Uyanık Marmosetlerde Elektroensefalografi Ölçümleri: Türgül Seslendirmelerin Dinlenmesi
Summary
Dilin evrimini incelemek için, insanlardaki beyin mekanizmalarını insan olmayan primatlardaki mekanizmalarla karşılaştırmak önemlidir. Uyanık hayvanların elektroensefalografisini (EEG) noninvaziv olarak ölçmek için bir yöntem geliştirdik. İnsanlar ve hayvanlar arasındaki EEG verilerini, onlara zarar vermeden uzun vadede doğrudan karşılaştırmamızı sağlar.
Abstract
Sesli iletişim, primatların sosyal etkileşimlerinde, özellikle hayatta kalma ve sosyal organizasyonda çok önemli bir rol oynar. İnsanlar, dil biçiminde benzersiz ve gelişmiş bir sesli iletişim stratejisi geliştirdiler. İnsan dilinin evrimini incelemek için, insanlarda ses işlemenin altında yatan sinirsel mekanizmaları araştırmak ve beyin mekanizmalarının insan olmayan primatlardaki mekanizmalarla karşılaştırarak nasıl evrimleştiğini anlamak gerekir. Burada, uyanık insan olmayan primatların elektroensefalografisini (EEG) noninvaziv olarak ölçmek için bir yöntem geliştirdik. Bu kayıt yöntemi, hayvanlara zarar vermeden uzun vadeli çalışmalara izin verir ve daha da önemlisi, insan olmayan primat EEG verilerini insan verileriyle doğrudan karşılaştırmamıza olanak tanır ve insan dilinin evrimi hakkında fikir verir. Bu çalışmada, marmosetlerde türe özgü seslendirmelere yanıt olarak beyin aktivitesini araştırmak için kafa derisi EEG kayıt yöntemini kullandık. Bu çalışma, vokal algı sırasında marmosetlerde yaygın nöral temsilleri yakalamak ve mevcut bilgilerdeki boşlukları doldurmak için kafa derisi EEG’sini kullanarak yeni bilgiler sağlar.
Introduction
Primatlar, arayanın duygusal durumu veya sosyal bağları sürdürme niyeti, yırtıcıların varlığı veya diğer tehlikeli durumlar gibi biyolojik olarak önemli bilgileri iletmek için türe özgü seslendirmeler kullanır. Ses bakımından zengin insan olmayan primatlarda seslendirme algısının altında yatan sinirsel mekanizmaların araştırılması, insan dilinin evrimsel kökenlerini daha iyi anlamak için bize kritik ipuçları sağlayabilir.
Ortak marmosetler, Güney Amerika’ya özgü küçük primatlardır. Son yıllarda, marmosetler, yüksek üremeleri, küçük boyutları nedeniyle kullanım kolaylığı ve yararlı transgenik tekniklerin geliştirilmesi nedeniyle makak maymunlarının yanı sıra model hayvanlar olarak giderek daha fazla kullanılmaktadır 1,2,3. Hastalık modelleri olarak faydalarına ek olarak, gruplar içindeki zengin sesli iletişim, bu türün bir başka benzersiz özelliğidir 4,5,6,7. Marmosetler, ormandaki görünmez türdeşlerle iletişim kurmak için rutin olarak ses sinyalleri alışverişinde bulunurlar. Marmosetlerde ses algısı ve üretiminde yer alan beyin aktivitesini inceleyerek, beyindeki kendi veya türdeş çağrılarının işitsel bilgilerini nasıl işlediklerini belirleyebilir ve hangi nöral devrelerin dahil olduğunu belirleyebiliriz. Önceki çalışmalar, marmosetlerde vokal üretiminde yer alan birincil işitsel korteks 8,9,10,11,12 ve frontal korteks 13,14’te nöral aktivite göstermiştir. Ayrıca, bu uyarılmış ve bastırılmış nöronal tepkiler, birincil işitsel korteksteki işitsel-vokal etkileşimler tarafından modüle edildi 8,10. Bu çalışmalar, invaziv kayıt yöntemleri kullanılarak tek nöron düzeyinde ayrıntılı nöral aktivite verileri sağlamıştır. Çok sayıda çalışma, marmoset ses üretiminde yer alan nöral aktiviteyi daha fazla incelemiştir; Bununla birlikte, ses algısı tam olarak anlaşılamamıştır15,16.
Birkaç noninvaziv beyin görüntüleme çalışması, marmosetlerde vokal işlemenin nöral mekanizmalarını aydınlatmıştır 17,18,19; Yüksek uzamsal çözünürlükleri bir avantajdır, ancak tarama sırasında hayvanları uyanık durumda tutmak ileri teknikler gerektirir. Bununla birlikte, daha yakın zamanlarda, Jafari ve ark. fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) kullanarak uyanık marmosetlerde vokal algıda yer alan frontotemporal bölgeleri tanımladılar19. İnsanlarda ses algısı ve üretiminde yer alan beyin fonksiyonlarını aydınlatmaya yönelik hemen hemen tüm deneyler, kafa derisi elektroensefalografisi (EEG), manyetoensefalografi (MEG)20,21 ve fMRI 22,23,24 gibi invaziv olmayan yöntemler kullanılarak yapılmıştır. İnsanlarda yapılan çok sayıda çalışma, EEG kullanarak ses algısı ile ilgili beyin aktivitesini araştırmıştır. Bu çalışmaların çoğu duygusal bilgi25,26,27 ve duygusal kelimelerin belirginliği28 üzerine odaklanmıştır ve sonuçlar ses algısı29 sırasında olayla ilgili potansiyellerdeki değişiklikleri ortaya koymuştur. İnsanlarda intrakraniyal olarak implante edilmiş elektrotlar kullanılarak yapılan elektrokortikografi (ECoG) ve tek nöron kayıtları, nöroşirürji tedavisi gören hastalarda yalnızca sınırlı sayıda deneyde gerçekleştirilmiştir30,31.
İnsanları maymunlarla karşılaştıran evrimsel bir bakış açısı, insanlarda gelişen ses algısı ve üretiminin altında yatan benzersiz sinirsel mekanizmaları anlamak için önemlidir. Marmoset gibi ses açısından zengin insan olmayan primatlarda konuşma algısı ve seslendirme ile ilgili sinirsel mekanizmaları insanlarla doğrudan karşılaştırmak için, aynı yöntemi kullanarak iki tür arasındaki verileri karşılaştırmak önemlidir. Fonksiyonel MRG, tüm beyin görüntülemesine izin verir ve yüksek uzamsal çözünürlüğe sahiptir. Kafatasına dik olarak veya EEG veya MEG ile kaydedilmesi zor olan derin bölgelerde aktivite kaydetme avantajına sahiptir. Bununla birlikte, MRI makinesinin kurulumu ve bakımı pahalıdır ve cihazın doğası gereği sunulabilecek uyaranlar üzerinde birçok kısıtlama vardır. Karşılaştırıldığında, EEG, olayla ilgili potansiyeller (ERP’ler) ve MEG, yüksek bir zamansal çözünürlüğe sahiptir, bu da onları zaman serisi vokal işlemeyi analiz etmek için kullanışlı kılar. Özellikle, EEG, yüksek mobilite ve çeşitli deneysel ortamlarda kullanılabilme yeteneği, nispeten düşük maliyet ve sadece tek bir operatör gereksinimi gibi avantajlara sahiptir.
İnsanlarda zaten büyük miktarda EEG verisi elde edildiğinden, insan olmayan primatlar için non-invaziv paradigmaları kullanan EEG ölçüm yöntemlerine ihtiyaç vardır. Araştırma grubumuz, makaklar ve marmosetler için tüpler32’yi kullanarak benzersiz bir noninvaziv EEG kayıt yöntemi geliştirdi. Burada, insan olmayan primatlarda işitsel işleme ile ilgili birkaç yeni bulgu bildiriyoruz 33,34,35,36,37. Marmosetlerdeki türe özgü seslendirmelere yanıt olarak beyin aktivitesini karakterize etmek için, kafa derisine yerleştirilen elektrotları kullanarak beyin aktivitesini noninvaziv olarak kaydetmek için deneysel bir sistem oluşturduk. Bu çalışmada marmosetler için EEG ölçüm yöntemi anlatılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Anestezi ile ilgili dikkat edilmesi gereken noktalar
Hem ketamin hem de ksilazin uygulaması denenmiştir ve bunlar analjezik iken ve bu nedenle uzun ağrılı görevler için uygun olsa da, marmosetler oksijen solunması olmadan kan oksijen seviyelerinde azalma yaşama eğilimindedir44. Kısacası, alfaxalon muhtemelen tıraş veya maske yapımı gibi ağrısız görevler için en uygun olanıdır. Ayrıca sadece 10-15 dakika süren tıraş için inhalasyon anestezisi en uygun…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Kyoto Üniversitesi’nin Hakubi Projesi, Zorlu Araştırmalar için Yardım Hibesi (Öncülük) (No.22K18644), Bilimsel Araştırma Hibesi (C) (No. 22K12745), Bilimsel Araştırma Hibesi (B) (No. 21H02851) ve Bilimsel Araştırma için Yardım Hibesi (A) (No. 19H01039) tarafından desteklenmiştir. İngilizce dil düzenlemesi için Editage’a (www.editage.jp) teşekkür ederiz.
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).
.