Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Funksjonell Imaging av auditive cortex hos voksne katter ved hjelp av høy-feltet 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

Funksjonelle studier av hørselssystemet hos pattedyr har tradisjonelt blitt utført med romlig-fokuserte teknikker som elektrofysiologiske opptak. Den følgende protokoll beskriver en fremgangsmåte for å visualisere store mønstre av fremkalt hemodynamisk aktivitet i katten auditive cortex ved hjelp av funksjonell magnetisk resonans-avbildning.

Abstract

Nåværende kunnskap om sensorisk prosessering i pattedyr hørselssystemet er hovedsakelig avledet fra elektrofysiologiske studier i en rekke dyremodeller, inkludert aper, ildere, flaggermus, gnagere, og katter. For å trekke egnede paralleller mellom menneske-og dyremodeller av auditiv funksjon, er det viktig å etablere en bro mellom humane funksjonelle avbildningsstudier og animalske elektrofysiologiske studier. Funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) er en etablert, minimal invasiv metode for måling brede mønstre av hemodynamisk aktivitet på tvers av ulike regioner i hjernebarken. Denne teknikken er mye brukt til å sondere sensorisk funksjon i den menneskelige hjerne, er et nyttig verktøy i å knytte studier av auditiv prosessering i både mennesker og dyr, og har blitt brukt til å undersøke auditiv funksjon hos aper og gnagere. Den følgende protokoll beskrives en eksperimentell prosedyre for å undersøke hørselsfunksjon i bedøvede voksnekatter ved å måle stimulans-fremkalt hemodynamiske endringer i auditiv cortex ved hjelp av fMRI. Denne metoden muliggjør sammenligning av de hemodynamiske respons på tvers av ulike modeller av auditiv funksjon og dermed fører til en bedre forståelse av artsuavhengige funksjoner på pattedyr auditiv cortex.

Introduction

Dagens forståelse av lyd-behandlingen i pattedyr er i hovedsak hentet fra invasive elektrofysiologiske studier hos aper 1-5, ildere 6-10, flaggermus 11-14, gnagere 15-19, og katter 20-24. Elektrofysiologiske teknikker som vanligvis benytter ekstracellulære microelectrodes å registrere aktiviteten til én og flere nevroner innenfor et lite område av nevrale vev rundt elektrodespissen. Etablert funksjonell imaging metoder, som for eksempel optisk bildebehandling og funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI), tjene som nyttige supplement til ekstracellulære opptak ved å tilby et makroskopisk perspektiv samtidig drevet aktivitet på tvers av flere, romlig forskjellige regioner av hjernen. Intrinsic signal optisk avbildning bedre visualisering av evoked aktivitet i hjernen ved å måle aktivitetsrelaterte endringer i refleksjonsegenskaper overflaten vev mens fMRI benytter blod-oksygennivået avhengig (BOLD)kontrast å måle stimulanse-fremkalt hemodynamiske endringer i hjernen som er aktive under en bestemt oppgave. Optisk bildebehandling krever direkte eksponering av kortikale overflaten måler endringer i overflatevevet refleksjon som er relatert til stimulus-fremkalt aktivitet 25. Til sammenligning er fMRI-invasiv og utnytter de paramagnetiske egenskaper deoxygenated blod for å måle både kortikale overflaten 26-28 og sulcus basert 27,29 evoked aktivitet innenfor en intakt skallen. Sterke korrelasjoner mellom BOLD signal og neuronal aktivitet i ikke-menneskelige primater visuell cortex 30 og i menneskelig auditiv cortex 31 validere fMRI som et nyttig verktøy for å studere sensorisk funksjon. Siden fMRI har vært brukt mye for å studere funksjonene i hørselsbanen som tonotopic organisasjon 32-36, lateralization av auditiv funksjon 37, mønstre av kortikal aktivering, identifisering av kortikale regioner 38, effekten av lydIntensiteten på hørselsresponsegenskaper 39,40, samt egenskapene til den BOLD responstid selvfølgelig 29,41 i humant, ape-og rottemodeller, utvikling av en egnet funksjonell avbildningsprotokoll for å studere hørselsfunksjonen i katten ville være et nyttig supplement til funksjonell avbildning litteratur. Mens fMRI har også blitt brukt til å utforske ulike funksjonelle aspekter av det visuelle cortex i bedøvet katt 26-28,42, har få studier brukt denne teknikken for å undersøke sensorisk prosessering i katten auditiv cortex. Hensikten med den foreliggende protokoll, er å etablere en effektiv metode for å bruke fmri å kvantifisere funksjon i hørsels cortex hos en bedøvet katt. De eksperimentelle prosedyrer som er beskrevet i dette manuskriptet har blitt brukt for å beskrive funksjonene i BOLD responstid kurs i voksen katt auditiv cortex 43.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Følgende prosedyre kan brukes på alle bilde eksperiment hvor bedøvet katter blir brukt. Trinn som er spesielt nødvendig for auditive eksperimenter (trinn 1.1 til 1.7, 2.8, 4.1) kan bli endret for å imøtekomme andre sensoriske stimuli protokoller.

Alle eksperimentelle prosedyrer fått godkjenning fra Animal Bruk Subcommittee ved University Council on Animal Care ved University of Western Ontario og fulgt retningslinjene angitt av den kanadiske Council on Animal Care (CCAC) 44. Den skisserte eksperiment krever ca 150 min fra dyr forberedelse til utvinning. Tidsforløpet av forsøket er vist i figur 1.

En. Stimulus Utstyr Forberedelse

Fig. 2 viser de elektroniske komponenter og tilhørende forbindelser som er nødvendige for å generere en hørbar stimulus i MR-skanneren. Kravene er som fOLLOWS: en datamaskin, en ekstern lydkort, en stereo effektforsterker og en fMRI-kompatibel hodetelefonsystem.

  1. Koble datamaskinen som vil bli brukt til å presentere den auditive stimulans til det eksterne lydkortet via kabelen (USB) Universal Serial Bus.
  2. Fest kablene som kobler utgangsportene til eksternt lydkort til inngangsportene til stereo effektforsterker.
  3. Fest kablene som kobler utgangsportene til stereo effektforsterker til inngangsportene til transformatorboksen av fMRI-kompatibel hodetelefonsystem.
  4. Koble binaural øretelefoner til utgangsportene til transformatorboksen.
  5. Bruk skjermede koaksialkabler med BNC-tilkoblinger for å koble transformatoren boksen til penetrasjon panel utenfor skannerens rom.
  6. Koble øretelefonkabelen forsamlingen til de tilsvarende BNC portene på penetrasjon panel inne i skanneren rom.
  7. Koble skum ørepropper til øretelefonene deretter koble øretelefoner to kabelsammenstillingen. Kjør en test auditiv stimulans for å bekrefte at lyden blir overført fra datamaskinen til øretelefonene. Koble øretelefonene og sett skum ørepropper godt inn i kattens ører under dyret forberedelsesfasen (trinn 2,7).

2. Animal Forberedelse

  1. For å premedicate katten, administrere et beroligende blanding av atropinsulfat (0,02 mg / kg) og acepromazin (0,02 mg / kg) via subkutan (SC) injeksjon.
  2. Etter 20 min, gi ketamin (4 mg / kg) og deksmedetomidin hydroklorid (0,02 til 0,03 mg / kg) via en intramuskulær (IM) injeksjon for å indusere anestesi. Ketamin er vanligvis kombinert med en beroligende og muskelavslappende middel, i dette tilfellet, dexmedetomidin-hydroklorid, for å redusere rystelser og muskelstivhet som vanligvis opptrer når ketamin brukes alene 45. Denne bedøvelse kombinasjon typisk induserer ca 150 min for sedasjon og er hyppig brukt i veterinærpraksis for å indusereanestesi hos små dyr.
  3. Når katten har mistet sin rettingsrefleksen, anvendelse oftalmisk salve for øyet å hindre tørrhet under prosedyren. Plasser et kateter i den mediale saphenous vein for intravenøs levering av ketamin.
  4. Test for vellykket bedøvelse induksjon ved å knipe en tå på forlabben deretter observere om katten trekker labben. Når pedalen refleks forsvinner, undertrykke brekningsrefleksen ved å spraye lidokain på svelg vegger deretter intubere katten med en 4,0 til 4,5 Trachealtube.
  5. Opprettholde anestesi hele bildebehandling økten med en konstant rate infusjon av ketamin (0,6 til 0,75 mg / kg / time) og inhalert isofluran (0,4-0,5%) leverte i 100% oksygen på 1-1,5 l / min. Kombiner 60 ml saltvann og 0,07 ml av ketamin i en 60 ml sprøyte og deretter plassere sprøyten i sprøytepumpen. Dette trinnet kan utføres før premedicating katten.
  6. Plasser varm voks fylte varmeputer på gulvet av MR-kompatible sført (Figur 3a og 3c) deretter lag isolerende plastbobleplast rundt de indre veggene i sleden.
  7. Plasser katten i en sternal posisjon innenfor den isolerende bobleplast i MR-kompatible slede (Figur 3c).
  8. Når katten er plassert, justerer du hodet for å få tilgang til ørene. Rull skum ørepropper inn i de minste diameter mulig så sette inn hver ørepropp dypt inn i ørekanalen. Når satt inn, bør de skum ørepropper utvide til å fylle plassen i øregangene.
  9. Juster katt inntil hodet er korrekt plassert inne i tre-kanals radio-frekvens (RF) spole (figur 3b). Stabilisere hodet med akustisk demping minne skum (Figur 3d). Plasser skum rundt ørene for å gi ekstra demping av skanneren støy.
  10. Pakk katten i teppe av isolerende plast bobleplast så sikre og transportere sleden til skanneren.
  11. Koble infusjonslinjer, anestesitilførselsslanger og overvåkingsutstyr til katten. Koble øretelefonene til hodetelefonkabel montering festet til penetrasjon panel.
  12. Start ketamin infusjon i bunnen strømningshastighet på 0,6 mg / kg / time og deretter øker strømningshastigheten som kreves basert på dybden av anestesi. Sett den første isofluran dosen til 0,5% for så å avta til 0,4% når de anatomiske skanninger har blitt samlet inn.
  13. Overvåke og registrere kattens blod oksygenmetning, end-tidal CO 2 nivåer, puls, respirasjon og rektal temperatur (hvis mulig) gjennom hele forsøket ved hjelp av MR-kompatible overvåkingsutstyr plassert på en passende avstand fra skannerboringen. Tabell 1 gir en oversikt over betyr verdier og områdene for de fysiologiske målinger for en vellykket gjennomføring av denne fremgangsmåten. Jevn økning i puls og respirasjon er vanligvis forbundet med snarlig oppgang fra anestesi.
  14. Etter session er fullført, fjerner katten fra sleden. Fortsett å gi supplerende oppvarming med varmeputer og håndklær før dyret seg helt. Når brekningsrefleksen avkastning, fjerne endotrakealtuben. Overvåk katten til rettende refleks er gjenopprettet så tilbake dyret til anlegget. Vurdere dyret dagen etter inngrepet for å sikre at ingen uønskede effekter fra forsøket.

Tre. Brain Imaging

  1. Samle anatomiske skanninger av kattens hjerne i en aksial skive orientering. Bruk følgende bildeparametre for den anatomiske referansevolum: FLASH bildesekvens med TR = 750 msek, TE = 8 msek, matrix = 256 x 256, oppkjøp voxel size = 281 mikrometer x 281 mikrometer x 1,0 mm. Varigheten av den anatomiske scan er ca 6 min. Figur 4 (venstre panel) gir et eksempel på anatomisk bilde skive oppnådd ved bruk av de angitte parametere.
  2. Bruk følgende bildeparametere for funksjonalitetNAL volumer: segmentert interleaved ekko-planar oppkjøp (EPI) med TR = 1000 ms, TE = 15 msek, tre segmenter / flyet, 21 x 1 mm skiver; matrise = 96 x 96, felt-of-view = 72 mm x 72 mm; oppkjøpet voxel size = 0,75 mm x 0,75 mm x 1,0 mm;. oppkjøpet tid = 3 sek / volum Figur 4 (høyre panel) gir et eksempel funksjonell image slice innhentet ved hjelp av de angitte parametere.

4. Stimulus Presentasjon

  1. Presentere en bredbånds hvit støy stimulus (0-25 kHz, 100 msek bursts med 5 msek stigning / fall tid, en presentasjon hver 200 msek, 90-100 dB SPL) i en blokk design der den auditive stimulans spilles for 30 sek og vekslet med en 30 sek grunnlinje (uten-stimulus) tilstand (figur 5). Gjenta dette trinnet til akustisk fremkalt BOLD aktivitet er observert i det auditive cortex. Varigheten av hver funksjonelle kjøring ved å bruke en blokk design er ca 4,5 min for 90 bind.
  2. Presentere stimulans i appropriate blokkdesign konfigurasjon for ønsket antall funksjonelle runs.

5. Data Analysis

  1. Velg riktig fMRI analyse programvare (f.eks SPM, FSL) for å behandle de oppkjøpte funksjonelle volumer.
  2. Juster hver funksjonelle volumet til volumet ervervet nærmest i tid til referansen anatomisk scan. Lagre de resulterende bevegelse korreksjonsverdier for bruk i trinn 5.6. Utelukke noen funksjonelle runs der roterende hodebevegelser stiger 1 ° eller translasjonsforskning hodebevegelser stige 1 mm.
  3. Coregister hvert volum til referanse anatomisk scan.
  4. Glatt hvert volum med en 2 mm full bredde halv maksimum (FWHM) Gaussian filter.
  5. Innlemme en firkant-bølge (Boxcar) funksjon som tilsvarer ON-OFF stimulans blokk design som en regressor til den generelle lineære modell (GLM).
  6. Innlemme motion korreksjonsverdier som regressors av ingen interesse for å gjøre rede for bevegelsesrelaterte gjenstander. Påfør en unrettes statistisk terskel for p = 0,001 til GLM resultater å vise klynger av BOLD aktivering. Bestemme størrelsen på den minste klyngen som møter et korrigert (familie-messig feil: FWE) terskel på p <0,05 i klyngen nivå. Sett klyngen grad terskelen til denne verdien for å vise statistisk signifikante klynger i regioner av interesse.
  7. Definer BOLD prosent signalendring (PSC) ved hver voksel som differansen mellom den midlere BOLD-signalet i løpet av stimulerings blokker og den midlere BOLD-signalet i løpet av basisblokker.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representative funksjonelle data ble kjøpt i en 7T horisontal boring scanner og analysert ved hjelp av Statistisk Parametric Mapping verktøykasse i MATLAB. Robuste kortikale hemodynamiske responser til auditiv stimulering har stadig blitt observert hos katter ved hjelp av den beskrevne eksperimentelle protokoll 43.. Figur 6 illustrerer BOLD aktivering i 2 dyr som respons på en 30 sek bredbåndsstøy stimulus presentert i en blokkdesign. T-statistiske kart over bredbånd støy vs baseline (ingen stimulans) kontrast i to image slice flyene avsløre sammenhengende klynger av bilateral akustisk fremkalt aktivitet i auditive cortex (Tall 6a og 6d, cluster-nivå FWE korrigert terskel: p < 0,05). Tall 6b og 6e viser modulasjoner i BOLD signal, i løpet av en enkelt funksjonell løp, på de markerte voxel i figurene 6a og 6d henholdsvis. Med en firkantbølge generelt lineær modell i form, kan en forvente at signal BOLD blir modulert i forhold til grunnlinjen (no-stimulus tilstand) i løpet av hver presentasjon av den auditive stimulus på en måte som ligner på PÅ-AV-mønster av blokken design. Tallene 6c og 6f illustrerer hendelsesrelaterte Mean Time kurs av BOLD respons normalisert til gjennomsnittlig BOLD baseline signal. I disse eksemplene oppviser BOLD-signalet en betydelig økning i forhold til grunnlinjen 3-6 sekunder etter at stimulus utbruddet. Denne økningen i BOLD signalet er vanligvis opprettholdt gjennom auditiv stimulus presentasjonen deretter avtar til utgangsverdien 6 sek etter stimulans offset.

Fysiologisk Parameter Normal Range en Gjennomsnittlig verdi (Experiment) b
Hjertefrekvens 110-226 slag / min 143 ± 4,1 slag / min
Respirasjonsfrekvens 20-40 åndedrag / min 21 ± 1,6 åndedrag / min
Ende-tidal CO 2 35-45 mm Hg 30 ± 1,7 mmHg
Blood O 2 metning 90-100% 57 92 ± 1,2%
Rektaltemperaturen 38,5 ± 0,5 ° C N / A

Tabell 1. Normalverdier hos våken katter og middelverdier i bedøvede katter for fysiologiske parametre som er målt under fMRI prosedyren. En normalområdet innhentet fra retningslinjer gitt av den kanadiske Council on Animal Care. 44 b middelverdiene (± SEM) hentet fra N = 7 katter enn 20 bildebehandling økter.

872/50872fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50872/50872fig1.jpg "/>
Figur 1. Tids løpet av eksperimentet. Hvert trinn i den eksperimentelle prosedyren er plottet langs tidslinjen (i min) i forhold til den tid ved hvilken premedisinering administreres.

Fig. 2
Figur 2. Hørsels stimulus produksjonsutstyr. (A) Elektroniske komponenter som brukes i den eksperimentelle protokollen. (B) Diagram av forbindelser mellom hver komponent. Transformatoren boksen og kabelen montering av MRI-kompatibelt øretelefon systemgrensesnitt ved inntrengning panel mellom skannerens rom, og datarommet.

pload/50872/50872fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50872/50872fig3.jpg "/>
Figur 3. Eksperimentelle oppsettet. (A) MR-kompatible slede. (B) 3-kanals katt hodet RF coil. (C) Sidevisning av en bedøvet katt som ligger i sleden. (D) Fronten på katten i sleden med hodet i tre RF-kanal spole (tilpasset fra Brown et al. 43).

Figur 4
Figur 4. Eksempler på anatomiske (til venstre) og funksjonell (høyre) image skiver ervervet i en 7T horisontal boring skanner ved hjelp av en tre-kanals RF coil. Omtrentlig plassering av den viste skive er kledde på en lateral utsikt over katten høyre hjernehalvdelen. A: anterior, P: posterior, L: venstre, R: høyre.


Figur 5. Skjematisk fremstilling av et blokkdesign stimulans presentasjon. Baseline (dvs. ingen stimulans) blokker er vekslet med 30 sek blokker av auditiv stimulus presentasjon. Funksjonelle volumer er ervervet kontinuerlig (hvert 3 sek) under kjøringen. TA: varigheten av volum oppkjøpet. TS: varighet av stimulus blokk.

Figur 6
Figur 6. Representative eksempler på BOLD respons til bredbånd støy stimulering. (A), (d) T-statistiske kart over bredbåndsstøy (BBN) vs baseline (no-stimulus) kontrast oppå aksial (horisontalt) anatomisk bilde slICES. Omtrentlige steder av viste skiver i (a) og (d) er kledde på en lateral utsikt over katten høyre hjernehalvdelen. (B), (e) Rå BOLD signal tid kurs (i volum) på de markerte voxel i (a) og (d) henholdsvis for en enkelt funksjonell løp (90 volumer). (c), (f) hendelse messige gjennomsnitt BOLD responstid kurs (i sekunder) ved de markerte voksler i (a) og (d) henholdsvis før, under og etter en stimulans blokk. Grå søylene representerer den perioden av auditiv stimulus presentasjon. A: anterior, P: posterior, L: venstre, R:. ​​Høyre Klikk her for å se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I utformingen av en fMRI-eksperiment for en bedøvet dyremodell av auditiv funksjon, bør følgende problemstillinger gis nøye vurderes: (i) virkningen av anestesi på cortical responser, (ii) effekten av bakgrunnsskannerstøy, og (iii) optimalisering av datainnsamlingsfasen av den eksperimentelle prosedyre.

Mens en bedøvet preparat har den viktige fordelen at det dannes en forlenget periode med sedasjon og minimalisere potensialet hode bevegelse under en funksjonell avbildning økt, anestesi kjent for å påvirke kortikale hemodynamikk. De anestetika beskrevet i denne protokollen blir ofte brukt i elektrofysiologisk (ketamin) og funksjonell bildediagnostikk (isofluran) studier av katt auditiv 46-48 og visuell cortex 26-28,42 kroner. Selv ketamin er kjent for å minimalt påvirke kortikale spontan aktivitet 49, har det vist seg å redusere cerebral metabolisme og dermed hemodynamic respons i rotte auditive cortex ved doser på 10 mg / kg 50. Men ved doser som er anbefalt i denne prosedyren (4 mg / kg), BOLD signalforandringer på opptil 6% har blitt observert i katten auditive cortex som svar på akustisk stimulering 43. Isofluran er vanlig brukt til å utforske funksjonelle aspekter av cat visuelle cortex, men det har også vist seg å redusere omfanget av de hemodynamiske responser hos katt visuelle cortex i forhold til en våken preparat 51.. Videre ved doser over 1,5%, øker isofluran cerebral blodstrøm i rotte 45 og tungt påvirker nervefølsomhet i katten auditiv cortex 52. Ved doser administrert i denne protokoll (0,4-0,5%), tjener isofluran som en understøttende anestesimiddel til den primære anestetikum, ketamin, og dermed minimalisere de negative effekter forbundet med større doser. Propofol har også vært brukt i funksjonell avbildning studier 53, men dethar vist seg å redusere somatosensoriske fremkalt respons 45 og fet respons i auditiv cortex 53 på en doseavhengig måte. Denne bedøvelse var således ikke egnet til å gi den nødvendige varighet av sedasjon samtidig minimalt påvirke BOLD responser. Kombinasjonen av ketamin og isofluran beskrevet i denne protokollen tilveiebringer således flere fordeler: (i) det frembringer en periode av dyp sedasjon i opptil 2,5 timer, (ii) det minimerer hodet bevegelse slik at dreiebevegelser vanligvis ikke overskrider 0,3 ° og translasjons bevegelser vanligvis ikke overskride 0,1 mm 43, og (iii) det minimalt påvirker BOLD reaksjon med signalforandringer på opp til 6% ble observert.

En av utfordringene i å utføre en funksjonell bilde studie av hørselssystemet er virkningen av bakgrunnsstøyen som genereres av MRI-skanner på den målte BOLD respons. I denne fremgangsmåten blir lyden stimulus presentert i en blokk utforming mens funksjonelle volumes kontinuerlig ervervet i løpet av funksjonell løp. Spørsmålet om skanneren støy løses på to måter: (i) ved dempning og egenskaper for de skum ørepropper som effektivt reduserer bakgrunnsstøyen med opp til 30 dB, og (ii) ved å presentere lyden stimulus med en intensitet på omtrent 90 dB SPL. Som illustrert i figur 6, viser det representative eksempel at BOLD signalet er effektivt moduleres under lyd stimulus presentasjon paret med kontinuerlig volum anskaffelse. Mens den kontinuerlige volumoppkjøpsmetoden har blitt brukt til å undersøke tonotopic organisasjon 33,35,36 og tid og rom prosessering 54 i hørselssystemet, begrenser denne tilnærmingen etterforskningen av spørsmål som effekten av stimulus intensitet på BOLD respons. Den beskrives eksperimentelle prosedyren kan endres for å ytterligere redusere virkningen av skannerstøy ved å øke perioden mellom volum oppkjøp og presenterelyd stimulus i den resulterende stille intervall. Denne "sparsom oppkjøpet 'tilnærming har vært brukt mye i auditive studier for å beskrive egenskapene til BOLD responstid selvfølgelig 29,41,43,55, for å karakterisere ulike regioner innenfor den auditive cortex 37,38,43,56 og å undersøke Effekten av lydintensitet på BOLD respons 39,40. Under kontinuerlig volum anskaffelse, er flere volumer samles i en kortere tidsperiode, og dermed i betydelig grad å forbedre signal-til-støy-forhold. Denne protokoll kan derfor brukes sammen med sparsom oppkjøpsforsøk for å bekrefte, lokalisere og klart avgrense akustisk fremkalt BOLD aktivitet i auditive funksjonelle regioner av interesse.

Før skaffe funksjonelle volumer for en auditiv eksperiment, er det viktig å bekrefte tilstedeværelsen av akustisk-fremkalt aktivitet i hørsels cortex. BOLD aktivering er vanligvis tydelig i det auditive cortex 45 min i løpet av induksjon av anestesi (figur 1). Mens det er sannsynlig at betydelige BOLD aktivering kan observeres tidligere i forsøket, ble det ikke funksjonelle går samlet før denne 45 min forsinkelse på grunn av den tiden som kreves for dyr forberedelse og samling av den anatomiske skanningen. For å optimalisere datainnsamlingen kan hver funksjonell løp være konstruert for å maksimere antallet volumer innsamlet for hver stimulus tilstand. Dette kan oppnås ved å modifisere fremgangsmåten på flere måter. For det første kan den tiden som kreves for å samle inn hvert volum reduseres ved å redusere synsfeltet av de funksjonelle bilde skiver. Den nåværende prosedyren beskriver oppkjøpet av hele hjernen bilder. I stedet kan grensene til 3-D funksjonelle volumet bli justert i forhold til anatomiske grensene for romlig-lokaliserte auditiv cortex. For det andre, kan mengden registreringstid også reduseres ved å redusere in-planet oppløsning. Men et in-planet oppløsning på minst 0,75 mm 2 synes tilstrekkelig til å løse regionale forskjeller i funksjonalitet innenfor den auditive cortex. Hvis en økning i in-planet oppløsning er ønsket, kan den tilsvarende økning i volum anskaffelse tid balanseres ved å redusere antallet av skiver i den 3-D volum og funksjonelt, ved å fokusere på en bestemt sub-område i løpet av den auditive cortex .

Totalt sett er ikke-invasiv karakter fmri muliggjør gjentatte funksjonelle forsøk i et enkelt dyr over en forlenget periode. Denne teknikken er derfor ideell for langsgående undersøkelser som krever innsamling av data ved flere tidspunkter og kan potensielt redusere antallet dyr som kreves for en gitt undersøkelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter, økonomisk eller på annen måte.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å erkjenne bidrag fra Kyle Gilbert, som designet den tilpassede RF coil, og Kevin Barker, som har designet den MR-kompatible slede. Dette arbeidet ble støttet av den kanadiske Institutes of Health Research (CIHR), naturvitenskap og Engineering Research Council of Canada (NSERC), og Canada Foundation for innovasjon (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 Central Nervous System Øre forsøk med dyr modeller Animal Funksjonell Bildediagnostiske Brain Mapping Nervous System Sanseorganer auditiv cortex BOLD signalendring hemodynamisk respons hørsel akustiske stimuli
Funksjonell Imaging av auditive cortex hos voksne katter ved hjelp av høy-feltet 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