Utbildning hundar för vaken, ohämmad funktionell magnetisk resonanstomografi
Summary
Magnetisk resonanstomografi (MRI) på ohämmade vakna hundar är en ny metod med flera fördelar jämfört med avbildning med fysisk eller kemisk återhållsamhet. Detta protokoll introducerar en kostnadseffektiv utbildningsmetod som minimerar utbildning i MRI-miljön, vilket kan vara dyrt, och maximerar den ämnespool som är tillgänglig för hörntand funktionell MRI.
Abstract
Vi presenterar en hund funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) utbildnings protokoll som kan göras på ett kostnadseffektivt sätt, med hög energi hundar, för förvärv av funktionella och strukturella data. Denna metod för utbildning hundar för vaken, ohämmad fMRI sysselsätter en generalisering förfarande för stationering i flera olika platser för att underlätta överföring av stationering beteende till Real MRI Scan miljö; Det gör det utan behov av omfattande träningstid i MRI skannings miljö, vilket kan vara dyrt. Vidare, denna metod delar utbildningen av en stationering (dvs, haka vila) beteende från desensibilisering till MRI miljön (dvs., 100 + decibel Scan Audio), den senare fulländad under särskilda auditiva exponering Conditioning sessioner. Det kompletta utbildnings-och testnings protokollet krävde 14 timmar och resulterade i omedelbar överföring till nya platser. Vi presenterar också exempel på hundfmri data som har erhållits från visuell ansiktsbehandling och lukt diskriminering paradigms.
Introduction
Magnetisk resonanstomografi (MRT) utförs på ohämmade vaken hundar är en ny metod, vilket skapar ett nytt sätt att undersöka funktion och struktur i hunden hjärnan. Den första publicerade räkenskaperna för Mr image förvärv från ohämmade vaken hundar publicerades i 2009 (strukturell) och 2012 (funktionell)1,2. Det finns flera fördelar med funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) för att studera hjärnans funktion i ohämmade vaken hundar. För det första är datainsamlingen liknande den hos människor, och därför mer lätt generaliserbart mellan arter3. För det andra, det finns inget behov av anestesi, eliminera eventuella oönskade efterverkningar. Tredje, hjärnaktivitet ändras genom anestesi och därmed kognitiv funktion kan bedömas bättre utan anestesi4. Fjärde, medan vätska/mat deprivation och fysisk återhållsamhet gör det möjligt för forskare att söka nonsedated djur (t. ex. gnagare, aviär och primater modeller), dessa djur kan vara i mycket olika kognitiva tillstånd från sina icke-berövade och ohämmade motsvarigheter 3.
För närvarande finns det fem laboratorier runt om i världen som skannar vaken hundar (Atlanta, USA; Auburn, USA; Budapest, Ungern; Querétaro, Mexiko; Wien, Österrike), och det finns ingen standardiserad metod för utbildning av hundar att avsiktligt genomgå en MRI-undersökning5,6,7. Alla utbildningsmetoder dela det gemensamma målet att utbilda hundar att förbli fortfarande under längre tid, vilket är nödvändigt för kvalitet hjärnskanningar. Medan alla metoder fungerar via principerna för förstärknings inlärning, hur exakt det implementeras varierar, och vi vet ännu inte effekten av denna avvikelse på resultaten. Därför, om en föreslagen utbildningsmetod accepteras och kommer att användas i stor utsträckning, kan det minska en viss mängd oönskad avvikelse i data. I den här artikeln fokuserar vi på Utbildningsmetoden för stationering i MRI-skannern. MRI-skanning är dyrt, och den föreslagna metoden vi utvecklat har som syfte att vara kostnadseffektiv och därmed generaliserbar till utbildare runt om i världen utan regelbunden tillgång till en MRI-scanner för utbildning.
Metoden består av två huvudkomponenter: utbildning och testning. Utbildningen består av två faser. Fas ett är utbildning hunden att haka Target (dvs. Station) i en öppen miljö och fas två är utbildning hunden till stationen i en mock MRI. Desensibilisering till MRI uppstår under hela träningsfaserna, under separata, dedikerade auditiva exponerings sessioner. Testning består av stationering i en bärbar mock MRI, i fem olika testplatser. Nyttan av denna test fas är att generalisera stationering beteende, underlätta överföring till den verkliga MRI miljön. Det övergripande protokollet sammanfattas i figur 1.
Bild 1: protokollets tidslinje. Protokollets tidslinje är uppdelad i två komponenter, utbildning och testning. Utbildningen är vidare uppdelad i två faser, öppen miljö och håna MRI. Separata auditiva exponerings sessioner sker även under träningen. Testning består av stationering i en bärbar mock MRI, i fem olika överföringslägen (T1-T5). En gång hunden har generaliserat den stationering beteende till kriterium i fem distinkt flytta lokaliseringarna, hunden är klar för datan insamling i verklig MRI miljö. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Beroende på fas, utbildning och testning tar 25 till 75 minuter per vecka, per hund: 1 10-minuters auditiv exponering session och två eller flera 5 till 30-minuters Stationing sessioner. Detta protokoll kan slutföras på 25 veckor. Under överföring provande, hund utföra flera anfall av en 5-minut orörlig ned/stanna och haka vila i en transportabel håna MRI (tråka, radiofrekvent spolen, 90 + dB Audio, öra stoppning) i fem olik lokaliseringarna. Överföringssessioner inträffar en gång per vecka under 30-60 minuter, under fem på varandra följande veckor. Under MRI-testning, hundar utföra flera anfall av den slutliga stationering beteende under en 60-minuters session strukturella och funktionella datainsamling i en riktig MRI scanner.
Under utbildning och testning, är en haka vila beteendet i fokus. En haka resten är hunden röra hakan till ett objekts yta efter några Cue till målet (dvs vila hakan) till den ytan. Den Cue till Target kan vara fysisk (t. ex. gest, locka), verbal (t. ex. talat ord “vila”), eller ett objekt (t. ex. tillgång till hakan vila själv). Flytande prestanda för hakinriktning beteendet är avgörande för att begränsa Head motion. I detta protokoll är hakan resten beteende konditioneras, underhållas och generaliserad inträffa i flera sammanhang (olika rest apparaturer, på flera platser) med ökande måltid (upp till fem minuter). Dessutom tränare villkor och upprätthåller stark prestanda beteenden ner och stanna, samt god stimulans kontroll över release cue “Okej,” Den konditionerade förstärkaren och beteendemässiga händelsemarkör “klick” och hålla igång signalen (KGS) “bra” 8. under protokollets gång introduceras flera stimuli och apparaturar vid specifika stadier och för specifika intervaller. Dessa material är lätt och billigt upphandlas. För fullständig information, se material tabellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollet som över beskrivas, avskiljer utbildningen av stationering (haka vilar) uppförande från desensibilisering till MRI-miljön. Vidare använder det ett generaliserings förfarande för stationering i flera olika platser, för att bistå i överföringen av stationering beteende till Real MRI Scan miljö; Det gör det utan behov av omfattande träningstid i MRI skannings miljö, vilket kan vara dyrt. Sammantaget avslutades utbildningen och testningen på 14 timmar och resulterade i omedelbar överföring till …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi är tacksamma för hundarnas Performance Sciences och Auburn University avdelningar psykologi och elektriska & datateknik. Detta arbete stöddes av Association of Professional hund utbildare.
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).
