Takviye, Eyetracking ve Fizyolojik İzleme Fonksiyonel Görüntüleme
13 Kasım 2008
Bu sunum, karar verme altında yatan nöral devrelerin çalışması için fMRI kullanımını gösterir. Basit algısal görevleri sonuçlarının karar alma süreçleri nasıl etkilediğini araştırmak için iştahlı ve caydırıcı takviye ile birleştirilir.
Bu eğitim, fonksiyonel beyin görüntüleme veya FMRI kullanarak takviye mekanizmasını incelemek için bir yöntem gösterir. Bu protokolde denekler, görsel bir karar verme görevini yerine getirirken fonksiyonel görüntülemeye tabi tutulur ve bu, tarayıcı uyumlu gözlükler aracılığıyla ödüllendirici bir meyve suyu itici, hava üfleme veya nötr işitsel ton sağlayan uyaranlarla güçlendirilir. Denekler, bir nokta dizisinin hızlı mı yoksa yavaş mı hareket ettiğine karar vermelidir.
Göz hareketleri ve solunum ve kalp atış hızı gibi fizyolojik tepkiler de izlenir. Merhaba, ben Columbia Üniversitesi Sinirbilim Bölümü'nden Vince Ferrera ve Joy Hirsch Laboratuvarı'ndan Jack Grin Band ve ben Franco Past. Ayrıca Columbia Üniversitesi'ndeki laboratuvardan.
Bugün size davranışsal pekiştirme, fizyolojik izleme ve göz izleme ile fonksiyonel görüntüleme için bir prosedür göstereceğiz. Bu prosedürü laboratuvarımızda, olumlu ve olumsuz bir pekiştirme ile karar vermeyi incelemek için kullanıyoruz. Öyleyse başlayalım.
Bir FMR deneyi yürütmenin ilk adımları, ekipmanın kurulmasını ve kontrol edilmesini içerir. Bu adımlar deneylerimiz sırasında herhangi bir sırayla yapılabilir, denekler doğru davranışsal tepkiler verdikleri için ödüllendirilir. Ödüllendirici uyaran, deneğin ağzına verilen sıvı miktarını kontrol eden bir meyve suyu dağıtıcısı tarafından verilen deneğin en sevdiği içecektir.
Meyve suyu dağıtıcısı bir rezervuar, bilgisayar kontrollü bir solenoid valf ve konuya meyve suyu veren uzun bir tüpten oluşur. Bu dağıtıcının tüm elektronik bileşenleri tarayıcı odasının dışında tutulur, bu nedenle MR sinyalinde herhangi bir artefakt oluşturmazlar. Meyve suyu dağıtıcısı durulanır ve deneğin tercih ettiği içecekle doldurulur.
Taramadan önce, meyve suyunun aktığından emin olmak için sistem test edilir. Denekler, yanlış tepkiler için göze 50 milisaniyelik bir hava üfleyerek cezalandırılır. Bir basınç regülatörü, deneğin caydırıcı olarak değerlendireceği ancak travmatik olmayan kontrollü bir hava üflemesi sağlar.
Basınç regülatörü başlangıçta 30 PSI'ye ayarlanmıştır ve bir hava tankı veya ev havası olabilecek bir basınçlı hava kaynağına bağlanır. Solenoid valf bir bilgisayar sinyali ile kontrol edilir. Hava, yaklaşık sekiz fitten daha kısa tutulan bir adet 16. inç tigon borusu parçası aracılığıyla deneğe iletilir.
Valfin açılma zamanı ile basınçlı havanın nesneye ulaşma süresi arasında bir gecikmeyi önlemek için, basınç regülatörü tarayıcı odasının içinde bulunur, çünkü hava püskürmelerine tepki veya yutma sırasında kafa hareketi gibi herhangi bir hareket FMRI görüntüsünde artefaktlar oluşturabilir. Baş hareketini en aza indirmek için bir ısırma çubuğu kullanılır. Isırma çubuğu, RF kafa bobinine takılır ve meyve suyu dağıtımı için termoplastik malzemeden yapılmış özel bir ağızlığa sahiptir, boru ve solunum gazı izleme ağızlığa dahil edilmiştir.
Denek, üst dişleri ile ağızlık arasında iyi bir temas sağlamalıdır. Ağızlığı sert bir şekilde ısırmamalarını söylemek önemlidir. Bu, çene kaslarının yorulmasına neden olur, daha sonra veri analizi sırasında nöronal aktiviteye bağlı değil, beyindeki artan kan oksijenasyonundan kaynaklanabilecek herhangi bir artefaktı ortadan kaldırmak için kalp atışı izlenir.
Kardiyak döngü ile ilgili oksijenasyondaki değişiklikleri ölçmek için, bir kızılötesi sensör kullanarak parmak ucundaki kan oks oksijenasyonunu ölçmek için bir nabız oksimetresi kullanıyoruz. Nabız oksimetresi MR uyumludur ve çıkış sinyali bir filtre panelinden kontrol odasına iletilir ve burada sayısallaştırılır ve bilgisayarda saklanır. Ayrıca, süresi dolmuş karbondioksit seviyelerini ölçen bir solunum gazı monitörü veya RGM ile solunumu da ölçüyoruz.
Solunum, kan oksijenasyonunu etkilediğinden, RGM MR uyumludur ve çıkış sinyalleri kontrol odasına gönderilir ve burada sayısallaştırılır ve bilgisayarda saklanır. Görsel stimülasyon, her iki gözü de bağımsız olarak uyaran bir çift tarayıcı uyumlu gözlük ile sağlanır. Gözlükler, nesnenin nereye baktığını anlamak için göz hareketlerini ölçmek için minyatür bir kızılötesi kamera içerir, kızılötesi video O ikonografisini kullanarak göz hareketlerini izleriz.
Gözün hareketleri, beyindeki görsel tepkileri etkileyen retina üzerindeki görsel uyaranların konumunu etkiler. Göz hareketleri, denek tarafından VA işitsel tepkilerini belirtmek için de kullanılabilir. Bu yöntemde, göz bebeğinin hareketlerini izlemek için bir kızılötesi kamera kullanılır.
Kızılötesi yayıcı ve kamera, özel olarak tasarlanmış bir çift gözlüğün içine yerleştirilmiştir. Bunlar görsel stimülasyon sağlayan gözlüklerin aynısıdır. Gözlüklerden gelen veriler, gözün görüntülerini yatay ve dikey göz konumu için analog sinyallere dönüştüren özel bir bilgisayar tarafından işlenir.
Tarayıcı, elektriksel ve manyetik olarak korunan bir odada bulunur. Kontrol odasından tarayıcı odasına giden tüm elektrik sinyalleri bir filtre panelinden geçer, MR görüntüsünde artefakt oluşturabilecek tüm frekansları ortadan kaldırır. Taramadan önce, her denek bir güvenlik ve onay sürecinden geçmelidir.
Çalışma anlatılır, tüm riskler tartışılır ve denek onay verir. Bu süreç, denekleri zorlamadan korumak ve hem mahremiyetlerini hem de sağlıklarını korumak için tasarlanmıştır. Konu, vücudun içinde veya dışında herhangi bir yerde metal için taranır.
Deneyden önce, denekler sıvı alımlarını altı saat boyunca gönüllü olarak kısıtlayarak susuz bırakılır. Bu şekilde, deney sırasında alınan meyve suyu son derece faydalı hale gelir. Taranmaya hazır olduğunda, denek kulakları tarayıcı gürültüsünden korumak için kulak tıkacı takmalıdır.
Denek ayrıca araştırmacılarla iletişim kurmak ve talimatları duymak için MR uyumlu kulaklık takmalıdır. Tarama seansı sırasında, deneğin beyninin morfolojisinin net bir tanımını veren T bir ağırlıklı yapısal görüntüler kullanıyoruz. Konu pasif bir şekilde yatar ve mümkün olduğunca hareketsiz kalır.
Yaklaşık 10 dakika süren bu aşamada, nöral aktivite ile ilişkili kan oksijenasyonundaki değişiklikleri göstermek için T iki ağırlıklı fonksiyonel dizi kullanıyoruz. Bu aşamada denek görsel uyaranlarla algısal bir karar verme görevi yerine getirir. Denek, hareketli noktalardan oluşan bir deseni görüntüler ve yönleri veya hareket hızları hakkında algısal bir yargıda bulunur.
Konu, düğmelere basarak yanıtlarını belirtir. Bu tepkiler, doğru meyve suyu ve hava nefesleri ile güçlendirilir. Yanlışsa, işitsel uyaranlar ikincil pekiştireç olarak kullanılır.
Bu aşamada göz hareketleri sürekli olarak izlenir. Her deneysel çalıştırma 11 dakika sürer ve bir tarama oturumunda dört çalıştırma vardır. Beyin bölgeleri arasındaki yapısal bağlantıyı belirlemek için difüzyon ağırlıklı görüntüler, DWI kullanıyoruz.
Bu aşamada. Denek yaklaşık 12 dakika hareketsiz yatar. Size davranışsal pekiştirme, fizyolojik izleme ve göz izleme ile işlevsel bir görüntüleme deneyi gösterdik.
Caydırıcı ve petitif pekiştirme ile karar vermeyi incelemek için bu prosedürün nasıl kullanılacağını gösterdik. İşte bu kadar. İzlediğiniz için teşekkürler ve deneylerinizde iyi şanslar.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu sunum, karar vermenin temelinde yatan sinir devrelerini incelemek için fMRI kullanımını göstermektedir. Denekler fonksiyonel görüntüleme yaparken görsel bir karar verme görevi gerçekleştirirler ve bu da araştırmacıların sonuçların karar süreçlerini nasıl etkilediğini araştırmalarına olanak tanır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Fonksiyonel Görüntüleme
- Karar Verme
Arka Plan
- Fonksiyonel MRI (fMRI), beyin aktivitesini ölçmek ve haritalandırmak için kullanılan bir tekniktir.
- Karar verme süreçlerinde yer alan sinir devrelerini anlamak, bilişsel süreçler hakkındaki bilgiler için çok önemlidir.
- Pekiştirme mekanizmaları karar sonuçlarını etkileyebilir.
- Algısal görevleri farklı türde pekiştirmelerle birleştirmek, bu devreleri incelemek için kapsamlı bir yaklaşım sağlar.
Çalışmanın Amacı
- Apetitif ve aversif pekiştirmelerin karar verme süreçlerini nasıl etkilediğini araştırmak.
- Karar verme görevlerinde pekiştirmenin temelindeki sinir mekanizmalarını keşfetmek.
- Bilişsel süreçler hakkında bilgi edinmek için karar verme sırasında fizyolojik tepkileri izlemek.
Kullanılan Yöntemler
- Denekler, görsel bir karar verme görevi gerçekleştirirken fMRI'ye tabi tutulurlar.
- Pekinştirmeler arasında ödüllendirici meyve suyu, aversif hava püskürmeleri veya nötr işitsel tonlar bulunur.
- Göz hareketleri ve nefes alma ve kalp atışı gibi fizyolojik tepkiler izlenir.
- Stimülatörleri deneklere sunmak için tarayıcı uyumlu gözlükler kullanılır.
Ana Sonuçlar
- Çalışma, farklı pekiştirmelerin karar vermeyi nasıl etkilediği hakkında bilgiler sağlar.
- Fizyolojik tepkiler karar verme süreçleriyle ilişkilidir.
- fMRI verileri, görevler sırasında aktive olan sinir devrelerini ortaya koyar.
- Sonuçlar, bilişsel görevlerde pekiştirme mekanizmalarının anlaşılmasına katkıda bulunur.
Sonuçlar
- Bu çalışma, karar vermenin sinirsel temelini anlamamızı artırır.
- Bulgular, bilişsel süreçler ve davranışsal tepkiler üzerine gelecekteki araştırmalara ilham verebilir.
- Metodoloji, diğer bilişsel işlevleri daha fazla araştırmak için uygulanabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
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.
