Summary
我々は、操られた音響信号と小鳥の自然聴覚フィードバックを交換するのに適した小型化されたヘッドフォンの設計と組立を説明します。オンライン音声処理ハードウェアは、歌の出力を操作するヘッドフォンを介して聴覚フィードバックにおけるリアルタイムエラーを導入すると、ボーカルの運動学習を駆動するために使用される。
Abstract
複雑な動作時の感覚フィードバックの実験操作は、モータ制御と感覚可塑1の根底にある計算に貴重な洞察を提供してきました。経験豊富なフィードバック誤差を低減フィードフォワードモータ制御の変化を反映し、モータ出力における代償性変化、内での一貫した感覚摂動の結果。異なる感覚フィードバックエラーが人間の行動にどのように影響するかを定量化することにより、先行研究では、音声生成4-7を変更するために使用される方法を視覚信号が腕の動き2,3と聴覚フィードバックを再較正するために使用され検討されている。このアプローチの強みは、実験者が生産の経験豊富なエラーは、モータ出力を再校正するために使用される様子を観察できるように、行動に自然主義的なエラーを模倣する能力にかかっている。
小鳥は、感覚運動制御と可塑性8,9の神経基盤を調べるための優れた動物モデルを提供9-12発声行動に貢献する方法を理解する上で重要な進歩を遂げているに明確に定義された回路を提供。しかし、自然主義的な誤り訂正パラダイムの欠如 - 既知の音響パラメータは実験者によって混乱とその後歌姫によって補正された - それは難しい発声学習の基礎となる計算方法や、神経回路の異なる要素が貢献を理解できるようになりましたボーカルエラー13の補正に。
ここで説明する手法は、音声学習を駆動するために使用できる任意の知覚誤差の導入を可能にする、鳴き鳥における聴覚フィードバックエラーオーバー実験を正確に制御できます。オンライン音声処理装置が知られているに摂動を導入するために使用される歌、そして小型化されたヘッドホンの音響装置は、リアルタイムで摂動信号と鳴き鳥の自然な聴覚フィードバックを交換するために使用されます。我々は、成鳥が誤り訂正14を使用してボーカル·パフォーマンスを維持することを第一のデモを提供する、大人の鳴禽類における聴覚フィードバックの基本周波数（ピッチ）を混乱させるために、このパラダイムを使用している。本プロトコルは、発声学習の計算および神経生理学的根拠を調査する感覚フィードバック摂動（を含むが、ピッチシフトに限らない）の広い範囲を実装するために使用できます。
Protocol
ヘッドフォン·システムを実装する4つの主なステップで構成されています。詳細は下記のセクション1（スピーカーと小型マイク）電子機器を収容するヘッドフォンフレームの組み立て。第2節では、フレームは鳥に接続されている方法を説明します。第3節では、電子機器の組み立てを説明します。第4節では、電子機器が音声処理およびデータ収集ハードウェアおよび詳細は、システムが正常に機能していることをテストするための手順に接続されている方法を説明します。
1。ヘッドフォンフレームを製作
- クロスバーとイヤフォン用の炭素繊維成分をカットします。次の作品を準備するドレメルツールにカッティングホイールを使用して下さい：
1クロスバー（1×3 mm、カーボンファイバーストリップの3センチ）
2垂直支柱（1×3 mm、カーボンファイバーストリップて1.5cm）
2イヤフォン（4 mm内径/外径6ミリメートル炭素繊維シリンダーの4ミリメートル） - クロスバーを組み立てます。クロスバーの中央に4.5ミリメートル離れた二つの小さな穴を開けます（
- 泡のリングを製作してください。泡の耳栓から泡シリンダーをカットする（6.35 mm）のパンチで1/4を使用します。 6.35ミリメートル（直径）シリンダによって2ミリメートル（長さ）を得泡シリンダーの長軸に対して垂直にカットするはさみを使用しています。その後泡リング（ 図1bにオレンジ色で表示）を形成する、2ミリメートル泡シリンダーの中心をカットして、1/8（3.175ミリメートル）穴パンチを使用しています。
- イヤフォンを組み立てます。 図1bに示すように、炭素繊維筒の長さ4ミリメートル、底に接着垂直支柱（炭素繊維ストリップの1.5 cmの長さ）にエポキシ樹脂を使用しています。エポキシが硬化した場合には、接着剤にエポキシ少量のシリンダの端に泡のリング（ 図1b、底）を使用します。フォームリングは鳥の頭に対して安置される。
2。鳥にヘッドフォンにフレームを取り付け
- stereotaxを準備します。手術に先立ち、（ 図1cを内側に面したフォームパッド付きイヤフォンを通してstereotaxのearbarsを挿入
- クロスバーを取り付けます。イソフルランおよび/またはケタミンプラスミダゾラムを使用して鳥を麻酔。麻酔鳥は閉じた目を持っているとつま先のピンチに反応しなければなりません。 stereotaxに鳥を置き、頭皮に5〜mmの切開を行う。切開は正中線に沿ったものと頭蓋骨の後ろにある首の筋肉の付着点の前方から2mm前方に拡張する必要があります。骨表面を乾燥させるために70％エタノールを用いて露光頭蓋骨をこする。頭蓋骨の上部（ 図1c、d）に六角ナットの残りの部分をエポキシで覆われたようなクロスバーを配置するワニ口クリップホルダーを使用します。接着剤ONLYが六角ナットではなく、クロスバー自体に触れていることに注意して、頭蓋骨にわずかにクロスバーを持ち上げ、のり六角ナット（エポキシ又は歯科用アクリル付き）。これは永久に頭（ 図1d）に付随している唯一の六角ナットを残して、ヘッドホンを（本のネジを外して）を削除することができます。
- イヤフォンを接続します。スライドイヤフォンALONグラムの耳の棒鳥の頭に対してフォームパッドの残りの部分（ 図1c、上部）まで。鳥の頭（ 図1c、下）にしっかりフォームパッドを押して耳バーにワニ口クリップを使用し、これは良い音響シールを得るために重要です。垂直ポストがポストの前でストリップコネクタソケット（ 図2）のためのスペースを残して、クロスバーの背面に触れているので、イヤホンを回転させます。エポキシ樹脂やアクリルを使用してクロスバーに接着ポスト。
- リカバリ。エポキシ/アクリルのための24時間を完全に治すためにと鳥が回復することができます。リカバリ後は、フレームはフォームパッドが外耳道の周りにタイトなシールを形成するかどうかを調べる。シールが緩んでいる場合は、フォームパッドは、音響シールを改善するために、より大きいものを取り外して交換することができます。優しく0.05で（1.27 mm）の六角レンチを使ってネジを外し、鳥から組み立てヘッドホンのフレームを削除します。
3。エレクトロニクスを組み立てる
- スピーカーアダプターを製作してください。スピーカー·アダプターを作る長さ;炭素繊維シリンダーのスクラップピース（イヤフォンと同じ4 mm内径/ 6ミリメートルOD cyinderストックを使用中にピペットチップ（5ミリメートルから1ミリメートルにtapers直径が5.2センチメートル長い先端）を挿入することによってシリンダースクラップ）は重要ではありませんし、シリンダの端過去ピペットチップ1ミリメートル（ 図2a）をカット。シリンダから取り外して、アダプターの全長が3mmになるようにカットします。
- スピーカーを接続します。絶縁された36 GAの半田5cmの長さ。両方のスピーカーのプラス端子とマイナス端子に電線（緑と黒の線は、それぞれ、 図2d、eで）。どちらの端子がスピーカーの金属製の筐体と電気的に接触していることを確認するために抵抗計を使用しています。
- スピーカー/マイクコンポーネントを組み立てます。エポキシつのスピーカーとエポキシテープの上（ 図2b）のヘッドフォンマイクの片側にテープのストリップ（任意の電気絶縁性のテープが動作します）。マイクからの負のtに半田アース線スピーカー（接続図2Eに黒で示されている）上のerminal。
- エポキシ各アダプタ（ 図2c、右）の広い端にスピーカーとスピーカー/マイクロフォン成分の両方。スピーカーおよびマイクポートの両方が（ちょうど）ピペットの内側にフィットします。エポキシは、いずれかのポートをカバーしていないことを確認してください。
- 優しくイヤフォン（ 図2d、右）にアダプタを挿入します。エポキシの小滴とのインナーイヤー型にのり各アダプタを。
- コネクターストリップを製造する。 4つの端子で構成されるコネクタストリップソケットのセグメントをカットし、ソケットの1つの角に基準マーク（ 図2dに白ドット）を置きます。垂直の柱の1近くコネクタストリップを置きます。 図2Eに示す構成ではピンへのはんだ付けスピーカーとマイクの配線を。コネクターストリップ上の短絡をチェックし、必要に応じて修復するために抵抗計を使用しています。エポキシヘッドフォンfへのコネクタストリップRAME。電線を保護するために露出した導線の周りに電気的又はスコッチテープのストリップをラップし、テープ上にエポキシ樹脂の薄い層を追加するには、ほつれを防ぐために終了します。ヘッドフォン（フレーム、エレクトロニクスなど）の仕上がり重量は1.3〜1.5グラムである必要があります。
- 絶縁36 GAのはんだ4 15cmの長さによってフレキシブルリードをビルドします。 4つの端子（ 図3a）から成るコネクタストリップヘッダーのセグメントへのワイヤ。リードが正しい向きでソケットに差し込まれていることを確実にするために、ヘッダーの1角に基準マーク（ 図3の白い点）を置きます。整流子（ 図3b）に差し込むアダプターへのはんだ付けワイヤーで編組電線と仕上げリード。
4。電源および信号処理機器にヘッドフォンを接続して電子
- 収集、フィルター、ピッチシフト、そして音響入力を増幅する。直接無指向性コンデンサーマイク（ "マイク·ケイジ、" 図4）がハングアップ鳥のケージをBOVE。 Preamplifyとローパスこの信号（フィンチ曲の10kHzでカットオフ）とハーモナイザー（または他のリアルタイム音声処理ハードウェア）への入力、それをフィルタリングします。シフトされた音響信号を生成するためにハーモナイザーでピッチシフターモジュールを使用します。スピーカーヘッドフォンで、正のチャネル（ 図2Eに緑色）にそれ（整流子とフレキシブルリードを介して）この信号および経路を増幅する。
- 携帯電話のマイクに電源を供給します。鳥のサウンドボックスの壁に9V電池を取り付けます。信号処理装置に共通のグランドにバッテリーのマイナス端子を接続し、整流子とフレキシブルリードを介してV +チャネル（ 図2Eに赤）にバッテリーのプラス端子に接続します。スピーカーとヘッドフォンマイクグラウンド（ 図2Eに黒）に、この共通のグランドを接続します。
- フィードバックゲインのキャリブレーションを行います。 0から80本のネジを使用して、鳥の頭の六角ナットに完成したヘッドフォンを接続します。鳥は、r、歌って開始されたとき図4に示すように、データのECORD 3チャンネル（ケージマイク/シフトされていない信号は、信号、および携帯電話のマイクを動かします）。携帯電話のマイクから録音した音を調べる。このチャンネルは、ヘッドフォンフレームに直接 "リーク"仮想フィードバック（ヘッドフォンスピーカーから再生）の重ね合わせと鳥の実際の曲を記録します。仮想聴覚フィードバックがダイレクト/漏洩する信号より15〜20デシベル大きくなるようにスピーカアンプの振幅設定（ 図4）を調整します 。このしきい値を超えて振幅を大きくすると、ヘッドフォンを介して仮想信号の出血につながることができ、フィードバック歪みをもたらして、ケージのマイクに拾われていることに注意してください。良く校正システム（ヘッドフォンマイクで記録された信号をピッチシフトされた信号ではなく、直接/漏洩する信号によって支配されている）の例を図5に示します。ここでは、ヘッドフォンマイク（ 図5aを介して記録された信号 図5bの例では、パワースペクトルに示されるように、右）、ピッチシフトされた信号（むしろ鳥の自然な発声より）によって支配されています。
- システムのパフォーマンスを監視します。スピーカーとマイクの両方が正常に機能していることを保証するために毎日二度、ヘッドフォンをチェックしてください。ヘッドフォンマイクはスピーカーのみのいずれかを監視することに注意してください。あなたの耳の横に非モニタースピーカーを保持している間に他のスピーカーをテストするには、ケージのマイクをタップ - 非モニタースピーカーが動作している場合は、クリック音が聞こえます。別の推奨チェックは電話マイクから電源と信号出力を切断します（ 図2Eに黒と緑）スピーカー間の抵抗を測定する抵抗計を使用することです。スピーカーは並列に接続されているので、両方のスピーカーを接続しているとき、これは単一のスピーカー間の抵抗の半分になります。
5。材料のコストについての注記
NT "> 2つの注目すべき例外がありますが、材料の表にリストされているすべての項目（百未満の少数のUSドル）比較的安価である。最も高価な部品が整流子と表に記載されているハーモナイザー、それぞれコスト2000ドルアール以上我々は両方の項目のその安価バージョンが記載されているものとは異なるメーカーから入手できるかもしれません（私たちは、それらをテストしていませんが）と、研究者は、低コストで、このプロトコルを実装することを可能にするかもしれません注意してください。Representative Results
図6は、成人ジュウシマツで行わ代表的な実験を示しています。ここでは、ヘッドホンのシステムは、16日間の1半音（オクターブの12分の1、絶対周波数で約6％の変化を表す）による聴覚フィードバックのピッチを上げるために使用された。この操作はすべての曲の音節のピッチ（色の線）が徐々に減少した。ボーカル運動プログラムにおけるこの変化は明らかなボーカル誤りを訂正するために聴覚フィードバックの鳥への依存度を実証し、鳥（破線）が経験した聴覚エラーが減少した。ピッチシフトは16日後に削除されたときに、曲のピッチは、最終的にベースラインに戻った。
図6に示されているデータは、それらが不完全順応を反映するという点で、典型的なものである。聴覚フィードバックのピッチが1.0半音ずつシフトされましたが、ここでは、鳥は、わずか約0.4 semが彼の曲のピッチを変えたitones。種やシステム間で、不完全な適応は、仮想フィードバックを単一の感覚モダリティ5,15を撹乱するために使用される規範であり、小鳥が彼らの継続的なボーカルのパフォーマンスを評価するように、本 パラダイムでそうnonauditory（ 例えば、固有感覚）信号の部分的な信頼を反映している。
図1。ヘッドフォン·フレーム·アセンブリー。 。クロスバーアセンブリ。図のようにネジ、クロスバー、六角ナット、エポキシ接着剤（青）を使用して注射針（赤）を接続します。ねじ部に接着からエポキシを防ぐためにミネラルオイルを各ねじの先端（緑色）をカバーしますb。インナーイヤー型アセンブリは。エポキシますc。フィッティングヘッドフォンフレームとポスト、シリンダー、発泡パッド（オレンジ色）を取り付けます。手術前に、イヤフォンを使ってスレッドstereotax earbars（黒）。エポキシ又は歯科用アクリルを使用して頭蓋骨にクロスバーを取り付けます（青）、鳥の頭の上にクロスバーとイヤホンの位置を示す、ゆっくり鳥の頭に対してフォームパッドを押すようにワニ口クリップを使用してクロスバーにイヤフォンを添付するd。左、サイドビュー。右、ヘッドフォンフレームの後頭蓋骨に取り付けられた六角ナットアセンブリの側面図は、ねじを取り外すことによって削除されました。すべてのパネルにB関係のスケールバー。
図2。エレクトロニクスアセンブリ。 aである。炭素繊維胴と長さにカッティングピペットチップのスクラップ片にピペットチップを挿入することによって、アダプターを作成します。bは 。エポキシ接着剤1スピーカーとヘッドホン·マイクを使用して一緒にテープの一部で区切って入力します。cが 。スピーカーの上にのりアダプタ（図示）とスピーカ/ヘッドフォンマイクコンポーネントますd。スピーカーとヘッドフォンのマイクからコネクタストリップSにはんだワイヤーocketと糊ヘッドホンのフレームの上部にソケット。白ドット、コネクタストリップソケットの位置合わせマーク。 電子 。スピーカー、ヘッドホン·マイク、およびソケット間の接続を示す配線図。
図3。アセンブリを導く。 A。コネクタストリップヘッダーと一緒に編組電線の片側のピンへの配線のハンダ付け4 15cmの長さによってフレキシブルリードを作製します。半田整流子に接続するアダプタにリード線のもう一方の端。白ドット、コネクタストリップヘッダ上のアライメントマークするb。ヘッドフォン、スピーカー、電源、ヘッドフォンマイク、ヘッドフォンマイクからの信号を記録するように変更聴覚フィードバックを運ぶためにヘッドフォンのコネクタストリップソケットに差し込みプラグリード。正しい接続性を確保するためにコネクターストリップヘッダとソケット上のドット位置を合わせます。
図4。回路の概要を表示します。システムの接続をまとめたフローチャート。 3データ·チャンネルのレコード（1）シフトされていないケージのマイクからの信号、（2）ヘッドホンスピーカーに送らピッチシフトされた信号、およびヘッドフォンマイクによって記録（3）音の波形のコピー。プリアンプ、マイクプリアンプ、LPF、ローパスフィルタ。
図5。システムのテスト。音の。スペクトログラムは、3つのデータ·チャネルに記録された。各データ·チャネルは、3曲の音節を示しています。色は各々の時のパワーと音響周波数を表していますbは 。当時のパワースペクトルがで赤い縦線で示された。ヘッドフォンマイクスペクトル（緑）のピークは、番目のピークと一致していることに注意してください電子ピッチシフト（赤）ではなく、シフトされていない（黒）信号、鳥の耳に到達する音がずれフィードバックによって支配されていることを示す。
図6。発声学習を駆動するヘッドホンシステムを使用。成人ジュウシマツにおけるボーカルエラー訂正が。色の線は、ヘッドフォンシステムは1半音で聴覚フィードバックを上方のピッチをシフトするために使用された16日の期間（グレーのボックス）の間に7つの異なる曲の音節のピッチの変化を示している。黒の実線、すべての曲の音節全体でピッチ変化を意味する。黒い破線は、シフトエポック中に被験者が経験した平均ピッチ誤差を示しています。曲のピッチの変化は、経験豊富なピッチ誤差を減少させる役割を果たすことに注意してください。ピッチシフトは17日、ピッチアプローチベースライン上でゼロに戻って設定された後。 24日目にヘッドフォンを除去し、そのベースライン値に戻って回復していたその時のピッチで46日、に置き換えられています。
Discussion
ここで紹介するプロトコルは、実験者が鳴き鳥には聴覚フィードバックを操作することができます。軽量構造は、そのような操作が長期間にわたって持続されることを可能にし、か月以上のヘッドフォンを装着したままの鳥は多産に歌います。いくつかの鳴禽類は、ヘッドフォンを着用していれば10週のために歌いますが、いくつかのケースでは歌の量は、使用の〜5週間後に低下し始めます。このような理由から、我々は一般的に4週間に実験を制限します。我々の経験では、ヘッドホンを装着し、すべての小鳥は一日あたり100 +歌の試合を（時にはそれ以上）歌うことが期待できる。適切に採用された場合そのため、ヘッドホンシステムは、ほぼ100％の成功率（成功は歌う鳥からのデータの取得で定義されている場合）をご利用いただけます。さらに、1の学習実験を完了した後にヘッドホンを取り外すことができ、その後、更なるデータ収集のために再接続する。動物は良い一般的な健康reattaであることを提供 chmentはいつでも場所を取ることができます。
成功の一つの重要な決定要因は、重量を最小限に抑え、ヘッドフォンの快適さを最適化することです。建設時には、注意がエポキシまたは装置全体の重量を増加させ、潜在的に歌うために鳥の意欲を減少させる過剰な接着剤として使用される歯科用アクリルの量を最小限に抑えるよう注意が必要です。また、ヘッドホンを装着後数日間は、装置が簡単に外耳道の周りの皮膚はイヤフォンがきつすぎる場合に発生する可能性がイヤフォン、でイライラになっていないことを確認するために削除する必要があります。外耳道は、ヘッドフォン·アタッチメント（オープン、赤みや腫れの兆候を持つ）の時点で、彼らがやったように表示されます。炎症が生じた場合、圧力はフォームパッドの厚さを薄くすることによって軽減することができる。これはまた、刺激の原因になりますので、乾燥したエポキシで固め、その泡が鳥の肌に接触しないように注意してください。
t "は>それは実験者によって選択されたピッチシフトに加えて、仮想聴覚フィードバックも遅れている（〜10ミリで、ハーモナイザーの処理待ち時間を反映）と鳥のより大きな振幅で導入されることに注意することが重要である自然な聴覚フィードバック（鳥の自然な曲の音をかき消すために、ヘッドフォンに "リーク"）このような理由から、実験は鳥がゼロではなく、使ってヘッドフォンで歌っている数日間のベースライン期間で始まらなければなりません鳥が最初に不在でヘッドフォンで歌うを開始するときにヘッドホンのパラダイムに関連する他の要因に起因するボーカル変更から分離されるピッチシフトの効果を可能にピッチシフト14が 、実際には、曲のピッチや振幅の変化はほとんど観察されないピッチシフトし、さらには、ヘッドフォンを介して配信シフトされていないフィードバックに長時間暴露は曲のピッチ14の変化を起こさないことが示されている。 コンテンツは、 ">我々は以前に成人鳴禽類で、聴覚フィードバックのピッチで上下両方のシフトがボーカルのピッチの適応的変化（フィードバックシフトに符号が逆、すなわち変化する ）14を生成することを実証するために、このデザインを使用してきました。両方上向きに含めるとそのような設計は聴覚フィードバック（とではないヘッドフォンによる遅延や振幅アーティファクトに応答して）のピッチの変化に応答して、その曲のピッチ変化を実証することができるので、このパラダイムを採用する任意の実験で下向きのシフトが重要である。さらに、このパラダイムの主要な強さは、それが任意の聴覚操作を導入するために使用することができるということです。ハーモナイザーシステムは、音響信号の振幅やスペクトル包絡線を変更することによって、例えばオンライン摂動の多種多様を生成することができます。ピッチを越えて操作の範囲を拡大シフトは、したがって発声学習の様々な現象を調べるために使用することができる。また、HEAdphonesは、個々の音節16に学習を駆動する白色雑音やその他の条件補強信号を配信するために使用することができる。最後に、このパラダイムは、原理的には発声行動中に聴覚フィードバックに依存しているすべての小動物系で使用することができる。我々は、人間の音声4-7を研究するために使用される聴覚フィードバックの操作を模倣する私たちの技術は、ボーカルの可塑性が生理的にアクセス可能な動物モデルで検討することができることに注意してください。脳病変、薬理操作、または神経の録音でボーカルの誤り訂正の行動研究を組み合わせることにより、特定の神経回路は、ボーカル·パフォーマンスの誤差の補正に寄与する方法を明らかにするために使用することができる。
Disclosures
特別な利害関係は宣言されません。
Acknowledgments
この作品は、NINDS 5P30NS069250によってサポートされていました。我々は、技術的な支援をDiala Chehayeb、ジェフリー·シンプソン、テイラー·ローゼンバウム、クリストファー·フーバーに感謝します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Hex nuts | Amazon supply | B000FMW43Y | |
| 0-80 Screws, 1/8" | Amazon supply | B000FN0JXK | |
| 0.05" Hex wrench | Amazon supply | B003GDISE8 | |
| Headphones speakers | Digikey | 423-1113-ND | |
| Headphones microphone | Digikey | 423-1062-ND | |
| Harmonizer | Sweetwater Sound | H7600 | |
| (Eventide H7600) | |||
| Carbon fiber strip, 1 x 3 mm | Hobby Lobby International | GXS1030 | |
| Carbon fiber cylinder, 6 mm (OD) x 4 mm (ID) | Hobby Lobby International | GXT6040 | |
| Wire | Cooner Wire Cable | NUF36-2550 | |
| Connector strip header | Digikey | ED83100-ND | |
| Connector strip socket | Digikey | ED85100-ND | |
| Foam earplugs | AO SAFETY | 92050 | |
| 1/8" hole punch | Paperwishes | 7260197000 | |
| 1/4" hole punch | Paperwishes | 7260198000 | |
| Pipet tips | VWR | 89003-056 | |
| Dental acrylic | Maxcem | 33873 | |
| 5-minute epoxy | Devcon | 14210 | |
| Cage microphone | Countryman | B3P4FF05B | |
| Microphone preamp | M-audio | DMP3 | |
| Speaker amplifier (Crown D-45) | Sweetwater sound | D-45 | |
| Low-pass filter | Krohn-hite | FMB3002AC, 3FS8SL-10kg-N1U1 | |
| Commutator | Dragonfly | SL-88-10 | |
| Alligator clip holder | GC Electronics | 12-051 | |
| Mineral oil | Sigma | M3516 | |
| Dremel tool | Dremel | 8200 |
References
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