Обучение собак для пробуждения, безудержной функциональной магнитно-резонансной томографии
Summary
Магнитно-резонансная томография (МРТ) на безудержных бодрствующих собаках является новым методом с несколькими преимуществами по сравнению с визуализацией с физическим или химическим ограничением. Этот протокол вводит экономически эффективный метод обучения, который сводит к минимуму обучение в среде МРТ, которая может быть дорогим, и максимизирует пул объектов, доступных для функциональной МРТ для собачьих.
Abstract
Мы представляем собачьи функциональные магнитно-резонансной томографии (МРТ) учебный протокол, который может быть сделано в экономически эффективным образом, с высокой энергии собак, для приобретения функциональных и структурных данных. Этот метод тренировки собак для бодрствования, безудержной МРТ использует процедуру обобщения размещения в нескольких непохожих местах для облегчения передачи размещения поведение в реальной среде МРТ сканирования; он делает это без необходимости в течение длительного времени обучения в среде МРТ, которая может быть дорогостоящей. Кроме того, этот метод разделяет обучение размещения (т.е. подбородок отдыха) поведение от десенсибилизации в среде МРТ (т.е. 100 “децибел сканирования аудио), последний осуществляется во время специальных сеансов кондиционирования воздействия. Полный протокол обучения и тестирования потребовал 14 часов и привел к немедленной передаче в новые места. Мы также представляем примеры данных о МРТ, полученных из парадигм визуальной обработки лиц и обонятельной дискриминации.
Introduction
Магнитно-резонансная томография (МРТ), проводимая на безудержных бодрствующих собаках, является новым методом, создающим новый способ изучения функции и структуры в собачьем мозгу. Первые опубликованные отчеты о приобретении ИЗОБРАЖЕНИЯ MR у безудержных бодрствуемых собак были опубликованы в 2009 (структурных) и 2012 (функциональных)1,2. Есть несколько преимуществ функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ) для изучения функции мозга у безудержных бодрствующих собак. Во-первых, сбор данных аналогичен сбору данных людей, и, следовательно, более легко обобщается по видам3. Во-вторых, нет необходимости в анестезии, устраняя любые нежелательные последствия. В-третьих, активность мозга изменяется анестезией и, следовательно, когнитивные функции могут быть лучше оценены без анестезии4. В-четвертых, в то время как лишение жидкости/пищи и физическая сдержанность позволяют исследователям исследовать неседатичные животные (например, модели грызунов, птиц и приматов), эти животные могут находиться в очень разных когнитивных состояниях от их нелишенных и неограниченных аналогов 3.
На данный момент в мире существует пять лабораторий, которые сканируют бодрствующие собаки (Атланта, США; Оберн, США; Будапешт, Венгрия; Керетаро, Мексика; Вена, Австрия), и нет стандартизированного метода для обучения собак умышленно пройти МРТ5,6,7. Все методы обучения разделяют общую цель обучения собак оставаться на месте в течение длительных периодов времени, что необходимо для качественного сканирования мозга. В то время как все методы работают на принципах обучения подкреплению, как именно она осуществляется варьируется, и мы еще не знаем, влияние этого расхождения на результатах. Поэтому, если предлагаемый метод обучения будет принят и будет широко использоваться, это может уменьшить некоторое количество нежелательных отклонений в данных. В этой статье мы сосредоточимся на методе обучения для размещения в МРТ сканере. МРТ-сканирование является дорогостоящим, и предлагаемый метод, который мы разработали имеет целью быть экономически эффективным и, таким образом, обобщаемым для тренеров по всему миру без регулярного доступа к МРТ сканер для обучения.
Метод состоит из двух основных компонентов: обучение и тестирование. Обучение состоит из двух этапов. Первый этап обучения собаки подбородок цели (т.е. станции) в открытой среде и второй этап подготовки собаки на станцию в макет МРТ. Десенсибилизация МРТ происходит на протяжении всего этапа обучения, во время отдельных, специализированных сеансов слухового воздействия. Тестирование состоит из размещения в переносной макет МРТ, в пяти различных местах тестирования. Полезность этого этапа тестирования заключается в обобщении поведения размещения, облегчая переход к реальной среде МРТ. Общий протокол обобщен на рисунке 1.
Рисунок 1: Сроки протокола. Хронология протокола разделена на два компонента: обучение и тестирование. Обучение также делится на два этапа: Открытая среда и МРТ Mock. Отдельные сеансы зрительного воздействия происходят во время обучения, а также. Тестирование состоит из размещения в переносной макет МРТ, в пяти различных местах передачи (T1-T5). После того, как собака обобщила поведение размещения к критерию в пяти различных местах передачи, собака готова к сбору данных в реальной среде МРТ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
В зависимости от фазы, обучение и тестирование занимает от 25 до 75 минут в неделю, на собаку: один 10-минутный сеанс слуховой экспозиции и два или более 5-30-минутных сеансов. Этот протокол может быть завершен в течение 25 недель. Во время тестирования передачи, собаки выполняют несколько приступов 5-минутный неподвижно вниз / пребывание и подбородок отдыха в портативный макет МРТ (отверстие, радиочастотная катушка, 90 “dB аудио, ухо обивка) в пяти непохожих местах. Сеансы перевода проводятся один раз в неделю в течение 30-60 минут, в течение пяти недель подряд. Во время МРТ-тестирования собаки выполняют несколько приступов окончательного поведения на месте во время 60-минутной сессии структурного и функционального сбора данных в реальном МРТ-сканере.
На протяжении обучения и тестирования, подбородок отдых поведение фокуса. Подбородок отдыха собака касаясь подбородка на поверхность объекта после некоторых сигнал к цели (т.е., остальные подбородок) на эту поверхность. Этот сигнал к цели может быть физическим (например, жест, приманка), словесным (например, произнесенное слово “отдых”) или объектом (например, доступ к самому подбородку). Беглая производительность поведения на цели подбородка имеет решающее значение для ограничения движения головы. В этом протоколе поведение отдыха подбородка обусловлено, поддерживается и обобщается, чтобы происходить в нескольких контекстах (различные аппараты отдыха, в нескольких местах) с увеличением целевой продолжительности (до пяти минут). Кроме того, тренер условия и поддерживает сильную производительность поведения вниз и остаться, а также хороший контроль стимула над выпуском кий “Хорошо”, условный усилитель и поведенческий маркер события “нажмите”, и Keep Going Signal (KGS) “хороший” 8.В течение протокола, несколько стимулов и аппаратов вводятся на определенных этапах и для определенных интервалов. Эти материалы легко и недорого закупаются. Для получения подробной информации, см.
Protocol
Representative Results
Discussion
Описанный выше протокол отделяет обучение поведению на станции (подбородок) от десенсибилизации к среде МРТ. Кроме того, он использует процедуру обобщения размещения в нескольких разных местах, чтобы помочь в передаче поведения размещения в реальной среде МРТ; он делает это без необхо?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарны Собачьим Наукам и департаментам психологии и электротехники и вычислительной техники Университета Оберна. Эта работа была поддержана Ассоциацией профессиональных дрессировщиков собак.
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).
