Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

הדמיה תפקודית של השמיעתי Cortex בחתולים בוגרים באמצעות גבוהה שדה 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

מחקרים תפקודיים של מערכת השמיעה אצל יונקים באופן מסורתי שנערכו תוך שימוש בטכניקות מרחבית ממוקדות כגון קלטות אלקטרו. הפרוטוקול הבא מתאר שיטה של ​​הדמיה דפוסים בקנה מידה גדולה של פעילות המודינמית עוררה בחתול השמיעתי קליפת המוח באמצעות תהודה מגנטית תפקודית.

Abstract

ידע הנוכחי של עיבוד חושי במערכת השמיעה של היונקים נגזר בעיקר ממחקרי אלקטרו במגוון של מודלים של בעלי חיים, ביניהם קופים, חמוסים, עטלפים, מכרסמים, וחתולים. על מנת לערוך הקבלות מתאימות בין דגמי אדם ובעלי החיים של תפקוד שמיעתי, חשוב להקים גשר בין מחקרים בבני אדם פונקציונליים הדמיה ומחקרי אלקטרו בעלי חיים. דימות תהודה מגנטית תפקודיות (fMRI) היא שיטה שהוקמה, פולשנית למדידת דפוסים רחבים של פעילות המודינמית על פני אזורים שונים של קליפת המוח. טכניקה זו נעשתה שימוש נרחב כדי לחקור את תפקוד חושי במוח האנושי, הוא כלי שימושי בקישור לימודים של עיבוד שמיעתי בשני בני אדם ובעלי חיים ושמש בהצלחה לחקור תפקוד שמיעתי בקופים ומכרסמים. הפרוטוקול הבא מתאר הליך ניסיוני לחקירת תפקוד שמיעתי במבוגרים בהרדמהחתולים על ידי מדידת שינויים המודינמית עורר גירוי שמיעתי בקליפת המוח באמצעות fMRI. שיטה זו מאפשרת השוואה של התגובות המודינמית פני דגמים שונים של תפקוד שמיעתי ובכך מובילות להבנה טובה יותר של תכונות מינים עצמאיים של קליפת המוח השמיעתית של היונקים.

Introduction

הבנה הנוכחית של עיבוד שמיעתי ביונקים נובעת בעיקר ממחקרי אלקטרו פולשנית בקופים 1-5, חמוסים 6-10, 11-14 עטלפים, מכרסמים 15-19, 20-24 וחתולים. טכניקות אלקטרו בדרך כלל לנצל microelectrodes תאי כדי להקליט את הפעילות של נוירונים בודדים ומרובים בתוך שטח קטן של רקמה עצבית המקיפה את הקצה האלקטרודה. הוקם שיטות פונקציונליות הדמיה, כגון הדמיה אופטית והדמיה תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI), משרתים משלים כשימושי להקלטות תאיים על ידי מתן פרספקטיבה מקרוסקופית של פעילות מונעת בו זמנית על פני מספר אזורים, במרחב שונה של המוח. הדמיה אופטית אות פנימית מאפשרת הדמיה של פעילות עוררת במוח על ידי מדידת שינויים הקשורים לפעילות במאפייני ההחזרה של רקמת פני השטח תוך fMRI מנצל את הדם בחמצן ברמה תלוי (BOLD)בניגוד למדידת שינויים המודינמית עורר גירוי באזורי מוח שפעילים במהלך משימה מסוימת. הדמיה אופטית דורשת חשיפה ישירה של פני השטח של קליפת המוח לצעדי שינויים בהחזרת רקמות פני השטח הקשורים לפעילות עוררת גירוי 25. לשם השוואה, ה-fMRI הוא לא פולשנית ומנצלת את תכונות פאראמגנטיים דם deoxygenated למדוד גם משטח קליפת המוח 26-28 ו27,29 פעילות עוררת מבוסס מענית בתוך גולגולת שלמה. מתאמים חזקים בין אות BOLD והפעילות עצבית בקופים לא אנושית חזותית 30 קליפה וקליפת המוח שמיעתי באדם ביום 31 בלאמת fMRI ככלי שימושי ללמוד את התפקוד חושי. מאז fMRI כבר נעשה שימוש נרחב ללמוד תכונות של המסלול השמיעתי כגון ארגון tonotopic 32-36, lateralization של תפקוד שמיעתי 37, דפוסים של הפעלה בקליפת המוח, זיהוי של אזורים בקליפת המוח 38, אפקטים של קולעוצמה על נכסי שמיעה תגובה 39,40, ומאפיינים של קורס BOLD זמן תגובת 29,41 באדם, קוף, ומודלים של עכברים, את הפיתוח של פרוטוקול הדמיה תפקודי מתאים ללמוד לתפקד שמיעתי בחתול יספק השלמה שימושית ספרות ההדמיה התפקודית. בעוד fMRI שימש גם כדי לחקור היבטים פונקציונליים שונים של קליפת המוח הראייתית של החתול בהרדים 26-28,42, מספר מחקרים בשימוש בטכניקה זו כדי לבחון עיבוד חושי בחתול שמיעתי קליפת המוח. מטרתו של הפרוטוקול הנוכחי היא להקים שיטה יעילה של שימוש ב-fMRI לכמת פונקציה בקליפת המוח השמיעתית של החתול המורדם. הפרוצדורות שתוארו בכתב היד הזה כבר השתמשו בהצלחה כדי לתאר את התכונות של קורס זמן תגובת BOLD בחתול הבוגר השמיעתי הקליפה 43.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ההליך הבא יכול להיות מיושם על כל ניסוי הדמיה שבהרדים חתולים נמצאים בשימוש. צעדים אשר באופן ספציפי נדרשים לניסויים שמיעתיים (שלבים 1.1-1.7, 2.8, 4.1) יכולים להיות שונה כדי להתאים את פרוטוקולי גירוי חושיים אחרים.

כל הליכי הניסוי קיבלו את אישור ועדת המשנה לשימוש בבעלי החיים במועצת האוניברסיטה על טיפול בבעלי חיים באוניברסיטת המערב אונטריו ובעקבות ההנחיות שצוינו על ידי המועצה הקנדית על טיפול בבעלי חיים (CCAC) 44. הניסוי שתואר דורש כ 150 דקות מהכנת חיה להחלמה. במהלך הניסוי הזמן מודגם באיור 1.

1. גירוי ציוד הכנה

איור 2 מראה את הרכיבים האלקטרוניים וחיבורים מקביל הנדרשים ליצירת גירוי שמיעתי בסורק ה-MRI. הדרישות הן כמו Follows: מערכת אוזניות fMRI תואמת מחשב, כרטיס קול חיצוני, מגבר כוח סטריאו ו.

  1. חבר את המחשב אשר ישמש כדי להציג את הגירוי השמיעתי לכרטיס הקול החיצוני דרך אפיק טורי האוניברסלי כבל (USB).
  2. חבר את הכבלים שמחברים את יציאות הפלט של כרטיס הקול החיצוני ליציאות הקלט של מגבר כוח סטריאו.
  3. חבר את הכבלים שמחברים את יציאות הפלט של מגבר כוח סטריאו ליציאות קלט של תיבת השנאי של מערכת אוזניות fMRI התואמת.
  4. לחבר את אוזניות binaural ליציאות פלט של תיבת השנאי.
  5. שימוש מוגן כבלים קואקסיאליים עם חיבורי BNC לחיבור תיבת השנאי ללוח החדירה מחוץ לחדר של הסורק.
  6. חבר את ההרכבה כבל אוזניות ליציאות BNC המתאימות בלוח החדירה בתוך החדר של הסורק.
  7. חבר את קצות אוזני קצף לאוזניות ואז לחבר את האוזניות לאo ההרכבה הכבל. הפעל גירוי שמיעתי מבחן כדי לוודא שהצליל משודרת מהמחשב לאוזניות. נתק את האוזניות ולהכניס את קצות אוזני קצף היטב לאוזניו של החתול בשלב הכנת בעלי החיים (שלב 2.7).

2. הכנת בעלי החיים

  1. לpremedicate החתול, לנהל תערובת הרגעה של סולפט אטרופין (0.02 מ"ג / קילוגרם) וacepromazine (0.02 מ"ג / קילוגרם) באמצעות זריקה תת עורית (SC).
  2. אחרי 20 דקות, לנהל קטמין (4 מ"ג / קילוגרם) וhydrochloride dexmedetomidine (.02-.03 מ"ג / קילוגרם) באמצעות הזרקה תוך שרירית (IM) כדי לגרום להרדמה. קטמין בדרך כלל בשילוב עם תרופת הרגעה ולהרפיית שרירים, במקרה זה, hydrochloride dexmedetomidine, כדי להפחית את הרעידות ונוקשות שרירים שנצפה כאשר קטמין משמש 45 לבד. שילוב הרדמה זה בדרך כלל גורם לכ 150 דקות של הרגעה ומשמש לעתים קרובות בפרקטיקה וטרינרית כדי לגרוםהרדמה בבעלי חיים קטנים.
  3. ברגע שהחתול איבד את רפלקס ליישרה, להחיל משחת עיניים לעיניים למניעת יובש במהלך ההליך. הנח קטטר השכינה בוריד saphenous המדיאלי למסירה תוך ורידי של קטמין.
  4. מבחן לזירוז הרדמה מוצלח על ידי צביטת הבוהן בכף ולאחר מכן התבוננות אם החתול ייסוג כפתה. ברגע שרפלקס הדוושה נעלם, לדכא את רפלקס ההקאה על ידי הריסוס לידוקאין על קירות בלוע אז צנרר החתול עם הטובוס 4.0-4.5.
  5. לשמור על הרדמה לאורך כל פגישת ההדמיה עם עירוי קבוע שיעור של קטמין (0.6-.75 מ"ג / קילוגרם / שעה) וisoflurane בשאיפה (0.4-0.5%) מסר ב100% חמצן ב1-1.5 ליטר / דקה. שלב 60 מיליליטר של תמיסת מלח ו0.07 מיליליטר של קטמין במזרק 60 מ"ל ואז למקם את המזרק במשאבת המזרק. ניתן לבצע את הצעד הזה לפני premedicating החתול.
  6. הנח כריות חימום מלא שעווה חמה על הרצפה של ה-MRI התואםהוביל (3 א דמויות וג 3) לאחר מכן שכבת פלסטיק בועות פלסטיק בידוד מסביב לקירות הפנימיים של המזחלת.
  7. הנח את החתול במצב של עצם חזה בתוך אריזת בועות בידוד במזחלת MRI התואמת (איור 3c).
  8. ברגע שהחתול נמצא בעמדה, להתאים את הראש כדי לקבל גישה לאוזניים. מגלגל את קצות אוזני קצף לקוטר הקטן ביותר האפשרי ואז הכנס כל קצה אוזן עמוקה לתוך תעלת האוזן. ברגע שהוכנס, הטיפים אוזן קצף צריכים להרחיב כדי למלא את החלל בתוך תעלות האוזן.
  9. התאם את החתול עד שראשה למקומו בתוך סליל 3 ערוצים בתדר רדיו (RF) (איור 3 ב). לייצב את הראש עם קצף אקוסטי זיכרון ריסון (3d איור). הנח קצף סביב האוזניים כדי לספק הנחתה נוספת של הרעש של הסורק.
  10. עטוף את החתול בשמיכה של בידוד פלסטיק בועות פלסטיק ואז לאבטח ולהעביר את המזחלת למיטה של ​​הסורק.
  11. חבר את קווי עירוי, צינורות אספקת חומר הרדמה וציוד ניטור לחתול. לחבר את האוזניות להרכבת כבל האוזניות המצורפות ללוח החדירה.
  12. התחל עירוי קטמין בזרימת בסיס תעריפים של 0.6 מ"ג / קילוגרם / שעה לאחר מכן להגדיל את קצב הזרימה כנדרש המבוסס על עומק ההרדמה. הגדר את מינון isoflurane הראשוני ל0.5% לאחר מכן ירידה ל0.4% פעם אחת הסריקות אנטומיים כבר נאספו.
  13. לפקח ולהקליט את הרוויה של חתול חמצן בדם, CO סוף הגאות 2 רמות, קצב לב, נשימה וטמפרטורה רקטלית (במידת האפשר) לאורך כל הניסוי באמצעות ציוד ניטור MRI התואם ממוקם במרחק מתאים משעם הסורק. הטבלה 1 אומר ערכים וטווחים של המדידות הפיזיולוגיות לביצוע מוצלח של הליך זה. גידול מתמיד בקצב לב ונשימה מקושר בדרך כלל עם התאוששות קרובה מהרדמה.
  14. אחרי יםession הושלם, להסיר את החתול מהמזחלת. תמשיך לספק חימום משלים עם כריות חימום ומגבות עד שהחיה מתאוששת באופן מלא. ברגע שחוזר רפלקס הקאה, הסר את הטובוס. לנטר את החתול עד לרפלקס ליישר משוחזר לאחר מכן להחזיר את בעלי החיים למתקן. להעריך את בעלי החיים ביום שלאחר ההליך כדי להבטיח שאין תופעות לוואי מהניסוי.

3. הדמיה מוחית

  1. לאסוף סריקות האנטומי של המוח של החתול בכיוון הפרוסה צירי. השתמש בפרמטרים הבאים ההדמיה לאנטומיים התייחסות נפח: רצף ההדמיה FLASH עם TR = 750 אלפיות שניים, TE = 8 אלפיות שניים, מטריצה ​​= 256 x 256, גודל voxel רכישה = 281 מיקרומטר x 281 מיקרומטר x 1.0 מ"מ. משך סריקת אנטומי הוא כ 6 דקות. איור 4 (פנל משמאל) מספק דוגמא פרוסה תמונה אנטומית שהושגה באמצעות הפרמטרים שצוינו.
  2. השתמש בפרמטרי ההדמיה הבאים לfunctioכרכי nal: רכישה מפולחת משולבי הד מישורי (EPI) עם TR = 1,000 אלפיות שני, TE = 15 אלפיות שני, 3 מגזרים / מטוס, פרוסות מ"מ 21 x 1; מטריצה ​​= 96 x 96; = 72 מ"מ x 72 שדה של הנוף מ"מ; גודל voxel רכישה = 0.75 מ"מ x 0.75 מ"מ x 1.0 מ"מ;. זמן רכישה = 3 שניות / נפח איור 4 (פנל מימין) מספק דוגמא פרוסה תמונה תפקודית שהושגה באמצעות הפרמטרים שצוינו.

4. מצגת גירוי

  1. להציג גירוי רעש לבן בפס רחב (kHz 0-25, 100 פרצים אלפיות עם 5 זמן עלייה / ירידת msec, מצגת 1 כל msec 200, 90-100 dB SPL) בעיצוב בלוק שבו הגירוי השמיעתי הוא שיחק במשך 30 שניות ו לסירוגין עם תחילת המחקר שניות 30 תנאי (ללא גירוי) (איור 5). חזור על פעולה זו עד שפעילות BOLD אקוסטית עוררת נצפתה בקליפת המוח השמיעתית. משך הזמן של כל ריצה תפקודית באמצעות עיצוב בלוק הוא כ 4.5 דקות ל90 כרכים.
  2. להציג את הגירוי בapתצורת propriate בלוק עיצוב למספר הרצוי של ריצות פונקציונליות.

5. ניתוח נתונים

  1. בחר תוכנה מתאימה ניתוח fMRI (למשל SPM, FSL) כדי לעבד את הכרכים פונקציונליים שנרכשו.
  2. ליישר מחדש כל כרך פונקציונלי להיקף שנרכש הקרוב ביותר בזמן כדי ההתייחסות אנטומיים סריקה. שמור את ערכי תיקון תנועה וכתוצאה מכך לשימוש בשלב 5.6. תכלול כל ריצות פונקציונליות שבו תנועות ראש סיבוביות יעלו על 1 ° או תנועות ראש translational יעלו על 1 מ"מ.
  3. Coregister כל כרך להתייחסות אנטומיים סריקה.
  4. להחליק כל כרך בחצי המרבי של 2 מ"מ ברוחב מלא (FWHM) מסנן גאוס.
  5. לשלב פונקציה מרובעת גל (קרון) אשר תואמת את עיצוב בלוק גירוי ON-OFF כregressor למודל ליניארי הכללי (GLM).
  6. לשלב ערכי תיקון תנועה כregressors לא מעניינים את הדין והחשבון על ממצאים הקשורים לתנועה. החל uסף סטטיסטי ncorrected של p = 0.001 לGLM תוצאות כדי להציג אשכולות של הפעלת BOLD. לקבוע את גודלו של הצביר הקטן ביותר העומד לתיקון (שגיאת משפחה חכמה: FWE) סף של p <0.05 ברמת האשכול. לקבוע את הסף במידת האשכול לערך זה כדי להציג אשכולות משמעותיים מבחינה סטטיסטית באזורים של עניין.
  7. הגדר את שינוי אות אחוזים BOLD (PSC) בכל voxel כהפרש בין אות BOLD הממוצעת בלוקי הגירוי ואות BOLD הממוצעת בלוקים בסיסיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

נתונים תפקודיים נציג נרכשו בסורק שעם אופקי 7T ונותחו באמצעות ארגז הכלים סטטיסטי מיפוי פרמטרית ב-Matlab. תגובות המודינמית קליפת המוח חזקה לגירוי שמיעתי באופן עקבי נצפו בחתולים באמצעות פרוטוקול הניסוי המתואר 43. איור 6 ממחיש את הפעלת BOLD ב2 בעלי חיים בתגובה לגירוי רעש פס רחב 30 שניות מוצג בעיצוב בלוק. מפות T-נתון של הרעש בפס רחב לעומת תחילת המחקר (אין גירוי) לעומת זאת ב2 מטוסי פרוסה תמונה לחשוף אשכולות רציפים של פעילות אקוסטית עוררת דו צדדית בשמיעת קליפת המוח (6 א דמויות ו6d; סף תיקן-FWE ברמת אשכול: p < 0.05 מודולציות. 6b הדמויות ולהראות 6e) באות המודגשת, במהלך אחת פונקציונלי ריצה, בvoxels מודגשים ב6 א דמויות ו6d בהתאמה. עם מרובע גל התאמת מודל ליניארי כללי, יש לצפות שאות BOLD תהיה מווסתת ביחס לנקודת ההתחלה (מצב ללא גירוי) במהלך כל הצגה של הגירוי השמיעתי באופן דומה לדפוס ON-OFF של הבלוק עיצוב. 6c הדמויות ו6f להמחיש את קורסי זמן ממוצעים הקשורות למקרה של תגובת BOLD המנורמל לאות הבסיסי BOLD מתכוון. בדוגמאות אלה, אות BOLD מציגה גידול משמעותי ביחס לשניות 3-6 תחילת המחקר לאחר תחילת הגירוי. עלייה באות BOLD זה מנוהל בדרך כלל בכל מצגת הגירוי השמיעתית ואז יורד לערכי בסיס 6 שניות לאחר הגירוי לקזז.

פרמטר פיסיולוגי טווח נורמלי ב מתכוון ערך (ניסוי)
קצב לב 110-226 פעימות / דקה 143 ± 4.1 פעימות / דקה
קצב נשימה 20-40 נשימות / דקה 21 ± 1.6 נשימות / דקה
סוף הגאות CO 2 35-45 מ"מ כספית 30 ± 1.7 mmHg
O דם הרוויה 2 90-100% 57 92 ± .1.2%
טמפרטורה רקטלית 38.5 ± 0.5 ° C N /

טבלת 1. טווחים נורמלים בחתולים ער וערכים ממוצעים בחתולים מורדמים לפרמטרים פיסיולוגיים שנמדדו במהלך הליך fMRI. טווחים רגיל המתקבלים מהנחיות שצוינו על ידי המועצה הקנדית על טיפול בבעלי חיים. ערכי 44 ב ממוצע (± SEM) המתקבלים מN = 7 חתולים מעל 20 פגישות הדמיה.

"Src =" 872/50872fig1highres.jpg / files/ftp_upload/50872/50872fig1.jpg "/>
איור 1. מהלך זמן של הניסוי. כל שלב בהליך ניסיוני הוא להתוות לאורך קו הזמן (בדקות) בהשוואה לזמן שבו premedication מנוהל.

איור 2
איור 2. ציוד שמיעתי גירוי ייצור. (א) רכיבים אלקטרוניים המשמשים בפרוטוקול הניסוי. (ב) תרשים של קשרים בין כל אחד מהמרכיבים. תיבת השנאי והרכבת הכבל של ממשק מערכת אוזניות MRI התואם בפנל החדירה בין חדר הסורק וחדר המחשבים.

pload/50872/50872fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50872/50872fig3.jpg "/>
איור 3. התקנה ניסיונית. מבט מלפנים () מזחלת MRI התואמת. (ב) סליל 3 ערוצים RF ראש החתול. מבט צד (ג) לחתול הרדים ממוקם במזחלת. (ד) לחתול במזחלת עם ראשו ב3 ערוצי סליל RF (עיבוד Brown et al. 43).

איור 4
איור 4. דוגמאות לאנטומיים (משמאל) ומיקום פונקציונלי (מימין) פרוסות תמונה שנרכשו בסורק שעם אופקי 7T באמצעות סליל RF 3 ערוצים. משוער של הפרוסה המוצגת מעולף על תצוגה לרוחב של האונה הימנית החתול. : קדמי, P: אחורי, L: שמאלה, R: ימין.

= "תמיד"> בתוך עמודים איור 5
איור 5. סכמטי של מצגת גירוי עיצוב בלוק. Baseline (כלומר לא גירוי) בלוקים הם לסירוגין עם 30 לוקי שניות של הצגת גירוי שמיעתית. כרכים פונקציונליים נרכשים ברציפות (כל 3 שניות) בזמן הריצה. ת"א: משך רכישת נפח. TS: משך זמן של חסימת גירוי.

איור 6
איור 6. דוגמאות מייצגות של תגובת BOLD בפס רחבה גירוי רעש. (א), מפות (ד) T-נתון של רעש בפס רחב (BBN) לעומת תחילת המחקר ניגוד (ללא גירוי) על גבי צירי sl תמונה (האופקי) אנטומייםגלידות. מיקום משוער של פרוסות מוצגות ב( א) ו (ד) הם כיסו על תצוגה לרוחב של האונה הימנית החתול. (ב), (ה) קורסי גלם BOLD אות זמן (בכמויות) בvoxels מודגשים (א) ו (ד) בהתאמה לטווח אחת תפקודי (90 כרכים). (ג), (ו) הקשורות לאירוע בממוצע קורסי זמן תגובת BOLD (בשניות) בשעה voxels מודגשים (א) ו (ד) בהתאמה לפני, במהלך ו אחרי בלוק גירוי. פסים אפורים מייצגים את התקופה של הצגת גירוי שמיעתית. : קדמי, P: אחורי, L: שמאלה, R:. ​​תקין לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בתכנון ניסוי fMRI למודל חיה מורדם של תפקוד שמיעתי, צריכים להינתן בנושאים הבאים שיקול דעת: (i) את ההשפעה של הרדמה על תגובות בקליפת המוח, (ii) את ההשפעה של רעש סורק רקע, וכן (iii) אופטימיזציה של שלב איסוף הנתונים של ההליך ניסיוני.

בעוד הכנה הרדים מציעה יתרון החשוב של ייצור תקופה ממושכת של הרגעה ומזעור תנועת ראש פוטנציאלית במהלך פגישת הדמיה תפקודית, ההרדמה ידועה השפעת פרמטרים המודינמיים בקליפת המוח. ההרדמה שתוארה בפרוטוקול זה נמצא בשימוש נפוץ באלקטרו (קטמין) והדמיה תפקודית (isoflurane) מחקרים של קליפת המוח השמיעתי וחזותי 46-48 חתול 26-28,42 בהתאמה. למרות שקטמין ידוע להשפיע על פעילות ספונטנית בקליפת המוח 49 מינימאלי, זה הוכח להפחית את חילוף החומרים במוח ובכך hתגובת emodynamic בקליפת המוח שמיעתי חולדה במינונים של 10 מ"ג / ק"ג 50. עם זאת, במינונים מומלצים בהליך זה (4 מ"ג / קילוגרם), BOLD שינויי אות של עד 6% נצפו בחתול השמיעתי קליפת המוח בתגובה לגירוי אקוסטי 43. Isoflurane משמשת בדרך כלל כדי לחקור היבטים פונקציונליים של חתול קליפת המוח חזותי, עם זאת, יש לו גם הוכח להפחית את עוצמת התגובות המודינמית בחתול קליפת הראייה בהשוואה להכנה ערה 51. יתר על כן, במינונים מעל 1.5%, isoflurane מגביר את זרימת דם במוח בעכברים 45 וכבדות משפיעה רגישות תגובה עצבית בקליפת המוח השמיעתית חתול 52. במינונים הניתנים בפרוטוקול זה (0.4-0.5%), isoflurane משמש כסוכן הרדמה תמיכה להרדמה הראשונית, קטמין, ובכך למזער את ההשפעות השליליות הקשורות במינונים גדולים יותר. Propofol גם נעשה שימוש בהדמיה תפקודית לומד 53, לעומת זאת, זההוכח להפחית החושית פוטנציאלים מעוררים 45 ותגובות BOLD בשמיעת הקליפה 53 באופן תלוי מינון. הרדמה זה הייתה וכך אינו מתאים כדי לספק את משך הזמן הנדרש להרגעה בזמן שמשפיע מינימאלי תגובות BOLD. השילוב של קטמין וisoflurane המתואר בפרוטוקול זה ובכך מספק מספר יתרונות: (i) שהיא מייצרת תקופה של הרגעה עמוקה עד 2.5 שעה (ii) זה ממזער את תנועת הראש כזה שתנועות סיבוביות לא יעלו בדרך כלל 0.3 ° וtranslational תנועות בדרך כלל לא יעלו על 0.1 מ"מ 43; וכן (iii) הוא משפיע מינימאלי תגובת BOLD עם שינויי אות של נצפה עד 6%.

אחד האתגרים בביצוע מחקר תמונה תפקודי של מערכת השמיעה היא ההשפעה של רעש הרקע שנוצר על ידי סורק ה-MRI בתגובת BOLD נמדדה. בהליך זה, גירוי הצליל מוצג בעיצוב בלוק תוך פונקציונלי volumes נרכש ברציפות במהלך התפקודי הארוך. הבעיה של רעש סורק מופנה בשתי דרכים: (א) על ידי תכונות הפחתה של הטיפים אוזן קצף אשר להפחית ביעילות את רעשי רקע של עד 30 dB וכן (ii) על ידי הצגת גירוי הצליל בעצמה של כ-90dB SPL. כפי שמודגם באיור 6, הדוגמא המייצגת מוכיחה כי אות BOLD היא מווסתת על יעילות במהלך מצגת גירוי קול יחד עם רכישת נפח רציפה. בעוד בשיטת רכישת הנפח המתמשכת כבר השתמשה בהצלחה כדי לחקור ארגון tonotopic 33,35,36 ועיבוד spatiotemporal 54 במערכת השמיעה, גישה זו מגבילה את החקירה של שאלות כמו ההשפעה של עוצמת גירוי על תגובת BOLD. הליך הניסוי שתואר יכול להיות שונה כדי לצמצם עוד יותר את ההשפעה של רעש סורק על ידי הגדלת התקופה שבין רכישות נפח וההצגהנשמע גירוי במרווח שקט וכתוצאה מכך. גישה "רכישה הדלילה" זה כבר נעשה שימוש נרחב במחקרים שמיעתיים כדי לתאר את המאפיינים של קורס זמן תגובת BOLD 29,41,43,55, לאפיין אזורים שונים בקליפת המוח השמיעתית 37,38,43,56 ולבחון את השפעה של עוצמת קול ב39,40 תגובת BOLD. במהלך רכישת נפח רציפה, יותר כרכים שנאספו בפרק זמן קצר יותר, ובכך לשפר את יחס אות לרעש באופן משמעותי. הפרוטוקול הנוכחי ולכן יכול לשמש בשילוב עם ניסויי רכישה דלילים כדי לאשר, בתרגום ובאופן ברור להתוות פעילות BOLD אקוסטית עוררת באזורים תפקודיים שמיעתיים של עניין.

לפני רכישת כרכים פונקציונליים לניסוי שמיעתי, חשוב כדי לאשר את קיום פעילות אקוסטית עוררת בקליפת המוח השמיעתית. הפעלת BOLD היא בדרך כלל לידי ביטוי בCorte השמיעהx בתוך 45 דקות של השראת הרדמה (איור 1). אמנם סביר להניח כי הפעלת BOLD משמעותית ניתן להבחין בתחילת הניסוי, לא ריצות תפקודיות נאספו לפני עיכוב דקות זה 45 בשל הזמן הדרוש להכנת בעלי חיים וגביית הסריקה אנטומית. כדי לייעל את איסוף הנתונים, כל ריצה פונקציונלית ניתן לבנות למקסם את מספר הכרכים שנאספו עבור כל תנאי גירוי. זו יכולה להיות מושגת על ידי שינוי ההליך בכמה דרכים. ראשית, את הזמן הנדרש כדי לאסוף כל כרך ניתן להפחית על ידי הפחתת שדה ראייה של פרוסות תמונה תפקודיות. ההליך הנוכחי מתאר הרכישה של תמונות במוח כולו. במקום זאת, את הגבולות של הנפח התפקודי 3-D יכולים להיות מיושרים לגבולות האנטומי של קליפת המוח השמיעתי מרחבית-המקומית. שנית, זמן רכישת הנפח יכול גם להיות מופחת על ידי הפחתה ברזולוציה במטוס. עם זאת, החלטה במטוס של לפחות 0.75 מ 'מ '2 מופיע מספיק כדי לפתור את ההבדלים אזוריים בפונקציונלי בתוך קליפת המוח השמיעתית. אם עלייה ברזולוציה במטוס היא רצויה, הגידול המקביל בזמן רכישת נפח יכול להיות מאוזנת על ידי צמצום מספר פרוסות בנפח התפקודי 3-D, ובמקום זאת, תוך התמקדות בתת אזור מסוים בקליפת המוח השמיעתית .

בסך הכל, האופי פולשני של fMRI מאפשר ניסויים פונקציונליים חוזרים ונשנים בחיה אחת על פני תקופה ממושכת של זמן. טכניקה זו ולכן אידיאלית לחקירות אורך הדורשים איסוף נתונים בנקודות זמן רבים ובאופן פוטנציאלי יכול להפחית את מספר בעלי החיים הנדרשים למחקר נתון.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים שום ניגוד עניינים, כספיים או אחרים.

Acknowledgments

המחברים רוצים להכיר את תרומתם של קייל גילברט, שעיצב את סליל RF המותאם אישית, וקווין בארקר, שעיצב את מזחלת MRI התואמת. עבודה זו נתמכה על ידי המכון הקנדי לבריאות מחקר (CIHR), מדעי טבע והנדסת מועצת מחקר של קנדה (NSERC), וקנדה הקרן לחדשנות (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 גיליון 84 מערכת עצבים מרכזית אוזן ניסויים בבעלי החיים מודלים בעלי חיים הדמייה תפקודית מיפוי המוח מערכת עצבים אברי חישה שמיעה קליפה שינוי אות BOLD תגובה המודינמית, גירויים אקוסטיים שמיעה
הדמיה תפקודית של השמיעתי Cortex בחתולים בוגרים באמצעות גבוהה שדה 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