Name: 著者スポットライト:非侵襲的脳波を用いた小型霊長類の音声情報表現とその精神障害によるその変化の調査
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 ...

本研究は、京都大学白眉プロジェクト、科学研究費補助金挑戦的研究(開拓)(課題22K18644)、科学研究費基盤研究(C)(課題22K12745)、基盤研究(B)(課題番号21H02851)、科学研究費基盤研究(A)(課題番号19H01039)の支援を受けて行われました。英語の編集をしてくださった エディテージ (www.editage.jp)に感謝いたします。

すべての実験は、EHUBの動物実験委員会(No.2022-003、2023-104)によって承認され、EHUBが発行した実験霊長類のケアと使用に関するガイドに従って実施されました。実験には、9種類の一般的なマーモセット(Callithrix jacchus、オス6匹、メス3匹、2〜12歳、体重330〜490g)を使用しました。
1. 動物たち
<ol><li>マーモセットは、巣箱、木製の止まり木、その他の強化?...

マーモセットの音声知覚の比較研究のための非侵襲的脳波

麻酔の注意点 ケタミンとキシラジンの両方の投与が試みられており、これらは鎮痛剤であり、したがって長時間の痛みを伴う作業に適していますが、マーモセットは酸素吸入なしで血中酸素レベルの低下を経験する傾向があります44。要するに、アルファキサロンは、シェービングやマスク作りなど、痛みのない作業に最も適しているのではないでしょうか?...

霊長類は、種固有の発声を使用して、発信者の感情状態や社会的絆を維持する意図、捕食者の存在、またはその他の危険な状況など、生物学的に重要な情報を伝えます。発声が豊富な非ヒト霊長類の発声知覚の根底にある神経メカニズムの調査は、ヒト言語の進化的起源をよりよく理解するための重要な手がかりを提供する可能性があります。
コモンマーモセットは南アメリカ原産の小さな霊長類です。近年、マーモセットは、その高い再現性、小型化による使い勝手の良さ、有用なトランスジェニック技術の開発などから、マカクザルと並んでモデル動物として利用されることが増えている1,2,3。疾患モデルとしての有用性に加えて、グループ内の豊かな発声コミュニケーションは、この種の別のユニークな特徴です4,5,6,7。マーモセットは、森の見えない同種とコミュニケーションをとるために、日常的に音声信号を交換しています。マーモセットの発声知覚と発声に関与する脳活動を調べることで、マーモセットが脳内で自分自身または同種の鳴き声の聴覚情報をどのように処理しているかを特定し、どの神経回路が関与しているかを特定できます。これまでの研究では、マーモセットの発声に関与する一次聴覚野8,9,10,11,12および前頭皮質13,14の神経活動が実証されている。さらに、これらの興奮および抑制されたニューロン応答は、一次聴覚皮質8,10における聴覚-発声相互作用によって調節された。これらの研究は、侵襲的な記録方法を使用して、単一ニューロンレベルでの詳細な神経活動データを提供しました。マーモセットの発声に関与する神経活動については、数多くの研究がさらに調査されています。しかし、声の知覚は依然として十分に理解されていません15,16。
いくつかの非侵襲的脳イメージング研究により、マーモセットの発声処理の神経メカニズムが解明されました17,18,19;その高い空間分解能は利点ですが、スキャン中に動物を覚醒状態に保つには高度な技術が必要です。しかし、最近では、Jafariらは、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)を用いて、覚醒状態のマーモセットの発声知覚に関与する前頭側頭領域を同定した19。ヒトの音声知覚や発声に関与する脳機能を解明するための実験は、ほとんどすべて、頭皮脳波計(EEG)、脳磁図(MEG)20,21、fMRI22,23,24などの非侵襲的な方法を用いて行われてきました。人間を対象とした数多くの研究で、EEGを使用して音声知覚に関連する脳活動が調査されています。これらの研究のほとんどは、感情情報25,26,27と感情的な言葉28の顕著性に焦点を当てており、その結果、音声知覚29における事象関連の可能性の変化が明らかになった。ヒトの頭蓋内埋め込み電極を用いた皮質電気検査(ECoG)および単一ニューロン記録は、脳神経外科治療を受けている患者を対象とした限られた数の実験でしか行われていない30,31。
人間とサルを比較する進化論的視点は、人間が発達した声の知覚と発声の根底にあるユニークな神経メカニズムを理解する上で重要です。マーモセットのような発声能力の高いヒト以外の霊長類の音声知覚と発声に関与する神経メカニズムをヒトと直接比較するには、同じ方法を使用して2つの種間のデータを比較することが重要です。機能的MRIは、全脳イメージングを可能にし、高い空間分解能を備えています。頭蓋骨に対して垂直な活動や、脳波やMEGでは記録が困難な深部での活動を記録できるという利点があります。ただし、MRI装置は設置と保守に費用がかかり、デバイスの性質上、提示できる刺激には多くの制限があります。これに対し、脳波、ERP(イベント関連電位)、MEGは時間分解能が高いため、時系列の音声処理の解析に有用です。特に、脳波は、高い移動性、さまざまな実験環境で使用できること、比較的低コストであること、そして1人のオペレーターで済むという利点があります。
ヒトでは既に大量の脳波データが得られているため、ヒト以外の霊長類に対しては、非侵襲的なパラダイムを用いた脳波測定法が求められています。私たちの研究グループは、マカクザルやマーモセットに対して、チューブ32を用いた独自の非侵襲的な脳波記録法を開発しました。ここでは、非ヒト霊長類33,34,35,36,37における聴覚処理に関するいくつかの新しい知見を報告する。マーモセットの種特異的な発声に対する脳活動の特徴を明らかにするために、頭皮に電極を装着して脳活動を非侵襲的に記録する実験系を構築しました。本研究では、マーモセットの脳波測定方法について述べる。

<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 

音声コミュニケーションは、霊長類の社会的相互作用、特に生存と社会組織において重要な役割を果たします。人間は、言語という形でユニークで高度な音声コミュニケーション戦略を開発しました。ヒトの言語の進化を研究するためには、ヒトの発声処理の根底にある神経メカニズムを解明するとともに、ヒト以外の霊長類と比較することで脳のメカニズムがどのように進化してきたのかを理解する必要があります。本研究では、覚醒状態にあるヒト以外の霊長類の脳波計(EEG)を非侵襲的に測定する方法を開発した。この記録方法により、動物を傷つけることなく長期的な研究が可能になるだけでなく、重要なことに、ヒト以外の霊長類の脳波データとヒトのデータを直接比較することができ、ヒトの言語の進化に関する洞察を得ることができます。本研究では、頭皮脳波記録法を用いて、マーモセットの種特異的な発声に対する脳活動を調査しました。この研究は、頭皮EEGを使用して、音声知覚中のマーモセットの広範な神経表現を捕捉することにより、新しい洞察を提供し、既存の知識のギャップを埋めます。

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.

著者スポットライト:非侵襲的脳波を用いた小型霊長類の音声情報表現とその精神障害によるその変化の調査

覚醒したマーモセットにおける脳波測定 同種の発声を聞く 

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.

まず、マーモセットの各聴覚刺激の平均イベント関連電位(ERP)をプロットしました(図2)。聴覚誘発電位(AEP)は 、刺激 の明確な開始を反映して、ノイズ条件で顕著でした( 図1Dを参照)。通話タイプとノイズ刺激の平均ERPを比較するために、Cz応答の被験者間因子として刺激を使用した一元配置分散分析(ANOVA)を適用しました。刺激開始後13-18 ms、...

言語の進化を研究するためには、ヒトの脳のメカニズムとヒト以外の霊長類の脳のメカニズムを比較することが重要です。私たちは、覚醒状態の動物の脳波を非侵襲的に測定する方法を開発しました。これにより、人間と動物に害を与えることなく、長期的に人間と動物の脳波データを直接比較することができます。

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.

神経科学

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.