Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Jan-Peter Bach

 

Funktionelle Magnetresonanztomographie der aufsteigenden Hörbahnen des Hundes

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-102720

title (engl.)

Functional Magnetic Resonance Imaging of the ascending stages of the auditory system in dogs

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/bachj_ss13.pdf

abstract (deutsch)

Ziel dieser Studie war die Darstellung akustisch ausgelöster neuraler Aktivität im Gehirn von Hunden mittels funktioneller Magnetresonanztomographie. Dazu wurden in Haupt- und Vorversuchen insgesamt zehn Beagle mit einer Kombination aus Injektions- und Inhalationsnarkose anästhesiert. Zunächst wurde eine Otoskopie durchgeführt, um sicherzustellen, dass die äußeren Gehörgänge der Tiere nicht verlegt sind. Dann wurde mit einer Elektroaudiometrie (BAER-Verfahren) die Hörfähigkeit der Hunde überprüft. Bei der anschließenden magnetresonanztomo-graphischen Untersuchung wurden mit einer T1-gewichteten Sequenz anatomische Aufnahmen der Gehirne der Hunde erstellt und nacheinander zwei funktionelle T2*-gewichtete Sequenzen im EPI-Verfahren eingesetzt, um funktionelle Bilder zu akquirieren. Sequenz 1 nutzte die Sparse Temporal Imaging-Methode, während bei Sequenz 2 durchgehend funktionelle Messungen durchgeführt wurden. Während der Aufnahme der funktionellen Bilder wurden den Hunden über ein MRT-taugliches Kopfhörersystem verschiedene Reizparadigmen, die sich aus Phasen akustischer Stimulation und Ruhephasen zusammensetzten, vorgespielt.

Alle gewonnen MRT-Daten wurden mit der Toolbox SPM 8 für Matlab ausgewertet. Hierbei wurden die Daten zunächst in mehreren Schritten auf die statistische Auswertung vorbereitet. Dann wurde eine Modellfunktion erstellt, mit deren Verlauf der MRT-Signalverlauf der einzelnen Bildpunkte über die Dauer der funktionellen Untersuchung verglichen werden konnte. Mittels eines t-Tests wurden die Voxel identifiziert, deren Signalverlauf signifikant (p = 0,005) mit dem Signalverlauf der Modellfunktion übereinstimmte; hierbei wurden ausschließlich Gruppen von mindestens drei aneinander angrenzenden aktivierten Voxeln berücksichtigt.

Auf den anatomischen Aufnahmen der Probanden wurden jeweils drei Abschnitte der aufsteigenden Hörbahn als ROIs gekennzeichnet. Bei den funktionellen Daten, die mit Sequenz 1 gewonnen wurden, ließ sich bei allen Probanden in allen ROIs eine Aktivierung nach akustischer Stimulation nachweisen. Bei den mit Sequenz 2 erstellten Bildern zeigte jeweils nur ein Teil der Probanden eine Aktivierung in den ROIs. Abgesehen von den ROIs und ihrer direkten Umgebung, zeigten in beiden Sequenzen nur wenige Bildpunkte eine signifikante Aktivierung.

Im Falle der subkortikalen ROIs konnte eine stärkere Aktivierung als für die ROI des temporalen Kortex nachgewiesen werden. Die Werte wurden mittels eines gepaarten t-Tests (p = 0,05) auf einen Unterschied zwischen den beiden funktionellen Sequenzen untersucht, wobei Sequenz 1 für die subkortikalen ROIs signifikant bessere Ergebnisse lieferte als Sequenz 2.

Im Rahmen dieser Studie gelang es, durch akustische Stimuli ausgelöste neurale Aktivität im Gehirn des Hundes darzustellen. Die Aktivität zeigte einen deutlichen räumlichen Zusammenhang zu Arealen, die den Hörbahnen im Gehirn des Hundes zugeordnet werden können und war ausgeprägter in den subkortikalen Teilen der Hörbahn als im auditorischen Kortex. Die vorgestellte Technik der fMRT ist für die klinische Hörprüfung beim Hund aufgrund des hohen apparativen Aufwandes nur eingeschränkt geeignet, auch wenn eine bessere Lokalisation der mit dem Hörvorgang verbundenen neuralen Aktivität möglich ist als mit einer BAER-Untersuchung. Für Forschungszwecke ist die fMRT als nicht invasives Verfahren zur Darstellung neuraler Aktivität gut geeignet und bietet für die Zukunft eine Vielzahl interessanter Anwendungsmöglichkeiten.

 

abstract (englisch)

The aim of this study was to use fMRI to display neural activation elicited in the brain of dogs by auditory stimuli. For this purpose a total of ten beagle dogs were anesthetized in the preliminary tests and in the main study with a combination of injectable and inhalant anaesthetics. First, otoscopy was performed to ensure, that the auditory canals were free and the hearing ability of the dogs was tested using electroaudiometry (BAER). During the subsequent MRI experiment anatomical pictures of the dogs’ brains were taken using a t1-weighted sequence. Two different t2*-weighted EPI-sequences were used to acquire functional data. The first of these sequences (sequence 1) used the sparse temporal sampling-technique whereas the second (sequence 2) continuously obtained functional images. During the acquisition of the functional scans two different activation paradigms were presented to the dogs via MRI-compatible headphones, both consisting of phases of auditory stimulation and phases of silence.

The obtained MRI-data were analysed using the Matlab-Toolbox SPM 8. First a preprocessing consisting of several steps was performed to prepare the data for the statistical analysis. Then a reference-function was created, to which the signal course of each voxel during the acquisition of the functional data could be compared. A t-test was used to identify the voxels, whose signal course corresponded to the reference function; the threshold for significant activation was set to p = 0.005 and a minimum cluster of three adjacent activated voxels. Three areas belonging to the auditory pathway were marked as ROIs on the anatomical images of the beagles. In the data obtained with sequence 1 significantly activated voxels were found in all ROIs in all dogs. In sequence 2 activation in the ROIs could only be detected in some of the beagles. Apart from activated voxels at the boundaries of the ROIs most animals showed little activation outside the ROIs in both sequences.

Stronger activation was found in the subcortical ROIs than in the ROI of the temporal cortex. A paired t-test (p = 0.05) was used to test differences in the results obtained with the two different sequences for significance; sequence 1 showed significantly better results for the subcortical ROIs than sequence 2.

In this study neural activity in the brains of dogs elicited by auditory stimulation was successfully displayed using fMRI. This activity showed a high spatial relation to areas in the brains of the dogs known to have an auditory function and was more prominent in the subcortical auditory pathways. Though fMRI allows for a better localization of the neural activity connected with the hearing process than BAER, it is, due to the high technological requirements of the method, only of limited value for the clinical estimation of patients’ hearing ability. As a non-invasive method for displaying neural activity in the central nervous system, fMRI is well suited for research purposes and offers a lot of possibilities for future studies.

 

keywords

fMRT, Hunde, Hörbahnen, fMRI, dogs, auditory system

kb

1.530