Imagerie fonctionnelle avec des renforts, Eyetracking, et en surveillance physiologique
13 novembre 2008
Cette présentation illustre l'utilisation de l'IRMf pour étudier les circuits neuronaux qui sous-tendent la prise de décision. Simple tâches perceptives sont combinés avec des renforts appétitive et aversifs pour enquêter sur la manière dont les résultats influent sur les processus de décision.
Ce tutoriel présente une méthode pour étudier le mécanisme de renforcement à l’aide de l’imagerie cérébrale fonctionnelle ou FMRI. Dans ce protocole, les sujets subissent une imagerie fonctionnelle tout en effectuant une tâche de prise de décision visuelle, qui est renforcée par des stimuli qu’un jus aversif, une bouffée d’air ou un ton auditif neutre gratifiant à travers des lunettes compatibles avec les scanners. Les sujets doivent décider si un ensemble de points se déplace rapidement ou lentement.
Les mouvements oculaires et les réponses physiologiques telles que la respiration et la fréquence cardiaque sont également surveillés. Bonjour, je suis Jack Grin Band du laboratoire de Vince Ferrera et Joy Hirsch du département de neurosciences de l’Université Columbia, et je suis Franco Past. Aussi du laboratoire ici à l’Université Columbia.
Aujourd’hui, nous allons vous montrer une procédure d’imagerie fonctionnelle avec renforcement comportemental, surveillance physiologique et suivi oculaire. Nous utilisons cette procédure dans notre laboratoire pour étudier la prise de décision avec un renforcement positif et défavorable. Alors commençons.
Les premières étapes de la réalisation d’une expérience RMF consistent à installer et à vérifier l’équipement. Ces étapes peuvent être effectuées dans n’importe quel ordre au cours de nos expériences, les sujets sont récompensés pour avoir fait des réponses comportementales correctes. Le stimulus gratifiant est la boisson préférée du sujet, délivrée par un distributeur de jus qui contrôle la quantité de liquide délivrée dans la bouche du sujet.
Le distributeur de jus se compose d’un réservoir, d’une électrovanne commandée par ordinateur et d’un long tube qui délivre le jus au sujet. Tous les composants électroniques de ce distributeur sont conservés à l’extérieur de la salle du scanner, de sorte qu’ils n’introduisent aucun artefact dans le signal MR. Le distributeur de jus est rincé et rempli de la boisson préférée du sujet.
Avant le balayage, le système est testé pour s’assurer que le jus coule. Les sujets sont punis pour des réponses incorrectes par une bouffée d’air de 50 millisecondes dans l’œil. Un régulateur de pression délivre une bouffée d’air contrôlée, que le sujet qualifiera d’aversive mais pas de traumatisante.
Le régulateur de pression est initialement réglé à 30 PSI et est connecté à une source d’air comprimé, qui peut être un réservoir d’air ou de l’air de la maison. L’électrovanne est contrôlée par un signal informatique. L’air est délivré au sujet à travers un morceau d’un tube tigon de 16e pouce, qui est maintenu plus court qu’environ huit pieds.
Afin d’éviter un délai entre le moment où la valve s’ouvre et le moment où l’air comprimé atteint le sujet, le régulateur de pression se trouve à l’intérieur de la salle du scanner, car tout mouvement tel qu’une réaction aux bouffées d’air ou au mouvement de la tête pendant la déglutition peut introduire des artefacts dans l’image FMRI. Une barre d’occlusion est utilisée pour minimiser les mouvements de la tête. La barre de morsure est fixée à la bobine de tête RF et dispose d’un embout buccal ajusté sur mesure en matériau thermoplastique, un tube pour l’administration de jus et la surveillance des gaz respiratoires est incorporé dans l’embout buccal.
Le sujet doit simplement maintenir un bon contact entre ses dents supérieures et l’embout buccal. Il est important de leur dire de ne pas mordre fort sur l’embout buccal. Cela entraînera une fatigue des muscles de leur mâchoire, le rythme cardiaque est surveillé pendant l’expérience afin d’éliminer ultérieurement tout artefact lors de l’analyse des données qui pourrait résulter d’une oxygénation accrue du sang dans le cerveau, et non d’une activité neuronale.
Pour mesurer les changements d’oxygénation liés au cycle cardiaque, nous utilisons un oxymètre de pouls pour mesurer l’oxygénation des œufs sanguins dans le bout du doigt à l’aide d’un capteur infrarouge. L’oxymètre de pouls est compatible avec l’IRM et son signal de sortie est transmis à travers un panneau de filtre à la salle de contrôle où il est numérisé et stocké sur l’ordinateur. Nous mesurons également la respiration à l’aide d’un moniteur de gaz respiratoire ou RGM qui mesure les niveaux de dioxyde de carbone expirés.
Étant donné que la respiration affecte l’oxygénation du sang, le RGM est compatible avec l’IRM et ses signaux de sortie sont envoyés à la salle de contrôle où ils sont numérisés et stockés sur ordinateur. La stimulation visuelle est assurée par une paire de lunettes compatibles avec les scanners, qui stimulent les deux yeux indépendamment. Les lunettes comprennent une caméra infrarouge miniature pour mesurer les mouvements oculaires afin de dire où le sujet regarde, nous suivons les mouvements oculaires à l’aide de l’iconographie de la vidéo infrarouge.
Les mouvements de l’œil affectent la position des stimuli visuels sur la rétine, ce qui affecte les réponses visuelles dans le cerveau. Les mouvements oculaires peuvent également être utilisés par le sujet pour indiquer les réponses auditives VA. Dans cette méthode, une caméra infrarouge est utilisée pour suivre les mouvements de la pupille.
L’émetteur infrarouge et la caméra sont intégrés dans une paire de lunettes spécialement conçues. Ce sont les mêmes lunettes qui fournissent une stimulation visuelle. Les données des lunettes sont traitées par un ordinateur dédié qui convertit les images de l’œil en signaux analogiques pour la position horizontale et verticale de l’œil.
Le scanner est situé dans une pièce à blindage électrique et magnétique. Tous les signaux électriques allant de la salle de contrôle à la salle du scanner passent à travers un panneau de filtre, éliminez toutes les fréquences qui pourraient créer un artefact dans l’image IRM. Avant le balayage, chaque sujet doit passer par un processus de sécurité et de consentement.
L’étude est expliquée, tous les risques sont discutés et le sujet donne son accord. Ce processus est conçu pour protéger les sujets contre la coercition et pour protéger à la fois leur vie privée et leur santé. Le sujet est filtré pour le métal n’importe où à l’intérieur ou à l’extérieur du corps.
Avant l’expérimentation, les sujets ont soif en limitant volontairement leur consommation de liquide pendant six heures. De cette façon, le jus reçu pendant l’expérience devient extrêmement gratifiant. Lorsqu’il est prêt à être scanné, le sujet doit mettre des bouchons d’oreille pour protéger les oreilles du bruit du scanner.
Le sujet doit également mettre des écouteurs compatibles avec l’IRM pour communiquer avec les chercheurs et entendre les instructions. Au cours de la séance de balayage, nous utilisons des images structurelles pondérées en T un qui donnent une définition claire de la morphologie du cerveau du sujet. Le sujet ment passivement et reste aussi immobile que possible.
Au cours de cette phase, qui dure environ 10 minutes, nous utilisons deux séquences fonctionnelles pondérées pour montrer les changements dans l’oxygénation du sang qui sont corrélés à l’activité neuronale. C’est au cours de cette phase que le sujet effectue une tâche de prise de décision perceptuelle avec des stimuli visuels. Le sujet voit un motif de points en mouvement et porte un jugement perceptuel sur leur direction ou leur vitesse de mouvement.
Le sujet indique sa réponse en appuyant sur des boutons. Ces réponses sont renforcées par le jus de bouffées correctes et aériennes. S’ils sont incorrects, les stimuli auditifs sont utilisés comme renforçateurs secondaires.
Les mouvements oculaires sont surveillés en permanence pendant cette phase. Chaque essai dure 11 minutes et il y a quatre essais dans une séance d’analyse. Nous utilisons des images pondérées en diffusion, DWI pour déterminer la connectivité structurelle entre les régions du cerveau.
Au cours de cette phase. Le sujet reste immobile pendant environ 12 minutes. Nous venons de vous montrer une expérience d’imagerie fonctionnelle avec renforcement comportemental, surveillance physiologique et suivi oculaire.
Nous avons montré comment utiliser cette procédure pour étudier la prise de décision avec le renforcement aversif et petitif. Donc c’est tout. Merci d’avoir regardé et bonne chance dans vos expériences.
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Aperçu
Cette présentation démontre l'utilisation de l'IRMf pour étudier les circuits neuronaux qui sous-tendent la prise de décision. Les sujets effectuent une tâche de prise de décision visuelle tout en subissant une imagerie fonctionnelle, permettant aux chercheurs d'étudier comment les résultats affectent les processus décisionnels.
Composants clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neuroscience
- Imagerie fonctionnelle
- Prise de décision
Contexte
- L'IRMf (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle) est une technique utilisée pour mesurer et cartographier l'activité cérébrale.
- Comprendre les circuits neuronaux impliqués dans la prise de décision est crucial pour obtenir des aperçus sur les processus cognitifs.
- Les mécanismes de renforcement peuvent influencer les résultats décisionnels.
- Combiner des tâches perceptuelles avec différents types de renforcement fournit une approche globale pour étudier ces circuits.
Objectif de l'étude
- Investiguer comment les renforcement appétitifs et aversifs affectent les processus décisionnels.
- Explorer les mécanismes neuronaux sous-jacents au renforcement dans les tâches décisionnelles.
- Surveiller les réponses physiologiques pendant la prise de décision pour obtenir des aperçus sur les processus cognitifs impliqués.
Méthodes utilisées
- Les sujets subissent une IRMf pendant qu'ils effectuent une tâche de prise de décision visuelle.
- Les renforcement comprennent du jus récompensant, des bouffées d'air aversifs, ou des tons auditifs neutres.
- Les mouvements oculaires et les réponses physiologiques telles que la respiration et la fréquence cardiaque sont surveillés.
- Des lunettes compatibles avec le scanner sont utilisées pour présenter les stimuli aux sujets.
Résultats principaux
- L'étude fournit des aperçus sur la façon dont différents renforcement influencent la prise de décision.
- Les réponses physiologiques sont corrélées avec les processus décisionnels.
- Les données IRMf révèlent les circuits neuronaux activés pendant les tâches.
- Les résultats contribuent à la compréhension des mécanismes de renforcement dans les tâches cognitives.
Conclusions
- Cette étude améliore notre compréhension de la base neuronale de la prise de décision.
- Les résultats peuvent informer les recherches futures sur les processus cognitifs et les réponses comportementales.
- La méthodologie peut être appliquée pour étudier d'autres fonctions cognitives.
Questions fréquemment posées
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.
