Awake, Unrestrained Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme için Eğitim Köpekler
Summary
Kontrolsüz uyanık köpeklerde manyetik rezonans görüntüleme (MRG), fiziksel veya kimyasal kısıtlama ile görüntülemeye göre çeşitli avantajları olan yeni bir yöntemdir. Bu protokol, MRG ortamında ki eğitimi en aza indiren ve pahalı olabilecek uygun maliyetli bir eğitim yöntemi sunar ve kanin fonksiyonel MRG için kullanılabilir konu havuzunu en üst düzeye çıkarır.
Abstract
Fonksiyonel ve yapısal verilerin elde edilmesi için yüksek enerjili köpeklerle uygun maliyetli bir şekilde yapılabilecek bir köpek fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI) eğitim protokolü salıyoruz. Uyanık, sınırsız fMRI için köpekler eğitim Bu yöntem gerçek MRI taraması ortamına istasyon davranış transferini kolaylaştırmak için çeşitli farklı yerlerde konuşlandırma bir genelleme prosedürü kullanır; bunu, pahalı olabilir MRG taraması ortamında kapsamlı bir eğitim süresi ne gerek kalmadan yapar. Ayrıca, bu yöntem, duyarsızlaştırmadan MR ortamına (yani 100+ desibel taraması sesi) bir sabitleme (yani çene istirahati) davranışının eğitimini böler, ikincisi özel İşitsel Pozlama koşullandırma seansları sırasında gerçekleştirilir. Tam eğitim ve test protokolü 14 saat gerekli ve yeni yerlere hemen transfer sonuçlandı. Ayrıca görsel yüz işleme ve koku ayrımcılık paradigmalarından elde edilen kan tMRI verilerinin örneklerini de savuruyoruz.
Introduction
Kontrolsüz uyanık köpekler üzerinde yapılan manyetik rezonans görüntüleme (MRG) yeni bir yöntemdir, köpek beyninde fonksiyon ve yapı incelemek için yeni bir yol oluşturma. Dizginsiz uyanık köpeklerden MR görüntü edinimi ilk yayınlanan hesapları 2009 (yapısal) ve 2012 (fonksiyonel)1,2yayınlandı. Kontrolsüz uyanık köpeklerde beyin fonksiyonlarını incelemek için fonksiyonel manyetik rezonans görüntülemenin (fMRI) çeşitli avantajları vardır. İlk olarak, veri toplama insanların benzer, ve bu nedenle daha kolay türler arasında genelleştirilebilir3. İkinci olarak, anesteziye gerek yoktur, istenmeyen etkileri ortadan kaldırır. Üçüncü olarak, beyin aktivitesi anestezi ile değiştirilir ve dolayısıyla bilişsel fonksiyon daha iyi anestezi olmadan değerlendirilebilir4. Dördüncü olarak, sıvı/gıda yoksunluğu ve fiziksel kısıtlama araştırmacıların sakinleştirilmemiş hayvanları (örneğin, kemirgen, kuş ve primat modelleri) araştırmalarına olanak sağlarken, bu hayvanlar yoksun olmayan ve dizginsiz benzerlerinden çok farklı bilişsel durumlarla bulunabilirler. 3 .
Şu anda, uyanık köpekler (Atlanta, ABD; Auburn, ABD; Budapeşte, Macaristan; Querétaro, Meksika; Viyana, Avusturya), ve kasıtlı bir MRI taraması 5 geçmesi için köpekler eğitim için standart bir yöntem yoktur5,6,7. Tüm eğitim yöntemleri kaliteli beyin taramaları için gerekli olan uzun süre hareketsiz kalmak için köpekler eğitim ortak hedefi paylaşmak. Tüm yöntemler pekiştirme öğrenme ilkeleri ile çalışmakla birlikte, tam olarak nasıl uygulandığı değişir, ve biz henüz sonuçlar üzerinde bu varyans etkisini bilmiyorum. Bu nedenle, önerilen bir eğitim yöntemi kabul edilirse ve yaygın olarak kullanılıyorsa, verilerdeki istenmeyen varyansı bir miktar azaltabilir. Bu makalede, MRTarayıcı’ya yerlesin için eğitim yöntemine odaklanıyoruz. MRI tarama pahalı, ve geliştirdiğimiz önerilen yöntem maliyet-etkin ve böylece eğitim için bir MRI tarayıcı düzenli erişim olmadan dünya çapında eğitmenler için genelleştirilebilir olma amacı vardır.
Yöntem iki ana bileşenden oluşur: eğitim ve test. Eğitim iki aşamadan oluşur. Birinci aşama, köpeği açık bir ortamda çene hedefine (yani istasyona) eğitmektir ve ikinci aşama köpeği sahte bir MRI’da istasyona yönlendirmektir. MRG duyarsızlaştırma eğitim aşamaları boyunca, ayrı, özel İşitsel Pozlama oturumları sırasında oluşur. Test, taşınabilir sahte MRG’ye beş farklı test noktasında yer almaktan oluşur. Bu test aşamasının yararı, sabitleme davranışını genelleştirerek gerçek MRI ortamına aktarılmasını kolaylaştırmaktır. Genel protokol Şekil 1’deözetlenmiştir.
Şekil 1: Protokol zaman çizelgesi. Protokol zaman çizelgesi Eğitim ve Test olmak üzere iki bileşene ayrılmıştır. Eğitim daha iki aşamaya ayrılır: Açık Çevre ve Mock MRG. Eğitim sırasında da ayrı İşitsel Pozlama seansları gerçekleşir. Test, taşınabilir sahte MRG’ye, beş farklı transfer lokasyonuna (T1-T5) yer leşmekten oluşur. Köpek beş farklı transfer konumlarında kriter için istasyonlama davranışı genelleştirilmiş sonra, köpek gerçek MRI ortamda veri toplama için hazırdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Faza bağlı olarak, eğitim ve test köpek başına haftada 25 ila 75 dakika sürer: bir 10 dakikalık İşitsel Pozlama oturumu ve iki veya daha fazla 5-30 dakikalık İstasyon oturumları. Bu protokol 25 hafta içinde tamamlanabilir. Transfer testi sırasında, köpekler beş farklı yerlerde taşınabilir bir sahte MRI (delik, radyofrekans bobini, 90 + dB ses, kulak dolgu) 5 dakikalık hareketsiz aşağı / kalmak ve çene dinlenme birkaç nöbetleri yürütmek. Transfer seansları haftada bir kez 30-60 dakika, üst üste beş hafta boyunca gerçekleşir. MRI testi sırasında, köpekler gerçek bir MRI tarayıcıyapısal ve işlevsel veri toplama 60 dakikalık bir oturum sırasında son istasyonlama davranışı birkaç nöbetleri yürütmek.
Eğitim ve test boyunca, bir çene dinlenme odak davranışıdır. Çene istirahati, köpeğin çenesine bir nesnenin yüzeyine dokunmasıdır ve bu yüzeye bir işaret (yani çenesini dinlendirin) için bir işaret tir. Hedefe işaret fiziksel (örneğin, jest, yem), sözlü (örneğin, konuşulan kelime “dinlenme”) veya bir nesne (örneğin, çene dinlenmesinin kendisine erişim) olabilir. Çene hedefleme davranışının akıcı performansı baş hareketini sınırlamak için çok önemlidir. Bu protokolde, çene istirahati davranışı, hedef süresi (beş dakikaya kadar) artırılmış olmak üzere birden çok bağlamda (farklı dinlenme cihazları, birden çok konumda) meydana gelecek şekilde koşullandırılır, korunur ve genellenir. Buna ek olarak, eğitmen koşulları ve aşağı ve kalmak davranışların güçlü performans korur, yanı sıra sürüm işareti üzerinde iyi uyarıcı kontrolü “Tamam,” koşullu güçlendirici ve davranışsal olay işareti “tıklayın” ve Keep Going Signal (KGS) “iyi” 8. Protokol boyunca, belirli aşamalarda ve belirli aralıklarla birden fazla uyarıcı ve cihaz tanıtılır. Bu malzemeler kolayca ve ucuza temin edilir. Tüm ayrıntılar için Malzemeler Tablosu’nabakın.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıda açıklanan protokol, sabitleme (çene istirahati) davranışının eğitimini duyarsızlaştırmadan MR ortamına ayırır. Ayrıca, sabitleme davranışının gerçek MRG taraması ortamına aktarılmasına yardımcı olmak için, birkaç farklı konumlara yerleştirilmesi nin genelleme prosedürünü kullanır; bunu, pahalı olabilir MRG taraması ortamında kapsamlı bir eğitim süresi ne gerek kalmadan yapar. Genel olarak, eğitim ve testler 14 saat içinde tamamlandı ve yeni yerlere hemen aktarılmasıy…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz Canine Performans Bilimleri ve Psikoloji ve Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Auburn Üniversitesi Bölümleri için müteşekkiriz. Bu çalışma Profesyonel Köpek Eğitmenleri Derneği tarafından desteklenmiştir.
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 |
References
- 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).
