Imagem Funcional com reforço, eyetracking e Monitoramento Fisiológico
13 de novembro de 2008
Esta apresentação demonstra o uso da fMRI para estudar os circuitos neurais subjacentes a tomada de decisões. Simples tarefas perceptivas são combinadas com reforços apetitivo e aversivo para investigar como os resultados afetar os processos de decisão.
Este tutorial mostra um método para estudar o mecanismo de reforço usando imagens cerebrais funcionais ou FMRI. Neste protocolo, os indivíduos são submetidos a imagens funcionais durante a execução de uma tarefa de tomada de decisão visual, que é reforçada por estímulos que recompensam um tom auditivo aversivo, de ar ou neutro através de óculos compatíveis com scanner. Os sujeitos devem decidir se uma matriz de pontos está viajando rápido ou se está se movendo devagar.
Os movimentos oculares e as respostas fisiológicas, como respiração e frequência cardíaca, também são monitorados. Olá, sou Jack Grin Band do Laboratório de Vince Ferrera e Joy Hirsch no Departamento de Neurociência da Universidade de Columbia, e sou Franco Past. Também do laboratório aqui na Universidade de Columbia.
Hoje mostraremos um procedimento para imagens funcionais com reforço comportamental, monitoramento fisiológico e rastreamento ocular. Utilizamos esse procedimento em nosso laboratório para estudar a tomada de decisão com reforço positivo e adverso. Então vamos começar.
Os primeiros passos na execução de um experimento FMR envolvem a configuração e verificação do equipamento. Essas etapas podem ser feitas em qualquer ordem durante nossos experimentos, os sujeitos são recompensados por fazer respostas comportamentais corretas. O estímulo recompensador é a bebida favorita do sujeito fornecida por um dispensador de suco que controla a quantidade de líquido entregue à boca do sujeito.
O dispensador de suco consiste em um reservatório, uma válvula solenóide controlada por computador e um tubo longo que fornece suco ao sujeito. Todos os componentes eletrônicos deste dispensador são mantidos fora da sala do scanner, para que não introduzam nenhum artefato no sinal de RM. O dispensador de suco é enxaguado e preenchido com a bebida preferida do sujeito.
Antes da digitalização, o sistema é testado para garantir que o suco esteja fluindo. Os sujeitos são punidos por respostas incorretas com um sopro de ar de 50 milissegundos no olho. Um regulador de pressão fornece um sopro de ar controlado, que o sujeito classificará como aversivo, mas não traumático.
O regulador de pressão é inicialmente ajustado para 30 PSI e é conectado a uma fonte de ar comprimido, que pode ser um tanque de ar ou ar doméstico. A válvula solenóide é controlada por um sinal de computador. O ar é entregue ao sujeito através de um pedaço de um tubo tigon de 16 polegadas, que é mantido mais curto do que cerca de oito pés.
Para evitar um atraso entre o momento em que a válvula abre e o momento em que o ar comprimido atinge o sujeito, o regulador de pressão fica dentro da sala do scanner, pois qualquer movimento, como uma reação aos sopros de ar ou movimento da cabeça durante a deglutição, pode introduzir artefatos na imagem FMRI. Uma barra de mordida é usada para minimizar o movimento da cabeça. A barra de mordida é conectada à bobina do cabeçote de RF e possui um bocal personalizado feito de tubo de material termoplástico para entrega de suco e monitoramento de gás respiratório é incorporado ao bocal.
O sujeito deve simplesmente manter um bom contato entre os dentes superiores e o bocal. É importante dizer-lhes para não morder com força o bocal. Isso fará com que os músculos da mandíbula se cansem de sentir o batimento cardíaco é monitorado durante o experimento, a fim de remover posteriormente quaisquer artefatos durante a análise de dados que possam surgir do aumento da oxigenação do sangue no cérebro, não devido à atividade neuronal.
Para medir as alterações na oxigenação relacionadas ao ciclo cardíaco, usamos um oxímetro de pulso para medir a oxigenação do boi sanguíneo na ponta do dedo usando um sensor infravermelho. O oxímetro de pulso é compatível com RM e seu sinal de saída é alimentado através de um painel de filtro para a sala de controle, onde é digitalizado e armazenado no computador. Também medimos a respiração com um monitor de gás respiratório ou RGM que mede os níveis de dióxido de carbono expirados.
Como a respiração afeta a oxigenação do sangue, o RGM é compatível com RM e seus sinais de saída são enviados para a sala de controle, onde são digitalizados e armazenados no computador. A estimulação visual é fornecida por um par de óculos compatíveis com scanner, que estimulam ambos os olhos de forma independente. Os óculos incluem uma câmera infravermelha em miniatura para medir os movimentos dos olhos, a fim de dizer para onde o assunto está olhando, rastreamos os movimentos dos olhos usando vídeo infravermelho O iconografia.
Os movimentos do olho afetam a posição dos estímulos visuais na retina, o que afeta as respostas visuais no cérebro. Os movimentos oculares também podem ser usados pelo sujeito para indicar respostas auditivas de AV. Neste método, uma câmera infravermelha é usada para rastrear os movimentos da pupila.
O emissor infravermelho e a câmera são integrados a um par de óculos especialmente projetados. Estes são os mesmos óculos que fornecem estimulação visual. Os dados dos óculos são processados por um computador dedicado que converte imagens do olho em sinais analógicos para a posição horizontal e vertical dos olhos.
O scanner está localizado em uma sala blindada elétrica e magneticamente. Todos os sinais elétricos que vão da sala de controle para a sala do scanner passam por um painel de filtro, remova quaisquer frequências que possam criar um artefato na imagem de RM. Antes da digitalização, cada sujeito deve passar por um processo de segurança e consentimento.
O estudo é explicado, todos os riscos são discutidos e o sujeito dá seu consentimento. Este processo é projetado para proteger os sujeitos da coerção e proteger sua privacidade e saúde. O sujeito é rastreado para metal em qualquer lugar dentro ou fora do corpo.
Antes da experimentação, os sujeitos ficam com sede restringindo voluntariamente a ingestão de líquidos por seis horas. Dessa forma, o suco recebido durante o experimento torna-se extremamente gratificante. Quando estiver pronto para ser digitalizado, o sujeito deve colocar tampões de ouvido para proteger os ouvidos do ruído do scanner.
O sujeito também deve colocar fones de ouvido compatíveis com RM para se comunicar com os pesquisadores e ouvir instruções. Durante a sessão de varredura, usamos imagens estruturais ponderadas T um que fornecem uma definição clara da morfologia do cérebro do sujeito. O sujeito fica passivamente e permanece o mais imóvel possível.
Durante esta fase, que dura cerca de 10 minutos, usamos T duas sequências funcionais ponderadas para mostrar mudanças na oxigenação do sangue que estão correlacionadas com a atividade neural. É durante esta fase que o sujeito realiza uma tarefa de tomada de decisão perceptiva com estímulos visuais. O sujeito vê um padrão de pontos em movimento e faz um julgamento perceptivo sobre sua direção ou velocidade de movimento.
O sujeito indica sua resposta pressionando botões. Essas respostas são reforçadas por suco de sopros corretos e de ar. Se incorretos, os estímulos auditivos são usados como reforçadores secundários.
Os movimentos oculares são monitorados continuamente durante esta fase. Cada execução experimental dura 11 minutos e há quatro execuções em uma sessão de varredura. Usamos imagens ponderadas por difusão, DWI para determinar a conectividade estrutural entre as regiões do cérebro.
Durante esta fase. O sujeito fica imóvel por cerca de 12 minutos. Acabamos de mostrar um experimento de imagem funcional com reforço comportamental, monitoramento fisiológico e rastreamento ocular.
Demonstramos como usar esse procedimento para estudar a tomada de decisão com reforço aversivo e petitivo. Então é isso. Obrigado por assistir e boa sorte com seus experimentos.
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Visão Geral
Esta apresentação demonstra o uso de fMRI para estudar circuitos neurais que subjazem à tomada de decisões. Os sujeitos realizam uma tarefa visual de tomada de decisão enquanto passam por imagens funcionais, permitindo que os pesquisadores investiguem como os resultados afetam os processos de decisão.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Imagem Funcional
- Tomada de Decisão
Fundamentos
- A Ressonância Magnética Funcional (fMRI) é uma técnica usada para medir e mapear a atividade cerebral.
- Compreender os circuitos neurais envolvidos na tomada de decisões é crucial para obter insights sobre os processos cognitivos.
- Mecanismos de reforço podem influenciar os resultados das decisões.
- Combinar tarefas perceptuais com diferentes tipos de reforço fornece uma abordagem abrangente para estudar esses circuitos.
Objetivo do Estudo
- Investigar como reforços apetitivos e aversivos afetam os processos de tomada de decisão.
- Explorar os mecanismos neurais subjacentes ao reforço em tarefas de tomada de decisão.
- Monitorar respostas fisiológicas durante a tomada de decisão para obter insights sobre os processos cognitivos envolvidos.
Métodos Utilizados
- Os sujeitos passam por fMRI enquanto realizam uma tarefa visual de tomada de decisão.
- Os reforços incluem suco recompensador, rajadas de ar aversivas ou tons auditivos neutros.
- Movimentos oculares e respostas fisiológicas como respiração e frequência cardíaca são monitorados.
- Óculos compatíveis com o scanner são usados para apresentar estímulos aos sujeitos.
Principais Resultados
- O estudo fornece insights sobre como diferentes reforços influenciam a tomada de decisão.
- Respostas fisiológicas correlacionam-se com processos de tomada de decisão.
- Dados de fMRI revelam os circuitos neurais ativados durante as tarefas.
- Os resultados contribuem para a compreensão dos mecanismos de reforço em tarefas cognitivas.
Conclusões
- Este estudo melhora nossa compreensão da base neural da tomada de decisão.
- Os resultados podem informar futuras pesquisas sobre processos cognitivos e respostas comportamentais.
- A metodologia pode ser aplicada para investigar ainda mais outras funções cognitivas.
Perguntas Frequentes
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.
