Imágenes funcionales con Refuerzo, Eyetracking y Monitoreo Fisiológico
13 de noviembre de 2008
Esta presentación demuestra el uso de resonancia magnética funcional para estudiar los circuitos neuronales que subyacen a la toma de decisiones. Tareas simples de percepción se combinan con los refuerzos del apetito y aversión a investigar cómo los resultados afectan los procesos de decisión.
Este tutorial muestra un método para estudiar el mecanismo de refuerzo mediante imágenes funcionales del cerebro o IRMf. En este protocolo, los sujetos se someten a imágenes funcionales mientras realizan una tarea de toma de decisiones visuales, que se refuerza con estímulos como un zumo gratificante, una ráfaga de aire aversiva o un tono auditivo neutro, administrados a través de gafas compatibles con el escáner. Los sujetos deben decidir si un conjunto de puntos se desplaza rápidamente o si se mueve lentamente.
Se monitorean también los movimientos oculares y las respuestas fisiológicas como la respiración y la frecuencia cardíaca. Hola, soy Jack Grin Band del Laboratorio de Vince Ferrera y Joy Hirsch en el Departamento de Neurociencia de la Universidad de Columbia, y yo soy Franco Past. También somos del laboratorio aquí en la Universidad de Columbia.
Hoy les mostraremos un procedimiento para imágenes funcionales con refuerzo conductual, monitoreo fisiológico y seguimiento ocular. Utilizamos este procedimiento en nuestro laboratorio para estudiar la toma de decisiones con refuerzo positivo y adverso. Así que comencemos.
Los primeros pasos para realizar un experimento de RMF consisten en configurar y verificar el equipo. Estos pasos pueden realizarse en cualquier orden durante nuestros experimentos; los sujetos reciben una recompensa por emitir respuestas conductuales correctas. El estímulo de recompensa es la bebida favorita del sujeto, administrada mediante un dispensador de jugo que controla la cantidad de líquido entregada a la boca del sujeto.
El dispensador de jugo consta de un depósito, una válvula solenoide controlada por computadora y un tubo largo que lleva el jugo al sujeto. Todos los componentes electrónicos de este dispensador se mantienen fuera de la sala del escáner para que no introduzcan artefactos en la señal de RM. El dispensador de jugo se enjuaga y se llena con la bebida preferida por el sujeto.
Antes de la exploración, se prueba el sistema para asegurarse de que el líquido esté fluyendo. Los sujetos reciben una ráfaga de aire de 50 milisegundos en el ojo como castigo por respuestas incorrectas. Un regulador de presión suministra una ráfaga de aire controlada, que el sujeto calificará como desagradable pero no traumática.
El regulador de presión se ajusta inicialmente a 30 PSI y se conecta a una fuente de aire comprimido, que podría ser un tanque de aire o el suministro de aire del edificio. La válvula solenoide se controla mediante una señal de computadora. El aire se entrega al sujeto a través de un trozo de tubo de tigón de una dieciseisava de pulgada de diámetro, que se mantiene más corto que aproximadamente ocho pies.
Con el fin de evitar un retraso entre el momento en que la válvula se abre y el momento en que el aire comprimido llega al sujeto, el regulador de presión se coloca dentro de la sala del escáner, ya que cualquier movimiento, como una reacción a las ráfagas de aire o el movimiento de la cabeza durante la deglución, podría introducir artefactos en la imagen de FMRI. Se utiliza una barra mordedora para minimizar el movimiento de la cabeza. La barra mordedora está sujeta a la bobina de radiofrecuencia para la cabeza y cuenta con una boquilla personalizada hecha de tubo de material termoplástico; además, la entrega de jugo y la monitorización de gases respiratorios están incorporadas en la boquilla.
El sujeto debe simplemente mantener un buen contacto entre sus dientes superiores y la boquilla. Es importante indicarle que no muerda fuertemente la boquilla, ya que esto haría que sus músculos mandibulares se fatiguen. El ritmo cardíaco se monitorea durante el experimento con el fin de eliminar posteriormente cualquier artefacto durante el análisis de datos que podría surgir por un aumento en la oxigenación sanguínea en el cerebro, no debido a la actividad neuronal.
Para medir los cambios en la oxigenación relacionados con el ciclo cardíaco, utilizamos un oxímetro de pulso para medir la oxigenación sanguínea en la yema del dedo mediante un sensor infrarrojo. El oxímetro de pulso es compatible con RM y su señal de salida se canaliza a través de un panel de filtro hasta la sala de control, donde se digitaliza y almacena en un ordenador. También medimos la respiración con un monitor de gases respiratorios o RGM que mide los niveles de dióxido de carbono espirado.
Dado que la respiración afecta la oxigenación de la sangre, el RGM es compatible con RM y sus señales de salida se envían a la sala de control, donde se digitalizan y almacenan en un ordenador. La estimulación visual se proporciona mediante un par de gafas compatibles con el escáner, que estimulan ambos ojos de forma independiente. Las gafas incluyen una cámara infrarroja miniatura para medir los movimientos oculares con el fin de determinar hacia dónde mira el sujeto; rastreamos los movimientos oculares utilizando videonistagmografía infrarroja.
Los movimientos del ojo afectan la posición de los estímulos visuales en la retina, lo que influye en las respuestas visuales en el cerebro. Los movimientos oculares también pueden ser utilizados por el sujeto para indicar respuestas auditivas de VA. En este método, se utiliza una cámara de infrarrojos para rastrear los movimientos de la pupila.
El emisor infrarrojo y la cámara están integrados en un par de gafas diseñadas especialmente. Estas son las mismas gafas que proporcionan la estimulación visual. Los datos provenientes de las gafas son procesados por un ordenador dedicado que convierte las imágenes del ojo en señales analógicas para la posición horizontal y vertical del ojo.
El escáner se encuentra en una sala protegida eléctrica y magnéticamente. Todas las señales eléctricas que van desde la sala de control hasta la sala del escáner pasan a través de un panel de filtro, que elimina cualquier frecuencia que pueda generar un artefacto en la imagen de RM. Antes de la exploración, cada sujeto debe pasar por un proceso de consentimiento y seguridad.
Se explica el estudio, se discuten todos los riesgos y el sujeto otorga su consentimiento. Este proceso está diseñado para proteger a los sujetos de la coerción y para salvaguardar tanto su privacidad como su salud. Al sujeto se le realiza un cribado para detectar la presencia de metal en cualquier parte dentro o fuera del cuerpo.
Antes de comenzar el experimento, se induce la sed en los sujetos mediante la restricción voluntaria de la ingesta de líquidos durante seis horas. De este modo, el jugo recibido durante el experimento se vuelve extremadamente gratificante. Cuando esté listo para ser escaneado, el sujeto debe colocarse tapones para los oídos con el fin de protegerlos del ruido del escáner.
El sujeto también debe colocarse auriculares compatibles con RM para comunicarse con los investigadores y escuchar las instrucciones. Durante la sesión de escaneo, utilizamos imágenes estructurales ponderadas en T1 que proporcionan una definición clara de la morfología del cerebro del sujeto. El sujeto permanece acostado pasivamente y se mantiene lo más inmóvil posible.
Durante esta fase, que dura aproximadamente 10 minutos, utilizamos secuencias funcionales ponderadas en T2 para mostrar los cambios en la oxigenación sanguínea que se correlacionan con la actividad neuronal. Es durante esta fase que el sujeto realiza una tarea de toma de decisiones perceptuales con estímulos visuales. El sujeto observa un patrón de puntos en movimiento y realiza un juicio perceptual sobre su dirección o velocidad de movimiento.
El sujeto indica su respuesta presionando botones. Estas respuestas se refuerzan con jugo en caso de respuestas correctas y con soplidos de aire. Si la respuesta es incorrecta, se utilizan estímulos auditivos como refuerzos secundarios.
Los movimientos oculares se monitorean continuamente durante esta fase. Cada serie experimental dura 11 minutos y hay cuatro series en una sesión de escaneo. Utilizamos imágenes con ponderación de difusión, DWI, para determinar la conectividad estructural entre regiones cerebrales.
Durante esta fase, el sujeto permanece inmóvil durante aproximadamente 12 minutos. Acabamos de mostrarle un experimento de imágenes funcionales con refuerzo conductual, monitorización fisiológica y seguimiento ocular.
Hemos demostrado cómo utilizar este procedimiento para estudiar la toma de decisiones con refuerzo aversivo y competitivo. Eso es todo. Gracias por ver este video y buena suerte con sus experimentos.
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Descripción general
Esta presentación demuestra el uso de la IRMf para estudiar los circuitos neuronales que subyacen a la toma de decisiones. Los sujetos realizan una tarea de toma de decisiones visuales mientras se someten a imágenes funcionales, lo que permite a los investigadores investigar cómo los resultados afectan los procesos de decisión.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Imagen funcional
- Toma de decisiones
Antecedentes
- La resonancia magnética funcional (fMRI) es una técnica utilizada para medir y mapear la actividad cerebral.
- Comprender los circuitos neuronales implicados en la toma de decisiones es fundamental para obtener conocimientos sobre los procesos cognitivos.
- Los mecanismos de refuerzo pueden influir en los resultados de las decisiones.
- Combinar tareas perceptivas con diferentes tipos de refuerzo proporciona un enfoque integral para estudiar estos circuitos.
Objetivo del estudio
- Investigar cómo los refuerzos apetitivos y aversivos afectan los procesos de toma de decisiones.
- Explorar los mecanismos neuronales subyacentes al refuerzo en tareas de toma de decisiones.
- Monitorear las respuestas fisiológicas durante la toma de decisiones para obtener información sobre los procesos cognitivos involucrados.
Métodos Utilizados
- Los sujetos se someten a fMRI mientras realizan una tarea de toma de decisiones visual.
- Los refuerzos incluyen jugo recompensante, ráfagas de aire aversivas o tonos auditivos neutrales.
- Se monitorean los movimientos oculares y las respuestas fisiológicas, como la respiración y la frecuencia cardíaca.
- Se utilizan gafas compatibles con el escáner para presentar estímulos a los sujetos.
Resultados principales
- El estudio proporciona información sobre cómo diferentes refuerzos influyen en la toma de decisiones.
- Las respuestas fisiológicas se correlacionan con los procesos de toma de decisiones.
- Los datos de fMRI revelan los circuitos neuronales activados durante las tareas.
- Los resultados contribuyen a comprender los mecanismos del refuerzo en tareas cognitivas.
Conclusiones
- Este estudio mejora nuestra comprensión de la base neural de la toma de decisiones.
- Los hallazgos podrían orientar futuras investigaciones sobre los procesos cognitivos y las respuestas conductuales.
- La metodología puede aplicarse para investigar más a fondo otras funciones cognitivas.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La imagen funcional con refuerzo, seguimiento ocular y monitorización fisiológica permite una interrogación precisa de los circuitos neuronales que subyacen a la toma de decisiones en modelos preclínicos. Al controlar factores de confusión como el movimiento de la cabeza y las fluctuaciones autonómicas, este enfoque mejora la confianza predictiva en la validación de dianas y la reducción de riesgos mecanicistas en el descubrimiento de fármacos neuropsiquiátricos. La integración de lecturas multimodales apoya la alineación de biomarcadores traslacionales y la toma de decisiones de avance ajustadas al riesgo en las fases iniciales de descubrimiento.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Examina hipótesis terapéuticas mediante la vinculación de los resultados de refuerzo con la activación de circuitos neuronales en las vías de toma de decisiones.
- Valor operativo: Permite la reducción de riesgos biológicos mediante la monitorización simultánea de factores fisiológicos de confusión que podrían dificultar la interpretación de la señal de fMRI.
- Valor predictivo: Facilita la selección de carteras al cuantificar cómo los refuerzos apetitivos y aversivos modulan las respuestas neuronales relacionadas con el procesamiento de recompensa y aversión.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor Científico: Prepara sistemas biológicos validados para procesos posteriores mediante el establecimiento de paradigmas estandarizados de refuerzo con resultados conductuales cuantificables.
- Valor Operativo: Aborda la estandarización y reproducibilidad de ensayos mediante la estabilización de la cabeza, el monitoreo fisiológico y sistemas de administración compatibles con escáneres.
- Escalabilidad: Destaca el potencial de reutilización de la plataforma mediante gafas compatibles con RM, oximetría de pulso y monitoreo de gases respiratorios para la evaluación consistente de compuestos.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Continuidad Translacional: Analiza la relevancia clínica mediante la modelización de déficits en el aprendizaje por refuerzo observados en la adicción, la depresión y los trastornos obsesivo-compulsivos.
- Reducción de Riesgos Mecanicistas: Describe la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica al aislar las contribuciones neuronales a la toma de decisiones, excluyendo artefactos cardiovasculares y respiratorios.
- Avance Ajustado al Riesgo: Permite tomar decisiones basadas en datos sobre continuidad o interrupción del proyecto mediante la correlación entre la activación neuronal dependiente del refuerzo y las métricas de rendimiento conductual.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este método se integra en la continuación del descubrimiento, desde la comprobación de hipótesis en las primeras fases del descubrimiento hasta la identificación de compuestos activos y la validación preclínica, especialmente para dianas que modulan circuitos de recompensa, aversión y control cognitivo.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis mediante la disociación de señales neuronales de decisión de fluctuaciones fisiológicas no neuronales, utilizando monitoreo simultáneo del pulso y la respiración.
- Selección: Describe la preparación del ensayo mediante la administración de refuerzo compatible con escáner y el rastreo ocular para garantizar la atención al estímulo y el cumplimiento conductual.
- Análisis: Destaca mediciones cuantitativas de variables dependientes, incluidos cambios en la señal BOLD, dinámica pupilar, variabilidad de la frecuencia cardíaca y CO2 al final del periodo espiratorio para la comparación de condiciones multimodales.
- Investigación Translacional: Conecta el método con la continuidad preclínica al permitir la comparación entre especies de circuitos de aprendizaje por refuerzo mediante indicadores conductuales y fisiológicos estandarizados.
- Reutilización Empresarial: Presenta el método como una capacidad reutilizable para evaluar compuestos dirigidos al SNC en múltiples áreas de indicación que requieren validación de puntos finales relacionados con la toma de decisiones.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en la validación de objetivos, reducción de ambigüedad mecanicista derivada de factores de confusión fisiológicos, y comprensión mejorada a nivel de circuito del procesamiento del refuerzo.
- Valor operativo: Normalización, reproducibilidad y escalabilidad mediante hardware compatible con RM, administración automatizada de refuerzos y monitorización fisiológica sincronizada.
- Valor estratégico: Mejores decisiones de avance o interrupción, eficiencia del capital mediante la reducción temprana de riesgos y menor probabilidad de fracaso en fases avanzadas en indicaciones neuropsiquiátricas.
- Impacto en la cartera: Priorización ajustada al riesgo basada en el compromiso neural con el objetivo y en los perfiles de sensibilidad al refuerzo a través de series de compuestos.
Consideraciones de Implementación
- Conocimientos científicos especializados en neurociencia experimental, adquisición de fMRI y procesamiento de señales fisiológicas.
- Requisitos de instrumentación e infraestructura analítica, incluidos sistemas de refuerzo compatibles con resonancia magnética, pulsioximetría, monitoreo de gases respiratorios y gafas de seguimiento ocular.
- Requisitos de estandarización entre equipos multidisciplinarios de neurociencia, farmacología y ciencia de datos para la interpretación sincronizada de datos conductuales, fisiológicos y de imágenes.
- Consideraciones de adaptación en diferentes sistemas modelo, incluyendo ajustes por anatomía específica de la especie en la administración de refuerzos y la colocación de monitores fisiológicos.
- Limitaciones prácticas incluyen restricciones de compatibilidad del escáner para el equipo de refuerzo, la tolerancia del sujeto a estímulos aversivos y la necesidad de entrenamiento extenso para minimizar artefactos por movimiento durante las tareas conductuales.
