JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

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

Published: February 19, 2014
doi:
10.3791/50872
, , , , ,
1Department of Physiology and Pharmacology,University of Western Ontario, 2Department of Psychology,University of Western Ontario, 3Department of Medical Biophysics,University of Western Ontario, 4Brain and Mind Institute,University of Western Ontario, 5Centre for Functional and Metabolic Mapping, Robarts Research Institute,University of Western Ontario, 6Cerebral Systems Laboratory,University of Western Ontario, 7National Centre for Audiology,University of Western Ontario

Summary

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

Abstract

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

Introduction

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

Protocol

Följande förfarande kan tillämpas på någon avbildning experiment i vilket sövda katter användes. Stegen som är specifikt erforderliga för auditiva experiment (steg från 1,1 till 1,7, 2,8, 4,1) kan modifieras för att inrymma andra sensoriska stimuleringsprotokoll. Alla experimentella procedurer erhållit godkännande från Animal Användning utskottet vid universitetet rådet om Djurvård vid University of Western Ontario och följde de riktlinjer som anges av den kanadensiska råd…

Representative Results

Representativa funktionella data har förvärvats i en 7T horisontell borrning scanner och analyseras med hjälp av Statistiska Parametrisk Mapping toolbox i MATLAB. Robusta kortikala hemodynamiska svaren auditiv stimulering har konsekvent observerats hos katter med hjälp av den beskrivna försöksprotokoll 43. Figur 6 illustrerar BOLD aktivering i två djur som svar på en 30 sek bredbandsbrus stimulus presenteras i ett blockdesign. T-statistik kartor över bredbandsljud vs baslinjen (ingen…

Discussion

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

Medan en sövd preparat ger den viktiga fördelen att producera en längre period av sedering och minimera potentiella huvud rörelse under en funktionell avbildning session, är anestesi känt för att p?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

Materials

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

Keywords: Functional ImagingAuditory CortexAdult CatsHigh-field FMRISensory ProcessingMammalian Auditory SystemElectrophysiologyAnimal ModelsFunctional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)Hemodynamic ActivityAuditory FunctionAnesthetized CatsStimulus-evoked Responses
check_url/50872?article_type=t

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