Funktionelle Bildgebung mit Verstärkung, Eyetracking und Physiologische Überwachung

Dieses Tutorial zeigt eine Methode zur Untersuchung des Verstärkungsmechanismus mithilfe funktioneller Bildgebung des Gehirns oder fMRT. In diesem Protokoll unterziehen sich Probanden einer funktionellen Bildgebung, während sie eine visuelle Entscheidungsaufgabe durchführen, die durch Stimuli verstärkt wird, wie einen belohnenden Saft, einen aversiven Luftstoß oder einen neutralen akustischen Ton, die über mit dem Scanner kompatible Brillen präsentiert werden. Die Probanden müssen entscheiden, ob sich ein Punktefeld schnell oder langsam bewegt.

Augenbewegungen und physiologische Reaktionen wie Atmung und Herzfrequenz werden ebenfalls überwacht. Hallo, ich bin Jack Grin Band vom Labor von Vince Ferrera und Joy Hirsch in der Abteilung für Neurowissenschaften an der Columbia University, und ich bin Franco Past. Ebenfalls aus dem Labor hier an der Columbia University.

Heute zeigen wir Ihnen ein Verfahren für die funktionelle Bildgebung mit verhaltensbasierter Verstärkung, physiologischer Überwachung und Eye-Tracking. Wir verwenden dieses Verfahren in unserem Labor, um Entscheidungsfindung mit positiver und negativer Verstärkung zu untersuchen. Beginnen wir also.

Die ersten Schritte bei der Durchführung eines FMR-Experiments beinhalten das Aufbauen und Überprüfen der Ausrüstung. Diese Schritte können während unserer Experimente in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden; die Probanden erhalten eine Belohnung für korrekte Verhaltensreaktionen. Der belohnende Reiz ist das Lieblingsgetränk des Probanden, das über einen Saftspender verabreicht wird, der die Menge der zugeführten Flüssigkeit an den Mund des Probanden steuert.

Die Saftspendevorrichtung besteht aus einem Reservoir, einem computergesteuerten Magnetventil und einem langen Schlauch, der den Saft an den Probanden abgibt. Alle elektronischen Komponenten dieser Vorrichtung befinden sich außerhalb des Scanner-Raums, um keine Artefakte im MR-Signal zu verursachen. Die Saftspendevorrichtung wird gespült und mit dem bevorzugten Getränk des Probanden gefüllt.

Vor dem Scannen wird das System getestet, um sicherzustellen, dass der Saft fließt. Falsche Antworten werden dadurch bestraft, dass eine 50 Millisekunden lange Luftstößung auf das Auge ausgeübt wird. Ein Druckregler liefert eine kontrollierte Luftstößung, die der Proband als unangenehm, aber nicht traumatisch einschätzt.

Der Druckregler wird zunächst auf 30 PSI eingestellt und mit einer Quelle für Druckluft verbunden, die aus einem Lufttank oder der Hausluftversorgung bestehen kann. Das Magnetventil wird über ein Computersignal gesteuert. Die Luft wird dem Probanden über ein Stück Tigon-Schlauch mit einem Sechzehntelzoll Durchmesser zugeführt, das kürzer als etwa acht Fuß gehalten wird.

Um eine Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Ventil öffnet, und dem Zeitpunkt, zu dem die Druckluft den Probanden erreicht, zu vermeiden, befindet sich der Druckregler im Scanner-Raum, da jegliche Bewegung, beispielsweise eine Reaktion auf die Luftstöße oder Kopfbewegungen während des Schluckens, Artefakte im fMRT-Bild verursachen kann. Eine Bisslatte wird verwendet, um Kopfbewegungen zu minimieren. Die Bisslatte ist an der HF-Kopfspule befestigt und verfügt über eine individuell angefertigte Mundstückaufnahme aus thermoplastischem Material; eine Schlauchleitung zur Saftapplikation sowie die Überwachung der Atemgase sind in das Mundstück integriert.

Die Versuchsperson sollte einfach einen guten Kontakt zwischen ihren oberen Zähnen und dem Mundstück aufrechterhalten. Es ist wichtig, ihr mitzuteilen, dass sie nicht fest auf das Mundstück beißen darf. Dies würde dazu führen, dass ihre Kaumuskulatur ermüdet. Der Herzschlag wird während des Experiments überwacht, um später Artefakte bei der Datenanalyse ausschließen zu können, die durch eine erhöhte Sauerstoffversorgung des Gehirns entstehen könnten, und zwar unabhängig von neuronaler Aktivität.

Um Änderungen der Sauerstoffversorgung in Bezug auf den Herzzyklus zu messen, verwenden wir ein Pulsoximeter, um die Blutsauerstoffsättigung an der Fingerspitze mithilfe eines Infrarotsensors zu bestimmen. Das Pulsoximeter ist MR-kompatibel, und sein Ausgangssignal wird über eine Filterplatine in die Steuerungskabine geleitet, wo es digitalisiert und am Computer gespeichert wird. Außerdem messen wir die Atmung mit einem Atemgasmonitor (RGM), der den Gehalt an ausgeatmetem Kohlendioxid erfasst.

Da die Atmung die Blutoxygenierung beeinflusst, ist das RGM mit MR kompatibel, und seine Ausgangssignale werden in den Kontrollraum gesendet, wo sie digitalisiert und auf einem Computer gespeichert werden. Die visuelle Stimulation erfolgt durch eine Paar scannerkompatibler Schutzbrille, die beide Augen unabhängig voneinander stimuliert. Die Brille enthält eine miniaturisierte Infrarotkamera zur Messung der Augenbewegungen, um festzustellen, wohin der Proband blickt; wir verfolgen die Augenbewegungen mittels Infrarot-Videookulografie.

Bewegungen des Auges beeinflussen die Position visueller Reize auf der Netzhaut, was wiederum die visuellen Reaktionen im Gehirn beeinflusst. Augenbewegungen können vom Probanden auch verwendet werden, um akustische Reaktionen zu signalisieren. Bei dieser Methode wird eine Infrarotkamera eingesetzt, um die Bewegungen der Pupille zu verfolgen.

Der Infrarotstrahler und die Kamera sind in ein Paar speziell konstruierter Brille integriert. Dieselbe Brille dient auch zur visuellen Stimulation. Die von der Brille erfassten Daten werden von einem dedizierten Computer verarbeitet, der die Bilder des Auges in analoge Signale für die horizontale und vertikale Augenposition umwandelt.

Der Scanner befindet sich in einem elektrisch und magnetisch abgeschirmten Raum. Alle elektrischen Signale, die vom Steuerraum in den Scannerraum gelangen, passieren eine Filterplatte, die alle Frequenzen entfernt, die Artefakte im MR-Bild verursachen könnten. Vor der Aufnahme muss jeder Proband einen Sicherheits- und Einwilligungsprozess durchlaufen.

Die Studie wird erläutert, alle Risiken werden besprochen und die Versuchsperson gibt ihre Einwilligung ab. Dieser Prozess dient dem Schutz der Versuchspersonen vor Zwang sowie dem Schutz ihrer Privatsphäre und Gesundheit. Die Versuchsperson wird auf Metallbestandteile im Körperinneren oder außerhalb des Körpers untersucht.

Vor dem Experiment wird den Probanden durch freiwillige Einschränkung der Flüssigkeitsaufnahme über einen Zeitraum von sechs Stunden Durst erzeugt. Auf diese Weise wird der Saft, den sie während des Experiments erhalten, äußerst belohnend. Wenn der Proband bereit ist, gescannt zu werden, muss er Ohrstöpsel einsetzen, um die Ohren vor dem Geräusch des Scanners zu schützen.

Der Proband muss außerdem mit dem MRT kompatible Kopfhörer tragen, um mit den Forschern zu kommunizieren und Anweisungen zu hören. Während der Scan-Sitzung verwenden wir T1-gewichtete strukturelle Aufnahmen, die eine klare Darstellung der Morphologie des Gehirns des Probanden ermöglichen. Der Proband liegt passiv und verharrt so still wie möglich.

In dieser Phase, die etwa 10 Minuten dauert, verwenden wir T2-gewichtete funktionelle Sequenzen, um Änderungen der Blutoxygenierung sichtbar zu machen, die mit neuronaler Aktivität korreliert sind. In dieser Phase führt der Proband eine Aufgabe zur wahrnehmungsbasierten Entscheidungsfindung mit visuellen Reizen durch. Der Proband betrachtet ein Muster sich bewegender Punkte und trifft eine wahrnehmungsbasierte Einschätzung bezüglich ihrer Bewegungsrichtung oder Geschwindigkeit.

Die Versuchsperson gibt ihre Antwort durch Drücken von Tasten an. Diese Antworten werden bei richtiger Auswahl durch Saft und Luftstöße verstärkt. Bei falscher Auswahl werden akustische Reize als sekundäre Verstärker verwendet.

Während dieser Phase werden Augenbewegungen kontinuierlich überwacht. Jeder experimentelle Durchlauf dauert 11 Minuten, und pro Scan-Sitzung gibt es vier Durchläufe. Wir verwenden diffusionsgewichtete Bilder (DWI), um die strukturelle Konnektivität zwischen Hirnregionen zu bestimmen.

In dieser Phase liegt die Versuchsperson etwa 12 Minuten lang bewegungslos. Wir haben Ihnen soeben ein funktionelles Bildgebungs-Experiment mit verhaltensbasierter Verstärkung, physiologischer Überwachung und Eye-Tracking gezeigt.

Wir haben gezeigt, wie man dieses Verfahren nutzt, um die Entscheidungsfindung bei aversiver und konkurrierender Verstärkung zu untersuchen. Das war's. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.