功能成像结合强化学习、眼动追踪与生理监测

本教程介绍了一种利用功能性脑成像（fMRI）研究强化机制的方法。在本方案中，受试者在执行视觉决策任务的同时接受功能性脑成像，任务过程中通过与扫描仪兼容的护目镜呈现强化刺激，包括具有奖励性的果汁、令人厌恶的气流或中性的听觉音调。受试者必须判断一组点的运动是快速还是缓慢。

眼球运动以及呼吸和心率等生理反应也会被监测。大家好，我是来自哥伦比亚大学神经科学系 Vince Ferrera 和 Joy Hirsch 实验室的 Jack Grin Band，这位是 Franco Past。我们也都是来自哥伦比亚大学的这个实验室。

今天，我们将向您展示一种结合行为强化、生理监测和眼动追踪的功能成像实验方法。在我们的实验室中，该方法被用于研究正向与负向强化条件下的决策过程。现在，让我们开始吧。

进行FMR实验的最初步骤包括设置和检查设备。在我们的实验中，这些步骤可以按任意顺序进行，受试者在做出正确的行为反应时会获得奖励。奖励刺激物是受试者最喜欢的饮料，由果汁分配器递送，该装置可控制递送至受试者口腔的液体量。

果汁分配器由一个储液罐、一个计算机控制的电磁阀和一根将果汁输送给受试者的长管组成。该分配器的所有电子元件均置于扫描室外，以免对MR信号引入任何伪影。果汁分配器经冲洗后，注入受试者偏好的饮料。

扫描前，需测试系统以确保果汁正常流动。受试者若做出错误反应，将受到持续50毫秒的眼部气流刺激作为惩罚。压力调节器提供可控的气流刺激，受试者会感到不适但不会造成创伤。

初始将压力调节器设定为 30 PSI，并连接至压缩空气源，该气源可以是气罐或管道空气。电磁阀由计算机信号控制。空气通过一段长度小于约八英尺的 1/16 英寸特氟龙管输送至受试对象。

为了避免阀门打开与压缩空气到达受试者之间出现延迟，压力调节器被放置在扫描室内。这是因为在吞咽过程中，任何动作（例如对气流刺激的反应或头部移动）都可能在功能性磁共振成像（fMRI）图像中引入伪影。为尽量减少头部运动，使用咬合杆固定头部。咬合杆连接至射频头线圈，并配备由热塑性材料管制成的定制咬嘴，用于果汁输送，同时呼吸气体监测装置也集成于该咬嘴中。

受试者只需保持上排牙齿与咬嘴之间良好接触即可。需提醒他们不要用力咬紧咬嘴，否则会导致下颌肌肉疲劳。实验过程中会监测心率，以便在后续数据分析中去除可能由脑部血氧水平升高（而非神经元活动引起）所产生的干扰信号。

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血液的氧饱和度。该脉搏血氧仪具有磁共振兼容性，其输出信号经滤波板传送到控制室，在控制室内进行数字化并存储于计算机中。我们还使用呼吸气体监测仪（RGM）测量呼吸，该仪器可检测呼出二氧化碳的水平。

由于呼吸会影响血液氧合，呼吸门控监测器（RGM）具有磁共振兼容性，其输出信号被传送至控制室，在计算机上进行数字化并存储。视觉刺激由一副与扫描仪兼容的护目镜提供，可独立刺激双眼。护目镜包含一个微型红外相机，用于测量眼动，以确定受试者的注视位置，我们采用红外视频眼动仪来追踪眼动。

眼球的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。受试者也可通过眼球运动来指示听觉反应。本方法中，使用红外相机追踪瞳孔的运动。

红外发射器和摄像头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一台专用计算机处理，该计算机将眼睛的图像转换为水平和垂直眼位的模拟信号。

扫描仪位于一个电磁屏蔽的房间内。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。在扫描前，每位受试者都必须经过安全检查和知情同意流程。

研究人员会向受试者说明研究内容，讨论所有潜在风险，并获得受试者的知情同意。这一流程旨在保护受试者免受胁迫，并保障其隐私和健康安全。此外，需对受试者体内或体外是否存在金属进行筛查。

实验前，受试者需通过自愿限制液体摄入6小时来产生口渴感。这样，实验期间获得的果汁将具有极强的奖赏性。当准备进行扫描时，受试者必须佩戴耳塞，以保护耳朵免受扫描仪噪声的影响。

受试者还必须佩戴与磁共振兼容的耳机，以便与研究人员交流并听取指示。在扫描过程中，我们使用T1加权结构像，以清晰显示受试者大脑的形态结构。受试者需安静平躺，并尽可能保持不动。

在此持续约10分钟的阶段中，我们采用T2加权功能序列来显示与神经活动相关的脑血氧水平变化。受试者在此阶段执行一项基于视觉刺激的感知决策任务。受试者观察一组运动光点的模式，并对光点的运动方向或速度做出感知判断。

受试者通过按按钮来表示其反应。正确的反应会得到果汁强化，错误的反应则给予气流刺激。如果反应错误，将使用听觉刺激作为次级强化物。

在此阶段持续监测眼动。每次实验运行持续11分钟，一次扫描会话包含四次运行。我们使用扩散加权成像（DWI）来确定脑区之间的结构连接性。

在此阶段，受试者静止不动约12分钟。我们刚刚向您展示了一项结合行为强化、生理监测和眼动追踪的功能成像实验。

我们已经展示了如何利用该程序研究在厌恶性和竞争性强化条件下的决策行为。以上就是全部内容。感谢观看，祝您的实验顺利成功。