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方法文章

训练犬只进行清醒、无约束的功能性磁共振成像

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DOI：

10.3791/60192

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2019年10月13日

 ,  ,  , 
1Department of Psychology, Auburn University, 2Canine Performance Sciences Program, College of Veterinary Medicine, Auburn University, 3AU MRI Research Center, Department of Electrical & Computer Engineering, Auburn University, 4Alabama Advanced Imaging Consortium, 5Center for Neuroscience, Auburn University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

对自由活动的清醒犬进行磁共振成像（MRI）是一种新兴方法，相较于使用物理或化学约束的成像方式具有多项优势。本方案介绍了一种经济高效的训练方法，最大限度减少在成本较高的MRI环境中进行的训练，从而扩大可用于犬类功能磁共振成像的研究对象群体。

摘要

我们介绍一种经济高效的犬类功能性磁共振成像（fMRI）训练方案，适用于高能量犬只，可用于获取功能性和结构性数据。该方法通过在多个不同环境中进行定位行为（stationing）的泛化训练，使犬只在清醒且无束缚状态下完成fMRI扫描，而无需在昂贵的MRI扫描环境中进行长时间训练，从而实现行为向真实MRI扫描环境的顺利迁移。此外，该方法将定位行为（如下巴托固定）的训练与对MRI环境的脱敏训练（如超过100分贝的扫描声音）相分离，后者通过专门的听觉暴露条件化训练会话完成。完整的训练与测试方案共耗时14小时，并实现了向新环境的即时迁移。我们还展示了来自视觉面孔处理和嗅觉辨别范式的犬类fMRI数据示例。

引言

对未束缚的清醒犬进行磁共振成像（MRI）是一种新兴方法，为研究犬脑的结构与功能提供了全新的途径。首次关于未束缚清醒犬磁共振成像数据采集的公开报道分别发表于2009年（结构成像）和2012年（功能成像）1,2。利用功能磁共振成像（fMRI）研究未束缚清醒犬脑功能具有多项优势。首先，数据采集方式与人类研究相似，因此结果在不同物种间的可推广性更强3。其次，无需使用麻醉，避免了任何不良的后续影响。第三，麻醉会改变脑活动状态，因此在无麻醉条件下能更准确地评估认知功能4。第四，尽管通过液体/食物剥夺和物理束缚可使研究人员对未麻醉动物（如啮齿类、鸟类和灵长类模型）进行研究，但这些动物的认知状态可能与其未被剥夺且自由活动的同类存在显著差异3。

目前，全球共有五个实验室正在对清醒状态下的狗进行扫描（美国亚特兰大；美国奥本；匈牙利布达佩斯；墨西哥克雷塔罗；奥地利维也纳），但尚无标准化的方法用于训练犬只主动接受磁共振成像（MRI）扫描5,6,7。所有训练方法的共同目标是训练犬只在较长时间内保持静止，这是获取高质量脑部扫描图像的必要条件。尽管这些方法均基于强化学习原理，但具体实施方式各不相同，而这种差异对研究结果的影响目前尚不清楚。因此，若某种建议的训练方法被接受并广泛采用，可能有助于减少数据中部分不必要的变异。本文重点介绍在MRI扫描仪中进行定点停留的训练方法。MRI扫描成本较高，我们所开发的该方法旨在具有成本效益，从而可推广至全球范围内无法常规使用MRI设备进行训练的驯犬人员。

该方法包括两个主要部分：训练和测试。训练分为两个阶段：第一阶段是在开放环境中训练犬只完成“触鼻”（即“定位”）动作，第二阶段是在模拟磁共振成像（MRI）设备中训练犬只定位。对MRI的脱敏训练贯穿于整个训练阶段，并在独立且专门设置的听觉暴露训练环节中进行。测试部分则包括在五个不同测试地点的便携式模拟MRI设备中完成定位任务。该测试阶段的目的是使定位行为得以泛化，从而促进向真实MRI环境的迁移。整体实验流程总结如下： 图1.

训练与测试时间线示意图；听觉暴露及跨周转移的MRI阶段。
图1：实验方案时间线。 本方案时间线分为两个部分：训练与测试。训练部分进一步分为两个阶段：开放环境阶段和模拟MRI阶段。在训练期间还单独安排了听觉暴露环节。测试部分包括在五个不同转移地点（T1-T5）的便携式模拟MRI设备中进行定位训练。当犬只在五个不同的转移地点均达到定位行为泛化的标准后，即可进入真实MRI环境进行数据采集。请点击此处查看此图的放大版本。

根据训练阶段的不同，每只犬每周的训练和测试需要25至75分钟：包括一次10分钟的听觉暴露训练，以及两次或以上每次5至30分钟的定点停留训练。本方案可在25周内完成。在转移测试阶段，犬只在五个不同地点使用便携式模拟磁共振成像设备（磁体孔径、射频线圈、90分贝以上音频、耳部衬垫）执行多次持续5分钟的静止俯卧/停留及下巴放置动作。转移测试每周进行一次，每次持续30至60分钟，连续进行五周。在磁共振成像（MRI）测试阶段，犬只在真实MRI扫描仪中执行结构和功能数据采集，整个过程持续60分钟，在此期间多次完成最终的定点停留行为。

在整个训练和测试过程中，下颌支撑（chin rest）是关注的核心行为。下颌支撑是指犬只在接收到某种目标提示（例如“rest”）后，将其下颌接触至某一物体表面的行为。该目标提示可以是物理性的（例如手势、诱导）、言语性的（例如口令“rest”）或物体性的（例如直接提供下颌支撑装置本身）。熟练地完成下颌目标行为对于限制头部运动至关重要。在本方案中，下颌支撑行为通过条件作用建立，并在多种情境（不同支撑装置、多个地点）中得以维持和泛化，目标持续时间逐步延长（最长可达五分钟）。此外，训练者还需建立并维持犬只对“趴下”（down）和“保持”（stay）行为的稳定表现，以及对释放口令“Okay”、条件性强化信号兼行为标记音“click”和持续进行信号（KGS）“good”的良好刺激控制8。在整个方案过程中，多种刺激物和装置将在特定阶段和特定时间段内依次引入。这些材料易于获取且成本低廉。详细信息请见《材料表》。

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方案

这些方法的伦理审批已由中国 Auburn 大学机构动物护理和使用委员会批准，所有方法均按照其指南和规定进行。对于听觉暴露，训练阶段的进展依据周数进行。在定位训练阶段，必须达到特定会话规定的性能标准（例如，下巴触靶持续至少十一秒），训导员方可将犬只推进到该训练阶段的下一节训练；否则，需重复该步骤。

1. 听觉暴露实验

注意：这些训练构成对磁共振成像（MRI）扫描仪噪声产生积极条件性情绪反应（CER）的被动暴露和主动经典反 conditioning；扫描仪噪声被确立为预示可获得玩具游戏或食物奖励的刺激。暴露训练每周进行一次，每次约持续10分钟。

  1. 被动暴露（PE）阶段是指让犬只在环境噪音为 40–70 分贝（dB）的条件下，被动接触磁共振成像（MRI）扫描仪发出的声音。将犬只运送至其熟悉的活动区域，使其在行走过程中通过便携式蓝牙音箱（参见材料表）以指定音量安静播放扫描仪声音。每周进行一次，共进行三次 PE 阶段，每次播放扫描声音 10 分钟（PE1 40–60 dB，PE2 65 dB，PE3 70 dB）。
  2. 主动暴露（AE）阶段采用标准的经典条件反射范式，于完成三次 PE 阶段后开始。将犬只运送至其熟悉的室内训练室，进行十次短延迟经典条件反射程序试验（参见图 2）。
    1. 以该阶段指定的音量播放扫描声音 10 秒。
    2. 10 秒结束后，在扫描声音持续播放的同时，与犬只进行 20 秒的玩具互动（或持续给予食物奖励）。
    3. 20 秒互动结束后，从犬只处取回玩具，并暂停播放声音。随后与犬只保持安静等待 10 秒（期间无声音，犬只无玩具或食物）。
    4. 该延迟结束后，开始下一次试验。每次阶段共进行十次试验。
    5. 音量在各阶段中逐步递增。每周进行一次 AE 阶段，共持续十二周（AE1 45 dB，AE2 50 dB，AE3 55 dB，AE4 60 dB，AE5 65 dB，AE6 70 dB，AE7 75 dB，AE8 80 dB，AE9 85 dB，AE10 90 dB，AE11 100 dB，AE12 > 100 dB）。

条件化过程示意图，CS 与 US 的时序关系，音频与球刺激。
图 2：主动暴露。主动暴露（AE）是一种短延迟的经典条件化程序。 10 秒条件刺激（CS，即仅呈现扫描音频），20 秒条件刺激 + 非条件刺激（CS + US，即球与扫描音频同时呈现），10 秒延迟期（无球，无扫描音频）。此延迟期结束后，试验重新开始。每轮实验包含十次试验，且在不同实验轮次中音量逐步递增。请点击此处查看此图的放大版本。

注意：使用智能手机的录音应用程序，通过3T磁共振成像（MRI）检查室在模体扫描期间打开的门，采集以下音频：MRI扫描仪基线噪声、匀场（shim）、定位像（localizer，又称scout）、MPRAGE、GRE场强图、EPI、多频带EPI（Multiband EPI）、DTI以及RESOLVE DTI。训练期间音频播放的音量水平应通过手机分贝计应用程序确定。

2. 实验步骤安排

注意：这些训练环节分为两个阶段：开放环境和模拟磁共振成像（MRI）环境。当下巴触碰目标物体的行为学会后，持续时间按照10%的百分比梯度逐步增加。当向训练环境中逐步引入新的元素或设备时，某些行为标准（例如持续时间）会暂时放宽：
1）在定位训练环节中，训练员首先训练犬只用鼻子触碰折叠的毛巾，然后训练其将下巴放在折叠的毛巾上。随后，该下巴放置行为将泛化至泡沫材质的下颌托，并逐步延长至单次持续5分钟。
2）同时，建立并维持稳定的“趴下”和“保持”行为。
3）接着，将这些行为训练扩展至封闭空间（即隧道）以及3英尺高度的平台上。
4）随后使犬只适应头部固定装置（模拟人体四肢射频线圈）。
5）引入耳部衬垫，并在定位行为的背景下重新引入或播放扫描声音。
最终目标是使犬只能够在3英尺高的位置上，头部和身体处于封闭环境中，佩戴耳部衬垫，并在90分贝（dB）以上的扫描声音环境下，稳定完成至少持续5分钟的下巴放置行为。关于强化方式——不同犬只的内在动机存在差异，有些犬只更倾向于食物激励，而另一些则对游戏或表扬更为敏感9。在“先点击后奖励”（C/T）训练法中，“T”并不一定指食物奖励，而是泛指适用于特定犬只在特定训练阶段的任何奖励方式。尽管食物奖励有助于提高行为重复频率并减少动作幅度，但在训练初期仍可使用犬只偏好的任何形式奖励，即使涉及较大幅度的活动（例如玩球或拔河）。随着下巴触碰目标行为对干扰的抵抗能力增强以及持续时间延长，应逐步过渡到使用食物作为奖励。最终，玩具游戏可保留用于长时间或连续串联的下巴放置任务之后作为奖励。

  1. 第一阶段 - 开放环境
    1. 训练点击器。在吸引犬只注意力的同时，建立点击器“滴答”声与其主要奖励（例如食物）之间的关联。对注意力行为（身体朝向和/或眼神接触）进行多次快速的“点击-奖励”（C/T）操作；投掷零食以重置犬只位置。该训练仅进行一次。
      注：此阶段通常不超过3分钟。若训练者未观察到点击器已作为条件强化物被建立的迹象（例如，犬只在听到点击声后表现出朝向训练者或寻求奖励的行为），则可延长训练时间或重复进行。
    2. 捕捉犬只下巴触碰毛巾的行为。在犬只站立、坐或俯卧状态下，当其注视毛巾，随后进一步探查（即嗅闻）毛巾时，进行C/T。当该行为稳定出现后，对鼻部接触毛巾、进而下巴接触毛巾的行为进行C/T。逐步延长下巴接触毛巾的持续时间至2秒。
      1. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成2秒的下巴触碰目标；每次训练持续约5分钟。
        注：若犬只在此步骤中存在困难，训练者可采取以下措施：(a) 用零食在毛巾上擦拭，利用食物气味作为诱饵启动行为；和/或 (b) 先训练犬只完成鼻部触碰（鼻触手掌），再训练下巴触碰（下巴触手掌），最后引导其在毛巾上方完成下巴触碰指令。
    3. 短时长下巴触碰毛巾并加入指令。在犬只站立、坐或俯卧状态下，当其下巴接触毛巾持续1-2秒时进行C/T。在犬只即将接触或正在接触毛巾时，说出“休息”（rest）指令。在多次完成1-2秒的训练后，逐步延长至3秒、4秒、5秒、7秒。
      1. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成7秒的下巴触碰目标；每次训练持续约5分钟。
        注：应随机变化每次触碰的持续时间，避免每次训练都比前一次更长（例如：1秒、1秒、3秒、1秒、5秒、2秒、6秒、4秒、1秒、2秒、7秒，而非1秒、1秒、1秒、1秒、2秒、2秒、3秒、4秒、5秒、6秒、7秒）。
    4. 俯卧状态下下巴触碰毛巾并加入干扰。在犬只俯卧状态下，发出“休息”指令，并对持续1-5秒的下巴接触毛巾行为进行C/T。逐步加入视觉和听觉干扰，例如训练者移动手或脚（如敲击地面、晃动手指、拖动脚等）。逐步延长下巴接触毛巾的持续时间至11秒。时间增量可设为1"-5"、6"-7"、8"、9-10"、11"+。
      1. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成11秒的下巴触碰目标；每次训练持续约5分钟。
    5. 增加距离的下巴触碰毛巾训练。在犬只俯卧于折叠毛巾或一叠折叠毛巾旁时，发出“休息”指令，并对持续1-3秒的下巴接触毛巾行为进行C/T。从逐渐增加的距离发出指令（例如：坐在地上、跪姿、站立）。逐步延长下巴接触毛巾的持续时间至16秒。时间增量可设为1"-3"、4"-8"、9"-11"、12"-14"，然后16"+。
      1. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成至少16秒的下巴触碰目标；每次训练持续5至10分钟。
    6. 逐步延长时长与距离的下巴触碰毛巾训练。在犬只俯卧于折叠毛巾或一叠折叠毛巾旁时，发出“休息”指令，并对持续1-11秒的下巴接触行为进行C/T。逐步延长下巴接触毛巾的持续时间至26秒。时间增量可设为1"-11"、12"-16"、17"-19"、21"-23"、26"+。
      1. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成至少26秒的下巴触碰目标；每次训练持续5至10分钟。
    7. 引入泡沫下巴托架。对犬只探查（如嗅闻、靠近、朝向）泡沫下巴托架装置的任何行为进行C/T。在多次强化探查行为后，发出“休息”指令，并对持续1-10秒的下巴接触行为进行C/T。逐步延长持续时间至40秒。时间增量可设为1"-10"、11"-21"、23"-31"、40"+。
      1. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成至少40秒的下巴触碰目标；每次训练持续5至15分钟。
        注：泡沫下巴托架应根据每只犬的吻部尺寸定制；对于拉布拉多犬体型的犬只，泡沫托架宽度为6英寸，中间挖出一个宽4英寸、深2.5英寸的凹槽。该材料可安全用于MRI环境。
    8. 在泡沫下巴托架上进行逐步增加干扰与持续时间的训练。在犬只俯卧于泡沫下巴托架旁时，发出“休息”指令，并对持续1"-23"的下巴接触行为进行C/T。逐步加入视觉和听觉干扰。逐步延长持续时间至73秒，需在有无干扰条件下均能完成。时间增量可设为1"-23"、26"-31"、34"-45"、50"-60"、73"+。
      1. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成至少73秒的下巴触碰目标；每次训练持续5至15分钟。
  2. 第二阶段 - 模拟MRI
    注：为组装固定式模拟MRI装置，需准备一个隧道（模拟MRI孔道，使用直径70厘米的纸板混凝土模具管，截取六英尺长，并置于一张三英尺高的折叠桌上）、一块胶合板平台、一个亚克力模拟射频（RF）接收线圈、泡沫下巴托架装置以及一套扬声器系统（参见材料表）。使用两块胶合板支架将模拟孔道固定在桌面上。在模拟RF线圈内侧安装缓冲垫，以保护犬只耳朵，并提供额外的头部稳定和位置反馈。
    1. 在降低时长要求下引入孔道与抬高平台。首次训练时，将模拟孔道置于地面。引导犬只进入隧道并趴在平台上，进行C/T。发出“休息”指令，对犬只在地面孔道内泡沫下巴托架上任何时长的下巴接触行为进行C/T。
      1. 后续训练中，将模拟孔道抬高至3英尺。引导犬只跳跃或将其抬入抬高的孔道内，进行C/T。
      2. 发出指令让犬只趴下，进行C/T。
      3. 发出“休息”指令，对犬只在抬高孔道内泡沫下巴托架上持续1-12秒的下巴接触行为进行C/T。
      4. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成至少16秒的下巴触碰目标；每次训练持续5至15分钟。
    2. 抬高下巴托架并逐步延长时长。引导犬只跳跃或将其抬入模拟孔道。发出指令让犬只趴下，进行C/T。
      1. 发出“休息”指令，对犬只在抬高孔道内泡沫下巴托架上持续1-12秒的下巴接触行为进行C/T。
      2. 逐步延长至60秒。时间增量可设为1"-12"、16"-23"、26"-45"、60"+。
      3. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成至少60秒的下巴触碰目标；每次训练持续5至15分钟。
    3. 在无抬高条件下引入模拟射频（RF）线圈并缩短时长。训练者坐在地面，靠近模拟RF线圈和泡沫下巴托架，对犬只探查该装置（如嗅闻、靠近、朝向）的任何行为进行C/T。
      1. 发出“休息”指令，使用鼻触或食物诱饵引导犬只头部穿过模拟RF线圈并置于泡沫下巴托架上，对持续1-5秒的下巴接触行为进行C/T。
      2. 逐步延长至30秒。时间增量可设为1"-5"、6"-12"、16"-26"、30"+。
      3. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成30秒的穿过模拟RF线圈的下巴触碰目标；每次训练持续5至15分钟。
    4. 在抬高孔道内使用模拟RF线圈进行下巴托架训练。将模拟RF线圈和泡沫下巴托架置于模拟孔道内，引导犬只跳跃或将其抬入孔道。
      1. 发出“躺下”和“休息”指令，对持续1-5秒的下巴接触行为进行C/T。
      2. 逐步延长至50秒。时间增量可设为1"-5"、6"-12"、16"-26"、28"-37"、50"+。
      3. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成50秒的在抬高孔道内穿过模拟RF线圈的下巴触碰目标；每次训练持续5至15分钟。
    5. 在抬高孔道内使用模拟RF线圈并逐步增加干扰与时长。将模拟RF线圈和泡沫下巴托架置于模拟孔道内，引导犬只跳跃或将其抬入孔道。
      1. 发出“躺下”和“休息”指令，对持续1-12秒的下巴接触行为进行C/T。
      2. 逐步加入视觉和听觉干扰。逐步延长至100秒（1分40秒），需在有无干扰条件下均能完成。
      3. 时间增量可设为1"-12"、16"-37"、41"-60"、66"-88"（1分6秒至1分28秒）、100"+（1分40秒以上）。
      4. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成100秒的下巴触碰目标；每次训练持续5至15分钟。
    6. 引入耳部缓冲垫，初始时长缩短。将犬只抬入或引导其跳跃进入孔道，发出“躺下”指令，为其佩戴耳部缓冲垫，并对任何时长的耐受耳垫且无过度移动的行为进行C/T。
      1. 发出“休息”指令，对持续1-5秒的下巴接触行为进行C/T。逐步延长至60秒。时间增量可设为1"-5"、6"-26"、28"-45"、60"+。
      2. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成60秒的在模拟孔道内佩戴耳垫的下巴触碰目标；每次训练持续5至15分钟。
    7. 在模拟RF线圈内使用耳垫并逐步延长时长与增加干扰。将犬只抬入或引导其跳跃进入孔道，发出“躺下”和“休息”指令，为其佩戴耳垫，并对持续1-12秒的下巴接触行为进行C/T。
      1. 逐步加入视觉和听觉干扰。逐步延长至107秒。时间增量可设为1"-12"、16"-37"、41"-60"、66"-88"、107"+。
      2. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成107秒的在模拟孔道内佩戴耳垫的下巴触碰目标；每次训练持续5至15分钟。
    8. 引入扫描仪噪声。将犬只抬入或引导其跳跃进入孔道，发出“躺下”和“休息”指令，并为其佩戴耳垫。
      1. 以0-40 dB的极低音量播放扫描音频，并对持续1-12秒的下巴接触行为进行C/T。
      2. 逐步延长至107秒。时间增量可设为1"-12"、16"-37"、41"-60"、66"-88"、107"+。
      3. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成107秒的在模拟孔道内佩戴耳垫并承受最高40 dB扫描音频的下巴触碰目标；每次训练持续15至30分钟。
    9. 逐步延长至2分30秒并增加距离。将犬只抬入或引导其跳跃进入孔道，发出“躺下”和“休息”指令，并为其佩戴耳垫。
      1. 以41至70 dB的音量播放扫描音频，并对持续1-37秒的下巴接触行为进行C/T。逐步增加距离，围绕模拟孔道移动，使训练者暂时离开犬只视线后再返回。
      2. 逐步延长至142秒。时间增量可设为1"-37"、41"-88"、97"-107"、117"-129"、142"+。
      3. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成142秒的在模拟孔道内佩戴耳垫并承受41-70 dB扫描音频的下巴触碰目标，且在有无干扰和距离变化条件下均能完成；每次训练持续15至30分钟。
    10. 逐步延长至4分钟。将犬只抬入或引导其跳跃进入孔道，发出“躺下”和“休息”指令，并为其佩戴耳垫。
      1. 以60至90 dB的音量播放扫描音频，并对持续1-107秒的下巴接触行为进行C/T。
      2. 逐步延长至240秒。时间增量可设为1"-107"、117"-142"、156"-189"、208"-229"、240"+。
      3. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成240秒的在模拟孔道内佩戴耳垫并承受60-90 dB扫描音频的下巴触碰目标，且在有无干扰和距离变化条件下均能完成；每次训练持续15至30分钟。
    11. 逐步延长至5分钟。将犬只抬入或引导其跳跃进入孔道，发出“躺下”和“休息”指令，并为其佩戴耳垫。
      1. 以80至110 dB的音量播放扫描音频，并对持续1-120秒的下巴接触行为进行C/T。
      2. 逐步延长至300秒。时间增量可设为1"-120"、129"-189"、208"-229"、252"-277"、300"+。
      3. 重复本阶段训练，直至犬只可稳定完成300秒的在模拟孔道内佩戴耳垫并承受80-110 dB扫描音频的下巴触碰目标，且在有无干扰和距离变化条件下均能完成；每次训练持续15至30分钟。

3. 转移

注意：1）当犬只在模拟 MRI 训练环境中达到最终行为标准（佩戴耳部防护垫，在播放 80–110 dB 扫描仪噪声的情况下，于模拟磁体孔道和模拟射频线圈中保持卧姿静止 5 分钟并下颌置于托架上）后，需进行五次不同的地点转移（泛化）训练。在这些转移训练中，犬只需在多个尽可能不同的室内外地点达到上述行为标准，各环境在视觉、听觉和社会干扰程度方面均具有显著差异（例如，僻静的草地、安静的学术楼走廊、繁忙的学术楼大厅、拥挤的公交站、嘈杂的污水处理厂）8。

  1. 为组装用于转移训练的便携式模拟 MRI，需准备一个隧道（符合标准的敏捷性训练隧道，用沙袋固定）、一块胶合板平台、一个亚克力材质的模拟射频接收线圈、泡沫材质的下颌托架装置，以及一套便携式扬声器系统（参见材料表）。将缓冲垫固定在模拟射频线圈内部，以保护犬只耳朵，并提供额外的头部稳定性和定位反馈。
  2. 站在或坐在（便携式）模拟磁体孔径旁，将模拟射频线圈和下颌托架置于其中。引导犬只进入孔径，发出“趴下”和“静止”指令，并为其佩戴耳部缓冲垫。
  3. 播放扫描音频，声压级为 80–110 dB，C/T 加权，在新地点保持静止 1–30 秒。
  4. 随后，测试达标持续时间（当犬只坚持 5 分钟时给予强化，或在其退出时记录）。
  5. 进行多次 1–5 分钟的下颌托架重复训练，持续 30–60 分钟。
  6. 在每个地点进行一次 30–60 分钟的训练。当犬只将在五个不同转移地点均达到行为泛化标准后，即可进入真实 MRI 环境进行数据采集。

4. 磁共振成像

  1. 一次 MRI 数据采集会话持续 30 至 60 分钟。数据采集会话开始时，首先进行定位扫描，随后使用三维磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）序列采集高分辨率解剖图像，作为后续扫描的定位参考。解剖扫描完成后，进行功能磁共振成像扫描（例如刺激呈现和静息态扫描）。本 MRI 方案示例来自先前的研究工作，仅供参考（有关如何执行该方案，请参见 Jia 等4 和 Thompkins 等10 的研究）。
    1. 每次扫描之间，让犬只离开扫描仪，接受奖励并休息约 1 分钟。

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结果

每个阶段每次训练的平均重复次数见表1。完整的训练与测试方案共需14小时（平均13.55小时，范围为12-16小时），包含90个训练阶段（范围为87-93个阶段）。开放环境训练持续4.38小时（范围为3-5小时），模拟磁共振成像（MRI）训练持续5.4小时（范围为4.2-6.5小时），转移阶段共2.5小时，分为五次30分钟的训练。在转移阶段期间进行了第19级的维持训练，该时间已包含在上述总训练时间内。

...
训练阶段标准时长训练重复次数（均值，标准误）

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讨论

上述方案将固定位置（使用颏托）行为的训练与对磁共振成像（MRI）环境的脱敏过程分离开来。此外，该方案采用在多个不同地点进行固定位置行为泛化的程序，以促进该行为向真实MRI扫描环境的迁移；这种方法无需在昂贵的MRI扫描环境中进行大量训练即可实现。总体而言，训练与测试总共耗时14小时，并成功实现了向新环境的即时迁移。尽管目前尚难以在不同实验室之间进行有意义的方法学比较，但我们提出了一种针对高活力犬只的犬类功能磁共振成像（fMRI）训练方案，该方案具有成本效益高、实施便捷的优点。

关于本训练方案在其他训练者中的推广应用，尽管我们使用了专门培育并集中饲养的嗅探犬，但该方案也应适用于其他犬类群体。嗅探犬通常由美国野外竞技犬、狩猎测试犬和高地猎禽犬等犬种转化而来，这些犬天生精力旺盛，且具有较高的"驱动力"11。术语"驱动力"指犬只内在的工作动机，这一概念在描述最适合执行嗅探任务的犬只时被广泛使用，但其操作化定义和量化测量均存在困难；业内普遍偏好并选择那些大胆、兴奋、高能量的犬只，这类犬的基础唤醒水平（即兴奋性、焦虑...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们感谢犬类表现科学以及奥本大学心理学系和电气工程系 & 计算机工程。本研究由专业犬类训练师协会资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
丙烯酸模拟射频线圈MenardsTU59018594模拟射频（RF）线圈：8" 直径 × 4' 混凝土成型管。可制作四个模拟 RF 线圈；将成型管均切成四段，得到四个 8" 直径 × 1' 的模拟 RF 线圈。
敏捷性训练隧道J&J Dog SuppliesTT053开放式敏捷性训练隧道
蓝牙音箱SharkkSP-SK896WTR-GRY便携式扫描音频播放设备：防水蓝牙音箱 Sharkk 2O IP67，适用于户外、泳池、海滩和淋浴环境的便携式无线音箱
纸板混凝土成型管MenardsTU10120014固定式模拟 MRI 孔道：Sonotube 24" 直径 × 12' 标准壁厚防水混凝土成型管。可制作两个模拟孔道；将成型管对半切割，得到两个 24" 直径 × 6' 的孔道。
Chuckit 球Chuckit!17030玩具奖励：Chuckit! Ultra Ball
Decibel XSkypaw分贝计手机应用程序
体操垫泡沫制下巴托架：将垫子沿长度方向对半切开，卷起后用热熔胶固定卷边。使用 X-ACTO 刀在中心位置切割出适合下巴的凹口，并在底部表面粘贴魔术贴。
折叠桌3' × 6' 折叠桌
超细纤维汽车蜡涂抹垫Viking Car Care862400Viking Car Care 超细纤维涂抹垫
Natural Balance 治疗香肠Natual Balance236020食物奖励：例如，鸡肉配方犬用食品卷，3.5 磅装
胶合板平台：将一段 2"×4"×6' 的木料固定在 3'×6' 的胶合板上。在胶合板表面用热熔胶粘贴体操垫以增加摩擦力。支撑架：将三个 4×4×4" 的木块以 45 度角斜切，并将其固定在三段 1"×4"×3' 的木料末端。共制作三个支撑架。
沙袋J&J Dog SuppliesAG155J&J 专业级沙袋 × 2
音响系统Pioneer ElectricsHTD645DV固定式扫描音频播放设备：Pioneer HTD645DV 5 碟 DVD 家庭影院系统，配备无线环绕扬声器。操作说明书。
毛巾普通毛巾

参考文献

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训练犬只进行清醒、无约束的功能性磁共振成像
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