使用高场强fMRI对成年猫听觉皮层进行功能成像

本实验的总体目标是利用高场强功能磁共振成像技术对猫的完整听觉皮层进行功能性成像。首先，需要准备用于刺激呈现的声学设备；其次，对猫进行麻醉并将其固定在与磁共振成像兼容的滑板上，以完成扫描前的准备工作。

接下来，在呈现刺激的同时，采集全脑的解剖和功能图像。最后一步是处理图像，以量化刺激呈现期间大脑激活的程度。最终，功能成像用于显示完整猫听觉皮层在声音刺激下的激活范围。

该方法可用于帮助解答听觉功能中的关键问题，例如听觉皮层是否存在层级结构。与光学成像等现有方法相比，该技术的主要优势在于功能性磁共振成像（fMRI）具有非侵入性，能够在完整颅骨内测量功能性的皮层活动。该方法可为听觉功能提供深入见解，并可应用于其他感觉模式，如视觉和躯体感觉。

本实验操作将由注册兽医技术员 Pam Nixon 和本实验室的研究生 Amy Hall 进行示范。本方案中所述的所有动物实验操作在开展前必须获得您所在机构动物使用委员会的批准。开始本方案的准备工作时，首先通过 USB 线缆将用于播放听觉刺激的计算机连接至外置声卡。

然后，将外置声卡输出端口的线缆连接至立体声功率放大器的输入端口。接着，将立体声功率放大器输出端口的线缆连接至FMRI兼容耳机系统的变压器盒输入端口。使用带有BNC接头的屏蔽同轴电缆，将变压器盒连接至扫描室外部的穿墙面板。

然后将耳机电缆组件连接到穿透面板上对应的 BNC 端口。在扫描室内，将泡沫耳塞连接到耳机上，再将耳机连接到电缆组件。

运行测试听觉刺激，以确认声音正从计算机传输到耳机。在动物准备阶段，断开耳机连接，并将泡沫耳塞牢固地插入猫的耳道中。首先，设置好用于维持麻醉的注射泵，将60毫升生理盐水与0.07毫升氯胺酮混合于一支60毫升注射器中，并将其放入注射泵内。

然后通过皮下注射给予硫酸阿托品和奋乃静（SUP promazine）的镇静混合物。20分钟后，通过肌肉注射给予氯胺酮和甲苯噻嗪盐酸盐以诱导麻醉。当猫的翻正反射消失后，在眼睛上涂抹眼用软膏，以防止手术过程中角膜干燥。

同时，在内侧隐静脉内置入留置导管，用于静脉注射氯胺酮。在操作过程中，再次通过夹捏四只爪子上的脚趾并观察猫是否回缩肢体来检测麻醉诱导是否成功。一旦角膜反射消失，通过将利多卡因喷洒在咽壁上以抑制咽反射。

然后使用4.0或4.5号气管导管对猫进行插管。在整个成像过程中，通过持续输注氯胺酮并吸入异氟烷，以每分钟1至1.5升的流速在100%氧气中维持麻醉。接下来，在MRI兼容雪橇的底部铺设一层隔热塑料气泡膜。

然后将装有温热石蜡的加热垫放在气泡膜上方。在加热垫上再覆盖一层塑料气泡膜。接着将猫置于绝缘气泡膜内，并使其仰卧于与磁共振成像仪兼容的滑板中。

将猫固定好后，调整其头部以方便接触耳朵。将泡沫耳塞尖端卷至尽可能小的直径，然后将每个耳塞尖端深入插入耳道内。

插入后，泡沫耳塞应膨胀以填满耳道内的空间。调整猫的位置，使其头部在三通道射频线圈内处于适当位置，并使用吸音减震记忆泡沫固定头部。务必在耳朵周围放置泡沫，以进一步减弱扫描仪的噪声。

现在用塑料气泡隔热膜将猫的躯体包裹起来，然后固定并运送雪橇至扫描仪床。连接输液管、麻醉输送管路及监测设备至猫。

同时，将耳机连接到穿透面板上附带的耳机电缆组件。以0.6毫克/千克/小时的基础流速开始氯胺酮输注。然后根据麻醉深度按需增加流速。异氟烷的初始剂量设为0.5%，在完成解剖扫描后将其降低至0.4%。

在整个实验过程中，使用位于扫描仪适当距离处的磁共振兼容监测设备，监测并记录猫的血氧饱和度、呼气末二氧化碳水平、心率、呼吸频率和直肠温度。心率和呼吸频率的持续升高通常与即将从麻醉中恢复相关。

首先，使用快速成像序列并按照屏幕上显示的成像参数，以轴向切片方向采集猫脑的解剖参考扫描图像。解剖扫描的持续时间应约为六分钟。接下来，采用分段交错式回波平面成像序列，并根据屏幕上显示的成像参数设置功能成像。

在呈现宽带白噪声刺激的同时开始图像容积采集。采用区组设计，听觉刺激应持续播放30秒，并与32秒的静音基线条件交替进行。重复此步骤，直至在听觉皮层观察到声学诱发的BOLD活动。

采用区组设计时，每次功能扫描的持续时间应约为4.5分钟，采集90个体积像。根据实验需求呈现刺激并完成预定次数的功能扫描。磁共振扫描结束后，将猫从扫描架上移除。

在动物完全恢复之前，持续使用加热垫和毛巾提供辅助加热。一旦咽反射恢复，即移除气管插管。持续监测猫直至翻正反射恢复。

然后将动物送回饲养设施。在实验操作后的第二天对动物进行评估，以确保实验未对其造成不良影响。实验结束后，选择合适的fMRI分析软件（如SPM或FSL）来处理所获得的功能像数据。

在此，我们可以观察到两个动物在区块化呈现第32次宽带噪声刺激时出现明显的激活。设计宽带噪声与基线对比的T统计图。在两个图像切片平面上，显示出听觉皮层中双侧声学诱发活动的连续簇状区域。

这些图显示了在单次功能扫描过程中，所标注体素内 BOLD 信号的变化情况。在此我们可以看到，BOLD 反应的事件相关平均时间进程已归一化至平均 BOLD 基线信号。在这些示例中，BOLD 信号在刺激开始后 3 至 6 秒内相对于基线出现显著升高。

在进行该操作过程中，密切监测猫的生理参数至关重要，以确保在整个操作期间维持稳定的麻醉状态。观看本视频后，您应能够充分掌握如何开展功能性磁共振成像实验，以研究麻醉状态下听觉皮层的功能。请务必注意，操作磁共振成像设备可能存在潜在危险。

进行此操作时，务必确保相关人员已接受适当筛查，实验装置与磁共振成像设备兼容，且监测设备为磁共振安全设备，或已放置在距磁体的安全距离之外。