Træning hunde til vågen, uhæmmet funktionel magnetisk resonans imaging
Summary
Magnetisk resonans imaging (MRI) på uhæmmet vågen hunde er en ny metode med flere fordele i forhold til billeddannelse med fysisk eller kemisk tilbageholdenhed. Denne protokol introducerer en omkostningseffektiv træningsmetode, der minimerer træningen i MRI-miljøet, som kan være dyrt, og maksimerer den emne pulje, der er tilgængelig for canine functional MRI.
Abstract
Vi præsenterer en canine funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI) uddannelse protokol, der kan gøres på en omkostningseffektivmåde, med høj-energi hunde, for erhvervelse af funktionelle og strukturelle data. Denne metode til træning hunde til vågen, uhæmmet fMRI beskæftiger en generalisering procedure for stationering i flere forskellige steder for at lette overførsel af stationering adfærd til den virkelige MRI scannings miljø; Det gør det uden behov for omfattende uddannelsestid i MRI-scannings miljøet, som kan være dyrt. Yderligere, denne metode opdeler uddannelsen af en stationering (dvs. hage hvile) opførsel fra desensibilisering til MRI miljø (dvs., 100 + decibel Scan audio), sidstnævnte opnået under dedikerede auditive eksponering conditioning sessioner. Den komplette Trænings-og testprotokol krævede 14 timer og resulterede i øjeblikkelig overførsel til nye lokaliteter. Vi præsenterer også eksempler på Canine fMRI data, der er erhvervet fra visuel ansigtsbehandling og olfaktoriske diskrimination paradigmer.
Introduction
Magnetisk resonans imaging (MRI) udført på uhæmmet vågen hunde er en ny metode, hvilket skaber en frisk måde at undersøge funktion og struktur i hunden hjernen. De første offentliggjorte regnskaber for hr. image erhvervelse fra uhæmmede vågne hunde blev offentliggjort i 2009 (strukturel) og 2012 (funktionel)1,2. Der er flere fordele ved funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI) for at studere hjernens funktion i uhæmmet vågen hunde. For det første er dataindsamlingen den samme som for mennesker og derfor lettere at generaliserbare på tværs af arter3. For det andet er der ikke behov for anæstesi, fjerne eventuelle uønskede eftervirkninger. For det tredje, hjerneaktivitet er ændret ved anæstesi og dermed kognitiv funktion kan bedre vurderes uden anæstesi4. For det fjerde, mens væske/fødevaremangel og fysisk tilbageholdenhed giver forskerne mulighed for at sonde ikke-sederede dyr (f. eks. gnaver, aviær og primat modeller), kan disse dyr være i meget forskellige kognitive tilstande fra deres ikke-berøvet og uhæmmede modparter 3.
I øjeblikket er der fem laboratorier rundt om i verden, der scanner vågen hunde (Atlanta, USA; Auburn, USA; Budapest, Ungarn; Querétaro, Mexico; Wien, Østrig), og der er ingen standardiseret metode til træning af hunde til forsætligt at gennemgå en MRI-scanning5,6,7. Alle uddannelsesmetoder deler det fælles mål om at træne hunde til at forblive stadig i længere tid, hvilket er nødvendigt for kvalitet hjernescanninger. Mens alle metoder arbejde via principperne om forstærkning læring, hvordan præcis det er implementeret varierer, og vi kender endnu ikke virkningen af denne varians på resultaterne. Derfor, hvis en foreslået uddannelse metode er accepteret og kommer til at blive udbredt, det kan reducere en vis mængde af uønsket varians i dataene. I denne artikel fokuserer vi på Trænings metoden til stationering i MRI-scanneren. MR-scanning er dyrt, og den foreslåede metode, vi udviklede har til formål at være omkostningseffektiv og dermed generaliserbart til undervisere rundt om i verden uden regelmæssig adgang til en MRI-scanner til træning.
Metoden består af to hovedkomponenter: uddannelse og afprøvning. Uddannelsen består af to faser. Fase et er træning hunden til Chin Target (dvs. Station) i et åbent miljø og fase to er træning hunden til Station i en mock MRI. Desensibilisering til MRI sker i hele Trænings faserne, under separate, dedikerede auditive eksponerings sessioner. Test består af stationering i en bærbar mock MRI, i fem forskellige test steder. Nytten af denne testfase er at generalisere stationering adfærd, lette overførsel til den virkelige MRI miljø. Den samlede protokol er opsummeret i figur 1.
Figur 1: protokol tidslinje. Protokollen tidslinje er opdelt i to komponenter, uddannelse og afprøvning. Uddannelsen er yderligere opdelt i to faser, åbent miljø og mock MRI. Separate auditive eksponerings sessioner forekommer under træningen. Testning består af stationering i en bærbar mock MRI, i fem forskellige overførings steder (T1-T5). Når hunden har generaliseret stationering adfærd til kriterium i fem særskilte overførsel steder, hunden er klar til dataindsamling i den virkelige MRI miljø. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Afhængigt af fasen, træning og test tager 25 til 75 minutter om ugen, pr hund: 1 10-minutters auditiv eksponering session og to eller flere 5 til 30-minutters stationering sessioner. Denne protokol kan fuldføres om 25 uger. Under overførsel test, hunde udføre flere anfald af en 5-minutters ubevægelig ned/ophold og hage hvile i en bærbar mock MRI (boring, radiofrekvens spole, 90 + dB lyd, øre polstring) i fem forskellige steder. Overførselssessioner forekommer en gang om ugen i 30-60 minutter, over fem på hinanden følgende uger. Under Mr test, hunde udføre flere anfald af den endelige stationering adfærd under en 60-minutters session af strukturel og funktionel dataindsamling i en reel MRI scanner.
Gennem træning og testning, en hage hvile er den opførsel af fokus. En hage hvile er hunden rører hans hage til et objekts overflade efter nogle cue til målet (dvs. hvile hans hage) til denne overflade. At cue til Target kan være fysisk (f. eks gestus, lokke), verbal (f. eks, talte ord “hvile”), eller et objekt (f. eks adgang til hagen resten selv). Flydende præstation af hage målretning adfærd er afgørende for at begrænse hovedet bevægelse. I denne protokol, hage resten adfærd er konditioneret, vedligeholdt, og generaliseret at forekomme i flere sammenhænge (forskellige hvile apparater, i flere steder) med stigende mål varighed (op til fem minutter). Derudover træner betingelser og opretholder en stærk præstation af adfærd ned og ophold, samt god stimulus kontrol over frigivelsen cue “Okay,” den konditionerede forstærker og adfærdsmæssige begivenhed markør “Klik”, og det løbende signal (KGS) “god” 8. i løbet af protokollen indføres der flere stimuli og apparater på bestemte stadier og for bestemte intervaller. Disse materialer er nemt og billigt indkøbes. Du kan finde udførlige oplysninger i tabellen over materialer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den ovenfor beskrevne protokol adskiller træningen af stationering (Chin rest) opførsel fra desensibilisering til MRI-miljøet. Endvidere, det udnytter en generalisering procedure for stationering i flere forskellige steder, at hjælpe i overførslen af stationering adfærd til den virkelige MRI scannings miljø; Det gør det uden behov for omfattende uddannelsestid i MRI-scannings miljøet, som kan være dyrt. Samlet set blev uddannelsen og afprøvningen afsluttet i 14 timer og resulterede i øjeblikkelig overførsel …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi er taknemmelige for canine performance Sciences og Auburn University afdelinger af psykologi og elektrisk & edb-teknik. Dette arbejde blev støttet af foreningen af professionelle hundetrænere.
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).
