Imaging funzionale con rinforzo, eyetracking e monitoraggio fisiologico

Questo tutorial illustra un metodo per lo studio del meccanismo di rinforzo mediante imaging funzionale del cervello o fMRI. In questo protocollo, i soggetti vengono sottoposti a imaging funzionale mentre eseguono un compito di decisione visiva, rinforzato da stimoli come un succo premiante, un soffio d'aria avversivo o un tono uditivo neutro, somministrati attraverso occhiali compatibili con lo scanner. I soggetti devono decidere se un insieme di punti si sta muovendo velocemente o lentamente.

Si monitorano anche i movimenti oculari e le risposte fisiologiche come la respirazione e la frequenza cardiaca. Ciao, sono Jack Grin Band del Laboratorio di Vince Ferrera e Joy Hirsch del Dipartimento di Neuroscienze della Columbia University, e io sono Franco Past. Entrambi del laboratorio qui alla Columbia University.

Oggi vi mostreremo una procedura per l'imaging funzionale con rinforzo comportamentale, monitoraggio fisiologico e tracciamento oculare. Utilizziamo questa procedura nel nostro laboratorio per studiare il processo decisionale con rinforzo positivo e avverso. Cominciamo dunque.

I primi passaggi per eseguire un esperimento di RIF consistono nell'allestire e verificare l'attrezzatura. Questi passaggi possono essere eseguiti in qualsiasi ordine durante i nostri esperimenti; ai soggetti viene offerta una ricompensa per aver fornito risposte comportamentali corrette. Lo stimolo premiante è la bevanda preferita del soggetto, somministrata tramite un distributore di succo che controlla la quantità di liquido erogata alla bocca del soggetto.

Il distributore di succo è composto da un serbatoio, una valvola solenoide controllata da computer e un tubo lungo che eroga il succo al soggetto. Tutti i componenti elettronici di questo distributore sono posizionati all'esterno della stanza dello scanner, in modo da non introdurre alcun artefatto nel segnale RM. Il distributore di succo viene risciacquato e riempito con la bevanda preferita dal soggetto.

Prima della scansione, il sistema viene testato per assicurarsi che il succo stia fluendo. I soggetti vengono puniti per risposte errate mediante un soffio d'aria di 50 millisecondi all'occhio. Un regolatore di pressione eroga un soffio d'aria controllato, che il soggetto giudicherà spiacevole ma non traumatico.

Il regolatore di pressione è inizialmente impostato a 30 PSI e viene collegato a una sorgente di aria compressa, che può essere una bombola d'aria o l'impianto di aria compressa dell'edificio. La valvola solenoide è controllata da un segnale proveniente dal computer. L'aria viene somministrata al soggetto attraverso un tratto di tubo in teflon da un sedicesimo di pollice, la cui lunghezza deve essere inferiore a circa otto piedi.

Per evitare un ritardo tra il momento in cui la valvola si apre e il momento in cui l'aria compressa raggiunge il soggetto, il regolatore di pressione è posizionato all'interno della stanza dello scanner, poiché qualsiasi movimento, come una reazione agli sbuffi d'aria o movimenti della testa durante la deglutizione, potrebbe introdurre artefatti nell'immagine FMRI. Viene utilizzato un bocchino per minimizzare i movimenti della testa. Il bocchino è fissato alla bobina radiofrequenza per la testa ed è dotato di un inserto orale su misura realizzato in materiale termoplastico; al suo interno è integrato un tubicino per la somministrazione del succo e un sistema di monitoraggio dei gas respiratori.

Il soggetto deve semplicemente mantenere un buon contatto tra i denti superiori e il boccaglio. È importante dirgli di non mordere con forza il boccaglio, poiché ciò causerebbe affaticamento dei muscoli della mascella. Il battito cardiaco viene monitorato durante l'esperimento al fine di rimuovere successivamente eventuali artefatti nell'analisi dei dati che potrebbero derivare da un aumento dell'ossigenazione del sangue nel cervello, non legato all'attività neuronale.

Per misurare le variazioni di ossigenazione legate al ciclo cardiaco, utilizziamo un pulsossimetro per rilevare l'ossigenazione del sangue nel polpastrello mediante un sensore a infrarossi. Il pulsossimetro è compatibile con la risonanza magnetica e il suo segnale in uscita viene inviato attraverso un pannello filtro alla sala di controllo, dove viene digitalizzato e memorizzato su computer. Misuriamo inoltre la respirazione con un monitor dei gas respiratori o RGM, che misura i livelli di anidride carbonica espirata.

Poiché la respirazione influisce sull'ossigenazione del sangue, il RGM è compatibile con la risonanza magnetica e i suoi segnali in uscita vengono inviati in sala di controllo, dove sono digitalizzati e memorizzati su computer. La stimolazione visiva è fornita da un paio di occhiali compatibili con lo scanner, che stimolano ciascun occhio in modo indipendente. Gli occhiali includono una miniaturizzata telecamera a infrarossi per misurare i movimenti oculari al fine di determinare dove il soggetto sta guardando; i movimenti oculari vengono registrati mediante videootografia a infrarossi.

I movimenti dell'occhio influenzano la posizione degli stimoli visivi sulla retina, il che modifica le risposte visive nel cervello. I movimenti oculari possono inoltre essere utilizzati dal soggetto per indicare risposte uditive VA. In questo metodo, una telecamera a infrarossi viene utilizzata per tracciare i movimenti della pupilla.

L'emettitore a infrarossi e la telecamera sono integrati in un paio di occhiali progettati appositamente. Si tratta degli stessi occhiali che forniscono la stimolazione visiva. I dati provenienti dagli occhiali vengono elaborati da un computer dedicato che converte le immagini dell'occhio in segnali analogici per la posizione oculare orizzontale e verticale.

Lo scanner si trova in una stanza schermata elettricamente e magneticamente. Tutti i segnali elettrici che passano dalla stanza di controllo alla stanza dello scanner attraversano un pannello filtro, che elimina eventuali frequenze che potrebbero generare artefatti nell'immagine RM. Prima della scansione, ogni soggetto deve sottoporsi a un processo di sicurezza e consenso informato.

Viene spiegato lo studio, vengono discussi tutti i rischi e il soggetto fornisce il proprio consenso. Questo processo è progettato per proteggere i soggetti da coercizioni e per tutelare sia la loro privacy che la loro salute. Il soggetto viene sottoposto a screening per la presenza di metalli all'interno o all'esterno del corpo.

Prima dell'esperimento, i soggetti vengono resi assetati limitando volontariamente l'assunzione di liquidi per sei ore. In questo modo, il succo ricevuto durante l'esperimento diventa estremamente gratificante. Quando sono pronti per essere sottoposti a scansione, i soggetti devono inserire dei tappi per le orecchie per proteggere l'udito dal rumore dello scanner.

Il soggetto deve inoltre indossare cuffie compatibili con la risonanza magnetica per comunicare con i ricercatori e ascoltare le istruzioni. Durante la sessione di scansione, utilizziamo immagini strutturali pesate in T1 che forniscono una chiara definizione della morfologia del cervello del soggetto. Il soggetto giace in modo passivo e rimane il più fermo possibile.

Durante questa fase, che dura circa 10 minuti, utilizziamo sequenze funzionali pesate in T due per mostrare i cambiamenti nell'ossigenazione del sangue correlati all'attività neurale. È in questa fase che il soggetto svolge un compito di decisione percettiva mediante stimoli visivi. Il soggetto osserva un modello di punti in movimento ed esprime un giudizio percettivo sulla loro direzione o velocità di movimento.

Il soggetto indica la propria risposta premendo dei pulsanti. Queste risposte vengono rinforzate con succo in caso di risposta corretta e con puff d'aria. Se la risposta è errata, vengono utilizzati stimoli uditivi come rinforzi secondari.

I movimenti oculari vengono monitorati continuamente durante questa fase. Ogni esecuzione sperimentale dura 11 minuti e ogni sessione di scansione comprende quattro esecuzioni. Utilizziamo immagini pesate per la diffusione, DWI, per determinare la connettività strutturale tra le regioni cerebrali.

Durante questa fase, il soggetto giace immobile per circa 12 minuti. Vi abbiamo appena mostrato un esperimento di imaging funzionale con rinforzo comportamentale, monitoraggio fisiologico e tracciamento oculare.

Abbiamo dimostrato come utilizzare questa procedura per studiare il processo decisionale con rinforzi avversivi e competitivi. È tutto. Grazie per aver guardato e buona fortuna con i vostri esperimenti.