Функциональные Формирование изображений с помощью арматуры, движения глаз, и физиологические мониторинга
13 ноября 2008 г.
Эта презентация демонстрирует использование МРТ для изучения нейронных цепей, лежащих в основе принятия решений. Простые восприятия задач в сочетании с аппетит и отвращение подкрепления чтобы исследовать, как результаты влияют на принятие процессов.
В данном руководстве представлен метод изучения механизмов подкрепления с помощью функциональной визуализации мозга или фМРТ. Согласно данному протоколу, испытуемые проходят функциональную визуализацию во время выполнения задания на принятие визуальных решений, которое подкрепляется стимулами — вознаграждающим соком, аверсивным потоком воздуха или нейтральным звуковым тоном — через совместимые со сканером очки. Испытуемые должны определить, движется ли массив точек быстро или медленно.
Также контролируются движения глаз и физиологические реакции, такие как дыхание и частота сердечных сокращений. Здравствуйте, я Джек Гринбанд из лаборатории Винса Ферреры и Джой Хирш на кафедре нейробиологии Колумбийского университета, а я Франко Паст, также из этой лаборатории здесь, в Колумбийском университете.
Сегодня мы продемонстрируем процедуру функциональной визуализации с поведенческим подкреплением, физиологическим мониторингом и айтрекингом. Мы используем эту процедуру в нашей лаборатории для изучения процесса принятия решений при положительном и отрицательном подкреплении. Итак, приступим.
Первые этапы проведения эксперимента ФМР включают настройку и проверку оборудования. Эти шаги можно выполнять в любом порядке; в ходе наших экспериментов испытуемые получают вознаграждение за правильные поведенческие реакции. В качестве стимулирующего вознаграждения используется любимый напиток испытуемого, подаваемый через диспенсер для сока, который контролирует количество жидкости, поступающей в рот испытуемого.
Диспенсер для сока состоит из резервуара, управляемого компьютером электромагнитного клапана и длинной трубки, по которой сок подается испытуемому. Все электронные компоненты этого диспенсера расположены за пределами помещения со сканером, чтобы они не создавали артефактов в МР-сигнале. Диспенсер для сока промывают и заполняют напитком, который предпочитает испытуемый.
Перед началом сканирования система тестируется, чтобы убедиться в исправности подачи воздуха. За неправильные ответы испытуемые получают наказание в виде 50-миллисекундного воздействия струи воздуха на глаз. Регулятор давления подает контролируемый поток воздуха, который испытуемый оценит как неприятный, но не травмирующий.
Регулятор давления изначально устанавливается на 30 PSI и подключается к источнику сжатого воздуха, которым может быть воздушный ресивер или стационарная сеть подачи воздуха. Соленоидный клапан управляется компьютерным сигналом. Воздух подается испытуемому через трубку из тигона диаметром 1/16 дюйма, длина которой не превышает восьми футов.
Чтобы избежать задержки между временем открытия клапана и временем достижения сжатого воздуха испытуемым, регулятор давления располагается внутри комнаты сканера, так как любые движения, такие как реакция на потоки воздуха или движение головы во время глотания, могут привести к появлению артефактов на МРТ-изображении. Для минимизации движений головы используется прикусная планка. Прикусная планка прикреплена к РЧ-катушке для головы и оснащена индивидуально подогнанным загубником из термопластичного материала; в загубник встроены трубки для подачи сока и мониторинга дыхательных газов.
Испытуемому следует просто поддерживать плотный контакт между верхними зубами и мундштуком. Важно предупредить его, чтобы он не сжимал мундштук слишком сильно. Это приведет к утомлению мышц челюсти. В ходе эксперимента осуществляется мониторинг частоты сердечных сокращений, чтобы в дальнейшем при анализе данных удалить любые артефакты, которые могут возникнуть вследствие повышенной оксигенации крови в головном мозге, не связанной с нейронной активностью.
Для измерения изменений оксигенации, связанных с сердечным циклом, мы используем пульсоксиметр для определения уровня оксигенации крови в кончике пальца с помощью инфракрасного датчика. Пульсоксиметр совместим с МРТ, и его выходной сигнал через панель фильтрации передается в аппаратную, где он оцифровывается и сохраняется на компьютере. Мы также измеряем дыхание с помощью монитора дыхательных газов (RGM), который определяет уровень углекислого газа в выдыхаемом воздухе.
Поскольку дыхание влияет на оксигенацию крови, RGM совместим с МРТ, а его выходные сигналы передаются в аппаратную, где они оцифровываются и сохраняются на компьютере. Визуальная стимуляция осуществляется с помощью пары совместимых со сканером очков, которые независимо стимулируют оба глаза. Очки оснащены миниатюрной инфракрасной камерой для измерения движений глаз с целью определения направления взгляда испытуемого; мы отслеживаем движения глаз с помощью инфракрасной видео-окулографии.
Движения глаз влияют на положение зрительных стимулов на сетчатке, что, в свою очередь, воздействует на зрительные ответы в головном мозге. Движения глаз также могут использоваться испытуемым для обозначения слуховых ответов VA. В данном методе для отслеживания движений зрачка используется инфракрасная камера.
Инфракрасный излучатель и камера встроены в пару специально разработанных очков. Эти же очки используются для обеспечения визуальной стимуляции. Данные с очков обрабатываются специализированным компьютером, который преобразует изображения глаза в аналоговые сигналы горизонтального и вертикального положения глаза.
Сканер расположен в помещении с электрическим и магнитным экранированием. Все электрические сигналы, идущие из комнаты управления в процедурный кабинет сканера, проходят через панель фильтров, которая удаляет любые частоты, способные вызвать возникновение артефактов на МР-изображении. Перед началом сканирования каждый испытуемый должен пройти процедуру проверки безопасности и подписать информированное согласие.
Проводится разъяснение целей исследования, обсуждаются все возможные риски, после чего испытуемый дает свое согласие. Этот процесс предназначен для защиты испытуемых от принуждения, а также для обеспечения их конфиденциальности и безопасности здоровья. Испытуемый проходит проверку на наличие металлических предметов внутри или снаружи тела.
Перед началом эксперимента у испытуемых вызывают чувство жажды путем добровольного ограничения потребления жидкости в течение шести часов. Таким образом, сок, получаемый во время эксперимента, становится высокопоощряющим стимулом. Перед началом сканирования испытуемый должен вставить беруши для защиты ушей от шума сканера.
Испытуемый также должен надеть совместимые с МРТ наушники для связи с исследователями и прослушивания инструкций. Во время сеанса сканирования мы используем структурные Т1-взвешенные изображения, которые обеспечивают четкое определение морфологии мозга испытуемого. Испытуемый лежит неподвижно и сохраняет максимально возможную статичность.
В течение этой фазы, которая длится около 10 минут, мы используем две функциональные последовательности с T2-взвешиванием для визуализации изменений оксигенации крови, которые коррелируют с нейронной активностью. Именно в этой фазе испытуемый выполняет задачу по принятию перцептивного решения с использованием визуальных стимулов. Испытуемый наблюдает за паттерном движущихся точек и делает перцептивное суждение об их направлении или скорости движения.
Испытуемый указывает свой ответ, нажимая на кнопки. Правильные ответы подкрепляются подачей сока и потоками воздуха. В случае неправильного ответа в качестве вторичных подкреплений используются слуховые стимулы.
На этом этапе осуществляется непрерывный мониторинг движений глаз. Каждое экспериментальное выполнение длится 11 минут; в рамках одной сессии сканирования проводится четыре таких выполнения. Для определения структурной связности между областями мозга мы используем диффузионно-взвешенные изображения, DWI.
На этом этапе испытуемый остается неподвижным в течение примерно 12 минут. Мы только что продемонстрировали вам эксперимент по функциональной визуализации с поведенческим подкреплением, физиологическим мониторингом и айтрекингом.
Мы продемонстрировали, как использовать данную процедуру для изучения процесса принятия решений при аверсивном и аппетитивном подкреплении. На этом всё. Спасибо за просмотр и успехов в ваших экспериментах.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной презентации демонстрируется использование фМРТ для изучения нейронных цепей, лежащих в основе процесса принятия решений. Испытуемые выполняют задание на принятие визуальных решений во время функциональной визуализации, что позволяет исследователям изучить, как результаты влияют на процессы принятия решений.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Функциональная визуализация
- Принятие решений
Теоретические основы
- Функциональная МРТ (фМРТ) — это метод, используемый для измерения и картирования активности мозга.
- Понимание нейронных цепей, участвующих в принятии решений, имеет решающее значение для изучения когнитивных процессов.
- Механизмы подкрепления могут влиять на результаты принятия решений.
- Сочетание перцептивных задач с различными типами подкрепления обеспечивает комплексный подход к изучению этих цепей.
Цель исследования
- Изучить, как аппетитливое и аверсивное подкрепление влияют на процессы принятия решений.
- Исследовать нейронные механизмы, лежащие в основе подкрепления в задачах по принятию решений.
- Мониторировать физиологические реакции в процессе принятия решений для получения представления о задействованных когнитивных процессах.
Используемые методы
- Испытуемые проходят фМРТ во время выполнения задачи на принятие визуальных решений.
- Подкрепление включает в себя вознаграждение в виде сока, аверсивные воздушные импульсы или нейтральные слуховые тона.
- Осуществляется мониторинг движений глаз и физиологических реакций, таких как дыхание и частота сердечных сокращений.
- Для предъявления стимулов испытуемым используются совместимые со сканером очки.
Основные результаты
- Данное исследование позволяет понять, как различные виды подкрепления влияют на процесс принятия решений.
- Физиологические реакции коррелируют с процессами принятия решений.
- Данные фМРТ выявляют нейронные цепи, активируемые при выполнении заданий.
- Результаты способствуют пониманию механизмов подкрепления в когнитивных задачах.
Выводы
- Данное исследование расширяет наше понимание нейронных основ процесса принятия решений.
- Полученные результаты могут быть использованы в будущих исследованиях когнитивных процессов и поведенческих реакций.
- Данная методология может быть применена для дальнейшего изучения других когнитивных функций.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Функциональная визуализация с применением подкрепления, айтрекинга и физиологического мониторинга позволяет точно исследовать нейронные цепи, лежащие в основе процесса принятия решений в доклинических моделях. Благодаря контролю таких вмешивающихся факторов, как движения головы и вегетативные колебания, данный подход повышает прогностическую уверенность при валидации мишеней и снижении механистических рисков при поиске нейропсихиатрических лекарственных средств. Интеграция мультимодальных показателей способствует согласованию трансляционных биомаркеров и принятию обоснованных по рискам решений о продвижении препаратов на ранних этапах разработки.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверить терапевтические гипотезы, связывая результаты подкрепления с активацией нейронных цепей в путях принятия решений.
- Операционная ценность: обеспечивает снижение биологических рисков за счет одновременного мониторинга физиологических побочных факторов, которые в противном случае могли бы затруднить интерпретацию сигналов фМРТ.
- Прогностическая ценность: способствует приоритизации портфеля препаратов путем количественной оценки того, как аппетитивные и аверсивные подкрепления модулируют нейронные ответы, связанные с обработкой вознаграждения и отвращения.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: обеспечивает подготовку валидированных биологических систем для последующих рабочих процессов путем установления стандартизированных парадигм подкрепления с количественно определяемыми поведенческими результатами.
- Операционная ценность: решает вопросы стандартизации и воспроизводимости анализов за счет стабилизации головы, физиологического мониторинга и использования систем доставки, совместимых со сканером.
- Масштабируемость: подчеркивает потенциал повторного использования платформы благодаря совместимым с МРТ очкам, пульсоксиметрии и мониторингу дыхательных газов для обеспечения согласованной оценки соединений.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная преемственность: Обсуждается значимость для изучения заболеваний путем моделирования дефицита обучения с подкреплением, наблюдаемого при зависимостях, депрессии и обсессивно-компульсивных расстройствах.
- Механистическое снижение рисков: Описывается преемственность от этапа открытия до доклинической валидации путем отделения нейронного вклада в процесс принятия решений от сердечно-сосудистых и респираторных артефактов.
- Снижение рисков при продвижении исследований: Обеспечивается принятие обоснованных решений о продолжении или прекращении работы (go/no-go) путем корреляции нейронной активации, зависящей от подкрепления, с поведенческими показателями эффективности.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в континуум открытий — от проверки гипотез на ранних этапах до идентификации перспективных соединений и доклинической валидации, особенно для мишеней, модулирующих контуры вознаграждения, отвращения и когнитивного контроля.
- Фундаментальная биология: Поддержка проверки гипотез путем отделения нейронных сигналов принятия решений от ненейронных физиологических колебаний с помощью одновременного мониторинга пульса и дыхания.
- Скрининг: Описание готовности анализа с использованием совместимой со сканером системы подачи подкрепления и айтрекинга для обеспечения взаимодействия со стимулом и соблюдения поведенческих норм.
- Аналитика: Описание количественных измерений зависимых переменных, включая изменения BOLD-сигнала, динамику зрачка, вариабельность сердечного ритма и конечный CO2 для мультимодального сравнения условий.
- Трансляционные исследования: Обеспечение преклинической преемственности метода путем возможности межвидового сравнения цепей обучения с подкреплением с помощью стандартизированных поведенческих и физиологических показателей.
- Корпоративное использование: Представление метода как универсального инструмента для оценки соединений, нацеленных на ЦНС, в различных областях показаний, требующих валидации конечных точек принятия решений.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение прогностической уверенности при валидации мишеней, снижение механистической неоднозначности, вызванной физиологическими искажающими факторами, и более глубокое понимание процессов подкрепления на уровне нейронных цепей.
- Операционная ценность: Стандартизация, воспроизводимость и масштабируемость за счет использования совместимого с МРТ оборудования, автоматизированного введения подкрепления и синхронизированного физиологического мониторинга.
- Стратегическая ценность: Обоснованность принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go), эффективность использования капитала за счет раннего снижения рисков и уменьшение вероятности неудач на поздних стадиях при нейропсихиатрических показаниях.
- Влияние на портфель: Приоритезация с учетом рисков на основе показателей взаимодействия с нейронной мишенью и профилей чувствительности к подкреплению для серий соединений.
Рекомендации по реализации
- Необходим научный опыт в области экспериментальной нейробиологии, сбора данных фМРТ и обработки физиологических сигналов.
- Потребности в инструментарии и аналитической инфраструктуре, включая совместимые с МРТ системы подкрепления, пульсоксиметрию, мониторинг дыхательных газов и очки для айтрекинга.
- Требования к межкомандной стандартизации между специалистами по нейробиологии, фармакологии и анализу данных для синхронизированной интерпретации поведенческих, физиологических и нейровизуализационных данных.
- Особенности адаптации для различных модельных систем, включая корректировку систем подачи подкрепления и размещения датчиков физиологического мониторинга с учетом видоспецифической анатомии.
- Практические ограничения включают требования к совместимости оборудования для подкрепления со сканером, переносимость субъектами аверсивных стимулов, а также необходимость длительного обучения для минимизации двигательных артефактов во время выполнения поведенческих задач.
