Electroencephalography Measurements in Awake Marmosets Listening to Conspecific Vocalizations
Summary
언어의 진화를 연구하기 위해서는 인간의 뇌 메커니즘과 비인간 영장류의 뇌 메커니즘을 비교하는 것이 중요하다. 우리는 깨어 있는 동물의 뇌파(EEG)를 비침습적으로 측정하는 방법을 개발했습니다. 이를 통해 인간과 동물 간의 EEG 데이터를 장기적으로 해를 끼치지 않고 직접 비교할 수 있습니다.
Abstract
음성 의사 소통은 영장류의 사회적 상호 작용, 특히 생존 및 사회 조직에서 중요한 역할을합니다. 인간은 언어의 형태로 독특하고 발전된 음성 의사 소통 전략을 개발했습니다. 인간 언어의 진화를 연구하기 위해서는 인간의 음성 처리의 기저에 있는 신경 메커니즘을 조사하고, 인간이 아닌 영장류의 메커니즘과 비교하여 뇌 메커니즘이 어떻게 진화해 왔는지 이해하는 것이 필요합니다. 여기에서 우리는 깨어 있는 비인간 영장류의 뇌파검사(EEG)를 비침습적으로 측정하는 방법을 개발했습니다. 이 기록 방법을 사용하면 동물에게 해를 끼치지 않고 장기적인 연구를 할 수 있으며, 중요한 것은 비인간 영장류의 EEG 데이터를 인간 데이터와 직접 비교할 수 있어 인간 언어의 진화에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 이번 연구에서는 마모셋의 종 특이적 발성에 대한 반응으로 뇌 활동을 조사하기 위해 두피 EEG 기록 방법을 사용했습니다. 이 연구는 두피 EEG를 사용하여 음성 인식 중 마모셋의 광범위한 신경 표현을 포착하여 기존 지식의 격차를 메움으로써 새로운 통찰력을 제공합니다.
Introduction
영장류는 종 특유의 발성을 사용하여 발신자의 감정 상태나 사회적 유대를 유지하려는 의도, 포식자의 존재 또는 기타 위험한 상황과 같은 생물학적으로 중요한 정보를 전달합니다. 목소리가 풍부한 비인간 영장류의 발성 인식에 대한 인식의 기저에 있는 신경 메커니즘에 대한 연구는 인간 언어의 진화적 기원을 더 잘 이해할 수 있는 중요한 단서를 제공할 수 있습니다.
일반적인 마모셋은 남아메리카가 원산지인 작은 영장류입니다. 최근 몇 년 동안 마모셋은 높은 번식력, 작은 크기로 인한 사용 용이성, 유용한 형질전환 기술의 개발 때문에 마카크 원숭이와 함께 모델 동물로 점점 더 많이 사용되고 있습니다 1,2,3. 질병 모델로서의 유용성 외에도 그룹 내 풍부한 음성 의사 소통은이 종의 또 다른 독특한 특성입니다 4,5,6,7. 마모셋은 숲에서 보이지 않는 동족 개체와 의사 소통하기 위해 정기적으로 음성 신호를 교환합니다. 마모셋의 음성 지각 및 생성에 관여하는 뇌 활동을 조사함으로써, 우리는 마모셋이 뇌에서 자신의 또는 동족 호출의 청각 정보를 어떻게 처리하는지 확인하고 어떤 신경 회로가 관련되어 있는지 식별할 수 있습니다. 이전 연구에서는 마모셋의 발성 생성에 관여하는 일차 청각 피질 8,9,10,11,12 및 전두엽 피질 13,14의 신경 활동이 입증되었습니다. 더욱이, 이러한 흥분되고 억제된 신경 세포 반응은 일차 청각 피질(primary auditory cortex 8,10)의 청각-음성 상호 작용에 의해 조절되었습니다. 이 연구는 침습적 기록 방법을 사용하여 단일 뉴런 수준에서 자세한 신경 활동 데이터를 제공했습니다. 수많은 연구에서 마모셋 발성 생성과 관련된 신경 활동을 추가로 조사했습니다. 그러나 음성 인식은 여전히 잘 이해되지 않고 있다 15,16.
여러 비침습적 뇌 영상 연구는 마모셋에서 음성 처리의 신경 메커니즘을 설명했습니다 17,18,19; 높은 공간 해상도는 장점이지만 스캔하는 동안 동물을 깨어 있는 상태로 유지하려면 고급 기술이 필요합니다. 그러나 보다 최근에는 Jafari et al.이 기능적 자기 공명 영상(fMRI)을 사용하여 깨어 있는 마모셋의 음성 인식에 관여하는 전두측두엽 영역을 확인했습니다19. 인간의 음성 인식 및 생성에 관여하는 뇌 기능을 규명하기 위한 거의 모든 실험은 두피 뇌파검사(EEG), 자기뇌파검사(MEG)20,21 및 fMRI 22,23,24와 같은 비침습적 방법을 사용하여 수행되었습니다. 인간을 대상으로 한 수많은 연구에서 EEG를 사용하여 음성 인식과 관련된 뇌 활동을 조사했습니다. 이러한 연구의 대부분은 감정 정보25,26,27 및 감정 단어의 현저성28에 초점을 맞추고 있으며, 그 결과 음성 지각29 동안 사건 관련 잠재력의 변화가 밝혀졌다. 인간에서 두개내 이식된 전극을 사용한 피질전기검사(ECoG) 및 단일 뉴런 기록은 신경외과적 치료를 받는 환자를 대상으로 한 제한된 수의 실험에서만 수행되었습니다30,31.
인간과 원숭이를 비교하는 진화론적 관점은 인간에서 발달한 음성 인식 및 생성의 기저에 있는 독특한 신경 메커니즘을 이해하는 데 중요합니다. 마모셋과 같이 목소리가 풍부한 비인간 영장류의 언어 인식 및 발성과 관련된 신경 메커니즘을 인간과 직접 비교하려면 동일한 방법을 사용하여 두 종 간의 데이터를 비교하는 것이 중요합니다. 기능적 MRI는 전뇌 영상이 가능하며 공간 해상도가 높습니다. 두개골에 수직이거나 EEG 또는 MEG로 기록하기 어려운 깊은 영역의 활동을 기록하는 장점이 있습니다. 그러나 MRI 기계는 설치 및 유지 관리 비용이 많이 들고 장치의 특성으로 인해 제시될 수 있는 자극에 많은 제한이 있습니다. 이에 비해 EEG, ERP(Event-Related Potentials) 및 MEG는 시간적 해상도가 높기 때문에 시계열 음성 처리를 분석하는 데 유용합니다. 특히, EEG는 이동성이 높고 다양한 실험 환경에서 사용할 수 있으며 상대적으로 비용이 저렴하며 단일 작업자만 필요하다는 장점이 있습니다.
인간에서 이미 많은 양의 EEG 데이터가 얻어졌기 때문에 비인간 영장류에 대해서는 비침습적 패러다임을 사용한 EEG 측정 방법이 필요합니다. 우리 연구 그룹은 원숭이와 마모셋에 대해 튜브32를 사용하여 독특한 비침습적 EEG 기록 방법을 개발했습니다. 여기에서 우리는 비인간 영장류 33,34,35,36,37의 청각 처리에 관한 몇 가지 새로운 발견을 보고합니다. 마모셋의 종 특이적 발성에 대한 반응으로 뇌 활동을 특성화하기 위해 우리는 두피에 부착된 전극을 사용하여 뇌 활동을 비침습적으로 기록하는 실험 시스템을 구축했습니다. 이 연구에서는 마모셋에 대한 EEG 측정 방법을 설명합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
마취에 관한 주의점
케타민(ketamine)과 자일라진(xylazine) 투여가 모두 시도되었는데, 이들은 진통제이므로 장시간 고통스러운 작업에 적합하지만, 마모셋은 산소 흡입 없이 혈중 산소 농도가 감소하는 경향이 있다44. 요컨대, alfaxalon은 아마도 면도나 마스크 만들기와 같은 고통이 없는 작업에 가장 적합할 것입니다. 또한 10-15분 밖에 걸리지 않는 면도의 경우 흡입 마…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 교토 대학의 하쿠비 프로젝트, 도전적 연구(개척) 보조금(No.22K18644), 과학 연구 지원(C)(No. 22K12745), 과학 연구 지원(B)(No. 21H02851) 및 Grant-in-Aid for Scientific Research(A)(No. 19H01039)의 지원을 받았습니다. 영어 편집을 담당해 주신 에디티지 (www.editage.jp)에 감사드립니다.
Materials
| Alfaxalone | Meiji Animal Health | Alfaxan | |
| Amplifier | Brain Products | BrainAmp | |
| Atropine | Fuso Pharmaceutical Industries | Atropine Sulfate Injection | |
| Audio editor | Adobe | Adobe Audition | |
| Data processing software | MathWorks | MATLAB | version R2023a |
| Data processing toolbox | University of California-SanDiego | EEGLAB | |
| Data processing toolbox | University of California-Davis | ERPLAB | |
| Electric shaver | Panasonic | ER803PPA | |
| Electrode | Unique Medical | UL-3010 | AgCl coated (custom) |
| Electrode gel | Neurospec AG | V16 SuperVisc | |
| Electrode input box | Brain Products | EIB64-DUO | 64ch |
| Glue | 3M | Scotch 7005S | |
| Hair removering cream | Kracie | epilat for sensitive skin | |
| Isoflurane | Bussan Animal Health | ds isoflurane | |
| Liquid gum | San-ei Yakuhin Boeki | Arabic Call SS | Gum arabic+water |
| Liquid nutrition | Nestlé Health Science Company | Isocal 1.0 Junior | Polymeric formula |
| Maropitant | Zoetis | Cerenia injectable solution | |
| Monitor Camera | Intel | RealSense LiDAR Camera L515 | |
| Monkey pellets | Oriental Yeast | SPS | |
| Primate chair | Natsume Seisakusho | Order made | |
| Pulse oximeters | Covident | Nellcor | PM10N |
| Skin prepping pasta | Mammendorfer Institut für Physik und Medizin | NeuPrep | |
| Slicon tube | AsONE | Φ4 x 7mm | |
| Speaker | Fostex | PM0.3 | |
| Synchronization device | Brain Vision | StimTrak | |
| Thermoplastic mask | CIVCO | MTAPU Type Uniframe Thermoplastic Mask 2.4mm |
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