הדמיה תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) עם גירוי שמיעתי בציפורי שיר

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

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

מאמר זה מציג את הליך אופטימלי עבור הדמיה של מצעים העצביים של גירוי שמיעתי במוח ציפור השיר באמצעות תהודה מגנטית תפקודית (fMRI). הוא מתאר את ההכנה של גירויי קול, מיקום של הנושא והרכישה וניתוח שלאחר מכן את נתוני ה-fMRI.

Abstract

נוירוביולוגיה של ציוץ הציפורים, כמודל לדיבור אנושי, היא אזור בולט של מחקר במדעי המוח התנהגותיים. אילו electrophysiology ומולקולרי גישות לאפשר החקירה או גירויים שונים על כמה תאי עצב, או גירוי אחד בחלקים גדולים של המוח, רמת חמצון בדם תלויה (BOLD) דימות תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) מאפשרת שילוב של שני היתרונות, כלומר להשוות את ההפעלה העצבית הנגרם על ידי גירויים שונים במוח כולו בבת אחת. fMRI בציפור שיר מאתגר בגלל גודלו הקטן של המוח שלהם ובגללם את עצמות הגולגולת שלהם ובעיקר מהווה חללי אוויר רבים, גרימת חפצי רגישות חשובות. שיפוע ההד (GE) fMRI BOLD יושם בהצלחה לציפור שיר ^(1-5 לביקורת, ראה ^6). מחקרים אלה התמקדו באזורים במוח השמיעתי הראשוניים ומשניים, שהם אזורים חופשיים של חפצים רגישים. עם זאת, בגלל procהנון של עניין עשוי להתרחש מעבר לאזורים אלה, נדרש כל fMRI BOLD המוח באמצעות רצף ה-MRI פחות רגיש לממצאים אלה. זו יכולה להיות מושגת על ידי שימוש בספין הד (SE) fMRI BOLD ^7,8. במאמר זה, אנו מתארים כיצד להשתמש בטכניקה זו בפרושי זברה (Taeniopygia guttata), שהם ציפור שיר קטן עם משקל גוף של 15-25 גרם נחקר רב במדעי מוח התנהגות של ציוץ הציפורים. הנושא העיקרי של מחקרי fMRI על ציפור שיר הוא שיר תפיסה ולמידת שיר. הטבע השמיעתי של הגירויים בשילוב עם רגישות BOLD החלשה של SE (בהשוואה ל-GE) רצפי fMRI מבוסס הופכים את היישום של טכניקה זו מאוד מאתגר.

Protocol

1. הכנה של הגירויים שמיעתיים

ראשון להקליט את קול לגירויים בזמן שמתנהל בתוך הנישא של מערכת MR 7T. משעמם הוא מקום מוקף שיכול לעוות את הגירויים השמיעתיים וכתוצאה מכך השיפור של תדרי שמיעה מסוימים. איור 1 מציג את התדרים משופרים והמדוכאים, כפי שמוצג על ידי ההקלטות של רעש לבן שנעשה במיקום של הראש של ציפור בתוך המגנט שלנו נשאו באמצעות מיקרופון של סיבים אופטיים (Optimic 1160, Optoacoustics). כדי לפצות השיפור המלאכותי הזה, פונקצית אקולייזר מוחלת על כל גירוי באמצעות תוכנת WaveLab. להגדרה המסוימת שלנו, הפונקציה מורכבת מליבת גאוס עם הפרמטרים הבאים: המשרעת המרבית:-20dB, מרוכז על 3,750 הרץ, רוחב: 0.05 אוקטבות (מקביל לטווח 2,500-5,000 הרץ למערכת שלנו).
הגירויים הם השיר מורכבים מכמה מוטיבים שיר אישיים של כל ציפור משולבת עם תקופות של שתיקה. דuration של תקופות השקטות הללו מותאמים כדי לשמור על הסכום הכולל של קול ודממה זהה על כל הגירויים. בנייה זו חוסכת בשונות התוך אישית והבין אישית טבעית באורך שיר. האורך הכולל של כל גירוי הוא 16 שניות. עוצמתו של כל שיר הוא מנורמל במונחים של התאמת שורש ממוצע מרובעת וגבוה לעבור סינון ב 400 הרץ, לפני ששולב בגירוי המלא (שיר ותקופות שקטות). מניפולציות אלו נעשות שימוש בתוכנת Praat.
הניסוי מורכב מON / OFF תקופות לחסום לסירוגין עיצוב שמיעתי גירוי (על בלוקים) עם תקופות מנוחה (מחוץ לגושים) (איור 2). כל בלוק (לסירוגין) נמשך 16 שניות בלבד, אשר תואמת את זמן רכישת 2 תמונות (ראה בהמשך לרכישה). כל סוג גירוי מוצג 25 פעמים, וכתוצאה מהרכישה של 50 תמונות לכל גירוי וכל נושא. סדר הצגת התנאים צריך להיות אקראי בתוך וביןנושאים. סדר אקראי זה של הגירויים יכול להיות מקודד בתוכנת מצגת.

2. הכנת נושא

2.1 נושא וגודל קבוצה

כאן אנו מציגים פרוטוקול במיוחד מותאם לשימוש (למבוגרים בלבד) פינק זברה. הבחירה של המינים תלויים בשאלות מדעיות. עם זאת, שיקולים אחרים כמו חוסן ציפור להרדמה יכולים גם להילקח בחשבון. הזברה פינק (Taeniopygia guttata) צריך להיות שוכנו בבתי גידול תחת אור 12 שעות: photoperiod החשוך 12 שעות ויש לי גישה כלרצונך מודעת מזון ומים לאורך כל תקופת המחקר. המספר מינימאלי של אנשים לניסוי הוא 15. מספר זה לוקח בחשבון את הרגישות של fMRI ספין הד והשונות בין הפרט הטבעי של תופעות ביולוגיות שנמדדו בניסוי.

2.2 התקנת ההתקנה והכנה של בעלי החיים

(לפירוטשל הציוד המשומש, אנו מתייחסים לרשימה של חומרים כימיים וציוד ספציפיים בסוף המאמר זה)

התקן את מסיכת המקור על מיטת בדיקת MRI של מערכת MR 7T ולחבר אותו למכשיר בקר הגז עם צינורות פלסטיק. פתח את שני בקבוקי גז חנקן והחמצן והפעל את התקן בקר הגז (חמצן קצב זרימה: 200 סמ"ק / דקה; חנקן: 400 סמ"ק / דקה).

כאמור, מערכת MR 7T משמשת בהתקנה המוצגת. מערכות אחרות MR עם עוצמות שדה שונות הם גם אפשרי, אבל ב7T תושג פשרה טובה בין יחס אות לרעש ורמה של חפצים רגישים (ראה דיון). בעוצמות שדה גבוהות יותר יחס אות לרעש יגדל יחד עם מידת רגישות של חפצים.

הפעל את המערכת המבוקרת המשוב ומכשיר זרימת אוויר חם.
לטשטש פינק הזברה עם 3% isoflurane בתערובת של חמצן וחנקן על ידי הצגת מקורולתוך המסכה ומחזיק את ראשו כלפי מטה, עד שציפור היא anesthetised באופן מלא. זה יכול להיות מאומת על ידי משיכת הרגל בשקט: כאשר ציפור היא מסומם לחלוטין הרגל לא חזר בו על ידי ציפור. בנוסף, העיניים של ציפור תהיה סגורות בחלקו.
להציג את הבדיקה טמפרטורת הביוב להקרין את טמפרטורת הגוף ולנטר את קצב הנשימה על ידי הצבת חיישן פנאומטי מתחת לבטן פינק הזברה. סגור את מעיל כדי לרסן את הגוף של ציפור (איור 3).
לשמור על קצב נשימה בטווח של 40 - 100 נשימות לדקה ולשמור על טמפרטורת גוף קבועה בטווח צר של 40 ± 0.5 ° C. כאשר טווח הנשימה הוא נמוך מדי / גבוה, להתאים את הרמה של הרדמה (% isoflurane) בהתאם. כאשר הבעיה נמשכת, יש להפסיק את הניסוי ובעלי החיים הוסרו מההתקנה על מנת להתאושש.
מקם את הרמקולים הדינמיים שאינם מגנטיים בכל צד של ראש הזברה פינק ונגדnect אותם למגבר. ודא שאת החוטים של הרמקולים הובילו מבדיקת הטמפרטורה, כי זה יכול להשפיע על קריאת הטמפרטורה כאשר קרוב מדי.
הנח את משטח סליל RF בחלק העליון של ראש הזברה פינק והעמדה פינק הזברה במרכז המגנט (באופן אוטומטי למרכז של סליל השידור שממוקם באמצע של המגנט).
להפחית את רמת ההרדמה לרמה של 1.5% isoflurane מעורבבים עם חמצן וחנקן.

3. רכישת נתונים

לרכוש סט של sagittal 1, 1 אופקי ו1 (GE) תמונת הסקאוט שיפוע הד העטרה (-טייס תלת רצף) וסטים של תמונות רב חתך אופקיות, העטרה ועל sagittal (הטסת _T-2 משוקלל מהיר רכישת רגיעה משופרת ( נדיר) רצף SE) כדי לקבוע את מיקומו של המוח במגנט (איור 4).
להקטין את הרעש של הדרגתיים על ידי הגדלת הרמפה פעמיהם ל -1,000 μs.
הכן את רצף fMRI: T נדיר רצף ₂ משוקלל, יעיל TE: 60 אלפיות השני, טוני: 2,000 אלפיות שני, גורם נדיר: 8, FOV: 16 מ"מ, גודל מטריצה: 64 x 32, נטייה: sagittal, עובי פרוס: 0.75 מ"מ עובי, בין פרוסה פער: 0.05 מ"מ, 15 פרוסות המכסות כמעט את כל המוח (איור 4).
בחר את פרוטוקול השמיעה (גירויים שמיעתיים ועיתוי של מסירת גירוי) בתוכנת המצגת. פרוטוקול זה מורכב מרצף של פקודות - לייזום של גירויים שמיעתיים ספציפיים - המתבצעים במספר-סריקה ספציפי. בכל חזרות בתוך רצף fMRI, תוכנת הסורק תשלח הדק לתוכנת המצגת השמיעתית אשר בתורו רושמת את מספר הסריקה ומבצעת את הפקודה המתאימה.
כדי להבטיח שתוכנת המצגת השמיעתית לא לפספס שום הדק מהסורק, פרוטוקול השמיעה הוא יזם ראשון. ברגע שהפרוטוקול טעון באופן מלא, את רצף fMRI הוא התחיל.
כל ניסוי fMRI הוא קדמה הרכישה של 12 תמונות דמה כדי לאפשר את האות מיוחסת לרעש הסורק כדי להגיע למצב יציב לפני שמתחיל גירוי שמיעתי.
לאחר רכישת אפס למלא את הנתונים ל64 x 64.
תסתכל (ראשוני) ראשון בתוצאות באמצעות הכלי פונקציונלי של פאראוויזיון (עיבוד אפשרות / הדמיה תפקודית). לחשב את ההפרש בין תגובת BOLD כל על בלוקים ובסיסיים (OFF בלוקים). ניתוח זה נותן אינדיקציה ראשונה של האיכות של הניסוי. אם לא באה לידי ביטוי בהפעלה האזורים השמיעתיים הראשוניים בשלב זה, את ציפור שכנראה לא שומעת / עיבד את הגירויים השמיעתיים עקב בעיות טכניות עם הצגת הגירוי, רמת הרדמה, וכו 'צריכה להיות מאומתת ההתקנה והמדידה החוזרת ונשנית.
הפעלת רצף נדיר 3D האנטומי T2 משוקלל באותו כיוון כמו סריקות fMRI הקודמות ועם TE היעיל: 60 אלפיות השנייה, טוני: 2,000 אלפיות שניים, גורם נדיר: 8, FOV: 16 מ"מ, גודל מטריצה: 256 x 128 x 64.
אפס למלא את הנתונים עד 256 x 256 x 256.
קח את הזברה פינק מהמיטה בדיקת MRI ולתת לו להתאושש מההרדמה בכלוב מתחת לפנס אדום. בדרך כלל, ההתאוששות של פינק זברה אחרי ההרדמה isoflurane הולכת מהר יחסית (5 דק 'מקסימאלי). רק לאחר כמה דקות, הציפורים ינסו לקום ופעם אחת ציפור הוא התאושש באופן מלא, זה יהיה לשבת על ענף במקום לשבת בתחתית הכלוב. משך ההרדמה הוא כ 2 שעות לניסוי הנוכחי. הזמן המרבי של ההרדמה isoflurane להחיל פרושים זברה במעבדה שלנו הוא 6 שעות, שלאחריו גם את ציפורים התאוששו בתוך 5 דקות.

4. עיבוד נתונים

המרת MR-נתונים לניתוח או בפורמט Nifti.
בגלל SPM פותח כדי לעבד את נתוני ה-fMRI שנרכשו בבני אדם, כלומר לvoxels של כ 2 מ"מ. הגדרות SPM רבות מותאמות לגודל voxel המשוער זה. אם אחד לא עושה wנמלה כדי לשנות את כל ההגדרות האלה, הדרך הפשוטה ביותר היא להמשיך להגדיל את גודל voxel של נתוני ה-fMRI ציפורים באופן מלאכותי. התאם את גודל voxel בכותרת על ידי הכפלת גודל voxel אמת על ידי 10 באמצעות MRIcro. יש לציין, כי התאמה כאמורה אינה משפיעה על הנתונים בעצמו, לא resampling או כל שינוי אחרים בנתונים מוחל.

אלטרנטיבה לכך היא השימוש ב'SPMMouse 'שהוא ארגז כלים המאפשרים SPM לפתוח ולנתח את קבצים של כל ממד voxel. הכלי מאפשר "המוח של הזכוכית" SPM להיווצר מכל תמונה, ומתאים באופן אוטומטי כברירת מחדל סולמות אורך המבוססים על הכותרות של קבצי תמונה או נתונים שהוזנו משתמש. לפיכך, ארגז כלים זה עובד בכיוון ההפוך ממה שאנו מציעים. במקום לשנות את גודל voxel של תמונות כדי להתאים בSPM, את הגדרות ברירת המחדל של SPM משתנות להשתמש בתמונות בגדלים שונים voxel.

ליישר מחדש את נתוני ה-fMRI. שיתוף לרשום את בסיס נתוני 3D אנטומי לtהוא סדרת זמן fMRI. לנרמל את נתוני 3D (וסדרת זמן fMRI שיתוף הרשום) לזברה פינק MRI מוח האטלס. להחיל את מטריצת השינוי לבסיס נתוני fMRI. זה יכול להיעשות באמצעות מיפוי פרמטרים סטטיסטי (SPM) 8 תוכנה.
להחליק את הנתונים עם הקרנל גאוס רוחב 0.5 מ"מ באמצעות SPM8.
לבצע ניתוחים מבוססי voxel בעזרת כלים סטטיסטיים SPM8. מודל את הנתונים כקופסה ברכב (לא פונקצית תגובת hemodynamic). להעריך פרמטרים מודל עם אלגוריתם הסיכוי המרבי המוגבל הקלסית. לחשב את ההשפעה הממוצעת של כל גירוי שמיעתי בכל נושא (ניתוח השפעה קבועה) ולאחר מכן לחשב את הסטטיסטיקה כבקשה עבור ניתוחים קבוצתיים (ניתוחים מעורב אפקט).
להקרין את מפת הפרמטרים סטטיסטית על הזברה פינק האטלס (איור 5) ⁹ בSPM8 למקם את ההפעלות התפקודיות (איור 6).