fMRI技术在犬科动物认知领域研究的应用_赵禹.pdf

2022 年 12 月第 30 卷 第 8 期中国实验动物学报ACTA LABORATORIUM ANIMALIS SCIENTIA SINICADecember 2022Vol.30 No.8赵禹.fMRI 技术在犬科动物认知领域研究的应用 J.中国实验动物学报,2022,30(8):1107-1113.Zhao Y.Progress of research into functional magnetic resonance imaging in the field of domestic dog cognition J.Acta Lab Anim Sci Sin,2022,30(8):1107-1113.Doi:10.3969/j.issn.1005-4847.2022.08.013基金项目国家自然科学基金(31702028)。Funded by National Natural Science Foundation of China(31702028).作者简介赵禹(1983),男,硕士,研究方向:警犬行为认知遗传研究。Email:zglnlyzhaoyu fMRI 技术在犬科动物认知领域研究的应用赵禹(中国刑事警察学院警犬技术学院,沈阳 110034)【摘要】家犬(Canis lupus familiaris)与人类社会生态高度融合,已成为人类解析认知进化理论、进行比较认知研究、开展人类认知功能障碍性疾病研究的一种自然模型动物。功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)是一种非侵入式、安全的能反映生物体大脑神经活动时空分布的神经影像学技术,近年来被应用于家犬行为认知特征神经机制的研究。本文简介了 fMRI 技术;概述了部分研究者使用视觉、嗅觉、听觉等不同的实验范式对家犬大脑开展 fMRI,定位不同实验范式下被激活的大脑功能区,从而揭示家犬认知的神经机制;总结了 fMRI 技术在犬认知研究中技术和方法上的挑战。以期为国内开展家犬等动物认知研究者提供新的技术方法。【关键词】功能性磁共振成像;家犬;认知【中图分类号】Q95-33 【文献标识码】A 【文章编号】1005-4847(2022)08-1107-07Progress of research into functional magnetic resonance imaging in the field of domestic dog cognitionZHAO Yu(Department of Police-dog Technology,Criminal Investigation Police University of China,Shenyang 110034,China)Corresponding author:ZHAO Yu.E-mail:zglnlyzhaoyu 【Abstract】Domestic dogs are highly integrated into human society and ecology,and have become a natural model animal for analyzing cognitive evolution theory,conducting comparative cognitive research,and conducting human cognitive dysfunction disease research.Functional magnetic resonance imaging(fMRI)is a non-invasive and safe neuroimaging technique that can reveal the temporal and spatial distribution of biological brain neural activities.In recent years,fMRI has been used to study the neural mechanisms of behavioral cognitive characteristics in domestic dogs.This paper provides an introduction to the fMRI technique.We reveal how the neural mechanisms of dog cognition were studied using fMRI of dog brains to locate the activated functional brain areas under different experimental paradigms,such as vision,smell,and hearing.The technical and method ological challenges of fMRI in canine cognitive research are also summarized.This paper provides a theoretical basis and reference for researchers who carry out cognition studies on domestic dogs and other animals.【Keywords】functional magnetic resonance imaging;domestic dog;cognitionConflicts of Interest:The authors declare no conflict of interest.动物认知学可以定义为研究动物思考和行为的过程及机制的一门科学1。家犬是第一个被人类驯化的物种2,尽管起源进化问题一直以来在学术界存在争议3-5。但由于其与人类社会生态的深中国实验动物学报 2022 年 12 月第 30 卷第 8 期 Acta Lab Anim Sci Sin,December 2022,Vol.30,No.8度融合,近年来,已成为继非人灵长类动物、啮齿类动物、鸦科鸟类等动物之后,研究非人类物种行为认知特征的一种新的热门模型动物。家犬被广泛用于比较认知研究、认知进化理论解析及人类认知功能障碍性疾病自然模型动物研究等方向6-10。目前,家犬认知领域的研究除了通过设计能体现犬认知能力的各种实验范式,观察分析家犬在各实验范式中的行为表现11-12,研究其认知表型特征,已发展到使用脑电图(EEG)、眼动追踪(eye-tracking)、功能性磁共振成像(fMRI)等多种技术研究家犬行为认知特征深层次神经机制的研究13-14。其中,fMRI 是一种新兴的、非侵入式、安全、无创、能反映生物体大脑神经活动时空分布的神经影像学技术15。近年来,fMRI 技术广泛用于家犬(以下简称犬)认知神经机制的研究中。1 fMRI 技术简介功能性磁共振成像(fMRI)是一种无侵入、无创的主要用于对生物体大脑活动皮层区域进行准确定位的一种成像技术。20 世纪 90 年代,Belliveau等16使用 fMRI 技术,应用灌注成像,采用视觉刺激范式,观察到了人类视觉皮层区域的大脑活动影像。Ogawa 等17开 发 的 血 氧 水 平 依 赖 性 成 像(Blood Oxygenation Level Dependent,BOLD)的 fMRI技术广泛应用于大脑皮层功能定位。BOLD-fMRI也是目前应用最广泛的脑功能成像技术。该技术应用的生理基础是当大脑中某个特定区域的神经元被激活时,该脑区的神经元放电并耗氧,导致局部血氧水平短暂下降。接着含氧血液流向激活神经元所在区域,以满足神经元的局部能量需求,使局部血氧水平很快增加,这种血液中的氧气量超过了神经元活动所消耗的氧气量,因此该区域的含氧血液过多会导致局部磁化率下降(因为氧合血红蛋白是抗磁性的),导致磁共振信号强度增加。fMRI 技术广泛应用于人脑功能及心理机制的研究。基于 fMRI 技术的人脑功能研究主要在任务态和静息态两种状态下开展。任务态功能磁共振成像(task fMRI,tfMRI)是指受试者通过执行视觉、语言、思维、听觉等特定的任务,根据特定脑区血氧含量的变化从而定位出该任务下大脑活跃区域的数据成像。静息态功能磁共振成像(resting-state fMRI,RS-fMRI)是指在没有明确任务的情况下,语言、注意力、听觉、视觉等各功能脑区在静息状态下表现出的自发低频波动数据成像。2 基于 fMRI 技术的犬认知研究MRI 技术用于研究犬脑的解剖结构早于 fMRI技术用于研究犬脑功能。对犬进行磁共振扫描分析前,一般要对犬进行麻醉,麻醉的目的是使犬在磁共振设备中保持静止,而麻醉不会改变犬的大脑结构,因此兽医领域中将 MRI 技术用于犬脑退行性疾病诊断、认知功能障碍等临床疾病的诊断。由于麻醉的使用必然会改变犬的意识状态、妨碍犬的注意力、并降低血流和呼吸速率。这可能导致参与认知加工的大脑区域的激活模式不被发掘。为了获得正常状态下的犬脑部功能成像数据,研究者们开始尝试不使用麻醉,使用训练有素的犬进行图像采集。Tth 等18通过逐步训练,使犬适应了磁共振仪器的环境和噪音,并在犬清醒、无约束静止的状态下,成功获得了犬脑部磁共振成像的数据。但这项研究只包括了犬脑部的结构扫描。不久后,研究人员就获得了犬清醒状态下的脑部功能扫描成像。Berns 等19首次发表了清醒和无约束状态下家犬的fMRI 数据采集。该小组研究人员通过正强化的方式训练了两头犬在收集 fMRI 高质量成像图像所需的时间内保持静止,实验中犬的头部运动小于1 mm,无需药物镇定和身体绑定。研究人员采用视觉刺激范式,让犬观看之前形成条件反射的表示食物奖励和无奖励的两种不同的手势信号。通过fMRI 成像,观察到两头犬对有奖赏手势信号反应的脑部尾状核区域激活更明显。目前为止,世界范围内共有五个独立的研究小组两个在美国(佐治亚州亚特兰大市和奥尔本市)、两个在欧洲(匈牙利布达佩斯市和奥地利维也纳市)、一个在墨西哥(克雷塔罗),开展了清醒、无约束状态下,通过视觉、嗅觉、听觉等不同的实验范式设计对犬脑部进行fMRI,定位不同实验范式下犬脑部特定区域的激活状态,进而确定犬的认知神经机制20。2.1 基于视觉范式的认知研究Berns 等19在开发了一套让犬在保持静止、清醒和专注于认知任务的情况下进行 fMRI 的技术后,又在更多的样本犬中实验了该方法的可靠性。Berns 等21在 13 头受试犬中发现有 8 头犬对奖励的手势信号在尾状核有激活信号,验证了 fMRI 技术在犬脑功能分析中结果的可靠性,可以在犬清醒的状态下完成。Berns 等22使用 fMRI 技术,通过观察8011中国实验动物学报 2022 年 12 月第 30 卷第 8 期 Acta Lab Anim Sci Sin,December 2022,Vol.30,No.849 头训练中的服务犬对熟悉训导员和陌生人给出的表示奖励或不奖励的手势信号脑部尾状核、杏仁核和视觉皮层区域激活情况,结合犬的训练结果,经过分析发现,成功的服务犬(不管是熟悉的训导员还是陌生人给出的手势信号)都产生了尾状核激活,而杏仁体没有过度激活,得出了使用 fMRI 技术可以预测犬经过训练后能否成为一头合格服务犬的结论。Dilks 等23使用 fMRI 技术对 6 头接受过在磁共振扫描仪中保持静止训练的犬进行了视觉面部识别能力研究。在犬的颞叶中发现了一个区域,该区域对人脸和犬脸的反应明显高于对日常物体图像的反应,而这种面部选择性在犬的初级视觉皮层中没有发现。该实验证明了犬颞叶皮质中存在专门的面部选择区域,揭示了专注于面部处理的神经机制并非灵长类动物独有,可能有助于解释犬对人类社会线索的高度敏感。Cook 等24收集了犬在观察它们主人喂另外一头逼