JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Neuroscience

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

Published: February 19, 2014
doi:
10.3791/50872
, , , , ,
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.

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.</sup…

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 (…

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, anest…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

Material
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 22g (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., Toga, A. W., Mazziotta, J. C. . Brain Mapping: The Methods. , 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, (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. Grubb, T., Greene, S. A. . In Veterinary Anesthesia and Pain Management Secrets. , 121-126 (2002).

Tags

Functional ImagingAuditory CortexAdult CatsHigh-field FMRISensory ProcessingMammalian Auditory SystemElectrophysiologyAnimal ModelsFunctional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)Hemodynamic ActivityAuditory FunctionAnesthetized CatsStimulus-evoked Responses

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image