Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

التصوير الوظيفي للسمعي اللحاء في القطط الكبار باستخدام الحقل عالي الرنين المغناطيسي الوظيفي

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

Summary

وقد جرت العادة على إجراء دراسات وظيفية للنظام السمعي في الثدييات باستخدام تقنيات تركز مكانيا مثل التسجيلات الكهربية. يصف بروتوكول التالية طريقة لتصور أنماط واسعة النطاق من أثار النشاط الدورة الدموية في القط القشرة السمعية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي.

Abstract

ويستمد المعرفة الحالية للمعالجة الحسية في الجهاز السمعي الثدييات أساسا من الدراسات الكهربية في مجموعة متنوعة من النماذج الحيوانية، بما في ذلك القرود والقوارض والخفافيش والقوارض، والقطط. من أجل استخلاص أوجه الشبه بين النماذج مناسبة الإنسان والحيوان وظيفة السمع، فمن المهم لإقامة جسر بين الدراسات التصوير وظيفية الإنسان والحيوان الدراسات الكهربية. وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) هو أسلوب مينيملي أنشئت لقياس أنماط واسعة من النشاط الدورة الدموية في جميع أنحاء مناطق مختلفة من قشرة الدماغ. ويستخدم على نطاق واسع هذه التقنية لتحقيق الوظيفة الحسية في الدماغ البشري، هو أداة مفيدة في ربط الدراسات المعالجة السمعية في كل من البشر والحيوانات، وقد استخدمت بنجاح للتحقيق وظيفة السمع في القرود والقوارض. يصف البروتوكول بعد إجراء التجارب للتحقق وظيفة السمع في الكبار تخديرالقطط عن طريق قياس التغيرات في الدورة الدموية أثار تحفيز القشرة السمعية باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي. هذا الأسلوب يسهل المقارنة بين استجابات الدورة الدموية عبر نماذج مختلفة من وظيفة السمع مما يؤدي إلى فهم أفضل للميزات الأنواع مستقلة عن القشرة السمعية الثدييات.

Introduction

مشتق الفهم الحالي للتجهيز السمعي في الثدييات أساسا من الدراسات الكهربية الغازية في القرود 1-5، 6-10 قوارض، والخفافيش 11-14، 15-19 القوارض، والقطط 20-24. تقنيات الكهربية تستخدم عادة microelectrodes خارج الخلية لتسجيل نشاط الخلايا العصبية واحد ومتعددة داخل منطقة صغيرة من الأنسجة العصبية المحيطة طرف القطب. أنشأت أساليب التصوير وظيفية، مثل التصوير الضوئي والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، وخدمة مفيدة ليكمل التسجيلات خارج الخلية من خلال توفير منظور العيانية النشاط مدفوعة في وقت واحد في جميع أنحاء متعددة، مناطق مختلفة من الدماغ مكانيا. التصوير الضوئي إشارة الجوهرية يسهل التصور النشاط منبهات المسموعة في الدماغ عن طريق قياس التغيرات المرتبطة النشاط في خصائص الانعكاس من سطح الأنسجة بينما يستخدم الرنين المغناطيسي الوظيفي على مستوى الأكسجين في الدم التي تعتمد على (بولد)على النقيض لقياس التغيرات الدورة الدموية، أثار التحفيز في مناطق الدماغ التي تنشط أثناء مهمة معينة. يتطلب التصوير الضوئي التعرض المباشر لسطح القشرية لتدابير التغيرات في سطح الانعكاس الأنسجة التي ترتبط النشاط أثار التحفيز 25. في المقارنة، الرنين المغناطيسي الوظيفي هو موسع ويستغل خصائص الدم غير المؤكسج ممغطس لقياس كل من السطح القشري 26-28 والقائم على التلم 27،29 النشاط منبهات المسموعة داخل الجمجمة سليمة. الارتباط القوي بين إشارة BOLD ونشاط الخلايا العصبية في القشرة البصرية الرئيسيات غير البشرية 30 و في القشرة السمعية الإنسان 31 التحقق من صحة الرنين المغناطيسي الوظيفي كأداة مفيدة لدراسة وظيفة حسية. منذ الرنين المغناطيسي الوظيفي وقد استخدمت على نطاق واسع لدراسة ملامح المسار السمعية مثل تنظيم التوضع النغمي 32-36، lateralization من 37 وظيفة السمع، وأنماط التنشيط القشرية، وتحديد المناطق القشرية 38، وآثار الصوتكثافة على خصائص الاستجابة السمعية 39،40، وخصائص زمن الاستجابة بالطبع BOLD 29،41 في الإنسان، والقرد، ونماذج الفئران، فإن وضع بروتوكول التصوير وظيفية مناسبة لدراسة وظيفة السمع في القط توفير مكملا مفيدا ل الأدب التصوير وظيفية. بينما الرنين المغناطيسي الوظيفي كما تم استخدامها لاستكشاف مختلف الجوانب الوظيفية من القشرة البصرية في القط تخدير 26-28،42، وقد استخدمت هذه التقنية قليل من الدراسات لفحص تجهيز الحسية في القشرة السمعية القط. الغرض من هذا البروتوكول هو إنشاء وسيلة فعالة لاستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي لتحديد وظيفة في القشرة السمعية للتخدير القط. الإجراءات التجريبية المبينة في هذا المخطوط استخدمت بنجاح لوصف ملامح الاستجابة دوام BOLD في القط الكبار السمعية القشرة 43.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

يمكن تطبيق الإجراء التالي لأي تجربة التصوير في تخدير التي تستخدم القطط. الخطوات التي يتعين على وجه التحديد لإجراء التجارب السمعية (الخطوات 1،1-1،7، 2.8، 4.1) يمكن تعديلها لاستيعاب بروتوكولات التحفيز الحسية الأخرى.

تلقى جميع الإجراءات التجريبية موافقة من اللجنة الفرعية استخدام الحيوان لمجلس الجامعة على رعاية الحيوان في جامعة ويسترن اونتاريو وفقا للمبادئ التوجيهية المحددة من قبل المجلس الكندي للرعاية الحيوان (CCAC) 44. التجربة المبينة يتطلب ما يقرب من 150 دقيقة من إعداد الحيوان للشفاء. ويتضح مدار الساعة من التجربة في الشكل 1.

1. التحفيز معدات التحضير

ويبين الشكل 2 المكونات الإلكترونية والاتصالات المقابلة المطلوبة لتوليد التحفيز السمعي في الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. المتطلبات هي كما وOLLOWS: جهاز كمبيوتر، وبطاقة الصوت الخارجية، والسلطة مكبر للصوت ستيريو ونظام سماعة الرنين المغناطيسي الوظيفي متوافق.

  1. توصيل الكمبيوتر التي سيتم استخدامها لتقديم التحفيز السمعي إلى بطاقة الصوت الخارجية عن طريق الناقل التسلسلي العالمي (USB) كابل.
  2. إرفاق الكابلات التي تربط الموانئ إخراج بطاقة الصوت الخارجية لمنافذ الإدخال من السلطة مكبر للصوت ستيريو.
  3. إرفاق الكابلات التي تربط الموانئ إخراج السلطة مكبر للصوت ستيريو إلى منافذ الإدخال من مربع محول للنظام سماعة الرنين المغناطيسي الوظيفي متوافق.
  4. ربط سماعات الأذنين لمنافذ الإخراج من مربع المحولات.
  5. استخدام محمية الكابلات المحورية مع وصلات BNC للاتصال مربع محول إلى لوحة اختراق خارج غرفة الماسح الضوئي.
  6. ربط تجميع الكابلات سماعة إلى الموانئ BNC المقابلة على لوحة تغلغل داخل الغرفة الماسح الضوئي.
  7. ربط رغوة نصائح الأذن لسماعات الأذن ثم توصيل سماعات رس الجمعية كابل. تشغيل اختبار التحفيز السمعي لتأكيد يتم نقل هذا الصوت من الكمبيوتر إلى سماعات الأذن. افصل سماعات الأذن وإدراج رغوة نصائح الأذن بشكل آمن إلى آذان القط أثناء مرحلة إعداد الحيوان (الخطوة 2.7).

2. إعداد الحيوان

  1. ليمهد للتخدير القط وإدارة خليط من المسكنات الأتروبين سلفات (0.02 ملغ / كلغ) وآسيبرومازين (0.02 ملغ / كلغ) عن طريق الحقن تحت الجلد (SC).
  2. بعد 20 دقيقة، ويدير الكيتامين (4 ملغ / كلغ) وdexmedetomidine هيدروكلوريد (0،02-0،03 ملغ / كلغ) عن طريق الحقن العضلي (IM) للحث على حقن التخدير. عادة ما يتم الجمع بين الكيتامين مع المسكنات وارتخاء العضلات، في هذه الحالة، هيدروكلوريد dexmedetomidine، للحد من الهزات وتصلب العضلات يلاحظ عموما عند استخدام الكيتامين وحدها 45. هذا المزيج مخدر عادة يدفع ما يقرب من 150 دقيقة من التخدير وكثيرا ما يستخدم في الممارسة البيطرية للحثالتخدير في الحيوانات الصغيرة.
  3. مرة واحدة فقد القط المنعكس المقوم لها، وتطبيق مرهم للعين للعيون لمنع جفاف أثناء العملية. وضع القسطرة سكنى في الوريد الصافن الإنسي للتسليم في الوريد من الكيتامين.
  4. اختبار ناجح لتحريض التخدير عن طريق معسر في احد اصابع القدم على forepaw ثم مراقبة ما إذا كان القط تنسحب مخلب لها. مرة واحدة يختفي منعكس دواسة، وقمع منعكس هفوة عن طريق الرش على الجدران يدوكائين البلعوم ثم التنبيب القط مع الأنبوب الرغامي 4،0-4،5.
  5. الحفاظ على التخدير طوال الدورة التصوير مع ضخ معدل ثابت من الكيتامين (،6-،75 ملغ / كغ / ساعة) واستنشاق isoflurane و(0.4-0.5٪) تسليم في 100٪ من الأكسجين في 1-1.5 لتر / دقيقة. الجمع بين 60 مل من المياه المالحة و 0.07 مل من الكيتامين في حقنة 60 مل ثم ضع الحقنة في ضخ حقنة. هذه الخطوة لا يمكن أن يؤديها قبل premedicating القط.
  6. مكان دافئ منصات التدفئة مملوءة الشمع على الأرض من ليالي التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقةأدى (أرقام 3A و 3C) ثم طبقة من العازل البلاستيك فقاعة التفاف حول الجدران الداخلية للزلاجات.
  7. وضع القط في وضع القصية في التفاف فقاعة العزل في زلاجات التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة مع (الشكل 3C).
  8. مرة واحدة يتم وضع القط، وضبط الرأس للوصول إلى الأذنين. لفة نصائح الأذن رغوة في أصغر قطر ممكن ثم إدراج كل طرف الأذن في عمق قناة الأذن. مرة واحدة إدراج، ينبغي للنصائح الأذن رغوة توسيع لملء الفضاء داخل قنوات الأذن.
  9. ضبط القط حتى يتم وضع رأسه بشكل صحيح ضمن 3 قنوات التردد الراديوي (RF) لفائف (الشكل 3B). استقرار الرأس مع رغوة الذاكرة الصوتية الملطف (الشكل 3D). وضع رغوة حول الأذنين لتوفير توهين إضافية من ضوضاء الماسح الضوئي.
  10. التفاف القط في بطانية العزل البلاستيك التفاف فقاعة ثم تأمين ونقل زلاجات إلى السرير الماسح الضوئي.
  11. ربط خطوط ضخ وأنابيب تسليم مخدر ومعدات الرصد لقطة. ربط سماعات لتجميع الكابلات سماعة تعلق على لوحة الاختراق.
  12. بدء ضخ الكيتامين في معدل تدفق قاعدة 0.6 ملغ / كغ / ساعة ثم زيادة معدل التدفق على النحو المطلوب استنادا إلى عمق التخدير. ضبط الجرعة الأولي isoflurane وإلى 0.5٪ ثم تنخفض إلى 0.4٪ مرة واحدة وقد تم جمع بالاشعة التشريحية.
  13. رصد وتسجيل التشبع القط الأكسجين في الدم، في نهاية المد CO 2 مستويات ومعدل ضربات القلب والتنفس ودرجة حرارة الجسم (إن أمكن) في كافة مراحل التجربة باستخدام معدات الرصد التصوير بالرنين المغناطيسي متوافق مع وضعه على مسافة مناسبة من حمل الماسح الضوئي. الجدول 1 يسرد يعني القيم ونطاقات القياسات الفسيولوجية للتنفيذ الناجح لهذا الإجراء. عادة ما ترتبط الزيادات المطردة في معدل ضربات القلب والتنفس مع انتعاش وشيك من التخدير.
  14. بعد قاكتمال ession، وإزالة القط من زلاجات. الاستمرار في توفير التدفئة تكميلية مع منصات التدفئة والمناشف حتى الحيوان للشفاء تماما. بمجرد عودة هفوة لا ارادي، وإزالة الأنبوب الرغامي. مراقبة القط حتى يتم استعادة المنعكس المقوم ثم العودة الحيوان إلى المرفق. تقييم هذا الحيوان بعد يوم من إجراء لضمان عدم وجود آثار سلبية من التجربة.

3. التصوير الدماغ

  1. جمع بالاشعة التشريحية للدماغ القط في توجيه شريحة المحوري. استخدام المعلمات التصوير التالية لحجم إشارة التشريحية: تسلسل التصوير FLASH مع TR = 750 ميللي ثانية، TE = 8 ميللي ثانية، مصفوفة = 256 × 256، واقتناء حجم فوكسل = 281 ميكرون س 281 ميكرون × 1.0 مم. مدة الفحص التشريحي ما يقرب من 6 دقائق. الشكل 4 (اللوحة اليسرى) على شريحة صورة تشريحية العينة التي تم الحصول عليها باستخدام المعايير المحددة.
  2. استخدام المعلمات التالية التصوير لfunctioأحجام نال: مجزأة معشق الصدى مستو اقتناء (برنامج التحصين الموسع) مع TR = 1،000 ميللي ثانية، TE = 15 مللي ثانية، 3 شرائح / طائرة، 21 × 1 مم شرائح؛ مصفوفة = 96 × 96؛ الحقل من رأي = 72 مم × 72 مم؛ اقتناء حجم فوكسل = 0.75 ملم × 0.75 ملم × 1.0 ملم؛ اكتساب الوقت = 3 ثانية / حجم الشكل 4 (اللوحة اليمنى) على شريحة وظيفية صورة العينة التي تم الحصول عليها باستخدام المعايير المحددة.

4. عرض الحوافز

  1. تقديم النطاق العريض الضوضاء البيضاء التحفيز (0-25 كيلو هرتز، 100 ميللي ثانية رشقات نارية مع 5 ميللي ثانية الوقت ارتفاع / الخريف، 1 عرض كل 200 ميللي ثانية، 90-100 ديسيبل SPL) في تصميم كتلة التي لعبت التحفيز السمعي لمدة 30 ثانية و تناوبت مع 30 ثانية الأساس (أي التحفيز) حالة (الشكل 5). كرر هذه الخطوة حتى لوحظ أثار سمعيا-BOLD النشاط في القشرة السمعية. مدة كل شوط وظيفية باستخدام تصميم القطاعات ما يقرب من 4.5 دقيقة لمدة 90 مجلدا.
  2. تقديم الحوافز في أبتكبده كتلة التكوين للتصميم العدد المرغوب فيه من أشواط وظيفية.

5. تحليل البيانات

  1. تحديد البرامج المناسبة تحليل الرنين المغناطيسي الوظيفي (مثل إدارة الأداء الاجتماعي، FSL) لمعالجة كميات الوظيفية المكتسبة.
  2. إعادة تنظيم كل وحدة تخزين وظيفية لحجم المكتسبة الأقرب في الوقت المناسب لالمرجع التشريحية الفحص. حفظ الناتجة الحركة القيم التصحيح للاستخدام في الخطوة 5.6. استبعاد أي أشواط وظيفية في حركات الرأس التي التناوب تتجاوز 1 درجة أو حركات الرأس متعدية يتجاوز 1 مم.
  3. Coregister كل وحدة تخزين إلى مرجع التشريحية الفحص.
  4. السلس كل وحدة تخزين مع 2 ملم ذات العرض الكامل نصف الحد الأقصى (FWHM) مرشح التمويه.
  5. دمج وظيفة مربع موجة (عربة النقل) والتي تتطابق مع ON-OFF تصميم كتلة التحفيز باعتبارها regressor إلى النموذج الخطي العام (GLM).
  6. دمج القيم تصحيح الحركة كما تراجع للا مصلحة لحساب التحف المتصلة الحركة. تطبيق يوعتبة الإحصائية ncorrected ع = 0.001 إلى GLM النتائج لعرض مجموعات من تفعيل BOLD. تحديد حجم أصغر العنقودية التي يلتقي تصحيح (الخطأ للأسرة الحكيم: FWE) عتبة ع <0.05 على مستوى المجموعة. تعيين عتبة حد العنقودية إلى هذه القيمة لعرض مجموعات ذات دلالة إحصائية في المناطق ذات الاهتمام.
  7. تحديد BOLD تغيير إشارة المئة (PSC) في كل فوكسل بالفرق بين إشارة BOLD يعني خلال كتل التحفيز وإشارة BOLD يعني خلال كتل الأساس.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم الحصول على بيانات وظيفية ممثل في 7T الأفقي الماسح الضوئي تتحمل وتحليلها باستخدام الأدوات الإحصائية حدودي رسم الخرائط في MATLAB. وقد لوحظ باستمرار استجابات الدورة الدموية القشرية قوية لتحفيز السمعية في القطط باستخدام بروتوكول التجريبية وصفها 43. يوضح الشكل (6) تفعيل BOLD 2 في الحيوانات استجابة ل30 ثانية التحفيز الضوضاء النطاق العريض المقدمة في تصميم كتلة. خرائط T-الإحصائية من الضوضاء النطاق العريض مقابل خط الأساس (أي التحفيز) التباين في الصورة 2 طائرات شريحة تكشف كتل متجاورة من النشاط الثنائية أثار سمعيا في القشرة السمعية (أرقام 6A و6D؛ على مستوى الكتلة عتبة تصحيح FWE: ع < 0.05). الأرقام 6B وتظهر 6E التحويرات في إشارة BOLD خلال شوط وظيفية واحدة، في voxels أبرزت في أرقام 6A و6D التوالي. مع مربع موجة النموذج الخطي العام مناسبا، ينبغي للمرء أن يتوقع أن إشارة BOLD سيتم التضمين نسبة إلى خط الأساس (حالة عدم التحفيز) خلال كل عرض تقديمي من التحفيز السمعي بطريقة مماثلة للنمط ON-OFF للكتلة التصميم. أرقام 6C و6F توضيح دورات الوقت نفسه ذات الصلة بالحدث الاستجابة BOLD تطبيع إشارة إلى متوسط ​​خط الأساس BOLD. في هذه الأمثلة، في إشارة BOLD يسلك زيادة كبيرة بالمقارنة مع خط الأساس 3-6 ثانية بعد ظهور التحفيز. وعادة ما يتم الاحتفاظ هذه الزيادة في إشارة BOLD في جميع أنحاء عرض الحوافز السمعية ثم ينخفض ​​إلى القيم الأساسية 6 ثانية بعد التحفيز الإزاحة.

المعلمة الفسيولوجية المعدل الطبيعي ل يعني القيمة (تجربة) ب
معدل ضربات القلب 110-226 نبضة / دقيقة 143 ± 4.1 نبضة / دقيقة
معدل التنفس 20-40 الأنفاس / دقيقة 21 ± 1.6 الأنفاس / دقيقة
النهائيين المد CO 2 35-45 ملم زئبق 30 ± 1.7 ملم زئبقي
O الدم 2 التشبع 90-100٪ 57 92 ± 1.2٪
درجة حرارة الجسم 38.5 ± 0.5 ° C N / A

الجدول 1. نطاقات العادية في القطط مستيقظا والقيم المتوسطة في القطط تخدير للمعلمات الفسيولوجية قياس أثناء إجراء الرنين المغناطيسي الوظيفي. نطاقات عادي تم الحصول عليها من المبادئ التوجيهية المحددة من قبل المجلس الكندي للرعاية الحيوان. ب 44 متوسط ​​القيم (± SEM) تم الحصول عليها من N = 7 القطط أكثر 20 جلسات التصوير.

872/50872fig1highres.jpg "سرك =" / files/ftp_upload/50872/50872fig1.jpg "/>
الشكل 1. بالطبع وقت التجربة. يتم رسم كل خطوة في الإجراء التجريبي على طول خط الزمن (في دقيقة) نسبة إلى الوقت الذي يدار تخدير.

الرقم 2
الشكل 2. معدات الإنتاج السمعي التحفيز. (أ) المكونات الإلكترونية المستخدمة في بروتوكول تجريبي. (ب) رسم تخطيطي للاتصالات بين كل مكون. مربع المحولات وتجميع الكابلات واجهة نظام التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة مع سماعة في لوحة تغلغل بين غرفة الماسح الضوئي وغرفة الحاسوب.

pload/50872/50872fig3highres.jpg "سرك =" / files/ftp_upload/50872/50872fig3.jpg "/>
الرقم 3. الإعداد التجريبية. (أ) زلاجات التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة. (ب) 3 قنوات لفائف رأس القط RF. (ج) منظر جانبي لتخدير القط تقع في مزلقة. (د) جبهة نظرا القط في زلاجات مع رئيسها في 3 قناة لفائف RF (مقتبس من براون وآخرون 43).

الرقم 4
الشكل 4. أمثلة التشريحية (يسار) والوظيفية (يمين) صورة شرائح المكتسبة في 7T الأفقي الماسح الضوئي تتحمل باستخدام لفائف RF-3 القناة. موقع التقريبي للشريحة عرض ومضافين على عرض الوحشي من القط النصف الأيمن. ج: الأمامي، P: الخلفي، L: يسار، R: الحق.

ضمن صفحة = "دائما"> الرقم 5
الرقم 5. التخطيطي عرضا كتلة تصميم التحفيز. الأساس (أي لا التحفيز) وتناوبت مع كتل كتل 30 ثانية من عرض الحوافز السمعية. يتم الحصول على كميات وظيفية بشكل مستمر (كل 3 ثانية) أثناء التشغيل. TA: مدة اقتناء وحدة التخزين. TS: مدة كتلة التحفيز.

الرقم 6
الرقم 6. أمثلة ممثل استجابة BOLD إلى النطاق العريض التحفيز الضوضاء. (أ) و (د) خرائط T-الإحصائية من الضوضاء النطاق العريض (BBN) مقابل خط الأساس (أي التحفيز) فرضه على النقيض المحوري (أفقيا) التشريحية الصورة SLالثلوج. ومضافين المواقع التقريبية لشرائح عرض في (أ) و (د) على عرض الوحشي من القط النصف الأيمن (ب) و (ه) BOLD دورات أولية إشارة الوقت (في مجلدات) في voxels أبرزت في الفقرة (أ) و (د) على التوالي لتشغيل وظيفية واحدة (90 مجلدا). (ج) و (و) وبلغ متوسط ​​المتعلقة حدث الدورات زمن الاستجابة BOLD (بالثواني) في voxels أبرزت في (أ) و (د) على التوالي، قبل وأثناء و بعد كتلة التحفيز. تمثل القضبان الرمادية فترة عرض الحوافز السمعية. ج: الأمامي، P: الخلفي، L: يسار، R: الحق انقر هنا لعرض أكبر شخصية .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في تصميم تجربة الرنين المغناطيسي الوظيفي لنموذج حيواني تخدير وظيفة السمع، ينبغي إيلاء المسائل التالية دراسة متأنية: (ط) تأثير التخدير على الاستجابات القشرية، (ب) تأثير الضوضاء الماسح الضوئي الخلفية، و (ج) التحسين من مرحلة جمع البيانات من إجراء التجارب.

في حين أن إعداد تخدير يوفر ميزة هامة من إنتاج فترة طويلة من التخدير والتقليل من إمكانات رئيس الحركة خلال جلسة التصوير وظيفية، ومن المعروف التخدير للتأثير ديناميكا الدم القشرية. والتخدير وصفها في هذا البروتوكول والتي يشيع استخدامها في الكهربية (الكيتامين) والتصوير الوظيفي (isoflurane و) دراسات القط السمعي البصري 46-48 والقشرة 26-28،42 التوالي. على الرغم من الكيتامين هو معروف للتأثير على الحد الأدنى من النشاط العفوي القشرية 49، فقد تبين أن ينخفض ​​الأيض الدماغي وبالتالي حاستجابة emodynamic في القشرة السمعية الفئران بجرعات من 10 ملغ / كغ 50. ومع ذلك، في الجرعات الموصى بها في هذا الإجراء (4 ملغ / كلغ)، وقد لوحظت تغييرات إشارة BOLD تصل إلى 6٪ في القط القشرة السمعية ردا على التحفيز الصوتية 43. ويستخدم عادة لisoflurane واستكشاف الجوانب الوظيفية من القط القشرة البصرية، ولكن ثبت أيضا أنه للحد من حجم الردود الدورة الدموية في القط القشرة البصرية بالمقارنة إلى إعداد مستيقظا 51. علاوة على ذلك، في جرعات فوق 1.5٪، isoflurane ويزيد من تدفق الدم إلى المخ في الفئران 45 وبشدة آثار حساسية استجابة الخلايا العصبية في القشرة السمعية القط 52. في جرعات تدار في هذا البروتوكول (0.4-0.5٪)، يخدم isoflurane وكعامل مخدر دعم لمخدر الأولية، الكيتامين، وبالتالي التقليل من الآثار السلبية المرتبطة جرعات أكبر. كما تم استخدام البروبوفول في مجال التصوير وظيفية يدرس 53، ومع ذلك، فإنهوقد تبين للحد من أثار إمكانات الحسية الجسدية والاستجابات 45 BOLD في القشرة السمعية 53 بطريقة تعتمد على الجرعة. كان هذا مخدر وبالتالي لا تصلح لتوفير مدة المطلوبة من التخدير التي تؤثر في حين الحد الأدنى من الردود BOLD. مزيج من الكيتامين وisoflurane وصفها في هذا البروتوكول وبالتالي يوفر العديد من المزايا: (ط) وتنتج الفترة من التخدير العميق لمدة تصل إلى 2.5 ساعة، (ب) أنه يقلل من حركة الرأس مثل هذه الحركات الدورانية التي لا تتجاوز عادة 0.3 درجة ومتعدية حركات لا تتجاوز عادة 0.1 ملم 43، و (ج) أنه يؤثر الحد الأدنى من الاستجابة BOLD مع التغيرات إشارة تصل إلى 6٪ يرصدها.

واحدة من التحديات في تنفيذ دراسة الصورة الفنية للنظام السمعي هو تأثير الضوضاء الخلفية التي تم إنشاؤها بواسطة الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي على استجابة BOLD قياسها. في هذا الإجراء، يتم تقديم حافز الصوت في تصميم كتلة بينما الخامس وظيفيةيتم الحصول على olumes بشكل مستمر خلال الفترة السابقة وظيفية. يتم تناول مسألة الضوضاء الماسح الضوئي بطريقتين: (ط) من خلال خصائص تخفيف من النصائح رغوة الأذن التي فعالا في الحد من الضوضاء في الخلفية بنسبة تصل إلى 30 ديسيبل و (ب) من خلال تقديم حافز الصوت في كثافة من حوالي 90 ديسيبل SPL. كما هو موضح في الشكل (6)، يدل على سبيل المثال ممثل أن إشارة BOLD هو منظم بشكل فعال خلال عرض الحوافز السليمة يقترن اكتساب حجم المستمر. بينما حجم المستمر طريقة الشراء استخدمت بنجاح لتحقيق تنظيم التوضع النغمي 33،35،36 وتجهيز 54 الزمانية المكانية في الجهاز السمعي، وهذا النهج يحد من التحقيق في مسائل مثل تأثير شدة التحفيز على الاستجابة BOLD. يمكن تعديل الإجراء التجريبي وصفها لزيادة خفض تأثير الضوضاء الماسح الضوئي عن طريق زيادة الفترة بين عمليات الاستحواذ حجم وعرضيبدو التحفيز في الفترة الصامتة الناتجة عن ذلك. وقد استخدم هذا النهج 'اقتناء متفرق "على نطاق واسع في الدراسات السمعية لوصف خصائص زمن الاستجابة بالطبع BOLD 29،41،43،55، لتوصيف مناطق مختلفة داخل القشرة السمعية 37،38،43،56 ودراسة تأثير شدة الصوت على 39،40 استجابة BOLD. خلال الاستحواذ حجم المستمر، يتم جمع أكثر مجلدات في فترة أقصر من الوقت، وبالتالي تحسين كبير في نسبة الإشارة إلى الضوضاء. وبالتالي، يمكن هذا البروتوكول استخدامها جنبا إلى جنب مع التجارب اقتناء متفرق لتأكيد وتوطين وتحدد بوضوح أثار سمعيا-BOLD النشاط في مناطق وظيفية السمعية من الفائدة.

قبل الحصول على كميات وظيفية لتجربة سمعية، فمن المهم أن تؤكد وجود نشاط أثار سمعيا في القشرة السمعية. تفعيل BOLD هو واضح عادة في كورتي السمعيةس في غضون 45 دقيقة من التخدير الاستقراء (الشكل 1). في حين أنه من المرجح أن تفعيل BOLD هامة يمكن ملاحظتها في التجربة السابقة، تم جمع وظيفية لا يعمل قبل ذلك 45 دقيقة تأخير بسبب الوقت اللازم لإعداد الحيوانية ومجموعة من الفحص التشريحي. لتحسين جمع البيانات، كل تشغيل وظيفية يمكن بناؤها إلى زيادة عدد وحدات التخزين التي تم جمعها عن كل حالة التحفيز. ويمكن تحقيق هذا عن طريق تعديل الإجراءات في عدد قليل من الطرق. الأولى، والوقت اللازم لجمع كل وحدة تخزين يمكن الحد من خفض مجال الرؤية من شرائح الصورة وظيفية. يصف الإجراء الحالي اقتناء الصور الدماغ كله. بدلا من ذلك، حدود 3-D حجم وظيفية يمكن الانحياز إلى حدود التشريحية من القشرة السمعية المترجمة مكانيا. الثانية، ويمكن أيضا الحصول على حجم الوقت يمكن خفضها من خلال خفض القرار في الطائرة. ومع ذلك، وهو قرار في الطائرة من 0.75 متر على الأقلم 2 يبدو كافيا لتسوية الخلافات الإقليمية في وظائف داخل القشرة السمعية. إذا كان المطلوب زيادة في الدقة في الطائرة، والزيادة المقابلة في حجم اكتساب الوقت يمكن أن تكون متوازنة من خلال تقليل عدد شرائح وظيفية ضمن وحدة التخزين 3-D، وبدلا من ذلك، التركيز على وجه الخصوص المنطقة الفرعية داخل القشرة السمعية .

وعموما، فإن طبيعة موسع من الرنين المغناطيسي الوظيفي يسهل التجارب الفنية المتكررة في حيوان واحد على مدى فترة طويلة من الزمن. ولهذه التقنية مثالية لتحقيقات الطولية التي تتطلب جمع البيانات في نقاط زمنية متعددة، ويمكن أن تقلل من عدد الحيوانات اللازمة لدراسة معينة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب تعلن أي تضارب في المصالح أو مالية أو خلاف ذلك.

Acknowledgments

فإن الكتاب أود أن أنوه مساهمات كايل جيلبرت، الذي صمم لفائف RF العرف، وكيفن باركر، الذي صمم زلاجات التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة. وأيد هذا العمل من قبل المعاهد الكندية لأبحاث الصحة (CIHR)، العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC)، والمؤسسة الكندية للابتكار (CFI).

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kaas, J. H., Hackett, T. A. Subdivisions of auditory cortex and processing streams in primates. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 11793-11799 (2000).
  2. Kusmierek, P., Rauschecker, J. P. Functional Specialization of Medial Auditory Belt Cortex inthe Alert Rhesus Monkey. J. Neurophysiol. 102, 1606-1622 (2009).
  3. Recanzone, G. H., Guard, D. C., Phan, M. L. Frequency and Intensity Response Properties of Single Neurons in the Auditory Cortex of the Behaving Macaque Monkey. J. Neurophysiol. 83, 2315-2331 (2000).
  4. Godey, B., Atencio, C. A., Bonham, B. H., Schreiner, C. E., Cheung, S. W. Functional organization of squirrel monkey primary auditory cortex: Responses to frequency-modulation sweeps. J. Neurophysiol. 94, 1299-1311 (2005).
  5. Tian, B., Rauschecker, J. P. Processing of frequency-modulated sounds in the lateral auditory belt cortex of the rhesus monkey. J. Neurophysiol. 92, 2993-3013 (2004).
  6. Mrsic-Flogel, T. D., Versnel, H., King, A. J. Development of contralateral and ipsilateral frequency representations in ferret primary auditory cortex. Eur. J. Neurosci. 23, 780-792 (2006).
  7. Elhilali, M., Fritz, J. B., Chi, T. -S., Shamma, S. A. Auditory Cortical Receptive Fields: Stable Entities with Plastic Abilities. J. Neurosci. 27, 10372-10382 (2007).
  8. Shamma, S. A., Fleshman, J. W., Wiser, P. R., Versnel, H. Organization of Response Areas in Ferret Primary Auditory Cortex. J. Neurophysiol. 69, 367-383 (1993).
  9. Kowalski, N., Versnel, H., Shamma, S. A. Comparison of Responses in the Anterior and Primary Auditory Fields of the Ferret Cortex. J. Neurophysiol. 73, 1513-1523 (1995).
  10. Nelken, I., Versnel, H. Responses to linear and logarithmic frequency-modulated sweeps in ferret primary auditory cortex. Eur. J. Neurosci. 12, 549-562 (2000).
  11. Shannon-Hartman, S., Wong, D., Maekawa, M. Processing Of Pure-Tone And FM Stimuli In The Auditory Cortex Of The FM Bat, Myotis lucifugus. Hearing Res. 61, 179-188 (1992).
  12. Razak, K. A., Fuzessery, Z. M. Neural Mechanisms Underlying Sensitivity for the Rate and Direction of Frequency-Modulated Sweeps in the Auditory Cortex of the Pallid. J. Neurophysiol. 96, 1303-1319 (2006).
  13. Razak, K. A., Fuzessery, Z. M. GABA Shapes Selectivity for the Rate and Direction of Frequency-Modulated Sweeps in the Auditory Cortex. J. Neurophysiol. 102, 1366-1378 (2009).
  14. Suga, N. Functional Properties of Auditory Neurones in the Cortex of Echo-Locating Bats. J. Physiol. 181, 671-700 (1965).
  15. Harrison, R. V., Kakigi, A., Hirakawa, H., Harel, N., Mount, R. J. Tonotopic mapping in auditory cortex of chinchilla. Hearing Res. 100, 157-163 (1996).
  16. Benson, D. A., Teas, D. C. Single Unit Study of Binaural Interaction in the Auditory Cortex of the Chinchilla. Brain Res. 103, 313-338 (1976).
  17. Ricketts, C., Mendelson, J. R., Anand, B., English, R. Responses to time-varying stimuli in rat auditory cortex. Hearing Res. 123, 27-30 (1998).
  18. Gaese, B. H., Ostwald, J. Temporal Coding of Amplitude and Frequency Modulation in the Rat Auditory Cortex. European J. Neurosci. 7, 438-450 (1995).
  19. Hage, S. R., Ehret, G. Mapping responses to frequency sweeps and tones in the inferior colliculus of house mice. Eur. J. Neurosci. 18, 2301-2312 (2003).
  20. Merzenich, M. M., Knight, P. L., Roth, G. L. Representation of Cochlea Within Primary Auditory Cortex in the Cat. J. Neurophysiol. 38, 231-249 (1975).
  21. Knight, P. L. Representation of the Cochlea within the Anterior Auditory Field (AAF) of the Cat. Brain Res. 130, 447-467 (1977).
  22. Sutter, M. L., Schreiner, C. E., McLean, M., O'Connor, K. N., Loftus, W. C. Organization of Inhibitory Frequency Receptive Fields in Cat Primary Auditory Cortex. J. Neurophysiol. 82, 2358-2371 (1999).
  23. Whitfield, I. C., Evans, E. F. Responses of Auditory Cortical Neurons to Stimuli of Changing Frequency. J. Neurophysiol. 28, 655-672 (1965).
  24. Mendelson, J. R., Cynader, M. S. Sensitivity of cat primary auditory cortex (AI) neurons to the direction and rate of frequency modulation. Brain Res. 327, 331-335 (1985).
  25. Pouratian, N., Toga, A. W. Brain Mapping: The Methods. Toga, A. W., Mazziotta, J. C. , Academic Press. 97-140 (2002).
  26. Harel, N., Lee, S. P., Nagaoka, T., Kim, D. S., Kim, S. G. Origin of negative blood oxygenation level-dependent fMRI signals. J. Cereb. Blood Flow Metab. 22, 908-917 (2002).
  27. Olman, C., Ronen, I., Ugurbil, K., Kim, D. S. Retinotopic mapping in cat visual cortex using high-field functional magnetic resonance imaging. J. Neurosci. Methods. 131, 161-170 (2003).
  28. Kim, D. S., Duong, T. Q., Kim, S. G. High-resolution mapping of iso-orientation columns by fMRI. Nat. Neurosci. 3, 164-169 (2000).
  29. Belin, P., Zatorre, R. J., Hoge, R., Evans, A. C., Pike, B. Event-related fMRI of the auditory cortex. NeuroImage. 10, 417-429 (1999).
  30. Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature. 412, 150-157 (2001).
  31. Mukamel, R., et al. Coupling between neuronal firing, field potentials, and fMR1 in human auditory cortex. Science. 309, 951-954 (2005).
  32. Bilecen, D., Scheffler, K., Schmid, N., Tschopp, K., Seelig, J. Tonotopic organization of the human auditory cortex as detected by BOLD-FMRI. Hearing Res. 126, 19-27 (1998).
  33. Talavage, T. M., Ledden, P. J., Benson, R. R., Rosen, B. R., Melcher, J. R. Frequency-dependent responses exhibited by multiple regions in human auditory cortex. Hearing Res. 150, 225-244 (2000).
  34. Talavage, T. M., et al. Tonotopic organization in human auditory cortex revealed by progressions of frequency sensitivity. J. Neurophysiol. 91, 1282-1296 (2004).
  35. Wessinger, C. M., Buonocore, M. H., Kussmaul, C. L., Mangun, G. R. Tonotopy in human auditory cortex examined with functional magnetic resonance imaging. Human Brain Map. 5, 18-25 (1997).
  36. Cheung, M. M., et al. BOLD fMRI investigation of the rat auditory pathway and tonotopic organization. NeuroImage. 60, 1205-1211 (2012).
  37. Langers, D. R. M., van Dijk, P., Backes, W. H. Lateralization connectivity and plasticity in the human central auditory system. NeuroImage. 28, 490-499 (2005).
  38. Petkov, C. I., Kayser, C., Augath, M., Logothetis, N. K. Functional imaging reveals numerous fields in the monkey auditory cortex. PLoS Biol. 4, 1213-1226 (2006).
  39. Tanji, K., et al. Effect of sound intensity on tonotopic fMRI maps in the unanesthetized monkey. NeuroImage. 49, 150-157 (2010).
  40. Zhang, J. W., et al. Functional magnetic resonance imaging of sound pressure level encoding in the rat central auditory system. NeuroImage. 65, 119-126 (2013).
  41. Baumann, S., et al. Characterisation of the BOLD response time course at different levels of the auditory pathway in non-human primates. NeuroImage. 50, 1099-1108 (2010).
  42. Jezzard, P., Rauschecker, J. P., Malonek, D. An in vivo model for functional MRI in cat visual cortex. Magn. Reson. Med. 38, 699-705 (1997).
  43. Brown, T. A., et al. Characterisation of the blood-oxygen level-dependent (BOLD) response in cat auditory cortex using high-field fMRI. NeuroImage. 64, 458-465 (2013).
  44. Olfert, E. D., Cross, B. M., McWilliam, A. A. Canadian Council on Animal Care. 1, Ottawa, Ontario. (1993).
  45. Franceschini, M. A., et al. The effect of different anesthetics on neurovascular coupling. NeuroImage. 51, 1367-1377 (2010).
  46. Heil, P., Irvine, D. R. F. Functional specialization in auditory cortex: Responses to frequency-modulated stimuli in the cat's posterior auditory field. J. Neurophysiol. 79, 3041-3059 (1998).
  47. Norena, A. J., Gourevitch, B., Pienkowski, M., Shaw, G., Eggermont, J. J. Increasing spectrotemporal sound density reveals an octave-based organization in cat primary auditory cortex. J. Neurosci. 28, 8885-8896 (2008).
  48. Pienkowski, M., Eggermont, J. J. Long-term, partially-reversible reorganization of frequency tuning in mature cat primary auditory cortex can be induced by passive exposure to moderate-level sounds. Hearing Res. 257, 24-40 (2009).
  49. Zurita, P., Villa, A. E. P., de Ribaupierre, Y., de Ribaupierre, F., Rouiller, E. M. Changes of single unit activity in the cat auditory thalamus and cortex associated with different anesthetic conditions. Neurosci. Res. 19, 303-316 (1994).
  50. Crosby, G., Crane, A. M., Sokoloff, L. Local changes in cerebral glucose-utilization during ketamine anesthesia. Anesthesiology. 56, 437-443 (1982).
  51. Zhao, F., Jin, T., Wang, P., Kim, S. -G. Isoflurane anesthesia effect in functional imaging studies. NeuroImage. 38, 3-4 (2007).
  52. Cheung, S. W., et al. Auditory cortical neuron response differences under isoflurane versus pentobarbital anesthesia. Hearing Res. 156, 115-127 (2001).
  53. Dueck, M. H., et al. Propofol attenuates responses of the auditory cortex to acoustic stimulation in a dose-dependent manner: A FMRI study. Acta Anaesthesiol. Scand. 49, 784-791 (2005).
  54. Seifritz, E., et al. Spatiotemporal pattern of neural processing in the human auditory cortex. Science. 297, 1706-1708 (2002).
  55. Hall, D. A., et al. 34;Sparse" temporal sampling in auditory fMRI. Human Brain Map. 7, 213-223 (1999).
  56. Backes, W. H., van Dijk, P. Simultaneous sampling of event-related BOLD responses in auditory cortex and brainstem. Magn. Reson. Med. 47, 90-96 (2002).
  57. Greene, S. A. In Veterinary Anesthesia and Pain Management Secrets. , Hanley & Belfus, Inc. 121-126 (2002).

Tags

علم الأعصاب، العدد 84، الجهاز العصبي المركزي، الأذن، تجارب على الحيوانات، نماذج، الحيوان، تصوير الأعصاب الوظيفية ورسم الخرائط الدماغ والجهاز العصبي وأعضاء الحس، القشرة السمعية، وتغير إشارة BOLD، استجابة الدورة الدموية، والسمع، المنبهات الصوتية
التصوير الوظيفي للسمعي اللحاء في القطط الكبار باستخدام الحقل عالي الرنين المغناطيسي الوظيفي
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Brown, T. A., Gati, J. S., Hughes,… More

Brown, T. A., Gati, J. S., Hughes, S. M., Nixon, P. L., Menon, R. S., Lomber, S. G. Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI. J. Vis. Exp. (84), e50872, doi:10.3791/50872 (2014).

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