Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Funktionel Imaging af Auditory Cortex i voksne katte ved hjælp af High-felt 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

Funktionelle studier af det auditive system hos pattedyr er traditionelt blevet udført ved anvendelse af rumligt fokuserede teknikker såsom elektrofysiologiske optagelser. Følgende protokol beskriver en fremgangsmåde til at visualisere store mønstre fremkaldt hæmodynamisk aktivitet i katten cortex hjælp af funktionel magnetisk resonans billeddannelse.

Abstract

Aktuelle viden om sensoriske forarbejdning i pattedyr auditive system er hovedsageligt stammer fra elektrofysiologiske studier i en række dyremodeller, herunder aber, fritter, flagermus, gnavere og katte. For at tegne passende paralleller mellem mennesker og dyremodeller af auditive funktion, er det vigtigt at etablere en bro mellem menneskers funktionelle billeddiagnostiske undersøgelser og animalske elektrofysiologiske studier. Funktionel magnetisk resonans (fMRI) er en etableret, minimalt invasiv metode til måling af brede mønstre af hæmodynamisk aktivitet på tværs af forskellige områder af hjernebarken. Denne teknik er almindeligt anvendt til at undersøge sensorisk funktion i den menneskelige hjerne, er et nyttigt redskab i at knytte studier af auditive behandling i både mennesker og dyr og er med succes blevet anvendt til at undersøge auditive funktion i aber og gnavere. Følgende protokol beskriver en eksperimentel procedure for at undersøge auditiv funktion i bedøvede voksenkatte ved at måle stimulus-fremkaldte hæmodynamiske ændringer i auditive cortex hjælp fMRI. Denne metode gør det lettere sammenligning af de hæmodynamiske respons på tværs af forskellige modeller af auditive funktion dermed fører til en bedre forståelse af arter-uafhængige funktioner i pattedyr auditive cortex.

Introduction

Nuværende forståelse af auditive behandling i pattedyr er hovedsageligt stammer fra invasive elektrofysiologiske studier hos aber 1-5, fritter 6-10, flagermus 11-14, gnavere 15-19, og katte 20-24. Elektrofysiologiske teknikker almindeligvis anvender ekstracellulære mikroelektroder at optage aktiviteten af ​​en enkelt eller flere neuroner inden for et lille område af neuralt væv, der omgiver elektroden spids. Etableret funktionelle billeddiagnostiske metoder, såsom optisk billeddannelse og funktionel magnetisk resonans (fMRI), tjene som nyttige supplementer til ekstracellulære indspilninger ved at give en makroskopisk perspektiv samtidig driven aktivitet på tværs af flere, rumligt adskilte områder af hjernen. Intrinsic signal optisk billeddannelse letter visualisering af fremkaldte aktivitet i hjernen ved at måle aktivitetsrelaterede ændringer i refleksionsegenskaber af overfladevand væv mens fMRI udnytter blod-ilt-niveau-afhængig (BOLD)kontrast til at måle stimulus-fremkaldte hæmodynamiske forandringer i hjernen regioner, der er aktive i løbet af en bestemt opgave. Optisk billeddannelse kræver direkte eksponering af kortikale overflade udtrykker udviklingen i overfladevævet reflektans der er relateret til stimulus-fremkaldte aktivitet 25. I sammenligning, fMRI er noninvasive og udnytter paramagnetiske egenskaber af deoxygenated blod til at måle både kortikale overflade 26-28 og sulcus-baserede 27,29 fremkaldte aktivitet inden for en intakt kranium. Stærke sammenhænge mellem BOLD signal og neuronal aktivitet i human primat visuelle cortex 30 og i menneskets auditive cortex 31 validere fMRI som et nyttigt redskab til at studere sensorisk funktion. Da fMRI har været brugt i udstrakt grad til at studere funktioner i auditive vej såsom tonotopic organisation 32-36, lateralisering auditive funktion 37 mønstre af kortikale aktivering, identifikation af kortikale regioner 38, effekter af lydintensitet på auditive respons egenskaber 39,40, og karakteristika af BOLD respons tidsforløbet 29,41 i human, abe, og rotte modeller, udvikling af en passende funktionel billeddannelse protokol til at studere auditive funktion i katten ville give et nyttigt supplement til den funktionelle billeddannelse litteratur. Mens fMRI har også været brugt til at udforske forskellige funktionelle aspekter af den visuelle cortex i den bedøvede kat 26-28,42, har kun få studier brugt denne teknik til at undersøge sensorisk forarbejdning i kat auditive cortex. Formålet med denne protokol er at etablere en effektiv metode til at bruge fMRI at kvantificere funktion i den auditive cortex i bedøvede kat. De eksperimentelle procedurerne i dette manuskript med succes er blevet brugt til at beskrive de elementer i BOLD responstid kursus i den voksne kat auditive cortex 43.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Følgende procedure kan anvendes på enhver billeddannelse eksperiment, hvor bedøvede katte anvendes. Trin, der er specielt kræves for auditive eksperimenter (trin 1,1-1,7, 2,8, 4,1) kan modificeres til at rumme andre sensoriske stimulus protokoller.

Alle eksperimentelle procedurer modtaget godkendelse fra de Animal Brug Underudvalget Universitet Råd om Animal Care på University of Western Ontario og fulgt de retningslinjer, der er angivet af den canadiske Rådet om Animal Care (CCAC) 44.. Den skitserede eksperiment kræver cirka 150 min fra forberedelse dyr til nyttiggørelse. Tidsforløbet af forsøget er vist i figur 1.

1.. Stimulus Klargøring af udstyr

Figur 2 viser de elektroniske komponenter og de ​​tilsvarende forbindelser, der er nødvendige for at generere en auditiv stimulus i MR-scanneren. Kravene er som follows: en computer, et eksternt lydkort, en stereo effektforstærker og en fMRI-kompatible hovedtelefon system.

  1. Slut computer, som vil blive anvendt til at præsentere den auditive stimulus til den eksterne lydkort via Universal Serial Bus (USB) kabel.
  2. Fastgør kabler, som forbinder output havne i eksternt lydkort til input havne i stereo effektforstærker.
  3. Fastgør kabler, som forbinder output havne i stereo forstærker til indgangsporte af transformer kasse med fMRI-kompatible hovedtelefon system.
  4. Slut de binaurale øretelefoner til output portene på transformer kassen.
  5. Brug afskærmede koaksialkabler med BNC-stik til at tilslutte transformeren boksen til penetration panel uden scanneren rum.
  6. Slut ledningen til øretelefonerne samling til de tilsvarende BNC porte på penetration panel inde i scanneren værelse.
  7. Forbind skum ørepropper til hovedtelefonerne derefter tilslutte hovedtelefonerne to kabel forsamling. Kør en test auditive stimulus for at bekræfte, at lyden overføres fra computeren til hovedtelefonerne. Afbryd hovedtelefonerne og indsætte skum ørepropper fast i kattens ører under dyret forberedelsesfasen (trin 2.7).

2. Animal Forberedelse

  1. Til premedicate katten, administrere en beroligende blanding af atropinsulfat (0,02 mg / kg) og acepromazin (0,02 mg / kg) via en subkutan (SC) injektion.
  2. Efter 20 min administrere ketamin (4 mg / kg) og dexmedetomidinhydrochlorid (0,02-0,03 mg / kg) via en intramuskulær (IM) injektion for at inducere anæstesi. Ketamin er som regel kombineret med en beroligende og muskelafslappende, i dette tilfælde, dexmedetomidinhydrochlorid, for at reducere rystelser og muskelstivhed almindeligt observerede når ketamin anvendes alene 45. Denne bedøvelsesmiddel kombination typisk inducerer cirka 150 min af sedation og bruges ofte i veterinær praksis til at fremkaldeanæstesi i små dyr.
  3. Når katten har mistet sin opretningsrefleksen gælder oftalmologiske salve til øjnene for at forhindre tørhed under proceduren. Anbring et indlagt kateter i mediale saphenavene til intravenøs levering af ketamin.
  4. Test for vellykket bedøvelse induktion ved at klemme en tå på forepaw derefter observere, om katten trækker sin pote. Når pedalen refleks forsvinder, undertrykke gag refleks ved at sprøjte lidokain på svælg vægge så intubere katten med en 4,0-4,5 endotrakealtube.
  5. Opretholde anæstesi hele billeddannelse session med en konstant infusion af ketamin (0,6 til 0,75 mg / kg / time) og inhaleret isofluran (0,4-0,5%) leveres i 100% oxygen ved 1-1,5 L / min. Kombiner 60 ml saltopløsning og 0,07 ml ketamin i en 60 ml sprøjte og derefter placere sprøjten i sprøjtepumpen. Dette trin kan udføres før premedicating katten.
  6. Placer varm voks fyldt varmepuder på gulvet i MRI-kompatible sførte (3a og 3c) derefter lag af isolerende plast bobleplast omkring de indvendige vægge af slæden.
  7. Placér katten i et brystbenet position i isolerende bobleplast i MRI-kompatible slæde (figur 3c).
  8. Når katten er placeret justere hovedet for at få adgang til ørerne. Rul skum ørepropper i den mindst mulige diameter indsæt derefter hvert øre tip dybt ind i øregangen. Når indsat, bør skum ørepropper udvide til at fylde rummet inden øregangen.
  9. Juster katten indtil dens hoved er placeret korrekt inden for den 3-kanals radio-frekvens (RF) spole (figur 3b). Stabilisere hovedet med akustisk dæmpende memory skum (figur 3d). Placer skum omkring ørerne for at give yderligere dæmpning af scanneren støj.
  10. Pak katten i tæppe af isolerende plast bobleplast så sikre og transportere slæden til scanneren sengen.
  11. Tilslut infusionsslanger, bedøvende levering rør og overvågningsudstyr til katten. Tilslut øretelefonerne til ledningen til øretelefonerne samling knyttet til penetration panelet.
  12. Start ketamin infusion i bunden strømningshastighed på 0,6 mg / kg / time derefter øge strømningshastigheden efter behov baseret på dybden af ​​anæstesi. Indstil den indledende isofluran dosis til 0,5% derefter falde til 0,4%, når de anatomiske scanninger er blevet indsamlet.
  13. Overvåge og registrere kattens blod iltmætning, ende-tidal CO 2 niveauer, puls, åndedræt og rektal temperatur (om muligt) i hele eksperiment ved hjælp af MRI-kompatibelt overvågningsudstyr placeret i en passende afstand fra scanneren boring. Tabel 1 viser de betyde værdier og intervaller i de fysiologiske målinger for en vellykket gennemførelse af denne procedure. Stadige stigninger i hjertefrekvens og åndedræt er normalt forbundet med forestående opsving fra anæstesi.
  14. Efter session er færdig, skal du fjerne katten fra slæden. Fortsæt med at give supplerende opvarmning med varmepuder og håndklæder, indtil dyret er kommet sig fuldstændigt. Når gag refleks tilbage, fjerne endotrachealrøret. Overvåg katten indtil stabilitetsrefleksen genoprettes derefter sende dyret tilbage til anlægget. Vurdere dyret dagen efter operationen for at sikre ingen bivirkninger fra eksperimentet.

3. Brain Imaging

  1. Saml anatomiske scanninger af kattens hjerne i en aksial skive orientering. Brug følgende imaging parametre for anatomiske henvisning volumen: Flash imaging sekvens med TR = 750 ms, TE = 8 msek matrix = 256 x 256, erhvervelse voxelstørrelse = 281 mM x 281 mM x 1,0 mm. Varigheden af den anatomiske scanningen er ca 6 min. Figur 4 (venstre panel) giver en prøve anatomisk billede skive opnået ved hjælp af de angivne parametre.
  2. Brug følgende imaging parametre for functionale mængder: segmenteret interleaved ekko-plane erhvervelse (EPI) med TR = 1.000 ms, TE = 15 ms, 3 segmenter / fly, 21 x 1 mm skiver, matrix = 96 x 96 field-of-view = 72 mm x 72 mm erhvervelse voxelstørrelse = 0,75 mm x 0,75 mm x 1,0 mm. erhvervelse tid = 3 sek / volumen figur 4 (højre panel) giver en prøve funktionel billede skive opnået ved hjælp af de angivne parametre.

4.. Stimulus Præsentation

  1. Præsentere en bredbåndsforbindelse hvid støj stimulus (0-25 kHz, 100 msek brister med 5 msek stiger / falder tid, 1 præsentation hver 200 msek, 90-100 dB SPL) i en blok design, hvor den auditive stimulus spilles i 30 sek og vekslede med et 30 sek baseline (ingen stimulus) tilstand (figur 5). Gentag dette trin, indtil akustisk-fremkaldte BOLD aktivitet er observeret i den auditive cortex. Varigheden af ​​hver funktionel kørsel ved hjælp af en blok design er ca 4,5 min for 90 bind.
  2. Præsentere stimulus i APmæssig blokdesign konfiguration for det ønskede antal af funktionelle kørsler.

5.. Dataanalyse

  1. Vælg passende fMRI analyse software (f.eks SPM, FSL) for at behandle de indsamlede funktionelle mængder.
  2. Juster hver funktionelle volumen til volumen erhvervet nærmest i tid til referencen anatomiske scanningen. Gem resulterende bevægelse korrektionsværdier til brug i trin 5.6. Udelukke eventuelle funktionelle kørsler, hvor rotations hoved bevægelser overstiger 1 ° eller translationelle hovedbevægelser overstige 1 mm.
  3. Coregister hver volumen til referencen anatomiske scanningen.
  4. Glat hver volumen med en fuld bredde halv maksimum 2 mm (FWHM) Gaussisk filter.
  5. Indarbejde en funktion firkantsignal (boxcar), som svarer til ON-OFF stimulus blokdesign som regressor til den generelle lineære model (GLM).
  6. Indarbejd motion korrektionsværdier som regressorer af nogen interesse at tage højde for bevægelse-relaterede artefakter. Påfør en uncorrected statistiske tærskel på p = 0,001 til GLM resultater for at se klynger af BOLD aktivering. Bestem størrelsen af ​​den mindste klynge, der opfylder en korrigeret (familie-wise fejl: FWE) tærsklen på p <0,05 ved klyngen niveau. Indstil klynge omfang tærsklen til denne værdi for at se statistisk signifikante klynger i områder af interesse.
  7. Definer BOLD procent signal ændring (PSC) ved hver voxel som forskellen mellem den gennemsnitlige BOLD signal under stimulation blokke og den gennemsnitlige BOLD signal under baseline blokke.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Repræsentative funktionelle data blev erhvervet i en 7T horisontal boring scanner og analyseres ved hjælp af statistiske Parametric Mapping Toolbox i Matlab. Robust corticale hæmodynamiske reaktioner på auditiv stimulation har konsekvent blevet observeret hos katte ved hjælp af den beskrevne forsøgsprotokol 43. Figur 6 illustrerer BOLD aktivering i 2 dyr som reaktion på en 30 sek bredbånds støj stimulus præsenteres i en blok design. T-statistik kort over bredbånds støj vs baseline (ingen stimulus) kontrasten i 2 billedskivetykkelse fly afslører sammenhængende klynger af bilateral akustisk-fremkaldte aktivitet i den auditive cortex (6a og 6d, cluster-niveau FWE korrigeret tærskel: p < 0,05). 6B og 6e viser modulationer i BOLD signal, i løbet af en enkelt funktionel køre, på de fremhævede voxels i 6a og 6d henholdsvis. Med en firkantet bølge generelle lineære model pasform, bør man forvente, at BOLD signal moduleres i forhold til baseline (ingen stimulus tilstand) under hver præsentation for den auditive stimulus på en måde svarende til ON-OFF mønster af blokken design. figur 6c og 6f illustrerer event-relaterede gennemsnitlige tidsforløb for BOLD respons normaliseret til den gennemsnitlige BOLD baseline signal. I disse eksempler BOLD signal udviser en betydelig stigning i forhold til baseline 3-6 sek efter at stimulus debut. Denne stigning i BOLD signal holdes typisk i hele den auditive stimulus præsentation falder derefter til baselineværdierne 6 sek efter stimulus offset.

Fysiologiske parametre Normal Range a Middelværdi (Experiment) b
Puls 110-226 slag / min 143 ± 4,1 slag / min
Respirationsfrekvens 20-40 vejrtrækninger / min 21 ± 1,6 vejrtrækninger / min
End-tidal CO 2 35-45 mm Hg 30 ± 1,7 mmHg
Blood O 2 mætning 90-100% 57 92 ± 1,2%
Rektal temperatur 38,5 ± 0,5 ° C N / A

Tabel 1. Normalområdet i Vågn katte og middelværdier i bedøvede katte til fysiologiske parametre målt under fMRI procedure. Et normalområdet opnået fra retningslinjer, der er angivet af den canadiske Rådet om Animal Care. 44 B middelværdier (± SEM) opnået fra n = 7 katte over 20 billeddiagnostiske sessioner.

872/50872fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50872/50872fig1.jpg "/>
Figur 1. Tidsforløb af eksperimentet. Hvert trin i den eksperimentelle procedure er afbildet langs tidslinien (i min) i forhold til det tidspunkt, hvor præmedicinering indgives.

Figur 2
Figur 2. Auditive stimulus produktionsudstyr. (A) de elektroniske komponenter, der anvendes i den eksperimentelle protokol. (B) Diagram over forbindelser mellem hver komponent. Transformeren box og kabel samling af MR-kompatible øretelefonsystem interfacet på penetration panel mellem scanneren værelse og computerrummet.

pload/50872/50872fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50872/50872fig3.jpg "/>
Figur 3. Forsøgsopstilling. (A) MR-kompatibelt slæden. (B) 3-kanals kat hoved RF-spole. (C) Side visning af en bedøvet kat ligger i slæden. (D) forfra katten i slæden med hovedet i 3 kanal RF-spolen (tilpasset fra Brown et al. 43).

Figur 4
Figur 4.. Eksempler på anatomisk (venstre) og funktionelle (til højre) billede skiver erhvervet i en 7T horisontal boring scanner ved hjælp af en 3-kanals RF-spole. Omtrentlig placering af det viste skive er overlejret på en lateral billede af katten højre hjernehalvdel. A: anterior, P: posterior, L: venstre, R: højre.


Figur 5. Skematisk af en blok design stimulus præsentation. Baseline (dvs. ingen stimulus) blokke er vekslede med 30 sek blokke af auditive stimulus præsentation. Funktionelle volumener erhverves kontinuerligt (hver 3 sek) under kørslen. TA: varigheden af ​​erhvervelse volumen. TS: varighed stimulus blok.

Figur 6
Figur 6. Repræsentative eksempler på BOLD respons til bredbånd støj stimulation. (A), (d) t-statistik kort over bredbånd støj (BBN) vs baseline (no-stimulus) kontrast overlejret på aksial (horisontal) anatomisk billede slICES. Omtrentlige placeringer af viste skiver i (a) og (d), der er overlejret på et sidebillede af katten højre hemisfære. (B), (e) Rå BOLD signal tidsforløb (i volumen) på de fremhævede voxels i (a) og (d) for henholdsvis et enkelt funktionelt run (90 bind). (c), (f) Event-relaterede gennemsnit BOLD respons tidsforløb (i sekunder) på de fremhævede voxler i (a) og (d), henholdsvis før, under og efter en stimulus blok. Grå søjler repræsenterer den periode auditive stimulus præsentation. A: anterior, P: posterior, L: venstre, R:. ​​Lige Klik her for at se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved udformningen af ​​en fMRI eksperiment for en bedøvet dyremodel af auditive funktion, bør der gives følgende emner nøje overvejelse: (i) virkningen af ​​anæstesi på kortikale svar, (ii) virkningen af ​​baggrunden scanner støj, og (iii) optimering af dataindsamlingen fase af den eksperimentelle procedure.

Mens en bedøvet præparat giver den vigtige fordel, at producere en længere periode sedation og minimere potentielle hoved bevægelse under en funktionel billeddannelse session, anæstesi kendt for at påvirke corticale hæmodynamik. De er beskrevet i denne protokol anæstesi er almindeligt anvendt i elektrofysiologiske (ketamin) og funktionel billeddannelse (isofluran) undersøgelser af kat auditive 46-48 og visuelle cortex 26-28,42 hhv. Selvom ketamin er kendt for at minimalt at påvirke kortikale spontan aktivitet 49, har det vist sig at nedsætte cerebral metabolisme og dermed hemodynamic respons i rotte-cortex ved doser på 10 mg / kg 50. Men ved de doser, der anbefales i denne procedure (4 mg / kg), BOLD signal ændringer på op til 6% er blevet observeret i kattens auditive cortex som reaktion på akustisk stimulation 43.. Isofluran er almindeligt anvendt til at undersøge funktionelle aspekter af kat visuelle cortex, men det har også vist sig at reducere størrelsen af de hæmodynamiske responser i kattens visuelle cortex sammenlignet med vågen forberedelse 51. Desuden ved doser over 1,5% isofluran øger cerebral blodgennemstrømning i rotten 45 og stærkt konsekvenser neuronal reaktion følsomhed i kattens auditive cortex 52.. På de administrerede doser i denne protokol (0,4-0,5%), isofluran fungerer som en støtte anæstesimiddel til den primære bedøvelsesmiddel, ketamin, og dermed minimere de negative effekter forbundet med større doser. Propofol er også blevet anvendt i funktionel billeddannelse undersøgelser 53, men dethar vist sig at reducere somatosensorisk fremkaldte potentialer 45 og BOLD reaktioner i cortex 53 i en dosis-afhængig måde. Denne bedøvelsesmiddel var således ikke egnet til at give den nødvendige varighed af sedation mens minimalt påvirker BOLD respons. Kombinationen af ​​ketamin og isofluran beskrevet i denne protokol tilvejebringer således flere fordele: (i) producerer en periode med dyb sedation i op til 2,5 timer, (ii) det minimerer hoved bevægelse, således at drejebevægelser typisk ikke overstiger 0,3 ° og translationel bevægelser typisk ikke overstige 0,1 mm 43, og (iii) det minimalt påvirker BOLD respons med signal ændringer på op til 6% overholdes.

En af udfordringerne i at udføre en funktionel billede undersøgelse af det auditive system er virkningen af ​​baggrundsstøjen genereres af MR-scanneren på den målte BOLD respons. I denne procedure, er lydstimulus præsenteres i en blok design, mens funktionel volumes løbende erhvervet under den funktionelle løb. Spørgsmålet om scanner støj behandles på to måder: (i) med den formildende egenskaber af skum ørepropper, som faktisk reducerer baggrundsstøjen med op til 30 dB, og (ii) ved at præsentere lyden stimulus ved en intensitet på omkring 90 dB SPL. Som illustreret i figur 6, det repræsentative eksempel viser, at den BOLD signal effektivt moduleres under lyd stimulus præsentation parret med erhvervelse kontinuerlig volumen. Mens sammenhængende mængde overtagelsesmetoden held har været anvendt til at undersøge tonotopic organisation 33,35,36 og Spatiotemporal behandling 54 i det auditive system, begrænser denne tilgang undersøgelse af spørgsmål som effekten af stimulus intensitet på BOLD respons. Den beskrevne eksperimentelle procedure kan ændres for yderligere at reducere virkningen af ​​scanneren støj ved at øge tidsrummet mellem anskaffelser volumen og præsenterelydstimulus i den resulterende tavs interval. Denne 'sparsomme overtagelse' tilgang er blevet brugt i udstrakt grad i auditive undersøgelser for at beskrive egenskaberne af BOLD respons tidsforløb 29,41,43,55, at karakterisere forskellige regioner i den auditive cortex 37,38,43,56 og undersøge effekt af lyd intensitet på BOLD respons 39,40. Under erhvervelse kontinuerlig volumen, er flere mængder opsamles i en kortere periode, således betydeligt bedre signal-til-støj-forhold. Nærværende protokol kan derfor anvendes i forbindelse med sparsomme erhvervelse eksperimenter for at bekræfte, lokalisere og klart afgrænse akustisk-fremkaldte BOLD aktivitet i auditive funktionelle områder af interesse.

Forud for at erhverve funktionelle volumener for en auditiv eksperiment, er det vigtigt at bekræfte tilstedeværelsen af ​​akustisk-fremkaldte aktivitet i den auditive cortex. BOLD aktivering er typisk tydeligt i det auditive cortex indenfor 45 min af anæstesi induktion (figur 1). Selv om det er sandsynligt, at en betydelig BOLD aktivering kan observeres tidligere i forsøget, blev der ikke kørsler indsamlet før denne 45 min forsinkelse på grund af den nødvendige tid til forberedelse dyr og indsamling af den anatomiske scanning. For at optimere dataindsamlingen, kan hver funktionel løb være konstrueret til at maksimere antallet af indsamlede mængder for hver stimulus tilstand. Dette kan opnås ved at modificere proceduren på et par måder. Først, kan den tid, der kræves til at samle hver volumen reduceres ved at formindske synsfeltet for de funktionelle billedudsnit. Den nuværende procedure beskriver køb af hele hjernen billeder. I stedet kan grænserne for 3-D funktionel volumen blive justeret til de anatomiske grænser af rumligt lokaliseret auditive cortex. For det andet kan mængden erhvervelse tid også reduceres ved at reducere in-plane opløsning. Men en i plan opløsning på mindst 0,75 mm 2 synes at være tilstrækkelig til at løse regionale forskelle i funktionalitet inden for det auditive cortex. Hvis der ønskes en stigning i in-plane opløsning, kan den tilsvarende stigning i volumen erhvervelse tid afbalanceres ved at reducere antallet af skiver inden for den 3-D funktionelle volumen, og i stedet fokusere på en bestemt sub-region i den auditive cortex .

Samlet invasiv karakter fMRI letter gentagne funktionelle eksperimenter i et enkelt dyr over en længere periode. Denne teknik er derfor ideel til langsgående undersøgelser, der kræver indsamling af data på forskellige tidspunkter og kan potentielt reducere antallet af dyr, der kræves for en given undersøgelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer nogen interessekonflikter, økonomisk eller på anden måde.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne anerkende bidragene fra Kyle Gilbert, som designede den brugerdefinerede RF-spole, og Kevin Barker, som designede MR-kompatible slæden. Dette arbejde blev støttet af den canadiske Institutes of Health Research (CIHR), naturvidenskab og teknik Forskningsråd Canada (NSERC) og 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

Neuroscience centralnervesystem Øre dyreforsøg Modeller Animal Functional Neuroimaging Brain Mapping nervesystem Sanse organer auditive cortex BOLD signal forandring hæmodynamisk respons hørelse akustiske stimuli
Funktionel Imaging af Auditory Cortex i voksne katte ved hjælp af High-felt 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