עבודה זו נתמכה על ידי פרויקט Hakubi של אוניברסיטת קיוטו, Grant-in-Aid for Challenge Research (Pioneering) (No.22K18644), Grant-in-Aid for Scientific Research (C) (No. 22K12745), Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (No. 21H02851) ו-Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (No. 19H01039). ברצוננו להודות ל-Editage (www.editage.jp) על העריכה בשפה האנגלית.

כל הניסויים אושרו על ידי הוועדה לניסויים בבעלי חיים של EHUB (מס' 2022-003, 2023-104) ונערכו בהתאם למדריך לטיפול ושימוש בפרימטים במעבדה שפורסם על ידי EHUB. תשעה מרמוסטים נפוצים (Callithrix jacchus, שישה זכרים ושלוש נקבות, בני 2-12, במשקל 330-490 גרם) שימשו לניסוי.
1. בעלי חיים
<ol><li>אכסנו את ?...

EEG לא פולשני למחקרים השוואתיים של תפיסת קול במרמוסטים

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

נקודות לציון לגבי הרדמה הן קטמין והן מתן קסילזין נוסו, ובעוד אלה משככי כאבים ולכן מתאימים למשימות כואבות ארוכות, מרמוסטים נוטים לחוות ירידה ברמות החמצן בדם ללא שאיפת חמצן44. בקיצור, alfaxalon הוא כנראה המתאים ביותר עבור משימות ללא כאב כגון גילוח או הכנת מסכה. בנוסף, עבור ?...

פרימטים משתמשים בקולות ספציפיים למין כדי להעביר מידע חשוב מבחינה ביולוגית, כגון מצבו הרגשי של המתקשר או כוונתו לשמור על קשרים חברתיים, נוכחותם של טורפים או מצבים מסוכנים אחרים. חקירת המנגנונים העצביים העומדים בבסיס תפיסת הקול אצל פרימטים לא-אנושיים עתירי קול עשויה לספק לנו רמזים קריטיים להבנה טובה יותר של המקורות האבולוציוניים של השפה האנושית.
מרמוסטים נפוצים הם פרימטים קטנים שמקורם בדרום אמריקה. בשנים האחרונות, מרמוסטים משמשים יותר ויותר כחיות מודל, לצד קופי מקוק, בגלל הפרודוקטיביות הגבוהה שלהם, קלות השימוש בשל גודלם הקטן, ופיתוח טכניקות טרנסגניות שימושיות 1,2,3. בנוסף לתועלתם כמודלים למחלות, תקשורת קולית עשירה בתוך קבוצות היא מאפיין ייחודי נוסף של מין זה 4,5,6,7. מרמוסטים מחליפים באופן שגרתי אותות קוליים כדי לתקשר עם פרטים בלתי נראים ביער. על-ידי בחינת הפעילות המוחית המעורבת בתפיסה קולית ובהפקה של מרמוסטים, אנו יכולים לקבוע כיצד הם מעבדים את המידע השמיעתי שלהם עצמם או קריאות ספציפיות במוח, ולזהות אילו מעגלים עצביים מעורבים. מחקרים קודמים הדגימו פעילות עצבית בקליפת המוח השמיעתית הראשונית 8,9,10,11,12 ובקליפת המוח הקדמית 13,14 המעורבת בהפקת קול במרמוסטים. יתר על כן, תגובות עצביות מעוררות ומודחקות אלה היו מווסתות על ידי אינטראקציות שמיעתיות-קוליות בקליפת המוח השמיעתית הראשונית 8,10. מחקרים אלה סיפקו נתוני פעילות עצבית מפורטים ברמת תא העצב הבודד באמצעות שיטות רישום פולשניות. מחקרים רבים בחנו עוד יותר את הפעילות העצבית המעורבת בהפקת קול מרמוסט; עם זאת, התפיסה הקולית נותרה מובנת היטב15,16.
מספר מחקרי דימות מוח לא פולשניים הבהירו את המנגנונים העצביים של עיבוד קול במרמוסטים 17,18,19; הרזולוציה המרחבית הגבוהה שלהם מהווה יתרון, עם זאת, שמירה על בעלי חיים במצב ער במהלך סריקה דורשת טכניקות מתקדמות. עם זאת, לאחרונה, Jafari et al. זיהו אזורים פרונטו-טמפורליים המעורבים בתפיסה קולית במרמוסטים ערים באמצעות דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI)19. כמעט כל הניסויים להבהרת תפקודי המוח המעורבים בתפיסה קולית ובייצור קול בבני אדם נערכו בשיטות לא פולשניות, כגון אלקטרואנצפלוגרפיה של הקרקפת (EEG), מגנטואנצפלוגרפיה (MEG)20,21 ו-fMRI 22,23,24. מחקרים רבים בבני אדם חקרו פעילות מוחית הקשורה לתפיסה קולית באמצעות EEG. רוב המחקרים הללו התמקדו במידע רגשי 25,26,27 ובניכור של מילים רגשיות 28, כאשר התוצאות חשפו שינויים בפוטנציאלים הקשורים לאירועים במהלך תפיסה קולית29. אלקטרוקורטיקוגרפיה (ECoG) ורישומי נוירון יחיד באמצעות אלקטרודות המושתלות תוך גולגולתית בבני אדם נערכו רק במספר מצומצם של ניסויים בחולים שעברו טיפול נוירוכירורגי30,31.
נקודת מבט אבולוציונית המשווה בין בני אדם לקופים חשובה להבנת המנגנונים העצביים הייחודיים העומדים בבסיס התפיסה והייצור הקוליים שהתפתחו אצל בני אדם. כדי להשוות ישירות את המנגנונים העצביים המעורבים בתפיסת דיבור ובקול אצל פרימטים לא אנושיים עתירי קול, כמו המרמוסט, עם בני אדם, חשוב להשוות נתונים בין שני המינים באותה שיטה. MRI תפקודי מאפשר הדמיה של המוח כולו ובעל רזולוציה מרחבית גבוהה. יש לו את היתרון של הקלטת פעילות בניצב לגולגולת או באזורים עמוקים שקשה להקליט עם EEG או MEG. עם זאת, מכשיר ה- MRI יקר להתקנה ותחזוקה, וישנן מגבלות רבות על הגירויים שניתן להציג בשל אופי המכשיר. לשם השוואה, EEG, פוטנציאלים הקשורים לאירועים (ERP) ו-MEG הם בעלי רזולוציה טמפורלית גבוהה, מה שהופך אותם לשימושיים לניתוח עיבוד קולי של סדרות זמן. בפרט, EEG יש את היתרונות של ניידות גבוהה ואת היכולת לשמש במגוון של הגדרות ניסיוניות, עלות נמוכה יחסית, ואת הדרישה רק מפעיל אחד.
מכיוון שכמות גדולה של נתוני EEG כבר הושגה בבני אדם, שיטות מדידת EEG המשתמשות בפרדיגמות לא פולשניות נדרשות עבור פרימטים שאינם אנושיים. קבוצת המחקר שלנו פיתחה שיטת רישום EEG ייחודית ולא פולשנית באמצעות צינורות32 עבור קופי מקוק ומרמוסטים. כאן, אנו מדווחים על מספר ממצאים חדשים בנוגע לעיבוד שמיעתי בפרימטים לא אנושיים 33,34,35,36,37. כדי לאפיין את פעילות המוח בתגובה לקולות ספציפיים למין במרמוסטים, בנינו מערכת ניסיונית לרישום לא פולשני של פעילות מוחית באמצעות אלקטרודות הממוקמות על הקרקפת. במחקר זה אנו מתארים את שיטת מדידת EEG עבור מרמוסטים.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<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 

תקשורת קולית ממלאת תפקיד מכריע באינטראקציות החברתיות של פרימטים, במיוחד בהישרדות ובארגון חברתי. בני האדם פיתחו אסטרטגיית תקשורת קולית ייחודית ומתקדמת בצורת שפה. כדי לחקור את האבולוציה של השפה האנושית, יש צורך לחקור את המנגנונים העצביים העומדים בבסיס עיבוד הקול בבני אדם, כמו גם להבין כיצד מנגנוני המוח התפתחו על-ידי השוואתם לאלה של פרימטים לא אנושיים. כאן פיתחנו שיטה למדידה לא פולשנית של אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG) של פרימטים לא אנושיים ערים. שיטת הקלטה זו מאפשרת מחקרים ארוכי טווח מבלי לפגוע בבעלי החיים, וחשוב מכך, מאפשרת לנו להשוות ישירות נתוני EEG של פרימטים לא אנושיים עם נתונים אנושיים, ולספק תובנות על האבולוציה של השפה האנושית. במחקר הנוכחי השתמשנו בשיטת רישום EEG בקרקפת כדי לחקור פעילות מוחית בתגובה לקולות ספציפיים למין במרמוסטים. מחקר זה מספק תובנות חדשות על ידי שימוש ב- EEG בקרקפת כדי ללכוד ייצוגים עצביים נפוצים במרמוסטים במהלך תפיסה קולית, ולמלא פערים בידע קיים.

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.

מחבר זרקור: חקירת ייצוג מידע קולי בפרימטים קטנים ושינויו על ידי הפרעות פסיכיאטריות באמצעות EEG לא פולשני

מדידות אלקטרואנצפלוגרפיה במרמוסטים ערים האזנה לקולות ספציפיים 

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.

ראשית, שרטטנו את הפוטנציאלים הממוצעים הקשורים לאירועים (ERPs) עבור כל גירוי שמיעתי במרמוסטים (איור 2). הפוטנציאל השמיעתי המעורר (AEP) היה בולט בתנאי הרעש , ושיקף את ההתחלה הברורה של הגירויים (ראו איור 1D). כדי להשוות את ממוצע מערכות ה-ERP בין סוגי שיחות לגירויי ר...

כדי לחקור את האבולוציה של השפה, חשוב להשוות מנגנונים מוחיים בבני אדם לאלה של פרימטים לא אנושיים. פיתחנו שיטה למדידה לא פולשנית של אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG) של חיות ערות. זה מאפשר לנו להשוות ישירות נתוני EEG בין בני אדם לבעלי חיים לטווח ארוך מבלי לפגוע בהם.

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