Functionele Beeldvorming met Wapening, Eyetracking, en Fysiologische Monitoring
November 13th, 2008
Deze presentatie toont het gebruik van fMRI om neurale circuits die de besluitvorming ten grondslag liggen te bestuderen. Eenvoudige perceptuele taken worden gecombineerd met appetitief en aversieve versterkingen om te onderzoeken hoe de resultaten besluitvormingsprocessen beïnvloeden.
Deze tutorial toont een methode voor het bestuderen van het mechanisme van versterking met behulp van functionele hersenbeeldvorming of FMRI. In dit protocol ondergaan proefpersonen functionele beeldvorming terwijl ze een visuele beslissingstaak uitvoeren, die wordt versterkt door stimuli die een belonende sappen aversieve, luchtploft of neutrale auditieve toon via scanner-compatibele bril. Proefpersonen moeten beslissen of een reeks stippen snel beweegt of dat ze langzaam bewegen.
Oogbewegingen en fysiologische reacties zoals ademhaling en hartslag worden ook gemonitord. Hoi, ik ben Jack Grin Band van het Laboratorium van Vince Ferrera en Joy Hirsch in het Department of Neuroscience aan de Columbia University, en ik ben Franco Past. Ook van het lab hier aan de Columbia University.
Vandaag laten we je een procedure zien voor functionele beeldvorming met gedragsversterking, fysiologisch monitoring en eye tracking. We gebruiken deze procedure in ons laboratorium om besluitvorming te bestuderen met een positieve en nadelige versterking. Dus laten we beginnen.
De eerste stappen bij het uitvoeren van een FMR-experiment omvatten het instellen en controleren van de apparatuur. Deze stappen kunnen in willekeurige volgorde worden uitgevoerd tijdens onze experimenten, proefpersonen worden beloond voor het maken van correcte gedragsreacties. De belonende stimulus is de favoriete drank van het onderwerp die wordt geleverd door een sapdispenser die de hoeveelheid vloeistof die aan de mond van het onderwerp wordt geleverd, regelt.
De sapdispenser bestaat uit een reservoir, een door de computer bestuurde solenoïdeklep en een lange buis die sap naar het onderwerp aflevert. Alle elektronische componenten van deze dispenser worden buiten de scannerruimte gehouden, zodat ze geen artefacten in het MR-signaal introduceren. De sapdispenser wordt gespoeld en gevuld met de voorkeursdrank van het onderwerp.
Voor het scannen wordt het systeem getest om er zeker van te zijn dat het sap stroomt. Onderwerpen worden gestraft voor onjuiste reacties door een 50 milliseconden luchtploft naar het oog. Een drukregelaar levert een gecontroleerde luchtploft, die het onderwerp als avers maar niet traumatisch zal beoordelen.
De drukregelaar is aanvankelijk ingesteld op 30 PSI en is verbonden met een bron van perslucht, wat een luchttank of huislucht kan zijn. De solenoïdeklep wordt bestuurd door een computersignaal. De lucht wordt aan het onderwerp geleverd via een stuk van een zestiende inch tigon-buis, die korter dan ongeveer acht voet wordt gehouden.
Om een vertraging te voorkomen tussen het moment dat de klep opengaat en het moment dat de perslucht het onderwerp bereikt, vandaar dat de drukregelaar zich in de scannerruimte bevindt, omdat elke beweging zoals een reactie op de luchtploffen of hoofdbeweging tijdens het slikken artefacten in het FMRI-beeld kan introduceren. Een beetbalk wordt gebruikt om hoofdbewegingen te minimaliseren. De beetbalk is bevestigd aan de RF-hoofdspoel en heeft een op maat gemaakte mondstuk gemaakt van thermoplastisch materiaalbuis voor saplevering en respiratoire gasmonitoring is in het mondstuk opgenomen.
Het onderwerp moet gewoon goed contact onderhouden tussen hun bovenste tanden en het mondstuk. Het is belangrijk om hen te vertellen dat ze niet hard op het mondstuk mogen bijten. Dit zal ervoor zorgen dat hun kauwspieren moe worden, de hartslag wordt tijdens het experiment gemonitord om later eventuele artefacten tijdens de gegevensanalyse te verwijderen die kunnen ontstaan door verhoogde bloedoxygenatie in de hersenen, niet als gevolg van neuronale activiteit.
Om veranderingen in oxygenatie gerelateerd aan de hartcyclus te meten, gebruiken we een pulsoximeter om de bloedox zuurstofverzadiging in de vingertop te meten met behulp van een infraroodsensor. De pulsoximeter is MR-compatibel en het uitgangssignaal wordt via een filterpaneel naar de controlekamer gevoerd waar het wordt gedigitaliseerd en opgeslagen op een computer. We meten ook ademhaling met een respiratoire gasmonitor of RGM die uitgeademde kooldioxideniveaus meet.
Aangezien ademhaling de bloedoxygenatie beïnvloedt, is de RGM MR-compatibel en de uitgangssignalen worden naar de controlekamer gestuurd waar ze worden gedigitaliseerd en opgeslagen op een computer. Visuele stimulatie wordt geleverd door een paar scanner-compatibele bril, die beide ogen onafhankelijk stimuleert. De bril bevat een miniatuur infraroodcamera voor het meten van oogbewegingen om te weten waar het onderwerp naar kijkt, we volgen oogbewegingen met behulp van infrarood video O iconografie.
Bewegingen van het oog beïnvloeden de positie van visuele stimuli op het netvlies, wat visuele reacties in de hersenen beïnvloedt. Oogbewegingen kunnen ook door het onderwerp worden gebruikt om VA auditieve reacties aan te geven. In deze methode wordt een infraroodcamera gebruikt om bewegingen van de pupil te volgen.
De infraroodzender en camera zijn ingebouwd in een paar speciaal ontworpen bril. Dit zijn dezelfde bril die visuele stimulatie bieden. De gegevens van de bril worden verwerkt door een speciale computer die beelden van het oog omzet in analoge signalen voor horizontale en verticale oogpositie.
De scanner bevindt zich in een elektrisch en magnetisch afgeschermde ruimte. Alle elektrische signalen die van de controlekamer naar de scannerruimte gaan, passeren een filterpaneel, verwijderen alle frequenties die een artefact in het MR-beeld kunnen creëren. Voor het scannen moet elke proefpersoon een veiligheids- en toestemmingsproces doorlopen.
De studie wordt uitgelegd, alle risico's worden besproken en het onderwerp geeft toestemming. Dit proces is ontworpen om onderwerpen te beschermen tegen dwang en om zowel hun privacy als gezondheid te beschermen. Het onderwerp wordt gescreend op metaal overal binnen of buiten het lichaam.
Voorafgaand aan experimenten worden proefpersonen dorstig gemaakt door vrijwillig hun vochtinname te beperken gedurende zes uur. Op deze manier wordt het sap dat tijdens het experiment wordt ontvangen extreem belonend. Wanneer klaar om te worden gescand, moet het onderwerp oordopjes dragen om de oren te beschermen tegen het scannergeluid.
Het onderwerp moet ook MR-compatibele koptelefoons dragen om met de on
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze presentatie demonstreert het gebruik van fMRI om neurale circuits die ten grondslag liggen aan besluitvorming te bestuderen. Proefpersonen voeren een visuele besluitvormingstaak uit terwijl ze functionele beeldvorming ondergaan, waardoor onderzoekers kunnen onderzoeken hoe uitkomsten beslisprocessen beïnvloeden.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Functionele beeldvorming
- Besluitvorming
Achtergrond
- Functionele MRI (fMRI) is een techniek die wordt gebruikt om hersenactiviteit te meten en in kaart te brengen.
- Het begrijpen van neurale circuits die betrokken zijn bij besluitvorming is cruciaal voor inzichten in cognitieve processen.
- Versterkingsmechanismen kunnen beslissingsuitkomsten beïnvloeden.
- Het combineren van perceptuele taken met verschillende soorten versterking biedt een alomvattende benadering om deze circuits te bestuderen.
Doel van het onderzoek
- Om te onderzoeken hoe appetitieve en aversieve versterkingen besluitvormingsprocessen beïnvloeden.
- Om de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan versterking in besluitvormingstaken te onderzoeken.
- Om fysiologische reacties tijdens besluitvorming te monitoren om inzichten te verkrijgen in de betrokken cognitieve processen.
Gebruikte methoden
- Proefpersonen ondergaan fMRI terwijl ze een visuele besluitvormingstaak uitvoeren.
- Versterkingen omvatten belonende sap, aversieve luchtpuffs of neutrale auditieve tonen.
- Oogbewegingen en fysiologische reacties zoals ademhaling en hartslag worden gemonitord.
- Scanner-compatibele veiligheidsbril wordt gebruikt om stimuli aan proefpersonen te presenteren.
Belangrijkste resultaten
- De studie geeft inzichten in hoe verschillende versterkingen besluitvorming beïnvloeden.
- Fysiologische reacties correleren met besluitvormingsprocessen.
- fMRI-gegevens onthullen de neurale circuits die tijdens de taken worden geactiveerd.
- Resultaten dragen bij aan het begrijpen van de mechanismen van versterking in cognitieve taken.
Conclusies
- Deze studie verbetert ons begrip van de neurale basis van besluitvorming.
- Bevindingen kunnen toekomstig onderzoek naar cognitieve processen en gedragsreacties informeren.
- De methodologie kan worden toegepast om andere cognitieve functies verder te onderzoeken.
Veelgestelde vragen
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.
