Diese Arbeit wurde unterstützt durch das Hakubi-Projekt der Universität Kyoto, Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering) (Nr. 22K18644), Grant-in-Aid for Scientific Research (C) (Nr. 22K12745), Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (Nr. 21H02851) und Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (Nr. 19H01039). Wir bedanken uns bei Editage (www.editage.jp) für das Lektorat in englischer Sprache.

Alle Versuche wurden vom Tierversuchsausschuss des EHUB (Nr. 2022-003, 2023-104) genehmigt und in Übereinstimmung mit dem von EHUB veröffentlichten Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Laborprimaten durchgeführt. Für das Experiment wurden neun Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus, sechs Männchen und drei Weibchen, 2-12 Jahre alt, mit einem Gewicht von 330-490 g) verwendet.
1. Tiere
<ol><li>Halten Sie die Weißbüschelaffen in Einzelkäfigen, die mit N...

Nichtinvasives EEG zur vergleichenden Untersuchung der Stimmwahrnehmung bei Weißbüschelaffen

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

Zu beachtende Punkte zur Anästhesie Sowohl die Verabreichung von Ketamin als auch von Xylazin wurde versucht, und obwohl diese schmerzlindernd sind und daher für lange, schmerzhafte Aufgaben geeignet sind, neigen Weißbüschelaffen dazu, ohne Sauerstoffinhalation eine Abnahme des Blutsauerstoffgehalts zu erfahren44. Kurz gesagt, Alfaxalon eignet sich wahrscheinlich am besten für schmerzfreie Aufgaben wie die Rasur oder die Herstellung von Masken. Darüber hinaus wäre für d...

Primaten verwenden artspezifische Lautäußerungen, um biologisch wichtige Informationen zu übermitteln, wie z. B. den emotionalen Zustand des Rufers oder die Absicht, soziale Bindungen aufrechtzuerhalten, die Anwesenheit von Raubtieren oder andere gefährliche Situationen. Die Untersuchung der neuronalen Mechanismen, die der Wahrnehmung der Lautäußerung bei stimmreichen nichtmenschlichen Primaten zugrunde liegen, kann uns entscheidende Hinweise liefern, um die evolutionären Ursprünge der menschlichen Sprache besser zu verstehen.
Weißbüschelaffen sind kleine Primaten, die in Südamerika beheimatet sind. In den letzten Jahren wurden Weißbüschelaffen aufgrund ihrer hohen Fortpflanzung, ihrer Benutzerfreundlichkeit aufgrund ihrer geringen Größe und der Entwicklung nützlicher transgener Techniken zunehmend als Modelltiere neben Makaken eingesetzt 1,2,3. Neben ihrem Nutzen als Krankheitsmodell ist die reichhaltige vokale Kommunikation innerhalb von Gruppen ein weiteres einzigartiges Merkmal dieser Art 4,5,6,7. Weißbüschelaffen tauschen routinemäßig Stimmsignale aus, um mit unsichtbaren Artgenossen im Wald zu kommunizieren. Durch die Untersuchung der Gehirnaktivität, die an der Stimmwahrnehmung und -produktion bei Weißbüschelaffen beteiligt ist, können wir feststellen, wie sie die auditiven Informationen ihrer eigenen oder artverwandten Rufe im Gehirn verarbeiten und welche neuronalen Schaltkreise daran beteiligt sind. Frühere Studien haben gezeigt, dass die neuronale Aktivität im primären auditorischen Kortex 8,9,10,11,12 und im frontalen Kortex 13,14 an der Stimmproduktion bei Weißbüschelaffen beteiligt ist. Darüber hinaus wurden diese erregten und unterdrückten neuronalen Reaktionen durch auditiv-vokale Interaktionen im primären auditorischen Kortex moduliert 8,10. Diese Studien lieferten detaillierte Daten zur neuronalen Aktivität auf der Ebene einzelner Neuronen mit invasiven Aufzeichnungsmethoden. Zahlreiche Studien haben die neuronale Aktivität, die an der Stimmproduktion von Weißbüschelaffen beteiligt ist, weiter untersucht. Die stimmliche Wahrnehmung ist jedoch nach wie vor wenig verstanden15,16.
Mehrere nicht-invasive bildgebende Studien des Gehirns haben die neuronalen Mechanismen der Stimmverarbeitung bei Weißbüschelaffen aufgeklärt 17,18,19; Ihre hohe räumliche Auflösung ist ein Vorteil, aber um die Tiere während des Scannens im wachen Zustand zu halten, sind fortschrittliche Techniken erforderlich. In jüngerer Zeit identifizierten Jafari et al. jedoch frontotemporale Regionen, die an der Stimmwahrnehmung bei wachen Weißbüschelaffen beteiligt sind, mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT)19. Fast alle Experimente zur Aufklärung der Gehirnfunktionen, die an der Stimmwahrnehmung und -produktion beim Menschen beteiligt sind, wurden mit nicht-invasiven Methoden wie der Kopfhaut-Elektroenzephalographie (EEG), der Magnetenzephalographie (MEG)20,21 und der fMRT 22,23,24 durchgeführt. Zahlreiche Studien am Menschen haben die Gehirnaktivität im Zusammenhang mit der stimmlichen Wahrnehmung mittels EEG untersucht. Die meisten dieser Studien konzentrierten sich auf emotionale Informationen 25,26,27 und die Salienz emotionaler Wörter28, wobei die Ergebnisse Veränderungen der ereigniskorrelierten Potenziale während der stimmlichen Wahrnehmung zeigten29. Elektrokortikographie (ECoG) und Einzelneuronenaufnahmen mit intrakraniell implantierten Elektroden beim Menschen wurden bisher nur in einer begrenzten Anzahl von Experimenten an Patienten durchgeführt, die sich einer neurochirurgischen Behandlung unterzogenhaben 30,31.
Eine evolutionäre Perspektive, die Menschen mit Affen vergleicht, ist wichtig, um die einzigartigen neuronalen Mechanismen zu verstehen, die der Stimmwahrnehmung und -produktion zugrunde liegen und sich beim Menschen entwickelt haben. Um die neuronalen Mechanismen, die an der Sprachwahrnehmung und Lautäußerung bei stimmreichen nichtmenschlichen Primaten wie dem Weißbüschelaffen beteiligt sind, direkt mit denen des Menschen zu vergleichen, ist es wichtig, die Daten zwischen den beiden Arten mit der gleichen Methode zu vergleichen. Die funktionelle MRT ermöglicht die Bildgebung des gesamten Gehirns und hat eine hohe räumliche Auflösung. Es hat den Vorteil, dass es die Aktivität senkrecht zum Schädel oder in tiefen Regionen aufzeichnet, die mit EEG oder MEG nur schwer aufzuzeichnen sind. Das MRT-Gerät ist jedoch teuer in der Installation und Wartung, und es gibt viele Einschränkungen bei den Reizen, die aufgrund der Art des Geräts dargestellt werden können. Im Vergleich dazu haben EEG, ereigniskorrelierte Potentiale (ERPs) und MEG eine hohe zeitliche Auflösung, was sie für die Analyse der stimmlichen Verarbeitung von Zeitreihen nützlich macht. EEG hat insbesondere die Vorteile einer hohen Mobilität und der Möglichkeit, in einer Vielzahl von Versuchsumgebungen eingesetzt zu werden, relativ niedrige Kosten und die Notwendigkeit eines einzigen Bedieners.
Da bereits eine große Menge an EEG-Daten beim Menschen gewonnen wurde, sind EEG-Messmethoden mit nicht-invasiven Paradigmen für nicht-menschliche Primaten erforderlich. Unsere Forschungsgruppe hat eine einzigartige nicht-invasive EEG-Aufzeichnungsmethode mit Röhrchen32 für Makaken und Weißbüschelaffen entwickelt. Hier berichten wir über mehrere neue Erkenntnisse zur auditiven Verarbeitung bei nichtmenschlichen Primaten 33,34,35,36,37. Um die Gehirnaktivität als Reaktion auf artspezifische Lautäußerungen bei Weißbüschelaffen zu charakterisieren, haben wir ein experimentelles System zur nichtinvasiven Aufzeichnung der Gehirnaktivität mit Hilfe von Elektroden auf der Kopfhaut konstruiert. In dieser Studie beschreiben wir die EEG-Messmethode für Weißbüschelaffen.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>Alfaxalone</td>
			<td>Meiji Animal Health</td>
			<td>Alfaxan</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Amplifier</td>
			<td>Brain Products</td>
			<td>BrainAmp</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atropine</td>
			<td>Fuso Pharmaceutical Industries</td>
			<td>Atropine Sulfate Injection</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Audio editor</td>
			<td>Adobe</td>
			<td>Adobe Audition</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data processing software</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>MATLAB</td>
			<td>version R2023a</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data processing toolbox</td>
			<td>University of California-SanDiego</td>
			<td>EEGLAB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data processing toolbox</td>
			<td>University of California-Davis</td>
			<td>ERPLAB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric shaver</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td>ER803PPA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrode</td>
			<td>Unique Medical</td>
			<td>UL-3010</td>
			<td>AgCl coated (custom)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrode gel</td>
			<td>Neurospec AG</td>
			<td>V16 SuperVisc</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrode input box</td>
			<td>Brain Products</td>
			<td>EIB64-DUO</td>
			<td>64ch</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glue</td>
			<td>3M</td>
			<td>Scotch 7005S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hair removering cream</td>
			<td>Kracie</td>
			<td>epilat for sensitive skin</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>Bussan Animal Health</td>
			<td>ds isoflurane</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liquid gum</td>
			<td>San-ei Yakuhin Boeki</td>
			<td>Arabic Call SS</td>
			<td>Gum arabic+water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liquid nutrition</td>
			<td>Nestl&#233; Health Science Company</td>
			<td>Isocal 1.0 Junior</td>
			<td>Polymeric formula</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Maropitant</td>
			<td>Zoetis&#160;</td>
			<td>Cerenia injectable solution</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monitor Camera</td>
			<td>Intel</td>
			<td>RealSense LiDAR Camera L515</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monkey pellets</td>
			<td>Oriental Yeast</td>
			<td>SPS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primate chair</td>
			<td>Natsume Seisakusho</td>
			<td>Order made</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulse oximeters</td>
			<td>Covident</td>
			<td>Nellcor</td>
			<td>PM10N</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Skin prepping pasta&#160;</td>
			<td>Mammendorfer Institut f&#252;r Physik und Medizin</td>
			<td>NeuPrep</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slicon tube</td>
			<td>AsONE</td>
			<td>&#934;4 x 7mm</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Speaker</td>
			<td>Fostex</td>
			<td>PM0.3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Synchronization device</td>
			<td>Brain Vision</td>
			<td>StimTrak</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermoplastic mask</td>
			<td>CIVCO</td>
			<td>MTAPU Type Uniframe Thermoplastic Mask 2.4mm</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

electroencephalography measurements in awake marmosets listening to conspecific vocalizations 

Die vokale Kommunikation spielt eine entscheidende Rolle in den sozialen Interaktionen von Primaten, insbesondere beim Überleben und der sozialen Organisation. Der Mensch hat eine einzigartige und fortschrittliche vokale Kommunikationsstrategie in Form von Sprache entwickelt. Um die Evolution der menschlichen Sprache zu untersuchen, ist es notwendig, die neuronalen Mechanismen zu untersuchen, die der Stimmverarbeitung beim Menschen zugrunde liegen, sowie zu verstehen, wie sich die Mechanismen des Gehirns entwickelt haben, indem man sie mit denen von nichtmenschlichen Primaten vergleicht. In dieser Arbeit haben wir eine Methode entwickelt, um die Elektroenzephalographie (EEG) von wachen nichtmenschlichen Primaten nichtinvasiv zu messen. Diese Aufzeichnungsmethode ermöglicht Langzeitstudien, ohne die Tiere zu schädigen, und ermöglicht es uns, EEG-Daten von nichtmenschlichen Primaten direkt mit menschlichen Daten zu vergleichen, was Einblicke in die Evolution der menschlichen Sprache gibt. In der aktuellen Studie haben wir die EEG-Aufzeichnungsmethode der Kopfhaut verwendet, um die Gehirnaktivität als Reaktion auf artspezifische Lautäußerungen bei Weißbüschelaffen zu untersuchen. Diese Studie liefert neue Erkenntnisse, indem sie mithilfe von Kopfhaut-EEG weit verbreitete neuronale Repräsentationen bei Weißbüschelaffen während der Stimmwahrnehmung erfasst und Lücken im bestehenden Wissen schließt.

Primates use species-specific vocalizations to convey biologically important information, such as the caller&#39;s emotional state or intention to maintain social bonds, the presence of predators, or other dangerous situations. Investigation of the neural mechanisms underlying the perception of vocalization in vocal-rich nonhuman primates may provide us with critical clues to better understand the evolutionary origins of human language.
Common marmosets are small primates native to South America. In recent years, marmosets have been increasingly used as model animals, alongside macaque monkeys, because of their high reproductivity, ease of use owing to their small size, and the development of useful transgenic techniques1,2,3. In addition to their utility as disease models, rich vocal communication within groups is another unique characteristic of this species4,5,6,7. Marmosets routinely exchange vocal signals to communicate with invisible conspecifics in the forest. By examining the brain activity involved in vocal perception and production in marmosets, we can determine how they process the auditory information of their own or conspecific calls in the brain and identify which neural circuits are involved. Previous studies have demonstrated neural activity in the primary auditory cortex8,9,10,11,12 and frontal cortex13,14 involved in vocal production in marmosets. Furthermore, these excited and suppressed neuronal responses were modulated by auditory-vocal interactions in the primary auditory cortex8,10. These studies provided detailed neural activity data at the single-neuron level using invasive recording methods. Numerous studies have further examined the neural activity involved in marmoset vocal production; however, vocal perception remains poorly understood15,16.
Several noninvasive brain imaging studies have elucidated the neural mechanisms of vocal processing in marmosets17,18,19; their high spatial resolution is an advantage, however, keeping animals in the awake state during scanning requires advanced techniques. However, more recently, Jafari et al. identified frontotemporal regions involved in vocal perception in awake marmosets using functional magnetic resonance imaging (fMRI)19. Almost all experiments to elucidate the brain functions involved in vocal perception and production in humans have been conducted using noninvasive methods, such as scalp electroencephalography (EEG), magnetoencephalography (MEG)20,21, and fMRI22,23,24. Numerous studies in humans have investigated brain activity related to vocal perception using EEG. Most of these studies have focused on emotional information25,26,27 and the saliency of emotional words28, with the results revealing changes in event-related potentials during vocal perception29. Electrocorticography (ECoG) and single-neuron recordings using intracranially implanted electrodes in humans have only been conducted in a limited number of experiments in patients undergoing neurosurgical treatment30,31.
An evolutionary perspective comparing humans with monkeys is important when understanding the unique neural mechanisms underlying vocal perception and production that have developed in humans. To directly compare the neural mechanisms involved in speech perception and vocalization in vocal-rich nonhuman primates, such as the marmoset, with humans, it is important to compare data between the two species using the same method. Functional MRI allows whole-brain imaging and has a high spatial resolution. It has the advantage of recording activity perpendicular to the skull or in deep regions that are difficult to record with EEG or MEG. However, the MRI machine is expensive to install and maintain, and there are many restrictions on the stimuli that can be presented due to the nature of the device. In comparison, EEG, event-related potentials (ERPs), and MEG have a high temporal resolution, making them useful for analyzing time-series vocal processing. In particular, EEG has the advantages of high mobility and the ability to be used in a variety of experimental settings, relatively low cost, and the requirement for just a single operator.
Since a large amount of EEG data has already been obtained in humans, EEG measurement methods using non-invasive paradigms are needed for non-human primates. Our research group developed a unique noninvasive EEG recording method using tubes32 for macaques and marmosets. Here, we report several novel findings regarding auditory processing in nonhuman primates33,34,35,36,37. To characterize brain activity in response to species-specific vocalizations in marmosets, we constructed an experimental system to noninvasively record brain activity using electrodes placed on the scalp. In this study, we describe the EEG measurement method for marmosets.

Autor im Rampenlicht: Untersuchung der stimmlichen Informationsrepräsentation bei kleinen Primaten und ihrer Veränderung durch psychiatrische Störungen mittels nicht-invasivem EEG

Elektroenzephalographie-Messungen bei wachen Weißbüschelaffen, die den Lautäußerungen von Artgenossen lauschen 

We would like to know how vocal information is represented in the brain of small primates which are rich in vocal communications. We would like to illustrate how the representation will be altered by psychiatric disorders such as schizophrenia in the future. We compared non-invasive EEGs across four primate species, and found that the latency of auditory cortex to respond to sounds is longer in humans than in other primates.This would have a significant impact on the perception of complex sounds, such as calls and speech sounds. Few experimental methods allow direct comparison of brain activity obtained from human and animals. We hope to quantify the process of human language evolution by direct comparison, or directly comparing data among various animal species using the non-invasive measurement method.We hope to address this challenge with our protocol.

Zuerst haben wir die durchschnittlichen ereigniskorrelierten Potentiale (ERPs) für jeden auditiven Stimulus bei den Weißbüschelaffen aufgetragen (Abbildung 2). Das auditiv evozierte Potential (AEP) war in der Geräuschbedingung ausgeprägt, was den deutlichen Beginn der Reize widerspiegelt (siehe Abbildung 1D). Um die gemittelten ERPs zwischen Ruftypen und Lärmreizen zu vergleichen, haben wir eine unidirektionale Varianzanalyse (ANOVA) mit Stimuli a...

Um die Evolution der Sprache zu untersuchen, ist es wichtig, die Mechanismen des Gehirns beim Menschen mit denen bei nichtmenschlichen Primaten zu vergleichen. Wir haben eine Methode entwickelt, um die Elektroenzephalographie (EEG) von wachen Tieren nicht-invasiv zu messen. Es ermöglicht uns, EEG-Daten zwischen Mensch und Tier langfristig direkt zu vergleichen, ohne ihnen zu schaden.

Vocal communication plays a crucial role in the social interactions of primates, particularly in survival and social organization. Humans have developed a ...

electroencephalography-measurements-awake-marmosets-listening-to

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Electroencephalography Measurements in Awake Marmosets Listening to Conspecific Vocalizations 

310 Views.  Kyoto University. We would like to know how vocal information is represented in the brain of small primates which are rich in vocal communications. We would like to illustrate how the representation will be altered by psychiatric disorders such as schizophrenia in the future. We compared non-invasive EEGs across four primate species, and found that the latency of auditory cortex to respond to sounds is longer in humans than in other primates.This would have a significant impact on the perception of comp...

Video: Author Spotlight: Investigating Vocal Information Representation in Small Primates and Its Alteration by Psychiatric Disorders Using Noninvasive EEG