Name: Autore in primo piano: Indagine sulla rappresentazione delle informazioni vocali nei piccoli primati e la sua alterazione da parte di disturbi psichiatrici utilizzando l'EEG non invasivo
Uploaded: 2024-07-26T14:15:00
Description: Vocal communication plays a crucial role in the social interactions of primates, particularly in survival and social organization. Humans have developed a ...

Questo lavoro è stato sostenuto dal Progetto Hakubi dell'Università di Kyoto, Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering) (No.22K18644), Grant-in-Aid for Scientific Research (C) (No. 22K12745), Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (No. 21H02851) e Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (No. 19H01039). Vorremmo ringraziare Editage (www.editage.jp) per l'editing in lingua inglese.

Tutti gli esperimenti sono stati approvati dal Comitato per la sperimentazione animale dell'EHUB (n. 2022-003, 2023-104) e condotti in conformità con la Guida per la cura e l'uso dei primati da laboratorio pubblicata dall'EHUB. Per l'esperimento sono stati utilizzati nove uistitì comuni (Callithrix jacchus, sei maschi e tre femmine, di età compresa tra 2 e 12 anni, del peso di 330-490 g).
1. Animali
<ol><li>Alloggia gli uistitì in gabbie singole dotate di casset...

EEG non invasivo per studi comparativi sulla percezione vocale negli uistitì

Punti da notare sull'anestesia Sono state tentate sia la somministrazione di ketamina che quella di xilazina e, sebbene queste siano analgesiche e quindi adatte a compiti lunghi e dolorosi, gli uistitì tendono a sperimentare diminuzioni dei livelli di ossigeno nel sangue senza inalazione di ossigeno44. In breve, l'alfaxalon è probabilmente più adatto per attività indolori come la rasatura o la creazione di maschere. Inoltre, per la rasatura, che richiede solo 10-15 minuti, ...

I primati usano vocalizzazioni specie-specifiche per trasmettere informazioni biologicamente importanti, come lo stato emotivo del chiamante o l'intenzione di mantenere legami sociali, la presenza di predatori o altre situazioni pericolose. L'indagine sui meccanismi neurali alla base della percezione della vocalizzazione nei primati non umani ricchi di voce può fornirci indizi critici per comprendere meglio le origini evolutive del linguaggio umano.
Gli uistitì comuni sono piccoli primati originari del Sud America. Negli ultimi anni, gli uistitì sono stati sempre più utilizzati come animali modello, insieme ai macachi, a causa della loro elevata riproduttività, della facilità d'uso dovuta alle loro piccole dimensioni e dello sviluppo di utili tecniche transgeniche 1,2,3. Oltre alla loro utilità come modelli di malattia, la ricca comunicazione vocale all'interno dei gruppi è un'altra caratteristica unica di questa specie 4,5,6,7. Gli uistitì si scambiano abitualmente segnali vocali per comunicare con i conspecifici invisibili nella foresta. Esaminando l'attività cerebrale coinvolta nella percezione e nella produzione vocale negli uistitì, possiamo determinare come elaborano le informazioni uditive dei loro richiami o conspecifici nel cervello e identificare quali circuiti neurali sono coinvolti. Studi precedenti hanno dimostrato l'attività neurale nella corteccia uditiva primaria 8,9,10,11,12 e nella corteccia frontale13,14 coinvolta nella produzione vocale negli uistitì. Inoltre, queste risposte neuronali eccitate e soppresse sono state modulate dalle interazioni uditivo-vocali nella corteccia uditiva primaria 8,10. Questi studi hanno fornito dati dettagliati sull'attività neurale a livello di singolo neurone utilizzando metodi di registrazione invasivi. Numerosi studi hanno ulteriormente esaminato l'attività neurale coinvolta nella produzione vocale dell'uistitì; Tuttavia, la percezione vocale rimane poco compresa 15,16.
Diversi studi di imaging cerebrale non invasivi hanno chiarito i meccanismi neurali dell'elaborazione vocale negli uistitì 17,18,19; La loro elevata risoluzione spaziale è un vantaggio, tuttavia, mantenere gli animali in stato di veglia durante la scansione richiede tecniche avanzate. Tuttavia, più recentemente, Jafari et al. hanno identificato le regioni frontotemporali coinvolte nella percezione vocale negli uistitì svegli utilizzando la risonanza magnetica funzionale (fMRI)19. Quasi tutti gli esperimenti per chiarire le funzioni cerebrali coinvolte nella percezione e nella produzione vocale negli esseri umani sono stati condotti utilizzando metodi non invasivi, come l'elettroencefalografia del cuoio capelluto (EEG), la magnetoencefalografia (MEG)20,21 e la fMRI 22,23,24. Numerosi studi sull'uomo hanno studiato l'attività cerebrale correlata alla percezione vocale utilizzando l'EEG. La maggior parte di questi studi si è concentrata sulle informazioni emotive 25,26,27 e sulla salienza delle parole emotive 28, con i risultati che rivelano cambiamenti nei potenziali correlati agli eventi durante la percezione vocale29. L'elettrocorticografia (ECoG) e le registrazioni di singoli neuroni utilizzando elettrodi impiantati per via intracranica nell'uomo sono state condotte solo in un numero limitato di esperimenti in pazienti sottoposti a trattamento neurochirurgico30,31.
Una prospettiva evolutiva che confronta gli esseri umani con le scimmie è importante per comprendere i meccanismi neurali unici alla base della percezione e della produzione vocale che si sono sviluppati negli esseri umani. Per confrontare direttamente i meccanismi neurali coinvolti nella percezione del parlato e nella vocalizzazione nei primati non umani ricchi di voce, come l'uistitì, con gli esseri umani, è importante confrontare i dati tra le due specie utilizzando lo stesso metodo. La risonanza magnetica funzionale consente l'imaging dell'intero cervello e ha un'alta risoluzione spaziale. Ha il vantaggio di registrare l'attività perpendicolarmente al cranio o in regioni profonde che sono difficili da registrare con EEG o MEG. Tuttavia, la macchina per la risonanza magnetica è costosa da installare e mantenere e ci sono molte restrizioni sugli stimoli che possono essere presentati a causa della natura del dispositivo. In confronto, l'EEG, i potenziali evento-correlati (ERP) e il MEG hanno un'alta risoluzione temporale, il che li rende utili per analizzare l'elaborazione vocale delle serie temporali. In particolare, l'EEG presenta i vantaggi di un'elevata mobilità e della capacità di essere utilizzato in una varietà di contesti sperimentali, di un costo relativamente basso e della necessità di un solo operatore.
Poiché una grande quantità di dati EEG è già stata ottenuta nell'uomo, per i primati non umani sono necessari metodi di misurazione EEG che utilizzano paradigmi non invasivi. Il nostro gruppo di ricerca ha sviluppato un metodo di registrazione EEG non invasivo unico nel suo genere utilizzando i tubi32 per macachi e uistitì. Qui, riportiamo diverse nuove scoperte riguardanti l'elaborazione uditiva nei primati non umani 33,34,35,36,37. Per caratterizzare l'attività cerebrale in risposta alle vocalizzazioni specie-specifiche negli uistitì, abbiamo costruito un sistema sperimentale per registrare in modo non invasivo l'attività cerebrale utilizzando elettrodi posizionati sul cuoio capelluto. In questo studio, descriviamo il metodo di misurazione EEG per gli uistitì.

<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 

La comunicazione vocale svolge un ruolo cruciale nelle interazioni sociali dei primati, in particolare nella sopravvivenza e nell'organizzazione sociale. Gli esseri umani hanno sviluppato una strategia di comunicazione vocale unica e avanzata sotto forma di linguaggio. Per studiare l'evoluzione del linguaggio umano, è necessario indagare i meccanismi neurali alla base dell'elaborazione vocale negli esseri umani, nonché capire come si sono evoluti i meccanismi cerebrali confrontandoli con quelli dei primati non umani. In questo articolo, abbiamo sviluppato un metodo per misurare in modo non invasivo l'elettroencefalografia (EEG) di primati non umani svegli. Questo metodo di registrazione consente studi a lungo termine senza danneggiare gli animali e, soprattutto, ci consente di confrontare direttamente i dati EEG dei primati non umani con i dati umani, fornendo informazioni sull'evoluzione del linguaggio umano. Nel presente studio, abbiamo utilizzato il metodo di registrazione EEG del cuoio capelluto per studiare l'attività cerebrale in risposta alle vocalizzazioni specie-specifiche negli uistitì. Questo studio fornisce nuove intuizioni utilizzando l'EEG del cuoio capelluto per catturare rappresentazioni neurali diffuse negli uistitì durante la percezione vocale, colmando le lacune nelle conoscenze esistenti.

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.

Autore in primo piano: Indagine sulla rappresentazione delle informazioni vocali nei piccoli primati e la sua alterazione da parte di disturbi psichiatrici utilizzando l'EEG non invasivo

Misurazioni dell'elettroencefalografia in uistitì svegli che ascoltano vocalizzazioni conspecifiche 

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.

In primo luogo, abbiamo tracciato i potenziali medi correlati agli eventi (ERP) per ogni stimolo uditivo negli uistitì (Figura 2). Il potenziale evocato uditivo (AEP) era prominente nella condizione di rumore , riflettendo la chiara insorgenza degli stimoli (vedi Figura 1D). Per confrontare gli ERP medi tra i tipi di chiamata e gli stimoli di rumore, abbiamo applicato un'analisi unidirezionale della varianza (ANOVA) con gli stimoli come fattore tra i s...

Per studiare l'evoluzione del linguaggio, è importante confrontare i meccanismi cerebrali negli esseri umani con quelli dei primati non umani. Abbiamo sviluppato un metodo per misurare in modo non invasivo l'elettroencefalografia (EEG) degli animali svegli. Ci consente di confrontare direttamente i dati EEG tra esseri umani e animali a lungo termine senza danneggiarli.

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 

Vocal communication plays a crucial role in the social interactions of primates, particularly in survival and social organization. Humans have developed a unique and advanced vocal communication strategy in the form of language. To study the evolution of human language, it is necessary to investigate the neural mechanisms underlying vocal processing in humans, as well as to understand how brain mechanisms have evolved by comparing them with those in nonhuman primates. Herein, we developed a method to noninvasively measure the electroencephalography (EEG) of awake nonhuman primates. This recording method allows for long-term studies without harming the animals, and, importantly, allows us to directly compare nonhuman primate EEG data with human data, providing insights into the evolution of human language. In the current study, we used the scalp EEG recording method to investigate brain activity in response to species-specific vocalizations in marmosets. This study provides novel insights by using scalp EEG to capture widespread neural representations in marmosets during vocal perception, filling gaps in existing knowledge.

To study the evolution of language, comparing brain mechanisms in humans with those in nonhuman primates is important. We developed a method to noninvasively measure the electroencephalography (EEG) of awake animals. It allows us to directly compare EEG data between humans and animals for the long term without harming them.

Ricerca

Neuroscienze

Development and Implementation of Noninvasive EEG Recording Methods for Auditory Processing Studies in Marmosets

After anesthetizing the marmoset, monitor the vitals with a pulse oximeter. If necessary, administer an oxygen air mixture. Maintain the room temperature above 27 degrees Celsius, and wrap a warming cloth around the body of the marmoset to prevent hypothermia.Using an electric shaver, shave the head. Apply hair removal cream for sensitive skin. After five minutes, wipe off the cream with wet gauze.Drill four screw holes into the protruding back portion of the mask to align with the vertical length of the chair. Next place the anesthetized marmoset on the primate chair. Secure the animal on the chair using neck and waist plates.Place the thermoplastic mask plate in hot water to soften it to fit the head of the marmoset. Remove the mask plate from the water and allow it to cool before placing it on the subject's head. After hardening, remove the mask from the marmoset head.Cut out the top of the head and ear parts of the mask to expose the area for the electrode setting. Habituate the marmoset to the chair under awake conditions and reward it for approximately 30 minutes. Connect a 64 channel electrode input box to the amplifier.Arrange the speaker near the amplifier and control the sound level at 65 to 75 decibels to deliver auditory stimuli. Place the camera in front of the subject to monitor their condition during the EEG recording. Then arrange the primate chair in front of the camera.Attach a transfer cage to a small window of the home cage and allow the marmoset to move to the transfer cage. Cover the carrying cage with a cloth and transfer it to the experimental room. Hold the mart using protective gloves and place it on the primate chair.Put the previously prepared mask on the mart's head. Pass the screws attached to the chair through the hole in the mask and fix it using thumb screws. Use the nasion, inion, and ear lobes as anatomical landmarks to determine the location of the electrodes according to the international 10:20 method.Measure the distance between the nasion and inion in the midline with a tape. Define the location of Cz in the middle of the distance. Position the other electrodes with 20%of the inion/nasion length as the electrode spacing.Mark the electrode positions on the scalp using an oil-based dermatograph. Rub the marked area with a thin cotton swab dipped in alcohol to remove dirt and sebum from the scalp. Using a tube cutter, cut a piece of silicon tubing into a length of approximately seven to nine millimeters.Apply adhesive to the edges of the cut tube and adhere it to the scalp. Using a syringe with a non-pointed needle, fill the inside of the tube with EEG gel. Connect the reference electrode to PZ and the ground electrodes to F4 or F3.Insert electrodes into the tube and connect the electrode cable to the input box.Launch the EEG recording application. Adjust the parameters to ensure all electrodes are below five kilo-Ohms and measure the electrode impedance. During head immobilization and between task sessions, administer one to three milliliters of liquid reward using a syringe.Specify the file to be saved on the EEG recording software and press the start recording button. Immediately run the script for stimulus presentation. When the stimulus presentation script execution is completed, press the stop button to end all recordings.Then remove the electrodes and head mask from the marmoset. Capture the animal and place it back in the carrying cage. Record simple and compound calls from marmoset that are not used in subsequent EEG recordings.Extract three species-specific simple and compound calls from the recorded files. Next, create white noise using a function in the programming software and use that as a stimulus. To follow this, use three auditory files of marmoset calls in the experiment.Control the task using a custom script. In each sound stimulus file, the right channel contains the marmoset call or noise data, and the left channel contains the trigger signal for the onset of the stimulus. Send the trigger signal to the EEG system via a synchronization device and record it as event time.The auditory evoked potential was prominent in the noise condition reflecting the clear onset of the stimuli. The time frequency analysis showed that event related spectral power increased at a lower frequency immediately after stimulus onset. The CZ region showed a decrease in gamma range power lasting for one second post stimulus onset in younger subjects.The initial transient responses in the FZ region revealed significant main effects of stimulus, type, and age with no significant interaction. Sustained responses in CZ showed a significant effect of stimulus type, but no effect of age or interaction.