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

Yüksek alan fMRI kullanılarak Yetişkin kedilerde işitme korteksi Fonksiyonel Görüntüleme

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

Memelilerde işitme sisteminin fonksiyonel çalışmalar, geleneksel olarak bu tür elektrofizyolojik kayıtları gibi uzamsal odaklı teknikleri kullanılarak yapılmıştır. Aşağıdaki protokol işlevsel manyetik rezonans görüntüleme kullanılarak kedi işitsel kortekste uyarılmış hemodinamik aktivitesinin büyük ölçekli desen görselleştirilmesi için bir yöntem tarif eder.

Abstract

Memeli işitme sisteminin duyusal işleme bugünkü bilgiler esas olarak maymun, dağ gelinciği, sopaları, kemirgenler ve kediler dahil olmak üzere, hayvan modellerinde çeşitli elektrofizyolojik çalışmalar, türetilmiştir. Işitsel işlev insan ve hayvan modelleri arasında uygun bir paralellik çizmek amacıyla, insan işlevsel görüntüleme çalışmaları ve hayvan elektrofizyolojik çalışmalar arasında bir köprü kurmak için önemlidir. Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) serebral korteksin farklı bölgeler arasında hemodinamik etkinliğinin geniş kalıplarını ölçme kurulu, minimal invaziv bir yöntemdir. Bu teknik yaygın olarak insan beyninde duyu işlevini araştırmak için kullanılır, insanlarda ve hayvanlarda hem de işitsel işleme çalışmaları bağlayan bir araçtır ve başarılı bir şekilde maymun ve kemirgen işitsel araştırmak üzere kullanılmıştır. Aşağıdaki protokol anestezi yetişkin işitme fonksiyonlarını araştırmak için deneysel bir prosedür açıklanmaktadırfMRI kullanarak işitsel kortekste uyarıcı-uyarılmış hemodinamik değişiklikleri ölçerek kediler. Bu nedenle bu yöntem, memeli işitsel korteks türe bağımsız özelliklerinin daha iyi anlaşılması için gerekli olan işitsel işlevin farklı modelleri arasında hemodinamik tepkiler karşılaştırmasını kolaylaştırır.

Introduction

Memelilerde işitsel işleme mevcut anlayış esas maymunlar 1-5, dağ gelinciği 6-10, yarasalar 11-14, 15-19 kemirgenler, kedi ve 20-24 invazif elektrofizyolojik çalışmalardan elde edilmektedir. Elektrofizyolojik teknikler genellikle elektrot ucu çevresindeki sinir dokusunun küçük bir alanda tek ve birden fazla nöron aktivitesini kaydetmek için hücre dışı Mikroelektronlar kullanmaktadır. Gibi optik görüntüleme ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) gibi işlevsel görüntüleme yöntemleri, beynin birden fazla, uzamsal olarak ayrı bölgelerde eşzamanlı km'ye aktivitesinin bir makroskopik bir bakış açısı sağlayarak hücre dışı kayıtları için yararlı tamamlar hizmet kurulmuştur. FMRI kan oksijen seviyesi bağımlı (BOLD) kullanır iken İçsel sinyal optik görüntüleme yüzey dokusu yansıtma özellikleri aktivite ile ilgili değişiklikleri ölçerek beyindeki uyarılmış aktivite görüntülenmesini kolaylaştırırbelirli bir görev sırasında aktif olan beyin bölgelerinde uyarıcı-uyarılmış hemodinamik değişiklikleri ölçmek için kontrast. Optik görüntüleme uyaran-uyarılmış aktivite 25 ilgilidir yüzey dokusu yansıtma önlemleri değişikliklere kortikal yüzeyin doğrudan maruz kalmasını gerektirir. Buna karşılık, fMRI noninvaziv ve sağlam bir kafatası içinde kortikal yüzeyi 26-28 ve sulkus-tabanlı 27,29 uyarılmış aktivite hem ölçmek için deoksijene kan paramanyetik özellikleri patlatır. Insan olmayan primat görsel korteks 30 ve insan işitsel kortekste 31 BOLD sinyal ve nöronal aktivitenin arasında güçlü bir korelasyon duyu fonksiyonlarını incelemek için yararlı bir araç olarak fMRI doğrulamak. FMRI gibi tonotopic organizasyon 32-36, işitsel işlev 37 lateralizasyonu, kortikal aktivasyon desenleri, kortikal bölgelerin 38 tanımlanması, ses efektleri gibi işitsel yolun özelliklerini incelemek için yaygın olarak kullanılan beriişitsel tepki özellikleri 39,40, ve insan, maymun ve fare modelleri, kedi işitme işlevini incelemek için uygun bir fonksiyonel görüntüleme protokolü kalkınma için yararlı bir tamamlayıcı olacağı yılında BOLD tepki süresi elbette 29,41 özelliklerine yoğunluğu fonksiyonel görüntüleme edebiyat. FMRI da anestezi kedi 26-28,42 görsel korteksin çeşitli fonksiyonel yönlerini keşfetmek için kullanılmış olsa da, birkaç çalışma kedi işitsel korteks duyusal işleme incelemek için bu tekniği kullandık. Mevcut protokolün amacı, anestezi kedi işitsel korteks işlevini ölçmek için fMRI kullanarak etkili bir yöntem oluşturmaktır. Bu yazıda özetlenen deneysel prosedürleri başarıyla yetişkin kedi işitsel kortekste 43 BOLD tepki süresi tabii özelliklerini tanımlamak için kullanılır olmuştur.

Protocol

Aşağıdaki prosedür, kullanılan kediler anesteziye tabi ki buradaki herhangi bir görüntüleme deneyi uygulanabilir. (1,1-1,7 adım, 2.8, 4.1) özel olarak bir işitsel deneyler için gerekli olan adımları diğer duyusal uyarıcı protokollerini barındırmak için modifiye edilebilir. Tüm deneysel prosedürleri Western Ontario Üniversitesi Hayvan Bakım Üniversitesi Konseyi Hayvan Kullanımı Alt Komitenin onayını aldı ve Hayvan Bakımı Kanada Konseyi (CCAC) 44 tara…

Representative Results

Temsilci fonksiyonel veri 7T yatay delik tarayıcı edinilen ve MATLAB İstatistiksel Parametrik Haritalama araç kutusu kullanılarak analiz edildi. Işitsel uyarıya sağlam kortikal hemodinamik tepkiler sürekli olarak tarif edilen deney protokolü kullanılarak 43 kedilerde gözlenmiştir. Şekil 6, bir blok tasarımı olarak sunulan bir 30 saniye bant gürültü uyarıcıya yanıt olarak 2 hayvanlarda BOLD aktivasyonunu göstermektedir. Başlangıca vs geniş bant gürültü (hiçbir uya…

Discussion

Işitsel işlev bir anestezi hayvan modeli için bir fMRI deney tasarımı, aşağıdaki hususlar dikkat dikkate alınmalıdır: kortikal tepkiler üzerindeki anestezi (i) etkisi, arka plan gürültüsünün tarayıcı (ii) etkisini, ve (iii) en iyi duruma getirilmesi Deney prosedürünün veri toplama aşamasının.

Bir anestezi altında hazırlanması sedasyon uzun bir süre üreten ve fonksiyonel bir görüntüleme oturumu sırasında potansiyel kafa hareketi en aza indirmek önemli bir a…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar MR-uyumlu kızak tasarlanmış özel RF bobini tasarlanmış Kyle Gilbert, ve Kevin Barker, katkılarını kabul etmek istiyorum. Bu çalışma, Kanada Sağlık Araştırma Enstitüleri (CIHR), Doğa Bilimleri ve Kanada'nın (NSERC) Mühendislik Araştırma Konseyi ve Yenilik için Kanada Vakfı (CFI) tarafından desteklenmiştir.

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