功能磁共振成像（fMRI）技术与听觉刺激鸣禽

Lisbeth Van Ruijssevelt; Geert De Groof; Anne Van der Kant; Colline Poirier; Johan Van Audekerke; Marleen Verhoye; Annemie Van der Linden

doi:10.3791/4369

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摘要
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摘要

本文介绍了使用功能磁共振成像（fMRI）技术在鸣禽脑的听觉刺激的神经基板成像的优化过程。它描述的声音刺激，定位的主体和收购和后续分析fMRI的数据编制。

摘要

神经生物学的鸟鸣声，人的讲话作为一个模型，是一个明显的行为神经科学的研究领域。鉴于电生理和分子生物学方法允许调查两种不同的刺激，一些神经元，或一个刺激大脑的大部分地区，血氧水平依赖（BOLD）的功能磁共振成像（fMRI）技术，可以结合两者的优点，即比较神经激活引起整个大脑的不同的刺激一次。 fMRI的鸣禽是具有挑战性的，因为他们的大脑体积小，因为他们的骨头，尤其是他们的头骨，包括众多的空气腔，诱导重要的敏感伪影。 BOLD功能磁共振成像梯度回波（GE）已成功地应用于鸣禽^1-5（综述见^6）。这些研究主要集中在小学和中学的听觉脑区，这是区域敏感性伪影。但是，因为进程内S弯超越这些地区可能会出现利益，需要全脑BOLD功能磁共振成像MRI序列使用不易受这些文物。这可以通过使用自旋回波（SE）BOLD功能磁共振成像^7,8。在这篇文章中，我们描述了如何使用这个技术在斑胸草雀（ 雀Taeniopygia），这是一个体重15-25克的小鸣禽广泛研究，行为神经科学的鸟鸣声。鸣禽的功能磁共振成像研究的主要议题是歌曲感知和歌曲学习。听觉性刺激弱大胆SE（GE）的功能磁共振成像序列的灵敏度，使得这项技术的实施非常具有挑战性的结合。

研究方案

1。听觉刺激的制备

首先7T MR系统内部的孔中正在播放的同时记录声音刺激。该孔是一个密闭的空间，可以扭曲从而提高目标的听觉频率的听觉刺激。图1示出孔增强和抑制由我们的鸟的头部的位置内磁铁的白噪声的录音所示的频率使用光纤麦克风（1160 Optimic，Optoacoustics）。为了弥补这个人工增强，均衡器函数被应用到每个刺激使用波达软件。对于我们的特定设置，使用以下参数：最大振幅的高斯内核的功能包括：衰减20dB，中心的3750赫兹，宽度：0.05个八度（对应于我们的系统的范围为2,500-5,000赫兹）。
这首歌刺激是由几个单独的歌曲图案交错的静默期，每只鸟。在D掩膜这些无声期间的调整，以保持总金额有声和无声的所有刺激相同。这种结构节省歌曲长度的自然个体内和个体间变异。每个刺激的总长度是16秒。每首歌曲的强度归一化的匹配的根均方和集成到完整的刺激（歌曲和静音期间）之前，在400赫兹的高通滤波。使用Praat软件来完成这些操作。
这项实验由一个ON / OFF块设计交替听觉刺激期间（基本块）与休息时间（OFF块）（ 图2）。每个块（ON和OFF），持续16秒，这相当于2张图片采集时间（见下文收购）。每个刺激类型的25倍，导致在刺激和每50张每科收购。内部及相互之间的条件应该是随机的呈现顺序科目。这种刺激的随机顺序可以被编码成演示软件。

2。主题准备

2.1主题和组大小

在这里，我们提出了一个协议，特别适合使用斑胸草雀（成人）。的物种的选择依赖于科学的问题。然而，其它的考虑因素，如鸟的鲁棒性麻醉也可能被考虑在内。应斑马雀（ 雀Taeniopygia），坐落在鸟舍，12小时光照：12小时黑暗的光照下，整个研究过程中获得食物和水自由采食。每个实验的个人的数量降到最低是15。此数字考虑到自旋回波功能磁共振成像的灵敏度和自然在实验中测得的生物现象的个体间变异。

2.2安装设置和编制的动物

（规格所使用的设备，我们在这篇文章的结尾，是指特定的试剂和设备的列表）

MRI床7T磁共振系统上安装鸟嘴面具，并把它连接到气体控制器设备用塑料管。打开氧气和氮气瓶和气体控制器的移动设备（氧气流速：200毫升/分钟，氮：400毫升/分钟）的开关。

正如上面所提到的，一个7T MR系统中使用所提出的设置。其他MR系统与不同领域的优势也是可能的，但在7T之间达到一个很好的妥协信号噪声比和程度的敏感性伪影（见讨论）。在更高的场强，信号噪声比一起敏感性伪影的程度将增加。

反馈控制系统和温暖的气流装置切换。
麻醉斑胸草雀的3％，异氟醚在氧气和氮气的混合物引入它的喙面具举行的头部，直到鸟是完全anesthetised的的。这可以验证通过轻轻拉动了脚：，充分镇静鸟脚不能回缩鸟。此外，鸟的眼睛将被部分关闭。
介绍泄殖腔温度探针筛选体温和斑胸草雀肚皮底下放置一个气压传感器监测呼吸率。合茄克抑制体内的鸟（ 图3）。
维持呼吸速率的范围内的40 - 100每分钟呼吸，保持体温恒定在40±0.5℃下的一个狭窄的范围之内当呼吸范围过低/高，调整麻醉（％异氟醚）相应的水平。如果问题仍然存在，应停止试验和动物从设置中删除，以恢复。
放置非磁性的动态扬声器两侧的斑胸草雀头和con将NECT它们到放大器。确保从温度探头，扬声器的电线被领走，因为它可以影响温度读数时太靠近。
放置的表面上的斑胸草雀头顶部和磁铁（自动发送线圈的中心位于中间的磁铁）的中心位置斑胸草雀的RF线圈。
麻醉水平降低到1.5％异氟醚与氧和氮的混合。

3。数据采集

收购一组矢状位，1个水平和冠状梯度回波（GE）的侦察图像（三导频序列）和成套水平，冠状面和矢状面的多切片图像（试行_T2加权快速采集弛豫增强（ RARE）SE序列），以确定大脑中的磁铁的位置（ 图4）。
降低噪声的梯度增加斜坡时间1000微秒。

_T2

图4）。

选择听觉协议（听觉刺激和刺激交货的时间）在演示软件。这个协议包括一连串的指令 - 在特定的听觉刺激 - 在一个特定的扫描数执行的启动。在每一个重复的fMRI的序列内，在扫描仪软件将发送一个触发听觉上介绍的软件，该软件又寄存器的扫描数，并执行相应的命令。
为了确保听觉演示软件不会错过任何触发从扫描仪，听觉协议首先启动。一旦协议被完全加载，功能磁共振成像序列开始。
每个功能磁共振成像实验之前收购12个虚拟影像，使信号归因于扫描仪的噪声，以达到一个稳定的状态，然后再开始听觉刺激。
收购完成后零填充数据为64×64。
第一个使用的功能的Paravision工具（股权加工/功能成像）结果（初步）看看。计算差分大胆的回应所有块和基线（掉块）之间。这种分析给出了实验的质量的第一指示。在这个阶段，如果没有激活被认为是在初级听觉区，鸟也可能听不到/处理的听觉刺激，由于刺激呈现，麻醉水平等的设置应验证并重复测量的技术问题。
在以前的fMRI扫描相同的方向和与有效TE运行一个解剖的三维稀土T2加权序列：TR：60毫秒，2000毫秒，稀土因素：8，FOV：16毫米，矩阵尺寸：256×128×64。
零填充数据为256×256×256。
以斑胸草雀从MRI床和，让它从麻醉中恢复，下一个红色的灯在一个笼子里。通常情况下，异氟醚麻醉后的斑胸草雀去恢复比较快（最大5分钟）。仅几分钟后，鸟会尝试站起来，一旦鸟完全恢复后，它会的一个分支，而不是坐在笼底上栖息。麻醉的持续时间为2小时左右，本实验。在我们的实验室，应用异氟醚麻醉斑胸草雀的最大时间是6小时，在这之后的鸟在5分钟内恢复。

4。数据处理

转换MR数据进入分析或Nifti格式。
由于SPM已经发展到在人类获得的fMRI数据处理，为大约2毫米的体素。许多SPM设置适合于该近似的体素大小。如果一个人不瓦特蚂蚁更改这些设置，最简单的方法是人为地增加禽流fMRI数据的像素大小。在标头中的体素大小调整乘以10使用MRIcro的真正的体素大小。应当指出，这样的调整不影响其本身的数据，没有重新采样或数据应用任何其他的修改。

的另一种方法是使用允许SPM打开和分析任何体素尺寸的文件是一个工具箱'SPMMouse'。工具允许SPM玻璃大脑'要创建的任何图像，并自动调整默认长度秤头的图像文件或用户输入的数据的基础上。因此，这个工具箱比我们提出的以相反的方式。而不是改变的像素大小的图像，以适应在SPM中，SPM的默认设置被更改为使用不同的体素大小的图像。

重新调整fMRI数据。有限公司注册到t解剖学3D数据集他fMRI时间序列。标准化的3D数据（和共同注册的功能磁共振成像时间序列）的斑胸草雀脑核磁共振图谱。将fMRI数据转换矩阵。使用统计参数图（SPM）8软件，这都可以做。
0.5毫米的宽度高斯内核使用SPM8平滑数据。
开展基于体素的统计分析，使用SPM8。模型的箱车（无血流动力学响应函数）的数据。与经典的限制性最大似然算法，模型参数估计。计算平均每个听觉刺激效果在每一个主题（固定效应分析），希望组分析统计，然后计算（混合效应的分析）。
项目的统计参数映射到斑马雀地图集（ 图^5）9 SPM8本地化功能的激活（ 图6）。