Name: В центре внимания автора: Исследование репрезентации вокальной информации у мелких приматов и ее изменения при психических расстройствах с помощью неинвазивной ЭЭГ
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 ...

Эта работа была поддержана проектом Хакуби Киотского университета, Грант на сложные исследования (пионерство) (No 22K18644), Грант на научные исследования (C) (No 22K12745), Грант на научные исследования (B) (No 21H02851) и Грант на научные исследования (A) (No 19H01039). Мы хотели бы поблагодарить Editage (www.editage.jp) за редактирование на английском языке.

Все эксперименты были одобрены Комитетом по экспериментам на животных EHUB (No.2022-003, 2023-104) и проведены в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных приматов, опубликованным EHUB. Для эксперимента использовали девять обыкновенных игрунок (Callithrix jacchus, шесть самцов ...

Неинвазивная ЭЭГ для сравнительных исследований вокального восприятия у мартышек

На что следует обратить внимание при анестезии Были предприняты попытки введения как кетамина, так и ксилазина, и хотя они являются обезболивающими и поэтому подходят для длительных болезненных задач, мартышки, как правило, испытывают снижение уровня кислорода в крови без<sup...

Приматы используют видоспецифичные вокализации для передачи биологически важной информации, такой как эмоциональное состояние звонящего или намерение поддерживать социальные связи, присутствие хищников или другие опасные ситуации. Исследование нейронных механизмов, лежащих в основе восприятия вокализации у богатых голосом нечеловекообразных приматов, может дать нам важные ключи к лучшему пониманию эволюционного происхождения человеческого языка.
Обыкновенные игрунки – это небольшие приматы, обитающие в Южной Америке. В последние годы мартышки все чаще используются в качестве модельных животных, наряду с макаками, из-за их высокой репродуктивности, простоты использования благодаря их небольшому размеру и развития полезных трансгенных методов 1,2,3. В дополнение к их полезности в качестве моделей заболеваний, богатая голосовая коммуникация в группах является еще одной уникальной характеристикой этого вида 4,5,6,7. Мартышки регулярно обмениваются голосовыми сигналами для общения с невидимыми сородичами в лесу. Изучая мозговую активность, участвующую в вокальном восприятии и производстве у мартышек, мы можем определить, как они обрабатывают слуховую информацию своих собственных или родственных звуков в мозге, и определить, какие нейронные цепи задействованы. Предыдущие исследования продемонстрировали нейронную активность в первичной слуховой коре 8,9,10,11,12 и лобной коре 13,14, участвующих в производстве вокала у мартышек. Кроме того, эти возбужденные и подавленные нейронные реакции модулировались слухово-вокальными взаимодействиями в первичной слуховой коре 8,10. Эти исследования предоставили подробные данные о нейронной активности на уровне одного нейрона с использованием инвазивных методов записи. Многочисленные исследования дополнительно изучили нейронную активность, участвующую в производстве голоса мартышки; Тем не менее, вокальное восприятие остается плохо изученным15,16.
Несколько неинвазивных исследований визуализации мозга пролили свет на нейронные механизмы обработки голоса у мартышек 17,18,19; Их высокое пространственное разрешение является преимуществом, однако поддержание животных в бодрствующем состоянии во время сканирования требует передовых технологий. Однако совсем недавно Jafari et al. идентифицировали лобно-височные области, участвующие в голосовом восприятии у бодрствующих мартышек, с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ)19. Почти все эксперименты по выяснению функций мозга, участвующих в восприятии и воспроизведении голоса у человека, проводились с использованием неинвазивных методов, таких как электроэнцефалография скальпа (ЭЭГ), магнитоэнцефалография (МЭГ)20,21 и фМРТ 22,23,24. Многочисленные исследования на людях изучали активность мозга, связанную с голосовым восприятием с помощью ЭЭГ. Большинство этих исследований были сосредоточены на эмоциональной информации 25,26,27 и значимости эмоциональных слов28, при этом результаты выявили изменения в потенциалах, связанных с событиями, во время вокального восприятия29. Электрокортикография (ЭКоГ) и запись однонейронов с использованием внутричерепно имплантированных электродов у людей проводились только в ограниченном числе экспериментов у пациентов, проходящих нейрохирургическое лечение30,31.
Эволюционная перспектива, сравнивающая людей с обезьянами, важна для понимания уникальных нейронных механизмов, лежащих в основе восприятия и производства голоса, которые развились у людей. Чтобы напрямую сравнить нейронные механизмы, участвующие в восприятии речи и вокализации у богатых голосом приматов, таких как мартышки, с людьми, важно сравнить данные между двумя видами с использованием одного и того же метода. Функциональная МРТ позволяет визуализировать весь мозг и имеет высокое пространственное разрешение. Его преимущество заключается в том, что он регистрирует активность перпендикулярно черепу или в глубоких областях, которые трудно зарегистрировать с помощью ЭЭГ или МЭГ. Тем не менее, аппарат МРТ дорог в установке и обслуживании, и существует множество ограничений на стимулы, которые могут быть предъявлены из-за особенностей устройства. Для сравнения, ЭЭГ, потенциалы, связанные с событиями (ERPs) и МЭГ имеют высокое временное разрешение, что делает их полезными для анализа обработки голоса во временных рядах. В частности, ЭЭГ обладает такими преимуществами, как высокая мобильность и возможность использования в различных экспериментальных условиях, относительно низкая стоимость и потребность всего в одном операторе.
Поскольку на людях уже получен большой объем данных ЭЭГ, для нечеловекообразных приматов необходимы методы измерения ЭЭГ с использованием неинвазивных парадигм. Наша исследовательская группа разработала уникальный неинвазивный метод записи ЭЭГ с использованием трубок32 для макак и мартышек. Здесь мы сообщаем о нескольких новых открытиях относительно обработки слуховой информации у нечеловекообразных приматов 33,34,35,36,37. Чтобы охарактеризовать активность мозга в ответ на видоспецифичные вокализации у мартышек, мы создали экспериментальную систему для неинвазивной регистрации активности мозга с помощью электродов, размещенных на коже головы. В данном исследовании мы описываем метод измерения ЭЭГ для мартышек.

<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 

Голосовая коммуникация играет решающую роль в социальных взаимодействиях приматов, особенно в выживании и социальной организации. Люди разработали уникальную и продвинутую стратегию голосовой коммуникации в форме языка. Чтобы изучить эволюцию человеческого языка, необходимо исследовать нейронные механизмы, лежащие в основе обработки голоса у человека, а также понять, как развивались механизмы мозга, сравнивая их с таковыми у нечеловекообразных приматов. В данной работе мы разработали метод неинвазивного измерения электроэнцефалографии (ЭЭГ) бодрствующих нечеловекообразных приматов. Этот метод записи позволяет проводить долгосрочные исследования без вреда для животных и, что важно, позволяет нам напрямую сравнивать данные ЭЭГ приматов с данными человека, что дает представление об эволюции человеческого языка. В данном исследовании мы использовали метод записи ЭЭГ кожи головы для изучения активности мозга в ответ на видоспецифичные вокализации у мартышек. Это исследование дает новые идеи за счет использования ЭЭГ кожи головы для захвата широко распространенных нейронных представлений у мартышек во время голосового восприятия, заполняя пробелы в существующих знаниях.

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.

В центре внимания автора: Исследование репрезентации вокальной информации у мелких приматов и ее изменения при психических расстройствах с помощью неинвазивной ЭЭГ

Электроэнцефалографические измерения у бодрствующих игрунок, слушающих конвидовые вокализации 

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.

Во-первых, мы построили график средних потенциалов, связанных с событиями (ERP) для каждого слухового стимула у мартышек (рис. 2). Слуховой вызванный потенциал (AEP) был заметен в состоянии шума , отражая четкое начало стимулов (см. рисунок 1D). Чтобы сравнит...

Для изучения эволюции языка важно сравнить механизмы работы мозга человека с механизмами работы мозга у приматов. Мы разработали метод неинвазивного измерения электроэнцефалографии (ЭЭГ) у бодрствующих животных. Это позволяет нам напрямую сравнивать данные ЭЭГ между людьми и животными в долгосрочной перспективе, не причиняя им вреда.

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.

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.