Trainen van honden voor wakker, ongebreidelde functionele magnetische resonantie beeldvorming
Summary
Magnetische resonantie imaging (MRI) op ongebreidelde waakhonden is een nieuwe methode met verschillende voordelen ten opzichte van beeldvorming met fysieke of chemische terughoudendheid. Dit protocol introduceert een kosteneffectieve trainingsmethode die de training in de MRI-omgeving minimaliseert, wat duur kan zijn en maximaliseert de onderwerppool die beschikbaar is voor Canine functionele MRI.
Abstract
We presenteren een Canine functioneel magnetische resonantie imaging (fMRI) opleidings protocol dat kan worden gedaan op een kosteneffectieve manier, met High-Energy honden, voor de verwerving van functionele en structurele gegevens. Deze methode voor het trainen van honden voor wakker, ongebreidelde fMRI maakt gebruik van een generalisatie procedure van stationering in verschillende niet-vergelijkbare locaties om de overdracht van het stationgedrag naar de echte MRI-scan omgeving te vergemakkelijken; het doet dit zonder de noodzaak van uitgebreide trainingstijd in de MRI-scan omgeving, wat duur kan zijn. Verder splitst deze methode de training van een statieven (d.w.z. kinrust) gedrag van desensibilisatie naar de MRI-omgeving (d.w.z. 100 + decibel scan audio), de laatste volbracht tijdens speciale auditieve blootstellings sessies. Het volledige trainings-en testprotocol vereiste 14 uur en resulteerde in directe overdracht naar nieuwe locaties. We presenteren ook voorbeelden van Canine fMRI-gegevens die zijn verkregen van visuele gezichts verwerking en olfactorische discriminatie paradigma’s.
Introduction
Magnetische resonantie imaging (MRI) uitgevoerd op ongebreidelde waakhonden is een nieuwe methode, het creëren van een frisse manier om te onderzoeken functie en structuur in de hersenen van de hond. De eerste gepubliceerde rekeningen van de heer Image Acquisition van ongebreidelde waakhonden werden gepubliceerd in 2009 (structureel) en 2012 (functioneel)1,2. Er zijn verschillende voordelen van functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) voor het bestuderen van de hersenfunctie in ongebreidelde waakhonden. Ten eerste is het verzamelen van gegevens vergelijkbaar met die van mensen, en daarom gemakkelijker generaliseerbaar over soorten3. Ten tweede is er geen anesthesie nodig, waardoor ongewenste nawerkingen worden geëlimineerd. Derde, hersenactiviteit wordt gewijzigd door anesthesie en daarom cognitieve functie kan beter worden beoordeeld zonder anesthesie4. Ten vierde, terwijl de ontbering van vloeistoffen/voedsel en fysieke terughoudendheid onderzoekers toelaten om niet-geseste dieren te bedelen (bijv. knaagdier-, aviaire-en primaat modellen), kunnen die dieren in zeer verschillende cognitieve toestanden zijn van hun niet-achtergestelde en ongebreidelde tegenhangers 3.
Momenteel zijn er vijf laboratoria over de hele wereld die wakker honden scannen (Atlanta, USA; Auburn, Verenigde Staten; Budapest, Hungary; Querétaro, Mexico; Wenen, Oostenrijk), en er is geen gestandaardiseerde methode voor het trainen van honden om opzettelijk een MRI-scan te ondergaan5,6,7. Alle trainingsmethoden delen het gemeenschappelijke doel van het trainen van honden te blijven voor langere tijd, die nodig is voor kwaliteit hersenscans. Hoewel alle methoden werken via de principes van wapenings leren, hoe precies het wordt geïmplementeerd varieert, en we weten nog niet de impact van deze variantie op de resultaten. Dus als een voorgestelde opleidings methode wordt geaccepteerd en op grote schaal wordt gebruikt, kan dit een zekere mate van ongewenste variantie in de gegevens verminderen. In dit artikel richten we ons op de trainingsmethode voor het stationering in de MRI-scanner. MRI-scanning is duur en de voorgestelde methode die we ontwikkelden, heeft als doelkosten effectief te zijn en dus generaliseerbaar te zijn voor trainers over de hele wereld zonder regelmatige toegang tot een MRI-scanner voor training.
De methode bestaat uit twee belangrijke componenten: training en testen. Training bestaat uit twee fasen. Fase één is de opleiding van de hond naar kin target (dat wil zeggen, station) in een open omgeving en fase twee is de opleiding van de hond naar station in een mock MRI. Desensibilisatie naar de MRI vindt plaats tijdens de trainings fasen, tijdens afzonderlijke, speciale auditieve blootstellings sessies. Testen bestaat uit het stationering in een draagbare mock MRI, in vijf verschillende testlocaties. Het nut van deze testfase is het generaliseren van het statische gedrag, het vergemakkelijken van overdracht naar de echte MRI-omgeving. Het algemene protocol is samengevat in Figuur 1.
Figuur 1: protocol tijdlijn. De protocol tijdlijn is onderverdeeld in twee componenten, training en testen. Training is verder onderverdeeld in twee fasen, open omgeving en mock MRI. Tijdens de training worden ook afzonderlijke auditieve blootstellings sessies uitgevoerd. Het testen bestaat uit het stationering in een draagbare mock MRI, in vijf verschillende overdrachts locaties (T1-T5). Zodra de hond het statige gedrag heeft gegeneraliseerd naar criterium op vijf verschillende overdrachts locaties, is de hond klaar voor het verzamelen van gegevens in de echte MRI-omgeving. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afhankelijk van de fase, training en testen duurt 25 tot 75 minuten per week, per hond: 1 10-minuut auditieve blootstellings sessie en twee of meer 5 tot 30-minuten Statietende sessies. Dit protocol kan in 25 weken worden voltooid. Tijdens het testen van de overdracht, honden uit te voeren verschillende aanvallen van een 5-minuten roerloos down/verblijf en kin rust in een draagbare mock MRI (boring, radiofrequentiespoel, 90 + dB audio, ear padding) in vijf ongelijksoortige locaties. Overdrachts sessies vinden eenmaal per week plaats gedurende 30-60 minuten, gedurende vijf opeenvolgende weken. Tijdens MRI-testen voeren honden verschillende aanvallen van het uiteindelijke statiegedrag uit tijdens een sessie van structurele en functionele gegevensverwerving van 60 minuten in een echte MRI-scanner.
Tijdens het trainen en testen, een kin rust is het gedrag van focus. Een kin rust is de hond het aanraken van zijn kin aan het oppervlak van een object na een hint te richten (dat wil zeggen, rusten zijn kin) naar dat oppervlak. Die hint om te targeten kan fysiek zijn (bijvoorbeeld gebaar, kunstaas), verbaal (bijvoorbeeld gesproken woord “rust”), of een object (bijv. toegang tot de kin-rust zelf). Vloeiend prestaties van de kin targeting gedrag is cruciaal voor het beperken van hoofd beweging. In dit protocol is het gedrag van de kin-rest geconditioneerd, onderhouden en gegeneraliseerd om in meerdere contexten (verschillende rest apparaten, op meerdere locaties) te worden uitgevoerd met een toenemende doel duur (maximaal vijf minuten). Bovendien, de trainer voorwaarden en onderhoudt sterke prestaties van het gedrag naar beneden en verblijf, evenals een goede stimulans controle over de release cue “Oke,” de geconditioneerde bekracer en gedrags gebeurtenis marker “Klik,” en het blijven gaan signaal (KGS) “goed” 8. in de loop van het protocol worden meerdere stimuli en toestellen in specifieke stadia en voor specifieke intervallen geïntroduceerd. Deze materialen worden gemakkelijk en voordelig aangekocht. Zie de tabel met materialenvoor volledige details.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het hierboven beschreven protocol scheidt de training van het statische gedrag (kin-rest) van desensibilisatie naar de MRI-omgeving. Verder maakt het gebruik van een generalisatie procedure van stationering in verschillende niet-vergelijkbare locaties, om te helpen bij de overdracht van het statige gedrag naar de echte MRI-scan omgeving; het doet dit zonder de noodzaak van uitgebreide trainingstijd in de MRI-scan omgeving, wat duur kan zijn. Over het algemeen werd de training en het testen voltooid in 14 uur en resulteer…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We zijn dankbaar voor Canine performance Sciences en Auburn University afdelingen van Psychology en Electrical & computer engineering. Dit werk werd gesteund door de vereniging van professionele honden trainers.
Materials
| Acrylic Mock Radiofrequency Coil | Menards | TU59018594 | Mock Radiofrequency (RF) Coil: 8" diameter x 4' Concrete Form Tube. Makes four mock RF coils; cut form tube in four even lengths for four 8" diameter x 1' mock RF coils. |
| Agility Tunnel | J&J Dog Supplies | TT053 | Open Agility Training Tunnel |
| Bluetooth Speaker | Sharkk | SP-SK896WTR-GRY | Portable Scan Audio Playback: Waterproof Bluetooth Speaker Sharkk 2O IP67 Bluetooth Speaker Outdoor Pool Beach and Shower Portable Wireless Speaker |
| Cardboard Concrete Form Tube | Menards | TU10120014 | Stationary Mock MRI Bore: Sonotube 24" diameter x 12' Standard Wall Water-Resistant Concrete Form. Makes two mock bores; cut form tube in half for two 24" diameter x 6' bores. |
| Chuckit Ball | Chuckit! | 17030 | Toy Reward: Chuckit! Ultra Ball |
| Decibel X | Skypaw | Decibel meter phone app | |
| Exercise Mat | Foam chin rest: cut mat in half lengthwise. Roll up, and secure roll with hot glue. Cut chin-size notch in center with X-ACTO knife. Hot-glue velcro to bottom surface. | ||
| Folding Table | 3' x 6' folding table | ||
| Microfiber Car Wax Applicator Pad | Viking Car Care | 862400 | Viking Car Care Microfiber Applicator Pads |
| Natural Balance Treat Log | Natual Balance | 236020 | Food Reward: E.g., Chicken Formula Dog Food Roll, 3.5-lb roll |
| Plywood | Platform: 2"x4"x6' length of wood affixed to 3'x6' plywood board. Hot glue exercise mat on plywood board for traction. Braces: 3 4x4x4" cubes cut at 45-degree angle affixed to ends of 1"x4"x3' lengths of wood. Makes 3 braces. | ||
| Sand Bags | J&J Dog Supplies | AG155 | J&J Professional Quality Sandbags x 2 |
| Speaker System | Pioneer Electrics | HTD645DV | Stationary Scan Audio Playback: Pioneer HTD645DV 5 Disk DVD Home Theater System with Wireless Surround Speakers. Operating Instructions. |
| Towel | standard towel |
Referencias
- Tóth, L., Gácsi, M., Miklósi, &. #. 1. 9. 3. ;., Bogner, P., Repa, I. Awake dog brain magnetic resonance imaging. Journal of Veterinary Behavior. 4 (2), (2009).
- Berns, G. S., Brooks, A. M., Spivak, M. Functional MRI in awake unrestrained dogs. PLoS One. 7 (5), e38027 (2012).
- Bunford, N., Andics, A., Kis, A., Miklosi, A., Gacsi, M. Canis familiaris As a Model for Non-Invasive Comparative Neuroscience. Trends in Neurosciences. 40 (7), 438-452 (2017).
- Jia, H., et al. Functional MRI of the Olfactory System in Conscious Dogs. Plos One. 9 (1), e86362 (2014).
- Thompkins, A. M., Deshpande, G., Waggoner, P., Katz, J. S. Functional Magnetic Resonance Imaging of the Domestic Dog: Research, Methodology, and Conceptual Issues. Comparative Cognition & Behavior Reviews. 11, 63-82 (2016).
- Berns, G. S., Cook, P. F. Why Did the Dog Walk Into the MRI?. Current Directions in Psychological Science. 25 (5), 363-369 (2016).
- Huber, L., Lamm, C. Understanding dog cognition by functional magnetic resonance imaging. Learning & Behavior. 45 (2), 101-102 (2017).
- Ramirez, K. . Animal training: successful animal management through positive reinforcement. , (1999).
- Gerencser, L., Bunford, N., Moesta, A., Miklosi, A. Development and validation of the Canine Reward Responsiveness Scale -Examining individual differences in reward responsiveness of the domestic dog. Scientific Reports. 8 (1), 4421 (2018).
- Thompkins, A. M., et al. Separate brain areas for processing human and dog faces as revealed by awake fMRI in dogs (Canis familiaris). Learning & Behavior. 46 (4), 561-573 (2018).
- Lazarowski, L., et al. Investigation of the Behavioral Characteristics of Dogs Purpose-Bred and Prepared to Perform Vapor Wake® Detection of Person-Borne Explosives. Frontiers in Veterinary Science. 5 (50), (2018).
- Lazarowski, L., Waggoner, P., Katz, J. S. The future of detector dog research. Comparative Cognition & Behavior Reviews. 14, 77-80 (2019).
- Leidinger, C., Herrmann, F., Thone-Reineke, C., Baumgart, N., Baumgart, J. Introducing Clicker Training as a Cognitive Enrichment for Laboratory Mice. Journal of Visualized Experiments. (121), e55415 (2017).
- Council, N. R. . Guide for the Care and Use of Laboratory Animals. , (2011).
- Andics, A., Gábor, A., Faragó, T., Szabó, D., Miklósi, &. #. 1. 9. 3. ;. Neural mechanisms for lexical processing in dogs. Science. 353 (6303), 1030-1032 (2016).
- Berns, G. S., Brooks, A. M., Spivak, M. Scent of the familiar: An fMRI study of canine brain responses to familiar and unfamiliar human and dog odors. Behavioural Processes. 110, 37-46 (2015).
- Berns, G. S., Brooks, A., Spivak, M. Replicability and Heterogeneity of Awake Unrestrained Canine fMRI Responses. PLoS One. 8 (12), e81698 (2013).
- Cook, P., Prichard, A., Spivak, M., Berns, G. Jealousy in dogs? Evidence from brain imaging. Animal Sentience. 117, 1-15 (2018).
- Cook, P. F., Brooks, A., Spivak, M., Berns, G. S. Regional brain activations in awake unrestrained dogs. Journal of Veterinary Behavior-Clinical Applications and Research. 16, 104-112 (2016).
- Cook, P. F., Prichard, A., Spivak, M., Berns, G. S. Awake canine fMRI predicts dogs’ preference for praise vs food. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 11 (12), 1853-1862 (2016).
- Cook, P. F., Spivak, M., Berns, G. Neurobehavioral evidence for individual differences in canine cognitive control: an awake fMRI study. Animal Cognition. 19 (5), 867-878 (2016).
- Cook, P. F., Spivak, M., Berns, G. S. One pair of hands is not like another: caudate BOLD response in dogs depends on signal source and canine temperament. PeerJ. 2, e596 (2014).
- Dilks, D. D., et al. Awake fMRI reveals a specialized region in dog temporal cortex for face processing. PeerJ. 3, e1115 (2015).
- Prichard, A., Chhibber, R., Athanassiades, K., Spivak, M., Berns, G. S. Fast neural learning in dogs: A multimodal sensory fMRI study. Scientific Reports. 8 (1), 14614 (2018).
- Prichard, A., Cook, P. F., Spivak, M., Chhibber, R., Berns, G. S. Awake fMRI Reveals Brain Regions for Novel Word Detection in Dogs. Frontiers in Neuroscience. 12, 737 (2018).
- Ramaihgari, B., et al. Zinc Nanoparticles Enhance Brain Connectivity in the Canine Olfactory Network: Evidence From an fMRI Study in Unrestrained Awake Dogs. Frontiers in Veterinary Science. 5, 127 (2018).
- Robinson, J. L., et al. Characterization of Structural Connectivity of the Default Mode Network in Dogs using Diffusion Tensor Imaging. Scientific Reports. 6, 36851 (2016).
- Berns, G. S., Brooks, A. M., Spivak, M., Levy, K. Functional MRI in Awake Dogs Predicts Suitability for Assistance Work. Scientific Reports. 7, 43704 (2017).
- Berns, G. S., Spivak, M., Nemanic, S., Northrup, N. Clinical Findings in Dogs Trained for Awake-MRI. Frontiers in Veterinary Science. 5, 209 (2018).
- Jia, H., et al. Enhancement of odor-induced activity in the canine brain using zinc nanoparticles: A functional MRI study in fully unrestrained conscious dogs. Chemical Senses. 41 (1), 53-67 (2016).
- Kyathanahally, S. P., et al. Anterior-posterior dissociation of the default mode network in dogs. Brain Structure and Function. 220 (2), 1063-1076 (2015).
