为了研究语言的演化,将人类与非人灵长类动物的大脑机制进行比较具有重要意义。我们开发了一种非侵入性测量清醒动物脑电图(EEG)的方法。该方法使我们能够在不伤害动物的前提下,长期直接比较人类与动物之间的脑电图数据。
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为了研究语言的演化,将人类与非人灵长类动物的大脑机制进行比较具有重要意义。我们开发了一种非侵入性测量清醒动物脑电图(EEG)的方法。该方法使我们能够在不伤害动物的前提下,长期直接比较人类与动物之间的脑电图数据。
声音交流在灵长类动物的社会互动中起着至关重要的作用,尤其关系到生存与社会结构。人类已发展出一种独特且高度复杂的以语言形式呈现的声音交流策略。为了研究人类语言的演化过程,有必要探究人类声音处理背后的神经机制,同时通过与非人灵长类动物的脑机制进行比较,理解脑机制的演化路径。本文中,我们建立了一种非侵入性测量清醒状态非人灵长类动物脑电图(EEG)的方法。该记录方法可在不伤害动物的前提下实现长期研究,更重要的是,使我们能够直接比较非人灵长类动物与人类的脑电图数据,从而为人类语言的演化提供新的见解。在本研究中,我们采用头皮脑电图记录方法,探究狨猴对物种特异性发声刺激的脑活动反应。本研究利用头皮脑电图技术捕捉狨猴在声音感知过程中广泛的神经表征,为现有知识体系填补了重要空白。
灵长类动物利用物种特异性的发声来传递重要的生物学信息,例如发声者的情绪状态或维持社会联系的意图、捕食者的出现或其他危险情况。对具有丰富发声行为的非人灵长类动物在感知发声时所涉及的神经机制进行研究,可能为我们提供关键线索,以更好地理解人类语言的进化起源。
普通狨猴是原产于南美洲的小型灵长类动物。近年来,由于其繁殖能力强、体型小易于操作,以及转基因技术的发展,狨猴与猕猴一样被越来越多地用作模式动物1,2,3。除了作为疾病模型的应用价值外,群体内丰富的声音交流是该物种另一显著特征4,5,6,7。狨猴在森林中经常通过发声信号与不可见的同种个体进行交流。通过研究狨猴发声感知和产生过程中涉及的脑活动,我们可以了解它们在大脑中如何处理自身或同种个体叫声的听觉信息,并确定参与其中的神经回路。先前的研究已证实,初级听觉皮层8,9,10,11,12和前额叶皮层13,14参与了狨猴的发声产生过程。此外,初级听觉皮层中的听觉-发声相互作用可调节这些神经元的兴奋和抑制反应8,10。这些研究通过侵入性记录方法提供了单个神经元水平上的详细神经活动数据。已有大量研究进一步探讨了与狨猴发声产生相关的神经活动;然而,关于发声感知的神经机制仍知之甚少15,16。
多项非侵入性脑成像研究已阐明了狨猴发声处理的神经机制17,18,19;这些方法具有高空间分辨率的优势,然而,扫描过程中保持动物处于清醒状态需要先进的技术。然而,最近Jafari等人利用功能磁共振成像(fMRI)在清醒的狨猴中识别出参与发声感知的额颞区19。几乎所有旨在阐明人类发声感知与产生相关脑功能的实验均采用非侵入性方法进行,例如头皮脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)20,21和fMRI22,23,24。大量人类研究已使用EEG探讨与发声感知相关的脑活动。其中大多数研究集中于情绪信息25,26,27以及情绪词汇的显著性28,结果揭示了发声感知过程中事件相关电位的变化29。人类颅内电皮层记录(ECoG)及使用植入式电极进行的单神经元记录仅在少数接受神经外科治疗的患者中开展过有限的实验30,31。
从进化角度比较人类与猴子,对于理解人类在发声感知和产生方面所发展出的独特神经机制具有重要意义。为了直接比较狨猴等发声丰富的非人灵长类动物与人类在言语感知和发声过程中涉及的神经机制,采用相同的方法在两个物种之间进行数据比较至关重要。功能磁共振成像(fMRI)能够实现全脑成像,且具有高空间分辨率,其优势在于可记录垂直于颅骨或脑深部区域的活动,而这些区域使用脑电图(EEG)或脑磁图(MEG)难以记录。然而,MRI设备的安装和维护成本高昂,且由于设备本身的特性,对可呈现的刺激存在诸多限制。相比之下,脑电图(EEG)、事件相关电位(ERPs)和脑磁图(MEG)具有高时间分辨率,适用于分析时间序列的语音处理过程。特别是EEG,具有便携性强、可在多种实验环境中使用、相对成本较低以及仅需单人操作等优势。
由于已在人类中获得了大量脑电图(EEG)数据,因此需要采用非侵入性范式来对非人灵长类动物进行EEG测量。我们的研究团队为猕猴和狨猴开发了一种利用管道的独特非侵入性EEG记录方法32。本文报道了关于非人灵长类动物听觉处理的若干新发现33,34,35,36,37。为了表征狨猴对物种特异性发声的脑活动反应,我们构建了一个实验系统,通过放置在头皮上的电极非侵入性地记录脑活动。本研究描述了狨猴的EEG测量方法。
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所有实验均经EHUB动物实验委员会批准(编号:2022-003、2023-104),并依照EHUB发布的《实验灵长类动物护理与使用指南》进行。实验共使用九只普通狨猴(Callithrix jacchus,雄性六只,雌性三只,年龄2-12岁,体重330-490 g)。九只狨猴中,四只以配对或家庭方式饲养,五只单独饲养。种群中的狨猴通常在两岁前以家庭为单位共同饲养,之后根据配对是否成功,转移至配对饲养或单独饲养环境。
1. 动物
2. 仪器(图1B 和材料表)
3. 麻醉
4. 脱毛
5. 掩模制备
6. 椅位与面罩适应(每天30分钟,持续3天)
7. 脑电图记录(2 小时/天)
8. 数据分析
注意:使用编程软件和工具箱中编写的原始代码对脑电图(EEG)数据进行后处理,如下所述(补充文件 2)37。
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首先,我们绘制了狨猴对每种听觉刺激的平均事件相关电位(ERPs)(图2)。在噪声条件下,听觉诱发电位(AEP)尤为显著,反映了刺激的清晰起始(见图1D)。为了比较不同类型叫声与噪声刺激之间平均ERPs的差异,我们在Cz通道的反应中以刺激类型为被试间因素进行了单因素方差分析(ANOVA)。结果发现,刺激类型对刺激起始后13–18 ms、28–36 ms以及45–88 ms时段的Cz活动具有显著的主效应(p < 0.05)。采用Tukey法进行事后多重比较分析显示,噪声与其他叫声之间存在差异(p < 0.05),但不同类型狨猴叫声之间无显著差异。该结果表明,仅从事件相关电位中无法观察到不同叫声类型引起的脑活动差异。
接下来,我们对每位受试者进行了时频分析。 图3 展示了时频图的一个示例 Tsik-string 受试者R(老年)获得的呼叫,
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关于麻醉的注意事项
曾尝试使用氯胺酮和赛拉嗪,尽管这些药物具有镇痛作用,因此适用于长时间且疼痛的操作,但狨猴在未吸入氧气的情况下往往会出现血氧水平下降44。简而言之,阿法沙龙可能最适合用于剃毛或制备面罩等无痛操作。此外,对于仅需10-15分钟的剃毛操作,吸入麻醉最为合适。由于异氟烷作用时间短且浓度较低(约1%),在插管过程中未使用该药物。
脑电图测量的优势
头皮脑电图(EEG)是一种通过皮肤、颅骨和皮下组织记录大脑活动的方法,其空间分辨率低于针对单个神经元或具有更高空间分辨率的颅内电极的记录方法。尽管存在这些缺点,在非人灵长类动物中进行头皮脑电图测量仍具有多项优势。首先,该方法为非侵入性,不会对动物造成损伤。例如,对于通过极为复杂的基因工程手段构建的珍贵疾病动物模型,研究者可能希望测量其脑活动。在这种情况下,可安全使用该技术进行脑活动测量,而无需外科手术干预。事实上,该方法使我们能够在长时间内对同一受试个体进行无损伤的神经数据采集。此外,与侵入...
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作者声明无利益冲突。
本研究得到了京都大学 Hakubi 项目、挑战性研究(开拓)基金(编号:22K18644)、科学研究费补助金(C)(编号:22K12745)、科学研究费补助金(B)(编号:21H02851)以及科学研究费补助金(A)(编号:19H01039)的支持。我们感谢 Editage(www.editage.jp)在英文语言润色方面的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 阿法沙龙 | 明治动物健康 | Alfaxan | |
| 放大器 | Brain Products | BrainAmp | |
| 阿托品 | Fuso Pharmaceutical Industries | 硫酸阿托品注射液 | |
| 音频编辑器 | Adobe | Adobe Audition | |
| 数据处理软件 | MathWorks | MATLAB | 版本 R2023a |
| 数据处理工具箱 | 加利福尼亚大学圣迭戈分校 | EEGLAB | |
| 数据处理工具箱 | 加利福尼亚大学戴维斯分校 | ERPLAB | |
| 电动剃须刀 | Panasonic | ER803PPA | |
| 电极 | 独特的医疗 | UL-3010 | AgCl 涂层(定制) |
| 电极凝胶 | Neurospec AG | V16 SuperVisc | |
| 电极输入盒 | Brain Products | EIB64-DUO | 64ch |
| 胶水 | 3M | Scotch 7005S | |
| 脱毛膏 | Kracie | 适用于敏感肌肤的脱毛膏 | |
| 异氟烷 | Bussan Animal Health | 异氟烷 | |
| 液态口香糖 | San-ei Yakuhin Boeki | 阿拉伯语字幕 SS | 阿拉伯胶 + 水 |
| 液体营养 | 雀巢é 健康科学公司 | Isocal 1.0 Junior | 聚合物分子式 |
| 马罗匹坦 | 硕腾 | Cerenia注射液 | |
| 监控摄像头 | 英特尔 | RealSense LiDAR相机L515 | |
| 猴粮颗粒 | 东方酵母 | SPS | |
| 灵长类实验椅 | Natsume Seisakusho | 订单已生成 | |
| 脉搏血氧仪 | Covident | Nellcor | PM10N |
| 皮肤准备面膏 | 曼嫩多夫研究所ü物理学与医学 | NeuPrep | |
| 硅胶管 | AsONE | Φ4 × 7 毫米 | |
| 发言人 | Fostex | PM0.3 | |
| 同步装置 | 脑电图视野 | StimTrak | |
| 热塑性面罩 | CIVCO | MTAPU 型一次性热塑性膜片口罩 2.4 mm |
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