加固，Eyetracking，生理监测的功能成像
2008年11月13日
本演示展示了使用功能磁共振成像研究的基础决策的神经回路。简单的感性的任务相结合，与食欲和厌恶的增援，调查结果如何影响决策过程。
本教程介绍了一种使用功能性脑成像或 FMRI 研究强化机制的方法。在该协议中，受试者在执行视觉决策任务时进行功能成像，通过扫描仪兼容的护目镜，奖励果汁厌恶、空气抽吸或中性听觉音调的刺激加强了这一刺激。被试者必须决定一组点是快速移动还是缓慢移动。
还监测眼球运动和生理反应，例如呼吸和心率。大家好，我是来自哥伦比亚大学神经科学系 Vince Ferrera 和 Joy Hirsch 实验室的 Jack Grin Band，我是 Franco Past。也来自哥伦比亚大学的实验室。
今天，我们将向您展示一种具有行为强化、生理监测和眼动追踪功能成像的程序。我们在实验室中使用该程序来研究具有正向和负向强化的决策。那么让我们开始吧。
运行 FMR 实验的第一步包括设置和检查设备。在我们的实验中，这些步骤可以按任何顺序完成，受试者会因做出正确的行为反应而获得奖励。有益的刺激是被试最喜欢的饮料，由果汁分配器提供，该分配器控制输送到被试嘴里的液体量。
果汁分配器由一个储液器、一个计算机控制的电磁阀和一根将果汁输送到受试者的长管组成。该分配器的所有电子元件都保存在扫描仪室外，因此它们不会在 MR 信号中引入任何伪影。果汁分配器经过冲洗并装满受试者喜欢的饮料。
在扫描之前，对系统进行测试以确保果汁正在流动。对象会因错误反应而受到 50 毫秒的惩罚，即向眼睛喷气。压力调节器提供受控的空气吹气，受试者会将其评为厌恶但不会造成创伤。
压力调节器最初设置为 30 PSI，并连接到压缩空气源，该气源可以是储气罐或室内空气。电磁阀由计算机信号控制。空气通过一根 16 英寸的 tigon 管输送到受试者，该管的长度小于约 8 英尺。
为了避免阀门打开的时间与压缩空气到达受试者的时间之间的延迟，因此压力调节器位于扫描仪室内，因为任何运动（例如对空气的反应或吞咽过程中的头部运动）都可能将伪影引入 FMRI 图像。咬杆用于最大限度地减少头部运动。咬杆连接到 RF 头线圈上，并有一个由热塑性材料制成的定制咬嘴，用于果汁输送和呼吸气体监测
。受试者应该简单地保持上牙和咬嘴之间的良好接触。重要的是要告诉他们不要用力咬住吹嘴。这将导致他们的下巴肌肉疲劳 在实验期间监测心跳，以便以后在数据分析期间消除任何可能由大脑血氧增加引起的伪影，而不是由于神经元活动。
为了测量与心动周期相关的氧合变化，我们使用脉搏血氧仪通过红外传感器测量指尖的血氧氧合。脉搏血氧仪与 MR 兼容，其输出信号通过过滤面板馈送到控制室，在那里被数字化并存储在计算机上。我们还使用呼吸气体监测仪或 RGM 测量呼出的二氧化碳水平来测量呼吸。
由于呼吸会影响血氧，因此 RGM 与 MR 兼容，其输出信号被发送到控制室，在那里它们被数字化并存储在计算机上。视觉刺激由一副兼容扫描仪的护目镜提供，可独立刺激双眼。护目镜包括一个微型红外摄像头，用于测量眼球运动，以便判断被摄体正在看哪里，我们使用红外视频 O 图标跟踪眼球运动。
眼睛的运动会影响视网膜上视觉刺激的位置，从而影响大脑中的视觉反应。受试者也可以使用眼球运动来指示 VA 听觉反应。在这种方法中，红外相机用于跟踪瞳孔的运动。
红外发射器和摄像头内置在一副专门设计的护目镜中。这些护目镜与提供视觉刺激的护目镜相同。来自护目镜的数据由专用计算机处理，该计算机将眼睛的图像转换为水平和垂直眼睛位置的模拟信号。
扫描仪位于一个电屏蔽和磁屏蔽的房间内。从控制室到扫描仪室的所有电信号都通过滤波器面板，去除了任何可能在 MR 图像中产生伪影的频率。在扫描之前，每个受试者都必须经过安全和同意程序。
对研究进行解释，讨论所有风险并征得受试者的同意。此过程旨在保护受试者免受胁迫，并保护他们的隐私和健康。受试者在体内或体外的任何部位接受金属筛查。
在实验之前，受试者自愿限制他们的液体摄入量 6 小时，从而使他们口渴。这样，在实验期间收到的果汁变得非常有益。准备好进行扫描时，拍摄对象必须戴上耳塞以保护耳朵免受扫描仪噪音的影响。
受试者还必须戴上兼容 MR 的耳机才能与研究人员交流并听取指示。在扫描过程中，我们使用 T one 加权结构图像，清楚地定义受试者大脑的形态。拍摄对象被动地躺着，并尽可能保持静止。
在这个持续约 10 分钟的阶段，我们使用 T 两个加权功能序列来显示与神经活动相关的血氧变化。正是在这个阶段，被试通过视觉刺激执行感知决策任务。被试者观察一个移动的点的模式，并对它们的方向或运动速度做出感知判断。
对象通过按下按钮来表示他们的反应。这些反应通过正确的果汁和空气吹奏得到加强。如果不正确，则使用听觉刺激作为次要强化器。
在此阶段持续监测眼球运动。每个实验运行持续 11 分钟，扫描会话中有四次运行。我们使用弥散加权图像 DWI 来确定大脑区域之间的结构连接。
在此阶段。对象一动不动地躺了大约 12 分钟。我们刚刚向您展示了一个功能成像实验，包括行为强化、生理监测和眼动追踪。
我们已经演示了如何使用该程序来研究具有厌恶和竞争强化的决策。就是这样。感谢您的观看，祝您的实验好运。
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概述
这个演示展示了使用fMRI研究决策背后的神经回路。受试者在进行功能性成像的同时完成视觉决策任务，使研究人员能够研究结果如何影响决策过程。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 功能成像
- 决策制定
背景
- 功能性磁共振成像（fMRI）是一种用于测量和映射大脑活动的技术。
- 了解决策中涉及的神经回路对于洞察认知过程至关重要。
- 强化机制可以影响决策结果。
- 将感知任务与不同类型的强化结合起来，为研究这些回路提供了一种全面的方法。
研究目的
- 调查食欲性和厌恶性强化如何影响决策过程。
- 探索决策任务中强化背后的神经机制。
- 监测决策过程中的生理反应，以深入了解所涉及的认知过程。
使用的方法
- 受试者在执行视觉决策任务时进行fMRI扫描。
- 强化包括奖励性果汁、厌恶性气吹或中性听觉音调。
- 监测眼动和生理反应，如呼吸和心率。
- 使用扫描仪兼容的护目镜向受试者呈现刺激。
主要结果
- 研究提供了关于不同强化如何影响决策的见解。
- 生理反应与决策过程相关。
- fMRI数据揭示了任务期间激活的神经回路。
- 结果有助于理解认知任务中的强化机制。
结论
- 这项研究增强了我们对决策神经基础的理解。
- 研究结果可能为未来的认知过程和行为反应研究提供信息。
- 该方法可应用于进一步研究其他认知功能。
常见问题
Executive Industry Relevance
Functional imaging with reinforcement, eyetracking, and physiological monitoring enables precise interrogation of neural circuits underlying decision-making in preclinical models. By controlling for confounds such as head movement and autonomic fluctuations, this approach enhances predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking for neuropsychiatric drug discovery. The integration of multimodal readouts supports translational biomarker alignment and risk-adjusted advancement decisions in early discovery pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by linking reinforcement outcomes to neural circuit activation in decision-making pathways.
- Operational Value: Enables biological de-risking through simultaneous monitoring of physiological confounds that could otherwise obscure fMRI signal interpretation.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by quantifying how appetitive and aversive reinforcers modulate neural responses relevant to reward and aversion processing.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by establishing standardized reinforcement paradigms with quantifiable behavioral outputs.
- Operational Value: Addresses assay standardization and reproducibility through head stabilization, physiological monitoring, and scanner-compatible delivery systems.
- Scalability: Highlights platform reuse potential via MR-compatible goggles, pulse oximetry, and respiratory gas monitoring for consistent compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Discusses disease relevance by modeling reinforcement learning deficits observed in addiction, depression, and obsessive-compulsive disorders.
- Mechanistic De-risking: Describes continuity from discovery through preclinical validation by isolating neural contributions to decision-making from cardiovascular and respiratory artifacts.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables data-driven go/no-go decisions by correlating reinforcement-dependent neural activation with behavioral performance metrics.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from hypothesis testing in early discovery to lead identification and preclinical validation, particularly for targets modulating reward, aversion, and cognitive control circuits.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by dissociating neural decision signals from non-neuronal physiological fluctuations using concurrent pulse and respiration monitoring.
- Screening: Describes assay readiness through scanner-compatible reinforcement delivery and eye tracking to ensure stimulus engagement and behavioral compliance.
- Analytics: Highlights quantitative dependent variable measurements including BOLD signal changes, pupil dynamics, heart rate variability, and end-tidal CO2 for multimodal condition comparison.
- Translational Research: Connects method to preclinical continuity by enabling cross-species comparison of reinforcement learning circuits via standardized behavioral and physiological readouts.
- Enterprise Reuse: Frames the method as a reusable capability for evaluating CNS-targeted compounds across multiple indication areas requiring decision-making endpoint validation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation, reduction of mechanistic ambiguity from physiological confounds, and enhanced circuit-level understanding of reinforcement processing.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability via MR-compatible hardware, automated reinforcement delivery, and synchronized physiological monitoring.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency through early de-risking, and reduced late-stage failure risk in neuropsychiatric indications.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization based on neural target engagement and reinforcement sensitivity profiles across compound series.
Implementation Considerations
- Required scientific expertise in experimental neuroscience, fMRI acquisition, and physiological signal processing.
- Instrumentation and analytical infrastructure needs including MR-compatible reinforcement systems, pulse oximetry, respiratory gas monitoring, and eye-tracking goggles.
- Cross-team standardization requirements between neuroscience, pharmacology, and data science teams for synchronized behavioral, physiological, and imaging data interpretation.
- Adaptation considerations across model systems, including adjustments for species-specific anatomy in reinforcement delivery and physiological monitoring placement.
- Practical limitations include scanner compatibility constraints for reinforcement hardware, subject tolerance to aversive stimuli, and the need for extensive training to minimize motion artifacts during behavioral tasks.
