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 JoVE General

強化、Eyetracking、および生体モニタリングによる機能イメージング

1,2,3, 1,3, 1, 1, 3, 1,3

1Department of Neuroscience, Columbia University, 2Department of Psychiatry, Columbia University, 3Department of Radiology, Columbia University

Article
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    Summary

    このプレゼンテーションでは、意思決定の基礎となる神経回路を研究するfMRIの使用方法を示します。単純な知覚タスクは成果が意思決定プロセスにどのような影響を与えるか調査する欲求と嫌悪補強と組み合わされる。

    Date Published: 11/13/2008, Issue 21; doi: 10.3791/992

    Cite this Article

    Ferrera, V., Grinband, J., Teichert, T., Pestilli, F., Dashnaw, S., Hirsch, J. Functional Imaging with Reinforcement, Eyetracking, and Physiological Monitoring. J. Vis. Exp. (21), e992, doi:10.3791/992 (2008).

    Abstract

    我々は、意思決定の基礎となる神経回路を研究する脳機能イメージング(fMRI)を使用してください。結果は、意思決定のプロセスをどのように影響するかを理解するために、単純な知覚タスクは欲求と嫌悪補強と組み合わされる。しかし、このようなジュースやairpuffsとしての強化子の使用は、fMRIの課題を作成することができます。補強剤の配信は、fMRIの信号でアーティファクトを作成するヘッドの移動が発生する可能性があります。補強は、また自律神経経路によって媒介される心拍数と呼吸の変化につながることができます。心拍数と呼吸の変化は、直接脳のfMRIの(BOLD)信号に影響を与える可能性がありますし、神経活動に起因する信号の変化に混乱することができます。本発表では、我々は頭部を安定させるための、およびパルスと呼吸を測定するために、制御された方法での強化子を管理するためのメソッドを示しています。

    Protocol

    機器のセットアップ

    実行されているとfMRIの実験の最初のステップは、セットアップと機器をチェックしています。これらの手順は、任意の順序で行うことができます。

    信号のコンディショニング - スキャナは電気と磁気シールドルームに位置しています。制御室からスキャナの部屋に行くすべての電気信号は、MR画像のアーチファクトを作成する可能性のある周波数を除去するフィルタパネルを通過。

    Airpuff - airpuffデバイスは、一定の圧力と持続時間の制御されたパフを提供します。目に向かうときは、これは嫌悪が、非外傷性である。空気タンクになるが、我々は、家の空気を使用することができる圧縮空気の供給源に圧力レギュレータ(WPI空気圧PicoPump)、。圧力は30 psiに調整されます。タイミングは50ミリ秒のパフを提供するために調整されます。電磁弁は、コンピュータの信号によって制御されます。圧力レギュレータの出力は、6分の1インチのプラスチックチューブ(タイゴン)を通して被験者に配信されます。チューブが長すぎるまたはソレノイドの開口部と圧縮空気は、チューブの端に到着する時間の間に遅延が生じることではないことが重要です。このような理由から、圧力調整器は、スキャナの部屋の中に位置し、制御信号がない画像アーチファクトがないことを保証するために、フィルタパネルを介して供給されています。

    ジュース - ジュースディスペンサーは、ジュースのサイズと数を制御するには、プラスチック製のチューブが口に配信低下します。ジュースディスペンサーは、貯水池、コンピュータ制御のソレノイドバルブ、およびサブジェクトにジュースを提供する長い管で構成されています。すべての電子部品は、スキャナの部屋外であるため、MR信号にはアーティファクトがない。ジュースディスペンサー(クリストの楽器が)タンクを充填し、電磁弁を開くことにより、二回リンスする。それは被験者の好みの飲料で満たされている。システムは、ジュースを数滴の結果を対象に配信されているテストパルスのストリームを生成するためにコンピュータを引き起こすプログラムを実行することによって前にスキャンするためにテストされています。被験者は、ジュースが流れていることを確認します。

    バーをかむ - ヘッドの動きは、fMRI画像にいくつかの成果物を作成します。この実験で、被験者は反射的な動きを引き起こす可能性がairpuffs、および嚥下が必要なジュースを受け取る。ヘッドの動きを最小限に抑えるために、bitebarは頭部を安定させるために使用されます。 bitebarは、RFのヘッドのコイルに接続されています。各被験者は、熱可塑性材料から作られたカスタムフィットマウスピースを持っています。

    パルスオキシメータ - FMRI対策血液の酸素化(BOLD)。脳内の血液の酸素化は、神経活動によって影響を受ける可能性があります、でもそれは、ハートビートによって影響を受けることができます。心周期に関係する酸素の変化を測定するために、我々は、赤外線センサーを使って指先で血液の酸素化を測定するパルスオキシメータを使用してください。パルスオキシメータは、MR互換性があり、その出力信号は、それをデジタル化し、コンピュータに格納されている制御室へのフィルタパネルを介して供給される。

    呼吸ガスモニター - 血液の酸素化はまた、呼吸によって影響を受けることができます。我々は、期限切れのCO2濃度を測定する呼吸ガスモニターで呼吸を測定する。 RGMは、MR互換性があり、その出力信号は、それをデジタル化し、コンピュータに格納されている制御室へのフィルタパネルを介して供給される。

    視覚刺激 - 逆投影パネルは被験者の頭の位置に近い穴スキャナの一端に位置しています。被験者は、頭部コイルの上部に取り付けられたミラーを介して背面投影用スクリーンに見える。画像は、スキャナの部屋の外にある液晶プロジェクターによる背面投影スクリーン上に投影されています。プロジェクターからの光ビームはRFシールドホースを介してスキャナの部屋の内部に向けられている。

    アイトラッキング - 被写体がいくつかの理由を探している場所を把握することが重要です。眼球運動は、脳内の視覚的な応答に影響を与える網膜、上の視覚刺激の位置に影響を与える。目の動きはまた、被験者が行動反応を示すことの手段として使用することができます。我々は目を追跡するために、"赤外線ビデオ眼球運動記録法"と呼ばれるメソッドを使用します。この方法では、赤外線カメラは、瞳孔を追跡するために使用されます。赤外線エミッタとカメラを特別に設計されたゴーグルに組み込まれています。これらは、視覚刺激を提供する同じゴーグルです。ゴーグルからのデータは、水平​​と垂直眼球位置のためのアナログ信号に目の画像を変換する専用のコンピュータによって処理されます。

    主題の準備

    ドキュメンテーションと同意&ndash、スキャンする前に、各被験者は、安全性と同意に関して、いくつかのフォームに記入する必要があります。

    実験計画シート - プランシートは実験的なプロトコルとパルスシーケンスと、それらが実行される順序を指定します。

    物理的な準備は - 被写体がスキャンされる準備ができているとき、彼らが最初に行うことの一つは、騒々しいと高周波スキャナのノイズから自分の聴覚を保護するために耳栓を入れています。彼らはまた、スキャナの被験者との両方と通信するためにMR -互換性のあるヘッドホンを置くと、スキャンセッション中に指示やフィードバックを提供する。

    被験者は、ジュースの配信と呼吸ガスモニタリングのための1 / 16インチの行を含む彼らの代弁者、に置きます。

    被験者は視覚刺激と眼球運動の監視に使用されるMR互換性のあるゴーグルにして調整置きます。

    被験者はスキャナのベッドの上にあり、RFコイルは、彼らの頭の上に配置される。マウスピース(bitebar)はヘッドの移動を防止するためのRFコイルに接続されています。

    airpuffチューブ(1 / 6インチタイゴン)は、フレキシブルチューブ(LOC -ライン)を使用して1つ目の近くに位置している。

    パルスオキシメータのフィンガークリップを1つの指に取り付け、テープで固定されています。

    走査法

    パルスシーケンス:

    構造:我々は被験者の脳の形態の明確な定義を与えるT1強調画像を(構造的な画像)を使用します。被験者は受動的に位置し、約10分間続くこのフェーズでとしても、可能な限り残ります。

    機能性:私たちは、神経活動と相関している血液の酸素化の変化を示すためにT2強調EPIシーケンスを(機能的な画像)を使用します。それは主題がジュース、airpuff、および聴覚刺激にさらされていることをこの段階でです。

    接続性:私たちは、脳領域間の構造的な接続性を決定するために拡散強調画像(DWI)を使用する。被験者は、単にこの段階で動かずに位置しています。

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    Disclosures

    Acknowledgements

    NIMH、NARSADとギャツビー財団が提供する資金。

    Comments

    7 Comments

    I think the experiment is really cool, thanks for posting!
    Reply

    Posted by: AnonymousNovember 18, 2008, 9:23 AM

    Wow! It's amazing how many methods you combined in your experiment! I would say that I didn't quite undestand why you used the eye-tracking device, but, since your main aim was to test the combination of all these different methods, I guess it makes sense. Also, I am curious about how you analyzed the heart beat and respiration data, but I have to read your paper first... :-) Nevertheless, that was a really good job! Well done!
    Reply

    Posted by: AnonymousNovember 25, 2008, 2:15 PM

    Was the eyetracker a model that can be purchased; and, if so, please provide details. Also, since it was not mentioned, I assume you made no use of 'blink latency' -- that is, the amount of time on average the eyeblinks stayed closed --nor other signs of problems with vigilance detectable through eye blinks.  From how you recorded the data, do you know if any such measurements would be retrievable? Also, do you do anything to determine if any subjects are under the influence of any drugs or medications? Thanks.
    Reply

    Posted by: AnonymousDecember 1, 2008, 2:44 PM

    Good work, the combination of all these measurements sounds very interesting. Regarding a commercial available multi-stimulus fMRI-tool I suggest to look at http://arima²4.com/images/ARIMA_STIMTOOL.pdf Pneumatics for somatosensory fMRI stimulation and a lot of other modalities and clinically validated protocols are involved, excellent to work with.
    Reply

    Posted by: AnonymousFebruary 2, 2009, 4:34 AM

    Dear Jack and Franco, I have seen your video on the setup and was interested. Good job. Could you please tell us the name of the commercial products you use for the eye tracking, from the googles to the camera and the software, all the way to the final x,y signals for each eye. Thank you very much, Franco Simini Universidad de la Republica Montevideo, URUGUAY simini@fing.edu.uy
    Reply

    Posted by: AnonymousMarch 5, 2009, 12:50 PM

    "FMRI measures blood oxygenation (BOLD). Blood oxygenation in the brain can be affected by neuronal activity, but it can also be affected by the heartbeat"...could you give more information about this? Is this because changes in blood flow or blood volume with heartbeat? How you correct this effect? thanks.
    Reply

    Posted by: AnonymousJanuary 2, 2010, 9:18 PM

    Hi Juan,

    Here is a quick response to your question about how heartbeat affects BOLD and how to remove these effects.

    In principle, cardiac activity can affect BOLD in a variety of ways. On a global scale, an increase in heart rate may change the overall delivery of oxygenated blood to the brain and hence change the blood oxygenation dependent signal. On a local scale, each individual heart beat sends a bolus of oxygenated blood to the brain. This increases blood volume and blood oxygenation in the vicinity of major arteries. In addition the pulsing may cause arteries to shift position, an effect that can be appreciated in optical imaging but may have less of an effect on fMRI due to the limited spatial resolution.

    The effects of the cardiac (and respiratory) activity can be removed in a variety of ways including various regression techniques as well as blind source separation algorithms (e.g., ICA). For more details on the regression techniques see our recent paper in Neuropsychologia and the citations therein (Teichert, Grinband, Hirsch and Ferrera, ²009. Effects of heartbeat and respiration on macaque fMRI: Implications for functional connectivity. Neuropsychologia ²009, Dec 5 ePub ahead of print).

    Best,
    Tobias Teichert
    Reply

    Posted by: Tobias T.January 4, 2010, 4:19 PM

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