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Behavior

训练犬为觉醒，无节制的功能磁共振成像

Published: October 13, 2019 doi: 10.3791/60192
Automatic Translation
*1, *2, *1,3,4,5, *1,3,4,5
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

Summary

无节制的醒狗磁共振成像（MRI）是一种新方法，具有物理或化学约束成像的多种优点。该协议引入了一种经济高效的培训方法，可最大限度地减少 MRI 环境中的培训，这既可能成本高昂，又可最大化可用于狗功能 MRI 的主题池。

Abstract

我们提出了犬功能磁共振成像 （fMRI） 训练协议，可以以经济高效的方式，使用高能量狗，用于获取功能和结构数据。这种训练狗醒，无节制fMRI的方法采用一种通用化程序，在几个不同的位置驻点，以方便站位行为转移到真正的MRI扫描环境;无需在 MRI 扫描环境中进行大量培训，即可进行上述工作，这非常昂贵。此外，此方法将站位（即下巴休息）行为的训练从脱敏分解为 MRI 环境（即 100 度分贝扫描音频），后者在专用的听觉暴露调节会话中完成。完整的培训和测试协议需要14小时，并立即转移到新的地点。我们还提供了从视觉面部处理和嗅觉鉴别范式中获得的蜂法fMRI数据的例子。

Introduction

对无节制的醒狗进行磁共振成像（MRI）是一种新方法，为检查狗脑的功能和结构创造了一种新方法。首次公布的MR图像从无拘无束的醒狗获取帐户在2009年（结构）和2012年（功能）1，2。功能磁共振成像 （fMRI） 有几个优点，用于研究无节制清醒的狗的大脑功能。首先，数据收集与人类相似，因此更容易在物种3中通用。第二，不需要麻醉，消除任何不良的后遗症。第三，大脑活动通过麻醉而改变，因此无需麻醉可以更好地评估认知功能。第四，虽然流体/食物剥夺和身体限制允许研究人员探索非麻醉动物（如啮齿动物、鸟类和灵长类动物模型），但这些动物的认知状态可能不同于其无节制和无节制的同类动物。3.

目前，全世界有五个实验室正在扫描醒着的狗（美国亚特兰大;美国奥本;布达佩斯， 匈牙利;克雷塔罗，墨西哥;奥地利维也纳），没有标准化的方法训练狗故意接受核磁共振扫描5，6，7。所有的训练方法都有一个共同的目标，即训练狗长时间保持静止，这是高质量的大脑扫描所必需的。虽然所有方法都通过强化学习的原则工作，但具体实施方式各不相同，我们还不知道这种差异对结果的影响。因此，如果建议的培训方法被接受并得到广泛应用，则可以减少数据中的一些不良差异。在本文中，我们将重点讨论在MRI扫描仪中驻台的训练方法。MRI 扫描成本高昂，我们开发的拟议方法旨在经济高效，因此可向世界各地的培训人员通用，而无需定期使用 MRI 扫描仪进行培训。

该方法由两个主要部分组成：培训和测试。培训包括两个阶段。第一阶段是在开放环境中训练狗到下巴目标（即站），第二阶段是训练狗在模拟核磁共振成像站。在整个培训阶段，在单独的、专用的听觉暴露过程中，MRI 的脱敏现象都会发生。测试包括将驻留在五个不同测试位置的便携式模拟 MRI 中。此测试阶段的效用是概括站位行为，促进转移到真正的 MRI 环境。总体协议在图 1中进行了总结。

Figure 1
图 1：协议时间线。协议时间表分为两个组件：培训和测试。培训进一步分为两个阶段，开放环境和模拟MRI。训练期间也进行单独的听觉暴露训练。测试包括将驻留在五个不同的传输位置 （T1-T5） 的便携式模拟 MRI 中。一旦狗将驻点行为概括为五个不同传输位置的标准，狗就可以在真实的 MRI 环境中收集数据了。请点击此处查看此图的较大版本。

根据阶段，训练和测试每周需要25至75分钟，每只狗：一个10分钟的听觉暴露和两个或两个以上5至30分钟的站站会话。该协议可在 25 周内完成。在转移测试期间，狗在五个不同位置的便携式模拟 MRI（孔、射频线圈、90+ dB 音频、耳垫）中执行几轮 5 分钟的无动降/停留和下巴休息。转移会话每周进行一次，每次 30-60 分钟，连续五周。在 MRI 测试期间，狗在 60 分钟的结构和功能数据采集过程中，在真正的 MRI 扫描仪中执行几轮最终站站行为。

在整个训练和测试中，下巴休息是重点的行为。下巴休息是狗触摸他的下巴到一个物体的表面后，一些提示瞄准（即，休息他的下巴）到该表面。目标提示可以是物理的（例如手势、诱饵）、口头（例如，口语单词"rest"），也可以是对象（例如，进入下巴休息本身）。下巴定位行为的流畅表现对于限制头部运动至关重要。在此协议中，下巴休息行为被调节、维护和概括，以在多个上下文中（不同的休息设备，在多个位置）发生，并延长目标持续时间（最多五分钟）。此外，培训师对下场和停留的行为进行条件和保持良好的表现，以及对释放提示"好"、条件强化器和行为事件标记"点击"和保持前进信号（KGS）"良好"的良好激励控制8.在协议过程中，在特定阶段和特定时间间隔内引入多种刺激和装置。这些材料易于采购，价格低廉。有关完整详细信息，请参阅材料表。

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Protocol

这些方法的道德批准得到了奥本大学机构动物护理和使用委员会的批准，所有方法都按照其准则和条例执行。对于听觉暴露，通过会话的进展基于周数。对于站站课程，必须满足特定的会话指定性能标准（例如，至少 11 秒钟的下巴定位持续时间），然后培训师才能将狗推进到该培训阶段的下一个会话。否则，将重复该步骤。

1. 听觉暴露会话

注：这些会话构成对 MRI 扫描仪噪声的正向条件情绪响应 （CER） 的被动暴露和主动经典反调;扫描仪噪音被建立为一种刺激，预测玩具游戏或食物奖励的获取。暴露会话每周进行一次，约 10 分钟。

  1. 被动暴露 （PE） 会话是环境性、40-70 分贝 （dB） 暴露于 MRI 扫描仪噪音。将狗运送到熟悉的锻炼区域，让狗在通过便携式蓝牙扬声器在会话指定音量下安静地听到音频播放时四处走动（参见材料表）。进行三次 10 分钟播放扫描仪噪音的 PE 会话，每周一次，持续三周（PE1 40-60 dB，PE2 65 dB，PE3 70 dB）。
  2. 主动暴露 （AE） 会话使用标准经典调节范例，并在三个 PE 会话之后进行。将狗运送到熟悉的室内训练室，并运行通过10个试验的短延迟经典调理程序（见图2）。
    1. 在会话指定的音量下播放 10 s 的扫描音频。
    2. 10 秒过后，在扫描仪噪音仍然可以听到时，与狗一起玩 20 秒的玩具（或连续的食物奖励）。
    3. 玩了20s后，从狗中取回玩具，然后暂停噪音。与狗（在沉默中，狗没有玩具/食物）等待10s。
    4. 在此延迟后，开始下一次试用。每期进行十次试验。
    5. 卷在会话期间逐渐增加。每周进行一次 AE 会话，为期 12 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）。

Figure 2
图 2：主动曝光。主动暴露 （AE） 是一种短延迟经典调节过程。10 s CS（即，扫描音频本身呈现），20 s CS + US（即，球和扫描音频一起显示），10 s 延迟（无球，无扫描音频）。在此延迟后，审判重新开始。每个会话有 10 个试验，并且比会话的量增加。请点击此处查看此图的较大版本。

注：收集以下音频：MRI 扫描仪基线、步进器、本地化器（扫描器）、MPRAGE、GRE 场、EPI、多波段 EPI、DTI 和 RESOLVE DTI，例如，在幻像扫描期间通过 3T MRI 套件的打开门使用智能手机的音频录制应用程序。通过分贝计表手机应用程序确定训练期间音频播放的音量级别。

2. 站站会话

注：这些会话分为两个阶段：开放环境和模拟 MRI。学习下巴到对象目标后，持续时间按 10% 的百分位数计划增加。当新元素和设备被添加到训练环境中时，行为的某些标准（例如持续时间）会暂时放宽：
1） 在站站课程中，培训员将鼻接触行为训练到折叠毛巾上，然后下巴在折叠毛巾上休息。下巴休息行为一般发生在泡沫下巴休息，并逐渐建立到5分钟的回合持续时间。
2） 同时，建立和维护稳健的向下和停留行为。
3） 这些行为然后被限制发生在封闭的空间（即隧道）和3'海拔。
4） 狗然后适应头部外壳（模拟人类四肢射频线圈）。
5） 引入耳垫，并在站位行为的上下文中（重新）引入扫描音频。
狗最终将能够执行一个强大的下巴休息与头部和身体封闭在3'高程，与耳垫和扫描音频播放90 + 分贝（dB），至少5分钟的回合。在强化上——有些狗天生更受食物的激励，而另一些则更受玩耍或赞美的激励。在"点击后处理"（C/T）中，T并不一定意味着食物对待，而是指奖励程序，无论该狗在训练的特定阶段可能属于什么。虽然食物奖励适合更高的费率和行为的重复，无论狗喜欢什么，可以最初使用，即使它是高运动游戏（例如，球，拖船）。随着下巴目标行为对分心和持续时间的弹性更强，过渡到使用食物奖励。最终，玩具游戏可以保存为长时间的或链式下巴休息性能。

  1. 第 1 阶段 - 开放环境
    1. 为点击器充电。在吸引注意力的同时，在点击器的"tic-toc"和狗的主要奖励（如食物）之间建立一个联系。快速重复C/T事件以引起注意（身体朝向和/或眼神接触）;将食物放在重置狗的位置。执行此会话一次。
      注意：此会话通常不超过 3 分钟。如果培训师没有看到点击器被确定为对培训师的条件强化定向的迹象，并且听到咔嗒声后发出寻求奖励的行为，则可能会更长或重复，这很好地表明点击器是成为狗有意义的信号。
    2. 捕捉下巴目标到毛巾。与狗站立，坐着，或在一个向下，C/T看，然后调查（即，嗅探）毛巾。一旦发生可靠，C/T用于任何鼻子到毛巾，然后下巴到毛巾接触。将毛巾接触持续时间缩短到 2 s。
      1. 重复此会话，直到狗将下巴目标为 2 s;每个会话应持续大约 5 分钟。
        注意：如果狗在努力与这一步，教练可以（a）擦毛巾上的治疗，使行为开始通过食物气味诱惑和/或（b）教狗鼻子目标（鼻子到手掌），然后下巴目标（下巴到手掌），然后提示在毛巾上的下巴目标。
    3. Chin-毛巾目标，持续时间短，并添加提示。与狗站立，坐着，或在一个下来，C/T为1-2的下巴接触毛巾。当狗触摸或即将触摸毛巾时，说"休息"。经过多次重复1-2s回合，C/T后3，然后4，然后5，然后7s。
      1. 重复此会话，直到狗将下巴目标为 7 s;每个会话应持续大约 5 分钟。
        注：改变每个下巴休息的回合长度，以便下一次重复不会总是长于以前的重复（即，1"，1"，3"，1"，5"，6"，4"，1"，2"，7"，而不是，1"，1"，2"，2"，3"，4"，5"，6"）, 7").
    4. Chin在毛巾上休息，在向下和增加分心。随着狗在下降，提示"休息"和C/T为1-5的下巴到毛巾接触。逐渐添加视觉和声学分心的形式，教练移动她的手和脚（例如，敲打地面，摆动手指，洗牌脚等）。将下巴到毛巾的接触持续时间构建为 11 s。增量可以是 1"-5"、6"-7"、8"、9-10"、11"+。
      1. 重复此会话，直到狗将下巴目标为 11 s;每个会话应持续大约 5 分钟。
    5. Chin靠毛巾靠长距离休息。与狗在折叠毛巾或折叠毛巾堆旁，提示"休息"和C/T1-3s的下巴到毛巾接触。提示行为从逐渐远离（即，坐在地面，跪，站立）。将下巴到毛巾的接触持续时间构建为 16 s。增量可以是 1"-3"、4"-8"、9"-11"、12"-14"，然后是 16"+。
      1. 重复此会话，直到狗将下巴目标至少 16 s;每届会议应持续 5 到 10 分钟。
    6. 下巴休息毛巾与增加持续时间和距离。与狗在折叠毛巾或折叠毛巾堆旁，提示"休息"和C/T为1-11的下巴接触。将下巴到毛巾的接触持续时间构建为 26 s。增量可以是 1"-11"、12"-16"、17"-19"、21"-23"、26"*。
      1. 重复此会话，直到狗将下巴目标至少 26 s;每届会议应持续 5 到 10 分钟。
    7. 引入泡沫下巴休息。C/T 用于任何泡沫下巴休息装置的调查（即嗅探、近距离、朝向）。经过几次强化调查后，提示"休息"和C/T1-10s的下巴接触。构建持续时间为 40 s.增量可以是下巴休息 1"-10"，11"-21"，23"-31"，40"*。
      1. 重复此会话，直到狗将下巴目标至少 40 s;每届会议应持续 5 到 15 分钟。
        注：构建轧制泡沫下巴休息装置，以适应每只狗的枪口;对于一只拉布拉多大小的狗，做一个泡沫下巴休息测量6"宽与4"宽2.5"深切口切出中间。这种材料可以安全地进入 MRI 环境。
    8. 下巴在泡沫下巴休息，增加分心和持续时间。与狗在泡沫下巴休息旁边的向下，提示"休息"和C/T为1"-23"的下巴接触。逐渐添加视觉和声学干扰。建立持续时间到73 s，有和没有分心。增量可以是 1"-23"、26"-31"、34"-45"、50"-60"和 73"+。
      1. 重复此会话，直到狗将下巴目标至少 73 s;每届会议应持续 5 到 15 分钟。
  2. 阶段 2 - 模拟 MRI。
    注：要组装固定的模拟MRI，编译隧道（代理MRI孔，70厘米直径纸板混凝土形管切割到6英尺长，并高在三英尺高的折叠台上），一个胶合板平台，一个丙烯酸模拟射频（RF）接收器线圈、泡沫下巴休息装置和扬声器系统（参见材料表).用两个胶合板支架稳定桌子上的模拟孔。贴在模拟射频线圈内部的缓冲垫上，为狗的耳朵提供衬垫，并额外提供颅内稳定/放置反馈。
    1. 引入持续时间缩短的孔和高程。与地面上的模拟孔进行整个第一次会话。提示狗进入隧道，躺在平台上，C/T.提示狗"休息"和C/T的任何持续时间的下巴瞄准泡沫下巴休息内的孔在地面上。
      1. 使用模拟孔提升 3'进行后续会话。邀请狗跳或把狗抬到高架孔，C/T。
      2. 提示狗躺下，C/T。
      3. 提示狗"休息"和C/T 1-12的下巴接触泡沫下巴休息在高架孔。
      4. 重复此会话，直到狗将下巴目标至少 16 s;每届会议应持续 5 到 15 之间。
    2. 提升的下巴休息，持续时间延长。邀请狗跳或把狗抬进模拟孔。提示狗躺下，C/T。
      1. 提示狗"休息"和C/T为1-12的下巴瞄准泡沫下巴休息在高架孔。
      2. 构建持续时间为 60 ss。增量可以是 1"-12"、16"-23"、26"-45"、60"*。
      3. 重复此会话，直到狗将下巴目标至少 60 s;每届会议应持续 5 到 15 分钟。
    3. 引入模拟射频（RF）线圈，没有高程，持续时间缩短。当坐在模拟射频线圈和泡沫下巴旁边的地面上时，C/T 是狗对设备进行任何调查（即嗅探、近距离、朝向）的。
      1. 提示狗"休息"，并使用鼻子触摸或食物诱惑，引导狗的头进入并通过模拟RF线圈到泡沫下巴休息和C/T1-5s的下巴接触。
      2. 构建持续时间为 30 s.增量可以是下巴休息 1"-5"，6"-12"，16"-26"，30"*。
      3. 重复此会话，直到狗通过模拟 RF 线圈将下巴瞄准 30 s;每届会议应持续 5 到 15 分钟。
    4. 提升的下巴在模拟射频线圈中休息。模拟射频线圈和泡沫下巴在模拟孔内休息，邀请狗跳或将狗抬进孔中。
      1. 提示狗躺下"休息"，C/T与1-5升下巴接触。
      2. 构建持续时间为 50 s.增量可以是 1"-5"、6"-12"、16"-26"、28"-37"、50"*。
      3. 重复此会话，直到狗将下巴目标到泡沫下巴休息通过模拟射频线圈在高架孔 50 s;每届会议应持续 5 到 15 分钟。
    5. 提升的下巴在模拟射频线圈中休息，分心和持续时间增加。模拟射频线圈和泡沫下巴在模拟孔内休息，邀请狗跳或将狗抬进孔中。
      1. 提示狗躺下"休息"，C/T与1-12的下巴接触。
      2. 逐渐添加视觉和声学干扰。构建持续时间到 100 s （1'40"），带和没有分心。
      3. 增量可以是 1"-12"、16"-37"、41"-60"、66"-88"（1'6"-1'28"），100"*（1'40"+）。
      4. 重复此会话，直到狗将下巴目标为 100 s;每届会议应持续 5 到 15 分钟。
    6. 引入耳垫，持续时间初步缩短。提起或邀请狗跳进孔，提示"下来"，给他装上耳垫，和C/T在任何持续时间容忍耳垫没有过度运动。
      1. 提示"休息"和C/T 1-5s的下巴接触。构建持续时间为 60 s.增量可以是 1"-5"、6"-26"、28"45"、60"*。
      2. 重复此会话，直到狗将下巴目标在模拟孔与耳垫 60 s;每届会议应持续 5 到 15 分钟。
    7. 提升的下巴休息在模拟射频线圈与耳垫和增加持续时间和分心。抬起或邀请狗跳进孔，提示"向下"和"休息"，装备他与耳垫，和C/T为1-12的下巴接触。
      1. 逐渐添加视觉和声学干扰。构建持续时间为 107 s.增量可以是 1"-12"、16"-37"、41"-60"、66"-88"、107"*。
      2. 重复此会话，直到狗将下巴目标在模拟孔与耳垫 107 s;每届会议应持续 5 到 15 分钟。
    8. 引入扫描仪噪音。提起或邀请狗跳进孔，提示"向下"和"休息"，并装备与耳垫。
      1. 在 0-40 dB 和 C/T 之间以几乎听不见的音量播放扫描音频，用于 1-12 s 的下巴接触。
      2. 构建持续时间为 107 s.增量可以是 1"-12"、16"-37"、41"-60"、66"-88"、107"*。
      3. 重复此会话，直到狗将下巴目标在模拟孔与耳垫和高达 40 dB 扫描音频 107 s;每届会议应持续 15 到 30 分钟。
    9. 生成持续时间为 2 分钟 30 秒，距离增加。提起或邀请狗跳进孔，提示"下来"和"休息"，并装备他与耳垫。
      1. 在 41 到 70 dB 和 C/T 之间播放扫描音频，用于 1-37 s 的下巴接触。逐渐增加距离，绕着模拟孔移动，看不见，然后回到狗的视线。
      2. 构建持续时间为 142 s.增量可以是 1"-37"、41"-88"、97"-107"、117"-129"、142"*。
      3. 重复此会话，直到狗将下巴目标在模拟孔与耳垫和 41-70 dB 扫描音频 142 s，有和没有分心和距离;每届会议应持续 15 到 30 分钟。
    10. 生成持续时间为 4 分钟。提起或邀请狗跳进孔，提示"下来"和"休息"，并装备他与耳垫。
      1. 在 60 到 90 dB 和 C/T 之间播放扫描音频，用于 1-107 s 的下巴接触。
      2. 构建持续时间为 240 s.增量可以是 1"-107"、117"-142"、156"-189"、208"-229"、240"*。
      3. 重复此会话，直到狗将下巴目标在模拟孔与耳垫和 60-90 dB 扫描音频 240 s，有和没有分心和距离;每届会议应持续 15 到 30 分钟。
    11. 构建持续时间为 5 分钟。提起或邀请狗跳进孔，提示"向下"和"休息"，并装备与耳垫。
      1. 在 80 到 110 dB 和 C/T 之间播放扫描音频，用于 1-120 s 的下巴接触。
      2. 构建持续时间为 300 s.增量可以是 1"-120"、129"-189"、208"-229"、252"-277"、300"*。
      3. 重复此会话，直到狗将下巴目标在模拟孔与耳垫和 80-110 dB 扫描音频 300 s，有和没有分心和距离;每届会议应持续 15 到 30 分钟。

3. 转账

注：1） 在模拟 MRI 训练位置达到驻留行为的最终标准（5 分钟下停留，下巴在模拟孔和模拟 RF 线圈中休息，同时佩戴耳垫，扫描仪噪音在 80-110 dB 处播放），狗会经历五个不同的位置传输（通用）会话。在这些转移过程中，狗站在几个室内和室外位置达到上述标准，这些地点尽可能独特，具有不同的视野、声音和不同程度的社交干扰（例如，僻静的草地，安静教学楼走廊、繁忙的学术楼大堂、拥挤的公交车站、喧闹的水处理厂等8个。

  1. 要组装用于传输的便携式模拟 MRI，请编译隧道（调节敏捷隧道，用沙袋稳定）、胶合板平台、丙烯酸模拟射频接收器线圈、泡沫下巴休息装置和便携式扬声器系统（参见材料）。贴在模拟射频线圈内部的缓冲垫上，为狗的耳朵提供衬垫，并额外提供颅内稳定/放置反馈。
  2. 站立或坐在（便携式）模拟孔旁边，带模拟射频线圈和下巴。手势狗进入孔，提示"下来"和"休息"，并装备它与耳垫。
  3. 以 80-110 dB 和 C/T 播放扫描音频，在新位置播放 1-30 s 的驻点。
  4. 接下来，探测标准持续时间（在 5 分钟时或狗休息时加强）。
  5. 重复1-5分钟的下巴休息重复30-60分钟。
  6. 在每个地点进行一次 30-60 分钟的会话。一旦狗将驻点行为概括为五个不同传输位置的标准，狗就可以在真实的 MRI 环境中收集数据了。

4. MRI

  1. MRI数据收集会话需要30到60分钟。开始与本地化器的数据收集会话，然后采集高分辨率解剖图像，作为处方参考，使用3D磁化准备快速梯度回波 （MPRAGE） 序列。解剖扫描后，执行功能性磁共振成像扫描（例如，刺激表达和休息状态）。此 MRI 协议代表以前工作的示例，仅具有暗示性（有关如何执行该协议，请参阅 Jia 等人4和 Thompkins 等人10）。
    1. 在扫描之间，在扫描器外给狗大约1分钟的休息时间。

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Representative Results

表1列出了每个会话级别的平均重复次数。完整的培训和测试协议需要 14 小时（M = 13.55 h，范围为 12-16 小时），包括 90 个会话（范围 87-93 次）。开放环境训练持续4.38小时（范围3-5小时），模拟MRI训练持续5.4小时（范围4.2-6.5小时），转移为2.5小时，分为5个30分钟。19级的维护课程在转院期间进行，反映在上述完整的培训时间内。

会话级别 标准 时间 会话重复（M、SE）
开放环境 1. 对点击器充电 在捕捉注意力的同时，在点击器的"tic-toc"和狗的主要奖励（如食物）之间建立一个关联。 3分钟 1, 0
2. 捕捉下巴目标到毛巾 将下巴到毛巾的接触时间为 2 秒以上。* 5分钟 3.75, .75
3. 具有短持续时间、加法和提示的钦对毛巾目标 下巴接触 7 秒以上。* 5分钟 8.25, 2.8
4. Chin 在毛巾上休息，并添加分心 Chin 接触 11 秒以上，有和没有分心。 5-10 分钟 2.75, .25
5. Chin 在毛巾上休息，距离 钦接触16秒以上，从逐渐远离（即，坐在地面上，跪着，站立）。 5-10 分钟 3.5, .87
6. 下巴在毛巾上休息，持续时间和距离增加 下巴接触 26 秒以上。 5-10 分钟 5.5, 1.5
7. 引入泡沫下巴休息，持续时间初步缩短 下巴接触泡沫下巴休息40秒以上。 5-15分钟 4.75, .75
8. 下巴在泡沫下巴休息，持续时间和分心时间增加 Chin 接触 73 秒以上。 5-15分钟 6, 1.2
模拟核磁共振成像 9. 引入持续时间缩短的钻孔和高程 在桌子上的孔中与钦接触 16 秒以上。** 5-15分钟 2.5, .5
10. 下巴保持升高，持续时间延长 在桌子上的孔中与钦接触 60 秒以上。 5-15分钟 3, 0
11. 引入无高程和缩短持续时间的模拟射频 （RF） 线圈 接地射频线圈中的钦接触时间 30 秒以上。 5-15分钟 2.75, .25
12. 模拟射频线圈中提升的下巴休息 下巴通过高架孔中的模拟 RF 线圈与泡沫下巴接触 50 秒以上。 5-15分钟 2, 0
13. 在模拟射频线圈中提升下巴休息，增加分心和持续时间 Chin 接触 100 秒以上，有和没有分心。 5-15分钟 2.5, .29
14. 引入耳垫，持续时间最初缩短 带耳垫的模拟孔和射频线圈（模拟 MRI）中的钦接触时间为 60 秒以上。 5-15分钟 3, .41
15. 在模拟射频线圈中提升下巴休息，带耳垫，增加持续时间和分心 Chin 接触 107 秒，有和没有分心。 5-15分钟 2.5, .29
16. 引入扫描仪噪声 在模拟 MRI 中与耳垫和高达 40 dB 的扫描音频接触 107+ 秒。 10-30 分钟 2.5, .5
17. 构建持续时间为 2 分 30 秒，距离增加 在模拟 MRI 中与耳垫和 41-70 dB 扫描音频 142+ 秒接触，带和没有分心和距离。 10-30 分钟 2.5, .5
18. 生成持续时间为 4 分钟 在模拟 MRI 中与耳垫和 60-90 dB 扫描音频 240+ 秒接触，带和没有分心和距离。 10-30 分钟 2.75, .75
19. 生成持续时间为 5 分钟 在模拟 MRI 中与耳垫和 80-110 dB 扫描音频 300+ 秒接触，带和没有分心和距离。 10-30 分钟 10, 1.8
转移 20. 五次不同地点转移（一般）会议 在这些转移过程中，狗站在几个室内和室外位置达到上述标准，这些地点尽可能独特，具有不同的视野、声音和不同程度的社交干扰。 30分钟 5, 0
所有 最终行为 狗在3'高度下进行头部和身体的下巴休息，耳垫和扫描音频在90 +dB下播放，至少5分钟。 12-16 小时（M=13.55，SE=0.94） 87-93 次 （M=90， SE=1.5）

表 1：会话级别。*参见手稿中的注释。•在地面进行模拟孔的第一次会话。

驻扎培训和测试
图 3显示了在培训结束时和不同训练地点最后三个会话中接受协议训练的四只狗的最大持续时间。在站站训练结束时，性能稳定，F（2， 6） < 1 和 5 分钟（M = 311 秒，SEM = 1.9）。所有狗被转移到模拟训练地点，最长持续时间相当于训练，F（1，3） < 1。其中三只狗被转移到MRI扫描仪，并展示了最大可能持续时间（206秒）的重复发作。一只没有转移到MRI扫描仪的狗的头部比其他狗大，不能舒适地放入线圈内。这种不适可能导致狗不愿意参加扫描。

Figure 3
图3：在训练结束时和不同训练地点的最后三个训练时段，四只狗在协议中训练的最大持续时间。所有狗被转移到模拟训练地点，三只狗被转移到MRI扫描仪，证明最大可能持续时间（206s）。请点击此处查看此图的较大版本。

代表性 fMRI 刺激驱动扫描
在这些扫描中，视觉或气味刺激呈现给狗，而狗仍然静止。视觉刺激投射在扫描仪孔的屏幕上。每次扫描持续140次，包含12个不同的图像（例如，人和狗脸）。提供 5 秒的刺激，然后是可变 3-11 s 的刺激间隔（参见图 4的可视化描述和 Thompkins 等人 2018 年的附加详细信息）10。

Figure 4
图4：视觉刺激。顶部面板显示狗脸示例运行。底部面板显示人脸的示例运行。面部刺激显示5秒，3-11秒的刺激间隔。每次跑步显示12个面部刺激。请点击此处查看此图的较大版本。

注意检查
为了确定狗是否受到视觉刺激，独立评价者观看了MRI扫描仪孔内狗眼睛的视频，该视频与刺激演示同步。根据狗的眼睛是否睁开，学生是否可见，评分者为每个刺激分配了适当的分数（图5）。fMRI 数据仅在有完美的评价者协议时才使用。

Figure 5
图 5：注意检查。为了确保每只狗在扫描过程中观察每个刺激，扫描器内狗眼的刺激同步视频由两名评价者分析;对于每次试验，如果狗的眼睛明显睁开，评分员会分配一个"是"的分数，如果狗的眼睛闭上，评分员分配的分数为"否"。 fMRI数据仅在有完美的评分者之间协议时才使用。这个数字已被修改从Thompkins等人10请点击这里查看这个数字的较大版本。

狗和人脸处理
图6显示了狗大脑中相邻但不同的大脑区域，对处理狗和人脸是活跃的。绿色区域表示大脑中与狗脸对比的人脸更活跃的区域（p < 0.05，FDR（错误发现率已更正）。红色区域表示与人脸对比的狗脸更活跃的大脑区域（p < 0.05， FDR）。

Figure 6
图6：人与狗脸对比的结果。绿色区域表示在处理人脸时比狗脸（即人脸区域 HFA）活跃得多的区域。红色区域表示在处理狗脸时比人脸（即狗脸区域、DFA）活跃得多的区域。这个数字已被修改从Thompkins等人10请点击这里查看这个数字的较大版本。

气味刺激
气味刺激通过光度计传递（图7）;高（0.16 mM）和低（0.016 mM）浓度的异味乙基丁酸用于通过气味浓度探测嗅觉区域的参数调制。每次扫描持续200秒，包含5块10s的味刺激，每个后跟一个30秒的刺激间隔（参见图8的视觉描述和Ja等人2014年的其他细节）4。

Figure 7
图7：嗅觉成像系统。MRI 室外的狗嗅觉成像系统的组件，显示气味施用器、空气罐、运动参数记录掌上电脑、视频监视器、带 VT-8 软件的笔记本电脑以及 MRI 室的入口端口。这个数字已由Ja等人修改，4请点击此处查看该图的较大版本。

Figure 8
图8：气味输送。气味输送由VT-8华纳定时器软件在fMRI块设计控制。第一行显示气味传递序列，绿色箭头指示刺激开始，红色箭头表示刺激偏移。第二行显示气味间隙，绿色箭头表示气味间隙的开始，红色箭头表示气味间隙的偏移。第三行显示 fMRI 块设计，与第一行匹配，分别显示"0"和"1"表示气味"关闭"和"on"条件。这个数字已由Ja等人修改，4请点击此处查看该图的较大版本。

研究人员在清醒和麻醉时向六只经过训练的检测犬（拉布拉多犬）提供高浓度（0.16 mM）和低浓度（0.016mM）乙酰丁酸溶液。在嗅觉区域（嗅球、双皮叶、小脑）中，活化量增加至低浓度和高浓度的异味量增加符合韦伯定律（三倍感知增加，十倍浓度增加）。此外，嗅球、围虫球、前嗅皮层、内皮层皮质和皮皮叶在醒着和麻醉的狗中都活跃，而涉及高阶认知处理的区域（高级、中位和轨道）前额皮质部分）主要在醒着的狗中激活（图9）。

Figure 9
图9：麻醉犬的组激活图。每个子图中显示了三个正交视图。颜色图用于激活强度，重要区域由带标签的箭头指示（总体 FDR = 0.05，聚类阈值 = 使用 AlphaSim 的 15 个体素，t 对比度）。答： 前人， P： 后， S： 上级， I： 低等， L： 左， R： 右.子图 （A） 对应于低浓度气味 （0.016 mM），亚图 （B） 对应于高浓度气味 （0.16 mM）， 亚图 （C） 对应于麻醉狗嗅觉处理， 和亚图 （ D ）） 对应于醒着的狗嗅觉处理。这个数字已由Ja等人修改，4请点击此处查看该图的较大版本。

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Discussion

上述协议将站位（下巴休息）行为的训练从脱敏分离到 MRI 环境。此外，它还利用在几个不同位置的驻点通用化程序，帮助将驻点行为转移到真实的MRI扫描环境;无需在 MRI 扫描环境中进行大量培训，即可进行上述工作，这非常昂贵。总体而言，培训和测试在14小时内完成，并立即转移到新的地点。虽然目前很难以有意义的方式比较各实验室的方法，但我们提出了一种犬fMRI训练协议，可以以经济高效的方式完成，使用高能量的狗。

关于将本训练方案向其他训练者通用的问题，虽然我们使用了犬只专用的检测犬，但该协议对于其他狗群来说应该是个好兆头。检测犬通常是重新用途的美国实地试验，狩猎测试，和高地游戏狗与内在高能量和"高驱动器"11。术语"驱动"是指狗工作的内在动机，既难以操作和衡量，而且广泛使用，以描述最适合检测工作的狗;行业青睐和选择大胆，兴奋，高能量的狗，与其他类型的工作犬和宠物的觉醒（即兴奋，焦虑）的基线水平更高。如果这样的狗可以训练到站，其他种群也应该成功。此外，狗能够站在各种位置，包括真正的MRI扫描仪。至于宠物狗，训练规程能否成功是一个经验问题。值得注意的是，在适当的指导下，所有培训步骤都可以在家用模拟孔的家庭环境中实施。

从实验鼠到圈养的野生动物，在不同物种中，使用点击训练、连续近似和经典计数器调理是调节行为的方法。这些方法对于在整个培训过程中犯的小错误（例如，标记和强化错误的行为，对奖励缺乏兴趣）13是宽容的。使新方法对新手教师更加宽容的相同维度，也使它们对动物学习者更加普遍;通过增加更多狗在受试者池和更多类型的狗（例如，特殊人群检测犬）的成功率，人们可以开始消除由于受试者造成的固有选择偏差，并可能减少数据消耗。这种偏差影响实验样本，并源于该方法无法适应个人气质和可处理性的变化，以仪器为导向的任务，需要高度的耐心和冲动控制，这是需要的驻扎MRI。在减少自然减员方面，此方法为动物受试者实验设计的最佳实践（替换、减少和细化）中的两个提供支持。当采购的受试者库减少训练时，需要的科目更少，而由于高振幅或频繁的运动工件而需要审查的数据更少，需要较少的扫描会话，这一点可能值得注意减少。训练将动物学习者在获得这项任务时的痛苦和痛苦降至最低，这是一个潜在的值得注意的改进。

培训材料易于采购，价格低廉。该方法的经典计数器调理和概括元素减少了扫描仪环境的压力和新颖性，无需在租用的扫描仪环境中进行数小时的昂贵培训。如果不在 MRI 环境中进行训练，培训师将无法复制扫描仪孔内的静态磁场或扫描序列异常高/低频率的音频发射;这种限制是有可能解决的，因为从理论上讲，这些维度在训练期间通过在各种设置中执行行为而归结为一个"可变"组件。

另一个限制是此协议未针对速度进行优化。派驻行为可以在13小时的训练中进行，超过6个月相当于大约80个5到15分钟的训练课。方法方法是"缓慢和正确"，而不是"快速和以后修复它"。"快速修复后修复"的心态会导致扫描环境的潜在敏感性，以及随后的数据或整个主题的消耗。在一项对狗词法处理的研究中，研究人员能够以80%的成功率收集数据。如果狗需要第二次尝试，成功率下降到16%，只有4%，如果狗需要第三次尝试，这表明这些狗变得有害敏感扫描环境与反复暴露15。上述协议可能不适用于所有狗，方法上的替代方法包括使用鼻子到目标棍子行为，而不是下巴休息行为，实施更长的训练会话，以及增加训练频率会话。人们可以预先筛选出更合适的受试者（例如，可了解更多性、气质、头部大小），尽管与选择偏差的权衡依然存在，而且，更难以训练的狗可能是兴趣的模型病理学：无序的焦虑，攻击，特殊人群工作犬（例如，那些选择高驱动/能量）。为了更好地比较在MRI中派驻的适应和训练方法，我们需要更多的狗和更多的训练者。在奥本大学完成的一项工作是研究人员通过犬性能科学（CPS）接触"奥本狗"种群。这些研究中使用的检测犬具有相似的遗传学和几乎相同的饲养和训练历史。

独立于训练方法，某些技术改进可以提高狗 MRI 数据的保真度，包括改进射频线圈设计，以方便对狗颅解剖进行成像，以及改进硬件和序列以安静在数据采集过程中，扫描仪7.觉醒，无节制的fMRI提供了对多模式学习、执行功能、刺激处理和奖励处理6、16、17、18的对教条心灵的认知见解 ，19，20，21，22，23，24，25，26，27 ，30，31.比较和翻译研究人员可以检查多种感官模式与这种成像技术。该技术可用于探测特殊工作人群的信息处理（例如，服务犬的信号处理和检测犬中的参数气味处理）4、28。这些技术在确定工作潜力和是否适合工作角色时具有翻译效用;作为一种与遗传和行为分析相伴的融合技术，从MR刺激表达范式获得的信息可以为选择适合繁殖的练习犬表型提供信息。

许多训练策略来自海洋哺乳动物和动物园动物训练实践，改编自斯金纳，通过强化强化浓缩和训练来近似饲养程序8。常规兽医程序（减肥、剪指甲、抽血）或任何令人不舒服或引起焦虑的事情，可以通过按照专门的训练计划进行连续近似训练来强化，并遵循一个训练计划。建议在这里为鞭法fMRI。觉醒，无节制的MRI甚至被讨论为有临床效用本身的权利，癫痫狗29。

总之，鞭法FMRI处于起步阶段。我们推出了一个人道培训计划，可以以具有成本效益的方式成功实施。随着认知神经科学领域的不断发展，未来有望继续使用"人类最好的朋友"来理解大脑行为关系。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

我们感谢《梅因表现科学》和奥本大学心理学和电气与计算机工程系。这项工作得到了专业狗训练师协会的支持。

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

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References

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行为， 问题 152， MRI， fMRI， 犬， 检测犬， 训练， 概括， 脱敏， 嗅觉， 面部处理， 连续近似， 点击训练
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