הדמיה תפקודית עם חיזוק, Eyetracking, ניטור פיזיולוגית
13 בנובמבר 2008
מצגת זו ממחישה את השימוש של ה-fMRI לבחון המעגלים העצביים העומדים בבסיס קבלת ההחלטות. משימות תפיסתיות פשוטות בשילוב עם תגבורת תיאבון ו מרתיעה כדי לחקור כיצד להשפיע על תהליכים ותוצאות ההחלטה.
מדריך זה מציג שיטה לבחינת מנגנון החיזוק באמצעות דימות מוחי תפקודי או FMRI. בפרוטוקול זה, הנבדקים עוברים דימות תפקודי בזמן ביצוע מטלה של קבלת החלטות חזותית, אשר מחזקת על ידי גירויים של מיץ מתגמל, נשיפת אוויר דוחה, או צליל שמיעתי ניטרלי, המועברים באמצעות משקפיים תואמים לסורק. על הנבדקים להחליט האם מערך של נקודות נע במהירות או האם הן נעות לאט.
מנוטרים גם תנועות עיניים ותגובות פיזיולוגיות כגון נשימה וקצב לב. שלום, אני ג'ק גרין-בנד מהמעבדה של וינס פרארה וג'וי הירש במחלקה למדעי העצבים באוניברסיטת קולומביה, ואני פרנקו פסט, גם אני מהמעבדה כאן באוניברסיטת קולומביה.
היום נציג בפניכם פרוצדורה לדימות תפקודי עם חיזוק התנהגותי, ניטור פיזיולוגי ומעקב עיניים. אנו משתמשים בפרוצדורה זו במעבדה שלנו כדי לחקור קבלת החלטות עם חיזוק חיובי ושלילי. אז בואו נתחיל.
השלבים הראשונים בהרצת ניסוי FMR כוללים את הגדרת הציוד ובדיקתו. ניתן לבצע שלבים אלו בכל סדר; במהלך הניסויים שלנו, הנבדקים מקבלים תגמול על מתן תגובות התנהגותיות נכונות. גירוי התגמול הוא המשקה המועדף על הנבדק, המוגש באמצעות מפזר מיץ השולט על כמות הנוזל המועברת לפיו של הנבדק.
מדפיק המיץ מורכב ממאגר, שסתום סולנואיד הנשלט על ידי מחשב, וצינור ארוך המעביר את המיץ לנבדק. כל הרכיבים האלקטרוניים של מדפיק זה נשמרים מחוץ לחדר הסורק, כדי למנוע הופעת ארטיפקטים באות ה-MR. מדפיק המיץ נשטף וממולא במשקה המועדף על הנבדק.
לפני הסריקה, המערכת נבדקת כדי לוודא שהזרם תקין. נבדקים נענשים על תגובות שגויות באמצעות נשיפת אוויר למשך 50 מילישניות לעין. וסת לחץ מספקת נשיפת אוויר מבוקרת, אותה ידרג הנבדק כבלתי נעימה אך לא טראומטית.
ווסת הלחץ מכוון בתחילה ל-30 PSI ומחובר למקור של אוויר דחוס, שעשוי להיות מיכל אוויר או אספקת אוויר מרכזית של המעבדה. השסתום הסולנואידי נשלט על ידי אות מהמחשב. האוויר מועבר אל הנבדק באמצעות צינור טיגון (tigon) בקוטר 1/16 אינץ', השומרים על אורך קצר מ-8 רגל בקירוב.
על מנת למנוע השהיה בין הזמן שבו השסתום נפתח לזמן שבו האוויר הדחוס מגיע לנבדק, ווסת הלחץ ממוקם בתוך חדר הסורק, כיוון שכל תנועה, כגון תגובה לנשיפות האוויר או תנועת ראש במהלך בליעה, עלולה להכניס ארטיפקטים לתמונת ה-FMRI. נעשה שימוש בסבך נשיכה (bite bar) כדי לצמצם את תנועת הראש. סבך הנשיכה מחובר לסליל RF של הראש וכולל פיה מותאמת אישית העשויה מחומר תרמופלסטי; צינור להגשת מיץ וניטור גזי נשימה משולבים בתוך הפיה.
על הנבדק פשוט לשמור על מגע טוב בין שיניו העליונות למערכת הפה. חשוב להנחיתו לא לנשוך את מערכת הפה בעוצמה. הדבר יגרום לעייפות של שרירי הלסת. קצב הלב מנוטר במהלך הניסוי כדי שניתן יהיה להסיר מאוחר יותר, במהלך ניתוח הנתונים, ארטיפקטים שעשויים לנבוע מעלייה בחמצון הדם במוח שאינה נובעת מפעילות נוירונלית.
כדי למדוד שינויים בחמצון הקשורים למחזור הלב, אנו משתמשים במד סטורציה (pulse oximeter) למדידת רמת החמצון בדם בקצה האצבע באמצעות חיישן אינפרה-אדום. מד הסטורציה תואם ל-MR ואות המוצא שלו מועבר דרך פאנל סינון לחדר הבקרה, שם הוא עובר דיגיטציה ונשמר במחשב. אנו מודדים גם את הנשימה באמצעות מד גזי נשימה (respiratory gas monitor או RGM) המודד את רמות הפחמן הדו-חמצני באוויר הנשף.
מכיוון שנשימה משפיעה על חמצון הדם, ה-RGM תואם ל-MR ואותות הפלט שלו נשלחים לחדר הבקרה שם הם עוברים דיגיטציה ונשמרים במחשב. גירוי חזותי מסופק על ידי זוג משקפיים תואמי סורק, המגריים את שתי העיניים באופן עצמאי. המשקפיים כוללים מצלמת אינפרא-אדום מיניאטורית למדידת תנועות עיניים כדי לקבוע לאן הנבדק מביט; אנו עוקבים אחר תנועות העיניים באמצעות וידאו אינפרא-אדום O iconography.
תנועות העין משפיעות על מיקום הגירויים הוויזואליים על הרשתית, דבר המשפיע על התגובות הוויזואליות במוח. תנועות עיניים יכולות לשמש את הנבדק גם כדי להחשיב תגובות שמיעתיות של VA. בשיטה זו, נעשה שימוש במצלמה אינפרא-אדומה כדי לעקוב אחר תנועות האישון.
פולט האינפרה-אדום והמצלמה מובנים בתוך זוג משקפיים שתוכננו במיוחד. אלו הם אותם משקפיים המספקים את הגירוי הוויזואלי. הנתונים מהמשקפיים מעובדים על ידי מחשב ייעודי הממיר תמונות של העין לאותות אנלוגיים עבור מיקום העין האופקי והאנכי.
הסורק ממוקם בחדר ממוגן חשמלית ומגנטית. כל האותות החשמליים העוברים מחדר הבקרה לחדר הסריקה עוברים דרך פנל סינון, המסנן תדרים שעלולים ליצור ארטיפקט בתמונת ה-MR. לפני הסריקה, כל נבדק חייב לעבור תהליך בטיחות והסכמה.
המחקר הוסבר, כל הסיכונים נדونو והנבדק נתן את הסכמתו. תהליך זה נועד להגן על הנבדקים מפני כפייה ולהגן הן על פרטיותם והן על בריאותם. הנבדק נסרק לאיתור מתכת בכל מקום בתוך הגוף או מחוצה לו.
לפני הניסוי, הנבדקים הופכים לצמאים על ידי הגבלה רצונית של צריכת הנוזלים למשך שש שעות. באופן זה, המיץ שניתן במהלך הניסוי הופך למתגמל ביותר. כאשר הנבדק מוכן לסריקה, עליו להניח אטמי אוזניים כדי להגן על האוזניים מרעש הסורק.
על הנבדק להרכיב גם אוזניות תואמות MR כדי לתקשר עם החוקרים ולשמוע הנחיות. במהלך סבב הסריקה, אנו משתמשים בתמונות מבניות T1-weighted המעניקות הגדרה ברורה של מורפולוגיית המוח של הנבדק. הנבדק שוכב במצב פסיבי ונשאר ללא תזוזה ככל האפשר.
במהלך שלב זה, הנמשך כ-10 דקות, אנו משתמשים בשתי רצפי תפקוד שקולים מסוג T כדי להראות שינויים בחמצון הדם המתואמים עם פעילות עצבית. בשלב זה הנבדק מבצע משימה של קבלת החלטות תפיסתיות עם גירויים חזותיים. הנבדק צופה בדפוס של נקודות נעות ומעביר שיפוט תפיסתי לגבי כיוון התנועה שלהן או מהירותן.
הנבדק מציין את תגובתו על ידי לחיצה על כפתורים. תגובות אלו מחוזקות באמצעות מיץ במקרה של תשובה נכונה ונשיפות אוויר. במקרה של תשובה שגויה, נעשה שימוש בגירויים קוליים כמחזקים משניים.
תנועות עיניים מנוטרות באופן רציף במהלך שלב זה. כל ריצה ניסויית נמשכת 11 דקות, ובכל סשן סריקה נערכות ארבע ריצות. אנו משתמשים בדימות מושפע דיפוזיה, DWI, כדי לקבוע קישוריות מבנית בין אזורי מוח.
במהלך שלב זה, הנבדק שוכב ללא תנועה במשך כ-12 דקות. הצגנו בפניכם הרגע ניסוי של דימות תפקודי הכולל חיזוק התנהגותי, ניטור פיזיולוגי ומעקב עיניים.
הדגמנו כיצד להשתמש בפרוצדורה זו כדי לחקור קבלת החלטות עם חיזוקים סותרים ומקרבים. זהו זה. תודה שצפיתם ובהצלחה בניסויים שלכם.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מצגת זו מדגימה את השימוש ב-fMRI לחקר מעגלים עצביים העומדים בבסיס קבלת החלטות. נבדקים מבצעים מטלה של קבלת החלטות חזותית בזמן שהם עוברים דימות תפקודי, מה שמאפשר לחוקרים לבחון כיצד תוצאות משפיעות על תהליכי קבלת החלטות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדעי המוח
- דימות תפקודי
- קבלת החלטות
רקע
- MRI תפקודי (fMRI) הוא טכניקה המשמשת למדידה ומיפוי של פעילות מוחית.
- הבנת המעגלים העצביים המעורבים בקבלת החלטות היא חיונית להשגת תובנות לגבי תהליכים קוגניטיביים.
- מנגנוני חיזוק יכולים להשפיע על תוצאות קבלת החלטות.
- שילוב של משימות תפיסתיות עם סוגים שונים של חיזוק מספק גישה מקיפה לחקר מעגלים אלה.
מטרת המחקר
- לבחון כיצד חיזוקים תאוותיים (appetitive) וסותרים (aversive) משפיעים על תהליכי קבלת החלטות.
- לחקור את המנגנוסים העצביים העומדים בבסיס החיזוק במשימות קבלת החלטות.
- לנטר תגובות פיזיולוגיות במהלך קבלת החלטות כדי להשיג תובנות לגבי התהליכים הקוגניטיביים המעורבים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הנבדקים עוברים בדיקת fMRI בזמן ביצוע משימה של קבלת החלטות חזותית.
- החיזוקים כוללים מיץ כגמול, נשיפות אוויר דוחה, או צלילים שמיעתיים ניטרליים.
- נעשה ניטור של תנועות עיניים ותגובות פיזיולוגיות כגון נשימה ודופק.
- משמשות משקפיים תואמים לסורק כדי להציג את הגירויים לנבדקים.
תוצאות עיקריות
- המחקר מספק תובנות לגבי האופן שבו חיזוקים שונים משפיעים על קבלת החלטות.
- תגובות פיזיולוגיות נמצאות במתאם עם תהליכי קבלת החלטות.
- נתוני fMRI חושפים את המעגלים העצביים המופעלים במהלך המטלות.
- התוצאות תורמות להבנת מנגנוני החיזוק במטלות קוגניטיביות.
מסקנות
- מחקר זה מעמיק את הבנתנו לגבי הבסיס העצבי של קבלת החלטות.
- הממצאים עשויים להנחות מחקרים עתידיים על תהליכים קוגניטיביים ותגובות התנהגותיות.
- ניתן ליישם את המתודולוגיה כדי לחקור באופן מעמיק יותר תפקודים קוגניטיביים אחרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית ניהולית
דימות תפקודי עם חיזוקים, מעקב עיניים וניטור פיזיולוגי מאפשרים בחינה מדויקת של מעגלים עצביים העומדים בבסיס קבלת החלטות במודלים פרה-קליניים. על ידי בקרה על משתנים מתערבים כגון תנועות ראש ותנודות אוטונומיות, גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי בתיקוף מטרות ובצמצום סיכונים מכניסטיים עבור גילוי תרופות נוירו-פסיכיאטריות. השילוב של מדדים רב-מודאליים תומך ביישור של סמנים ביולוגיים תרגומיים ובקבלת החלטות על קידום מותאם-סיכונים בקווי גילוי מוקדמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: בוחן השערות טיפוליות על ידי קישור תוצאות חיזוק להפעלה של מעגלים עצביים במסלולי קבלת החלטות.
- ערך תפעולי: מאפשר הפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות ניטור סימולטני של משתנים פיזיולוגיים שעלולים אחרת להסתיר את פרשנות אות ה-fMRI.
- ערך ניבוי: תומך במיון תיק הפיתוח על ידי כימות האופן שבו מחזקים תאוותיים וסותרים משנים תגובות עצביות הרלוונטיות לעיבוד תגמול וסלידה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: הכנת מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף עבור תהליכי עבודה המשכיים, באמצעות ביסוס פרדיגמות חיזוק סטנדרטיות עם פלטי התנהגות מדידים.
- ערך תפעולי: טיפול בסטנדרטיזציה ושחזוריות של הבדיקה באמצעות ייצוב הראש, ניטור פיזיולוגי ומערכות הגשה תואמות לסורק.
- יכולת הרחבה: הדגשת פוטנציאל השימוש החוזר בפלטפורמה באמצעות משקפיים תואמי MR, מדידת סטורציה (pulse oximetry) וניטור גזים נשימתיים להערכה עקבית של תרכובות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: דן ברלוונטיות למחלה על ידי מידול ליקויים בלמידת חיזוק שנצפו בהתמכרויות, בדיכאון ובהפרעות טורדניות-כפייתיות.
- הפחתת סיכונים מכניסטית: מתאר המשכיות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני, באמצעות בידוד תרומות עצביות לקבלת החלטות מארטיפקטים קרדיווסקולריים ונשימתיים.
- קידום מותאם סיכונים: מאפשר קבלת החלטות go/no-go מבוססות נתונים על ידי מתאם בין הפעלה עצבית תלוית-חיזוק למדדי ביצועים התנהגותיים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
שיטה זו משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת השערות בשלבי הגילוי המוקדמים ועד לזיהוי מובילים (lead identification) ותיקוף פרה-קליני, במיוחד עבור מטרות המווסתות מעגלים של תגמול, סלידה ובקרה קוגניטיבית.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת היפותזות על ידי הפרדת אותות החלטה עצביים מתנודות פיזיולוגיות שאינן עצביות, באמצעות ניטור סימולטני של דופק ונשימה.
- סריקה: מתאר את מוכנות הבדיקה באמצעות הגשת חיזוקים תואמת סורק ומעקב עיניים כדי להבטיח מעורבות בגירוי וציות התנהגותי.
- אנליטיקה: מדגיש מדידות כמותיות של משתנים תלויים, כולל שינויים באות BOLD, דינמיקה של אישונים, שונות בדופק וה-CO2 בסוף הנשיפה לצורך השוואה רב-מודאלית של תנאים.
- מחקר תרגומי: מקשר את השיטה לרציפות פרה-קלינית על ידי אפשור השוואה בין-מינית של מעגלי למידה מחוזקת באמצעות מדדים התנהגותיים ופיזיולוגיים סטנדרטיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציג את השיטה כיכולת לשימוש חוזר להערכת תרכובות המכוונות למערכת העצבים המרכזית (CNS) במגוון תחומי אינדיקציה הדורשים תיקוף של נקודות קצה של קבלת החלטות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי בתיקוף מטרה, הפחתת עמימות מנגנונית הנובעת מגורמים פיזיולוגיים מבלבלים, והבנה משופרת ברמת המעגל של עיבוד חיזוקים.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, הדירות ויכולת הרחבה באמצעות חומרה תואמת MR, הגשה אוטומטית של חיזוקים וניטור פיזיולוגי מסונכרן.
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות משופרת לגבי המשך או הפסקה (go/no-go), יעילות הונית באמצעות הפחתת סיכונים מוקדמת, והפחתת הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים באינדיקציות נוירופסיכיאטריות.
- השפעה על פורטפוליו: תיעדוף מותאם סיכון המבוסס על מעורבות מטרה עצבית ופרופילים של רגישות לחיזוקים על פני סדרות של תרכובות.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות מדעית במדעי העצבים ניסוייים, רכישת fMRI ועיבוד אותות פיזיולוגיים.
- דרישות לתשתיות אנליטיות וציוד, כולל מערכות חיזוק תואמות MR, מדידת סטורציה (pulse oximetry), ניטור גזי נשימה ומשקפי מעקב עיניים.
- דרישות לסטנדרטיזציה בין-צוותית בין צוותי מדעי העצבים, הפארמקולוגיה ומדעי הנתונים, לצורך פרשנות מסונכרנת של נתונים התנהגותיים, פיזיולוגיים ונתוני דימות.
- שיקולי התאמה בין מערכות מודל שונות, כולל התאמות לאנטומיה ספציפית למינים במתן חיזוקים ובמיקום ניטור פיזיולוגי.
- מגבלות מעשיות כוללות אילוצי תאימות של חומרת החיזוק לסורק, סבילות הנבדקים לגירויים דחויים, והצורך באימון נרחב לצמצום ארטיפקטים של תנועה במהלך משימות התנהגותיות.
