Summary
拘束されていない目覚め犬の磁気共鳴イメージング(MRI)は、物理的または化学的拘束によるイメージングに対するいくつかの利点を有する新しい方法です。このプロトコルは、高価なMRI環境でのトレーニングを最小限に抑え、イヌ機能MRIに利用可能な対象プールを最大化する費用対効果の高いトレーニング方法を導入します。
Abstract
機能的および構造的なデータを取得するために、高エネルギーの犬と共に、費用対効果の高い方法で行うことができる犬の機能的磁気共鳴イメージング(fMRI)トレーニングプロトコルを提示します。目を覚ます、拘束されていないfMRIのための犬を訓練するこの方法は、実際のMRIスキャン環境へのステーション動作の転送を容易にするために、いくつかの異なる場所に駐留する一般化手順を採用しています。MRIスキャン環境での広範なトレーニング時間を必要とせずに、コストがかかる可能性があります。また、この方法は、脱感作からMRI環境(すなわち、100+デシベルスキャンオーディオ)へのステーション(すなわち、顎の休息)の挙動のトレーニングを分割し、後者は、専用の聴覚暴露調節セッション中に達成される。完全なトレーニングとテストプロトコルは14時間を必要とし、新しい場所に即座に転送しました。また、視覚顔処理や嗅覚判パラダイムから取得したイヌfMRIデータの例も紹介する。
Introduction
無制限の目覚め犬に対して行われる磁気共鳴イメージング(MRI)は、犬の脳の機能と構造を調べる新しい方法を生み出す新しい方法です。拘束されていない目覚め犬からのMR画像取得の最初の公開アカウントは、2009年(構造)と2012年(機能的)1、2に掲載されました。無制限の目覚め犬の脳機能を研究するための機能的磁気共鳴イメージング(fMRI)のいくつかの利点があります。まず、データ収集は人間のデータ収集に似ているため、種3全体でより容易に一般化可能である。第二に、任意の望ましくない後遺症を排除し、麻酔の必要はありません。第三に、脳の活動は麻酔によって変化し、したがって認知機能は麻酔なしでより良い評価することができる4.第四に、流体/食物の剥奪と身体的拘束は、研究者が非鎮静動物(例えば、げっ歯類、鳥類、霊長類モデル)を調べることができますが、これらの動物は、彼らの非貧困と拘束されていない動物とは非常に異なる認知状態にすることができます。3.
現時点では、目を覚ます犬をスキャンしている世界中の5つの研究所があります(アトランタ、米国;オーバーン, アメリカ合衆国;ブダペスト, ハンガリー;ケレタロ, メキシコ;ウィーン、オーストリア)、およびMRIスキャン5、6、7を故意に受ける犬を訓練するための標準化された方法はありません。すべてのトレーニング方法は、質の高い脳スキャンに必要な長期間、犬を訓練するという共通の目標を共有しています。すべての方法は強化学習の原則を介して動作しますが、どのように正確に実装されるのかは異なり、この差異が結果に与える影響はまだ分かっていません。したがって、提案されたトレーニング方法が受け入れられ、広く使用されるようになれば、データ内の望ましくない分散の一定量を減らされる可能性があります。この記事では、MRI スキャナに配置するためのトレーニング方法に焦点を当てます。MRIスキャンは高価であり、我々が開発した提案された方法は、トレーニングのためのMRIスキャナに定期的にアクセスすることなく、世界中のトレーナーに費用対効果が高く、一般化可能であるという目的を持っています。
この方法は、トレーニングとテストという 2 つの主要なコンポーネントで構成されます。トレーニングは2つのフェーズで構成されています。フェーズ1は、オープンな環境であごターゲット(すなわち、ステーション)に犬を訓練し、フェーズ2は模擬MRIでステーションに犬を訓練しています。MRIへの脱感感性は、トレーニングフェーズ全体で、個別の専用の聴覚暴露セッション中に行われます。テストは5つの異なったテストの場所で携帯用模擬MRIの位置の位置から成っている。このテストフェーズの有用性は、ステーション動作を一般化し、実際のMRI環境への転送を容易にすることです。全体的なプロトコルを図 1に要約します。
図 1: プロトコル タイムライン。プロトコルのタイムラインは、トレーニングとテストの 2 つのコンポーネントに分かれています。トレーニングはさらに、オープン環境とモックMRIの2つのフェーズに分かれています。トレーニング中にも別々の聴覚暴露セッションが行われます。テストは5つの異なった移動場所(T1-T5)の携帯用模擬MRIの位置の位置から成っている。犬が5つの異なる転送場所の基準にステーション動作を一般化すると、犬は実際のMRI環境でデータ収集の準備が整います。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
フェーズに応じて、トレーニングとテストは、犬1匹につき週25~75分かかります:10分間の聴覚暴露セッションと2つ以上の5~30分のステーションセッション。このプロトコルは 25 週間で完了できます。転送テスト中、犬は5つの異なる場所でポータブルモックMRI(ボア、無線周波コイル、90+dBオーディオ、イヤーパディング)で5分間の動きのないダウン/ステイと顎の休息のいくつかの試合を実行します。転送セッションは週に1回、30~60分間、5週間連続で行われます。MRIテスト中、犬は実際のMRIスキャナで構造および機能的データ取得の60分間のセッション中に、最終的なステーション動作のいくつかの試合を実行します。
トレーニングとテストを通して、あごの休息は焦点の挙動です。あごの休息とは、犬がその表面に向けていくつかの合図(すなわち、顎を休ませる)に続いて、あごを物体の表面に触れることです。ターゲットに対するその合図は、物理的(例えば、ジェスチャー、ルアー)、口頭(例えば、話し言葉「休息」)、またはオブジェクト(例えば、顎の休息自体へのアクセス)であり得る。あごのターゲティング動作の流暢なパフォーマンスは、ヘッドモーションを制限するために重要です。このプロトコルでは、あごの休息の挙動は、ターゲット持続時間(最大5分)を増加させ、複数のコンテキスト(異なる休憩装置、複数の場所)で起こるように条件付け、維持、および一般化される。さらに、トレーナーのコンディションと行動のパフォーマンスが下がり、滞在が良好であり、リリースキュー「オーケー」、条件付き補強および行動イベントマーカー「クリック」、キープ・グイン・シグナル(KGS)「良好」に対する良好な刺激制御8.プロトコルの過程で、複数の刺激および装置は、特定の段階および特定の間隔で導入される。これらの材料は容易に、そして安価に調達される。詳細については、材料の表を参照してください。
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Protocol
これらの方法の倫理的承認は、オーバーン大学の機関動物ケアおよび使用委員会から取得され、すべての方法は、そのガイドラインや規制に従って行われました.聴覚暴露の場合、セッションの進行は週番号に基づいています。ステーションセッションの場合、トレーナーがそのトレーニングフェーズで犬を次のセッションに進める前に、特定のセッション指定のパフォーマンス基準(例えば、顎ターゲティングの少なくとも11秒の持続時間)を満たす必要があります。それ以外の場合は、そのステップが繰り返されます。
1. 聴覚暴露セッション
注:これらのセッションは、MRIスキャナノイズに対する正の条件付き感情応答(CER)の受動的暴露とアクティブな古典的なカウンターコンディショニングを構成します。スキャナノイズは、おもちゃの遊びや食べ物の報酬へのアクセスを予測する刺激として確立されます。暴露セッションは週に1回、約10分間行われます。
- パッシブエクスポージャー(PE)セッションは、MRIスキャナノイズに対する40~70デシベル(dB)のアンビエントです。犬を使い慣れた運動エリアに運び、ポータブルBluetoothスピーカーを介してセッション指定の音量でオーディオ再生が静かに聞こえる間、犬が歩き回れるようにします(材料の表を参照)。スキャナノイズの10分間の再生を3週間に1回行います(PE1 40-60 dB、PE2 65 dB、PE3 70 dB)。
- アクティブエクスポージャー(AE)セッションは、標準的な古典的なコンディショニングパラダイムを利用し、3つのPEセッションの後に行われます。犬を身近な屋内トレーニングルームに搬送し、短遅延クラシックコンディショニング手順の10回の試行を行います(図2参照)。
- セッション指定のボリュームで10sのスキャンオーディオを再生します。
- 10 s が経過した後、スキャナのノイズがまだ聞こえる間、犬と20sのおもちゃ遊び(または連続的な食べ物の報酬)に従事します。
- 遊びの20の後、犬からおもちゃを取得し、ノイズを一時停止します。犬(無言で、おもちゃ/食べ物なしの犬)と10s待ちます。
- この遅延の後、次のトライアルを開始します。セッションごとに 10 回の試行を行います。
- ボリュームはセッションに対して段階的に増加します。12週間に1回AEセッションを実施(AE1 45 dB、AE2 50 dB、AE3 55 dB、AE4 60 dB、AE5 65 dB、AE60 dB、AE7 75 dB、AE8 80 dB、AE9 85 dB、AE10 90 dB、AE11 100 dB、AE12 > 100 dB)。
図 2: アクティブな露出。アクティブエクスポージャー(AE)は、短遅延の古典的な調節手順です。10秒CS(すなわち、それ自体で提示されたスキャンオーディオ)、20秒CS +US(すなわち、ボールとスキャンオーディオが一緒に提示)、10秒の遅延(ボールなし、スキャンオーディオなし)。この遅延の後、トライアルはやり直します。セッションごとに 10 回の試行があり、セッションに対して増分ボリュームが増加します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
注:MRIスキャナベースライン、シム、ローカライザ(スカウト)、MPRAGE、GREフィールド、EPI、マルチバンドEPI、DTI、RESOLVE DTIを使用して、ファントムスキャン中に3T MRIスイートのオープンドアを介してスマートフォンのオーディオ録音アプリを使用して、次のオーディオを収集します。デシベルメーター電話アプリを介してトレーニングセッション中のオーディオ再生の音量レベルを決定します。
2. ステーションセッション
注: これらのセッションは、オープン環境とモック MRI の 2 つのフェーズに分かれています。あご対オブジェクトターゲットを学習した後、百分位数のスケジュールが10%増加すると継続時間が増加します。新しい要素と機器がトレーニング コンテキストに追加されると、動作の特定の基準 (期間など) が一時的に緩和されます。
1)ステーションセッションでは、トレーナーは折り畳まれたタオルにノーズタッチ動作を訓練し、その後、折り畳まれたタオルの上にあごを休めます。そのあごの休息行動は、泡の顎の休息で発生するように一般化され、徐々に5分の試合の持続時間に構築されます。
2)同時に、堅牢なダウンと滞在行動が構築され、維持されます。
3) これらの動作は、密閉された空間(トンネル)と 3' の標高で発生するように条件付けされます。
4)犬は、その後、ヘッドエンクロージャ(モック人間の四肢RFコイル)に順応されます。
5)耳のパディングが導入され、スキャンオーディオは、ステーション動作のコンテキストで(再)導入されます。
犬は最終的に少なくとも5分間、耳のパディングとスキャンオーディオを再生して、3'の高度で囲まれた頭と体で堅牢な顎の休息を行うことができます。補強に - 一部の犬は本質的に食べ物によって動機づけられ、他の犬は遊びや賞賛9によってより動機付けられています。「クリック・アンド・トリート」(C/T)では、Tは必ずしも食べ物のお菓子を意味するのではなく、トレーニングの特定の段階でその特定の犬のためにあるかもしれない報酬手順を指します。食べ物の報酬は、より高いレートと行動の静止繰り返しに自分自身を貸しますが、犬が好むものは、それがハイモーションプレイ(例えば、ボール、引っ張り)であっても、最初に使用することができます。あごのターゲットの挙動が気晴らしと持続時間に対してより弾力性が増すにつれて、食物報酬の使用に移行します。最終的には、おもちゃの遊びは、顎の休息のパフォーマンスの長期間または連鎖の試合のために保存することができます。
- フェーズ 1 - オープン環境
- クリッカーを充電します。注目を集めながら、クリッカーの「チックトック」と犬の主な報酬(例えば、食べ物)との関連を構築します。注意のためのC/Tイベントの迅速な繰り返しを行う(身体の向きおよび/または目の接触);。犬の位置をリセットするためにお菓子を5を与えます。このセッションを 1 回実行します。
注: このセッションは通常、3 分以下です。トレーナーがトレーナーに対して条件付き補強方向として確立されている兆候を見ていない場合、またはクリックを聞いた上で報酬を求める行動の放出がクリッカーであることを示す良い兆候である場合は、長くまたは繰り返すことができます。犬に意味のある信号になる。 - タオルにあごターゲットをキャプチャします。犬が立って、座っている、または下に座って、C/Tを見て、その後、タオルを調査(すなわち、嗅ぎ取る)。それが確実に起こっていると、任意の鼻タオルのためのC/T、そして顎とタオルの接触。タオルの接触時間を2sに構築します。
- 犬が2sのあごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは約 5 分続く必要があります。
注:犬がこのステップで苦労している場合、トレーナーは(a)食べ物の臭いルアーを介して行動を開始するためにタオルの上に御馳走をこすり、(b)犬に鼻のターゲット(鼻から手のひら)を教え、次に顎ターゲット(あごから手のひら)を教え、タオルの上にあごターゲットを合図することができます。
- 犬が2sのあごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは約 5 分続く必要があります。
- 短い持続時間とキューの追加であごタオルターゲット.犬が立って、座っている、または下に、タオルにあごの接触の1-2 sのためのC/T。犬が触れている間、またはタオルに触れようとしている間に「休息」と言います。1-2 sの試合の多くの繰り返しの後、C/Tは3の後、次に4、5、その後7s。
- 犬が7sのあごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは約 5 分続く必要があります。
注:次の繰り返しが前の繰り返しよりも長くないように、各顎の長さを変える(すなわち、1"、1"、3"、1"、1"、5"、2"、6"、4"、1"、1"、2"、2"、2"、5"、6"、, 7").
- 犬が7sのあごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは約 5 分続く必要があります。
- あごは、ダウンと気晴らしの追加でタオルの上に休みます。犬をダウンさせると、あごとタオルの接触の1-5sのためのキュー「休息」とC/T。徐々に彼女の手と足を動かすトレーナーの形で視覚と音響の気晴らしを追加します(例えば、地面をノック、指を揺らす、足をシャッフルなど)。あごとタオルの接触時間を11秒に組み立てるには、1"-5"、6"-7"、8"、9-10"、11"+です。
- 犬が11のターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは約 5 分続く必要があります。
- あごは遠くにタオルの上で休みます。折り畳まれたタオルまたは折り畳まれたタオルのスタックの横に犬を下にして、あごとタオルの接触の1-3sのためのキュー「休息」とC/T。徐々に遠くから行動を合図する(すなわち、地面に座って、ひざまずいて、立っている)。あごとタオルの接触時間を16秒に組み立てるには、1"-3"、4"-8"、9"-11"、12"-14"、そして16"+です。
- 犬が少なくとも16sのターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から10分の間続く必要があります。
- あごは、持続時間と距離を増加させるタオルの上に休みます。折り畳まれたタオルまたは折り畳まれたタオルのスタックの横に犬を下にして、あごの接触の1-11sのためのキュー「休息」とC/T。あごとタオルの接触時間を26秒に組み立て、1"-11"、12"-16"、17"-19"、21"-23"、26"+できあ。
- 犬が少なくとも26のsをターゲットにするまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から10分の間続く必要があります。
- 泡あごの残りを紹介します。発泡顎残りの装置の任意の調査のためのC/T(すなわち、スニッフィング、近接、向き)。装置のいくつかの補強された調査の後、あご接触の1-10sのためのキュー「休息」およびC/T。40 秒までのビルド期間は、1"-10"、11"-21"、23"-31"、40"+のあごの休息することができます。
- 犬が少なくとも40sのターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から15分の間続く必要があります。
注:個々の犬の銃口に合わせてロールフォームあごレスト装置を構築します。ラブラドールサイズの犬の場合は、4インチ幅2.5インチの深いノッチを中央から切り取って6"幅6"を測定する泡の顎の残りを作ります。この材料はMRI環境に取り込むのが安全である。
- 犬が少なくとも40sのターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から15分の間続く必要があります。
- 泡の顎の休息は、気晴らしと持続時間を増加させます。泡の顎の残りの横にダウンで犬と、顎の接触の1"-23"のためのキュー"休息"とC/T。徐々に視覚と音響の気晴らしを追加します。気晴らしの有無にかかわらず、73 sに時間を構築します。増分は、1"-23"、26"-31"、34"-45"、50"-60"、および73"+です。
- 犬が少なくとも73のターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から15分の間続く必要があります。
- クリッカーを充電します。注目を集めながら、クリッカーの「チックトック」と犬の主な報酬(例えば、食べ物)との関連を構築します。注意のためのC/Tイベントの迅速な繰り返しを行う(身体の向きおよび/または目の接触);。犬の位置をリセットするためにお菓子を5を与えます。このセッションを 1 回実行します。
- フェーズ2 - モックMRI。
注:静止モックMRIを組み立てるには、トンネル(プロキシMRIボア、直径70cmの段ボールコンクリートフォームチューブを6フィートの長さにカットし、3フィートの高い折りたたみテーブルに上昇)、合板プラットフォーム、アクリルモック無線周波数(RF)受信機コイルをコンパイルします。、泡あごレスト装置、およびスピーカーシステム(参照材料の表).2つの合板ブレースでテーブルの上のモックボアを安定化します。モックRFコイルの内部に貼り付けられたバッファパッドを貼り付け、犬の耳に対するパディングと追加の頭蓋安定化/配置フィードバックを提供します。- 持続時間を短縮したボアと標高を導入します。地面にモックボアで最初のセッション全体を行います。トンネルに入り、プラットフォームに横たわるために犬をキュー、C/T.は地面の穴の中の泡の顎の休息をターゲットにするあごの任意の期間のために犬を「休息」し、C/Tをキュー。
- モックボア上昇3'で後続のセッションを行います。犬をジャンプまたは上昇した穴、C/Tに持ち上げるように招待します。
- 犬を横にして
- 高い穴の泡の顎の残りの部分にあごの接触の1-12 sのための犬を「休息」し、C/Tに合図する。
- 犬が少なくとも16sのターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは 5 ~ 15 の間で続く必要があります。
- 持続時間の増加と高められた顎の残り。犬をジャンプまたはモックボアに持ち上げるように招待します。犬を横にして
- 高い穴の泡の顎の残りの部分を標的とするあごの1-12sのための「休息」とC/Tに犬をキュー。
- ビルド時間を 60 ss. 増分は 1"-12"、16"-23"、26"-45"、60"+にすることができます。
- 犬が少なくとも60sのターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から15分の間続く必要があります。
- 標高と短時間のモック無線周波数(RF)コイルを導入します。模擬RFコイルと泡顎の残りの横に地面に座っている間、C/Tは、装置の任意の調査(すなわち、嗅覚、近接、向き)のための犬。
- 犬を「休息」させ、鼻のタッチまたは食品ルアーを使用して、モックRFコイルを泡のあごの休息とC/Tのあご接触の1-5sに導きます。
- 30秒単位のビルド期間は、1"-5"、6"-12"、16"-26"、30"+のあごの休息することができます。
- 犬が30sのモックRFコイルを通してあごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から15分の間続く必要があります。
- モックRFコイルで高められた顎の残り。モックRFコイルとフォームあごがモックボアの中で休むと、犬をジャンプまたはボアに持ち上げるように招待します。
- 犬が横たわって「休息」し、あごの接触の1-5sのためのC/Tをキュー。
- 50 秒までのビルド期間は、1"-5"、6"-12"、16"-26"、28"-37"、50"+です。
- 犬が50sの高いボアのモックRFコイルを通して泡の顎の休息にあごをターゲットにするまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から15分の間続く必要があります。
- 気晴らしと持続時間を増加させるモックRFコイルで高められた顎の残り。モックRFコイルとフォームあごがモックボアの中で休むと、犬をジャンプまたはボアに持ち上げるように招待します。
- 犬が横たわって「休息」し、あごの接触の1-12sのためのC/Tをキュー。
- 徐々に視覚と音響の気晴らしを追加します。気晴らしの有無にかかわらず、100 s (1'40") に時間を構築します。
- 増分は、1"-12"、16"-37"、41"-60"、66"-88"(1'6"-1'28")、100"+(1'40"+)にすることができます。
- 犬が100sのあごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から15分の間続く必要があります。
- イヤーパディングを導入し、最初に持続時間を短縮します。持ち上げるか、犬を引き上げるか、穴にジャンプし、キュー「ダウン」、耳のパディングで彼を服装し、過度の動きなしで耳のパディングを許容する任意の期間のC/T。
- あご接触の1-5sのためのキュー「休息」とC/T。ビルド期間を 60 秒単位にするには、1"-5"、6"-26"、28" 45"、60"+です。
- 犬が60sの耳のパディングでモックボアであごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から15分の間続く必要があります。
- 耳のパディングとモックRFコイルで高められた顎の残りと持続時間と気晴らしを増加させる。犬を持ち上げたり、犬を誘って穴に飛び込み、キュー「ダウン」と「休息」、耳のパディング、顎の接触の1-12sのためのC/Tを装着します。
- 徐々に視覚と音響の気晴らしを追加します。ビルド期間は 107 秒単位で、1"-12"、16"-37"、41"-60"、66"-88"、107"+です。
- 犬が107 sの耳のパディングでモックボアであごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは5分から15分の間続く必要があります。
- スキャナノイズを導入します。持ち上げるか、犬を誘って穴に飛び込み、「下」と「休息」を合図し、耳のパディングでそれを服装します。
- あごの接触の1-12 sのための0-40 dBとC/Tの間のかろうじて聞こえる音量でスキャンオーディオを再生します。
- ビルド期間は 107 秒単位で、1"-12"、16"-37"、41"-60"、66"-88"、107"+です。
- 犬が耳のパディングと107 sのための最大40 dBスキャンオーディオでモックボアであごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは15分から30分の間続く必要があります。
- 距離を増やして2分30sに構築します。持ち上げるか、犬を誘って穴に飛び込み、「下」と「休息」を合図し、耳のパディングで彼を服装します。
- あごの接触の1-37 sのための41と70 dBとC/Tの間のスキャンオーディオを再生します。徐々に距離を追加し、モックボアの周りを移動し、その後、犬の視界に戻ります。
- ビルド期間は 142 秒単位で、1"-37"、41"-88"、97"-107"、117"-129"、142"+です。
- 犬が耳のパディングと41-70 dBスキャンオーディオでモックボアであごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します。各セッションは15分から30分の間続く必要があります。
- ビルド時間を4分にします。持ち上げるか、犬を誘って穴に飛び込み、「下」と「休息」を合図し、耳のパディングで彼を服装します。
- あごの接触の1-107 sのための60と90 dBとC/Tの間のスキャンオーディオを再生します。
- ビルド時間を 240 秒単位にするには、1"-107"、117"-142"、156"-189"、208"-229"、240"+です。
- 犬が耳のパディングと60-90 dBスキャンオーディオでモックボアであごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します, 気晴らしと距離の有無にかかわらず;各セッションは15分から30分の間続く必要があります。
- ビルド時間を 5 分にします。持ち上げるか、犬を誘って穴に飛び込み、「下」と「休息」を合図し、耳のパディングでそれを服装します。
- あごの接触の1-120 sのための80と110 dBとC/Tの間のスキャンオーディオを再生します。
- ビルド時間を 300 秒単位にするには、1"-120"、129"-189"、208"-229"、252"-277"、300"+です。
- 犬が耳のパディングと80-110 dBスキャンオーディオでモックボアであごターゲットになるまで、このセッションを繰り返します, 気晴らしと距離の有無にかかわらず;各セッションは15分から30分の間続く必要があります。
- 持続時間を短縮したボアと標高を導入します。地面にモックボアで最初のセッション全体を行います。トンネルに入り、プラットフォームに横たわるために犬をキュー、C/T.は地面の穴の中の泡の顎の休息をターゲットにするあごの任意の期間のために犬を「休息」し、C/Tをキュー。
3. 転送
注:1)モックMRIトレーニング場所でのステーション動作の最終的な基準に達すると(5分のダウンステイと、耳のパディングを着用している間にモックボアとモックRFコイルであごの休息、80-110 dBでスキャナノイズが再生されている場合)、犬は5つの異なる場所を受けます。転送 (一般化) セッション。これらの転送セッション中に、ドッグステーションは、設定を越えて異なる光景、音、社会的気晴らしの度合いで、可能な限りユニークないくつかの屋内と屋外の場所で上記の基準にステーション(例えば、人里離れた草原、静か)アカデミックビル廊下、忙しい学術ビルロビー、混雑したバス停、大音量の水処理プラント)8.
- 転送に使用するポータブルモックMRIを組み立てるには、トンネル(規制アジリティトンネル、砂袋で安定)、合板プラットフォーム、アクリルモックRFレシーバーコイル、フォームチングレスト装置、ポータブルスピーカーシステムをコンパイルします(表を参照) 材料)。モックRFコイルの内部に貼り付けられたバッファパッドを貼り付け、犬の耳に対するパディングと追加の頭蓋安定化/配置フィードバックを提供します。
- モックRFコイルとあごの残りが入った(ポータブル)モックボアの横に立つか、座ります。犬が穴に入るようにジェスチャーをし、キュー「ダウン」と「休息」、および耳のパディングでそれを服装。
- 80-110 dBでスキャンオーディオを再生し、新しい場所に配置する1-30sのC/Tを再生します。
- 次に、基準期間のプローブ(5分間または犬が壊れたときに補強する)。
- 1-5分顎の休息の繰り返しを30-60分の繰り返し行います。
- 各場所で30~60分のセッションを1回行います。犬が5つの異なる転送場所の基準にステーション動作を一般化すると、犬は実際のMRI環境でデータ収集の準備が整います。
4. MRI
- MRIデータ収集セッションは30分から60分かかります ローカライザでデータ収集セッションを開始し、続いて3D磁化調製のラピッドグラデーションを使用して処方基準となる高解像度解剖画像を取得します。エコー (MPRAGE) シーケンス。解剖学的スキャンに続いて、機能的磁気共鳴イメージングスキャン(例えば、刺激提示および休止状態)を行う。このMRIプロトコルは、以前の作業からの例を表し、唯一の示唆的です(プロトコルを実行する方法については、Jia et al.4および Thompkins etal. 10を参照してください)。
- スキャンの間にスキャナの外で報酬を与え、犬に約1分の休憩を与えます。
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Representative Results
各セッション レベルの平均繰り返し回数を表1に示します。完全なトレーニングとテストプロトコルは14時間(M = 13.55 h、範囲12-16 h)を必要とし、90セッション(範囲87-93セッション)で構成されていました。オープン環境トレーニングは4.38h(範囲3-5h)、模擬MRIトレーニングは5.4h(範囲4.2〜6.5h)、転送は5つの30分のセッションに分けて2.5時間でした。レベル19のメンテナンスセッションは、転送中に行われ、上記の完全なトレーニング時間に反映されます。
| セッション レベル | 条件 | 期間 | セッションの繰り返し (M,SE) | |
| オープン環境 | 1. クリッカーを充電する | 注意を引きながら、クリッカーの「チックトック」と犬の主な報酬(例えば、食べ物)との間に関連付けを構築します。 | 3 分 | 1, 0 |
| 2. あごターゲットをタオルに取り込む | あごとタオルの接触を2秒以上にします。* | 5 分 | 3.75, .75 | |
| 3. 短い持続時間と追加とキューを持つチンツータオルターゲット | 7秒以上のあご接触。* | 5 分 | 8.25, 2.8 | |
| 4.あごは、ダウンと気晴らしの追加でタオルに休息 | 気晴らしの有無にかかわらず、11秒以上のあご接触。 | 5-10 分 | 2.75, .25 | |
| 5. あごは、距離のあるタオルの上に置きます | 顎の接触は16秒以上、徐々に遠くから離れて(すなわち、地面に座って、ひざまずいて、立っている)。 | 5-10 分 | 3.5, .87 | |
| 6.あごは、持続時間と距離を増加させるタオルの上に休息 | 26+秒のあご接触。 | 5-10 分 | 5.5, 1.5 | |
| 7.泡あごの残りを導入し、最初に持続時間を短縮 | あごの接触は40+秒の泡の顎の残り。 | 5-15 分 | 4.75, .75 | |
| 8.泡の顎の休息のあごは、持続時間と気晴らしを増加させます | 73秒以上のあご接触。 | 5-15 分 | 6, 1.2 | |
| モック MRI | 9. 持続時間を短縮したボアと標高の導入 | 16+秒テーブルの上にボアで顎の接触。** | 5-15 分 | 2.5, .5 |
| 10. 高められた顎の残りおよび増加する期間と | 60+秒テーブルの上にボアで顎の接触。 | 5-15 分 | 3, 0 | |
| 11. 標高と短時間のない模擬無線周波(RF)コイルの導入 | 地上のRFコイルで30秒以上顎接触。 | 5-15 分 | 2.75, .25 | |
| 12. モックRFコイルの高い顎の残り | あご接触は、50秒以上の高いボアのモックRFコイルを通して泡の顎の休息に。 | 5-15 分 | 2, 0 | |
| 13.気晴らしと持続時間を増加させるモックRFコイルで高められた顎の残り | 気晴らしの有無にかかわらず、100秒以上のあご接触。 | 5-15 分 | 2.5, .29 | |
| 14.耳のパディングを導入し、最初に持続時間を短縮 | 60+秒の耳のパディングが付いているモックボアおよびRFコイル(モックMRI)の顎接触。 | 5-15 分 | 3, .41 | |
| 15.耳のパディングと増加する持続時間と気晴らしとモックRFコイルで高められた顎の残り | 気晴らしの有無にかかわらず、107秒間あご接触。 | 5-15 分 | 2.5, .29 | |
| 16. スキャナノイズの導入 | 耳のパディングと107+秒のための最大40 dBスキャンオーディオとモックMRIで顎の接触。 | 10-30 分 | 2.5, .5 | |
| 17. 距離を増やして2分30秒に構築する | 耳のパディングと41-70 dBスキャンオーディオとモックMRIでチン接触142+秒、気晴らしと距離の有無にかかわらず。 | 10-30 分 | 2.5, .5 | |
| 18. ビルド時間を4分 | 耳のパディングと60-90 dBスキャンオーディオとモックMRIでチン接触240+秒、気晴らしと距離の有無にかかわらず。 | 10-30 分 | 2.75, .75 | |
| 19. ビルド時間を5分 | 耳のパディングと80-110 dBスキャンオーディオとモックMRIでチン接触300+秒、気晴らしと距離の有無にかかわらず。 | 10-30 分 | 10, 1.8 | |
| 転送 | 20. 5つの異なる場所の転送(一般化)セッション | これらの転送セッション中に犬は、設定間で異なる光景、音、および社会的気晴らしの度合いで、可能な限りユニークないくつかの屋内と屋外の場所で上記の基準にステーション。 | 30分 | 5, 0 |
| すべての | 最終的な動作(上) | 犬は、少なくとも5分間、耳のパディングとスキャンオーディオを再生して、3'の高度で囲まれた頭と体で顎の休息を行います。 | 12~16 h (M=13.55、SE=0.94) | 87~93セッション(M=90、SE=1.5) |
表 1: セッション レベル。※原稿にご注意ください。**地面にモックボアとの最初のセッションを行います。
ステーショントレーニングとテスト
図3は、トレーニング終了時の最後の3回のセッションと異なるトレーニング場所について、プロトコルで訓練された4匹の犬の最大持続時間を示しています。スタ駐訓練終了時、F(2,6)<1、5分以上(M=311秒、SEM=1.9)で安定した性能を発現しました。 すべての犬は、トレーニング、F(1,3)<1に相当する最大持続時間で模擬訓練場所に移されました。3匹の犬をMRIスキャナに移し、可能な最大持続時間(206s)の繰り返しの試合を実証した。MRIスキャナに移らなかった1匹の犬は、他の犬よりも頭が大きく、コイル内に快適に収まることができませんでした。この不快感は、犬がスキャンに喜んで参加しなかった可能性が高いです。
図3:トレーニング終了時の最後の3回のセッションと異なるトレーニング場所でプロトコルで訓練された4匹の犬の最大持続時間。すべての犬は模擬訓練場所に移され、3匹の犬はMRIスキャナに移され、可能な限り最大の持続時間(206s)を示す。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
代表的なfMRI刺激駆動スキャン
これらのスキャンでは、犬がまだ残っている間、視覚または臭気刺激が犬に提示された。視覚刺激は、スキャナーの穴にある画面に投影されました。各スキャンは140sのために持続し、12の異なる画像(例えば、人間と犬の顔)が含まれていました。刺激は5秒の後に変数3-11sの刺激間隔が提示された(視覚描写およびThompkins et al. 2018の詳細については図4を参照)10。
図4:視覚刺激。上部のパネルは、犬の顔の例を示しています。下のパネルは、人間の顔の例を示しています。顔刺激は5秒、3-11秒の刺激間隔で表示された。12回の顔面刺激が示された。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
アテンションチェック
犬が視覚刺激に出席していたかどうかを判断するために、独立した評価者は、MRIスキャナの穴の中で犬の目のビデオを見て、刺激プレゼンテーションと同期しました。犬の目が開いていて、生徒が見えるかどうかに基づいて、評価者は各刺激に適切なスコアを割り当てた(図5)。fMRI データは、完全なレート間契約がある場合にのみ使用されました。
図 5: 注意チェック。各犬がスキャン中に提示された各刺激を確実に見るために、スキャナー内の犬の目の刺激同期ビデオを2人の評価者ポストホックによって分析した。各トライアルで、犬の目が目に見えて開いている場合、評価者は「はい」のスコアを割り当て、犬の目が閉じた場合、評価者は完全なインターレート契約がある場合にのみ「いいえ」fMRIデータのスコアを割り当てられました。この図は Thompkins ら10から変更されていますこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
犬と人間の顔処理
図6は、犬の脳における側頭皮質の隣接するが異なる脳領域が、犬と人間の顔を処理するために活動していることを示す。緑色の領域は、犬の顔と対照的な人間の顔のためによりアクティブな脳の領域を表します(p < 0.05, FDR (偽の発見率補正) ) .赤い領域は、人間の顔と対照的な犬の顔のためによりアクティブな脳の領域を表します(p < 0.05, FDR).
図6:人間と犬の顔のコントラストの結果。緑色の領域は、犬の顔(人間の顔領域、HFA)と比較して、人間の顔の処理中に有意にアクティブな領域を表します。赤色の領域は、人間の顔と比較して、犬の顔の処理中に有意にアクティブな領域を表します(すなわち、犬の顔領域、DFA)。この図は Thompkins ら10から変更されていますこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
臭気刺激
臭気刺激は、オルファクトメーターを介して送達された(図7);。高(0.16mM)及び低(0.016mM)濃度の臭気エチルブチル酸塩を用いて、臭気濃度による嗅覚領域のパラメトリック変調をプローブした。各スキャンは200sを持続し、10sの臭気刺激の5ブロックを含み、それぞれに30s間刺激間隔が続いた(図8を参照してください、さらに詳細についてはJia et al. 2014)。
図7:嗅覚イメージングシステム。臭気アプリケーター、エアタンク、モーションパラメータ記録パームトップ、ビデオモニター、VT-8ソフトウェア付きラップトップ、およびMRI室への入り口ポートを示すMRI室外の犬嗅覚イメージングシステムのコンポーネント。この図は Jia et al.4から変更されています。
図8:臭気送。臭気の配信は、fMRIブロック設計でVT-8ワーナータイマーソフトウェアによって制御されました。最初の行は、刺激発症を示す緑色の矢印と刺激オフセットを示す赤い矢印を持つ臭気送達シーケンスを示しています。2番目の行は、臭気クリアランスの発症を示す緑色の矢印と、臭気クリアランスのオフセットを示す赤い矢印で、臭気のクリアランスのクリアランスを示しています。3 番目の行には、最初の行に一致する fMRI ブロックのデザインが表示され、それぞれ 「オフ」と「オン」の条件を示す "0" と "1" が表示されます。この図は Jia et al.4から変更されています。
研究者は、目を覚まし、麻酔しながら、6つの訓練を受けた検出犬(ラブラドール)にエチルブチル酸溶液の高(0.16 mM)と低(0.016mM)濃度を提供しました。嗅覚領域(嗅球、両側ピリフォームローブ、小脳)における低濃度および高濃度の臭気への活性化の大きさのパラメトリック増加は、ウェーバーの法則(10倍の3倍の増加を知覚した)に従っていた。濃度増加)。また、嗅球、周膜、前嗅皮、内皮質、およびピリフォーム葉は、覚醒犬と麻酔犬の両方で活性であった一方で、高次認知処理を含む領域(優れた、中間および軌道)前頭皮質の一部は、主に覚醒犬で活性化された(図9)。
図9:麻酔犬のグループ活性化マップ。各サブフィギュアには、3 つの直交ビューが表示されます。カラーマップは活性化強度に使用され、重要な領域はラベル付きの矢印で示されます(全体的な FDR = 0.05、クラスタしきい値 = 15 ボクセル、AlphaSim を使用した t コントラスト)。A: 前部, P: 後部, S: 優れた, I: 劣る, L: 左, R: 右.サブフィギュア(A)は低濃度臭気(0.016mM)に相当し、サブフィギュア(B)は高濃度臭気(0.16mM)に相当し、サブフィギュア(C)は麻酔犬嗅覚処理に対応し、サブフィギュア(D))は、目覚めた犬の嗅覚処理に対応する。この図は Jia et al.4から変更されています。
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Discussion
上記のプロトコルは、ステーション(あごの休息)動作のトレーニングを脱感作からMRI環境に分離します。また、複数の異なる場所に駐留する一般化手順を利用して、実際のMRIスキャン環境へのステーション動作の転送を支援する。MRIスキャン環境での広範なトレーニング時間を必要とせずに、コストがかかる可能性があります。全体として、トレーニングとテストは14時間で完了し、新しい場所に即座に転送されました。現時点では、実験室間で有意義な方法で方法を比較することは困難ですが、高エネルギーの犬と共に、費用対効果の高い方法で完了できる犬fMRIトレーニングプロトコルを提示します。
このトレーニングプロトコルを他のトレーナーに対して一般化することに関しては、我々はケネル目的で飼育された検出犬を使用しながら、このプロトコルは他の犬集団のために十分に機能する必要があります。検出犬は、通常、本質的に高エネルギーと「ハイドライブ」11を持つアメリカのフィールドトライアル、ハントテスト、およびアップランドゲーム犬を再利用されています。「ドライブ」という用語は、犬の本質的な仕事への動機を指し、操作と測定の両方が困難であり、検出作業に最も適した犬を特徴付けるためにその使用に広く普及しています。業界は、他のタイプの作業犬やペットよりも覚醒(すなわち、興奮、不安)のベースラインレベルが高い、大胆で興奮性の高い、高エネルギー犬を好み、選択します12。そのような犬がステーションに訓練されれば、他の集団も成功するはずです。さらに、犬は本物のMRIスキャナを含む様々な場所にステーションすることができました。ペットの犬に関しては、トレーニングプロトコルが成功するかどうかは経験的な質問です。特に、適切な指示により、すべてのトレーニング手順をポータブルモックボアを使用してホーム環境で実装できます。
クリッカートレーニング、連続近似、および古典的なカウンターコンディショニングは、捕虜8の実験室マウスから野生動物に至る多様な種の行動を調節するために使用される方法である。方法は、トレーニングプロセス全体を通じて行われた小さな間違いに関して寛容である(例えば、間違った行動をマーキングし、強化し、報酬への関心の欠如)13.初心者の教師のための方法をより寛容にする同じ次元はまた、動物学習者にそれらをより普遍的にします。被験者プール内のより多くの犬の成功率とより多くの種類の犬(例えば、特別な集団検出犬)を増やすことによって、1つは被験者による固有の選択バイアスと戦い始め、潜在的にデータの消耗を減らすことができます。このバイアスは、実験サンプルを苦しめ、必要とされる高レベルの忍耐と衝動制御を必要とする装置指向のタスクに対する気質と管制性の個々の変動性に適応する方法の不能に起因する。MRIのための駐留。消耗を減らすに当たって、この方法は、動物被験者14との実験設計のベストプラクティスのための3つのR(置換、還元、および精製)のうちの2つをサポートする。調達した被験者プールの数が少ない場合に必要な対象数が少なくなり、高振幅や頻繁なモーションアーティファクトのために検閲する必要のあるデータが少なくなるスキャンセッションが少なくなると、注目に値する可能性があります。削減.トレーニングは、このタスクを取得する動物学習者の痛みと苦痛を最小限に抑えます, 潜在的に注目すべき洗練.
トレーニング教材は、簡単かつ安価に調達できます。この方法の古典的なカウンターコンディショニングと一般化要素は、レンタルスキャナ環境でいくつかの高価なトレーニング時間を必要とせずに、スキャナ環境のストレスと新規性を低減します。MRI環境でのトレーニングがなければ、トレーナーはスキャナーボア内の静的磁界またはスキャンシーケンスの異常に高/低周波オーディオ放出を複製することができません。理論的には、これらのディメンションはトレーニング中にさまざまな設定で動作を実行する「変動性」コンポーネントにまとめられるため、この制限は潜在的に解決される可能性があります。
もう 1 つの制限は、このプロトコルが速度に最適化されていないという問題です。ステーションの動作は、6ヶ月以上のトレーニングの13時間で条件付けすることができ、これは約80 5〜15分のトレーニングセッションに相当します。方法論的アプローチは、「高速で後で修正する」のではなく、「遅くて正しい」です。「速く、後で修正する」という考え方は、スキャン環境の潜在的な感度化、およびデータまたは被験者全体のその後の消耗につながります。犬の語彙処理に関する研究では、研究者は特定の犬の最初の試みで80%の成功率でデータを収集することができました。犬が2回目の試みが必要な場合、成功率は16%に低下し、犬が3回目の試みを必要とする場合はわずか4%にまで減少し、それらの犬は繰り返し暴露15でスキャン環境に有害な感受性になったことを示唆した。上記のプロトコルは、すべての犬で動作しない可能性が高く、方法論的な選択肢は、顎の休息の動作の代わりに鼻からターゲットへのスティックの動作を使用する、より長いトレーニングセッションを実装し、トレーニングの頻度を増やすことを含みます。セッション。より適切な被験者(例えば、因性、気質、頭部サイズ)を事前にスクリーニングすることができますが、選択バイアスとのトレードオフは持続し、さらに、より困難な訓練犬は、関心のあるモデル病理である可能性があります:無秩序な不安、侵略、特別な人口作業犬(例えば、高駆動/エネルギーのために選択されたもの)。MRIに配置するための順応と訓練の方法をよりよく比較するためには、より多くの犬とより多くのトレーナーが必要です。オーバーン大学で行われた仕事の強みは、犬のパフォーマンスサイエンス(CPS)を通じて「オーバーンドッグ」の人口への研究者のアクセスです。これらの研究で使用される検出犬は、同様の遺伝学とほぼ同一の飼育と訓練の歴史を持っています。
トレーニング方法とは無関係に、特定の技術の改善は、イヌの頭蓋の解剖学のイメージングを容易にするために改善された無線周波コイル設計を含む、イヌMRIデータの忠実性を高めることができるだけでなく、静かに改善されたハードウェアとシーケンスを含むデータ取得中のスキャナ7.覚醒、無制限のfMRIは、マルチモーダル学習、エグゼクティブ機能、刺激処理、および報酬処理6、16、17、18に関するイヌの精神に認知的洞察を提供してきました ,19,20,21,22,23,24,25,26,27 、30、31。比較および翻訳研究者は、このイメージング技術を用いて複数の感覚モダリティを調べることができます。この技術は、特殊な作業集団における情報処理(例えば、検出犬におけるシグナル処理および検出犬におけるパラメトリック臭処理)4、28をプローブするために使用することができる。これらの手法は、運用上の可能性と作業ロールへの適合性を判断する際に、翻訳的な有用性を持っています。遺伝的および行動分析と並ぶ収束技術として、MR刺激提示パラダイムから得られた情報は、繁殖目的に適した働く犬の表現型の選択を知らせることができる。
多くのトレーニング戦略は、海洋哺乳類と動物園の動物の訓練プラクティスから来ています, スキナーから適応, 補強ベースの濃縮とトレーニングを介して近似の夫の手順に 8.日常的な獣医の手順(重量摂取、爪切り、血液採取)、または不快または不安を引き起こすものは、専用のトレーニング計画に従って連続的な近似によって補強を促進することができ、1つをモデル化イヌfMRIのためにここに提案されています。目を覚ます、拘束されていないMRIは、てんかん犬29のための独自の権利で臨床的有用性を有するとしても議論されている。
要約すると、イヌfMRIは、その新生段階にある。費用対効果の高い方法で効果的に実施できる人道的なトレーニングプログラムを発表しました。認知神経科学の分野が進化し続けるにつれて、脳と行動の関係を理解する上で「人間の親友」の継続的な使用が将来有望です。
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Disclosures
著者は何も開示していない。
Acknowledgments
私たちは、イヌパフォーマンスサイエンスとオーバーン大学心理学と電気&コンピュータ工学の学科に感謝しています。この作品は、プロの犬トレーナー協会によってサポートされました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acrylic Mock Radiofrequency Coil | Menards | TU59018594 | Mock Radiofrequency (RF) Coil: 8" diameter x 4' Concrete Form Tube. Makes four mock RF coils; cut form tube in four even lengths for four 8" diameter x 1' mock RF coils. |
| Agility Tunnel | J&J Dog Supplies | TT053 | Open Agility Training Tunnel |
| Bluetooth Speaker | Sharkk | SP-SK896WTR-GRY | Portable Scan Audio Playback: Waterproof Bluetooth Speaker Sharkk 2O IP67 Bluetooth Speaker Outdoor Pool Beach and Shower Portable Wireless Speaker |
| Cardboard Concrete Form Tube | Menards | TU10120014 | Stationary Mock MRI Bore: Sonotube 24" diameter x 12' Standard Wall Water-Resistant Concrete Form. Makes two mock bores; cut form tube in half for two 24" diameter x 6' bores. |
| Chuckit Ball | Chuckit! | 17030 | Toy Reward: Chuckit! Ultra Ball |
| Decibel X | Skypaw | Decibel meter phone app | |
| Exercise Mat | Foam chin rest: cut mat in half lengthwise. Roll up, and secure roll with hot glue. Cut chin-size notch in center with X-ACTO knife. Hot-glue velcro to bottom surface. | ||
| Folding Table | 3' x 6' folding table | ||
| Microfiber Car Wax Applicator Pad | Viking Car Care | 862400 | Viking Car Care Microfiber Applicator Pads |
| Natural Balance Treat Log | Natual Balance | 236020 | Food Reward: E.g., Chicken Formula Dog Food Roll, 3.5-lb roll |
| Plywood | Platform: 2"x4"x6' length of wood affixed to 3'x6' plywood board. Hot glue exercise mat on plywood board for traction. Braces: 3 4x4x4" cubes cut at 45-degree angle affixed to ends of 1"x4"x3' lengths of wood. Makes 3 braces. | ||
| Sand Bags | J&J Dog Supplies | AG155 | J&J Professional Quality Sandbags x 2 |
| Speaker System | Pioneer Electrics | HTD645DV | Stationary Scan Audio Playback: Pioneer HTD645DV 5 Disk DVD Home Theater System with Wireless Surround Speakers. Operating Instructions. |
| Towel | standard towel |
References
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