명금의 청각 자극 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)

이 문서에서는 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)를 사용하여 가수 뇌에서 청각 자극의 신경 기판의 이미징을위한 최적화 과정을 보여줍니다. 그것은 소리 자극, 피사체의 위치와 fMRI를 데이터 수집 및 후속 분석의 준비에 대해 설명합니다.

새소리의 신경 생물학은 인간의 연설 모델로, 행동 신경 과학 연구의 뚜렷한 영역입니다. 전기 생리학 및 분자 방법은 몇 가지 신경이나 뇌에 따라 혈액 산소 수준 (BOLD) 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)의 많은 부분에서 하나의 자극에 어느 다른 자극의 조사가 모두의 장점을 결합 할 수 있도록하는 반면, 신경 활성을 비교, 즉 한 번에 전체 두뇌의 여러 자극에 의​​해 유도. 명금의 fMRI를 때문에 그들의 두뇌의 작은 크기와 자신의 뼈 때문에 도전 특히 그들의 두개골 중요한 감수성 인공물을 유도, 수많은 공기 구멍을 이용할 수 있습니다. 경사 에코 (GE) BOLD fMRI를 성공적으로 명금 ^1-5 (검토를 위해, ⁶ 참조)에 적용되었습니다. 이러한 연구는 감수성 인공물의 자유 영역입니다 기본 및 보조 청각 뇌 영역에 초점을 맞추었다. 그러나, PROC관심 치찰음이 지역을 넘어 발생할 수 있습니다 뇌 전체 BOLD fMRI를 이러한 이슈에 덜 민감 MRI 시퀀스를 사용이 필요합니다. 이 스핀 에코 (SE) BOLD fMRI를 ^7,8를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 이 문서에서는, 우리는 광범위 새소리의 행동 신경 과학에서 연구 15-25그램의 체중 작은 명금입니다 얼룩말 핀치새이 기술 (Taeniopygia guttata)를 사용하는 방법에 대해 설명합니다. 명금에 fMRI를 연구의 주요 주제는 노래 인식과 노래 학습이다. SE의 약한 BOLD 감도 (GE에 비해) 기반 fMRI를 시퀀스는이 기술의 구현은 매우 도전하게 결합 된 자극의 청각 특성.

1. 청각 자극의 준비

1. 7T MR 시스템의 구멍 안에 재생되는 동안 소리 자극을 기록 첫번째로 올려주세요. 보어는 특정 청각 주파수의 향상의 결과 청각 자극을 왜곡 할 수있는 밀폐 된 공간입니다. 그림 1은 강화하고 자석에서 새의 머리의 위치에 만든 화이트 노이즈 우리의 녹음으로 표시 억제 주파수를 사용하여 구멍을 보여줍니다 광섬유 마이크 (Optimic 1160 Optoacoustics). 이 인공적인 개선을 보상하기 위해, 이퀄라이저 기능은 웨이브 랩 소프트웨어를 사용하여 각 자극에 적용됩니다. 최대 진폭 : 우리의 특정 설정에, 함수는 다음 매개 변수를 사용하여 가우시안 커널 구성-20dB : 0.05 옥타브 (우리 시스템의 범위는 2,500-5,000 Hz의에 해당) 3,750 Hz의 폭을 중심으로.
2. 노래 자극이 침묵의 기간과 인터리브 각 조류의 여러 개의 개별 곡을 모티브로 구성됩니다. D이러한 침묵 기간해서 만들었 사운드는 모든 자극에 동일한 침묵의 총량을 유지하도록 조정됩니다. 이 구조는 노래 길이의 자연 내 개인과 개인간 가변성을 절약합니다. 각 자극의 총 길이는 16 초입니다. 각 노래의 강도 측면에서 정규화 전체 자극 (노래와 침묵 기간)에 통합되기 전에 400 Hz로 필터링 제곱 평균 제곱근과 하이 패스 일치. 이 조작은 Praat 소프트웨어를 사용하여 수행됩니다.
3. 실험은 ON / 휴식 기간 (블록 OFF) (그림 2)와 블록 디자인 교류 청각 자극 기간 (블록 ON) OFF로 구성되어 있습니다. 각 블록 (OFF ON과 2) 이미지 획득 시간 (취득 아래 참조)에 해당하는 16 초, 지속됩니다. 각 자극 유형은 자극 당과 피사체 당 50 이미지의 인수의 결과로, 25 시간 제공됩니다. 조건의 표시 순서는 내부와 사이에 무작위한다주제. 자극이 무작위 순서는 프리젠 테이션 소프트웨어에 코딩 할 수 있습니다.

2. 제목 준비

2.1 제목 및 그룹 크기

여기에서 우리는 특히 어른 얼룩말 핀치의 사용에 적합한 프로토콜을 제시한다. 종의 선택은 과학적 질문에 따라 달라집니다. 그러나 마취 조류 안정성과 같은 다른 고려 사항도 고려 될 수있다. 얼룩말 핀치 (Taeniopygia guttata)는 12 시간 빛 아래 새장에 보관해야합니다 12 시간 어두운 광주와 연구 전반에 걸쳐 음식과 물을 광고 무제한으로 액세스 할 수 있습니다. 실험 당 개인의 최소 수는 15입니다. 이 번호는 계정에 스핀 에코 fMRI를하고 실험에서 측정 된 생물학적 현상의 자연 개인간 변화의 민감도를합니다.

2.2 설치의 설치 및 동물의 준비

(사양사용되는 장비, 우리는)​​이 문서의 끝 부분에 특정 시약 및 장비의 목록을 참조하십시오

1. 7T MR 시스템의 MRI 침대에 부리 마스크를 설치하고 플라스틱 튜브 가스 제어 장치에 연결합니다. 산소와 질소 가스 병 및 가스 제어 장치 (:; : 400 CC / min의 질소 200 CC / min의 유량 산소)의 스위치를 모두 엽니 다.

위에서 언급 한 바와 같이, 7T MR 시스템은 제시된 설치에 사용됩니다. 다른 필드의 강점 다른 MR 시스템도 가능하지만, 7T에 좋은 타협 신호 대 잡음 비율과 감수성 인공물의 정도 (설명 참조) 사이에 도달합니다. 높은 전계 강도에서의 신호 대 잡음 비율은 감수성 인공물의 정도와 함께 증가합니다.

2. 피드백 제어 시스템과 따뜻한 공기 흐름 장치의 전원을 켭니다.
3. 부리를 도입하여 산소와 질소의 혼합물에서 isoflurane을 3 %로 얼룩말 핀치 마취시키다마스크에와 조류가 완전히 anesthetised 때까지 머리를 들고입니다. 이 부드럽게 발을 잡아 당겨 확인할 수 있습니다 : 새가 완전히 진정 될 때 발은 조류에 의해 철회되지 않습니다. 또한, 새의 눈은 부분적으로 폐쇄됩니다.
4. 얼룩말 핀치 배꼽 아래 공기압 센서를 배치하여 체온을 화면과 호흡 속도를 모니터링 할 배설강 온도 프로브를 소개합니다. 새의 몸 (그림 3)을 억제하기 위해 재킷을 닫습니다.
5. 40의 범위 내에서 호흡 속도 유지 - 분당 100 호흡을 40 ± 0.5 ℃의 좁은 범위 내에서 체온을 일정하게 유지 호흡 범위가 너무 낮은 / 높은 경우, 그에 따라 마취 (% isoflurane을)의 레벨을 조정합니다. 문제가 지속되면 실험을 복구하기 위해 중지 동물은 설치에서 제거해야합니다.
6. 얼룩말 핀치 머리와 죄수의 양쪽에 자성 동적 스피커의 위치를앰프를 연결 합. 너무 닫을 때이 온도 판독에 영향을 미칠 수 있기 때문에 스피커의 전선, 온도 프로브에서 멀리 주도되어 있는지 확인합니다.
7. 얼룩말 핀치 머리와 자석 (와 자석의 중간에 위치하고 전송 코일의 자동 센터)의 센터에 위치 얼룩말 핀치 상단의 표면 RF 코​​일을 배치합니다.
8. 산소와 질소와 혼합 isoflurane을 1.5 %로 마취 수준을 줄일 수 있습니다.

3. 데이터 수집

1. 1 개의 수평 한 시상 1 관상 기울기 에코 (GE) 스카우트 이미지 (트라이 파일럿 시퀀스) 및 수평 관상 및 시상 멀티 슬라이스 이미지 (T ₍₂ - 가중 빠른 취득 휴식 강화를 조종 세트의 세트를 취득 RARE) SE 순서)는 자석의 뇌 (그림 4)의 위치를 결정합니다.
2. 1,000 μS 자신의 램프 시간을 증가 그라데이션의 노이즈를 감소시킨다.
2 강조 순서 TE 효과 : 60 밀리 초, TR : 2,000 밀리 초, RARE 인자 : 8, FOV : 16mm, 매트릭스 크기 : 64 × 32, 방향 : 시상, 슬라이스 두께 : 0.75 리> fMRI를 순서를 준비 mm, 간 슬라이스 간격 두께 : 0.05 mm, 거의 모든 뇌 (그림 4) 커버 15 조각.
3. 프레 젠 테이션 소프트웨어의 청각 프로토콜 (청각 자극과 자극 전달의 타이밍을)를 선택합니다. 이 프로토콜은 일련의 명령으로 구성 - 특정 스캔 번호로 실행 - 특정 청각 자극의 개시를 위해. fMRI를 시퀀스 내에서 모든 반복에서 스캐너 소프트웨어를 다시 스캔 번호를 등록하고 해당 명령을 실행 청각 프레 젠 테이션 소프트웨어 트리거를 보내드립니다.
4. 청각 프레 젠 테이션 소프트웨어가 스캐너로부터 트리거를 놓치지 않도록하기 위해, 청각 프로토콜이 먼저 시작됩니다. 프로토콜이 완전히로드되면, fMRI를 시퀀스가​​ 시작됩니다.
5. 각각의 fMRI를 실험은 신호가 청각 자극을 시작하기 전에 정상 상태에 도달하는 스캐너의 소음에 기인 수 있도록 12 더미 이미지의 취득이옵니다.
6. 인수 후 64 X 64로 데이터를 제로 입력합니다.
7. Paravision의 기능성 도구 (옵션 가공 / 기능성 이미징)를 사용하여 결과를 우선 (예비)보세요. 블록 및 기준 (블록 OFF) ON 모든 사이의 차이 BOLD 응답을 계산합니다. 이 분석 실험의 품질 첫 번째 표시를 제공합니다. 더 활성화가이 단계에서 기본 청각 영역에서 볼 수없는 경우, 새 아마도 자극 프레 젠 테이션, 마취 수준 등의 설치가 확인되어야하며, 반복 측정에 기술적 인 문제로 인해 청각 자극을 소리 / 처리하지 않았다.
8. 이전 fMRI를 스캔과 같은 방향으로 효과적인 TE와 해부학 3D RARE T2-가중 시퀀스를 실행할 수 : 60 밀리 초, TR : 2,000 밀리 초, RARE 인자 : 8, FOV : 16mm, 매트릭스의 크기 : 256 X 128 X 64.
9. 256 X 256 X 256에 데이터를 제로 입력합니다.
10. MRI 침대에서 얼룩말 핀치을하고 빨간 램프 아래 새장에 마취에서 회복 할 수 있습니다. 일반적으로, isoflurane을 마취 한 후 얼룩말 핀치의 회복 (최대 5 분) 상대적으로 빨리 간다. 몇 분 후, 새들이 일어서 시도하고 조류가 완전히 복구되면, 대신 새장 바닥에 앉아 나뭇 가지에 앉고됩니다. 마취의 지속 시간은 본 실험 약 2 시간이다. isoflurane을 마취의 최대 시간은 우리의 실험실에서 얼룩말 핀치에 적용하면 새도 5 분 내에 복구 된 후, 6 시간이다.

4. 자료 처리

1. 분석 또는 Nifti 형식으로 MR 데이터를 변환 할 수 있습니다.
2. SPM은 인간에 인수 fMRI를 데이터를 처리하기 위해 개발 되었기 때문에, 그 약 2 mm의 복셀입니다. 다양한 SPM 설정이 대략 복셀의 크기에 맞게됩니다. 하나는 w를하지 않는 경우개미는 이러한 모든 설정을 변경하려면, 진행하는 가장 간단한 방법은 인위적으로 조류 fMRI를 데이터의 복셀 크기를 증가하는 것입니다. MRIcro를 사용하여 10으로 실제 복셀의 크기를 곱하여 헤더에있는 복셀 크기를 조절합니다. 이 같은 조정은 자체 데이터 리샘플링 없음 또는 데이터가 적용되는 다른 수정에 영향을주지 않는다는 것을 주목해야한다.

이에 대한 대안은 SPM은 모든 복셀 차원의 파일을 열고 분석 할 수 있도록 도구 상자는 'SPMMouse'의 사용이다. 이 도구는 SPM '유리의 뇌'는 어떤 이미지에서 생성 할 수 있으며, 자동으로 디폴트를 이미지 파일이나 사용자가 입력 한 데이터의 헤더에 따라 저울의 길이를 조정합니다. 따라서이 도구는 우리가 제안했던 것보다 반대 방식으로 작동합니다. 대신 SPM에 맞게 이미지의 복셀 크기를 변경, SPM의 기본 설정은 다른 복셀 크기로 이미지를 사용하도록 변경됩니다.

3. fMRI를 데이터를 정렬합니다. T에 공동 등록 해부학 3D 데이터 세트그는 fMRI를 시계열. 얼룩말 핀치 뇌 MRI지도 책에 3D 데이터 (및 공동 등록 fMRI를 시계열)를 정상화. fMRI를 데이터 집합에 변환 행렬을 적용합니다. 이 모든 통계 파라 메트릭 매핑 (SPM) 8 소프트웨어를 사용하여 수행 할 수 있습니다.
4. SPM8를 사용하여 0.5 mm 폭 가우시안 커널로 데이터를 반반하게한다.
5. SPM8을 사용하여 통계 복셀 기반 분석을 수행한다. 모델 상자 자동차 (아무 혈역학 반응 함수)로 데이터를. 고전 제한된 최대 가능성 알고리즘으로 모델 파라미터 추정된다. 각 과목의 각 청각 자극의 평균 효과를 계산 (고정 효과 분석) 및 다음 (혼합 효과 분석)와 같은 그룹 분석달라고 통계를 계산합니다.
6. 기능 활성화 (그림 6) 지역화 얼룩말 핀치 아틀라스 위에 통계적 파라미터지도 (그림 5) SPM8에서 ⁹ 전망이다.

우리는 여기에서 시각적 얼룩말 핀치 뇌의 청각 자극의 신경 기판을 성공적으로 이미징을위한 절차의 최적화 순서를 발표했다. 첫째, 자극의 청각 자극 결과의 준비를위한 설치 절차는 ON / 블록 패러다임 OFF (그림 2)에 통합 할 수있는과 뇌의 차동 반응을 불러 일으킬 수있는 음압 레벨의 잠재적 차이를 제거하기 위해 정규화되는 . MRI 스캔의 얼룩말 핀치를 준비하고 자석의 내경 ...

이 보고서에서, 우리는 마취 얼룩말 핀치새의 청각 자극의 신경 기판의 생체 특성에 대한 자세한에 최적화 된 프로토콜을 설명합니다.

제시된 프로토콜 라인, BOLD fMRI를 사용하여 동물의 뇌 기능 활성화 연구의 대부분은 인수 중에 동물을 마취시키다. 연구 기간 동안 자석 환경과 스캐너 소음을 익숙하게하는 훈련 동물은 시간이 많이 소요 도전하기 때문에 거의 사용?...

관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

이 연구는 연구 재단의 보조금에 의해 지원되었다 - 플랑드르 (FWO 프로젝트 NR G.0420.02 및 G.0443.11N), 앤트워프 대학에서 헤라클레스 재단 (부여 NR AUHA0012), 공동 연구 작업 (GOA 자금) 및 부분적으로 EC가 후원 - FP6 프로젝트는 참 LSHB-CT-2005-512146와 EC - FP6 프로젝트 에밀 A.VdL에 LSHC-CT-2004-503569는. 플랑드르 (FWO) - G.DG와 CP는 연구 재단의 박사 후 연구원입니다.