Obrazowanie funkcjonalne ze wzmocnieniem, śledzeniem wzroku i monitorowaniem fizjologicznym
13 listopada 2008
Ta prezentacja pokazuje wykorzystanie fMRI do badania obwodów neuronalnych, które leżą u podstaw podejmowania decyzji. Proste zadania percepcyjne są łączone ze wzmocnieniami apetytywnymi i awersyjnymi, aby zbadać, jak wyniki wpływają na procesy decyzyjne.
Ten samouczek przedstawia metodę badania mechanizmu wzmacniania za pomocą funkcjonalnego obrazowania mózgu lub FMRI. W tym protokole badani przechodzą obrazowanie funkcjonalne podczas wykonywania zadania wizualnego podejmowania decyzji, które jest wzmacniane przez bodźce, które awersują sok, zaciągają się powietrzem lub neutralnym tonem słuchowym przez gogle kompatybilne ze skanerem. Badani muszą zdecydować, czy tablica kropek porusza się szybko, czy wolno.
Monitorowane są również ruchy gałek ocznych i reakcje fizjologiczne, takie jak oddychanie i tętno. Cześć, nazywam się Jack Grin Band z Laboratorium Vince'a Ferrery i Joy Hirsch na Wydziale Neuronauki Uniwersytetu Columbia i nazywam się Franco Past. Również z laboratorium na Uniwersytecie Columbia.
Dzisiaj pokażemy Ci procedurę obrazowania funkcjonalnego ze wzmocnieniem behawioralnym, monitorowaniem fizjologicznym i śledzeniem oczu. Stosujemy tę procedurę w naszym laboratorium do badania procesu podejmowania decyzji z pozytywnym i niekorzystnym wzmocnieniem. Więc zacznijmy.
Pierwszym krokiem w przeprowadzeniu eksperymentu FMR jest ustawienie i sprawdzenie sprzętu. Kroki te można wykonać w dowolnej kolejności podczas naszych eksperymentów, badani są nagradzani za prawidłowe reakcje behawioralne. Satysfakcjonującym bodźcem jest ulubiony napój badanego podawany przez dozownik soku, który kontroluje ilość płynu dostarczanego do ust badanego.
Dozownik soku składa się ze zbiornika, sterowanego komputerowo zaworu elektromagnetycznego i długiej rurki, która dostarcza sok do pacjenta. Wszystkie elementy elektroniczne tego dozownika są przechowywane na zewnątrz pomieszczenia skanera, dzięki czemu nie wprowadzają żadnych artefaktów do sygnału MR. Dozownik soku jest płukany i napełniany preferowanym napojem badanego.
Przed skanowaniem system jest testowany, aby upewnić się, że sok płynie. Badani są karani za nieprawidłowe odpowiedzi 50-milisekundowym podmuchem powietrza do oka. Regulator ciśnienia zapewnia kontrolowane zaciągnięcie się powietrzem, które pacjent oceni jako awersyjne, ale nie traumatyczne.
Regulator ciśnienia jest początkowo ustawiony na 30 PSI i jest podłączony do źródła sprężonego powietrza, którym może być zbiornik powietrza lub powietrze w domu. Zawór elektromagnetyczny jest sterowany sygnałem komputerowym. Powietrze jest dostarczane do obiektu przez kawałek jednej 16-calowej rurki tigon, która jest krótsza niż około ośmiu stóp.
Aby uniknąć opóźnienia między momentem otwarcia zaworu a czasem, w którym sprężone powietrze dociera do obiektu, regulator ciśnienia znajduje się w pomieszczeniu skanera, ponieważ każdy ruch, taki jak reakcja na podmuchy powietrza lub ruch głowy podczas połykania, może wprowadzić artefakty do obrazu FMRI. Pasek do gryzienia służy do zminimalizowania ruchów głowy. Pałąk do gryzienia jest przymocowany do cewki głowicy RF i ma specjalnie dopasowany ustnik wykonany z rurki z materiału termoplastycznego do dostarczania soku i monitorowania gazów oddechowych jest wbudowany w ustnik.
Pacjent powinien po prostu utrzymywać dobry kontakt między górnymi zębami a ustnikiem. Ważne jest, aby powiedzieć im, aby nie gryzły mocno ustnika. Spowoduje to, że ich mięśnie szczęki zmęczą bicie serca i będzie monitorowane podczas eksperymentu, aby później usunąć wszelkie artefakty podczas analizy danych, które mogą wynikać ze zwiększonego natlenienia krwi w mózgu, a nie z powodu aktywności neuronalnej.
Aby zmierzyć zmiany natlenienia związane z cyklem sercowym, używamy pulsoksymetru do pomiaru natlenienia krwi tlenem w opuszku palca za pomocą czujnika podczerwieni. Pulsoksymetr jest kompatybilny z rezonansem magnetycznym, a jego sygnał wyjściowy jest podawany przez panel filtrów do sterowni, gdzie jest digitalizowany i przechowywany na komputerze. Mierzymy również oddech za pomocą monitora gazów oddechowych lub RGM, który mierzy poziom dwutlenku węgla w wydychanym powietrzu.
Ponieważ oddychanie wpływa na natlenienie krwi, RGM jest kompatybilny z MR, a jego sygnały wyjściowe są wysyłane do sterowni, gdzie są digitalizowane i przechowywane na komputerze. Stymulację wzrokową zapewnia para gogli kompatybilnych ze skanerem, które stymulują oba oczy niezależnie. Gogle zawierają miniaturową kamerę na podczerwień do pomiaru ruchów gałek ocznych w celu stwierdzenia, gdzie patrzy obiekt, śledzimy ruchy oczu za pomocą ikonografii wideo w podczerwieni.
Ruchy gałki ocznej wpływają na położenie bodźców wzrokowych na siatkówce, co wpływa na reakcje wzrokowe w mózgu. Ruchy gałek ocznych mogą być również wykorzystywane przez badanego do wskazania reakcji słuchowych VA. W tej metodzie kamera na podczerwień służy do śledzenia ruchów źrenicy.
Emiter podczerwieni i kamera są wbudowane w parę specjalnie zaprojektowanych gogli. Są to te same gogle, które zapewniają stymulację wzrokową. Dane z gogli są przetwarzane przez dedykowany komputer, który przetwarza obrazy oka na sygnały analogowe dla poziomej i pionowej pozycji oka.
Skaner znajduje się w pomieszczeniu ekranowanym elektrycznie i magnetycznie. Wszystkie sygnały elektryczne przesyłane z sterowni do pomieszczenia skanera przechodzą przez panel filtrów, usuwając wszelkie częstotliwości, które mogłyby utworzyć artefakt na obrazie MR. Przed skanowaniem każda osoba musi przejść przez proces bezpieczeństwa i zgody.
Badanie jest wyjaśniane, omawiane są wszystkie zagrożenia, a osoba badana wyraża zgodę. Proces ten ma na celu ochronę badanych przed przymusem oraz ochronę zarówno ich prywatności, jak i zdrowia. Obiekt jest sprawdzany pod kątem metalu w dowolnym miejscu wewnątrz lub na zewnątrz ciała.
Przed eksperymentem badani są poddawani pragnieniu poprzez dobrowolne ograniczenie spożycia płynów przez sześć godzin. W ten sposób sok otrzymany podczas eksperymentu staje się niezwykle satysfakcjonujący. Gdy pacjent jest gotowy do skanowania, musi założyć zatyczki do uszu, aby chronić uszy przed hałasem skanera.
Osoba badana musi również założyć słuchawki kompatybilne z rezonansem magnetycznym, aby komunikować się z badaczami i słuchać instrukcji. Podczas sesji skanowania używamy ważonych obrazów strukturalnych T one, które dają jasną definicję morfologii mózgu badanego. Podmiot leży biernie i pozostaje tak nieruchomy, jak to tylko możliwe.
Podczas tej fazy, która trwa około 10 minut, używamy T dwie ważone sekwencje funkcjonalne, aby pokazać zmiany w natlenieniu krwi, które są skorelowane z aktywnością neuronalną. To właśnie w tej fazie podmiot wykonuje percepcyjne zadanie podejmowania decyzji za pomocą bodźców wizualnych. Badany widzi wzór poruszających się kropek i dokonuje percepcyjnej oceny ich kierunku lub prędkości ruchu.
Podmiot sygnalizuje swoją odpowiedź, naciskając przyciski. Reakcje te są wzmacniane przez sok z prawidłowych i zaciągnięć powietrza. Jeśli są nieprawidłowe, bodźce słuchowe są używane jako wtórne wzmacniacze.
W tej fazie ruchy gałek ocznych są stale monitorowane. Każdy przebieg eksperymentalny trwa 11 minut, a sesja skanowania składa się z czterech przebiegów. Używamy obrazów ważonych dyfuzją, DWI, aby określić strukturalne połączenia między regionami mózgu.
Na tym etapie. Obiekt leży bez ruchu przez około 12 minut. Właśnie pokazaliśmy Ci eksperyment z obrazowaniem funkcjonalnym ze wzmocnieniem behawioralnym, monitorowaniem fizjologicznym i śledzeniem oczu.
Pokazaliśmy, jak wykorzystać tę procedurę do badania procesu podejmowania decyzji ze wzmocnieniem awersyjnym i petitive. Więc to wszystko. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w eksperymentach.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ta prezentacja demonstruje zastosowanie fMRI do badania obwodów neuronowych leżących u podstaw procesu decyzyjnego. Osoby badane wykonują zadanie decyzyjne z obrazami podczas wykonywania badania funkcjonalnego, co pozwala badaczom zbadać, jak wyniki wpływają na procesy decyzyjne.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Badania funkcjonalne
- Proces decyzyjny
Tło
- Funkcjonalne rezonans magnetyczny (fMRI) to technika stosowana do pomiaru i mapowania aktywności mózgu.
- Zrozumienie obwodów neuronowych zaangażowanych w proces decyzyjny jest kluczowe dla wnikliwych obserwacji procesów poznawczych.
- Mechanizmy wzmacniania mogą wpływać na wyniki decyzji.
- Łączenie zadań percepcyjnych z różnymi rodzajami wzmacniania zapewnia kompleksowe podejście do badania tych obwodów.
Cel badania
- Zbadanie, jak wzmacniacze apetytywne i awersywne wpływają na procesy decyzyjne.
- Zbadanie mechanizmów neuronowych leżących u podstaw wzmacniania w zadania decyzyjnych.
- Monitorowanie reakcji fizjologicznych podczas podejmowania decyzji w celu zdobycia wglądu w zaangażowane procesy poznawcze.
Stosowane metody
- Osoby badane poddawane są badaniom fMRI podczas wykonywania zadań decyzyjnych.
- Wzmacniacze obejmują nagrodę sokiem, awersywne dmuchawy powietrza lub neutralne tony dźwiękowe.
- Monitorowane są ruchy oczu i reakcje fizjologiczne takie jak oddychanie i tętno.
- Do prezentacji bodźców osobom badanym stosuje się okulary kompatybilne ze skanerem.
Główne wyniki
- Badanie zapewnia wgląd w to, jak różne wzmacniacze wpływają na proces decyzyjny.
- Reakcje fizjologiczne korelują z procesami decyzyjnymi.
- Dane fMRI ujawniają obwody neuronowe aktywowane podczas zadań.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia mechanizmów wzmacniania w zadaniach poznawczych.
Wnioski
- To badanie poprawia nasze rozumienie neuronowej podstawy procesu decyzyjnego.
- Wyniki mogą być podstawą dla przyszłych badań nad procesami poznawczymi i reakcjami behawioralnymi.
- Metodologia może być zastosowana do dalszego badania innych funkcji poznawczych.
Często zadawane pytania
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.
