Imaging funzionale con rinforzo, eyetracking e monitoraggio fisiologico

Questo tutorial mostra un metodo per studiare il meccanismo del rinforzo utilizzando l'imaging cerebrale funzionale o FMRI. In questo protocollo, i soggetti vengono sottoposti a imaging funzionale durante l'esecuzione di un compito decisionale visivo, che è rafforzato da stimoli che un tono uditivo avverso al succo gratificante, soffio d'aria o neutro attraverso occhiali compatibili con lo scanner. I soggetti devono decidere se una serie di punti sta viaggiando velocemente o se si sta muovendo lentamente.

Vengono monitorati anche i movimenti oculari e le risposte fisiologiche come la respirazione e la frequenza cardiaca. Ciao, sono Jack Grin Band del Laboratorio di Vince Ferrera e Joy Hirsch nel Dipartimento di Neuroscienze della Columbia University, e sono Franco Past. Anche dal laboratorio qui alla Columbia University.

Oggi vi mostreremo una procedura per l'imaging funzionale con rinforzo comportamentale, monitoraggio fisiologico e tracciamento oculare. Utilizziamo questa procedura nel nostro laboratorio per studiare il processo decisionale con un rinforzo positivo e negativo. Quindi iniziamo.

I primi passi nell'esecuzione di un esperimento FMR riguardano l'impostazione e il controllo dell'apparecchiatura. Questi passaggi possono essere eseguiti in qualsiasi ordine durante i nostri esperimenti, i soggetti vengono premiati per aver dato risposte comportamentali corrette. Lo stimolo gratificante è la bevanda preferita del soggetto erogata da un distributore di succo che controlla la quantità di liquido erogato alla bocca del soggetto.

L'erogatore di succo è costituito da un serbatoio, un'elettrovalvola controllata da computer e un lungo tubo che eroga il succo al soggetto. Tutti i componenti elettronici di questo dispenser sono tenuti all'esterno della sala scanner, in modo da non introdurre alcun artefatto nel segnale RM. Il distributore di succo viene risciacquato e riempito con la bevanda preferita dal soggetto.

Prima della scansione, il sistema viene testato per assicurarsi che il succo scorra. I soggetti vengono puniti per le risposte errate con uno sbuffo d'aria di 50 millisecondi verso l'occhio. Un regolatore di pressione eroga un soffio d'aria controllato, che il soggetto valuterà come avversivo ma non traumatico.

Il regolatore di pressione è inizialmente impostato a 30 PSI ed è collegato a una fonte di aria compressa, che potrebbe essere un serbatoio d'aria o l'aria domestica. L'elettrovalvola a solenoide è controllata da un segnale del computer. L'aria viene consegnata al soggetto attraverso un pezzo di un tubo tigon da 16 pollici, che viene mantenuto più corto di circa otto piedi.

Al fine di evitare un ritardo tra il momento in cui la valvola si apre e il momento in cui l'aria compressa raggiunge il soggetto, il regolatore di pressione si trova all'interno della sala scanner perché qualsiasi movimento come una reazione agli sbuffi d'aria o il movimento della testa durante la deglutizione può introdurre artefatti nell'immagine FMRI. Una barra del morso viene utilizzata per ridurre al minimo il movimento della testa. La barra del morso è fissata alla bobina della testina RF e ha un boccaglio su misura realizzato con tubi in materiale termoplastico per l'erogazione del succo e il monitoraggio dei gas respiratori è incorporato nel boccaglio.

Il soggetto dovrebbe semplicemente mantenere un buon contatto tra i denti superiori e il boccaglio. È importante dire loro di non mordere forte il bocchino. Ciò causerà l'affaticamento dei muscoli della mascella Il battito cardiaco viene monitorato durante l'esperimento al fine di rimuovere successivamente eventuali artefatti durante l'analisi dei dati che potrebbero derivare da un aumento dell'ossigenazione del sangue nel cervello, non dovuto all'attività neuronale.

Per misurare le variazioni di ossigenazione correlate al ciclo cardiaco, utilizziamo un pulsossimetro per misurare l'ossigenazione del sangue nel polpastrello utilizzando un sensore a infrarossi. Il pulsossimetro è compatibile con la risonanza magnetica e il suo segnale di uscita viene inviato attraverso un pannello di filtri alla sala di controllo dove viene digitalizzato e memorizzato su computer. Misuriamo anche la respirazione con un monitor dei gas respiratori o RGM che misura i livelli di anidride carbonica espirata.

Poiché la respirazione influisce sull'ossigenazione del sangue, l'RGM è compatibile con la risonanza magnetica e i suoi segnali di uscita vengono inviati alla sala di controllo dove vengono digitalizzati e memorizzati su computer. La stimolazione visiva è fornita da un paio di occhiali compatibili con lo scanner, che stimolano entrambi gli occhi in modo indipendente. Gli occhiali includono una telecamera a infrarossi in miniatura per misurare i movimenti oculari al fine di dire dove sta guardando il soggetto, tracciamo i movimenti oculari utilizzando l'iconografia video a infrarossi.

I movimenti dell'occhio influenzano la posizione degli stimoli visivi sulla retina, che influenza le risposte visive nel cervello. I movimenti oculari possono anche essere utilizzati dal soggetto per indicare le risposte uditive VA. In questo metodo, una telecamera a infrarossi viene utilizzata per tracciare i movimenti della pupilla.

L'emettitore di infrarossi e la fotocamera sono integrati in un paio di occhiali appositamente progettati. Questi sono gli stessi occhiali che forniscono la stimolazione visiva. I dati degli occhiali vengono elaborati da un computer dedicato che converte le immagini dell'occhio in segnali analogici per la posizione orizzontale e verticale dell'occhio.

Lo scanner si trova in una stanza schermata elettricamente e magneticamente. Tutti i segnali elettrici che vanno dalla sala di controllo alla sala scanner passano attraverso un pannello filtrante, rimuovendo tutte le frequenze che potrebbero creare un artefatto nell'immagine RM. Prima della scansione, ogni soggetto deve passare attraverso un processo di sicurezza e consenso.

Lo studio viene spiegato, tutti i rischi vengono discussi e il soggetto dà il proprio consenso. Questo processo è progettato per proteggere i soggetti dalla coercizione e per proteggere sia la loro privacy che la loro salute. Il soggetto viene sottoposto a screening per verificare la presenza di metallo in qualsiasi punto all'interno o all'esterno del corpo.

Prima della sperimentazione, i soggetti vengono resi assetati limitando volontariamente l'assunzione di liquidi per sei ore. In questo modo, il succo ricevuto durante l'esperimento diventa estremamente gratificante. Quando è pronto per essere scansionato, il soggetto deve inserire tappi per le orecchie per proteggere le orecchie dal rumore dello scanner.

Il soggetto deve anche indossare cuffie compatibili con la risonanza magnetica per comunicare con i ricercatori e ascoltare le istruzioni. Durante la sessione di scansione, utilizziamo immagini strutturali pesate T one che danno una chiara definizione della morfologia del cervello del soggetto. Il soggetto giace passivamente e rimane il più immobile possibile.

Durante questa fase, che dura circa 10 minuti, utilizziamo sequenze funzionali pesate T due per mostrare i cambiamenti nell'ossigenazione del sangue che sono correlati con l'attività neurale. È durante questa fase che il soggetto svolge un compito decisionale percettivo con stimoli visivi. Il soggetto visualizza uno schema di punti in movimento e dà un giudizio percettivo sulla loro direzione o velocità di movimento.

Il soggetto indica la propria risposta premendo i pulsanti. Queste risposte sono rafforzate dal succo di sbuffi corretti e d'aria. Se non corretti, gli stimoli uditivi vengono utilizzati come rinforzi secondari.

Durante questa fase i movimenti oculari vengono monitorati continuamente. Ogni esecuzione sperimentale dura 11 minuti e ci sono quattro esecuzioni in una sessione di scansione. Utilizziamo immagini pesate in diffusione, DWI per determinare la connettività strutturale tra le regioni del cervello.

Durante questa fase. Il soggetto giace immobile per circa 12 minuti. Ti abbiamo appena mostrato un esperimento di imaging funzionale con rinforzo comportamentale, monitoraggio fisiologico e tracciamento oculare.

Abbiamo dimostrato come utilizzare questa procedura per studiare il processo decisionale con il rinforzo avversivo e petitivo. Quindi questo è tutto. Grazie per aver guardato e buona fortuna con i tuoi esperimenti.