Trainingshunde für Wache, hemmungslose funktionelle Magnetresonanztomographie
Summary
Magnetresonanztomographie (MRT) bei hemmungslosen wachwachen Hunden ist eine neue Methode mit mehreren Vorteilen gegenüber der Bildgebung mit physikalischer oder chemischer Zurückhaltung. Dieses Protokoll führt eine kostengünstige Trainingsmethode ein, die die Schulung in der MRT-Umgebung minimiert, was teuer sein kann, und den für die funktionelle MRT von Rohren verfügbaren Themenpool maximiert.
Abstract
Wir präsentieren ein hundefunktionelles Magnetresonanztomographie (fMRI) Trainingsprotokoll, das kostengünstig mit hochenergetischen Hunden zur Erfassung von Funktions- und Strukturdaten durchgeführt werden kann. Diese Methode der Ausbildung von Hunden für wache, hemmungslose fMRI verwendet eine Verallgemeinerung Verfahren der Stationierung an mehreren unterschiedlichen Standorten, um die Übertragung des Stationsverhaltens auf die reale MRT-Scanumgebung zu erleichtern; Dies geschieht ohne umfangreiche Schulungszeit in der MRT-Scanumgebung, die teuer sein kann. Darüber hinaus teilt diese Methode das Training eines stationären (d. h. Kinnruhe)-Verhaltens von der Desensibilisierung auf die MRT-Umgebung (d. h. 100+ Dezibel-Scan-Audio), die während spezieller Auditory Exposure-Konditionierungssitzungen durchgeführt wird. Das komplette Trainings- und Testprotokoll benötigte 14 Stunden und führte zu einer sofortigen Verlagerung an neue Standorte. Wir präsentieren auch Beispiele für Canine fMRI-Daten, die aus visuellen Gesichtsverarbeitung und olfaktorischen Diskriminierungparadigmen gewonnen wurden.
Introduction
Magnetresonanztomographie (MRT) an hemmungslosen wachen Hunden durchgeführt ist eine neue Methode, die eine neue Möglichkeit, Funktion und Struktur im Hundehirn zu untersuchen. Die ersten veröffentlichten Berichte über MR-Bildaufnahme von hemmungslosen wachen Hunden wurden 2009 (strukturell) und 2012 (funktional)1,2veröffentlicht. Es gibt mehrere Vorteile der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) für die Untersuchung der Gehirnfunktion bei hemmungslosen wachen Hunden. Erstens ähnelt die Datenerhebung der des Menschen und ist daher für alle Arten3leichter verallgemeinerbar. Zweitens besteht keine Notwendigkeit für eine Anästhesie, wodurch unerwünschte Nachwirkungen beseitigt werden. Drittens wird die Hirnaktivität durch Anästhesie verändert und daher kann die kognitive Funktion ohne Anästhesie besser beurteilt werden4. Viertens: Während Flüssigkeits-/Lebensmittelentzug und körperliche Zurückhaltung es den Forschern ermöglichen, nicht sedierte Tiere (z. B. Nagetier-, Vogel- und Primatenmodelle) zu untersuchen, können sich diese Tiere in sehr unterschiedlichen kognitiven Zuständen befinden als ihre nicht benachteiligten und hemmungslosen Gegenstücke. 3.
Im Moment gibt es fünf Laboratorien auf der ganzen Welt, die wache Hunde scannen (Atlanta, USA; Auburn, USA; Budapest, Ungarn; Querétaro, Mexiko; Wien, Österreich) und es gibt keine standardisierte Methode für die Ausbildung von Hunden, um sich vorsätzlich einer MRT-Untersuchung zu unterziehen5,6,7. Alle Trainingsmethoden teilen das gemeinsame Ziel, Hunde zu trainieren, für längere Zeit still zu bleiben, was für hochwertige Gehirnscans notwendig ist. Während alle Methoden über die Prinzipien des Verstärkungslernens funktionieren, variiert die Art und Weise, wie genau es umgesetzt wird, und wir wissen noch nicht, welche Auswirkungen diese Varianz auf die Ergebnisse hat. Wenn also eine vorgeschlagene Ausbildungsmethode akzeptiert wird und weit verbreitet wird, kann sie eine gewisse unerwünschte Abweichung in den Daten verringern. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Trainingsmethode für die Stationierung im MRT-Scanner. MRT-Scanning ist teuer, und die vorgeschlagene Methode, die wir entwickelt haben, hat den Zweck, kostengünstig zu sein und somit für Trainer auf der ganzen Welt verallgemeinert zu werden, ohne regelmäßigen Zugang zu einem MRT-Scanner für Schulungen.
Die Methode besteht aus zwei Hauptkomponenten: Training und Testen. Die Ausbildung besteht aus zwei Phasen. Phase eins ist das Training des Hundes zum Kinnziel (d.h. Station) in einer offenen Umgebung und Phase zwei ist das Training des Hundes, um in einem Simulierten MRT zu stationieren. Die Desensibilisierung der MRT erfolgt während der gesamten Schulungsphasen, während separater, dedizierter Auditory Exposure Sessions. Die Prüfung besteht aus der Stationierung in einem tragbaren Mock-MRT an fünf verschiedenen Teststandorten. Der Nutzen dieser Testphase besteht darin, das Stationsverhalten zu verallgemeinern und die Übertragung in die reale MRT-Umgebung zu erleichtern. Das Gesamtprotokoll ist in Abbildung 1zusammengefasst.
Abbildung 1: Protokollzeitleiste. Die Protokollzeitachse ist in zwei Komponenten unterteilt, Training und Testing. Die Ausbildung gliedert sich in zwei Phasen, Open Environment und Mock MRT. Separate Auditory Exposure-Sitzungen finden auch während des Trainings statt. Die Prüfung besteht aus der Stationierung in einem tragbaren Schein-MRT an fünf verschiedenen Transferstandorten (T1-T5). Sobald der Hund das Stationsverhalten verallgemeinert hat, um an fünf verschiedenen Transferstellen zu kriteriumn, ist der Hund bereit für die Datenerfassung in der realen MRT-Umgebung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Je nach Phase dauert das Training und die Tests 25 bis 75 Minuten pro Woche, pro Hund: eine 10-minütige Auditory Exposure Session und zwei oder mehr 5 bis 30 Minuten Stationing-Sitzungen. Dieses Protokoll kann in 25 Wochen abgeschlossen werden. Während der Transfertests führen Hunde mehrere Kämpfe einer 5-minütigen regungslosen Daunen-/Aufenthalts- und Kinnstütze in einem tragbaren Mock-MRT (Bohrung, Hochfrequenzspule, 90+ dB-Audio, Ohrpolsterung) an fünf unterschiedlichen Orten durch. Transfersitzungen finden einmal pro Woche für 30-60 Minuten, über fünf aufeinanderfolgende Wochen. Während der MRT-Tests führen Hunde während einer 60-minütigen Sitzung der strukturellen und funktionalen Datenerfassung in einem echten MRT-Scanner mehrere Anfälle des Endstationierungsverhaltens durch.
Während des Trainings und Testens ist eine Kinnruhe das Verhalten des Fokus. Eine Kinnstütze ist der Hund, der sein Kinn an die Oberfläche eines Objekts berührt, nachdem er einen Hinweis darauf gesetzt hat, auf diese Oberfläche zu zielen (d. h. sein Kinn auszuruhen). Dieser Hinweis auf das Ziel kann physisch (z. B. Geste, Köder), verbal (z. B. gesprochenes Wort “Ruhe”) oder ein Objekt (z. B. Zugang zur Kinnauflage selbst) sein. Die fließende Leistung des Kinn-Targeting-Verhaltens ist entscheidend für die Begrenzung der Kopfbewegung. In diesem Protokoll wird das Kinnruheverhalten konditioniert, gepflegt und verallgemeinert, um in mehreren Kontexten (verschiedene Ruhegeräte, an mehreren Orten) mit zunehmender Zieldauer (bis zu fünf Minuten) auftreten zu können. Darüber hinaus die Trainerbedingungen und hält eine starke Leistung der Verhaltensweisen nach unten und bleiben, sowie eine gute Stimulus-Kontrolle über die Release-Cue “Okay”, die konditionierte Verstärkung und Verhaltensereignis-Marker “klicken”, und die Keep Going Signal (KGS) “gut” 8.Im Laufe des Protokolls werden mehrere Reize und Apparate in bestimmten Stadien und für bestimmte Intervalle eingeführt. Diese Materialien werden einfach und kostengünstig beschafft. Ausführliche Informationen finden Sie in der Tabelle der Materialien.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das oben beschriebene Protokoll trennt das Training des stations-(Kinnruhe-)Verhaltens von der Desensibilisierung zur MRT-Umgebung. Darüber hinaus nutzt es ein Verallgemeinerungsverfahren der Stationierung an mehreren unterschiedlichen Orten, um bei der Übertragung des Stationsverhaltens auf die reale MRT-Scanumgebung zu helfen; Dies geschieht ohne umfangreiche Schulungszeit in der MRT-Scanumgebung, die teuer sein kann. Insgesamt wurden die Schulungen und Tests in 14 Stunden abgeschlossen und führten zu einer sofortig…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir sind Canine Performance Sciences und Auburn University Departments of Psychology and Electrical & Computer Engineering dankbar. Diese Arbeit wurde vom Verband der professionellen Hundetrainer unterstützt.
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).
