蘇釗民 劉一問 劉薛茹 孫 濤 左真濤 劉瀟瀟 沈秀麗

當前，核磁共振技術在人體上的應用已經(jīng)趨近于成熟，它證明了意識的運行是可以計算的，思維的本質可以還原為機械性的步驟，在研究大腦活動方面具有巨大的潛力。但在動物行為研究中尚未得到廣泛的開發(fā)和應用。研究犬類動物大腦活動與行為的關系，將為我們深入了解犬類動物，深度挖掘犬類動物能力特點提供寶貴的科學數(shù)據(jù)。如何使犬類動物在清醒狀態(tài)完成特定刺激下的核磁共振大腦掃描成像，是研究犬認知能力和高分辨率的大腦結構像、功能像的技術難點。研究人員以犬類動物的訓練學方法成功將難點突破，實現(xiàn)了清醒狀態(tài)下的犬大腦分析的高清核磁共振圖像采集。為下一步研究犬類動物大腦核磁圖像與腦電波結合，分析其大腦活動與行為提供了重要的技術支撐。

一、研究背景

犬類動物長期受到人類馴化，是人類忠實的朋友，按照與人類的關系主要可分為陪伴觀賞犬類和工作犬類。其中，工作犬在經(jīng)過訓練和培養(yǎng)后，能夠協(xié)助人類開展救援、醫(yī)療、安保、偵查、抓捕、導盲等多個領域的工作，在世界范圍得到廣泛應用，它所具備的某些能力是當前科技設備無法替代的。隨著社會的進步，工作犬在服務人類的范圍和功能逐步得到拓展，甚至在個別領域其功能是不可或缺的，為了更好挖掘出其更多潛能服務于人類，這些工作犬有著較高的研究價值。研究人員準備通過對工作犬的行為與大腦活動和腦電數(shù)據(jù)進行深入研究，找出其行為與生理、物理上的變化特點和規(guī)律，為工作犬的培養(yǎng)與訓練提供科學的數(shù)據(jù)保障。

在研究中，研究人員通過犬的訓練學、行為學創(chuàng)新訓練方法，使犬類動物能夠在清醒狀態(tài)下自主配合核磁共振掃描的進行。使研究人員直接觀測工作犬在清醒狀態(tài)下的大腦活動，從而極大地拓寬了對其行為和反應的研究領域。對清醒狀態(tài)下的犬核磁共振成像具有以下優(yōu)點：犬能夠保留自主意識；在清醒狀態(tài)下參與掃描，可反映犬本身的大腦活動。這與傳統(tǒng)的死亡或麻醉狀態(tài)下的核磁共振掃描成像相比，更加真實、準確地反映工作犬在特定刺激下的大腦活動，將研究工作全面提升到新的領域。

研究人員將清醒狀態(tài)下的犬完成核磁共振圖像采集的訓練方法進行總結，以便其他研究人員借鑒、完善。

二、研究內(nèi)容

訓練受訓犬在清醒狀態(tài)下參與核磁共振腔體，完成影像數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對其大腦活動的掃描成像。一是研究人員對受訓犬訓練方式以“由易到難、由簡到繁”為基本原則，逐步推進訓練；二是通過前期親和訓練，建立犬名、“好”肯定、“非”否定等基礎條件反射建立；三是使用誘導、禁止、獎勵、強迫等四種基本訓練方法，以延緩訓練方法為參考開展訓練；四是搭建核磁共振腔體模擬環(huán)境和圖像采集程序進行脫敏訓練，包括核磁共振采集室內(nèi)溫度濕度、光線亮度、核磁共振腔體、核磁采集止動床，以及采集時的噪音等模擬環(huán)境，讓受訓犬逐步適應；五是鼓勵受訓犬充分接受采集核磁圖像時的視覺刺激，通過二維、三維、圖片、視頻等圖像刺激視覺神經(jīng)，實現(xiàn)采集對應刺激下的大腦運動圖像；六是幫助受訓犬能夠適應佩戴頭部必要的掃描采集設備，準確采集其大腦核磁、電波等物理數(shù)據(jù)。

通過上述訓練最終實現(xiàn)犬進入核磁共振腔體正式采集成像。達到正式進入核磁共振腔體的訓練標準是受訓犬頭部位移小于±5mm。除佩戴必要的掃描設備，不采用任何束縛手段，令犬處于清醒狀態(tài)下接受特定刺激，獨立完成核磁共振掃描，過程包括定位掃描、結構像和功能像掃描。

三、訓練過程

（一）實驗動物

10 頭健康受訓犬（5 公5 母，平均年齡3 ～5歲），參與核磁共振掃描，由經(jīng)驗豐富的訓導員訓練開展任務見（見表1）。

表1 實驗犬信息

（二）訓練過程

研究人員將核磁掃描訓練分為三個階段：親和階段、模擬訓練階段、環(huán)境適應階段。每個階段每次訓練時間為5 ～20 分鐘，每天3 ～5 次訓練（訓練時長與次數(shù)的設定，以受訓犬不超限抑制為重要依據(jù)）。

1．親和階段

本階段平均用時2 周，研究人員通過參與犬的日常飼養(yǎng)管理，建立與受訓犬的親和關系和依戀性。同時，利用巴甫洛夫經(jīng)典條件反射原理建立獎勵和禁止的口令和機制，讓犬對正確和錯誤這兩種口令產(chǎn)生清晰認知。同時采用斯金納操作式條件反射原理，通過口令“好”或響片標記正確行為，建立及時捕捉、延緩獎勵的聯(lián)系。

2．環(huán)境模擬訓練階段

本階段平均用時8 周（室內(nèi)溫度、濕度、光線等環(huán)境一致），目標是訓練受訓犬能夠適應一個簡易模擬的核磁共振機體模式，能夠自主將頭部置于下顎限位托上（固定采集位置），受訓犬頭上佩戴模擬核磁共振時所需的射頻線圈，且能保持穩(wěn)定狀態(tài)（位移小于±5mm）達到15 分鐘。

首先，研究人員誘導受訓犬以臥姿置于模擬的核磁共振機床上，使受訓犬自然將下顎置于限位托位置，訓導員及時下達“貼”的口令和獎勵口令。受訓犬能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)時，使用響片標定正確行為。當受訓犬不能自主將頭部置于固定處或出現(xiàn)明顯位移時，研究人員采取負強化的方式，下達“貼”的口令，并通過機械外力幫助受訓犬頭部置于固定處，保持3 ～5s 后給予“好”口令或響片標定正確行為，并解除機械外力。仍保持犬穩(wěn)定數(shù)秒后，標記正確行為，給予食物獎勵。反復訓練直至受訓犬能夠在核磁共振機床上自主將頭部置于固定處，逐漸增加延緩穩(wěn)定時長。

其次，在受訓犬能夠穩(wěn)定延緩達到1min 以上時，增加機床滑動。在滑動機床的同時安撫犬的情緒，保持受訓犬頭部穩(wěn)定。這一訓練極易出現(xiàn)受訓犬抬頭，頭部出現(xiàn)位移離開限位托的情況。這時研究人員要下達禁止口令，必要時可及時采取機械外力幫助受訓犬保持穩(wěn)定?？梢詫C床恢復原位，重新下達“貼”的口令，多次重復這一訓練，直至受訓犬可以在機床滑動期間保持頭部緊貼限位托不動，完成這一階段訓練。

最后，搭建模擬核磁共振艙體。搭建簡易的弧形結構腔體，采用半圓桶狀兩端開口模擬核磁共振腔體的環(huán)境，腔體的弧度和高度、底座的寬度與正式掃描的核磁共振腔體尺寸一致，包含下顎限位托和頭上側模擬核磁共振的線圈海綿、音箱和一套視覺刺激呈現(xiàn)裝置（用以吸引犬注意力）。為簡化步驟，將視覺刺激和錄制的掃描序列聲音合成不同的視頻，時長分別是1min、5min 和10 min，與正式掃描時勻場及定位、結構像和功能像采集過程中的時長對應。

將受訓犬和機床推入模擬艙體中，受訓犬在進入狹窄環(huán)境后，會出現(xiàn)好奇或受到壓迫感導致頭部移動，這時研究人員應當觀察其行為，在受訓犬做出破壞穩(wěn)定的動作前，及時下達口令“貼”。當受訓犬對口令“貼”條件反射牢固時，可以保持頭部穩(wěn)定貼緊限位托上。當受訓犬對口令條件反射建立不牢固時，需要反復訓練。結合視覺刺激、噪音干擾和模擬腔體訓練，受訓犬頭部能夠貼在限位托，保持15min 以上不動時，可以進入核磁共振模擬器中，再次進行本階段訓練，仍能保持頭部穩(wěn)定（位移小于±5mm），本階段訓練合格。

3．設備環(huán)境適應階段

本階段平均用時8 周（每周訓練1～2 次），將在核磁共振設備模型（見圖1）上進行：引導受訓犬自主上核磁共振機床；受訓犬頭部固定于采集位置；播放核磁共振掃描時的噪聲（提前錄制的核磁共振序列掃描時的聲音），噪聲強度從50dB 由弱到強，直至犬能夠在90dB 左右的環(huán)境中維持15min 以上；在模擬訓練中，研究人員位于犬的后方，方便觀察犬，輔助受訓犬完成圖像采集，同時讓犬適應人為干擾因素。本階段主要培養(yǎng)犬對正式掃描流程的熟悉度。

圖1

4.核磁共振設備采集

經(jīng)過模擬殼和模擬器上完成脫敏訓練后，受訓犬第一次在西門子 3T 核磁共振掃描儀上（見圖2）開展掃描時，仍會出現(xiàn)對磁共振掃描儀中存在磁體和電流有所不適，產(chǎn)生排斥反應，還需要在真實采集環(huán)境下進行1～2 次的適應性訓練。

圖2

研究人員在受訓犬開始采集圖像前，命令受訓犬在設備機床上保持采集姿勢，佩戴8 通道采集線圈，待受訓犬體征狀態(tài)穩(wěn)定后，緩慢地將機床推送至核磁共振掃描儀的中心。掃描過程中受訓犬可能會出現(xiàn)輕微調(diào)整產(chǎn)生位移，訓導員不要參與調(diào)整，可在最終掃描圖像產(chǎn)生結果后，評測數(shù)據(jù)是否符合標準（位移小于±5mm），并保留標準圖像數(shù)據(jù)，對于未能達到標準的圖像數(shù)據(jù)進行局部采集。掃描過程中受訓犬出現(xiàn)大幅度動作，導致掃描失敗的，研究人員要返回模擬倉進行糾正訓練，直至犬能夠穩(wěn)定完成采集流程模擬訓練后，研究人員再返回掃描儀開始正式采集。

四、訓練結果

（一）清醒狀態(tài)下的犬核磁共振掃描圖像清晰

經(jīng)過研究人員的訓練，所有受訓犬均能達到清醒狀態(tài)下完成圖像采集目標。采集清醒狀態(tài)下的犬的結構像和功能像（見圖3），圖中結構像的灰、白質對比度清晰、可辨別，3D 結構像無運動偽影，功能像與結構像匹配度高。

圖3

（二）清醒狀態(tài)下的犬核磁共振采集頭部位移范圍穩(wěn)定

通過上述訓練過程，核磁共振采集最低標準為受訓犬頭部位移小于±5mm，頭部移動幅度越小，得到的圖像越清晰穩(wěn)定。圖4 展示了其中一頭受訓犬，在同一天開展4 次核磁共振掃描訓練中，完成相同科目掃描時的頭部位移數(shù)據(jù)信息。如圖所見，經(jīng)過上述方法訓練，受訓犬不但能夠達到清晰圖像采集標準，并且頭部位移范圍能夠控制在±1mm 以內(nèi)，完全符合實驗要求，且能夠穩(wěn)定保持15 ～20分鐘。

圖4

（三）為深入研究工作犬的行為與大腦活動關系奠定了基礎

通過訓練，研究人員得到了工作犬在清醒狀態(tài)下，給予其特定刺激后大腦反射區(qū)域和活動變化的過程，得到第一手科學數(shù)據(jù)，開拓了對犬類動物行為與大腦活動研究的新領域，也對不同品種犬類動物與不同大腦結構反射有了深入的了解。研究人員已完成了《工作犬腦電波采集設備的應用研究》科研項目，工作犬腦電波數(shù)據(jù)準確采集與清醒狀態(tài)下的犬核磁共振圖像數(shù)據(jù)采集可相互依托、相互驗證，為進一步研究工作犬在特定刺激下的行為與大腦活動關系，奠定了堅實的科學數(shù)據(jù)基礎。

五、訓練結論

綜上所述，對清醒狀態(tài)下的犬在無人干預的情況下進行核磁共振掃描成像的訓練方法，是研究犬類動物行為與大腦反射關系的重要前提。通過制訂科學計劃訓練流程、運用豐富的訓練經(jīng)驗掌控過程中的細微環(huán)節(jié)，再經(jīng)過多次重復訓練和反復驗證，最終能夠實現(xiàn)清醒狀態(tài)下的犬在特定刺激下保持頭部穩(wěn)定，配合核磁共振掃描設備，完成對大腦活動的掃描成像任務。所采集的犬類動物大腦活動清晰圖像，可以廣泛運用到工作犬的獸醫(yī)學、行為學、心理學、生理學、訓練學等領域。對工作犬在清醒狀態(tài)下采集核磁共振大腦圖像的訓練方法具有較高的科學研究價值和大范圍推廣價值，并且這種創(chuàng)新的訓練方法具有成本低廉、效果明顯、示范性強、國內(nèi)尚無先例等特點，有著較強的經(jīng)濟效益和社會效益。

（本文照片由作者提供）