对清醒状态下的工作犬使用核磁共振采集大脑活动的训练方法

苏钊民 刘一问 刘薛茹 孙 涛 左真涛 刘潇潇 沈秀丽

当前，核磁共振技术在人体上的应用已经趋近于成熟，它证明了意识的运行是可以计算的，思维的本质可以还原为机械性的步骤，在研究大脑活动方面具有巨大的潜力。但在动物行为研究中尚未得到广泛的开发和应用。研究犬类动物大脑活动与行为的关系，将为我们深入了解犬类动物，深度挖掘犬类动物能力特点提供宝贵的科学数据。如何使犬类动物在清醒状态完成特定刺激下的核磁共振大脑扫描成像，是研究犬认知能力和高分辨率的大脑结构像、功能像的技术难点。研究人员以犬类动物的训练学方法成功将难点突破，实现了清醒状态下的犬大脑分析的高清核磁共振图像采集。为下一步研究犬类动物大脑核磁图像与脑电波结合，分析其大脑活动与行为提供了重要的技术支撑。

一、研究背景

犬类动物长期受到人类驯化，是人类忠实的朋友，按照与人类的关系主要可分为陪伴观赏犬类和工作犬类。其中，工作犬在经过训练和培养后，能够协助人类开展救援、医疗、安保、侦查、抓捕、导盲等多个领域的工作，在世界范围得到广泛应用，它所具备的某些能力是当前科技设备无法替代的。随着社会的进步，工作犬在服务人类的范围和功能逐步得到拓展，甚至在个别领域其功能是不可或缺的，为了更好挖掘出其更多潜能服务于人类，这些工作犬有着较高的研究价值。研究人员准备通过对工作犬的行为与大脑活动和脑电数据进行深入研究，找出其行为与生理、物理上的变化特点和规律，为工作犬的培养与训练提供科学的数据保障。

在研究中，研究人员通过犬的训练学、行为学创新训练方法，使犬类动物能够在清醒状态下自主配合核磁共振扫描的进行。使研究人员直接观测工作犬在清醒状态下的大脑活动，从而极大地拓宽了对其行为和反应的研究领域。对清醒状态下的犬核磁共振成像具有以下优点：犬能够保留自主意识；在清醒状态下参与扫描，可反映犬本身的大脑活动。这与传统的死亡或麻醉状态下的核磁共振扫描成像相比，更加真实、准确地反映工作犬在特定刺激下的大脑活动，将研究工作全面提升到新的领域。

研究人员将清醒状态下的犬完成核磁共振图像采集的训练方法进行总结，以便其他研究人员借鉴、完善。

二、研究内容

训练受训犬在清醒状态下参与核磁共振腔体，完成影像数据采集，实现对其大脑活动的扫描成像。一是研究人员对受训犬训练方式以“由易到难、由简到繁”为基本原则，逐步推进训练；二是通过前期亲和训练，建立犬名、“好”肯定、“非”否定等基础条件反射建立；三是使用诱导、禁止、奖励、强迫等四种基本训练方法，以延缓训练方法为参考开展训练；四是搭建核磁共振腔体模拟环境和图像采集程序进行脱敏训练，包括核磁共振采集室内温度湿度、光线亮度、核磁共振腔体、核磁采集止动床，以及采集时的噪音等模拟环境，让受训犬逐步适应；五是鼓励受训犬充分接受采集核磁图像时的视觉刺激，通过二维、三维、图片、视频等图像刺激视觉神经，实现采集对应刺激下的大脑运动图像；六是帮助受训犬能够适应佩戴头部必要的扫描采集设备，准确采集其大脑核磁、电波等物理数据。

通过上述训练最终实现犬进入核磁共振腔体正式采集成像。达到正式进入核磁共振腔体的训练标准是受训犬头部位移小于±5mm。除佩戴必要的扫描设备，不采用任何束缚手段，令犬处于清醒状态下接受特定刺激，独立完成核磁共振扫描，过程包括定位扫描、结构像和功能像扫描。

三、训练过程

（一）实验动物

10 头健康受训犬（5 公5 母，平均年龄3 ～5岁），参与核磁共振扫描，由经验丰富的训导员训练开展任务见（见表1）。

表1 实验犬信息

（二）训练过程

研究人员将核磁扫描训练分为三个阶段：亲和阶段、模拟训练阶段、环境适应阶段。每个阶段每次训练时间为5 ～20 分钟，每天3 ～5 次训练（训练时长与次数的设定，以受训犬不超限抑制为重要依据）。

1．亲和阶段

本阶段平均用时2 周，研究人员通过参与犬的日常饲养管理，建立与受训犬的亲和关系和依恋性。同时，利用巴甫洛夫经典条件反射原理建立奖励和禁止的口令和机制，让犬对正确和错误这两种口令产生清晰认知。同时采用斯金纳操作式条件反射原理，通过口令“好”或响片标记正确行为，建立及时捕捉、延缓奖励的联系。

2．环境模拟训练阶段

本阶段平均用时8 周（室内温度、湿度、光线等环境一致），目标是训练受训犬能够适应一个简易模拟的核磁共振机体模式，能够自主将头部置于下颚限位托上（固定采集位置），受训犬头上佩戴模拟核磁共振时所需的射频线圈，且能保持稳定状态（位移小于±5mm）达到15 分钟。

首先，研究人员诱导受训犬以卧姿置于模拟的核磁共振机床上，使受训犬自然将下颚置于限位托位置，训导员及时下达“贴”的口令和奖励口令。受训犬能够保持稳定的状态时，使用响片标定正确行为。当受训犬不能自主将头部置于固定处或出现明显位移时，研究人员采取负强化的方式，下达“贴”的口令，并通过机械外力帮助受训犬头部置于固定处，保持3 ～5s 后给予“好”口令或响片标定正确行为，并解除机械外力。仍保持犬稳定数秒后，标记正确行为，给予食物奖励。反复训练直至受训犬能够在核磁共振机床上自主将头部置于固定处，逐渐增加延缓稳定时长。

其次，在受训犬能够稳定延缓达到1min 以上时，增加机床滑动。在滑动机床的同时安抚犬的情绪，保持受训犬头部稳定。这一训练极易出现受训犬抬头，头部出现位移离开限位托的情况。这时研究人员要下达禁止口令，必要时可及时采取机械外力帮助受训犬保持稳定。可以将机床恢复原位，重新下达“贴”的口令，多次重复这一训练，直至受训犬可以在机床滑动期间保持头部紧贴限位托不动，完成这一阶段训练。

最后，搭建模拟核磁共振舱体。搭建简易的弧形结构腔体，采用半圆桶状两端开口模拟核磁共振腔体的环境，腔体的弧度和高度、底座的宽度与正式扫描的核磁共振腔体尺寸一致，包含下颚限位托和头上侧模拟核磁共振的线圈海绵、音箱和一套视觉刺激呈现装置（用以吸引犬注意力）。为简化步骤，将视觉刺激和录制的扫描序列声音合成不同的视频，时长分别是1min、5min 和10 min，与正式扫描时匀场及定位、结构像和功能像采集过程中的时长对应。

将受训犬和机床推入模拟舱体中，受训犬在进入狭窄环境后，会出现好奇或受到压迫感导致头部移动，这时研究人员应当观察其行为，在受训犬做出破坏稳定的动作前，及时下达口令“贴”。当受训犬对口令“贴”条件反射牢固时，可以保持头部稳定贴紧限位托上。当受训犬对口令条件反射建立不牢固时，需要反复训练。结合视觉刺激、噪音干扰和模拟腔体训练，受训犬头部能够贴在限位托，保持15min 以上不动时，可以进入核磁共振模拟器中，再次进行本阶段训练，仍能保持头部稳定（位移小于±5mm），本阶段训练合格。

3．设备环境适应阶段

本阶段平均用时8 周（每周训练1～2 次），将在核磁共振设备模型（见图1）上进行：引导受训犬自主上核磁共振机床；受训犬头部固定于采集位置；播放核磁共振扫描时的噪声（提前录制的核磁共振序列扫描时的声音），噪声强度从50dB 由弱到强，直至犬能够在90dB 左右的环境中维持15min 以上；在模拟训练中，研究人员位于犬的后方，方便观察犬，辅助受训犬完成图像采集，同时让犬适应人为干扰因素。本阶段主要培养犬对正式扫描流程的熟悉度。

图1

4.核磁共振设备采集

经过模拟壳和模拟器上完成脱敏训练后，受训犬第一次在西门子 3T 核磁共振扫描仪上（见图2）开展扫描时，仍会出现对磁共振扫描仪中存在磁体和电流有所不适，产生排斥反应，还需要在真实采集环境下进行1～2 次的适应性训练。

图2

研究人员在受训犬开始采集图像前，命令受训犬在设备机床上保持采集姿势，佩戴8 通道采集线圈，待受训犬体征状态稳定后，缓慢地将机床推送至核磁共振扫描仪的中心。扫描过程中受训犬可能会出现轻微调整产生位移，训导员不要参与调整，可在最终扫描图像产生结果后，评测数据是否符合标准（位移小于±5mm），并保留标准图像数据，对于未能达到标准的图像数据进行局部采集。扫描过程中受训犬出现大幅度动作，导致扫描失败的，研究人员要返回模拟仓进行纠正训练，直至犬能够稳定完成采集流程模拟训练后，研究人员再返回扫描仪开始正式采集。

四、训练结果

（一）清醒状态下的犬核磁共振扫描图像清晰

经过研究人员的训练，所有受训犬均能达到清醒状态下完成图像采集目标。采集清醒状态下的犬的结构像和功能像（见图3），图中结构像的灰、白质对比度清晰、可辨别，3D 结构像无运动伪影，功能像与结构像匹配度高。

图3

（二）清醒状态下的犬核磁共振采集头部位移范围稳定

通过上述训练过程，核磁共振采集最低标准为受训犬头部位移小于±5mm，头部移动幅度越小，得到的图像越清晰稳定。图4 展示了其中一头受训犬，在同一天开展4 次核磁共振扫描训练中，完成相同科目扫描时的头部位移数据信息。如图所见，经过上述方法训练，受训犬不但能够达到清晰图像采集标准，并且头部位移范围能够控制在±1mm 以内，完全符合实验要求，且能够稳定保持15 ～20分钟。

图4

（三）为深入研究工作犬的行为与大脑活动关系奠定了基础

通过训练，研究人员得到了工作犬在清醒状态下，给予其特定刺激后大脑反射区域和活动变化的过程，得到第一手科学数据，开拓了对犬类动物行为与大脑活动研究的新领域，也对不同品种犬类动物与不同大脑结构反射有了深入的了解。研究人员已完成了《工作犬脑电波采集设备的应用研究》科研项目，工作犬脑电波数据准确采集与清醒状态下的犬核磁共振图像数据采集可相互依托、相互验证，为进一步研究工作犬在特定刺激下的行为与大脑活动关系，奠定了坚实的科学数据基础。

五、训练结论

综上所述，对清醒状态下的犬在无人干预的情况下进行核磁共振扫描成像的训练方法，是研究犬类动物行为与大脑反射关系的重要前提。通过制订科学计划训练流程、运用丰富的训练经验掌控过程中的细微环节，再经过多次重复训练和反复验证，最终能够实现清醒状态下的犬在特定刺激下保持头部稳定，配合核磁共振扫描设备，完成对大脑活动的扫描成像任务。所采集的犬类动物大脑活动清晰图像，可以广泛运用到工作犬的兽医学、行为学、心理学、生理学、训练学等领域。对工作犬在清醒状态下采集核磁共振大脑图像的训练方法具有较高的科学研究价值和大范围推广价值，并且这种创新的训练方法具有成本低廉、效果明显、示范性强、国内尚无先例等特点，有着较强的经济效益和社会效益。

（本文照片由作者提供）