Name: Yazar Gündemi: Küçük Primatlarda Vokal Bilgi Temsilinin ve Noninvaziv EEG Kullanılarak Psikiyatrik Bozukluklarla Değiştirilmesinin İncelenmesi
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 ...

Bu çalışma, Kyoto Üniversitesi'nin Hakubi Projesi, Zorlu Araştırmalar için Yardım Hibesi (Öncülük) (No.22K18644), Bilimsel Araştırma Hibesi (C) (No. 22K12745), Bilimsel Araştırma Hibesi (B) (No. 21H02851) ve Bilimsel Araştırma için Yardım Hibesi (A) (No. 19H01039) tarafından desteklenmiştir. İngilizce dil düzenlemesi için Editage'a (www.editage.jp) teşekkür ederiz.

Tüm deneyler EHUB Hayvan Deneyleri Komitesi (No.2022-003, 2023-104) tarafından onaylanmış ve EHUB tarafından yayınlanan Laboratuvar Primatlarının Bakım ve Kullanım Kılavuzu'na uygun olarak yürütülmüştür. Deney için dokuz yaygın marmoset (Callithrix jacchus, altı erkek ve üç dişi, 2-12 yaş, 330-490 g ağırlığında) kullanıldı.
1. Hayvanlar
<ol><li>Marmosetleri yuva kutuları, ahşap tünekler ve diğer zenginleştirme cihazlarıyla donat?...

Marmosetlerde Vokal Algının Karşılaştırmalı Çalışmaları için Noninvaziv EEG

Anestezi ile ilgili dikkat edilmesi gereken noktalar Hem ketamin hem de ksilazin uygulaması denenmiştir ve bunlar analjezik iken ve bu nedenle uzun ağrılı görevler için uygun olsa da, marmosetler oksijen solunması olmadan kan oksijen seviyelerinde azalma yaşama eğilimindedir44. Kısacası, alfaxalon muhtemelen tıraş veya maske yapımı gibi ağrısız görevler için en uygun olanıdır. Ayrıca sadece 10-15 dakika süren tıraş için inhalasyon anestezisi en uygun...

Primatlar, arayanın duygusal durumu veya sosyal bağları sürdürme niyeti, yırtıcıların varlığı veya diğer tehlikeli durumlar gibi biyolojik olarak önemli bilgileri iletmek için türe özgü seslendirmeler kullanır. Ses bakımından zengin insan olmayan primatlarda seslendirme algısının altında yatan sinirsel mekanizmaların araştırılması, insan dilinin evrimsel kökenlerini daha iyi anlamak için bize kritik ipuçları sağlayabilir.
Ortak marmosetler, Güney Amerika'ya özgü küçük primatlardır. Son yıllarda, marmosetler, yüksek üremeleri, küçük boyutları nedeniyle kullanım kolaylığı ve yararlı transgenik tekniklerin geliştirilmesi nedeniyle makak maymunlarının yanı sıra model hayvanlar olarak giderek daha fazla kullanılmaktadır 1,2,3. Hastalık modelleri olarak faydalarına ek olarak, gruplar içindeki zengin sesli iletişim, bu türün bir başka benzersiz özelliğidir 4,5,6,7. Marmosetler, ormandaki görünmez türdeşlerle iletişim kurmak için rutin olarak ses sinyalleri alışverişinde bulunurlar. Marmosetlerde ses algısı ve üretiminde yer alan beyin aktivitesini inceleyerek, beyindeki kendi veya türdeş çağrılarının işitsel bilgilerini nasıl işlediklerini belirleyebilir ve hangi nöral devrelerin dahil olduğunu belirleyebiliriz. Önceki çalışmalar, marmosetlerde vokal üretiminde yer alan birincil işitsel korteks 8,9,10,11,12 ve frontal korteks 13,14'te nöral aktivite göstermiştir. Ayrıca, bu uyarılmış ve bastırılmış nöronal tepkiler, birincil işitsel korteksteki işitsel-vokal etkileşimler tarafından modüle edildi 8,10. Bu çalışmalar, invaziv kayıt yöntemleri kullanılarak tek nöron düzeyinde ayrıntılı nöral aktivite verileri sağlamıştır. Çok sayıda çalışma, marmoset ses üretiminde yer alan nöral aktiviteyi daha fazla incelemiştir; Bununla birlikte, ses algısı tam olarak anlaşılamamıştır15,16.
Birkaç noninvaziv beyin görüntüleme çalışması, marmosetlerde vokal işlemenin nöral mekanizmalarını aydınlatmıştır 17,18,19; Yüksek uzamsal çözünürlükleri bir avantajdır, ancak tarama sırasında hayvanları uyanık durumda tutmak ileri teknikler gerektirir. Bununla birlikte, daha yakın zamanlarda, Jafari ve ark. fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) kullanarak uyanık marmosetlerde vokal algıda yer alan frontotemporal bölgeleri tanımladılar19. İnsanlarda ses algısı ve üretiminde yer alan beyin fonksiyonlarını aydınlatmaya yönelik hemen hemen tüm deneyler, kafa derisi elektroensefalografisi (EEG), manyetoensefalografi (MEG)20,21 ve fMRI 22,23,24 gibi invaziv olmayan yöntemler kullanılarak yapılmıştır. İnsanlarda yapılan çok sayıda çalışma, EEG kullanarak ses algısı ile ilgili beyin aktivitesini araştırmıştır. Bu çalışmaların çoğu duygusal bilgi25,26,27 ve duygusal kelimelerin belirginliği28 üzerine odaklanmıştır ve sonuçlar ses algısı29 sırasında olayla ilgili potansiyellerdeki değişiklikleri ortaya koymuştur. İnsanlarda intrakraniyal olarak implante edilmiş elektrotlar kullanılarak yapılan elektrokortikografi (ECoG) ve tek nöron kayıtları, nöroşirürji tedavisi gören hastalarda yalnızca sınırlı sayıda deneyde gerçekleştirilmiştir30,31.
İnsanları maymunlarla karşılaştıran evrimsel bir bakış açısı, insanlarda gelişen ses algısı ve üretiminin altında yatan benzersiz sinirsel mekanizmaları anlamak için önemlidir. Marmoset gibi ses açısından zengin insan olmayan primatlarda konuşma algısı ve seslendirme ile ilgili sinirsel mekanizmaları insanlarla doğrudan karşılaştırmak için, aynı yöntemi kullanarak iki tür arasındaki verileri karşılaştırmak önemlidir. Fonksiyonel MRG, tüm beyin görüntülemesine izin verir ve yüksek uzamsal çözünürlüğe sahiptir. Kafatasına dik olarak veya EEG veya MEG ile kaydedilmesi zor olan derin bölgelerde aktivite kaydetme avantajına sahiptir. Bununla birlikte, MRI makinesinin kurulumu ve bakımı pahalıdır ve cihazın doğası gereği sunulabilecek uyaranlar üzerinde birçok kısıtlama vardır. Karşılaştırıldığında, EEG, olayla ilgili potansiyeller (ERP'ler) ve MEG, yüksek bir zamansal çözünürlüğe sahiptir, bu da onları zaman serisi vokal işlemeyi analiz etmek için kullanışlı kılar. Özellikle, EEG, yüksek mobilite ve çeşitli deneysel ortamlarda kullanılabilme yeteneği, nispeten düşük maliyet ve sadece tek bir operatör gereksinimi gibi avantajlara sahiptir.
İnsanlarda zaten büyük miktarda EEG verisi elde edildiğinden, insan olmayan primatlar için non-invaziv paradigmaları kullanan EEG ölçüm yöntemlerine ihtiyaç vardır. Araştırma grubumuz, makaklar ve marmosetler için tüpler32'yi kullanarak benzersiz bir noninvaziv EEG kayıt yöntemi geliştirdi. Burada, insan olmayan primatlarda işitsel işleme ile ilgili birkaç yeni bulgu bildiriyoruz 33,34,35,36,37. Marmosetlerdeki türe özgü seslendirmelere yanıt olarak beyin aktivitesini karakterize etmek için, kafa derisine yerleştirilen elektrotları kullanarak beyin aktivitesini noninvaziv olarak kaydetmek için deneysel bir sistem oluşturduk. Bu çalışmada marmosetler için EEG ölçüm yöntemi anlatılmıştır.

<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 

Sesli iletişim, primatların sosyal etkileşimlerinde, özellikle hayatta kalma ve sosyal organizasyonda çok önemli bir rol oynar. İnsanlar, dil biçiminde benzersiz ve gelişmiş bir sesli iletişim stratejisi geliştirdiler. İnsan dilinin evrimini incelemek için, insanlarda ses işlemenin altında yatan sinirsel mekanizmaları araştırmak ve beyin mekanizmalarının insan olmayan primatlardaki mekanizmalarla karşılaştırarak nasıl evrimleştiğini anlamak gerekir. Burada, uyanık insan olmayan primatların elektroensefalografisini (EEG) noninvaziv olarak ölçmek için bir yöntem geliştirdik. Bu kayıt yöntemi, hayvanlara zarar vermeden uzun vadeli çalışmalara izin verir ve daha da önemlisi, insan olmayan primat EEG verilerini insan verileriyle doğrudan karşılaştırmamıza olanak tanır ve insan dilinin evrimi hakkında fikir verir. Bu çalışmada, marmosetlerde türe özgü seslendirmelere yanıt olarak beyin aktivitesini araştırmak için kafa derisi EEG kayıt yöntemini kullandık. Bu çalışma, vokal algı sırasında marmosetlerde yaygın nöral temsilleri yakalamak ve mevcut bilgilerdeki boşlukları doldurmak için kafa derisi EEG'sini kullanarak yeni bilgiler sağlar.

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.

Yazar Gündemi: Küçük Primatlarda Vokal Bilgi Temsilinin ve Noninvaziv EEG Kullanılarak Psikiyatrik Bozukluklarla Değiştirilmesinin İncelenmesi

Uyanık Marmosetlerde Elektroensefalografi Ölçümleri: Türgül Seslendirmelerin Dinlenmesi 

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.

İlk olarak, marmosetlerdeki her bir işitsel uyaran için ortalama olayla ilgili potansiyelleri (ERP'ler) çizdik (Şekil 2). İşitsel uyarılmış potansiyel (AEP), uyaranların net başlangıcını yansıtan Gürültü durumunda belirgindi. Çağrı türleri ve gürültü uyaranları arasındaki ortalama ERP'leri karşılaştırmak için, Cz yanıtında denekler arası faktör olarak uyaranlarla tek yönlü bir varyans analizi (ANOVA) uyguladık. Uy...

Dilin evrimini incelemek için, insanlardaki beyin mekanizmalarını insan olmayan primatlardaki mekanizmalarla karşılaştırmak önemlidir. Uyanık hayvanların elektroensefalografisini (EEG) noninvaziv olarak ölçmek için bir yöntem geliştirdik. İnsanlar ve hayvanlar arasındaki EEG verilerini, onlara zarar vermeden uzun vadede doğrudan karşılaştırmamızı sağlar.

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.

Nörobilim

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.