fMRI技術(shù)在犬科動(dòng)物認(rèn)知領(lǐng)域研究的應(yīng)用

趙禹

(中國(guó)刑事警察學(xué)院警犬技術(shù)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

動(dòng)物認(rèn)知學(xué)可以定義為研究動(dòng)物思考和行為的過(guò)程及機(jī)制的一門(mén)科學(xué)[1]。家犬是第一個(gè)被人類馴化的物種[2],盡管起源進(jìn)化問(wèn)題一直以來(lái)在學(xué)術(shù)界存在爭(zhēng)議[3-5]。但由于其與人類社會(huì)生態(tài)的深度融合,近年來(lái),已成為繼非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物、嚙齒類動(dòng)物、鴉科鳥(niǎo)類等動(dòng)物之后,研究非人類物種行為認(rèn)知特征的一種新的熱門(mén)模型動(dòng)物。家犬被廣泛用于比較認(rèn)知研究、認(rèn)知進(jìn)化理論解析及人類認(rèn)知功能障礙性疾病自然模型動(dòng)物研究等方向[6-10]。目前,家犬認(rèn)知領(lǐng)域的研究除了通過(guò)設(shè)計(jì)能體現(xiàn)犬認(rèn)知能力的各種實(shí)驗(yàn)范式,觀察分析家犬在各實(shí)驗(yàn)范式中的行為表現(xiàn)[11-12],研究其認(rèn)知表型特征,已發(fā)展到使用腦電圖(EEG)、眼動(dòng)追蹤(eye-tracking)、功能性磁共振成像(fMRI)等多種技術(shù)研究家犬行為認(rèn)知特征深層次神經(jīng)機(jī)制的研究[13-14]。其中,fMRI是一種新興的、非侵入式、安全、無(wú)創(chuàng)、能反映生物體大腦神經(jīng)活動(dòng)時(shí)空分布的神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)[15]。近年來(lái),fMRI技術(shù)廣泛用于家犬(以下簡(jiǎn)稱犬)認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制的研究中。

1 fMRI技術(shù)簡(jiǎn)介

功能性磁共振成像(fMRI)是一種無(wú)侵入、無(wú)創(chuàng)的主要用于對(duì)生物體大腦活動(dòng)皮層區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位的一種成像技術(shù)。20世紀(jì)90年代,Belliveau等[16]使用fMRI技術(shù),應(yīng)用灌注成像,采用視覺(jué)刺激范式,觀察到了人類視覺(jué)皮層區(qū)域的大腦活動(dòng)影像。Ogawa等[17]開(kāi)發(fā)的血氧水平依賴性成像(Blood Oxygenation Level Dependent,BOLD)的fMRI技術(shù)廣泛應(yīng)用于大腦皮層功能定位。BOLD-fMRI也是目前應(yīng)用最廣泛的腦功能成像技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用的生理基礎(chǔ)是當(dāng)大腦中某個(gè)特定區(qū)域的神經(jīng)元被激活時(shí),該腦區(qū)的神經(jīng)元放電并耗氧,導(dǎo)致局部血氧水平短暫下降。接著含氧血液流向激活神經(jīng)元所在區(qū)域,以滿足神經(jīng)元的局部能量需求,使局部血氧水平很快增加,這種血液中的氧氣量超過(guò)了神經(jīng)元活動(dòng)所消耗的氧氣量,因此該區(qū)域的含氧血液過(guò)多會(huì)導(dǎo)致局部磁化率下降(因?yàn)檠鹾涎t蛋白是抗磁性的),導(dǎo)致磁共振信號(hào)強(qiáng)度增加。

fMRI技術(shù)廣泛應(yīng)用于人腦功能及心理機(jī)制的研究。基于fMRI技術(shù)的人腦功能研究主要在任務(wù)態(tài)和靜息態(tài)兩種狀態(tài)下開(kāi)展。任務(wù)態(tài)功能磁共振成像(task fMRI,tfMRI)是指受試者通過(guò)執(zhí)行視覺(jué)、語(yǔ)言、思維、聽(tīng)覺(jué)等特定的任務(wù),根據(jù)特定腦區(qū)血氧含量的變化從而定位出該任務(wù)下大腦活躍區(qū)域的數(shù)據(jù)成像。靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state fMRI,RS-fMRI)是指在沒(méi)有明確任務(wù)的情況下,語(yǔ)言、注意力、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等各功能腦區(qū)在靜息狀態(tài)下表現(xiàn)出的自發(fā)低頻波動(dòng)數(shù)據(jù)成像。

2 基于fMRI技術(shù)的犬認(rèn)知研究

MRI技術(shù)用于研究犬腦的解剖結(jié)構(gòu)早于fMRI技術(shù)用于研究犬腦功能。對(duì)犬進(jìn)行磁共振掃描分析前,一般要對(duì)犬進(jìn)行麻醉,麻醉的目的是使犬在磁共振設(shè)備中保持靜止,而麻醉不會(huì)改變?nèi)拇竽X結(jié)構(gòu),因此獸醫(yī)領(lǐng)域中將MRI技術(shù)用于犬腦退行性疾病診斷、認(rèn)知功能障礙等臨床疾病的診斷。由于麻醉的使用必然會(huì)改變?nèi)囊庾R(shí)狀態(tài)、妨礙犬的注意力、并降低血流和呼吸速率。這可能導(dǎo)致參與認(rèn)知加工的大腦區(qū)域的激活模式不被發(fā)掘。為了獲得正常狀態(tài)下的犬腦部功能成像數(shù)據(jù),研究者們開(kāi)始嘗試不使用麻醉,使用訓(xùn)練有素的犬進(jìn)行圖像采集。Tóth等[18]通過(guò)逐步訓(xùn)練,使犬適應(yīng)了磁共振儀器的環(huán)境和噪音,并在犬清醒、無(wú)約束靜止的狀態(tài)下,成功獲得了犬腦部磁共振成像的數(shù)據(jù)。但這項(xiàng)研究只包括了犬腦部的結(jié)構(gòu)掃描。不久后,研究人員就獲得了犬清醒狀態(tài)下的腦部功能掃描成像。Berns等[19]首次發(fā)表了清醒和無(wú)約束狀態(tài)下家犬的fMRI數(shù)據(jù)采集。該小組研究人員通過(guò)正強(qiáng)化的方式訓(xùn)練了兩頭犬在收集fMRI高質(zhì)量成像圖像所需的時(shí)間內(nèi)保持靜止,實(shí)驗(yàn)中犬的頭部運(yùn)動(dòng)小于1 mm,無(wú)需藥物鎮(zhèn)定和身體綁定。研究人員采用視覺(jué)刺激范式,讓犬觀看之前形成條件反射的表示食物獎(jiǎng)勵(lì)和無(wú)獎(jiǎng)勵(lì)的兩種不同的手勢(shì)信號(hào)。通過(guò)fMRI成像,觀察到兩頭犬對(duì)有獎(jiǎng)賞手勢(shì)信號(hào)反應(yīng)的腦部尾狀核區(qū)域激活更明顯。目前為止,世界范圍內(nèi)共有五個(gè)獨(dú)立的研究小組—兩個(gè)在美國(guó)(佐治亞州亞特蘭大市和奧爾本市)、兩個(gè)在歐洲(匈牙利布達(dá)佩斯市和奧地利維也納市)、一個(gè)在墨西哥(克雷塔羅),開(kāi)展了清醒、無(wú)約束狀態(tài)下,通過(guò)視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等不同的實(shí)驗(yàn)范式設(shè)計(jì)對(duì)犬腦部進(jìn)行fMRI,定位不同實(shí)驗(yàn)范式下犬腦部特定區(qū)域的激活狀態(tài),進(jìn)而確定犬的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制[20]。

2.1 基于視覺(jué)范式的認(rèn)知研究

Berns等[19]在開(kāi)發(fā)了一套讓犬在保持靜止、清醒和專注于認(rèn)知任務(wù)的情況下進(jìn)行fMRI的技術(shù)后,又在更多的樣本犬中實(shí)驗(yàn)了該方法的可靠性。Berns等[21]在13頭受試犬中發(fā)現(xiàn)有8頭犬對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)的手勢(shì)信號(hào)在尾狀核有激活信號(hào),驗(yàn)證了fMRI技術(shù)在犬腦功能分析中結(jié)果的可靠性,可以在犬清醒的狀態(tài)下完成。Berns等[22]使用fMRI技術(shù),通過(guò)觀察49頭訓(xùn)練中的服務(wù)犬對(duì)熟悉訓(xùn)導(dǎo)員和陌生人給出的表示獎(jiǎng)勵(lì)或不獎(jiǎng)勵(lì)的手勢(shì)信號(hào)腦部尾狀核、杏仁核和視覺(jué)皮層區(qū)域激活情況,結(jié)合犬的訓(xùn)練結(jié)果,經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),成功的服務(wù)犬(不管是熟悉的訓(xùn)導(dǎo)員還是陌生人給出的手勢(shì)信號(hào))都產(chǎn)生了尾狀核激活,而杏仁體沒(méi)有過(guò)度激活,得出了使用fMRI技術(shù)可以預(yù)測(cè)犬經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后能否成為一頭合格服務(wù)犬的結(jié)論。Dilks等[23]使用fMRI技術(shù)對(duì)6頭接受過(guò)在磁共振掃描儀中保持靜止訓(xùn)練的犬進(jìn)行了視覺(jué)面部識(shí)別能力研究。在犬的顳葉中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)區(qū)域,該區(qū)域?qū)θ四樅腿樀姆磻?yīng)明顯高于對(duì)日常物體圖像的反應(yīng),而這種面部選擇性在犬的初級(jí)視覺(jué)皮層中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)證明了犬顳葉皮質(zhì)中存在專門(mén)的面部選擇區(qū)域,揭示了專注于面部處理的神經(jīng)機(jī)制并非靈長(zhǎng)類動(dòng)物獨(dú)有,可能有助于解釋犬對(duì)人類社會(huì)線索的高度敏感。Cook等[24]收集了犬在觀察它們主人喂另外一頭逼真的假犬模型時(shí)的fMRI腦部數(shù)據(jù),研究了犬杏仁核激活與通過(guò)犬行為評(píng)估研究量表(Canine Behavioral Assessment and Research Questionnaire,C-BARQ)測(cè)試犬攻擊性氣質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)。C-BARQ測(cè)試結(jié)果顯示更具攻擊氣質(zhì)的犬,在觀察到主人喂假犬時(shí),表現(xiàn)出杏仁核區(qū)域更高的激活。這種機(jī)制可能與人類的嫉妒有一些相似之處。Cook等[24]還發(fā)現(xiàn),當(dāng)犬反復(fù)觀察到該情景時(shí),杏仁核區(qū)域反應(yīng)慣化,表明基于暴露的干預(yù)措施對(duì)潛在攻擊性犬的價(jià)值。

Gillette等[25]為了研究犬腦中真實(shí)世界和二維圖像視頻刺激是否具有等效性,向犬和人分別展示真實(shí)世界的人和物體以及相同人和物體的視頻,使用fMRI對(duì)犬和人進(jìn)行掃描成像。在犬和人的腦部,發(fā)現(xiàn)顳后上溝(犬的外側(cè)裂)和枕外側(cè)復(fù)合體(犬的內(nèi)外側(cè)回)對(duì)實(shí)時(shí)和視頻刺激都有顯著的激活區(qū)域。只有犬的外側(cè)裂區(qū)域?qū)铙w面部的激活程度明顯高于視頻面部,而在人類中,梭形面部區(qū)域和后顳上溝對(duì)活體面部的反應(yīng)明顯高于視頻面部。證明了僅使用視頻刺激,也可以定位到犬腦部激活區(qū)域,盡管真實(shí)世界的刺激可能更突出。Karl等[14]為了研究犬與人的關(guān)系,向磁共振設(shè)備中保持靜止的犬分別展示其主人和陌生人的快樂(lè)或者憤怒表情的視頻。結(jié)果表明,犬主人快樂(lè)或憤怒的表情都激活了犬與人類依戀處理的有關(guān)大腦區(qū)域。相比之下,陌生人的視頻主要激活犬視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)加工有關(guān)的大腦區(qū)域,而熟悉的人總體上激活相對(duì)較弱。大多數(shù)快樂(lè)的刺激會(huì)激活與獎(jiǎng)賞處理相關(guān)的尾狀核,而憤怒的刺激會(huì)激活邊緣區(qū)域。結(jié)合眼動(dòng)追蹤技術(shù)和行為偏好測(cè)試數(shù)據(jù)都支持照主人臉部的優(yōu)勢(shì)角色,并且與fMRI實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。初步為犬與人類互動(dòng)時(shí)假定的依戀系統(tǒng)的參與提供新穎和融合的見(jiàn)解。Cook等[26]為探究犬對(duì)與人社交和食物獎(jiǎng)勵(lì)偏好的神經(jīng)基礎(chǔ),首先訓(xùn)練15頭犬對(duì)3個(gè)不同的物品(玩具車、玩具馬和梳子)分別與口頭表?yè)P(yáng)、食物獎(jiǎng)勵(lì)和對(duì)照(什么都沒(méi)有)建立聯(lián)系。3種物品任務(wù)下分別對(duì)清醒犬功能磁共振成像,比較腹側(cè)尾狀核的激活情況。結(jié)果表明,相對(duì)于對(duì)照刺激,尾狀核對(duì)獎(jiǎng)賞預(yù)測(cè)刺激更為活躍。15頭犬中有13頭表現(xiàn)出贊揚(yáng)獎(jiǎng)勵(lì)與食物獎(jiǎng)勵(lì)大致相當(dāng)或更大的激活了尾狀核。尾狀核反應(yīng)的個(gè)體差異表明,對(duì)一些犬來(lái)說(shuō),社會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)可能比食物獎(jiǎng)勵(lì)更高,這可能有助于解釋社會(huì)互動(dòng)在犬訓(xùn)練中的明顯功效。

2.2 基于嗅覺(jué)范式的認(rèn)知研究

嗅覺(jué)被認(rèn)為是犬最強(qiáng)大、最重要的感覺(jué)。Berns等[27]使用嗅覺(jué)范式研究了犬對(duì)人類和同種動(dòng)物的社會(huì)認(rèn)知。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的犬在磁共振成像儀中保持靜止不動(dòng)。分別對(duì)受試犬呈現(xiàn)5種氣味(自我、熟悉人、陌生人、熟悉犬、陌生犬),分析受試犬腦區(qū)的激活情況,重點(diǎn)分析犬腦尾狀核區(qū)域激活情況(因?yàn)樵搮^(qū)域的激活與積極期望有關(guān),而且該區(qū)域的解剖位置也很明確)。結(jié)果表明,犬腦嗅球部被五種氣味激活的程度相似,而尾狀核區(qū)域被熟悉人的氣味最大程度激活。犬尾狀核的激活表明,犬不僅能從其他氣味中分辨出熟悉人的氣味,而且與它有著積極的聯(lián)系。這說(shuō)明了犬嗅覺(jué)的力量,并為人類在犬生活中的重要性提供了重要證據(jù)。Jia等[28]利用fMRI技術(shù),通過(guò)比較清醒和麻醉狀態(tài)下犬大腦對(duì)不同氣味濃度的神經(jīng)反應(yīng),研究犬嗅覺(jué)背后的認(rèn)知過(guò)程。結(jié)果顯示,在出現(xiàn)高濃度和低濃度氣味時(shí),清醒和麻醉狀態(tài)下犬的嗅球和雙側(cè)梨狀葉均表現(xiàn)出強(qiáng)烈激活。并且,激活強(qiáng)度及空間范圍由濃度介導(dǎo),氣味濃度越高,激活強(qiáng)度越大。清醒狀態(tài)下的犬表現(xiàn)出內(nèi)側(cè)、上、眶額葉皮質(zhì)和小腦等區(qū)域的激活,所有這些區(qū)域都與認(rèn)知過(guò)程有關(guān),而麻醉犬的這些區(qū)域沒(méi)有激活,推測(cè)麻醉會(huì)降低氣味的處理,fMRI技術(shù)的應(yīng)用可以更真實(shí)反映犬嗅覺(jué)系統(tǒng)活動(dòng)的神經(jīng)基礎(chǔ)。Prichard等[29]通過(guò)對(duì)18頭犬分別呈現(xiàn)與食物獎(jiǎng)勵(lì)相關(guān)的目標(biāo)氣味(a)、無(wú)關(guān)聯(lián)的分心氣味(b)以及兩種氣味的混合物(ab),獲得清醒犬各任務(wù)態(tài)下的fMRI數(shù)據(jù),研究犬對(duì)a、b及混合氣味ab辨別的神經(jīng)機(jī)制。研究人員獲得了每頭犬在3種氣味刺激呈現(xiàn)過(guò)程中腦部神經(jīng)激活情況(主要關(guān)注3個(gè)已知的與氣味處理有關(guān)的區(qū)域,即尾狀核、杏仁核和嗅球)數(shù)據(jù)。研究者使用SPSS 24(IBM)中的混合模型程序分析發(fā)現(xiàn)3種氣味刺激在尾狀核、杏仁核和嗅球中都存在神經(jīng)差異證據(jù)(P = 0.004),這3種氣味刺激因氣味類型而顯著不同(P < 0.001)。post-hoc檢驗(yàn)對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行多次比較校正后,尾狀核和嗅球這兩個(gè)結(jié)果變得不顯著,只有杏仁核區(qū)域顯示出氣味刺激之間的顯著差異(P < 0.0001)。犬杏仁核區(qū)域激活情況最大限度地區(qū)分基于刺激-獎(jiǎng)賞關(guān)系的氣味刺激(a),而混合物(ab)激活與無(wú)獎(jiǎng)賞刺激(b)相似。Berns等[27]和Jia等[28]進(jìn)行的研究為犬嗅覺(jué)神經(jīng)成像的有效性提供了證據(jù)。嗅球一直與氣味的處理有關(guān),麻醉的使用和氣味的強(qiáng)度與嗅覺(jué)的處理直接相關(guān)。此外,尾狀核的激活支持基于獎(jiǎng)賞的氣味處理。而Prichard等[29]的結(jié)果顯示杏仁核區(qū)域的激活更能體現(xiàn)基于獎(jiǎng)勵(lì)的氣味刺激。鑒于這些研究發(fā)現(xiàn),有明確的證據(jù)表明,fMRI技術(shù)可用于探索犬的嗅覺(jué)加工。

2.3 基于聽(tīng)覺(jué)范式的認(rèn)知研究

聽(tīng)覺(jué)在犬生活的許多方面起著重要作用,對(duì)于犬與人類和同類的溝通都非常重要。Bach等[30]使用簡(jiǎn)單的高斯噪聲和規(guī)則的間隔聲(regular interval sounds,RIS)兩種聲音刺激模式,獲得了10頭麻醉比格犬聽(tīng)覺(jué)刺激后的解剖圖像和功能掃描圖像。結(jié)果通過(guò)組分析,確定與右上橄欖核、外側(cè)丘系和內(nèi)囊位置相匹配的顯著激活。此外,發(fā)現(xiàn)了聽(tīng)覺(jué)皮層被大量激活的證據(jù)。RIS條件(包括基音)與高斯噪聲(無(wú)基音)的對(duì)比顯示,在與左側(cè)內(nèi)側(cè)膝狀體核位置匹配的區(qū)域中有顯著影響。

Andics等[31]使用fMRI技術(shù)對(duì)犬和人的聲音敏感腦區(qū)的功能和位置進(jìn)行了比較研究。11頭犬和22個(gè)人參與試驗(yàn),在掃描過(guò)程中呈現(xiàn)了一組相同的聽(tīng)覺(jué)刺激,以尋找功能相似的聲音敏感皮層區(qū)域。證明犬的聲音區(qū)域存在,并且與人類前顳部的聲音區(qū)域表現(xiàn)出相似的模式。研究結(jié)果表明,在人和犬兩個(gè)物種中,都發(fā)現(xiàn)了大腦對(duì)聲音情緒效價(jià)線索的敏感性,定位在相似的非初級(jí)聽(tīng)覺(jué)區(qū)域。犬的外側(cè)裂周圍區(qū)域和人的顳上溝和額葉下皮質(zhì)均顯示出皮質(zhì)聲敏感性。這兩個(gè)物種在內(nèi)側(cè)膝狀體中均表現(xiàn)出敏感性。在犬的大腦中,確定了對(duì)犬的發(fā)聲以及人類的發(fā)聲和環(huán)境聲音最為活躍的亞區(qū)域。幾乎所有人類聽(tīng)覺(jué)激活區(qū)域?qū)θ祟惏l(fā)聲都是最大的,盡管內(nèi)側(cè)膝狀體對(duì)犬的發(fā)聲表現(xiàn)出最大的激活。

Gábor等[32]結(jié)合犬的行為與fMRI數(shù)據(jù),研究了犬與說(shuō)話人的社會(huì)關(guān)系對(duì)犬腦語(yǔ)音處理區(qū)域的影響。發(fā)現(xiàn)犬對(duì)主人的行為依戀得分與犬聽(tīng)到主人聲音引起的尾狀核神經(jīng)活動(dòng)增加程度正相關(guān);次級(jí)聽(tīng)覺(jué)尾側(cè)外側(cè)裂腦回的活動(dòng)增加;聽(tīng)到主人贊許后犬尾狀核活動(dòng)增加。通過(guò)識(shí)別犬依賴于社會(huì)關(guān)系的神經(jīng)獎(jiǎng)賞反應(yīng),揭示了人類嬰兒與母親、犬與主人的依戀調(diào)節(jié)神經(jīng)機(jī)制的相似性。

Cuaya等[33]使用fMRI研究了犬大腦的語(yǔ)音檢測(cè)和語(yǔ)言表征。使用多體素模式分析(MVPA)發(fā)現(xiàn),雙側(cè)聽(tīng)覺(jué)皮層區(qū)域代表自然語(yǔ)音和加擾語(yǔ)音的方式不同;在右聽(tīng)覺(jué)區(qū)域,長(zhǎng)頭犬的分類器性能更好。這種用于語(yǔ)音檢測(cè)的神經(jīng)能力不是基于對(duì)語(yǔ)音的優(yōu)先處理,而是基于對(duì)聲音自然度的敏感性。此外,在自然語(yǔ)言的情況下,兩種語(yǔ)言在次級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層和皺褶前回都有不同的活動(dòng)模式;年齡較大的犬對(duì)熟悉和不熟悉的語(yǔ)言的反應(yīng)差異較大,表明語(yǔ)言接觸量的作用。在兩種語(yǔ)言的混亂版本中,沒(méi)有區(qū)域表現(xiàn)出不同,這表明自然語(yǔ)音中語(yǔ)言之間的活動(dòng)差異反映了對(duì)語(yǔ)言特定規(guī)律的敏感性,而不是對(duì)光譜語(yǔ)音線索的敏感性。這些表明,不同的皮層區(qū)域支持犬大腦中的語(yǔ)音自然性檢測(cè)和語(yǔ)言表征。

犬認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制的研究領(lǐng)域很廣,大部分研究者采用通過(guò)犬的視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等不同的實(shí)驗(yàn)范式設(shè)計(jì)對(duì)清醒狀態(tài)的犬腦部進(jìn)行fMRI,有的研究者根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑趯?shí)驗(yàn)中運(yùn)用了不只一種感覺(jué)范式,有的還結(jié)合了犬的行為表型及其他一些實(shí)驗(yàn)方法(如:腦電圖、眼動(dòng)追蹤等)探索反映犬認(rèn)知的神經(jīng)機(jī)制。本文僅列舉了部分研究者的實(shí)驗(yàn)成果,為國(guó)內(nèi)開(kāi)展家犬等動(dòng)物認(rèn)知領(lǐng)域研究提供思路參考。

3 fMRI技術(shù)應(yīng)用于犬認(rèn)知研究的挑戰(zhàn)

在犬fMRI研究中,目前使用的fMRI硬件設(shè)備及腦影像數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析處理的方法標(biāo)準(zhǔn)都是為人類開(kāi)發(fā)的。除了注意犬在磁共振儀中靜止的訓(xùn)練方法、犬的安全性等問(wèn)題外,尤其要重視提升犬fMRI方法參數(shù)上的改進(jìn),從而獲取各任務(wù)態(tài)下犬大腦更為真實(shí)、清晰、準(zhǔn)確的成像信息,進(jìn)而反映犬的認(rèn)知本質(zhì)。

3.1 犬運(yùn)動(dòng)問(wèn)題

犬在各種實(shí)驗(yàn)范式的任務(wù)態(tài)下保持靜止是fMRI應(yīng)用的前提,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受試犬無(wú)法開(kāi)展fMRI研究。Berns等[19]開(kāi)發(fā)了正強(qiáng)化訓(xùn)練法,首次獲得了清醒和無(wú)約束狀態(tài)下家犬的fMRI數(shù)據(jù)采集。目前為止,并非所有類型的犬都能開(kāi)展此項(xiàng)研究,這是由犬的訓(xùn)練性能決定的。研究人員認(rèn)為理想受試犬的氣質(zhì)特征是冷靜、具有好奇心、適應(yīng)新環(huán)境快、不懼噪音、不恐高,在封閉環(huán)境中具有保持放松的能力,最重要的是在訓(xùn)練期間表現(xiàn)出好的動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力。盡管Berns等[19]、Jia等[28]、Andics等[31]訓(xùn)練犬的方法略有不同,但都遵循經(jīng)典的條件反射和操作式條件反射的原理。目前未見(jiàn)有訓(xùn)練方法成功率比較的報(bào)道。任何訓(xùn)練方法的首要目標(biāo)都是減少訓(xùn)練時(shí)間,同時(shí)保持所需的犬的某種行為。一般經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的犬在磁共振儀中保持靜止的時(shí)間至少4 min,保持靜止的時(shí)間與收集足夠數(shù)量的fMRI所需的時(shí)間相對(duì)應(yīng)(實(shí)際持續(xù)時(shí)間取決于成像序列和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì))。這期間,即使訓(xùn)練有素的犬也會(huì)有搖頭、吞咽等影響fMRI數(shù)據(jù)的動(dòng)作出現(xiàn)。數(shù)據(jù)分析中應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(舍棄過(guò)度移動(dòng)的圖片和去除微小運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影)。例如,一些研究人員使用外置紅外攝像機(jī)跟蹤犬頭部運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)中的運(yùn)動(dòng)相關(guān)偽影進(jìn)行回顧性校正[34]。

3.2 犬安全問(wèn)題

由于磁共振環(huán)境中存在極高的聲壓級(jí),工作時(shí)的聲級(jí)范圍在65 ~ 95 dB,峰值在120 ~ 131 dB,噪聲可引起犬的不適甚至短期聽(tīng)力損傷[35]。在設(shè)計(jì)犬fMRI實(shí)驗(yàn)時(shí),Cook等[36]給犬佩戴消音耳罩來(lái)進(jìn)行降噪處理,可以降噪高達(dá)28 dB。也有研究者采用或改變掃描參數(shù),從而在掃描過(guò)程中衰減聲壓級(jí)[37]。除了噪聲水平外,犬的射頻比吸收率(SAR)也存在安全問(wèn)題。盡管沒(méi)有針對(duì)非人類受試者的此類指南,但研究人員有責(zé)任在MRI實(shí)驗(yàn)中使用犬來(lái)評(píng)估受試者經(jīng)歷的SAR水平。犬在掃描設(shè)備內(nèi)時(shí),最好遵守FDA對(duì)人類的標(biāo)準(zhǔn)[20]。此外,將實(shí)驗(yàn)犬放入MR環(huán)境之前必須確保犬體內(nèi)沒(méi)有任何鐵磁性材料,體內(nèi)存在導(dǎo)電材料可能會(huì)致過(guò)熱和燒傷。

3.3 硬件設(shè)備及軟件參數(shù)

犬的大腦與人類的大腦神經(jīng)解剖學(xué)差異明顯,腦容積較人類小,血管和神經(jīng)元生理等許多方面存在差異[38-40]。Huber等[41]建議為犬開(kāi)發(fā)專門(mén)定制的fMRI硬件和數(shù)據(jù)分析方法,以獲得犬腦部更清晰的功能圖像,提高犬fMRI的敏感性和特異性。

3.3.1 線圈選擇

犬fMRI的圖像質(zhì)量比人類fMRI圖像質(zhì)量要低。主要是因?yàn)槿M(jìn)行fMRI的射頻線圈和成像協(xié)議未按照犬的神經(jīng)解剖學(xué)特點(diǎn)定制。犬的大腦最大為人腦的三分之一,大腦區(qū)域與人類大腦區(qū)域有很大的生理差異。已發(fā)表的犬類fMRI研究使用的都是不同類型的人類MRI線圈。線圈的幾何形狀沒(méi)有針對(duì)犬的頭部進(jìn)行優(yōu)化,靠近犬大腦的射頻通道數(shù)量有限。由于通道數(shù)量較少,與人類功能磁共振成像相比,時(shí)間和空間分辨率的預(yù)期成像性能都很低。專門(mén)為特定物種定制的線圈(如絨猴)fMRI成像質(zhì)量已顯出巨大的優(yōu)勢(shì)[41]。

3.3.2 場(chǎng)強(qiáng)參數(shù)選擇

Martín-Vaquero等[42]用麻醉犬分析3T和7T掃描儀兩種場(chǎng)強(qiáng)之間圖像質(zhì)量的差異。結(jié)果表明,犬腦部的圖像在3T和7T場(chǎng)強(qiáng)的掃描儀中質(zhì)量相當(dāng),由磁化率和化學(xué)位移引起的噪聲在7T掃描儀中更加明顯,建議使用3T掃描儀。這與預(yù)期的場(chǎng)強(qiáng)增加會(huì)提升圖像的空間分辨率和對(duì)比度分辨率結(jié)果相反。與3T不同,從7T獲得高質(zhì)量的功能磁共振成像數(shù)據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)男蛄袇?shù)(隨場(chǎng)強(qiáng)變化)和使用高階填隙。因此,如果做得好,像7T這樣的高場(chǎng)強(qiáng)有可能提供更高的信噪比和更小的體素,這在犬類成像中至關(guān)重要,因?yàn)槿惖拇竽X結(jié)構(gòu)相對(duì)小于人類。Jacqmot等[43]比較了1.5T、3T和7T場(chǎng)強(qiáng)下犬腦部T2加權(quán)圖像。結(jié)果也顯示7T超高場(chǎng)圖像在不同磁性組織之間的界面容易出現(xiàn)偽影,3T MR成像在評(píng)估犬腦解剖成像綜合效果較好,成像偽影較少。

3.3.3 血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù)(HRF)

要探究fMRI數(shù)據(jù)與神經(jīng)活動(dòng)的關(guān)系,研究HRF模型是關(guān)鍵。由于不同物種大腦大小、形狀及血管和神經(jīng)元生理特征存在差異,不同物種的HRF有所不同。例如,在清醒的嚙齒動(dòng)物中,HRF峰值的潛伏期為2 s,而人類使用的標(biāo)準(zhǔn)HRF的峰值潛伏期為6 s[34]。以往犬的功能磁共振成像研究通常使用人類的HRF。Boch等[44]揭示了犬在視覺(jué)刺激范式下,HRF峰值比人類更早出現(xiàn),并表明使用定制的犬的HRF對(duì)提高犬fMRI檢測(cè)能力具有重要作用。

3.4 實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性

鑒于犬fMRI是一個(gè)新興領(lǐng)域,實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)性還有很多需要不斷完善的方面。如:犬沒(méi)有主觀性,缺乏任務(wù)刺激傳遞給犬的時(shí)間控制,這在BOLD信號(hào)的一般線性建模中是一種缺陷[19];關(guān)于犬fMRI研究的樣本量普遍較小,而由于犬的品種、性別及個(gè)體的認(rèn)知差異,可能導(dǎo)致結(jié)果分析存在偏差[41];缺乏公認(rèn)的高質(zhì)量的犬大腦皮層圖譜限制了研究人員對(duì)犬腦功能機(jī)制的精準(zhǔn)研究。最近已有研究人員開(kāi)展犬大腦皮質(zhì)圖譜的研究制定,以便為今后開(kāi)展犬腦功能研究的精準(zhǔn)區(qū)域定位使用[45-46]。

4 展望

使用fMRI技術(shù)開(kāi)展犬在清醒、無(wú)約束、靜止?fàn)顟B(tài)下的認(rèn)知機(jī)制研究,除了有從事犬認(rèn)知研究的研究人員,還需要專業(yè)訓(xùn)練犬在磁共振儀中保持靜止的訓(xùn)練團(tuán)隊(duì)和磁共振操作分析團(tuán)隊(duì)通力合作。隨著fMRI技術(shù)在犬認(rèn)知領(lǐng)域研究工作的不斷應(yīng)用,越來(lái)越多的關(guān)于犬認(rèn)知的神經(jīng)機(jī)制被揭秘。這不僅使人類更了解犬,而且在比較認(rèn)知研究和解析認(rèn)知進(jìn)化理論中都取得了不少的成果,也為人類開(kāi)展認(rèn)知功能障礙性疾病研究提供了一種新的模型動(dòng)物。此外,fMRI技術(shù)應(yīng)用于犬認(rèn)知領(lǐng)域研究,還可以提高工作犬的選育進(jìn)程。以往我國(guó)工作犬(如:軍警犬、導(dǎo)盲犬等)的選擇都在犬的行為水平開(kāi)展。而工作犬能否勝任工作,除了外在的行為表型,內(nèi)在的認(rèn)知能力(如:執(zhí)行能力、工作記憶、社會(huì)認(rèn)知等)至關(guān)重要[47-48]。開(kāi)展工作犬認(rèn)知水平的研究是工作犬選育的一個(gè)新的領(lǐng)域和方向。通過(guò)設(shè)計(jì)科學(xué)的任務(wù)實(shí)驗(yàn)范式,用fMRI研究那些經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練并在工作中取得成功的工作犬的腦部激活區(qū)域特征模式,從而更好的識(shí)別工作犬的認(rèn)知特征標(biāo)準(zhǔn)。