Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) med auditiv stimulering i Songbirds
Summary
Den här artikeln visar en optimerad procedur för avbildning av neurala substrat av auditiv stimulering i sångfågel hjärnan med funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). Det beskriver framställningen av de ljudstimuli, positionering av ämnet och förvärvet och efterföljande analyser av fMRI data.
Abstract
Neurobiologi fågelsång, som en modell för mänskligt tal, är en uttalad forskningsområde i Behavioral Neuroscience. I elektrofysiologi och molekylära metoder kan utredningen av antingen olika stimuli på några neuroner, eller en stimulans i stora delar av hjärnan, blodets syresättning nivåberoende (BOLD) funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) kan kombinera både fördelar, dvs jämföra neurala aktiveringen inducerad av olika stimuli i hela hjärnan på en gång. fMRI i sångfåglar är utmanande på grund av den lilla storleken på deras hjärnor och eftersom deras ben och särskilt deras skalle innefattar många luftkaviteter, framkalla viktiga mottaglighet artefakter. Gradient-eko (GE) har BOLD fMRI framgångsrikt tillämpats på sångfåglar 1-5 (för en översikt, se 6). Dessa studier fokuserar på de primära och sekundära områden auditiva hjärnan, vilka är områden fria från mottaglighetsalleler artefakter. Men eftersom proccesser av intresse kan förekomma utanför dessa regioner, är hela hjärnan BOLD fMRI krävs med en MRI-sekvens mindre mottagliga för dessa artefakter. Detta kan uppnås genom användning av spinn-eko (SE) Bold fMRI 7,8. I den här artikeln beskriver vi hur du använder denna teknik i sebrafink (Taeniopygia guttata), vilket är små sångfåglar med en kroppsvikt på 15-25 g studerats i beteendevetenskap neurovetenskap av fågelsång. Huvudtemat för fMRI studier på sångfåglar är sång perception och sång lärande. Den auditiva naturen av stimuli i kombination med den svaga FETSTIL känsligheten hos SE (jämfört med GE) baserade fMRI sekvenser gör genomförandet av denna teknik mycket utmanande.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna rapport beskriver vi ett optimerat protokoll för detaljerad in vivo karakterisering av neurala substrat av auditiv stimulering i sövda sebrafink.
I linje med det som presenteras protokoll, majoriteten av funktionella studier hjärnaktiveringen hos djur med hjälp BOLD fMRI, söva djuren under förvärvet. Utbildning djuren att vänja dem till magneten miljön och skannern buller under läsperioder är också möjligt, men ganska tidskrävande och utmanande och därför sä…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning har finansierats med bidrag från Research Foundation – Flandern (FWO, projekt Nr G.0420.02 och G.0443.11N), Hercules Foundation (bidrag Nr AUHA0012), samlade åtgärder (GOA finansiering) från universitetet i Antwerpen, och delvis sponsras av EG – FP6 projekt Dimi, LSHB-CT-2005 till 512.146 och EG – FP6 projekt EMIL LSHC-CT-2004 till 503.569 till A.VdL. G.DG och CP är forskarassistenter av Research Foundation – Flandern (FWO).
Materials
| Name of the reagent/equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| Isoflurane anaesthetic | Isoflo | 05260-05 | |
| PC-Sam hardware/software | SA-Instruments | http://www.i4sa.com | |
| Monitoring and gating system | 1025 | ||
| MR-compatible small rodent heater system | Model 1025 compatible | ||
| Rectal temperature probe | RTP-102B | 7”, 0.044” | |
| 7T MR scanner | Bruker Biospin | PHS 70/16 | |
| Paravision software | 5.1 | ||
| Gradient Insert | BGA9S | 400 mT/m, 300A, 500V | |
| Gradient Amplifiers | Copley Co., USA | C256 | |
| Transmit resonators | Inner diameter: 72 mm, transmit only, active decoupled | ||
| Receiver antenna – 20 mm quadrature Mouse Head | Receive only, active decoupled | ||
| WaveLab software | Steinberg | ||
| Praat software | Paul Boersma, University of Amsterdam | http://www.praat.org | |
| Non-magnetic dynamic speakers | Visation, Germany | HK 150 | |
| Fiber optic microphone | Optoacoustics, | Optimic 1160 | |
| Sound amplifier | Phonic corporation | MM 1002a | |
| Presentation software | Neurobehavioral Systems Inc. | ||
| MRIcro | Chris Rorden | http://www.cabiatl.com/mricro/mricro/ | |
| Statistical Parametric Mapping (SPM) | Welcome Trust Centre for Neuroimaging | 8 | http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/ |
Referências
- Van Meir, V., et al. Spatiotemporal properties of the BOLD response in the songbirds’ auditory circuit during a variety of listening tasks. Neuroimage. 25, 1242-1255 (2005).
- Boumans, T., Theunissen, F. E., Poirier, C., Van Der Linden, A. Neural representation of spectral and temporal features of song in the auditory forebrain of zebra finches as revealed by functional MRI. The European Journal of Neuroscience. 26, 2613-2626 (2007).
- Boumans, T., et al. Functional magnetic resonance imaging in zebra finch discerns the neural substrate involved in segregation of conspecific song from background noise. Journal of Neurophysiology. 99, 931-938 (2008).
- Boumans, T., et al. Functional MRI of auditory responses in the zebra finch forebrain reveals a hierarchical organisation based on signal strength but not selectivity. PloS ONE. 3, e3184 (2008).
- Vignal, C., et al. Measuring brain hemodynamic changes in a songbird: responses to hypercapnia measured with functional MRI and near-infrared spectroscopy. Physics in Medicine and Biology. 53, 2457-2470 (2008).
- Van der Linden, A., Van Meir, V., Boumans, T., Poirier, C., Balthazart, J. MRI in small brains displaying extensive plasticity. Trends in Neurosciences. 32, 257-266 (2009).
- Poirier, C., Van der Linden, A. M. Spin echo BOLD fMRI on songbirds. Methods Mol. Biol. 771, 569-576 (2011).
- Poirier, C., Verhoye, M., Boumans, T., Van der Linden, A. Implementation of spin-echo blood oxygen level-dependent (BOLD) functional MRI in birds. NMR in Biomedicine. 23, 1027-1032 (2010).
- Poirier, C., et al. A three-dimensional MRI atlas of the zebra finch brain in stereotaxic coordinates. Neuroimage. 41, 1-6 (2008).
- Zhao, F., Wang, P., Kim, S. G. Cortical depth-dependent gradient-echo and spin-echo BOLD fMRI at 9.4T. Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 51, 518-524 (2004).
- Harel, N., Lin, J., Moeller, S., Ugurbil, K., Yacoub, E. Combined imaging-histological study of cortical laminar specificity of fMRI signals. NeuroImage. 29, 879-887 (2006).
- Duong, T. Q., et al. Microvascular BOLD contribution at 4 and 7 T in the human brain: gradient-echo and spin-echo fMRI with suppression of blood effects. Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 49, 1019-1027 (2003).
- Lee, S. P., Silva, A. C., Ugurbil, K., Kim, S. G. Diffusion-weighted spin-echo fMRI at 9.4 T: microvascular/tissue contribution to BOLD signal changes. Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 42, 919-928 (1999).
- Uludag, K., Muller-Bierl, B., Ugurbil, K. An integrative model for neuronal activity-induced signal changes for gradient and spin echo functional imaging. NeuroImage. 48, 150-165 (2009).
- Yacoub, E., et al. Spin-echo fMRI in humans using high spatial resolutions and high magnetic fields. Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 49, 655-664 (2003).
- Keilholz, S. D., Silva, A. C., Raman, M., Merkle, H., Koretsky, A. P. Functional MRI of the rodent somatosensory pathway using multislice echo planar imaging. Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 55, 316-324 (2006).
- Keilholz, S. D., Silva, A. C., Raman, M., Merkle, H., Koretsky, A. P. Functional MRI of the rodent somatosensory pathway using multislice echo planar imaging. Magnetic Resonance in Medicine: Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 52, 89-99 (2004).
- Goloshevsky, A. G., Silva, A. C., Dodd, S. J., Koretsky, A. P. BOLD fMRI and somatosensory evoked potentials are well correlated over a broad range of frequency content of somatosensory stimulation of the rat forepaw. Brain Research. 1195, 67-76 (2008).
- Kida, I., Yamamoto, T. Stimulus frequency dependence of blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging signals in the somatosensory cortex of rats. Neuroscience Research. 62, 25-31 (2008).
- Poirier, C., Boumans, T., Verhoye, M., Balthazart, J., Van der Linden, A. Own-song recognition in the songbird auditory pathway: selectivity and lateralization. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 29, 2252-2258 (2009).
- Poirier, C., et al. Own song selectivity in the songbird auditory pathway: suppression by norepinephrine. PloS ONE. 6, e20131 (2011).
- 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).
