Cani da addestramento per l'imaging a risonanza magnetica funzionale ascia di ascia di tempo e senza restrizioni
Summary
La risonanza magnetica (RMI) sui cani svegli senza restrizioni è un nuovo metodo con diversi vantaggi rispetto all’imaging con moderazione fisica o chimica. Questo protocollo introduce un metodo di formazione conveniente che riduce al minimo la formazione nell’ambiente MRI, che può essere costoso, e massimizza il pool di soggetti disponibile per la risonanza magnetica funzionale canina.
Abstract
Presentiamo un protocollo di formazione integrato a risonanza magnetica (fMRI) funzionale canino che può essere fatto in modo conveniente, con cani ad alta energia, per l’acquisizione di dati funzionali e strutturali. Questo metodo di addestramento dei cani per il risveglio, fMRI sfrenato, impiega una procedura di generalizzazione di stazionamento in diversi luoghi diversi per facilitare il trasferimento del comportamento di stazionamento all’ambiente di risonanza magnetica reale; lo fa senza la necessità di un lungo tempo di formazione nell’ambiente di scansione RM, che può essere costoso. Inoltre, questo metodo suddivide la formazione di un comportamento di stazionamento (ad esempio, mento resto) dalla desensibilizzazione all’ambiente di risonanza magnetica (cioè oltre 100 decibel scan audio), quest’ultimo realizzato durante le sessioni di condizionamento dell’esposizione uditiva dedicata. Il protocollo completo di formazione e test ha richiesto 14 ore e ha portato al trasferimento immediato in nuove posizioni. Presentiamo anche esempi di dati canini fMRI che sono stati acquisiti da paradigmi di elaborazione visiva del volto e discriminazione olfattiva.
Introduction
La risonanza magnetica (RM) condotta su cani svegli senza restrizioni è un nuovo metodo, creando un modo nuovo per esaminare la funzione e la struttura nel cervello del cane. I primi resoconti pubblicati dell’acquisizione di immagini MR da cani svegli sfrenati sono stati pubblicati nel 2009 (strutturali) e nel 2012 (funzionali)1,2. Ci sono diversi vantaggi della risonanza magnetica funzionale (fMRI) per studiare la funzione cerebrale in cani svegli senza restrizioni. In primo luogo, la raccolta dei dati è simile a quella degli esseri umani, e quindi più facilmente generalizzabile tra le specie3. In secondo luogo, non c’è bisogno di anestesia, eliminando eventuali effetti collaterali indesiderati. In terzo luogo, l’attività cerebrale è alterata dall’anestesia e quindi la funzione cognitiva può essere valutata meglio senza anestesia4. In quarto luogo, mentre la privazione di liquidi/alimenti e la moderazione fisica consentono ai ricercatori di sondare animali non sedati (ad esempio, modelli di roditori, aviari e primati), tali animali possono trovarsi in stati cognitivi molto diversi dalle loro controparti non svantaggiate e non addestrate 3.
Al momento, ci sono cinque laboratori in tutto il mondo che stanno scansionando cani svegli (Atlanta, Stati Uniti; Auburn, Stati Uniti; Budapest, Ungheria; Querétaro, Messico; Vienna, Austria), e non esiste un metodo standardizzato per addestrare i cani a sottoporsi volontariamente a una risonanza magnetica5,6,7. Tutti i metodi di allenamento condividono l’obiettivo comune di addestrare i cani a rimanere fermi per lunghi periodi di tempo, che è necessario per scansioni cerebrali di qualità. Mentre tutti i metodi funzionano attraverso i principi di apprendimento di rinforzo, come esattamente viene implementato varia, e non sappiamo ancora l’impatto di questa varianza sui risultati. Pertanto, se un metodo di formazione proposto viene accettato e viene ampiamente utilizzato, può ridurre una certa quantità di varianza indesiderabile nei dati. In questo articolo, ci concentriamo sul metodo di formazione per lo stazionamento nello scanner MRI. La scansione RM è costosa e il metodo proposto che abbiamo sviluppato ha lo scopo di essere conveniente e quindi generalizzabile per i formatori di tutto il mondo senza accesso regolare a uno scanner MRI per la formazione.
Il metodo è costituito da due componenti principali: formazione e test. La formazione è composta da due fasi. La prima fase sta addestrando il cane al bersaglio del mento (cioè la stazione) in un ambiente aperto e la fase due sta addestrando il cane alla stazione in una finta risonanza magnetica. La desensibilità alla risonanza magnetica si verifica durante le fasi di allenamento, durante sessioni separate e dedicate all’Esposizione Uditiva. I test consistono in uno stazionamento in una risonanza magnetica fittizia portatile, in cinque diverse posizioni di prova. L’utilità di questa fase di test è generalizzare il comportamento di stazionamento, facilitando il trasferimento nell’ambiente di risonanza magnetica reale. Il protocollo complessivo è riepilogato nella Figura 1.
Figura 1: sequenza temporale del protocollo. La sequenza temporale del protocollo è suddivisa in due componenti, Training e Testing. La formazione è ulteriormente suddivisa in due fasi, Open Environment e Mock MRI. Durante l’allenamento si verificano sessioni separate di Esposizione Uditiva. I test consistono in uno stazionamento in una risonanza magnetica fittizia portatile, in cinque diverse posizioni di trasferimento (T1-T5). Una volta che il cane ha generalizzato il comportamento di stazionamento al criterio in cinque luoghi di trasferimento distinti, il cane è pronto per la raccolta dei dati nell’ambiente di risonanza magnetica reale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
A seconda della fase, l’allenamento e il test durano dai 25 ai 75 minuti a settimana, per cane: una sessione di Esposizione Udoridi di 10 minuti e due o più sessioni da 5 a 30 minuti di Stationing. Questo protocollo può essere completato in 25 settimane. Durante i test di trasferimento, i cani eseguono diversi colpi di un down/stay immobile di 5 minuti e del mento in una risonanza magnetica fittizia portatile (foro, coil a radiofrequenza, audio dB 90 o più, imbottitura dell’orecchio) in cinque luoghi diversi. Le sessioni di trasferimento si verificano una volta alla settimana per 30-60 minuti, per cinque settimane consecutive. Durante i test di risonanza magnetica, i cani eseguono diversi bout del comportamento di stazionamento finale durante una sessione di 60 minuti di acquisizione di dati strutturali e funzionali in un vero e proprio scanner MRI.
Durante l’allenamento e il test, un mento resto è il comportamento di messa a fuoco. Un poggiamento del mento è il cane che tocca il mento sulla superficie di un oggetto seguendo un segnale da colpire (cioè, riposare il mento) su quella superficie. Tale cue al bersaglio può essere fisico (ad esempio, gesto, esca), verbale (ad esempio, parola parlata “riposo”), o un oggetto (ad esempio, l’accesso al mento stesso). Le prestazioni fluide del comportamento di puntamento del mento sono fondamentali per limitare il movimento della testa. In questo protocollo, il comportamento del resto del mento è condizionato, mantenuto e generalizzato per verificarsi in più contesti (diversi apparati di riposo, in più posizioni) con un aumento della durata del bersaglio (fino a cinque minuti). Inoltre, le condizioni del trainer e mantiene forti prestazioni dei comportamenti verso il basso e rimanere, così come un buon controllo di stimolo sul segnale di rilascio “Okay”, il rinforzo condizionato e marcatore di evento comportamentale “click”, e il Keep Going Signal (KGS) “buono” 8. Nel corso del protocollo, vengono introdotti stimoli e apparati multipli in fasi specifiche e per intervalli specifici. Questi materiali sono facilmente ed economicamente acquistati. Per i dettagli completi, vedere la Tabella dei materiali.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo descritto in precedenza separa la formazione del comportamento di stazionamento (mento rest) dalla desensibilizzazione all’ambiente di risonanza magnetica. Inoltre, utilizza una procedura di generalizzazione di stazionamento in diverse posizioni diverse, per aiutare nel trasferimento del comportamento di stazionamento all’ambiente di scansione RM reale; lo fa senza la necessità di un lungo tempo di formazione nell’ambiente di scansione RM, che può essere costoso. Nel complesso, la formazione e il test son…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Siamo grati a Canine Performance Sciences e auburn University Departments of Psychology and Electrical & Computer Engineering. Questo lavoro è stato sostenuto dall’Associazione dei professionisti degli allenatori di cani.
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 |
Riferimenti
- 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).
