תרגום מלא של המאמר: Functional MRI in Awake Unrestrained Dogs

מאמר מקורי: Berns, G. S., Brooks, A. M., & Spivak, M. (2012). Functional MRI in awake unrestrained dogs. PLoS ONE, 7(5), e38027. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0038027

---

תקציר

בגלל האבולוציה הממושכת של כלבים עם בני אדם, רבים מהכישורים הקוגניטיביים הכלביים נחשבים כמייצגים ברירה של תכונות שהופכות כלבים לרגישים במיוחד לרמזים אנושיים. אבל איך המוח הכלבי באמת עובד? כדי לפתח מתודולוגיה שתענה על שאלה זו, אימנו שני כלבים להישאר ללא תנועה למשך הזמן הדרוש לאיסוף תמונות fMRI איכותיות, תוך שימוש בחיזוק חיובי ללא הרגעה או ריסון פיזי. המשימה נועדה לקבוע אילו מעגלים מוחיים מגיבים באופן דיפרנציאלי לסימני יד אנושיים המסמנים נוכחות או היעדר גמול מזון. תנועת הראש בתוך ניסיונות בודדים הייתה פחות מ-1 מ"מ. בהתאם לספרות על למידת חיזוק, צפינו בהפעלת הקָּאוּדָט (caudate) בשני הכלבים בתגובה לסימן היד שמסמן גמול לעומת אי-גמול.

מבוא

כמין המבוית העתיק ביותר, עם הערכות שנעות בין 9,000 ל-30,000 שנה לפני הספירה, מוחם של כלבים עוצב באופן בלתי נמנע על ידי אלפי שנים של מגע עם בני אדם [1,2]. כתוצאה מאבולוציה פיזית וחברתית זו, כלבים, יותר מכל מין אחר, רכשו את היכולת להבין ולתקשר עם בני אדם. התעוררות מחודשת של מחקר בקוגניציה כלבית חשפה את טווח היכולות (ואת השונות) של כישורים כמו מעקב אחר רמיזות הצבעה ומבט [3,4,5], מיפוי מהיר של מילים חדשות [6], וההשערה שלכלבים יש רגשות [7].

עם זאת, הרשימה הגדלה של כישורים קוגניטיביים כלביים מרשימה, אבל איך המוח הכלבי באמת עובד? נותרנו להסיק את תפקוד המוח הכלבי מהתנהגות, ובסופו של דבר לנחש את פעולתו הפנימית של מוח הכלב. השימוש הנרחב בדימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI — functional magnetic resonance imaging) לחקר תפקוד המוח בבני אדם ובפרימטים שאינם אנושיים סלל את הדרך להבנה פוטנציאלית של איך המוח הכלבי עובד. כאן אנו מדווחים על פיתוחן של שיטות התנהגותיות וטכניות לרכישת נתוני fMRI בכלבים ערים לחלוטין, ללא ריסון.

האתגר המרכזי של fMRI בכלבים נובע מתנועת הנבדק. היסטורית, הגישה המקובלת הייתה להרדים את בעל החיים [8,9] או, כמו בחולדות וקופים, לרסן אותם [10,11,12,13,14,15]. ברור שאם אנו רוצים להבין קוגניציה כלבית, הרדמה אינה אופציה. ריסון פיזי אפשרי מבחינה טכנית, אך בעייתי מבחינה אתית עבור כלב, וכפי שאנו מראים, מיותר לצורך רכישת נתוני fMRI שימושיים. במקום זאת, משום שכלבים כל כך נכונים לציית לפקודות אנושיות, ניתן לאמן אותם להיכנס לסורק MRI ולהחזיק את ראשם יציב מספיק למחקרי fMRI ללא כל ריסון. יתרה מזו, הם יעשו זאת בשמחה עם שום דבר מלבד חיזוק חיובי.

בגלל האבולוציה הממושכת שלהם עם בני אדם, רבים מהכישורים הקוגניטיביים הכלביים נחשבים כמייצגים ברירה של תכונות שהופכות כלבים לרגישים במיוחד לרמזים אנושיים [16]. מסיבה זו, בחרנו במשימת הבחנה פשוטה עם שני סימני יד אנושיים למחקר הראשוני עם fMRI כלבי. למרות שיש עדויות הולכות וגדלות לכך שכלבים אינם צריכים להיות מותנים כדי ללמוד סימני יד אנושיים, בניסוי הראשון הזה בחרנו לשייך את סימני היד לגמול ראשוני, כדי לספק קישור לניסויי דימות השוואתיים הן בבני אדם והן בקופים, וכדי למקסם את הסיכוי לצפות בתגובה מוחית מובהקת. חשוב לציין, השערת טעות-חיזוי-הגמול (reward-prediction error) של מערכת הדופמין מספקת חיזוי קונקרטי לפעילות בקָּאוּדָט הגחוני (ventral caudate) של הכלב. המשימה נועדה לקבוע אילו מעגלים מוחיים מגיבים באופן דיפרנציאלי לסימני יד המסמנים נוכחות או היעדר גמול מזון. בהתבסס על ספרות למידת החיזוק, השערנו כי העברת השיוך של הגמול לסימן היד תתבטא בסטריאטום הגחוני (ventral striatum) [17,18,19,20,21].

שיטות

#### נבדקים

הנבדקות היו שתי כלבות מסורסות, מבויתות. קאלי (Callie) הייתה כלבה בת שנתיים מגזע פייסט (feist) ממוצא לא ידוע, שאומצה ממקלט מקומי בגיל 9 חודשים ושקלה 12 ק"ג. מלבד ציות בסיסי, לא היה לה אימון מיוחד. מקנזי (McKenzie) הייתה כלבה בת 3 מגזע בורדר קולי, שכבר הייתה מאומנת היטב בתחרויות זריזות (agility), ושקלה 16 ק"ג. האימון והטיפול בהליכים הבאים בוצעו על ידי הבעלים של כל כלבה תחת פיקוחו של מאלף מקצועי. מחקר זה בוצע בהתאמה קפדנית להמלצות המדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה של המכונים הלאומיים לבריאות בארה"ב (NIH). כל ההליכים אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת אמורי (פרוטוקול מספר: DAR-2001274-120814).

#### אילוף והכנה

שלושה סשני סריקת fMRI בוצעו על פני תקופה של 6 שבועות. קאלי השתתפה בכל הסשנים, בעוד מקנזי השתתפה בשניים האחרונים. מטרת הסשן הראשון הייתה להרגיל את קאלי לסביבת הסורק ולקבוע את היתכנות רכישת נתונים מבניים ו-fMRI. מטרת הסשן השני הייתה לייעל את פרמטרי הסריקה ולאסוף מספיק נתוני fMRI כדי להעריך את איכותם ביחס לחפצי תנועה. נצפה שתחילתו של כל רצף דימות נטתה להבהיל את הכלבות, ולגרום להן לזוז או לצאת מהסורק. בעיה זו טופלה ביעילות בסשן האחרון על ידי השמעת הקלטות של רעש הסורק דרך האינטרקום בזמן שהכלבה התיישבה במשענת הסנטר. הפרוטוקול האמור עודד התרגלות לרעש הסורק וחיסל תגובות בהלה. בסשן השלישי והאחרון, התחלת הרצף כבר לא הבהילה והכלבות לא זזו בצורה חמורה כשהרצף האמיתי התחיל.

לסשן הדימות האחרון, השתמשנו במשימת התניית כלים פשוטה (instrumental conditioning task) שבה ההתנהגות הנדרשת הייתה להניח את הראש על משענת הסנטר ולא לזוז (איור 1). לאחר מרווח משתנה של כ-5 שניות, ניתן סימן יד שהצביע על נוכחות או היעדר גמול מזון שיתקבל. יד שמאל מורמת למעלה סימנה גמול של נקניקייה, בעוד שתי ידיים המצביעות זו לעבר זו באופק סימנו היעדר גמול. סימני היד נבחרו כך שיהיה קל להבחין בינם והוחזקו במשך כ-10 שניות. הכלבה נאלצה להמשיך להחזיק את ראשם ללא תנועה במהלך תקופה זו. סוגי הניסיונות היו אקראיים ומתחלפים בערך (אך לא באופן צפוי), כך שהיה מספר שווה בערך של שני סוגי הניסיונות.

#### רכישת נתוני fMRI

נתוני fMRI נרכשו על סורק Siemens 3 T Trio. השתמשנו בסליל ראש משדר-מקבל חד-ערוצי (single-channel transmit-receive head coil). משענת הסנטר נבנתה כך שתתאים בתוך הסליל. לריצות הפונקציונליות, השתמשנו בדימות אקו-פלאינרי חד-ירייה (single-shot EPI) לרכישת וולומים של 28 חתכים רצופים בעובי 3 מ"מ (TE=28ms, TR=1610ms). עבור כל כלבה, נרכשו שתי ריצות של 190 וולומים, כל אחת נמשכה 5 דקות. עבור קאלי, זה הניב 19 ניסיונות גמול ו-20 ניסיונות אי-גמול. עבור מקנזי — 16 ניסיונות גמול ו-11 ניסיונות אי-גמול. לאחר הריצות הפונקציונליות, נרכשה תמונה מבנית משוקללת T2 שנמשכה 24 שניות. הכלבה נדרשה להחזיק ראשם ללא תנועה במשך 24 השניות המלאות, ולאחר מכן קיבלה גמול.

#### עיבוד נתונים

הנתונים עובדו באמצעות AFNI. וולומים עם תנועה ברורה הוחרגו, ולאחר מכן החרגנו כל וולום שבו האות הממוצע על פני כל המוח השתנה ביותר מ-1%. זה הביא לשימור של 236 מתוך 380 וולומים לקאלי (62%) ו-222 וולומים למקנזי (58%). התרגום הממוצע הכולל בתוך כל ניסיון היה פחות מ-1 מ"מ. מודל ליניארי כללי (GLM) שימש לניתוח נתוני ה-fMRI. האירועים הוגדרו: 1) סימן יד של גמול; 2) סימן יד של אי-גמול; 3) גמול. מיקדנו את הניתוח בראש הקָּאוּדָט (caudate). אצל הכלב, הקָּאוּדָט ממוקם גחונית לברך כפיס המוח (genu of the corpus callosum), בין עמודת ההרחה לזרוע הקדמית של הקפסולה הפנימית [23,24,25].

תוצאות

הניגוד בין סימני יד של גמול לעומת אי-גמול גילה אשכול הפעלה מובהק באזור הקָּאוּדָט הימני של שתי הכלבות (איור 3). המובהקות הסטטיסטית הייתה p<0.01 בקאלי ו-p<0.001 במקנזי — אותה תוצאה באותו אזור בשני כלבים שונים, בדיוק באזור שהושער מראש. כשמערכי הנתונים אוחדו, ההפעלה של אשכול הקָּאוּדָט הייתה מובהקת ב-p<0.05 לאחר תיקון ל-FDR.

דיון

למיטב ידיעתנו, זוהי ההדגמה הראשונה של דימות MRI או fMRI בכלבים ערים לחלוטין, ללא ריסון. איכות התמונות המבניות מדגימה שכלבים יכולים להחזיק ראש יציב כמו בני אדם לתקופות של עד 24 שניות — ארוך מספיק למגוון רחב של מחקרים תפקודיים ויישומים וטרינריים. מגוון רחב של מחקרים עתידיים אפשרי כעת. למשל, כיצד כלבים מייצגים בתודעה את מוחם של בני אדם? כיצד כלבים מבדילים בין בני אדם — על ידי ראייה או ריח? האם שפה אנושית מעובדת כצלילים שרירותיים, או שלכלבים יש מבנים עצביים המגיבים לשפה? מה ההבדל בין תפיסת בני אדם לעומת כלבים אחרים?

ובה בעת שחקר המוח הכלבי מרתק בפני עצמו, הוא גם מספק מראה ייחודית למוח האנושי. משום שבני אדם יצרו כלבים באמצעות ביות, ייתכן שהמוח הכלבי מייצג גרסה של המוח האנושי שעברה אופטימיזציה לקריאה של אותות חברתיים אנושיים.

תיאור איורים מרכזיים

איור 1: קאלי במתקן האימון — העתק של סליל הראש. משענת סנטר שעוצבה ללסת התחתונה איפשרה מיקום עקבי של הראש. לא נעשה שימוש בריסון כלשהו. תהליך האילוף עיצב בהדרגה את ההתנהגות הרצויה באמצעות חיזוק חיובי בלבד. הכלבות היו חופשיות לצאת מהמתקן בכל עת. איור 2: סדרת הזמן של תנועה במהלך סשני הסריקה — תנועה בתוך ניסיון הייתה פחות מ-1 מ"מ בכל הכיוונים. איור 3: אותו אזור הפעלה (קָּאוּדָט ימני) נצפה בשתי הכלבות. סדרת הזמן של ההפעלה הראתה תגובה המודינמית טיפוסית, מובהקת לאות ה"גמול" לעומת "אי-גמול".

---

אפילוג

המחקר של ברנס ועמיתיו (2012) פתח צוהר חדש לחקר המוח הכלבי. זוהי הייתה הפעם הראשונה שבה fMRI בוצע בכלבים ערים לחלוטין ללא ריסון או הרגעה. המאמר צוטט למעלה מ-180 פעמים והשפיע על עשרות מחקרי fMRI שבאו אחריו. ברנס המשיך לפרסם סדרת מחקרים על מוח כלבים, כולל תגובה לשבח לעומת אוכל, חוש הריח, וזיהוי פנים. המתודולוגיה אפשרה לחוקרים לאשש את מה שמאלפי כלבים יודעים מזה שנים: שכלבים מסוגלים לצפות, לתכנן, ולשמוח על גמול צפוי. עבור מאלפי כלבים, המשמעות המרכזית היא שהבסיס העצבי של המוטיבציה אצל כלבים דומה לשלנו — כלבים חווים ציפייה, תכנון מוטורי, ותגובה רגשית לגמול, במסלולים עצביים זהים לאלו של בני אדם. הממצאים מחזקים את הגישה של אילוף מבוסס-חיזוק: המוח הכלבי בנוי לעבוד עם מערכת הגמול, לא נגדה.