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

التصوير الوظيفي للسمعي اللحاء في القطط الكبار باستخدام الحقل عالي الرنين المغناطيسي الوظيفي

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

وقد جرت العادة على إجراء دراسات وظيفية للنظام السمعي في الثدييات باستخدام تقنيات تركز مكانيا مثل التسجيلات الكهربية. يصف بروتوكول التالية طريقة لتصور أنماط واسعة النطاق من أثار النشاط الدورة الدموية في القط القشرة السمعية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي.

Abstract

ويستمد المعرفة الحالية للمعالجة الحسية في الجهاز السمعي الثدييات أساسا من الدراسات الكهربية في مجموعة متنوعة من النماذج الحيوانية، بما في ذلك القرود والقوارض والخفافيش والقوارض، والقطط. من أجل استخلاص أوجه الشبه بين النماذج مناسبة الإنسان والحيوان وظيفة السمع، فمن المهم لإقامة جسر بين الدراسات التصوير وظيفية الإنسان والحيوان الدراسات الكهربية. وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) هو أسلوب مينيملي أنشئت لقياس أنماط واسعة من النشاط الدورة الدموية في جميع أنحاء مناطق مختلفة من قشرة الدماغ. ويستخدم على نطاق واسع هذه التقنية لتحقيق الوظيفة الحسية في الدماغ البشري، هو أداة مفيدة في ربط الدراسات المعالجة السمعية في كل من البشر والحيوانات، وقد استخدمت بنجاح للتحقيق وظيفة السمع في القرود والقوارض. يصف البروتوكول بعد إجراء التجارب للتحقق وظيفة السمع في الكبار تخديرالقطط عن طريق قياس التغيرات في الدورة الدموية أثار تحفيز القشرة السمعية باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي. هذا الأسلوب يسهل المقارنة بين استجابات الدورة الدموية عبر نماذج مختلفة من وظيفة السمع مما يؤدي إلى فهم أفضل للميزات الأنواع مستقلة عن القشرة السمعية الثدييات.

Introduction

مشتق الفهم الحالي للتجهيز السمعي في الثدييات أساسا من الدراسات الكهربية الغازية في القرود 1-5، 6-10 قوارض، والخفافيش 11-14، 15-19 القوارض، والقطط 20-24. تقنيات الكهربية تستخدم عادة microelectrodes خارج الخلية لتسجيل نشاط الخلايا العصبية واحد ومتعددة داخل منطقة صغيرة من الأنسجة العصبية المحيطة طرف القطب. أنشأت أساليب التصوير وظيفية، مثل التصوير الضوئي والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، وخدمة مفيدة ليكمل التسجيلات خارج الخلية من خلال توفير منظور العيانية النشاط مدفوعة في وقت واحد في جميع أنحاء متعددة، مناطق مختلفة من الدماغ مكانيا. التصوير الضوئي إشارة الجوهرية يسهل التصور النشاط منبهات المسموعة في الدماغ عن طريق قياس التغيرات المرتبطة النشاط في خصائص الانعكاس من سطح الأنسجة بينما يستخدم الرنين المغناطيسي الوظيفي على مستوى الأكسجين في الدم التي تعتمد على (بولد)على النقيض لقياس التغيرات الدورة الدموية، أثار التحفيز في مناطق الدماغ التي تنشط أثناء مهمة معينة. يتطلب التصوير الضوئي التعرض المباشر لسطح القشرية لتدابير التغيرات في سطح الانعكاس الأنسجة التي ترتبط النشاط أثار التحفيز 25. في المقارنة، الرنين المغناطيسي الوظيفي هو موسع ويستغل خصائص الدم غير المؤكسج ممغطس لقياس كل من السطح القشري 26-28 والقائم على التلم 27،29 النشاط منبهات المسموعة داخل الجمجمة سليمة. الارتباط القوي بين إشارة BOLD ونشاط الخلايا العصبية في القشرة البصرية الرئيسيات غير البشرية 30 و في القشرة السمعية الإنسان 31 التحقق من صحة الرنين المغناطيسي الوظيفي كأداة مفيدة لدراسة وظيفة حسية. منذ الرنين المغناطيسي الوظيفي وقد استخدمت على نطاق واسع لدراسة ملامح المسار السمعية مثل تنظيم التوضع النغمي 32-36، lateralization من 37 وظيفة السمع، وأنماط التنشيط القشرية، وتحديد المناطق القشرية 38، وآثار الصوتكثافة على خصائص الاستجابة السمعية 39،40، وخصائص زمن الاستجابة بالطبع BOLD 29،41 في الإنسان، والقرد، ونماذج الفئران، فإن وضع بروتوكول التصوير وظيفية مناسبة لدراسة وظيفة السمع في القط توفير مكملا مفيدا ل الأدب التصوير وظيفية. بينما الرنين المغناطيسي الوظيفي كما تم استخدامها لاستكشاف مختلف الجوانب الوظيفية من القشرة البصرية في القط تخدير 26-28،42، وقد استخدمت هذه التقنية قليل من الدراسات لفحص تجهيز الحسية في القشرة السمعية القط. الغرض من هذا البروتوكول هو إنشاء وسيلة فعالة لاستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي لتحديد وظيفة في القشرة السمعية للتخدير القط. الإجراءات التجريبية المبينة في هذا المخطوط استخدمت بنجاح لوصف ملامح الاستجابة دوام BOLD في القط الكبار السمعية القشرة 43.

Protocol

يمكن تطبيق الإجراء التالي لأي تجربة التصوير في تخدير التي تستخدم القطط. الخطوات التي يتعين على وجه التحديد لإجراء التجارب السمعية (الخطوات 1،1-1،7، 2.8، 4.1) يمكن تعديلها لاستيعاب بروتوكولات التحفيز الحسية الأخرى. تلقى جميع الإجراءا?…

Representative Results

تم الحصول على بيانات وظيفية ممثل في 7T الأفقي الماسح الضوئي تتحمل وتحليلها باستخدام الأدوات الإحصائية حدودي رسم الخرائط في MATLAB. وقد لوحظ باستمرار استجابات الدورة الدموية القشرية قوية لتحفيز السمعية في القطط باستخدام بروتوكول التجريبية وصفها 43. يوضح الشكل …

Discussion

في تصميم تجربة الرنين المغناطيسي الوظيفي لنموذج حيواني تخدير وظيفة السمع، ينبغي إيلاء المسائل التالية دراسة متأنية: (ط) تأثير التخدير على الاستجابات القشرية، (ب) تأثير الضوضاء الماسح الضوئي الخلفية، و (ج) التحسين من مرحلة جمع البيانات من إجراء التجارب.

<p class="jove_content…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

فإن الكتاب أود أن أنوه مساهمات كايل جيلبرت، الذي صمم لفائف RF العرف، وكيفن باركر، الذي صمم زلاجات التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة. وأيد هذا العمل من قبل المعاهد الكندية لأبحاث الصحة (CIHR)، العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC)، والمؤسسة الكندية للابتكار (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