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Neuroscience

Imágenes funcionales de la corteza auditiva en los gatos adultos el uso de alto campo 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

Los estudios funcionales del sistema auditivo en los mamíferos que tradicionalmente han llevado a cabo utilizando técnicas espacialmente focalizadas tales como registros electrofisiológicos. El siguiente protocolo describe un método de visualización de los patrones a gran escala de la actividad hemodinámica evocado en la corteza auditiva gato utilizando imágenes de resonancia magnética funcional.

Abstract

El conocimiento actual de procesamiento sensorial en el sistema auditivo mamífero se deriva principalmente de estudios electrofisiológicos en una variedad de modelos animales, incluyendo monos, hurones, murciélagos, roedores y gatos. Con el fin de establecer paralelismos adecuados entre los modelos humanos y animales de la función auditiva, es importante establecer un puente entre los estudios de imagen funcional humanos y estudios electrofisiológicos animales. La resonancia magnética funcional (fMRI) es establecido un método mínimamente invasivo para medir patrones amplios de la actividad hemodinámica en las distintas regiones de la corteza cerebral. Esta técnica es ampliamente utilizado para sondear la función sensorial en el cerebro humano, es una herramienta útil en la vinculación de los estudios de procesamiento auditivo en los seres humanos y los animales y se ha utilizado con éxito para investigar la función auditiva en monos y roedores. El siguiente protocolo describe un procedimiento experimental para la investigación de la función auditiva en adultos anestesiadosgatos mediante la medición de estímulo-evocó los cambios hemodinámicos en el córtex auditivo mediante resonancia magnética funcional. Este método facilita la comparación de las respuestas hemodinámicas a través de diferentes modelos de la función auditiva lo que conduce a una mejor comprensión de las características de especies independiente de la corteza auditiva de los mamíferos.

Introduction

La comprensión actual del procesamiento auditivo en los mamíferos se deriva principalmente de los estudios electrofisiológicos invasivos en monos, hurones 1-5 6-10 11-14, murciélagos, roedores 15-19, 20-24 y gatos. Técnicas electrofisiológicas comúnmente utilizan microelectrodos extracelulares para registrar la actividad de las neuronas individuales y múltiples dentro de una pequeña área de tejido neuronal que rodea la punta del electrodo. Establecido métodos de neuroimagen funcional, como la proyección de imagen óptica y la resonancia magnética funcional (fMRI), sirven como complementos útiles a las grabaciones extracelulares, proporcionando una perspectiva macroscópica de la actividad driven simultánea a través de múltiples regiones, espacialmente distintas del cerebro. Imágenes ópticas señal intrínseca facilita la visualización de la actividad evocada en el cerebro mediante la medición de los cambios relacionados con la actividad en las propiedades de reflectancia de la superficie del tejido, mientras que la fMRI utiliza la sangre oxígeno-dependiente del nivel de (BOLD)contrastar medir estímulo-evocó los cambios hemodinámicos en las regiones del cerebro que están activas durante una tarea en particular. Imágenes ópticas requiere la exposición directa de la superficie cortical que mide los cambios en la superficie de reflectancia del tejido que están relacionados con la actividad provocada por estímulo 25. En comparación, la fMRI es no invasivo y explota las propiedades paramagnéticas de sangre sin oxígeno para medir tanto la superficie cortical 26-28 y 27,29 la actividad evocada basado en surco dentro de un cráneo intacto. Una alta correlación entre la señal BOLD y la actividad neuronal en la corteza visual de los primates no humanos 30 y en la corteza auditiva humana 31 validan fMRI como una herramienta útil para estudiar la función sensorial. Desde fMRI se ha utilizado ampliamente para estudiar las características de la vía auditiva tales como la organización tonotópica 32-36, lateralización de la función auditiva 37, los patrones de activación cortical, la identificación de regiones corticales 38, efectos de sonidointensidad en las propiedades de respuesta auditiva 39,40, y las características de la evolución en el tiempo de respuesta BOLD 29,41 en modelos de ratas humanas, de mono, y, el desarrollo de un protocolo de imagen funcional adecuado para estudiar la función auditiva en el gato proporcionaría un complemento útil para la literatura de imagen funcional. Mientras fMRI también se ha utilizado para explorar diversos aspectos funcionales de la corteza visual en el gato anestesiado 26-28,42, pocos estudios han utilizado esta técnica para examinar el procesamiento sensorial de gato corteza auditiva. El propósito del presente Protocolo es establecer un método eficaz de utilizar fMRI para cuantificar la función en la corteza auditiva del gato anestesiado. Los procedimientos experimentales descritos en este manuscrito se han utilizado con éxito para describir las características de la evolución en el tiempo de respuesta BOLD en la corteza auditiva gato adulto 43.

Protocol

El siguiente procedimiento se puede aplicar a cualquier experimento de formación de imágenes en el que se utilizan gatos anestesiados. Pasos que se requieren específicamente para experimentos auditivos (pasos 1.1 a 1.7, 2.8, 4.1) pueden ser modificados para dar cabida a otros protocolos de estímulos sensoriales. Todos los procedimientos experimentales recibieron la aprobación de la utilización de animales Subcomité del Consejo Universitario de Cuidado de Animales de la Universidad de …

Representative Results

Datos funcionales representativos fueron adquiridos en un escáner de perforación horizontal 7T y se analizaron usando la caja de herramientas Statistical Parametric Mapping en MATLAB. Respuestas hemodinámicas corticales robusto para la estimulación auditiva consistentemente se han observado en los gatos utilizando el protocolo experimental descrito 43. Figura 6 ilustra la activación negrita en 2 animales en respuesta a un estímulo ruido de banda ancha 30 seg presentado en un diseño de …

Discussion

En el diseño de un experimento fMRI para un modelo animal anestesiado de la función auditiva, los siguientes aspectos deben recibir una cuidadosa consideración: (i) el impacto de la anestesia en las respuestas corticales, (ii) el efecto del ruido del escáner plano, y (iii) la optimización de la fase de recogida de datos del procedimiento experimental.

Mientras que una preparación anestesiado ofrece la importante ventaja de producir un período prolongado de sedación y minimizando el p…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores desean reconocer las contribuciones de Kyle Gilbert, quien diseñó la bobina personalizada RF, y Kevin Barker, quien diseñó el trineo compatible con resonancia magnética. Este trabajo fue financiado por los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CIHR), Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (NSERC), y la Fundación Canadiense para la Innovación (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
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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).

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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).
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