Электроэнцефалографические измерения у бодрствующих игрунок, слушающих конвидовые вокализации

Приматы используют видоспецифичные вокализации для передачи биологически важной информации, такой как эмоциональное состояние звонящего или намерение поддерживать социальные связи, присутствие хищников или другие опасные ситуации. Исследование нейронных механизмов, лежащих в основе восприятия вокализации у богатых голосом нечеловекообразных приматов, может дать нам важные ключи к лучшему пониманию эволюционного происхождения человеческого языка.

Обыкновенные игрунки – это небольшие приматы, обитающие в Южной Америке. В последние годы мартышки все чаще используются в качестве модельных животных, наряду с макаками, из-за их высокой репродуктивности, простоты использования благодаря их небольшому размеру и развития полезных трансгенных методов ^1,2,3. В дополнение к их полезности в качестве моделей заболеваний, богатая голосовая коммуникация в группах является еще одной уникальной характеристикой этого вида 4,5,6,7. Мартышки регулярно обмениваются голосовыми сигналами для общения с невидимыми сородичами в лесу. Изучая мозговую активность, участвующую в вокальном восприятии и производстве у мартышек, мы можем определить, как они обрабатывают слуховую информацию своих собственных или родственных звуков в мозге, и определить, какие нейронные цепи задействованы. Предыдущие исследования продемонстрировали нейронную активность в первичной слуховой коре 8,9,10,11,12 и лобной коре ^13,14, участвующих в производстве вокала у мартышек. Кроме того, эти возбужденные и подавленные нейронные реакции модулировались слухово-вокальными взаимодействиями в первичной слуховой коре ^8,10. Эти исследования предоставили подробные данные о нейронной активности на уровне одного нейрона с использованием инвазивных методов записи. Многочисленные исследования дополнительно изучили нейронную активность, участвующую в производстве голоса мартышки; Тем не менее, вокальное восприятие остается плохо изученным^15,16.

Несколько неинвазивных исследований визуализации мозга пролили свет на нейронные механизмы обработки голоса у мартышек 17,18,19; Их высокое пространственное разрешение является преимуществом, однако поддержание животных в бодрствующем состоянии во время сканирования требует передовых технологий. Однако совсем недавно Jafari et al. идентифицировали лобно-височные области, участвующие в голосовом восприятии у бодрствующих мартышек, с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ)¹⁹. Почти все эксперименты по выяснению функций мозга, участвующих в восприятии и воспроизведении голоса у человека, проводились с использованием неинвазивных методов, таких как электроэнцефалография скальпа (ЭЭГ), магнитоэнцефалография (МЭГ)^20,21 и фМРТ 22,23,24. Многочисленные исследования на людях изучали активность мозга, связанную с голосовым восприятием с помощью ЭЭГ. Большинство этих исследований были сосредоточены на эмоциональной информации 25,26,27 и значимости эмоциональных слов²⁸, при этом результаты выявили изменения в потенциалах, связанных с событиями, во время вокального восприятия²⁹. Электрокортикография (ЭКоГ) и запись однонейронов с использованием внутричерепно имплантированных электродов у людей проводились только в ограниченном числе экспериментов у пациентов, проходящих нейрохирургическое лечение^30,31.

Эволюционная перспектива, сравнивающая людей с обезьянами, важна для понимания уникальных нейронных механизмов, лежащих в основе восприятия и производства голоса, которые развились у людей. Чтобы напрямую сравнить нейронные механизмы, участвующие в восприятии речи и вокализации у богатых голосом приматов, таких как мартышки, с людьми, важно сравнить данные между двумя видами с использованием одного и того же метода. Функциональная МРТ позволяет визуализировать весь мозг и имеет высокое пространственное разрешение. Его преимущество заключается в том, что он регистрирует активность перпендикулярно черепу или в глубоких областях, которые трудно зарегистрировать с помощью ЭЭГ или МЭГ. Тем не менее, аппарат МРТ дорог в установке и обслуживании, и существует множество ограничений на стимулы, которые могут быть предъявлены из-за особенностей устройства. Для сравнения, ЭЭГ, потенциалы, связанные с событиями (ERPs) и МЭГ имеют высокое временное разрешение, что делает их полезными для анализа обработки голоса во временных рядах. В частности, ЭЭГ обладает такими преимуществами, как высокая мобильность и возможность использования в различных экспериментальных условиях, относительно низкая стоимость и потребность всего в одном операторе.

Поскольку на людях уже получен большой объем данных ЭЭГ, для нечеловекообразных приматов необходимы методы измерения ЭЭГ с использованием неинвазивных парадигм. Наша исследовательская группа разработала уникальный неинвазивный метод записи ЭЭГ с использованием трубок³² для макак и мартышек. Здесь мы сообщаем о нескольких новых открытиях относительно обработки слуховой информации у нечеловекообразных приматов 33,34,35,36,37. Чтобы охарактеризовать активность мозга в ответ на видоспецифичные вокализации у мартышек, мы создали экспериментальную систему для неинвазивной регистрации активности мозга с помощью электродов, размещенных на коже головы. В данном исследовании мы описываем метод измерения ЭЭГ для мартышек.