הדמיה תפקודית של השמיעתי Cortex בחתולים בוגרים באמצעות גבוהה שדה fMRI
Summary
מחקרים תפקודיים של מערכת השמיעה אצל יונקים באופן מסורתי שנערכו תוך שימוש בטכניקות מרחבית ממוקדות כגון קלטות אלקטרו. הפרוטוקול הבא מתאר שיטה של הדמיה דפוסים בקנה מידה גדולה של פעילות המודינמית עוררה בחתול השמיעתי קליפת המוח באמצעות תהודה מגנטית תפקודית.
Abstract
ידע הנוכחי של עיבוד חושי במערכת השמיעה של היונקים נגזר בעיקר ממחקרי אלקטרו במגוון של מודלים של בעלי חיים, ביניהם קופים, חמוסים, עטלפים, מכרסמים, וחתולים. על מנת לערוך הקבלות מתאימות בין דגמי אדם ובעלי החיים של תפקוד שמיעתי, חשוב להקים גשר בין מחקרים בבני אדם פונקציונליים הדמיה ומחקרי אלקטרו בעלי חיים. דימות תהודה מגנטית תפקודיות (fMRI) היא שיטה שהוקמה, פולשנית למדידת דפוסים רחבים של פעילות המודינמית על פני אזורים שונים של קליפת המוח. טכניקה זו נעשתה שימוש נרחב כדי לחקור את תפקוד חושי במוח האנושי, הוא כלי שימושי בקישור לימודים של עיבוד שמיעתי בשני בני אדם ובעלי חיים ושמש בהצלחה לחקור תפקוד שמיעתי בקופים ומכרסמים. הפרוטוקול הבא מתאר הליך ניסיוני לחקירת תפקוד שמיעתי במבוגרים בהרדמהחתולים על ידי מדידת שינויים המודינמית עורר גירוי שמיעתי בקליפת המוח באמצעות fMRI. שיטה זו מאפשרת השוואה של התגובות המודינמית פני דגמים שונים של תפקוד שמיעתי ובכך מובילות להבנה טובה יותר של תכונות מינים עצמאיים של קליפת המוח השמיעתית של היונקים.
Introduction
הבנה הנוכחית של עיבוד שמיעתי ביונקים נובעת בעיקר ממחקרי אלקטרו פולשנית בקופים 1-5, חמוסים 6-10, 11-14 עטלפים, מכרסמים 15-19, 20-24 וחתולים. טכניקות אלקטרו בדרך כלל לנצל microelectrodes תאי כדי להקליט את הפעילות של נוירונים בודדים ומרובים בתוך שטח קטן של רקמה עצבית המקיפה את הקצה האלקטרודה. הוקם שיטות פונקציונליות הדמיה, כגון הדמיה אופטית והדמיה תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI), משרתים משלים כשימושי להקלטות תאיים על ידי מתן פרספקטיבה מקרוסקופית של פעילות מונעת בו זמנית על פני מספר אזורים, במרחב שונה של המוח. הדמיה אופטית אות פנימית מאפשרת הדמיה של פעילות עוררת במוח על ידי מדידת שינויים הקשורים לפעילות במאפייני ההחזרה של רקמת פני השטח תוך fMRI מנצל את הדם בחמצן ברמה תלוי (BOLD)בניגוד למדידת שינויים המודינמית עורר גירוי באזורי מוח שפעילים במהלך משימה מסוימת. הדמיה אופטית דורשת חשיפה ישירה של פני השטח של קליפת המוח לצעדי שינויים בהחזרת רקמות פני השטח הקשורים לפעילות עוררת גירוי 25. לשם השוואה, ה-fMRI הוא לא פולשנית ומנצלת את תכונות פאראמגנטיים דם deoxygenated למדוד גם משטח קליפת המוח 26-28 ו27,29 פעילות עוררת מבוסס מענית בתוך גולגולת שלמה. מתאמים חזקים בין אות BOLD והפעילות עצבית בקופים לא אנושית חזותית 30 קליפה וקליפת המוח שמיעתי באדם ביום 31 בלאמת fMRI ככלי שימושי ללמוד את התפקוד חושי. מאז fMRI כבר נעשה שימוש נרחב ללמוד תכונות של המסלול השמיעתי כגון ארגון tonotopic 32-36, lateralization של תפקוד שמיעתי 37, דפוסים של הפעלה בקליפת המוח, זיהוי של אזורים בקליפת המוח 38, אפקטים של קולעוצמה על נכסי שמיעה תגובה 39,40, ומאפיינים של קורס BOLD זמן תגובת 29,41 באדם, קוף, ומודלים של עכברים, את הפיתוח של פרוטוקול הדמיה תפקודי מתאים ללמוד לתפקד שמיעתי בחתול יספק השלמה שימושית ספרות ההדמיה התפקודית. בעוד fMRI שימש גם כדי לחקור היבטים פונקציונליים שונים של קליפת המוח הראייתית של החתול בהרדים 26-28,42, מספר מחקרים בשימוש בטכניקה זו כדי לבחון עיבוד חושי בחתול שמיעתי קליפת המוח. מטרתו של הפרוטוקול הנוכחי היא להקים שיטה יעילה של שימוש ב-fMRI לכמת פונקציה בקליפת המוח השמיעתית של החתול המורדם. הפרוצדורות שתוארו בכתב היד הזה כבר השתמשו בהצלחה כדי לתאר את התכונות של קורס זמן תגובת BOLD בחתול הבוגר השמיעתי הקליפה 43.
Protocol
Representative Results
Discussion
בתכנון ניסוי fMRI למודל חיה מורדם של תפקוד שמיעתי, צריכים להינתן בנושאים הבאים שיקול דעת: (i) את ההשפעה של הרדמה על תגובות בקליפת המוח, (ii) את ההשפעה של רעש סורק רקע, וכן (iii) אופטימיזציה של שלב איסוף הנתונים של ההליך ניסיוני.
בעוד הכנה ה…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר את תרומתם של קייל גילברט, שעיצב את סליל RF המותאם אישית, וקווין בארקר, שעיצב את מזחלת MRI התואמת. עבודה זו נתמכה על ידי המכון הקנדי לבריאות מחקר (CIHR), מדעי טבע והנדסת מועצת מחקר של קנדה (NSERC), וקנדה הקרן לחדשנות (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 |
References
- 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).
- Kusmierek, P., Rauschecker, J. P. Functional Specialization of Medial Auditory Belt Cortex inthe Alert Rhesus Monkey. J. Neurophysiol. 102, 1606-1622 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nelken, I., Versnel, H. Responses to linear and logarithmic frequency-modulated sweeps in ferret primary auditory cortex. Eur. J. Neurosci. 12, 549-562 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- Suga, N. Functional Properties of Auditory Neurones in the Cortex of Echo-Locating Bats. J. Physiol. 181, 671-700 (1965).
- 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).
- 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).
- Ricketts, C., Mendelson, J. R., Anand, B., English, R. Responses to time-varying stimuli in rat auditory cortex. Hearing Res. 123, 27-30 (1998).
- Gaese, B. H., Ostwald, J. Temporal Coding of Amplitude and Frequency Modulation in the Rat Auditory Cortex. European J. Neurosci. 7, 438-450 (1995).
- 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).
- 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).
- Knight, P. L. Representation of the Cochlea within the Anterior Auditory Field (AAF) of the Cat. Brain Res. 130, 447-467 (1977).
- 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).
- Whitfield, I. C., Evans, E. F. Responses of Auditory Cortical Neurons to Stimuli of Changing Frequency. J. Neurophysiol. 28, 655-672 (1965).
- 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).
- Pouratian, N., Toga, A. W., Toga, A. W., Mazziotta, J. C. . Brain Mapping: The Methods. , 97-140 (2002).
- 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).
- 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).
- Kim, D. S., Duong, T. Q., Kim, S. G. High-resolution mapping of iso-orientation columns by fMRI. Nat. Neurosci. 3, 164-169 (2000).
- Belin, P., Zatorre, R. J., Hoge, R., Evans, A. C., Pike, B. Event-related fMRI of the auditory cortex. NeuroImage. 10, 417-429 (1999).
- 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).
- Mukamel, R., et al. Coupling between neuronal firing, field potentials, and fMR1 in human auditory cortex. Science. 309, 951-954 (2005).
- 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).
- 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).
- Talavage, T. M., et al. Tonotopic organization in human auditory cortex revealed by progressions of frequency sensitivity. J. Neurophysiol. 91, 1282-1296 (2004).
- 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).
- Cheung, M. M., et al. BOLD fMRI investigation of the rat auditory pathway and tonotopic organization. NeuroImage. 60, 1205-1211 (2012).
- 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).
- 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).
- Tanji, K., et al. Effect of sound intensity on tonotopic fMRI maps in the unanesthetized monkey. NeuroImage. 49, 150-157 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Olfert, E. D., Cross, B. M., McWilliam, A. A. . Canadian Council on Animal Care. 1, (1993).
- Franceschini, M. A., et al. The effect of different anesthetics on neurovascular coupling. NeuroImage. 51, 1367-1377 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Crosby, G., Crane, A. M., Sokoloff, L. Local changes in cerebral glucose-utilization during ketamine anesthesia. Anesthesiology. 56, 437-443 (1982).
- Zhao, F., Jin, T., Wang, P., Kim, S. -. G. Isoflurane anesthesia effect in functional imaging studies. NeuroImage. 38, 3-4 (2007).
- Cheung, S. W., et al. Auditory cortical neuron response differences under isoflurane versus pentobarbital anesthesia. Hearing Res. 156, 115-127 (2001).
- 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).
- Seifritz, E., et al. Spatiotemporal pattern of neural processing in the human auditory cortex. Science. 297, 1706-1708 (2002).
- Hall, D. A., et al. 34;Sparse" temporal sampling in auditory fMRI. Human Brain Map. 7, 213-223 (1999).
- 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).
- Grubb, T., Greene, S. A. . In Veterinary Anesthesia and Pain Management Secrets. , 121-126 (2002).
