane בתערובת של חמצן וחנקן על ידי הצגת מקורולתוך המסכה ומחזיק את ראשו כלפי מטה, עד שציפור היא anesthetised באופן מלא. זה יכול להיות מאומת על ידי משיכת הרגל בשקט: כאשר ציפור היא מסומם לחלוטין הרגל לא חזר בו על ידי ציפור. בנוסף, העיניים של ציפור תהיה סגורות בחלקו.
  3. להציג את הבדיקה טמפרטורת הביוב להקרין את טמפרטורת הגוף ולנטר את קצב הנשימה על ידי הצבת חיישן פנאומטי מתחת לבטן פינק הזברה. סגור את מעיל כדי לרסן את הגוף של ציפור (איור 3).
  4. לשמור על קצב נשימה בטווח של 40 - 100 נשימות לדקה ולשמור על טמפרטורת גוף קבועה בטווח צר של 40 ± 0.5 ° C. כאשר טווח הנשימה הוא נמוך מדי / גבוה, להתאים את הרמה של הרדמה (% isoflurane) בהתאם. כאשר הבעיה נמשכת, יש להפסיק את הניסוי ובעלי החיים הוסרו מההתקנה על מנת להתאושש.
  5. מקם את הרמקולים הדינמיים שאינם מגנטיים בכל צד של ראש הזברה פינק ונגדnect אותם למגבר. ודא שאת החוטים של הרמקולים הובילו מבדיקת הטמפרטורה, כי זה יכול להשפיע על קריאת הטמפרטורה כאשר קרוב מדי.
  6. הנח את משטח סליל RF בחלק העליון של ראש הזברה פינק והעמדה פינק הזברה במרכז המגנט (באופן אוטומטי למרכז של סליל השידור שממוקם באמצע של המגנט).
  7. להפחית את רמת ההרדמה לרמה של 1.5% isoflurane מעורבבים עם חמצן וחנקן.

3. רכישת נתונים

  1. לרכוש סט של sagittal 1, 1 אופקי ו1 (GE) תמונת הסקאוט שיפוע הד העטרה (-טייס תלת רצף) וסטים של תמונות רב חתך אופקיות, העטרה ועל sagittal (הטסת T-2 משוקלל מהיר רכישת רגיעה משופרת ( נדיר) רצף SE) כדי לקבוע את מיקומו של המוח במגנט (איור 4).
  2. להקטין את הרעש של הדרגתיים על ידי הגדלת הרמפה פעמיהם ל -1,000 μs.
    3. <li> הכן את רצף fMRI: T נדיר רצף 2 משוקלל, יעיל TE: 60 אלפיות השני, טוני: 2,000 אלפיות שני, גורם נדיר: 8, FOV: 16 מ"מ, גודל מטריצה: 64 x 32, נטייה: sagittal, עובי פרוס: 0.75 מ"מ עובי, בין פרוסה פער: 0.05 מ"מ, 15 פרוסות המכסות כמעט את כל המוח (איור 4).
  3. בחר את פרוטוקול השמיעה (גירויים שמיעתיים ועיתוי של מסירת גירוי) בתוכנת המצגת. פרוטוקול זה מורכב מרצף של פקודות - לייזום של גירויים שמיעתיים ספציפיים - המתבצעים במספר-סריקה ספציפי. בכל חזרות בתוך רצף fMRI, תוכנת הסורק תשלח הדק לתוכנת המצגת השמיעתית אשר בתורו רושמת את מספר הסריקה ומבצעת את הפקודה המתאימה.
  4. כדי להבטיח שתוכנת המצגת השמיעתית לא לפספס שום הדק מהסורק, פרוטוקול השמיעה הוא יזם ראשון. ברגע שהפרוטוקול טעון באופן מלא, את רצף fMRI הוא התחיל.
  5. כל ניסוי fMRI הוא קדמה הרכישה של 12 תמונות דמה כדי לאפשר את האות מיוחסת לרעש הסורק כדי להגיע למצב יציב לפני שמתחיל גירוי שמיעתי.
  6. לאחר רכישת אפס למלא את הנתונים ל64 x 64.
  7. תסתכל (ראשוני) ראשון בתוצאות באמצעות הכלי פונקציונלי של פאראוויזיון (עיבוד אפשרות / הדמיה תפקודית). לחשב את ההפרש בין תגובת BOLD כל על בלוקים ובסיסיים (OFF בלוקים). ניתוח זה נותן אינדיקציה ראשונה של האיכות של הניסוי. אם לא באה לידי ביטוי בהפעלה האזורים השמיעתיים הראשוניים בשלב זה, את ציפור שכנראה לא שומעת / עיבד את הגירויים השמיעתיים עקב בעיות טכניות עם הצגת הגירוי, רמת הרדמה, וכו 'צריכה להיות מאומתת ההתקנה והמדידה החוזרת ונשנית.
  8. הפעלת רצף נדיר 3D האנטומי T2 משוקלל באותו כיוון כמו סריקות fMRI הקודמות ועם TE היעיל: 60 אלפיות השנייה, טוני: 2,000 אלפיות שניים, גורם נדיר: 8, FOV: 16 מ"מ, גודל מטריצה: 256 x 128 x 64.
  9. אפס למלא את הנתונים עד 256 x 256 x 256.
  10. קח את הזברה פינק מהמיטה בדיקת MRI ולתת לו להתאושש מההרדמה בכלוב מתחת לפנס אדום. בדרך כלל, ההתאוששות של פינק זברה אחרי ההרדמה isoflurane הולכת מהר יחסית (5 דק 'מקסימאלי). רק לאחר כמה דקות, הציפורים ינסו לקום ופעם אחת ציפור הוא התאושש באופן מלא, זה יהיה לשבת על ענף במקום לשבת בתחתית הכלוב. משך ההרדמה הוא כ 2 שעות לניסוי הנוכחי. הזמן המרבי של ההרדמה isoflurane להחיל פרושים זברה במעבדה שלנו הוא 6 שעות, שלאחריו גם את ציפורים התאוששו בתוך 5 דקות.

4. עיבוד נתונים

  1. המרת MR-נתונים לניתוח או בפורמט Nifti.
  2. בגלל SPM פותח כדי לעבד את נתוני ה-fMRI שנרכשו בבני אדם, כלומר לvoxels של כ 2 מ"מ. הגדרות SPM רבות מותאמות לגודל voxel המשוער זה. אם אחד לא עושה wנמלה כדי לשנות את כל ההגדרות האלה, הדרך הפשוטה ביותר היא להמשיך להגדיל את גודל voxel של נתוני ה-fMRI ציפורים באופן מלאכותי. התאם את גודל voxel בכותרת על ידי הכפלת גודל voxel אמת על ידי 10 באמצעות MRIcro. יש לציין, כי התאמה כאמורה אינה משפיעה על הנתונים בעצמו, לא resampling או כל שינוי אחרים בנתונים מוחל.

אלטרנטיבה לכך היא השימוש ב'SPMMouse 'שהוא ארגז כלים המאפשרים SPM לפתוח ולנתח את קבצים של כל ממד voxel. הכלי מאפשר "המוח של הזכוכית" SPM להיווצר מכל תמונה, ומתאים באופן אוטומטי כברירת מחדל סולמות אורך המבוססים על הכותרות של קבצי תמונה או נתונים שהוזנו משתמש. לפיכך, ארגז כלים זה עובד בכיוון ההפוך ממה שאנו מציעים. במקום לשנות את גודל voxel של תמונות כדי להתאים בSPM, את הגדרות ברירת המחדל של SPM משתנות להשתמש בתמונות בגדלים שונים voxel.

  1. ליישר מחדש את נתוני ה-fMRI. שיתוף לרשום את בסיס נתוני 3D אנטומי לtהוא סדרת זמן fMRI. לנרמל את נתוני 3D (וסדרת זמן fMRI שיתוף הרשום) לזברה פינק MRI מוח האטלס. להחיל את מטריצת השינוי לבסיס נתוני fMRI. זה יכול להיעשות באמצעות מיפוי פרמטרים סטטיסטי (SPM) 8 תוכנה.
  2. להחליק את הנתונים עם הקרנל גאוס רוחב 0.5 מ"מ באמצעות SPM8.
  3. לבצע ניתוחים מבוססי voxel בעזרת כלים סטטיסטיים SPM8. מודל את הנתונים כקופסה ברכב (לא פונקצית תגובת hemodynamic). להעריך פרמטרים מודל עם אלגוריתם הסיכוי המרבי המוגבל הקלסית. לחשב את ההשפעה הממוצעת של כל גירוי שמיעתי בכל נושא (ניתוח השפעה קבועה) ולאחר מכן לחשב את הסטטיסטיקה כבקשה עבור ניתוחים קבוצתיים (ניתוחים מעורב אפקט).
  4. להקרין את מפת הפרמטרים סטטיסטית על הזברה פינק האטלס (איור 5) 9 בSPM8 למקם את ההפעלות התפקודיות (איור 6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

אנחנו כאן מוצגים ויזואלית רצף אופטימיזציה של הליכים להדמיה מוצלחת של מצעים עצביים של גירויים שמיעתיים במוח פינק הזברה. ראשית, ההליך המתואר להכנה של תוצאות הגירויים השמיעתיות בגירויים שיכול להיות משולב בתוך ON / OFF הפרדיגמה בלוק (איור 2) וכי הם מנורמלים לחסל את ההבדלים פוטנציאליים ברמת לחץ קול שיכול לעורר תגובת ההפרש במוח . לאחר ההכנה פינק הזברה לסריקת MRI ומיקומה לתוך נשא של המגנט (איור 1), ניתן לרכוש fMRI. בנוסף, תמונה ברזולוציה גבוהה 3D היא נלקחה על מנת לנרמל את הנתונים לזברה פינק אטלס 9. לבסוף, ניתוח מראש ועיבוד הסטטיסטי של הנתונים מאפשר הדמיה של התוצאות שהתקבלו (איור 6).

69/4369fig1.jpg "alt =" איור 1 "עבור: תוכן-width =" 4.5in "עבור: src =" / files/ftp_upload/4369/4369fig1highres.jpg "/>
איור 1. Spectrograms של רעש לבן שנרשם במטרה לבסס תדרים שעברו שיפור / דיכא בתוך המגנט נשא. רעש לבן א מחוץ למגנט נשא. רעש הלבן ב נרשם במיקום של הראש של ציפור בתוך המגנט נשא. ג הלבן רעש לאחר יישום של פונקצית אקולייזר לתיקון תדרים משופרים / מדוכא.

איור 2
איור 2. סקירה כללית של ON / OFF הפרדיגמה בלוק שבו תקופות גירוי שמיעתיות לסירוגין עם תקופות מנוחה. כל בלוק (גירוי / מנוחה) נמשכת 16 שניות שבמהלכו 2 תמונות נרכשות. את הגירויים השונים מורכבים ממוטיבים מייצגים של שירת ציפורים או סוגים אחרים של צלילבהתאם לניסוי. מוטיבים אלה בשרשור ומשולבים עם תקופות שקטות ומשך תקופות השקטות מותאם כדי לשמור על הסכום הכולל של קול ודממה זהה על כל הגירויים.

איור 3
איור 3. מיטת התקנה לfMRI השמיעתי בציפור שיר קטן א בעלי חיים הבלעה:.. סקירה סכמטית מפורטת של המיצוב של ציפור במיטת בעלי החיים של הסורק: סליל ראש RF ב ', מסכת ג עם מקור אספקה ​​של גז ההרדמה ד, אוזניות אינן מגנטיות E., חיישן כרית פ פנאומטי ללפקח על קצב הנשימה, הבדיקה טמפרטורת ביוב ג', מערכת חימום מבוקרת ח'משוב כדי לשמור על גוףטמפרטורה של ציפור היציבה בזמן המדידה. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 4
איור 4. גיאומטריה פרוסת הדמיה fMRI המוח כולו. הרכב של צילומי מסך מעורך גיאומטריה בתוכנת פאראוויזיון. רכשו בעבר בתמונות ציריות, sagittal ועטרה נדירה ניווט של משמשות להגדיר את כיוון הפרוסה לסריקת fMRI.

איור 5
איור 5. תצוגה לרוחב של ייצוג 3D של האונה השמאלית עם מבנים שמסומנים מהזברה פינק 9 האטלס, מוקרן על פרוסה באמצע sagittal שלה. קוד הצבע של הגרעינים שמסומן מוצגת בצד ימין. delineat אלהמבני אד הם חלק ממסלול המנוע הקולני: HVC, גרעין robustus arcopallii (ע"ר), nXII Pars tracheosyringealis (nXIIts); מסלול המוח הקדמי הקדמי: גרעין lateralis magnocellularis Pars lateralis (LMAN), אזור X (X), מערכת השמיעה: שדה L, גרעין ovoidalis (אוב), גרעין mesencephalicus lateralis Pars dorsalis (MLD); מערכת חוש הריח: חוש הריח הנורה (OB); מערכת ראייה ו: גרעין entopalliallis (E), tectum opticum (teo).

איור 6
איור 6. דוגמה לתגובת BOLD fMRI באזור העיקרי השמיעתי, L שדה, ובאזורים הסמוכים שמיעתיים משניים המתעוררים בעקבות גירויים שמיעתיים שונים בהשוואה למצב המנוחה. הדימויים מורכבים של מפות פרמטריים סטטיסטיות על גבי תמונות אנטומיות ברזולוציה גבוהה מהמוח פינק הזברה אטלס 9. T-ערכים מקודד לפי צבע פיקנה המידה מוצגת באיור ורק voxels בי מבחן t נמצא להיות משמעותי (p <0.001) מוצגים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בדו"ח זה, אנו מתארים פרוטוקול מותאם לאפיון מפורט בvivo של מצעים עצביים של גירוי שמיעתי בפרושי זברה מורדמים.

בקנה אחד עם הפרוטוקול שהוצג, רוב מחקרי הפעלת מוח תפקודיים בבעלי חיים באמצעות fMRI BOLD, לטשטש את בעלי החיים בזמן הרכישה. אילוף בעלי חיים להרגיל אותם לסביבת המגנט והרעש של הסורק בתקופות הלימוד הוא גם אפשרי, אלא זמן רב ומאתגר, ולכן העסיק רק לעתים נדירות.

למרות שההרדמה ממזערת תופעות מתח מושרה על התגובות הפיזיולוגיות של עניין ומקלה על טיפול בבעלי חיים, השפעתו הן על התגובה העצבית ועל תפקוד ההעברה בין הפעילות העצבית והתגובה נמדדה בBOLD fMRI הוא נושא למחקר מתמשך וחשוב . לכן, את ההשפעות של הרדמה על תגובת BOLD במהלך AUDגירוי itory בפרושי זברה נחקר במעבדה שלנו 2. בהתאם לכך, שלוש הרדמה בשימוש נרחב בפרושי זברה - medetomodine, isoflurane וurethane - הפועל על מערכות עצביות שונות, נחקרו. התוצאות הצביעו על כך שהגירוי שמיעתי הביא לתגובות BOLD ברורות עם כל שלושת חומרי ההרדמה, אלא שההבדלים קלים אירעו בין שלושת חומרים כימיים ביחס ללמשל הרחבה של השטח של הפעלה. בהתבסס על תוצאות מחקר זה ועל העובדה שisoflurane הוא ההרדמה השכיחה ביותר ביישומים קליניים כמו זה יש את היתרון שיש התאוששות מהירה יחסית, ותופעות לוואי קלות מאוד ויש לו הפוטנציאל הגבוה ביותר לשימוש במחקרים ארוכי טווח ובכך, הפך isoflurane ההרדמה של בחירה עבור הזברה פינק fMRI במעבדה שלנו.

בפרוטוקול זה אנו משתמשים בספין הד (SE) fMRI במקום fMRI שיפוע ההד המסורתי יותר (GE). בהשוואה ל-GE fMRI, יש SE fMRIהיתרון של מתן אות למוח כולו כפי שיש הגדול אין נשירת אות בתמונות. יתרון נוסף של SE BOLD fMRI הוא ייחודה מרחבית טובה יותר 10,11. ואכן, בשדה מגנטי גבוה, רכיב intravascular של אות BOLD SE מצטמצם (בגלל TE ארוך) ורכיב extravascular מכלי גדול מודחק (על ידי דופק refocusing ° 180 של רצף ה-MRI SE). אות BOLD SE הוא נשלט על ידי כך אות extravascular מדויקת שמקורם בכלי דם קטנים 12-14. המגבלה העיקרית של SE-fMRI היא הרגישות החלשה יחסית שלה, הדורשת רצפים אופטימיזציה ופרדיגמות גירוי אופטימליות. לעומת זאת יחס רעש (קמ"ג) עולה עם עוצמת שדה 15. TE ארוך גם מגדיל את CNR, אך פוגע ביחס אות לרעש 12,13,15. TE האופטימלי בדרך כלל מתאים לזמן שווה או יותר מ 2 ערך T של הרקמות. אנחנו הראינו כי, ב7T,ערך של 60 אלפיות שני TE מספק CNR ויחס אות לרעש מספיק כדי לזהות הבדלים משמעותיים בתגובות BOLD מופעלות על ידי גירויים שונים (Poirier, 2010).

בהשוואה ל-GE T2 * משוקלל לעומת זאת, SE ניגוד T2 משוקלל דורש TR ארוך (1,500-2,000 אלפיות השנייה ב7T). כדי להיות מסוגל 15 פרוסות תמונה, השתמשנו TR של 2,000 אלפיות שנייה. כדי לשמור על זמן הרכישה בגבול סביר, רצפי ה-MRI SE צריכים להיות לזרז. זו מושגת בדרך כלל באמצעות הד מישוריים ההדמיה (EPI) תכנית דגימת 10,16-19. עם זאת, גורם לעיוותים EPI תמונה כי עלייה בעוצמת השדה המגנטי, ומזהמת את האות המודגשת עם T2 * אפקטים (מה שהופך את האות חזק יותר אך פחות המבוקש). EPI גם מייצר רעש אקוסטי מאוד אינטנסיבי, מה שהופך אותו פחות רלוונטי לשימוש בחקירת גירויים שמיעתיים. כך אנו משמשים רצף נדיר עם גודל מטריצה ​​של 64 x 32, אשר הביא בזמן רכישה של 8 שניות. resolut הזמני זהיון הוא עדיין תואם את תגובת BOLD האיטית הנגרמת על ידי עיצובים לחסום, אבל איטי מדי כדי לטעום את מהלך הזמן של תגובת BOLD מדויק או להשתמש בעיצובים הקשורים לאירוע. עם הרצף הזה, ולכן אנו מתקבלים אות SE T2 משוקללת טהורה, אשר מאופיינת על ידי סגוליות טובה מאוד מרחבית, רגישות גבוהה מספיק כדי לזהות תגובות BOLD דיפרנציאלי והחלטה זמנית תואמת את הפרדיגמה הגירוי משמש 20,21.

יתרונות ומגבלות של השימוש של fMRI בציפורי שיר

במהלך העשורים האחרונים, fMRI הפך לאחד מהטכניקות הדמייה הפופולריות ביותר במדעי המוח הקוגניטיביים קליניים לחקר פעילות המוח במהלך משימות שונות, החל פשוט חושי מוטורית למשימות קוגניטיביות מאוד. במחקר קליני, הוא, לעומת זאת, עדיין בשימוש בשיטה זו רק בקושי. המחסור של ניסויי fMRI הושלם בבעלי חיים קטנים ובעיקר ציפורי שיר עד כה ואולימתייחס לעובדה שהרדמה או הרגעה נדרש כדי להשיג קיבוע מלא של הנושאים (ראה דיון לעיל). לפיכך, זה נחשב לחסרון העיקרי של הטכניקה ומגביל את סוג השאלות שניתן לטפל. עם זאת, למרות fMRI דורש הרדמה ואות BOLD משקפת בעיקר פוטנציאל בתחום מקומי ובכך שונה מפוטנציאל הפעולה שנמדד בגן מוקדם ומיידיים, אלקטרו (IEG) לימודים (למשל 22), fMRI BOLD אישרה תוצאות רבות המתקבלות על ידי טכניקות אלה.

נכון להיום, את הטכניקות הפופולריות ביותר במדעי מוח ציפור שיר הן עדיין ביטוי פעילות תלויה של הקלטות IEG ואלקטרו פעילות יחידה או רבת ליחידה. טכניקות אלו ליהנות מרזולוציה מרחבית גבוהה מאוד (מיקרומטר 5-30; רמה תאית). עם זאת, הם מאוד פולשני או אפילו קטלניים. בנוסף, טכניקות אלקטרו מוגבלות במספר loקטיונים שיכולים להיות שנדגמו בניסוי אחד ולכן דורשים מראש השערות על הלוקליזציה של המצע העצבי המעורבים בתהליך החקירה. לעומת זאת, fMRI BOLD מאפשר גישת המוח כולו - עם רזולוציה מרחבית של 250 מיקרומטר - ולכן יכול לשמש כדי לבצע ניסויים ללא הנחה. לבסוף והכי חשוב, שאינו הפולשנות של ה-MRI מאפשרת אמצעים אורך חוזרים ונשנים באותם נושאים, הפותח מגוון רחב של אפשרויות חדשות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

Acknowledgments

מחקר זה נתמך על ידי מענקים מהקרן לחקר - פלנדריה (FWO, פרויקט מס G.0420.02 וG.0443.11N), קרן הרקולס (מענק מס AUHA0012), פעולות מחקר מרוכזת (מימון GOA) מאוניברסיטת אנטוורפן, ו חסות בחלקו על ידי הנציבות האירופית - FP6 פרויקט דימי, LSHB-CT-2005-512,146 וEC - FP6 פרויקט אמיל LSHC-CT-2,004-503,569 לA.VdL. G.DG וCP הם בחורי דוקטורט של קרן המחקר - פלנדריה (FWO).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Isoflurane anaesthetic Isoflo 05260-05
PC-Sam hardware/software SA-Instruments http://www.i4sa.com
Monitoring and gating system 1025
MR-compatible small rodent heater system Model 1025 compatible
Rectal temperature probe RTP-102B 7'', 0.044''
7T MR scanner Bruker Biospin PHS 70/16
Paravision software 5.1
Gradient Insert BGA9S 400 mT/m, 300A, 500V
Gradient Amplifiers Copley Co., USA C256
Transmit resonators Inner diameter: 72 mm, transmit only, active decoupled
Receiver antenna - 20 mm quadrature Mouse Head Receive only, active decoupled
WaveLab software Steinberg
Praat software Paul Boersma, University of Amsterdam http://www.praat.org
Non-magnetic dynamic speakers Visation, Germany HK 150
Fiber optic microphone Optoacoustics, Optimic 1160
Sound amplifier Phonic corporation MM 1002a
Presentation software Neurobehavioral Systems Inc.
MRIcro Chris Rorden http://www.cabiatl.com/mricro/mricro/
Statistical Parametric Mapping (SPM) Welcome Trust Centre for Neuroimaging 8 http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

התנהגות גיליון 76 מדעי המוח נוירוביולוגיה ביולוגיה מולקולרית רפואה ביופיזיקה פיזיולוגיה אנטומיה MRI התפקודי fMRI הדמיית תהודה מגנטית MRI fMRI התלוי ברמת חמצון דם fMRI BOLD מוח ציפור שיר פינק זברה, גירוי שמיעתי גירויים מודל חיה הדמיה
הדמיה תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) עם גירוי שמיעתי בציפורי שיר
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Van Ruijssevelt, L., De Groof, G.,… More

Van Ruijssevelt, L., De Groof, G., Van der Kant, A., Poirier, C., Van Audekerke, J., Verhoye, M., Van der Linden, A. Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) with Auditory Stimulation in Songbirds. J. Vis. Exp. (76), e4369, doi:10.3791/4369 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter