Comparative neuroimaging investigations of vocal social perception in dogs and humans  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
116181
Type PD
Principal investigator Andics, Attila
Title in Hungarian Szociális hangadások észlelésének összehasonlító agyi képalkotásos vizsgálatai kutyán és emberen
Title in English Comparative neuroimaging investigations of vocal social perception in dogs and humans
Keywords in Hungarian vokalizáció, beszéd, szociális, összehasonlító, észlelés, fMRI, kutya, ember
Keywords in English vocalization, speech, social, comparative, perception, fMRI, dog, human
Discipline
Behaviourism (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Ortelius classification: Animal ethology
Cognition (e.g. learning, memory, emotions, speech) (Council of Medical and Biological Sciences)40 %
Psychology (Council of Humanities and Social Sciences)20 %
Ortelius classification: Experimental psychology
Panel Neurosciences
Department or equivalent Department of Ethology (Eötvös Loránd University)
Starting date 2015-10-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 22.734
FTE (full time equivalent) 1.80
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Miközben a nyelvhasználatot humánspecifikus képességnek tartjuk, az is ismert, hogy sok más faj is nagyon hatékony az emberi beszéd egyes jellemzőinek feldolgozásában. A kutya és az ember törzsfejlődése 100 millió éve vált külön, de a két faj ma azonos szociális környezetben él. A kutatások szerint a kutyák felismerik a beszélőt, bizonyos tárgyjelentéseket, egyszerű szavak közti relációkat, és a beszélő mentális-érzelmi állapotát is. Az evolúciós távolság és a közös környezet ezen egyedi kombinációja, együttvéve azzal, hogy a kutyák milyen készségesen használják a beszédben rejlő információkat, különlegesen érdekessé teszi a kutyákat a nyelvfeldolgozást vizsgáló összehasonlító agykutatás számára. A mai napig egyetlen agyi képalkotásos vizsgálat sem született kutyákon az emberi beszédet feldolgozó neurális mechanizmusaik tanulmányozására, noha a friss viselkedéses tanulmányok alapján a témát nagyon is aktuálisnak tartják mind a kutyakutatók, mind a nyelvkutatók. Jelen kutatásaink célja, hogy jobban megértsük, milyen közös agyi mechanizmusai vannak a kutyáknak és az embereknek a beszéd feldolgozására, és ezzel jelentősen hozzájáruljunk a nyelvi evolúció folyamatának karakterizációjához. Egy hat fMRI kísérletből álló vizsgálatsorozatban azt várjuk, hogy funkcionális analógiákat térképezünk fel a beszédfeldolgozó emberi és kutya agyi mechanizmusok között; továbbá hogy elkülöníthetjük a vokalizációk feldolgozásában talált féltekei asszimmetriák akusztikus és funkcionális magyarázatait; végül pedig, hogy részletesen összevethetjük a hangadások feldolgozását támogató kutya, makákó és emberi agyterületek topográfiáját.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Alapkérdésünk az, hogy hogyan alakultak ki az emberi beszédészlelési képességek az evolúció során. Specifikusan azt vizsgáljuk, hogy hogyan dolgozza fel a kutya az emberi beszédet, és mennyire hasonlít ez arra, ahogy az ember dolgozza fel az emberi beszédet, illetve arra, ahogy a kutya vagy a makákó dolgozza fel a saját fajtársai hangadásait. A neurális válaszok funkcionális szerveződéséből következtethetünk a nyelvi képességek kialakulására is. Annak megállapításával, hogy a szegmentális és szupraszegmentális jegyek, a lexikális és indexikális információk a beszédben mennyiben hasonló és mennyiben különböző neurális mechanizmusok során kerülnek feldolgozásra a kutya és az ember agyában, ezek a kísérletek segítenek majd megérteni, hogyan jelentek meg az evolúció során a beszédfeldolgozást támogató specifikus funkciók. Továbbá, a lateralizációról számos kutatás azt állítja, hogy jelenléte támogatta a nyelv evolúcióját, de a beszédre talált bal-féltekei dominancia nem human-specifikus, hanem minden bizonnyal a hallókéreg ősibb tulajdonságain alapul, melyeket más fajokkal is osztunk. Friss viselkedéses kutatások hasonló féltekei asszimmetriákat találtak kutyákon is, de a mögöttes agyi mechanizmusok tisztázatlanok. A lehetséges magyarázatok: (1) akusztikus jellemzők determinálják a lateralizációt; (2) a lateralizáció akusztikai jellemzőktől független, a tartalom kommunikatív funkcióján múlik; vagy (3) a lateralizáció azon múlik, hogy a hangadás az egyedet megközelítő vagy eltávolodó viselkedésre készteti. Funkcionális képalkotásos vizsgálataink megerősíthetik majd e különböző magyarázatok valamelyikét is.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A jelen kutatás funkcionális analógiákat keres filogenetikailag távoli emlős fajok agyi funkciói között, módszertani fejlesztések egy olyan kombinációját használva, amely jelenleg tudomásunk szerint sehol máshol nem hozzáférhető. Az ELTE Etológiai Tanszéke két évtizede tanulmányozza a kutya viselkedését, megismerő folyamatait és evolúcióját, úttörő szerepe volt számos új módszertani fejlesztés kidolgozásában (lásd Miklósi 2015), ezen belül is itt végezték a legelső funkcionális MRI méréseket két éber, lekötözetlen kutyán (Tóth et al. 2009), és az elmúlt évek során a labor világviszonylatban is a kutyakutatás egyik vezető központjává vált. A jelen kutatás vezető kutatójának irányításával Andics és mtsai (2014) végezték el az első kutya-ember összehasonlító fMRI vizsgálatot. speciális tréningünk tette lehetővé, hogy pontosan ugyanazt az agyi képalkotásos vizsgálatot végezhessük el éber, lekötözetlen kutya és ember résztvevőinkkel. Jelenleg még mindig a mi laborunk az egyetlen, amelyik sikerrel végzett el kutya-ember összehasonlító agyi képalkotásos vizsgálatot.
A jelen kutatás nyelvfeldolgozás-fókuszú kutya-ember összehasonlító fMRI vizsgálatsorozatával letesszük az összehasonlító kognitív idegtudomány egy teljesen új ágának alapjait. Eredményeink demonstrálhatják, hogy a kutyák és az emberek nemcsak közös szociális környezetben élnek, de hasonló agyi mechanizmusokat is használnak a szociális információk feldolgozására: ez nagyban segíti majd annak megértését, hogy mi teszi a vokális kommunikációt a kutyák és az emberek között olyan sikeressé.
A kutya-ember összehasonlító agykutatás jó példája annak, hogy hogyan talál utat a tiszta alapkutatás könnyen a laikusokhoz is. Valóban, első kutya-ember összehasonlító fMRI vizsgálatunk rendkívüli figyelmet kapott mind a tudományos közösség, mind a nagyközönség és a média részéről. Az online figyelem minőségének és mennyiségének egy mutatója alapján kutatásunk az összes valaha született tanulmány között a felső 1%-ban van, és a Current Biology-ban valaha megjelent összes tanulmány közül is ez kapta a harmadik legtöbb figyelmet (Altmetric score: 695). Következő vizsgálataink kapcsán is hasonlóan nagy érdeklődésre számítunk a nagyközönség részéről.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Miközben a nyelvhasználatot humánspecifikus képességnek tartjuk, az is ismert, hogy sok más faj is nagyon hatékony az emberi beszéd egyes jellemzőinek feldolgozásában. A kutya és az ember törzsfejlődése 100 millió éve vált külön, de a két faj ma azonos szociális környezetben él. Az evolúciós távolság és a közös környezet ezen egyedi kombinációja, együttvéve azzal, hogy a kutyák milyen készségesen használják a beszédben rejlő információkat, különlegesen érdekessé teszi a kutyákat a nyelvfeldolgozást vizsgáló összehasonlító agykutatás számára. Mégis, a mai napig egyetlen agyi képalkotásos vizsgálat sem született kutyákon az emberi beszédet feldolgozó neurális mechanizmusaik tanulmányozására. Nagyon keveset tudunk arról, hogy hogyan kódolja a kutyák agya a beszélt nyelvi információkat, mennyit észlelnek és mennyit értenek az emberi beszédből, mennyire hasonlóak vagy különbözőek azok a neurális mechanizmusok kutyában és emberben, amelyek segítenek feldolgozni, ki beszél, mit mond és milyen hangsúllyal mondja. Sok állítást hallhatunk a nyelvi képességek humánspecifikusságáról, és a kutyák mentális képességeiről is, de mostanáig nagyon kevés kutatás tudott valóban bepillantani az állatok agyába, vizsgálni és összehasonlítani a neurális mechanizmusokat az emberéivel. A jelen kutatás során mi ezt tesszük. Egy általunk kidolgozott speciális tréning segítségével éber kutyák és emberek összehasonlító agyi képalkotásos (fMRI) vizsgálatait végezzük majd el: emberi beszédet mutatunk, és közben mérjük az agyi aktivitást mindkét fajban. Kutatásunk nagyban segíti majd annak megértését is, hogy mi teszi a vokális kommunikációt a kutyák és az emberek között olyan sikeressé.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

There are many claims about the human-specificity of language use, but other species have also been shown to excel at processing certain speech cues. Dog and human lineages split 100 million years ago, but the two species live in the same social environment today. Research shows that dogs recognize the speaker, certain object meanings, simple relations between words, or the mental-emotional state of the speaker. The unique combination of evolutionary distance and shared environment, together with dogs’ readiness to use speech cues, puts dogs in a special position for comparative brain research on language processing. To date there are no neuroimaging studies on dogs’ neural mechanisms of human speech processing, although it clearly is a hot topic for both dog and language researchers. Our studies aim at a better understanding of what brain mechanisms dogs have in common with humans for speech processing, therefore contributing significantly to the characterization of the evolution of language. In a series of six fMRI experiments we expect to find functional analogies between dog and human brain mechanisms for processing human speech; to disentangle acoustic and functional accounts of hemispheric specialization for processing vocalizations; and to compare in detail the topography of voice-processing brain regions in dogs, macaques and humans.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Our basic question is how human speech perception abilities emerged in evolution. Specifically, we investigate how dogs process human speech and how similar it is to the way humans process human speech, and to how dogs or macaques process the vocalizations of their conspecifics. The comparative analysis of the functional organization of neural responses will contribute to the understanding of how linguistic abilities emerged. By determining how much segmental and suprasegmental cues, lexical and indexical information in speech, are processed by similar or distinct neural mechanisms in dog and human brains, these experiments will contribute to our understanding of how specific speech comprehension functions evolved. Furthemore, lateralization has been claimed to support the evolution of language in humans, but left-hemisphere dominance for speech is not human-specific but it is based on more ancient properties of the auditory cortex that we share with other animals. Recent behavioural research suggests that similar hemispheric asymmetries also exist for dogs, but the underlying brain mechanisms remain unclear. Explanations involve (1) an acoustic cue-dependency account, (2) a cue-independent account that asymmetry depends on the communicative function of the acoustic content, and (3) a motivational account, reflecting the animal’s motive to approach vs withdraw from the source of the vocal sound. Using functional neuroimaging, we can disentangle these accounts.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

This research looks for functional analogies in the brain function of phylogenetically distant mammalian species using a combination of in-house developed methods that are to date hardly or not at all available anywhere else.
The Department of Ethology at the Eötvös Loránd University has studied dog behaviour, cognition and evolution for two decades, has pioneered at developing a variety of new methodologies (see Miklósi 2015), including the very first functional MRI scans of two awake, unrestrained dogs (Tóth et al. 2009), and over the years became one of the world’s leading centres of canine research. With the principal investigator of the present proposal as lead researcher, Andics et al. (2014) performed the first comparative fMRI study of dogs and humans. Our special training for made it possible to run the very same neuroimaging experiment on awake, unrestrained dog and human participants. To date our lab is still the only one that performed dog-human comparative brain research.
By performing a series of dog-human comparative fMRI studies on language processing, we establish the foundation of a completely new branch of comparative cognitive neuroscience.
Our findings may demonstrate that dogs and humans not only share a similar social environment, but also they use similar brain mechanisms to process social information: this will greatly help in understanding what makes vocal communication between dogs and humans so successful. This research will also be of great interest to professionals working with dogs by giving them verbal instructions.
Dog-human comparative brain research is an example for pure basic research that finds its way to people very easily. Indeed, our first comparative fMRI study on dogs and humans received an extraordinary attention from the scientific community, the general public and media as well, putting it, on the basis of a measure of the quality and quantity of online attention, in the top 1% of all articles ever, and this is the 3rd most attended among all studies that Current Biology ever published (Altmetric score: 695). We expect similar attention from the public for our future studies as well.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

There are many claims about the human-specificity of language use, but other species have also been shown to excel at processing certain speech cues. Dog and human lineages split 100 million years ago, but the two species live in the same social environment today. The unique combination of evolutionary distance and shared environment, together with dogs’ readiness to use speech cues, puts dogs in a special position for comparative brain research on language processing. Still, to date there are no neuroimaging studies on dogs’ neural mechanisms of human speech processing, although it clearly is a hot topic for both dog and language researchers. We know very little about how the dog brain encodes language, how much they perceive and understand from human speech, how similar or different are the neural mechanisms in dogs and humans that help to process who is speaking, what is being said and how it was said. There are many claims about the human-specificity of language, and about the mental skills of dogs, but very few studies could actually look into the brain of animals, to investigate and compare the neural mechanisms to those of humans. We will do so here. Based on special training developed in our lab we will perform comparative brain imaging (fMRI) studies on awake dogs and humans: we display human speech, and measure brain activity in both species. Our studies will greatly help in understanding what makes vocal communication between dogs and humans so successful.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Az ösztöndíj segítségével 4 közlemény készült el, rangos folyóiratokban ill. kézikönyvben. A PD kutató vezetésével a világon elsőként vizsgálták meg, hogy a kutyák agya hogyan dolgozza fel az emberi beszédet, ez a kutatás a Science-ben jelent meg (Andics és mtsai, 2016). A Trends in Neurosciences c. folyóiratban megjelent tanulmány (Bunford, Andics, Kis, Miklósi & Gácsi, 2017) részletesen elemzi a kutya kognitív-affektív idegtudományi modellállatként történő alkalmazásának módszertani kihívásait. A Neuroscience & Biobehavioral Reviews c. folyóiratban megjelenő áttekintő tanulmány (Andics & Miklósi, 2018) amellett érvel neuroetológiai és pszicholingvisztikai nézőpontokból, hogy a kutya egy megkerülhetetlen modellfaj az emlősök vokális-szociális információ-feldolgozási neurális folyamatainak összehasonlító szemléletű értelmezéséhez, evolúciós kontextusba helyezéséhez, a nyelv evolúciójának jobb megértéséhez. Az Oxford University Press által kiadásra kerülő, a vokalizációk feldolgozásáról szóló kézikönyvbe írt tanulmány (Andics & Faragó, in press) a hangadások észlelésének fajok közti átjárhatóságát tekinti át, egy újszerű, összehasonlító funkcionális nézőpontot vezetve be a hangfeldolgozás kognitív idegtudományi megközelítésébe. További 3 beszédfeldolgozási kutya fMRI kísérletes munka adatgyűjtése és adatelemzése is befejeződött. A pályázat a tervezettnél előbb kerül lezárásra, mivel a PD kutató 2017-ben Lendület kutatócsoport alapítására kapott támogatást az MTA pályázatán.
Results in English
As a result of the PD grant, 4 publications have been produced, in high-impact journals or handbook. With the PD researcher as lead author, dogs’ brain capacity to process human speech has been investigated for the first time, this study was publisghed in Science (Andics et al., 2016). A study in Trends in Neurosciences (Bunford, Andics, Kis, Miklósi & Gácsi, 2017) analyzed in detail the methodological challenges of using the dog model in cognitive-affective neuroscientific studies. A review paper in Neuroscience & Biobehavioral Reviews (Andics & Miklósi, 2018) gives a thorough overview from neuroethological and psycholinguistic perspectives of what makes dogs a highly suitable model species for comparative neuroscientific investigations of mammalian vocal-social processing, for putting these questions in an evolutionary context, and for a better understanding of the emergence of language. A study for the Oxford University Press handbook on vocalization processing analyzes what makes voice perception across species possible or efficient, introducing a novel comparative functional approach to the cognitive neuroscience of vocal processing (Andics & Faragó, in press). Data collection and analysis has been completed for another 3 dog fMRI experiments on speech processing. The grant has been closed earlier than planned, because the PD researcher received an academy grant (MTA Lendület) in 2017 to establish his own research group.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116181
Decision
Yes





 

List of publications

 
Andics A, Gabor A, Gacsi M, Farago T, Szabo D, Miklosi A: Neural mechanisms for lexical processing in dogs, SCIENCE 353: (6303) 1030-1032, 2016
Andics A, Kis A, Gácsi M, Faragó T, Miklósi Á: Ki beszél mit? fMRI-adaptáció beszélőre és beszédhangokra kutyákban, Magyar Etológiai Társaság XVII. Konferenciája, 2015
Bunford N, Andics A, Kis A, Miklósi Á, Gácsi M: Canis familiaris As a Model for Non-Invasive Comparative Neuroscience, Trends Neurosci. 40(7):438-452, 2017
Andics A, Faragó T: Voice perception across species, In: Belin P, Fruhholz S (eds): The Oxford Handbook of Voice Perception. Oxford University Press, 2018
Andics A, Miklósi Á: Neural processes for vocal social perception: dog-human comparative fMRI studies., Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 85: 54-64., 2018
Andics A, Gabor A, Gacsi M, Farago T, Szabo D, Miklosi A: Measuring the reward value of social sounds in the dog brain using fMRI., Behaviour 2017 conference, 2017
Gábor A, Gácsi M, Świerkosz S, Miklósi Á, Andics A: Attachment-dependent reward response to praise in the dog brain, Human Brain Mapping conference, 2017
Kaszás N, Gábor A, Gácsi M, Miklósi Á, Andics A: A hangalapú személyazonosítási képesség kísérletes vizsgálata kutyákban, Magyar Etológiai Társaság XVIII. Konferenciája, 2016
Gábor A, Gácsi M, Szabó D, Miklósi Á, Kubinyi E, Andics A: Hierarchical processing of spoken words in dogs: an fMRI adaptation study, Magyar Etológiai Társaság XIX. Konferenciája, 2017
Kaszás N, Gábor A, Gácsi M, Miklósi Á, Andics A: A hangalapú személyazonosítási képesség kísérletes vizsgálata kutyákban, Magyar Etológiai Társaság XVIII. Konferenciája, 2016, 2016
Andics A, Gabor A, Gacsi M, Farago T, Szabo D, Miklosi A: Measuring the reward value of social sounds in the dog brain using fMRI, Behaviour 2017 conference, 2017, 2017
Bunford N, Andics A, Kis A, Miklósi Á, Gácsi M: Canis familiaris As a Model for Non-Invasive Comparative Neuroscience, Trends Neurosci. 40(7):438-452, 2017, 2017
Gábor A, Gácsi M, Świerkosz S, Miklósi Á, Andics A: Attachment-dependent reward response to praise in the dog brain, Human Brain Mapping conference, 2017, 2017
Gábor A, Gácsi M, Szabó D, Miklósi Á, Kubinyi E, Andics A: Hierarchical processing of spoken words in dogs: an fMRI adaptation study, Magyar Etológiai Társaság XIX. Konferenciája, 2017, 2017
Andics A, Faragó T: Voice perception across species, In: Belin P, Fruhholz S (eds): The Oxford Handbook of Voice Perception. Oxford University Press, 2018, 2018
Andics A, Miklósi Á: Neural processes for vocal social perception: dog-human comparative fMRI studies, Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 85: 54-64., 2018, 2018




Back »