Funktionelle Bildgebung mit Verstärkung, Eyetracking und Physiologische Überwachung
13. November 2008
Diese Präsentation zeigt die Verwendung von fMRT neuronale Schaltkreise, dass der Entscheidungsprozess zugrunde liegen, zu studieren. Einfache Wahrnehmungs-Aufgaben sind mit appetitive und aversive Verstärkungen kombiniert werden, um zu untersuchen, wie die Ergebnisse Entscheidungsprozesse beeinflussen.
Dieses Tutorial zeigt eine Methode zur Untersuchung des Mechanismus der Verstärkung mit Hilfe der funktionellen Bildgebung des Gehirns (FMRI). In diesem Protokoll werden die Probanden einer funktionellen Bildgebung unterzogen, während sie eine visuelle Entscheidungsfindungsaufgabe ausführen, die durch Reize verstärkt wird, die ein belohnendes Saftaversiv, ein Luftstoß oder ein neutraler auditiver Ton durch eine Scanner-kompatible Brille sind. Die Probanden müssen entscheiden, ob sich ein Array von Punkten schnell oder langsam bewegt.
Augenbewegungen und physiologische Reaktionen wie Atmung und Herzfrequenz werden ebenfalls überwacht. Hallo, ich bin Jack Grin Band vom Labor von Vince Ferrera und Joy Hirsch in der Abteilung für Neurowissenschaften an der Columbia University, und ich bin Franco Past. Auch aus dem Labor hier an der Columbia University.
Heute zeigen wir Ihnen ein Verfahren zur funktionellen Bildgebung mit Verhaltensverstärkung, physiologischem Monitoring und Eye-Tracking. Wir verwenden dieses Verfahren in unserem Labor, um die Entscheidungsfindung mit einer positiven und negativen Verstärkung zu untersuchen. Also lasst uns loslegen.
Die ersten Schritte bei der Durchführung eines FMR-Experiments umfassen das Einrichten und Überprüfen der Ausrüstung. Diese Schritte können während unserer Experimente in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden, die Probanden werden für die richtigen Verhaltensreaktionen belohnt. Der belohnende Reiz ist das Lieblingsgetränk des Probanden, das von einem Saftspender geliefert wird, der die Menge an Flüssigkeit steuert, die in den Mund des Probanden abgegeben wird.
Der Saftspender besteht aus einem Behälter, einem computergesteuerten Magnetventil und einem langen Schlauch, der den Saft an das Subjekt abgibt. Alle elektronischen Komponenten dieses Dispensers werden außerhalb des Scannerraums aufbewahrt, so dass sie keine Artefakte in das MR-Signal einbringen. Der Saftspender wird gespült und mit dem bevorzugten Getränk des Probanden befüllt.
Vor dem Scannen wird das System getestet, um sicherzustellen, dass der Saft fließt. Probanden werden für falsche Reaktionen mit einem 50 Millisekunden langen Luftstoß auf das Auge bestraft. Ein Druckregler gibt einen kontrollierten Luftstoß ab, den der Proband als aversiv, aber nicht traumatisch bewertet.
Der Druckregler ist zunächst auf 30 PSI eingestellt und wird an eine Druckluftquelle angeschlossen, bei der es sich um einen Lufttank oder eine Hausluft handeln kann. Das Magnetventil wird durch ein Computersignal gesteuert. Die Luft wird dem Subjekt durch ein Stück eines 16-Zoll-Tigon-Schlauches zugeführt, der kürzer als etwa acht Fuß gehalten ist.
Um eine Verzögerung zwischen dem Öffnen des Ventils und dem Zeitpunkt, an dem die Druckluft das Motiv erreicht, zu vermeiden, befindet sich der Druckregler im Scannerraum, da jede Bewegung, wie z. B. eine Reaktion auf die Luftstöße oder eine Kopfbewegung während des Schluckens, Artefakte in das FMRI-Bild einbringen kann. Eine Beißstange wird verwendet, um die Kopfbewegung zu minimieren. Die Beißstange ist an der HF-Kopfspule befestigt und verfügt über ein speziell angepasstes Mundstück aus thermoplastischem Material, in das Mundstück ein Schlauch für die Saftabgabe und Atemgasüberwachung integriert ist.
Der Proband sollte einfach einen guten Kontakt zwischen seinen oberen Zähnen und dem Mundstück aufrechterhalten. Es ist wichtig, ihnen zu sagen, dass sie nicht hart auf das Mundstück beißen sollen. Dies führt dazu, dass ihre Kiefermuskulatur ermüdet. Der Herzschlag wird während des Experiments überwacht, um später während der Datenanalyse alle Artefakte zu entfernen, die durch eine erhöhte Sauerstoffversorgung des Blutes im Gehirn und nicht durch neuronale Aktivität entstehen könnten.
Um Veränderungen der Sauerstoffversorgung im Zusammenhang mit dem Herzzyklus zu messen, verwenden wir ein Pulsoximeter, um die Sauerstoffversorgung des Blutes in der Fingerspitze mit einem Infrarotsensor zu messen. Das Pulsoximeter ist MR-kompatibel und sein Ausgangssignal wird durch eine Filterplatte in den Kontrollraum geleitet, wo es digitalisiert und auf dem Computer gespeichert wird. Wir messen die Atmung auch mit einem Atemgasmessgerät (RGM), das den Gehalt an ausgelaufenem Kohlendioxid misst.
Da die Atmung die Sauerstoffversorgung des Blutes beeinflusst, ist das RGM MRT-kompatibel und seine Ausgangssignale werden an den Kontrollraum gesendet, wo sie digitalisiert und auf dem Computer gespeichert werden. Die visuelle Stimulation erfolgt durch eine Scanner-kompatible Brille, die beide Augen unabhängig voneinander stimuliert. Die Brille verfügt über eine Miniatur-Infrarotkamera zur Messung von Augenbewegungen, um zu erkennen, wohin das Motiv schaut, wir verfolgen die Augenbewegungen mit Hilfe der Infrarot-Video-O-Ikonografie.
Bewegungen des Auges beeinflussen die Position visueller Reize auf der Netzhaut, was sich auf die visuellen Reaktionen im Gehirn auswirkt. Augenbewegungen können auch vom Probanden verwendet werden, um die akustischen Reaktionen der VA anzuzeigen. Bei dieser Methode wird eine Infrarotkamera verwendet, um Bewegungen der Pupille zu verfolgen.
Der Infrarot-Sender und die Kamera sind in einer speziell entwickelten Brille eingebaut. Dies sind die gleichen Brillen, die auch für visuelle Stimulation sorgen. Die Daten der Brille werden von einem speziellen Computer verarbeitet, der Bilder des Auges in analoge Signale für die horizontale und vertikale Augenposition umwandelt.
Der Scanner befindet sich in einem elektrisch und magnetisch abgeschirmten Raum. Alle elektrischen Signale, die vom Kontrollraum zum Scannerraum gelangen, durchlaufen eine Filterplatte und entfernen alle Frequenzen, die ein Artefakt im MRT-Bild erzeugen könnten. Vor dem Scannen muss jeder Proband einen Sicherheits- und Einverständnisprozess durchlaufen.
Die Studie wird erklärt, alle Risiken werden besprochen und der Proband gibt sein Einverständnis. Dieses Verfahren soll die Probanden vor Zwang schützen und sowohl ihre Privatsphäre als auch ihre Gesundheit schützen. Das Subjekt wird irgendwo innerhalb oder außerhalb des Körpers auf Metall untersucht.
Vor dem Experimentieren werden die Probanden durstig gemacht, indem sie ihre Flüssigkeitsaufnahme freiwillig für sechs Stunden einschränken. Auf diese Weise wird der während des Experiments erhaltene Saft äußerst lohnend. Wenn das Motiv zum Scannen bereit ist, muss es Ohrstöpsel einsetzen, um die Ohren vor dem Scannergeräusch zu schützen.
Der Proband muss außerdem MRT-kompatible Kopfhörer aufsetzen, um mit den Forschern zu kommunizieren und Anweisungen zu hören. Während der Scan-Sitzung verwenden wir T-eins-gewichtete Strukturbilder, die eine klare Definition der Morphologie des Gehirns des Probanden geben. Das Motiv liegt passiv und bleibt so still wie möglich.
Während dieser Phase, die etwa 10 Minuten dauert, verwenden wir zwei gewichtete Funktionssequenzen, um Veränderungen der Blutsauerstoffversorgung zu zeigen, die mit der neuronalen Aktivität korrelieren. In dieser Phase führt das Subjekt eine Wahrnehmungsentscheidungsaufgabe mit visuellen Reizen aus. Das Subjekt sieht ein Muster von sich bewegenden Punkten und trifft ein Wahrnehmungsurteil über deren Richtung oder Bewegungsgeschwindigkeit.
Das Subjekt gibt seine Antwort durch Drücken von Tasten an. Diese Reaktionen werden durch den Saft der richtigen und Luftstöße verstärkt. Wenn sie falsch sind, werden auditive Reize als sekundäre Verstärker verwendet.
In dieser Phase werden die Augenbewegungen kontinuierlich überwacht. Jeder experimentelle Lauf dauert 11 Minuten, und eine Scansitzung umfasst vier Ausführungen. Wir verwenden diffusionsgewichtete Bilder, DWI, um die strukturelle Konnektivität zwischen Gehirnregionen zu bestimmen.
Während dieser Phase. Das Subjekt liegt etwa 12 Minuten lang regungslos. Wir haben Ihnen gerade ein Experiment zur funktionellen Bildgebung mit Verhaltensverstärkung, physiologischer Überwachung und Eye-Tracking gezeigt.
Wir haben gezeigt, wie man dieses Verfahren nutzen kann, um die Entscheidungsfindung mit aversiver und petitiver Verstärkung zu untersuchen. Das war's also. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.
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Übersicht
Diese Präsentation demonstriert die Verwendung von fMRT zur Untersuchung neuronaler Schaltkreise, die Entscheidungsfindung zugrunde liegen. Probanden führen eine visuelle Entscheidungsaufgabe durch, während sie einer funktionellen Bildgebung unterzogen werden, was Forschern ermöglicht zu untersuchen, wie Ergebnisse Entscheidungsprozesse beeinflussen.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Funktionelle Bildgebung
- Entscheidungsfindung
Hintergrund
- Funktionelle MRT (fMRT) ist eine Technik zur Messung und Kartierung der Gehirnaktivität.
- Das Verständnis der neuronalen Schaltkreise, die an der Entscheidungsfindung beteiligt sind, ist entscheidend für Einblicke in kognitive Prozesse.
- Verstärkungsmechanismen können Entscheidungsergebnisse beeinflussen.
- Die Kombination von Wahrnehmungsaufgaben mit verschiedenen Arten der Verstärkung bietet einen umfassenden Ansatz zur Untersuchung dieser Schaltkreise.
Zweck der Studie
- Untersuchung, wie appetitive und aversive Verstärkungen Entscheidungsprozesse beeinflussen.
- Erforschung der neuronalen Mechanismen, die der Verstärkung bei Entscheidungsaufgaben zugrunde liegen.
- Überwachung physiologischer Reaktionen während der Entscheidungsfindung, um Einblicke in die beteiligten kognitiven Prozesse zu gewinnen.
Verwendete Methoden
- Probanden unterziehen sich einer fMRT, während sie eine visuelle Entscheidungsaufgabe durchführen.
- Zu den Verstärkungen gehören lohnender Saft, aversive Luftstöße oder neutrale auditive Töne.
- Augenbewegungen und physiologische Reaktionen wie Atmung und Herzfrequenz werden überwacht.
- Scannerkompatible Brillen werden verwendet, um Stimuli den Probanden zu präsentieren.
Hauptergebnisse
- Die Studie liefert Einblicke darüber, wie verschiedene Verstärkungen die Entscheidungsfindung beeinflussen.
- Physiologische Reaktionen korrelieren mit Entscheidungsprozessen.
- fMRT-Daten offenbaren die bei den Aufgaben aktivierten neuronalen Schaltkreise.
- Die Ergebnisse tragen zum Verständnis der Verstärkungsmechanismen bei kognitiven Aufgaben bei.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie verbessert unser Verständnis der neuronalen Grundlagen der Entscheidungsfindung.
- Die Erkenntnisse können zukünftige Forschungen zu kognitiven Prozessen und Verhaltensreaktionen beeinflussen.
- Die Methodik kann angewendet werden, um andere kognitive Funktionen weiter zu untersuchen.
Häufig gestellte Fragen
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.
