מדידות אלקטרואנצפלוגרפיה במרמוסטים ערים האזנה לקולות ספציפיים
Summary
כדי לחקור את האבולוציה של השפה, חשוב להשוות מנגנונים מוחיים בבני אדם לאלה של פרימטים לא אנושיים. פיתחנו שיטה למדידה לא פולשנית של אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG) של חיות ערות. זה מאפשר לנו להשוות ישירות נתוני EEG בין בני אדם לבעלי חיים לטווח ארוך מבלי לפגוע בהם.
Abstract
תקשורת קולית ממלאת תפקיד מכריע באינטראקציות החברתיות של פרימטים, במיוחד בהישרדות ובארגון חברתי. בני האדם פיתחו אסטרטגיית תקשורת קולית ייחודית ומתקדמת בצורת שפה. כדי לחקור את האבולוציה של השפה האנושית, יש צורך לחקור את המנגנונים העצביים העומדים בבסיס עיבוד הקול בבני אדם, כמו גם להבין כיצד מנגנוני המוח התפתחו על-ידי השוואתם לאלה של פרימטים לא אנושיים. כאן פיתחנו שיטה למדידה לא פולשנית של אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG) של פרימטים לא אנושיים ערים. שיטת הקלטה זו מאפשרת מחקרים ארוכי טווח מבלי לפגוע בבעלי החיים, וחשוב מכך, מאפשרת לנו להשוות ישירות נתוני EEG של פרימטים לא אנושיים עם נתונים אנושיים, ולספק תובנות על האבולוציה של השפה האנושית. במחקר הנוכחי השתמשנו בשיטת רישום EEG בקרקפת כדי לחקור פעילות מוחית בתגובה לקולות ספציפיים למין במרמוסטים. מחקר זה מספק תובנות חדשות על ידי שימוש ב- EEG בקרקפת כדי ללכוד ייצוגים עצביים נפוצים במרמוסטים במהלך תפיסה קולית, ולמלא פערים בידע קיים.
Introduction
פרימטים משתמשים בקולות ספציפיים למין כדי להעביר מידע חשוב מבחינה ביולוגית, כגון מצבו הרגשי של המתקשר או כוונתו לשמור על קשרים חברתיים, נוכחותם של טורפים או מצבים מסוכנים אחרים. חקירת המנגנונים העצביים העומדים בבסיס תפיסת הקול אצל פרימטים לא-אנושיים עתירי קול עשויה לספק לנו רמזים קריטיים להבנה טובה יותר של המקורות האבולוציוניים של השפה האנושית.
מרמוסטים נפוצים הם פרימטים קטנים שמקורם בדרום אמריקה. בשנים האחרונות, מרמוסטים משמשים יותר ויותר כחיות מודל, לצד קופי מקוק, בגלל הפרודוקטיביות הגבוהה שלהם, קלות השימוש בשל גודלם הקטן, ופיתוח טכניקות טרנסגניות שימושיות 1,2,3. בנוסף לתועלתם כמודלים למחלות, תקשורת קולית עשירה בתוך קבוצות היא מאפיין ייחודי נוסף של מין זה 4,5,6,7. מרמוסטים מחליפים באופן שגרתי אותות קוליים כדי לתקשר עם פרטים בלתי נראים ביער. על-ידי בחינת הפעילות המוחית המעורבת בתפיסה קולית ובהפקה של מרמוסטים, אנו יכולים לקבוע כיצד הם מעבדים את המידע השמיעתי שלהם עצמם או קריאות ספציפיות במוח, ולזהות אילו מעגלים עצביים מעורבים. מחקרים קודמים הדגימו פעילות עצבית בקליפת המוח השמיעתית הראשונית 8,9,10,11,12 ובקליפת המוח הקדמית 13,14 המעורבת בהפקת קול במרמוסטים. יתר על כן, תגובות עצביות מעוררות ומודחקות אלה היו מווסתות על ידי אינטראקציות שמיעתיות-קוליות בקליפת המוח השמיעתית הראשונית 8,10. מחקרים אלה סיפקו נתוני פעילות עצבית מפורטים ברמת תא העצב הבודד באמצעות שיטות רישום פולשניות. מחקרים רבים בחנו עוד יותר את הפעילות העצבית המעורבת בהפקת קול מרמוסט; עם זאת, התפיסה הקולית נותרה מובנת היטב15,16.
מספר מחקרי דימות מוח לא פולשניים הבהירו את המנגנונים העצביים של עיבוד קול במרמוסטים 17,18,19; הרזולוציה המרחבית הגבוהה שלהם מהווה יתרון, עם זאת, שמירה על בעלי חיים במצב ער במהלך סריקה דורשת טכניקות מתקדמות. עם זאת, לאחרונה, Jafari et al. זיהו אזורים פרונטו-טמפורליים המעורבים בתפיסה קולית במרמוסטים ערים באמצעות דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI)19. כמעט כל הניסויים להבהרת תפקודי המוח המעורבים בתפיסה קולית ובייצור קול בבני אדם נערכו בשיטות לא פולשניות, כגון אלקטרואנצפלוגרפיה של הקרקפת (EEG), מגנטואנצפלוגרפיה (MEG)20,21 ו-fMRI 22,23,24. מחקרים רבים בבני אדם חקרו פעילות מוחית הקשורה לתפיסה קולית באמצעות EEG. רוב המחקרים הללו התמקדו במידע רגשי 25,26,27 ובניכור של מילים רגשיות 28, כאשר התוצאות חשפו שינויים בפוטנציאלים הקשורים לאירועים במהלך תפיסה קולית29. אלקטרוקורטיקוגרפיה (ECoG) ורישומי נוירון יחיד באמצעות אלקטרודות המושתלות תוך גולגולתית בבני אדם נערכו רק במספר מצומצם של ניסויים בחולים שעברו טיפול נוירוכירורגי30,31.
נקודת מבט אבולוציונית המשווה בין בני אדם לקופים חשובה להבנת המנגנונים העצביים הייחודיים העומדים בבסיס התפיסה והייצור הקוליים שהתפתחו אצל בני אדם. כדי להשוות ישירות את המנגנונים העצביים המעורבים בתפיסת דיבור ובקול אצל פרימטים לא אנושיים עתירי קול, כמו המרמוסט, עם בני אדם, חשוב להשוות נתונים בין שני המינים באותה שיטה. MRI תפקודי מאפשר הדמיה של המוח כולו ובעל רזולוציה מרחבית גבוהה. יש לו את היתרון של הקלטת פעילות בניצב לגולגולת או באזורים עמוקים שקשה להקליט עם EEG או MEG. עם זאת, מכשיר ה- MRI יקר להתקנה ותחזוקה, וישנן מגבלות רבות על הגירויים שניתן להציג בשל אופי המכשיר. לשם השוואה, EEG, פוטנציאלים הקשורים לאירועים (ERP) ו-MEG הם בעלי רזולוציה טמפורלית גבוהה, מה שהופך אותם לשימושיים לניתוח עיבוד קולי של סדרות זמן. בפרט, EEG יש את היתרונות של ניידות גבוהה ואת היכולת לשמש במגוון של הגדרות ניסיוניות, עלות נמוכה יחסית, ואת הדרישה רק מפעיל אחד.
מכיוון שכמות גדולה של נתוני EEG כבר הושגה בבני אדם, שיטות מדידת EEG המשתמשות בפרדיגמות לא פולשניות נדרשות עבור פרימטים שאינם אנושיים. קבוצת המחקר שלנו פיתחה שיטת רישום EEG ייחודית ולא פולשנית באמצעות צינורות32 עבור קופי מקוק ומרמוסטים. כאן, אנו מדווחים על מספר ממצאים חדשים בנוגע לעיבוד שמיעתי בפרימטים לא אנושיים 33,34,35,36,37. כדי לאפיין את פעילות המוח בתגובה לקולות ספציפיים למין במרמוסטים, בנינו מערכת ניסיונית לרישום לא פולשני של פעילות מוחית באמצעות אלקטרודות הממוקמות על הקרקפת. במחקר זה אנו מתארים את שיטת מדידת EEG עבור מרמוסטים.
Protocol
Representative Results
Discussion
נקודות לציון לגבי הרדמה
הן קטמין והן מתן קסילזין נוסו, ובעוד אלה משככי כאבים ולכן מתאימים למשימות כואבות ארוכות, מרמוסטים נוטים לחוות ירידה ברמות החמצן בדם ללא שאיפת חמצן44. בקיצור, alfaxalon הוא כנראה המתאים ביותר עבור משימות ללא כאב כגון גילוח או הכנת מסכה. בנוסף, עבור ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי פרויקט Hakubi של אוניברסיטת קיוטו, Grant-in-Aid for Challenge Research (Pioneering) (No.22K18644), Grant-in-Aid for Scientific Research (C) (No. 22K12745), Grant-in-Aid for Scientific Research (B) (No. 21H02851) ו-Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (No. 19H01039). ברצוננו להודות ל-Editage (www.editage.jp) על העריכה בשפה האנגלית.
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 |
References
- Miller, C. T., et al. Marmosets: A neuroscientific model of human social behavior. Neuron. 90 (2), 219-233 (2016).
- Okano, H., Hikishima, K., Iriki, A., Sasaki, E. The common marmoset as a novel animal model system for biomedical and neuroscience research applications. Semin Fetal Neonatal Med. 17 (6), 336-340 (2012).
- t’Hart, B. A., Abbott, D. H., Nakamura, K., Fuchs, E. The marmoset monkey: a multi-purpose preclinical and translational model of human biology and disease. Drug Discov Today. 17 (21-22), 1160-1165 (2012).
- Bezerra, B. M., Souto, A. Structure and usage of the vocal repertoire of Callithrix jacchus. Int J Primatol. 29 (3), 671-701 (2008).
- Agamaite, J. A., Chang, C. J., Osmanski, M. S., Wang, X. A quantitative acoustic analysis of the vocal repertoire of the common marmoset (Callithrix jacchus). J Acoust Soc Am. 138 (5), 2906-2928 (2015).
- Pistorio, A. L., Vintch, B., Wang, X. Acoustic analysis of vocal development in a New World primate, the common marmoset (Callithrix jacchus). J Acoust Soc Am. 120 (3), 1655-1670 (2006).
- Grijseels, D. M., Prendergast, B. J., Gorman, J. C., Miller, C. T. The neurobiology of vocal communication in marmosets. Ann N. Y. Acad Sci. 1528 (1), 13-28 (2023).
- Eliades, S. J., Wang, X. Neural substrates of vocalization feedback monitoring in primate auditory cortex. Nature. 453 (7198), 1102-1106 (2008).
- Eliades, S. J., Wang, X. Comparison of auditory-vocal interactions across multiple types of vocalizations in marmoset auditory cortex. J Neurophysiol. 109 (6), 1638-1657 (2013).
- Eliades, S. J., Wang, X. Contributions of sensory tuning to auditory-vocal interactions in marmoset auditory cortex. Hear Res. 348, 98-111 (2017).
- Eliades, S. J., Wang, X. Neural correlates of the lombard effect in primate auditory cortex. J Neurosci. 32 (31), 10737-10748 (2012).
- Tsunada, J., Wang, X., Eliades, S. J. Multiple processes of vocal sensory-motor interaction in primate auditory cortex. Nat Commun. 15 (1), 3093 (2024).
- Miller, C. T., Thomas, A. W., Nummela, S. U., de la Mothe, L. A. Responses of primate frontal cortex neurons during natural vocal communication. J Neurophysiol. 114 (2), 1158-1171 (2015).
- Roy, S., Zhao, L., Wang, X. Distinct neural activities in premotor cortex during natural vocal behaviors in a New World Primate, the common marmoset (Callithrix jacchus). J Neurosci. 36 (48), 12168-12179 (2016).
- Wang, X., Merzenich, M. M., Beitel, R., Schreiner, C. E. Representation of a species-specific vocalization in the primary auditory cortex of the common marmoset: temporal and spectral characteristics. J Neurophysiol. 74 (6), 2685-2706 (1995).
- Zeng, H. -. h., et al. Distinct neuron populations for simple and compound calls in the primary auditory cortex of awake marmosets. National Science Review. 8 (11), nwab126 (2021).
- Sadagopan, S., Temiz-Karayol, N. Z., Voss, H. U. High-field functional magnetic resonance imaging of vocalization processing in marmosets. Sci Rep. 5, 10950 (2015).
- Kato, M., et al. Individual identity and affective valence in marmoset calls: in vivo brain imaging with vocal sound playback. Anim Cogn. 21 (3), 331-343 (2018).
- Jafari, A., et al. A vocalization-processing network in marmosets. Cell Rep. 42 (5), 112526 (2023).
- Papanicolaou, A. C., et al. Differential brain activation patterns during perception of voice and tone onset time series: a MEG study. Neuroimage. 18 (2), 448-459 (2003).
- Capilla, A., Belin, P., Gross, J. The early spatio-temporal correlates and task independence of cerebral voice processing studied with MEG. Cereb Cortex. 23 (6), 1388-1395 (2012).
- Belin, P., Zatorre, R. J., Lafaille, P., Ahad, P., Pike, B. Voice-selective areas in human auditory cortex. Nature. 403 (6767), 309-312 (2000).
- Perrodin, C., Kayser, C., Abel, T. J., Logothetis, N. K., Petkov, C. I. Who is that? Brain networks and mechanisms for identifying individuals. Trends Cogn Sci. 19 (12), 783-796 (2015).
- Pernet, C. R., et al. The human voice areas: Spatial organization and inter-individual variability in temporal and extra-temporal cortices. Neuroimage. 119, 164-174 (2015).
- Chen, X., Pan, Z., Wang, P., Zhang, L., Yuan, J. EEG oscillations reflect task effects for the change detection in vocal emotion. Cogn Neurodyn. 9 (3), 351-358 (2015).
- Hiyoshi-Taniguchi, K., et al. EEG correlates of voice and face emotional judgments in the human brain. Cogn Comput. 7 (1), 11-19 (2015).
- Lévêque, Y., Schön, D. Listening to the human voice alters sensorimotor brain rhythms. PloS One. 8, e80659 (2013).
- Liu, T., et al. Electrophysiological insights into processing nonverbal emotional vocalizations. NeuroReport. 23, 108-112 (2012).
- Bruneau, N., et al. Early neurophysiological correlates of vocal versus non-vocal sound processing in adults. Brain Res. 1528, 20-27 (2013).
- Flinker, A., et al. Single-Trial speech suppression of auditory cortex activity in humans. J Neurosci. 30, 16643-16650 (2010).
- Greenlee, J. D. W., et al. Human auditory cortical activation during self-vocalization. PloS One. 6 (3), e14744 (2011).
- Itoh, K., Konoike, N., Iwaoki, H., Igarashi, H., Nakamura, K. A novel "dip-in electrode" method for electrode application to record noninvasive scalp electroencephalograms and evoked potentials in an awake common marmoset. Neuroimage: Reports. 2 (3), 100116 (2022).
- Itoh, K., et al. Cerebral cortical processing time is elongated in human brain evolution. Sci Rep. 12 (1), 1103 (2022).
- Itoh, K., Nejime, M., Konoike, N., Nakamura, K., Nakada, T. Evolutionary elongation of the time window of integration in auditory cortex: macaque vs. human comparison of the effects of sound duration on auditory evoked potentials. Front Neurosci. 13, 630 (2019).
- Itoh, K., Iwaoki, H., Konoike, N., Igarashi, H., Nakamura, K. Noninvasive scalp recording of the middle latency responses and cortical auditory evoked potentials in the alert common marmoset. Hear Res. 405, 108229 (2021).
- Itoh, K., Nejime, M., Konoike, N., Nakada, T., Nakamura, K. Noninvasive scalp recording of cortical auditory evoked potentials in the alert macaque monkey. Hear Res. 327, 117-125 (2015).
- Konoike, N., et al. Comparison of noninvasive, scalp-recorded auditory steady-state responses in humans, rhesus monkeys, and common marmosets. Sci Rep. 12 (1), 9210 (2022).
- Eliades, S. J., Miller, C. T. Marmoset vocal communication: Behavior and neurobiology. Dev Neurobiol. 77 (3), 286-299 (2017).
- Ray, S., Hsiao, S. S., Crone, N. E., Franaszczuk, P. J., Niebur, E. Effect of stimulus intensity on the spike-local field potential relationship in the secondary somatosensory cortex. J Neurosci. 28 (29), 7334-7343 (2008).
- Leonard, M. K., et al. Large-scale single-neuron speech sound encoding across the depth of human cortex. Nature. 626 (7999), 593-602 (2024).
- Dubey, A., Ray, S. Comparison of tuning properties of gamma and high-gamma power in local field potential (LFP) versus electrocorticogram (ECoG) in visual cortex. Sci Rep. 10 (1), 5422 (2020).
- Ray, S., Crone, N. E., Niebur, E., Franaszczuk, P. J., Hsiao, S. S. Neural correlates of high-gamma oscillations (60-200 Hz) in Macaque local field potentials and their potential implications in electrocorticography. Journal Neurosci. 28 (45), 11526-11536 (2008).
- Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents–EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).
- Konoike, N., Miwa, M., Ishigami, A., Nakamura, K. Hypoxemia after single-shot anesthesia in common marmosets. J Med Primatol. 46 (3), 70-74 (2017).
.