功能成像结合强化学习、眼动追踪与生理监测

摘要

本演示展示了如何利用功能性磁共振成像（fMRI）研究决策背后的神经回路。通过将简单的感知任务与奖赏性和厌恶性强化相结合，探究结果如何影响决策过程。

摘要

我们采用功能性脑成像（fMRI）研究决策行为背后的神经回路。为了理解结果如何影响决策过程，通常将简单的感知任务与奖赏性和厌恶性强化相结合。然而，使用果汁和气流等强化物可能给fMRI研究带来挑战。强化物的传递可能引起头部运动，从而在fMRI信号中产生伪影。强化还可能通过自主神经通路引起心率和呼吸的变化。心率和呼吸的变化可直接影​​响大脑中的fMRI（BOLD）信号，并可能与由神经活动引起的信号变化相互混淆。在本视频中，我们演示了如何以受控方式递送强化物、如何稳定头部，以及如何测量脉搏和呼吸的方法。

方案

仪器设置

进行fMRI实验的第一步是设置并检查设备。 这些步骤可以按任意顺序进行。

信号调节——扫描仪位于一个电气和磁屏蔽的房间内。  所有从控制室通往扫描室的电信号均需通过一个滤波板，以去除可能在磁共振图像中产生伪影的任何频率。

气流刺激——气流刺激装置可输送固定压力和持续时间的可控气流。  当气流指向眼睛时，会产生厌恶感，但不会造成创伤。  压力调节器（WPI Pneumatic PicoPump）连接至压缩空气源，该气源可以是气瓶，但我们使用的是实验室供气系统。  压力调节至30 psi。  时间参数设定为输送50毫秒的气流脉冲。电磁阀由计算机信号控制。  压力调节器的输出通过1/6英寸塑料管（Tygon）输送至受试者。  需注意，管道不宜过长，否则会导致电磁阀开启与压缩空气到达管端之间出现延迟。  因此，压力调节器应置于扫描室内，控制信号通过滤波板传入，以确保不会产生成像伪影。

果汁递送——果汁递送装置通过一根塑料管控制递送至受试者口中的果汁液滴的大小和数量。  该装置由一个储液罐、一个计算机控制的电磁阀和一根将果汁输送至受试者的长管组成。  所有电子组件均位于扫描室之外，因此不会在磁共振信号中引入伪影。  使用时，先通过注满储液罐并打开电磁阀的方式对果汁递送装置（Crist Instruments）进行两次冲洗。  随后，将受试者偏好的饮料注入装置中。  在扫描开始前，运行一个程序以测试系统，该程序使计算机生成一连串测试脉冲，从而向受试者递送数滴果汁。  受试者需确认果汁流动正常。

咬合杆——头部运动会在fMRI图像中产生多种伪影。  在本实验中，受试者会接受气流刺激，可能引发反射性动作，以及需要吞咽的果汁刺激。  为了最大限度减少头部运动，使用咬合杆来固定头部。  咬合杆连接在射频头线圈上。  每位受试者均配备由热塑性材料定制的个性化牙托。

脉搏血氧仪——FMRI测量血液氧合（BOLD）。  大脑中的血液氧合水平可能受神经元活动的影响，但也可能受到心跳的影响。  为了测量与心动周期相关的氧合变化，我们使用脉搏血氧仪，通过红外传感器测量指尖的血液氧合水平。  该脉搏血氧仪具有磁共振兼容性，其输出信号经滤波面板传送到控制室，在控制室中被数字化并存储于计算机中。

呼吸气体监测仪——呼吸也会影响血液氧合水平。  我们使用呼吸气体监测仪测量呼出的 CO2 水平来评估呼吸。该 RGM 与磁共振设备兼容，其输出信号通过滤波面板传送到控制室，在计算机上进行数字化处理并存储。

视觉刺激——在靠近受试者头部位置的磁共振扫描仪孔洞一端，设有一块背投屏幕。受试者通过安装在头部线圈上方的镜子观看背投屏幕上的图像。位于扫描室外部的液晶投影仪将图像投射到背投屏幕上，投影仪的光束通过射频屏蔽软管导入扫描室内。

眼动追踪——了解受试者的注视位置具有多重重要意义。  眼球运动会影响视觉刺激在视网膜上的位置，从而影响大脑中的视觉反应。  眼球运动也可作为受试者表达行为反应的一种方式。  我们采用一种称为“红外视频眼动图法”的技术来追踪眼球运动。  该方法使用红外相机追踪瞳孔位置。  红外发射器和相机集成在一副特制的护目镜中。  这些护目镜同时也用于提供视觉刺激。  护目镜采集的数据由专用计算机处理，将眼球图像转换为表示水平和垂直眼位的模拟信号。

受试者准备 

记录与知情同意——扫描前，每位受试者必须填写若干关于安全性和知情同意的表格。

实验计划表——该计划表规定了实验方案、脉冲序列及其运行顺序。

身体准备——当受试者准备接受扫描时，首先要做的事项之一是插入耳塞，以保护听力，避免受到扫描仪发出的响亮且高频噪声的损害。  同时，他们还需佩戴磁共振兼容的耳机，以便在扫描过程中与受试者进行沟通，并传递指导指令和反馈信息。

受试者将包含1/16的咬嘴放入口中^th 用于果汁输送和呼吸气体监测的英寸管线。

受试者佩戴并调整用于视觉刺激和眼动监测的磁共振兼容护目镜。 

受试者仰卧于扫描仪床面上，将射频线圈置于其头部上方。将口件（咬杆）固定在射频线圈上，以防止头部移动。

使用柔性管（loc-line）将气流管路（1/6 英寸 tygon 管）放置于一只眼睛附近。

将脉搏血氧仪指夹固定于一根手指上，并用胶带固定。

扫描程序

脉冲序列：

结构成像：我们采用T1加权图像（结构图像），以清晰显示受试者大脑的形态结构。 受试者在此阶段保持静卧，尽可能静止不动，持续时间约为10分钟。

功能成像：我们采用T2加权EPI序列（功能图像）来显示与神经活动相关的血氧水平变化。 在此阶段，受试者会接受果汁、气流刺激和听觉刺激。

连接性：我们采用弥散加权成像（DWI）来确定脑区之间的结构连接性。  受试者在此阶段只需静卧不动。