Name: Autor em destaque: Investigando a representação da informação vocal em pequenos primatas e sua alteração por transtornos psiquiátricos usando EEG não 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 ...

Este trabalho foi apoiado pelo Projeto Hakubi da Universidade de Kyoto, Subsídio de Ajuda para Pesquisa Desafiadora (Pioneiro) (No.22K18644), Subsídio de Ajuda para Pesquisa Científica (C) (Nº 22K12745), Subsídio de Ajuda para Pesquisa Científica (B) (Nº 21H02851) e Subsídio de Ajuda para Pesquisa Científica (A) (Nº 19H01039). Gostaríamos de agradecer à Editage (www.editage.jp) pela edição em inglês.

Todos os experimentos foram aprovados pelo Comitê de Experimentação Animal do EHUB (nº 2022-003, 2023-104) e conduzidos de acordo com o Guia de Cuidados e Uso de Primatas de Laboratório publicado pelo EHUB. Nove saguis comuns (Callithrix jacchus, seis machos e três fêmeas, de 2 a 12 anos, pesando 330-490 g) foram utilizados para o experimento.
1. Animais
<ol><li>Alojar os saguis em gaiolas individuais equipadas com caixas-ninho, poleiros de madeira e outros d...

EEG não invasivo para estudos comparativos da percepção vocal em saguis

Pontos a serem observados sobre anestesia Tanto a administração de cetamina quanto a xilazina foram tentadas e, embora sejam analgésicas e, portanto, adequadas para tarefas longas e dolorosas, os saguis tendem a apresentar diminuição nos níveis de oxigênio no sangue sem inalação de oxigênio44. Em suma, o alfaxalon é provavelmente mais adequado para tarefas indolores, como barbear ou fazer máscaras. Além disso, para o barbear, que leva apenas 10-15 min, a anestesia ...

Os primatas usam vocalizações específicas da espécie para transmitir informações biologicamente importantes, como o estado emocional do chamador ou a intenção de manter laços sociais, a presença de predadores ou outras situações perigosas. A investigação dos mecanismos neurais subjacentes à percepção da vocalização em primatas não humanos ricos em vocais pode nos fornecer pistas críticas para entender melhor as origens evolutivas da linguagem humana.
Os saguis-comuns são pequenos primatas nativos da América do Sul. Nos últimos anos, os saguis têm sido cada vez mais utilizados como animais modelo, ao lado dos macacos, devido à sua alta reprodutividade, facilidade de uso devido ao seu pequeno tamanho e desenvolvimento de técnicas transgênicas úteis 1,2,3. Além de sua utilidade como modelos de doenças, a rica comunicação vocal dentro dos grupos é outra característica única dessa espécie 4,5,6,7. Os saguis rotineiramente trocam sinais vocais para se comunicar com coespecíficos invisíveis na floresta. Ao examinar a atividade cerebral envolvida na percepção e produção vocal em saguis, podemos determinar como eles processam as informações auditivas próprias ou de chamadas coespecíficas no cérebro e identificar quais circuitos neurais estão envolvidos. Estudos anteriores demonstraram atividade neural no córtex auditivo primário8,9,10,11,12 e no córtex frontal13,14 envolvidos na produção vocal em saguis. Além disso, essas respostas neuronais excitadas e suprimidas foram moduladas por interações auditivo-vocais no córtex auditivo primário 8,10. Esses estudos forneceram dados detalhados de atividade neural no nível de um único neurônio usando métodos de registro invasivos. Numerosos estudos examinaram ainda mais a atividade neural envolvida na produção vocal do sagui; no entanto, a percepção vocal permanece pouco compreendida15,16.
Vários estudos não invasivos de imagem cerebral elucidaram os mecanismos neurais do processamento vocal em saguis 17,18,19; Sua alta resolução espacial é uma vantagem, no entanto, manter os animais acordados durante a varredura requer técnicas avançadas. No entanto, mais recentemente, Jafari et al. identificaram regiões frontotemporais envolvidas na percepção vocal em saguis acordados por meio de ressonância magnética funcional (fMRI)19. Quase todos os experimentos para elucidar as funções cerebrais envolvidas na percepção e produção vocal em humanos foram conduzidos usando métodos não invasivos, como eletroencefalografia do couro cabeludo (EEG), magnetoencefalografia (MEG)20,21 e fMRI22,23,24. Numerosos estudos em humanos investigaram a atividade cerebral relacionada à percepção vocal usando EEG. A maioria desses estudos tem se concentrado na informação emocional 25,26,27 e na saliência das palavras emocionais 28, com os resultados revelando mudanças nos potenciais relacionados a eventos durante a percepção vocal29. A eletrocorticografia (ECoG) e os registros de neurônios únicos usando eletrodos implantados intracranialmente em humanos foram conduzidos apenas em um número limitado de experimentos em pacientes submetidos a tratamento neurocirúrgico30,31.
Uma perspectiva evolutiva comparando humanos com macacos é importante para entender os mecanismos neurais únicos subjacentes à percepção e produção vocal que se desenvolveram em humanos. Para comparar diretamente os mecanismos neurais envolvidos na percepção da fala e vocalização em primatas não humanos ricos em vocais, como o sagui, com humanos, é importante comparar os dados entre as duas espécies usando o mesmo método. A ressonância magnética funcional permite imagens de todo o cérebro e tem uma alta resolução espacial. Tem a vantagem de registrar a atividade perpendicular ao crânio ou em regiões profundas que são difíceis de registrar com EEG ou MEG. No entanto, a máquina de ressonância magnética é cara de instalar e manter, e há muitas restrições nos estímulos que podem ser apresentados devido à natureza do dispositivo. Em comparação, EEG, potenciais relacionados a eventos (ERPs) e MEG têm alta resolução temporal, tornando-os úteis para analisar o processamento vocal de séries temporais. Em particular, o EEG tem as vantagens de alta mobilidade e a capacidade de ser usado em uma variedade de ambientes experimentais, custo relativamente baixo e a necessidade de apenas um único operador.
Uma vez que uma grande quantidade de dados de EEG já foi obtida em humanos, métodos de medição de EEG usando paradigmas não invasivos são necessários para primatas não humanos. Nosso grupo de pesquisa desenvolveu um método único de gravação de EEG não invasivo usando tubos32 para macacos e saguis. Aqui, relatamos vários novos achados sobre o processamento auditivo em primatas não humanos 33,34,35,36,37. Para caracterizar a atividade cerebral em resposta a vocalizações específicas da espécie em saguis, construímos um sistema experimental para registrar de forma não invasiva a atividade cerebral usando eletrodos colocados no couro cabeludo. Neste estudo, descrevemos o método de medição de EEG para saguis.

<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 

A comunicação vocal desempenha um papel crucial nas interações sociais dos primatas, particularmente na sobrevivência e na organização social. Os humanos desenvolveram uma estratégia de comunicação vocal única e avançada na forma de linguagem. Para estudar a evolução da linguagem humana, é necessário investigar os mecanismos neurais subjacentes ao processamento vocal em humanos, bem como entender como os mecanismos cerebrais evoluíram, comparando-os com os de primatas não humanos. Aqui, desenvolvemos um método para medir de forma não invasiva o eletroencefalografia (EEG) de primatas não humanos acordados. Esse método de registro permite estudos de longo prazo sem prejudicar os animais e, mais importante, nos permite comparar diretamente os dados de EEG de primatas não humanos com os dados humanos, fornecendo informações sobre a evolução da linguagem humana. No presente estudo, usamos o método de gravação de EEG do couro cabeludo para investigar a atividade cerebral em resposta a vocalizações específicas da espécie em saguis. Este estudo fornece novos insights usando o EEG do couro cabeludo para capturar representações neurais generalizadas em saguis durante a percepção vocal, preenchendo lacunas no conhecimento existente.

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 em destaque: Investigando a representação da informação vocal em pequenos primatas e sua alteração por transtornos psiquiátricos usando EEG não invasivo

Medidas de eletroencefalografia em saguis acordados ouvindo vocalizações coespecíficas 

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.

Primeiramente, plotamos os potenciais médios relacionados a eventos (ERPs) para cada estímulo auditivo nos saguis (Figura 2). O potencial evocado auditivo (PEA) foi proeminente na condição Ruído , refletindo o início claro dos estímulos (ver Figura 1D). Para comparar os ERPs médios entre tipos de chamada e estímulos de ruído, aplicamos uma análise de variância unidirecional (ANOVA) com estímulos como o fator entre os sujeitos na resposta Cz...

Para estudar a evolução da linguagem, é importante comparar os mecanismos cerebrais em humanos com os de primatas não humanos. Desenvolvemos um método para medir de forma não invasiva o eletroencefalografia (EEG) de animais acordados. Isso nos permite comparar diretamente os dados de EEG entre humanos e animais a longo prazo sem prejudicá-los.

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.

Neurociência

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.