Songbirds İşitsel Uyarım ile Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI)

Bu makalede, fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI) kullanarak ötücü kuş beyindeki işitsel uyarım nöral yüzeylerde görüntüleme için optimize edilmiş bir prosedürü gösterir. Bu ses uyaranlara, konunun konumlandırılması ve fMRI verilerinin elde edilmesi ve daha sonraki analiz hazırlanmasını tarif etmektedir.

Birdsong nörobiyoloji, insan konuşma için bir model olarak, davranışsal nörobilim araştırma belirgin bir alandır. Elektrofizyoloji ve moleküler yaklaşımlar az nöron ya da beyin, bağımlı kan oksijenlenme seviyesi (BOLD) fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI) büyük parçalar bir uyarıcı üzerinde ya farklı uyaranların soruşturma hem avantajları birleştirerek sağlar izin ise, nöral aktivasyon karşılaştırma yani bir kerede bütün beyin farklı uyarıcılara ile oluşmaktadır. ötücü fMRI çünkü beyinleri küçük boyutu ve kemikleri nedeniyle zordur ve özellikle kafatası önemli duyarlılık eserler neden olan, çok sayıda hava boşlukları oluşur. Gradient-eko (GE) BOLD fMRI başarıyla ötücü ^1-5 (bir inceleme için, ⁶⁾ uygulanmıştır. Bu çalışmalar duyarlılık eserler serbest bölgeleri olan birincil ve ikincil işitsel beyin alanları, odaklanmıştır. Ancak, Procilgi esses bu bölgelerde ötesinde oluşabilir, tüm beyin BOLD fMRI bu eserler daha az duyarlı bir MRI dizisi kullanılarak gereklidir. Bu spin eko (SE) koyu fMRI ^7,8 kullanılarak elde edilebilir. Bu yazıda, yaygın kuşların cıvıl cıvıl davranışsal sinir bilimleri okudu 15-25 g vücut ağırlığı ile küçük ötücü kuşlar olan zebra ispinoz bu tekniğin (canlıdır Taeniopygia guttata), nasıl kullanılacağı açıklanmaktadır. Ötücü kuşlar üzerinde fMRI çalışmaları ana konusu şarkı algı ve şarkı öğrenmedir. SE zayıf BOLD hassasiyeti (GE göre) tabanlı fMRI dizileri bu tekniğin uygulanması çok zor yapar ile birlikte uyaranların işitsel doğası.

1. İşitsel Uyarılar hazırlanması

1. 7T MR sisteminin delik içinde oynadı olurken ses uyaranlara kayıt İlk. Delik bazı işitsel frekansları geliştirme sonuçlanan işitsel uyaranlara bozabilir kapalı bir alandır. Şekil 1 geliştirilmiş ve gibi mıknatıs içinde kuş başının yerde yapılan beyaz gürültü bizim kayıtları gösterdiği bastırılmış frekansları bir kullanarak delik gösterir fiber optik mikrofon (Optimic 1160, Optoacoustics). Bu yapay geliştirme telafi etmek için, bir eşitleyici işlev WaveLab yazılım kullanarak her bir uyarana karşı uygulanır. Maksimum genlik: Bizim özel kurulum için, işlev aşağıdaki parametreleri ile Gauss çekirdek oluşur-20dB: 0.05 oktav (sistemimiz için aralık 2,500-5,000 Hz karşılık gelen) 3.750 Hz, genişlik merkezli,.
2. Şarkı uyaranlara sessizlik dönemleri ile içiçe her kuşun birkaç bireysel şarkı motifleri oluşmaktadır. DBu sessiz dönemler girip etkin ses ve tüm uyarılara üzerinde aynı sessizlik toplam tutarı tutmak için ayarlanır. Bu yapı şarkı uzunluğu doğal içi bireysel ve bireyler arası değişkenlik korur. Her uyaran toplam uzunluğu 16 saniyedir. Her şarkının yoğunluğu açısından normalize tam uyarıcı (şarkı ve sessiz dönemler) entegre önce 400 Hz filtre kök-ortalama-kare ve yüksek geçiren uyumlu. Bu manipülasyonlar Praat yazılımı kullanılarak yapılır.
3. Deney ON / dinlenme dönemleri (bloklar OFF) (Şekil 2) ile blok tasarımı alternatif işitsel uyarı dönemleri (blok AÇIK) OFF oluşur. Her blok (OFF ve) 2 görüntülerin edinimi süresi (satın alma için aşağıya bakınız) karşılık 16 saniye, sürer. Her uyarıcı tipi uyaran başına ve konu başına 50 görüntü edinimi ile sonuçlanan, 25 kez sunulmaktadır. Koşulları sunumu düzen içinde ve arasında randomize olmalıdırkonular. Uyaranların Bu randomize için Sunum yazılımı içine kodlanabilir.

2. Konu Hazırlık

2.1 Konu ve grup büyüklüğü

Burada özellikle (yetişkin) zebra ispinoz kullanımına uyarlanmış bir protokol mevcut. Türlerin seçimi bilimsel soru bağlıdır. Ancak, anestezi için kuş sağlamlığı gibi diğer hususlar da dikkate alınabilir. Zebra ispinoz (canlıdır Taeniopygia guttata), 12 saat ışık altında kuş kafesleri içinde muhafaza edilmelidir: 12 saat karanlık fotoperiyodun ve çalışma boyunca yiyecek ve su ad libitum erişebilirsiniz. Deneme başına bireylerin az sayıda 15'tir. Bu sayı hesaba spin eko fonksiyonel MR deneyde ölçülen biyolojik olayların doğal bireyler arası değişkenlik duyarlılığı alır.

2.2 kurulum montajı ve hayvan hazırlanması

(Teknik özellikleri içinkullanılan ekipman, biz) bu makalenin sonunda özel reaktifler ve ekipman listesine bakın

1. Bir 7T MR sisteminin MRG yatakta gaga maske takın ve plastik tüpler ile gaz kontrol cihazı bağlayın. Oksijen ve azot gazı şişe ve gaz kontrol cihazı (:;: 400 cc / dk azot 200 cc / dak akış hızı oksijen) açın hem açın.

Yukarıda belirtildiği gibi, bir 7T MR sisteminde yer ayar kullanılır. Farklı bir alanda güçlü olan diğer MR sistemleri de mümkündür, ama 7T iyi bir uzlaşma sinyal-gürültü oranı ve duyarlılık eserler derecesi (tartışma) arasında ulaşılır. Yüksek alan kuvvetleri de sinyal-gürültü oranı duyarlılık eserler derecesi ile birlikte artacaktır.

2. Geri besleme kontrol sistemi ve sıcak hava akımı, cihazı.
3. Gagası getirerek oksijen ve azottan oluşan bir karışım içinde% 3 izofluran ile zebra ispinoz uyuşturanmaske içine ve kuş tam Narkoz kadar baş aşağı tutarak. Bu yumuşak ayak çekerek kontrol edilebilir: kuş tam sedasyon zaman ayak kuş tarafından geri olmayacaktır. Buna ek olarak, kuş gözü kısmen kapalı olacaktır.
4. Zebra ispinoz göbek altında bir pnömatik sensör yerleştirerek vücut ısısı ekran ve solunum hızını izlemek için kloakal sıcaklık probu tanıtmak. Kuşun gövde (Şekil 3) dizginlemek için ceket kapatın.
5. 40 aralığında solunum hızı koruyun - dakikada 100 nefes ve 40 ± 0.5 ° C dar bir aralık içinde vücut sıcaklığı sabit tutmak Nefes aralığı çok düşük / yüksek olduğunda, buna göre anestezi (% izofluran) seviyesini ayarlamak. Sorun devam zaman, deney kurtarmak için durdu ve hayvan kurulum çıkarılmalıdır.
6. Zebra ispinoz baş ve aleyhte her iki tarafındaki manyetik olmayan dinamik hoparlörleriamplifikatör onları bağlayın. Çok yakın zaman, sıcaklık etkileyebilir çünkü hoparlörlerin kabloları, sıcaklık probu uzak yol emin olun.
7. Zebra ispinoz baş ve mıknatıs (ve mıknatısın ortasında yer almaktadır verici bobin otomatik olarak merkezi) merkezinde konuma zebra ispinoz üstüne yüzeyi RF bobini yerleştirin.
8. Oksijen ve azot ile karıştırılmış% 1.5 izofluran ile anestezi seviyesini düşürün.

3. Veri Toplama

1. 1 yatay 1 sagital ve koronal 1 gradyan eko (GE) izci görüntü (tri-Pilot dizisi) ve yatay koronal ve sagital çok kesitli görüntüleri (T _{(2-ağırlıklı} hızlı satın alma rahatlama geliştirilmiş pilot setleri bir dizi Edinme NADİR) SE dizisi) mıknatıs beyin (Şekil 4) konumunu belirlemek için.
2. 1,000 ms kendi rampa süreleri artırarak degradelerin gürültü azaltın.
2 ağırlıklı dizisi, TE etkili: 60 msn, TR: 2,000 msn, NADİR faktörü: 8, FOV: 16 mm, matris boyutu: 64 x 32, yönelim: sagital, kesit kalınlığı: 0.75 li> fMRI dizisi hazırlayın mm, Inter-dilim boşluk kalınlığı: 0.05 mm, neredeyse tüm beyin (Şekil 4) kapsayan 15 dilimleri.
3. Sunum yazılım işitsel protokolü (işitsel uyaranlara ve uyarıcı teslimat zamanlaması) seçin. Bu protokol komutları bir dizi oluşur - Belirli bir tarama-sayıda yürütülür - özel işitsel uyaranların başlatılması için. FMRI dizisi içinde her tekrarı anda, tarayıcı yazılımı da tarama numarasını kaydeder ve ilgili komutu yürütür işitsel sunum yazılımı için bir tetikleyici göndereceğiz.
4. Işitsel sunum yazılımı tarayıcıdan herhangi bir tetikleyici kaçırmayın emin olmak için, işitsel protokolü ilk başlatılır. Protokol tam yüklendikten sonra, fMRI işlemi başlar.
5. Her fMRI deneyi sinyal işitsel uyarı başlamadan önce kararlı bir duruma ulaşması için tarayıcı gürültü atfedilen izin 12 kukla görüntülerin satın önce gelmelidir.
6. Satın alınmasından sonra 64 x 64 için veri sıfır doldurun.
7. Paravision en Fonksiyonel Aracı (opsiyon İşleme / Fonksiyonel Görüntüleme) kullanarak sonuçları bir ilk (ön) göz atın. Blokları ve temel (bloklar OFF) tüm arasında ayırıcı BOLD yanıt hesaplayın. Bu analiz, deney kalitesinin bir ilk göstergesi vermektedir. Hiçbir aktivasyon bu aşamada birincil işitsel alanlarda görülürse, kuş muhtemelen uyaran sunum, anestezi seviyesi, vb kurulum kontrol edilmelidir ve tekrar ölçüm ile teknik sorunlar nedeniyle işitsel uyaranlara duymak / işleme yoktu.
8. Bir önceki fMRI taramaları ile aynı yönde ve etkin TE ile bir anatomik 3D NADİR T2 ağırlıklı sekans çalıştırın: 60 msn, TR: 2,000 msn, NADİR faktörü: 8, FOV: 16 mm, matris boyutu: 256 x 128 x 64.
9. 256 x 256 x 256 için veri Sıfır doldurun.
10. MR yataktan zebra ispinoz alın ve kırmızı bir lamba altında bir kafes içinde anestezi kurtarmak sağlar. Normalde, izofluran anestezi sonra bir zebra ispinoz kurtarma (maksimum 5 dk) nispeten hızlı gider. Sadece birkaç dakika sonra, kuşlar ayağa çalışacağız ve kuş tamamen iyileşti sonra, yerine kafesinin alt oturan bir kolu üzerinde levrek olacaktır. Anestezi süresi, mevcut deney için yaklaşık 2 saattir. Izofluran anestezi maksimum süre laboratuarımızda zebra ispinoz uygulanan kuşlar da 5 dakika içinde geri sonra, 6 saat olduğunu.

4. Bilgi İşlem

1. Analiz veya Nifti biçime MR-veri dönüştürün.
2. SPM insanlarda elde edilen fMRI verileri işlemek için geliştirilmiştir Çünkü, bu yaklaşık 2 mm vokselleri içindir. Çok sayıda SPM ayarları bu yaklaşık voksel boyutuna uyarlanmıştır. Bir w değilsekarınca Tüm bu ayarları değiştirmek için, devam etmek için basit yolu yapay kuş fMRI verilerin voksel boyutu artırmaktır. MRIcro kullanarak 10 tarafından gerçek voksel boyutu çarparak başlığındaki voksel boyutunu ayarlayın. Bu, böyle bir ayarlama kendi verileri, herhangi bir örnekleme veya veri uygulandığı başka modifikasyonlar etkili olmadığı not edilmelidir.

Bu bir alternatif SPM herhangi bir voksel boyutunun dosyaları açmak ve analiz etmek için izin veren bir araç olduğunu 'SPMMouse "nin kullanılmasıdır. Aracı SPM 'cam beyni' herhangi bir görüntü oluşturulabilir sağlar ve otomatik olarak varsayılan görüntü dosyaları veya kullanıcının girdiği verilerin başlıkları dayalı uzunluk ölçeklerinde ayarlar. Bu nedenle, bu araç biz teklif ne daha tam tersi şekilde çalışır. Bunun yerine SPM sığacak şekilde görüntülerin voksel boyutu değiştirme, SPM, varsayılan ayarları farklı voksel boyutları ile görüntüleri kullanmak için değiştirilir.

3. FMRI verileri yeniden hizalayın. T Co-kayıt anatomik 3D kümesio fMRI zaman serisi. Zebra ispinoz beyin MRG atlas için 3D verileri (ve ortak kayıtlı fMRI zaman serisi) Normale. FMRI veri kümesi için dönüştürme matrisini uygulayın. Bu, tüm İstatistiksel Parametrik Haritalama (SPM) 8 yazılımı kullanılarak yapılabilir.
4. SPM8 kullanarak 0.5-mm genişliğinde Gauss çekirdek ile veri Pürüzsüz.
5. SPM8 kullanarak istatistiksel voksel tabanlı analizler gerçekleştirin. Model bir kutu-araba (hiçbir hemodinamik tepki fonksiyonu) olarak veri. Klasik Sınırlı En Çok Olabilirlik algoritması ile model parametreleri tahmin edin. Her konuda her işitsel uyaran ortalama etkisini hesaplamak (sabit-sonuç analizi) ve sonra (karışık-etki analizleri) olarak grup analizleri diledi istatistikleri hesaplayacak.
6. Fonksiyonel aktivasyonlar (Şekil 6) yerelleştirilmesine zebra ispinoz atlas üzerine istatistiksel parametrik haritası (Şekil 5) SPM8 ⁹ proje.

Biz burada görsel olarak zebra ispinoz beyindeki işitsel uyaranların sinir yüzeylerde başarılı görüntüleme için prosedürlerin optimize edilmiş bir dizi sundu. İlk olarak, uyaranlara en işitsel uyaranlara sonuçlarının hazırlanması için açıklanan prosedür ON / blok paradigma OFF (Şekil 2) dahil edilebilir ve beyinde bir diferansiyel tepki uyandırmak olabilir ses basınç seviyesi potansiyel farklılıkları ortadan kaldırmak için normalize olduğunu . MRI tarama için zeb...

Bu yazıda, anestezi zebra ispinoz işitsel uyarım nöral yüzeylerde in vivo karakterizasyonu ayrıntılı için optimize edilmiş bir protokol açıklar.

Sunulan protokol doğrultusunda, BOLD fMRI kullanarak hayvanlarda fonksiyonel beyin aktivasyon çalışmaların çoğunluğu, satın alma sırasında hayvanların uyuşturan. Çalışma dönemlerinde mıknatıs çevre ve tarayıcı gürültü onları alıştırmak için eğitim hayvanlar da zaman alıcı ve zor ve bu nedenle nad...

Çıkar çatışması ilan etti.

Bu araştırma, Araştırma Vakfı hibe tarafından desteklenmiştir - Flanders (FWO, proje No G.0420.02 ve G.0443.11N), Antwerp Üniversitesi'nden Hercules Vakfı (hibe No AUHA0012), Uyumlu Araştırma İşlemleri (GOA finansman) ve kısmen Avrupa Komisyonu tarafından desteklenen - FP6 proje dimi, LSHB-CT-2005-512146 ve EC - 6. ÇP proje EMIL A.VdL için LSHC-CT-2004-503569. Flanders (FWO) - G.DG ve CP Araştırma Vakfı Doktora Sonrası Fellows vardır.