強化、Eyetracking、および生体モニタリングによる機能イメージング

このチュートリアルでは、機能的脳画像法（fMRI）を用いた強化メカニズムの研究手法について解説します。本プロトコルでは、被験者が視覚的な意思決定タスクを実行している間に機能的画像撮影を行います。このタスクでは、スキャナー対応ゴーグルを通じて、報酬となるジュース、嫌悪刺激となるエアパフ、または中立的な聴覚トーンによる刺激で強化が行われます。被験者は、ドットの配列が速く移動しているか、あるいはゆっくりと移動しているかを判断する必要があります。

眼球運動や、呼吸、心拍数などの生理学的反応もモニタリングします。こんにちは、私はコロンビア大学神経科学科のVince Ferrera教授とJoy Hirsch教授の研究室のJack Grin Bandです。そして、同じくコロンビア大学の研究室のFranco Pastです。

本日は、行動強化、生理学的モニタリング、およびアイトラッキングを用いた機能的イメージングの手順について解説します。当研究室では、この手順を用いて正および負の強化を伴う意思決定の研究を行っています。それでは、始めていきましょう。

FMR実験を行うための最初のステップは、装置のセットアップと確認です。これらのステップは任意の順序で実施できます。我々の実験では、被験者が正しい行動反応を示した際に報酬が与えられます。報酬刺激には被験者が好む飲料が使用され、ジュースディスペンサーによって被験者の口に届けられる液量が制御されます。

ジュースディスペンサーは、リザーバー、コンピュータ制御のソレノイドバルブ、および被験者にジュースを届ける長いチューブで構成されています。このディスペンサーのすべての電子部品はスキャナ室の外に配置されており、MR信号にアーチファクトが導入されないようになっています。ジュースディスペンサーを洗浄し、被験者が好む飲料を満たします。

スキャンを開始する前に、システムが正常に作動しているかを確認します。被験者が誤った反応を示した場合は、目に50 millisecondのエアパフを吹き付けることで罰を与えます。圧力レギュレーターによって制御されたエアパフが送出され、被験者はこれを嫌悪感はあるが外傷的ではないと感じる強度に設定します。

圧力レギュレーターは最初に30 PSIに設定され、エアタンクまたは施設内設備などの圧縮空気源に接続されます。ソレノイドバルブはコンピュータ信号によって制御されます。空気は1/16インチのTygonチューブを通じて被験者に供給され、チューブの長さは約8フィート未満に保たれます。

バルブが開いてから被験者に圧縮空気が到達するまでの遅延を避けるため、圧力レギュレーターはスキャナー室内に設置されています。これは、空気パフへの反応や嚥下中の頭部動作などのあらゆる動きが、fMRI画像にアーチファクトを導入する可能性があるためです。頭部の動きを最小限に抑えるためにバイトバーが使用されます。バイトバーはRFヘッドコイルに取り付けられており、熱可塑性材料で作られたカスタムフィットのマウスピースを備えています。また、ジュースの投与および呼吸ガスのモニタリングのためのチューブがマウスピースに組み込まれています。

被験者は、上の歯とマウスピースの間で良好な接触を維持させるだけでよい。マウスピースを強く噛まないように指示することが重要である。強く噛むと顎の筋肉が疲労するためである。実験中は心拍数をモニタリングし、後のデータ解析において、神経活動ではなく脳内の血中酸素飽和度の増加に起因して生じたアーティファクトを除去できるようにする。

心周期に関連した酸素飽和度の変化を測定するため、パルスオキシメータを用いて赤外線センサーで指先の血中酸素飽和度を測定します。このパルスオキシメータはMR適合性があり、その出力信号はフィルターパネルを介して制御室に送られ、そこでデジタル化されてコンピュータに保存されます。また、呼気ガスモニター（RGM）を用いて、呼気中の二酸化炭素濃度を測定することで呼吸状態も測定します。

呼吸は血液の酸素飽和度に影響を与えるため、RGMはMR互換であり、その出力信号は制御室に送られてデジタル化され、コンピュータに保存されます。視覚刺激は、両眼を独立して刺激するスキャナー互換ゴーグルによって提供されます。このゴーグルには、被験者がどこを見ているかを判断するための眼球運動測定用小型赤外線カメラが搭載されており、赤外線ビデオO iconographyを用いて眼球運動を追跡します。

眼球運動は網膜上の視覚刺激の位置に影響を及ぼし、それが脳内の視覚応答に影響します。また、被験者は眼球運動を用いて、聴覚応答に対する視覚的な反応を示すことも可能です。本手法では、赤外線カメラを用いて瞳孔の動きを追跡します。

赤外線エミッターとカメラは、特別に設計されたゴーグルに組み込まれています。これは視覚刺激を与える際に使用されるものと同じゴーグルです。ゴーグルからのデータは専用のコンピューターで処理され、眼の画像が水平方向および垂直方向の眼の位置を示すアナログ信号に変換されます。

スキャナーは、電気的および磁気的に遮蔽された部屋に設置されています。コントロールルームからスキャナー室へ送られるすべての電気信号はフィルターパネルを通過し、MR画像にアーチファクトを生じさせる可能性のある周波数が除去されます。スキャニングを開始する前に、各被験者は安全確認および同意の手続きを経る必要があります。

研究内容について説明し、すべてのリスクについて議論した上で、被験者から同意を得ます。このプロセスは、被験者が強制を受けるのを防ぎ、プライバシーと健康の両方を保護することを目的としています。被験者の体内外に金属がないかスクリーニングを行います。

実験に先立ち、被験者に6時間の水分摂取制限を自発的に行わせ、喉が渇いた状態にします。これにより、実験中に提供されるジュースが極めて高い報酬となるようにします。スキャン準備が整ったら、被験者はスキャナーの騒音から耳を保護するために耳栓を装着する必要があります。

被験者は、研究者とのコミュニケーションおよび指示を聞くために、MR対応のヘッドホンを装着する必要があります。スキャンセッションでは、被験者の脳の形態を明確に定義するT1強調構造画像を使用します。被験者は安静に横たわり、できる限り静止した状態で維持されます。

約10分間続くこのフェーズでは、神経活動と相関する血中酸素飽和度の変化を示すために、2つのT2強調機能的シーケンスを使用します。このフェーズにおいて、被験者は視覚刺激を用いた知覚的意思決定タスクを行います。被験者は移動する点のパターンを観察し、その移動方向または速度について知覚的な判断を下します。

被験者はボタンを押すことで反応を示します。これらの反応は、正解時のジュースと空気噴射によって強化されます。不正解の場合は、聴覚刺激が二次強化子として使用されます。

このフェーズでは、眼球運動を継続的にモニタリングします。1回の実験ランは11分間であり、1回のスキャニングセッションにつき4回のランを行います。脳領域間の構造的結合性を決定するために、拡散強調画像（DWI）を用います。

このフェーズの間、被験者は約12分間静止して横になります。これまで、行動強化、生理学的モニタリング、およびアイトラッキングを用いた機能的画像実験について説明しました。

本手順を用いて、嫌悪的および報酬的な強化による意思決定を研究する方法について解説しました。以上となります。ご視聴ありがとうございました。皆様の実験が成功することを願っております。