Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Funktionell avbildning av hörselbarken hos vuxna katter med hjälp av hög-fält fMRI

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

Funktionella studier av hörselsystemet hos däggdjur har traditionellt gjorts med hjälp av rumsligt-inriktade tekniker såsom elektrofysiologiska inspelningar. Följande protokoll beskriver en metod för att visualisera storskaliga mönster av frammanade hemodynamiska aktivitet i kattens hörselbarken med hjälp av funktionell magnetisk resonanstomografi.

Abstract

Nuvarande kunskap om sensorisk bearbetning i däggdjurshörselsystemet härrör huvudsakligen från elektrofysiologiska studier i olika djurmodeller, inklusive apor, illrar, fladdermöss, gnagare och katter. För att dra lämpliga paralleller mellan mänskliga och djurmodeller av hörselfunktionen, är det viktigt att skapa en bro mellan funktionella avbildningsstudier mänskliga och djurelektrofysiologiska studier. Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är en etablerad, minimalt invasiv metod för att mäta breda mönster av hemodynamiska aktivitet i olika regioner i hjärnbarken. Denna teknik används ofta för att undersöka sensorisk funktion i den mänskliga hjärnan, är ett användbart verktyg för att koppla studier av ljudbearbetning hos både människor och djur och har med framgång använts för att undersöka hörselfunktionen på apor och gnagare. Följande protokoll beskriver en experimentell procedur för att undersöka hörselfunktionen i sövda vuxnakatter genom att mäta stimulans-framkallade hemodynamiska förändringar i hörselbarken med hjälp av fMRI. Denna metod underlättar jämförelse av de hemodynamiska reaktioner i olika modeller av hörselfunktionen vilket leder till en bättre förståelse av arter oberoende funktioner i däggdjur hörselbarken.

Introduction

Nuvarande förståelse för ljudbearbetning i däggdjur härrör huvudsakligen från invasiva elektrofysiologiska studier på apor 1-5, illrar 6-10, fladdermöss 11-14, gnagare 15-19 år, och katter 20-24. Elektrofysiologiska tekniker använder allmänt cellulära mikroelektroder för att registrera aktiviteten av enstaka och multipla neuroner inom ett litet område av neural vävnad som omger elektrodspetsen. Etablerad funktionella avbildningsmetoder, såsom optisk avbildning och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI), fungerar som användbara komplement till extracellulära inspelningar genom att tillhandahålla en makroskopisk perspektiv samtidig driven verksamhet över flera, rumsligt distinkta regioner av hjärnan. Intrinsic signal optisk avbildning underlättar visualisering av framkallad aktivitet i hjärnan genom att mäta aktivitetsrelaterade förändringar i reflektionsegenskaperna hos ytan vävnad medan fMRI använder blodsyrenivån beroende (BOLD)kontrast för att mäta stimulans-framkallade hemodynamiska förändringar i hjärnregioner som är aktiva under en viss uppgift. Optisk avbildning kräver direkt exponering av den kortikala ytan mäter förändringar i ytan vävnad reflektans som är relaterade till stimulans-framkallade aktivitet 25. I jämförelse är fMRI icke-invasiv och utnyttjar paramagnetiska egenskaper för syrefattigt blod för att mäta både kortikala ytan 26-28 och sulcus baserade 27,29 framkallad aktivitet inom en intakt skalle. Starka samband mellan BOLD signal-och nervaktivitet i icke-mänskliga primater syncentrum 30 och i människans hörselbarken 31 validera fMRI som ett användbart verktyg för att studera sensorisk funktion. Eftersom fMRI har använts i stor utsträckning för att studera funktioner i hörselvägen såsom tonotopic organisation 32-36, later av hörselfunktionen 37, mönster av kortikal aktivering, identifiera kortikala områdena 38, effekter av ljudintensitet på auditiva svar egenskaper 39,40 och egenskaper BOLD svarstid kurs 29,41 i människa, apa, och råttmodeller, utveckling av en lämplig funktionell bildprotokoll för att studera hörselfunktionen i katten skulle vara ett användbart komplement till den funktionella avbildningslitteraturen. Medan fMRI har också använts för att undersöka olika funktionella aspekter av syncentrum i sövd katt 26-28,42, har få studier använt denna teknik för att undersöka sensorisk bearbetning i katt hörselbarken. Syftet med detta protokoll är att skapa en effektiv metod att använda fMRI för att kvantifiera funktion i hörselbarken hos sövd katt. De experimentella förfaranden som beskrivs i detta manuskript har med framgång använts för att beskriva funktionerna i BOLD svarstid kurs i vuxen katt hörselbarken 43.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Följande förfarande kan tillämpas på någon avbildning experiment i vilket sövda katter användes. Stegen som är specifikt erforderliga för auditiva experiment (steg från 1,1 till 1,7, 2,8, 4,1) kan modifieras för att inrymma andra sensoriska stimuleringsprotokoll.

Alla experimentella procedurer erhållit godkännande från Animal Användning utskottet vid universitetet rådet om Djurvård vid University of Western Ontario och följde de riktlinjer som anges av den kanadensiska rådet om Animal Care (CCAC) 44. Den skisse experiment kräver ungefär 150 min från djur förberedelse till återhämtning. Tidsförloppet av experimentet illustreras i figur 1.

1. Stimulus Förberedelse av utrustning

Figur 2 visar de elektroniska komponenterna och motsvarande anslutningar som krävs för alstring av en auditiv stimulus i MRI-scanner. Kraven är som follows: en dator, ett externt ljudkort, en stereo-effektförstärkare och en fMRI-kompatibla hörlurar systemet.

  1. Anslut datorn som kommer att användas för att presentera den auditiva stimulus till den externa ljudkortet via Universal Serial Bus (USB) kabel.
  2. Fäst kablarna som ansluter utgångsportarna för den externa ljudkortet till ingångarna på stereoeffektförstärkare.
  3. Fäst kablarna som ansluter utgångsportarna för stereoslutsteg till ingångsportarna för transformatorlåda av fMRI-kompatibla hörlurar systemet.
  4. Anslut binaural hörlurar till utgångs hamnar i transformatorlådan.
  5. Använd skärmade koaxialkablar med BNC-kontakter för att ansluta transformatorlådan till penetrationspanelen utanför scannern rummet.
  6. Anslut hörlurarna kabelenheten till motsvarande BNC-portar på penetrationspanelen inne i skannern rummet.
  7. Anslut skumörontoppar för hörlurar sedan ansluta hörlurar to kabelenheten. Kör ett test auditiva stimulus för att bekräfta att ljudet överförs från datorn till hörlurarna. Koppla bort hörlurarna och sätt in skumörontoppar ordentligt i kattens öron under djuret förberedelsefasen (steg 2,7).

2. Djurpreparering

  1. Till premedicate katten administrera en lugnande blandning av atropinsulfat (0,02 mg / kg) och acepromazin (0,02 mg / kg) via en subkutan (SC) injektion.
  2. Efter 20 min, administrera ketamin (4 mg / kg) och dexmedetomidin-hydroklorid (0,02 till 0,03 mg / kg) via en intramuskulär (IM) injektion för att inducera anestesi. Ketamin är oftast kombinerat med en lugnande och muskelavslappnande medel, i det här fallet, dexmedetomidinhydroklorid, för att minska skakningar och muskelstelhet vanligt förekommande när ketamin används ensamt 45. Denna narkos kombination inducerar vanligtvis ca 150 min för sedering och används ofta i veterinärmedicinsk praxis att framkallaanestesi i små djur.
  3. När katten har förlorat sin rätande reflex, tillämpa oftalmologiska salva till ögonen för att förhindra torrhet under förfarandet. Placera en kvarkateter i den mediala safenusvenen för intravenös leverans av ketamin.
  4. Test för framgångsrik narkosinduktion genom att klämma en tå på framtassarna då observera om katten drar tillbaka sin tass. När pedalen reflex försvinner, undertrycka kräkreflexen genom att spruta lidokain på faryngala väggarna sedan intuberas katten med en 4,0-4,5 endotrakealtub.
  5. Upprätthålla anestesi under hela avbildning session med en infusion med konstant hastighet av ketamin (0,6 till 0,75 mg / kg / timme) och inhaleras isofluran (0,4-0,5%) levererades i 100% syrgas vid 1 till 1,5 l / min. Kombinera 60 ml saltlösning och 0,07 ml ketamin i en 60 ml spruta och placera sprutan i sprutpumpen. Detta steg kan utföras före premedicating katten.
  6. Placera varmt vax fyllda värmedynor på golvet av MRI-kompatibla sLED (fig. 3a och 3c), sedan lagra det isolerande plastbubbla linda runt de inre väggarna av släden.
  7. Placera katten i en bröst position inom den isolerande bubbelplast i MR-kompatibel släde (Figur 3c).
  8. När katten är positionerad, justera huvud att få tillträde till öronen. Rulla skumörontoppar i den minsta möjliga diametern sedan in varje öra spets djupt in i hörselgången. Väl införd bör de skumörontoppar expandera för att fylla utrymmet inuti hörselgången.
  9. Justera katt tills dess huvud är korrekt positionerad i tre-kanals radiofrekvent (RF) spole (figur 3b). Stabilisera huvudet med akustikdämpande minnesskum (figur 3d). Placera skum runt öronen för att ge ytterligare dämpning av skannerns buller.
  10. Linda in katten i filt av isolerande plast bubbelplast sedan säkra och transportera släden till skannern sängen.
  11. Anslut infusionsslangar, narkosleverans rör och övervakningsutrustning till katten. Anslut hörlurarna till hörlurskabelenheten fäst vid penetration panelen.
  12. Starta ketamin infusion vid basen flödeshastighet av 0,6 mg / kg / timme och öka sedan flödeshastigheten efter behov baserat på djupet av anestesi. Ställ den initiala isofluran dosen till 0,5% för att sedan minska till 0,4% när de anatomiska skannar har samlats.
  13. Övervaka och spela in kattens blod syremättnad, end-tidal CO2-nivåer, hjärtfrekvens, andning och rektal temperatur (om möjligt) under hela experimentet med hjälp av MR-kompatibel övervakningsutrustning placeras på lämpligt avstånd från skannern hålet. Tabell 1 visar de medelvärden och intervall för de fysiologiska mätningar för ett framgångsrikt genomförande av detta förfarande. Stadig ökning av puls och andning är vanligtvis förknippas med förestående återhämtning från anestesi.
  14. Efter eression är klar tar katten ur släden. Fortsätt att ge extra värme med värmedynor och handdukar tills djuret återhämtar fullo. När gag reflex tillbaka, ta bort endotrakealtub. Övervaka katten tills rätande reflex återställs sedan tillbaka djuret till anläggningen. Bedöm djuret dagen efter ingreppet för att se några negativa effekter av experimentet.

3. Brain Imaging

  1. Samla anatomiska skannar av kattens hjärna i en axiell skiva orientering. Använd följande imaging parametrar för den anatomiska referensvolym: FLASH avbildning sekvens med TR = 750 ms, TE = 8 ms, matris = 256 x 256, förvärvs voxel size = 281 ìm x 281 ìm x 1,0 mm. Varaktigheten av den anatomiska scan är ca 6 min. Figur 4 (till vänster) ger ett prov anatomisk bild slice erhålls med de angivna parametrarna.
  2. Använd följande avbildningsparametrar för den funktiointerna volymer: segmenterad interfolie eko-planar förvärv (EPI) med TR = 1000 ms, TE = 15 ms, 3 segment / plan, 21 x 1 mm skivor, matrix = 96 x 96, fält-of-view = 72 mm x 72 mm, förvärv voxel storlek = 0,75 mm x 0,75 mm x 1,0 mm,. anskaffningstiden = 3 sek / volym Figur 4 (högra panelen) ger ett prov funktionell bildskiva erhålls med de angivna parametrarna.

4. Stimulus Presentation

  1. Presentera en bredbands vitt brus stimulans (0-25 kHz, 100 ms skurar med 5 ms ökning / falltid, 1 presentation var 200 msek, 90-100 dB SPL) i ett block design där den auditiva stimulus spelas i 30 sekunder och alterneras med en 30 sek baslinjen (ingen stimulans) tillstånd (figur 5). Upprepa detta steg tills akustiskt framkallade BOLD aktivitet observeras i hörselbarken. Tiden för varje funktionell körning med hjälp av ett block design är ca 4,5 minuter i 90 volymer.
  2. Presentera stimulans i apenliga konfigurationsblocket design för det önskade antalet funktionella körningar.

5. Dataanalys

  1. Välj lämplig fMRI analysprogram (t.ex. SPM, FSL) att behandla de förvärvade funktionella volymer.
  2. Justera varje funktionell volym till den volym som förvärvats närmast i tid till referens anatomiska scan. Spara de resulterande rörelsekorrigeringsvärdena för användning i steg 5.6. Uteslut alla funktionella körningar där rotationshuvudrörelser överstiger 1 ° eller translationhuvudrörelser överstiga 1 mm.
  3. Coregister varje volym med referens anatomiska scan.
  4. Smooth varje volym med en 2 mm full bredd halva maximala (FWHM) Gauss filter.
  5. Införliva en fyrkantsvåg (boxcar) funktion som motsvarar ON-OFF stimulus blockdesign som en tillbakabildande av den allmänna linjära modellen (GLM).
  6. Införliva motion korrigeringsvärdena som regressorerna av något intresse att redovisa rörelserelaterade artefakter. Applicera en uncorrected statistiska tröskeln på p = 0,001 till GLM resultat att visa kluster av BOLD aktivering. Bestäm storleken på det minsta klustret som uppfyller en korrigerad (familj visa felet: FWE) tröskel på p <0,05 vid klusternivå. Ställ klustret utsträckning tröskeln till detta värde för att visa statistiskt signifikanta kluster i områden av intresse.
  7. Definiera BOLD procent signaländring (PSC) på varje voxel som skillnaden mellan medelvärdet BOLD signal under stimulerings block och medelvärdet BOLD signalen under referensblock.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representativa funktionella data har förvärvats i en 7T horisontell borrning scanner och analyseras med hjälp av Statistiska Parametrisk Mapping toolbox i MATLAB. Robusta kortikala hemodynamiska svaren auditiv stimulering har konsekvent observerats hos katter med hjälp av den beskrivna försöksprotokoll 43. Figur 6 illustrerar BOLD aktivering i två djur som svar på en 30 sek bredbandsbrus stimulus presenteras i ett blockdesign. T-statistik kartor över bredbandsljud vs baslinjen (ingen stimulus) kontrast i 2 bild slice plan avslöjar sammanhängande kluster av bilaterala akustiskt framkallade aktivitet i hörselbarken (figur 6a och 6d, cluster-nivå FWE-korrigerad tröskel: p < 0.05). Figurer 6b och 6e visar modulationer i BOLD-signalen, under en enda funktionell körning, vid de markerade voxlar i fig. 6a och 6d respektive. Med en fyrkantsvåg generell linjär modell passform, bör man förvänta sig att FET-signalen kommer att moduleras i förhållande till baslinjen (ingen stimulans tillstånd) under varje presentation av den auditiva stimulus på ett sätt som liknar den till-från mönstret av blocket design. Figurerna 6c och 6f illustrerar händelserelaterade genomsnittliga tidsförlopp för den BOLD svaret normaliserad till den genomsnittliga BOLD utgångssignalen. I dessa exempel uppvisar FET signalen en signifikant ökning relativt baslinjen 3-6 sek efter stimulans debut. Denna ökning av BOLD-signalen typiskt bibehålls under hela auditiv stimulans presentationen sedan avtar till utgångsvärdena 6 sekunder efter stimulans offset.

Fysiologisk parameter Normal Range a Medelvärde (Experiment) b
Puls 110 till 226 slag / min 143 ± 4,1 slag / min
Andningsfrekvens 20 till 40 andetag / min 21 ± 1,6 andetag / min
End-tidal CO2 35-45 mm Hg 30 ± 1,7 mmHg
Blood O2 mättnad 90 till 100% 57 92 ± 1,2%
Rektal temperatur 38,5 ± 0,5 ° C N / A

Tabell 1. Normala intervall i vaken katter och medelvärden i sövda katter för fysiologiska parametrar som mäts under fMRI förfarandet. En normala värden som erhålls från riktlinjer som anges av den kanadensiska rådet om Animal Care. 44 b Medelvärden (± SEM) som erhållits från N = 7 katter över 20 avbildning sessioner.

872/50872fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50872/50872fig1.jpg "/>
Figur 1. Tidsförlopp för experimentet. Varje steg i den experimentella proceduren är avsatt längs tidslinjen (i min) i förhållande till den tid vid vilken förmedicinering administreras.

Figur 2
Figur 2. Auditiv stimulus produktionsutrustning. (A) de elektroniska komponenter som används i det experimentella protokollet. (B) Diagram av anslutningar mellan varje komponent. Transformatorn box och kablage för MRI-kompatibla hörlurar systemgränssnittet på penetrationspanel mellan skannern rummet och datorrummet.

pload/50872/50872fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50872/50872fig3.jpg "/>
Figur 3. Experimentuppställning. (A) MR-kompatibel släde. (B) 3-kanals katt huvud RF-spole. (C) från sidan en sövd katt som ligger i släden. (D) Framifrån av katten i släden med huvudet i 3 -kanals RF-spole (anpassad från Brown et al. 43).

Figur 4
Figur 4. Exempel på anatomiska (vänster) och funktionella (höger) bildskivor som förvärvats i en 7T horisontell borrning scanner med hjälp av en 3-kanals RF-spole. Ungefärlig placering av det visade slice överlagras på en lateral bild av katten högra hjärnhalvan. A: främre, P: posterior, L: vänster, R: höger.


Figur 5. Schematisk bild av ett block konstruktion stimulans presentation. Baseline (dvs. ingen stimulus) block varvas med 30 sek block av auditiv stimulans presentation. Funktionella volymer förvärvas kontinuerligt (var 3: e sekund) under körningen. TA: varaktighet volym förvärv. TS: varaktighet stimulans blocket.

Figur 6
Figur 6. Representativa exempel på BOLD svaret till bredbandsbrusstimulering. (A), (d) T-statistik kartor över bredbandsljud (BBN) vs baslinjen (no-stimulus) kontrast lagrad på axiell (vågrät) anatomisk bild slICES. Ungefärliga platser av visade skivor i (a) och (d) är överlagrade på en lateral bild av katten högra hjärnhalvan. (B), (e) Raw BOLD signaltidsförlopp (i volym) på de markerade voxlar i (a) och (d) respektive för en enda funktionell körning (90 volymer). (c), (f) Händelse relaterade genomsnitt BOLD svarstid kurser (i sekunder) på de markerade voxlar i (a) och (d) respektive före, under och efter ett stimulans-block. Grå staplar representerar perioden för auditiv stimulans presentation. A: främre, P: posterior, L: vänster, R:. ​​Rätten Klicka här för att visa en större bild .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vid utformning av en fMRI experiment för en sövd djurmodell av hörselfunktionen, bör följande frågor noga övervägas: (i) effekten av anestesi på kortikala svar, (ii) effekten av bakgrunds scanner buller, och (iii) optimering av datainsamlingsfasen av den experimentella proceduren.

Medan en sövd preparat ger den viktiga fördelen att producera en längre period av sedering och minimera potentiella huvud rörelse under en funktionell avbildning session, är anestesi känt för att påverka kortikala hemodynamiken. De bedövningsmedel som beskrivs i detta protokoll används ofta i elektrofysiologiska (ketamin) och funktionell avbildning (isofluran) studier av katt auditiv 46-48 och syncentrum 26-28,42 respektive. Trots att ketamin är känt för att minimalt påverka kortikal spontan aktivitet 49 har det visat sig minska cerebral metabolism och därmed hemodynamic svar i råttans hörselbarken i doser om 10 mg / kg 50. Men vid de doser som rekommenderas i detta förfarande (4 mg / kg), BOLD signalförändringar på upp till 6% har observerats i kattens hörselbarken som svar på akustisk stimulering 43. Isofluran är vanligen används för att undersöka funktionella aspekter av katt syncentrum, men det har också visat sig reducera storleken på de hemodynamiska responser i katten syncentrum vid jämförelse med en vaken beredning 51. Dessutom, vid doser över 1,5%, ökar isofluran cerebralt blodflöde i råtta 45 och kraftigt påverkan neuronal svarskänslighet i katten hörselbarken 52. Vid de doser som administreras i detta protokoll (0,4-0,5%), tjänar isofluran som en stödjande anestesimedel till den primära bedövningsmedel, ketamin, vilket minimerar de negativa effekterna i samband med större doser. Propofol har också använts i funktionell imaging studier 53, men dethar visat sig minska somatosensoriska framkallade potentialer 45 och fet responser i hörselbarken 53 på ett dos-beroende sätt. Denna bedövningsmedel var således inte lämplig för att ge den önskade varaktigheten av sedering medan minimalt påverkar BOLD svar. Kombinationen av ketamin och isofluran som beskrivs i detta protokoll föreskrivs således flera fördelar: (i) den producerar en period av djup sedering för upp till 2,5 tim, (ii) den minimerar huvudrörelse så att roterande rörelser vanligtvis inte överstiger 0,3 ° och translationell rörelser vanligtvis inte överstiga 0,1 mm 43, och (iii) det minimalt påverkar BOLD svar med signalförändringar på upp till 6% efterlevs.

En av utmaningarna i att köra en funktionell bildstudie av hörselsystemet är effekterna av bakgrundsljud som genereras av magnetkamera på den uppmätta BOLD svaret. Vid detta förfarande är ljud stimulus presenteras i ett block design samtidigt funktionell volumes kontinuerligt förvärvats under funktionella körningen. Frågan om skanner buller riktar sig på två sätt: (i) genom att dämpningsegenskaperna hos skumöronproppar, som effektivt reducerar bakgrundsbruset med upp till 30 dB och (ii) genom att presentera ljud stimulus vid en intensitet av cirka 90 dB SPL. Såsom illustreras i figur 6, det representativa exempel visar att BOLD signal effektivt modulerad under ljud stimulans presentation paras med kontinuerlig volym förvärvet. Medan den kontinuerliga volymförvärvsmetoden har med framgång använts för att undersöka tonotopic organisation 33,35,36 och spatiotemporal bearbetning 54 i hörselsystemet, begränsar denna metod utredningen av frågor som effekten av stimulusintensitet på BOLD svaret. Den beskrivna försöksförfarandet kan modifieras för att ytterligare minska effekterna av skannern buller genom att öka tiden mellan volymförvärv och presenteraljud stimulans i den resulterande tyst intervall. Denna "gles förvärv" tillvägagångssätt har använts i stor utsträckning i auditiva studier för att beskriva egenskaperna hos den BOLD svarstid kurs 29,41,43,55, att karakterisera olika regioner inom hörselbarken 37,38,43,56 och att undersöka effekten av ljudintensitet på BOLD svars 39,40. Under kontinuerlig volym förvärv, fler volymer samlas i en kortare tid, vilket avsevärt förbättrar signal-till-brus-förhållande. Föreliggande protokoll kan därför användas tillsammans med glesa anskaffnings experiment för att bekräfta, lokalisera och tydligt beskriva akustiskt evoked BOLD aktivitet i hörsel funktionella regioner av intresse.

Innan förvärva funktionella volymer för en auditiv experiment, är det viktigt att bekräfta närvaron av akustiskt framkallade aktivitet i hörselbarken. BOLD aktivering är typiskt uppenbart i auditiv Cortex inom 45 min av anestesiinduktion (Figur 1). Även om det är troligt att betydande BOLD aktivering kan observeras tidigare i försöket, inga funktionella körningar samlas före detta 45 min försening på grund av den tid som krävs för förberedelse djur och insamling av den anatomiska scan. För att optimera datainsamlingen, kan varje funktionell körning konstrueras för att maximera antalet volymer som samlas in för varje stimulus skick. Detta kan uppnås genom att modifiera förfarandet på ett par olika sätt. För det första kan den tid som krävs för att samla varje volym minskas genom minskning av synfältet för de funktionella bildskivor. Det nuvarande förfarandet beskriver förvärvet av hela hjärnbilder. I stället kan gränserna för den 3-D funktionell volym anpassas till de anatomiska gränserna av spatialt lokaliserade hörselbarken. För det andra, kan volymen insamlingstid också minskas genom minskning av i-planet upplösning. Emellertid en i-planet upplösning på minst 0,75 mm 2 förefaller tillräckliga för att lösa regionala skillnader i funktionalitet inom hörselbarken. Om en ökning av i-planet upplösning önskas, kan motsvarande volymökning förvärvs tid balanseras genom att minska antalet skivor i 3D-funktionella volym och i stället fokusera på en viss underregion inom hörselbarken .

Sammantaget noninvasive natur fMRI underlättar upprepade funktionella experiment i ett enda djur under en utsträckt tidsperiod. Denna teknik är därför idealisk för longitudinella undersökningar som kräver datainsamling vid flera tidpunkter och kan potentiellt minska antalet djur som krävs för en viss studie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar inga intressekonflikter, finansiell eller på annat sätt.

Acknowledgments

Författarna vill tacka för bidragen från Kyle Gilbert, som ritade den anpassade RF-spole, och Kevin Barker, som ritade MRI-kompatibla släde. Detta arbete stöddes av den kanadensiska Institutes of Health Research (CIHR), naturvetenskaplig och teknisk forskning Council of Canada (NSERC), och Canada Foundation for Innovation (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

Neurovetenskap centrala nervsystemet Öron djurförsöks Modeller Djur Funktionell Neuroimaging Brain Mapping nervsystemet sinnesorgan hörselbarken BOLD signalförändring hemodynamiska svaret hörsel akustiska stimuli
Funktionell avbildning av hörselbarken hos vuxna katter med hjälp av hög-fält fMRI
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