강화, Eyetracking 및 생리 감시 기능 이미징

본 튜토리얼에서는 기능적 뇌 영상 촬영 또는 FMRI를 이용하여 강화 메커니즘을 연구하는 방법을 보여줍니다. 이 프로토콜에서 피험자는 스캐너 호환 고글을 통해 보상 성격의 주스, 혐오 성격의 공기 분사 또는 중립적인 청각 톤 자극으로 강화되는 시각적 의사 결정 과제를 수행하며 기능적 영상 촬영을 받습니다. 피험자는 점들의 배열이 빠르게 이동하는지 또는 느리게 이동하는지를 결정해야 합니다.

안구 운동과 호흡 및 심박수와 같은 생리적 반응 또한 모니터링합니다. 안녕하세요, 저는 컬럼비아 대학교 신경과학과의 Vince Ferrera 및 Joy Hirsch 연구실 소속 Jack Grin Band입니다. 그리고 저는 같은 컬럼비아 대학교 연구실의 Franco Past입니다.

오늘은 행동 강화, 생리학적 모니터링 및 안구 추적을 이용한 기능적 영상 촬영 절차를 보여드리겠습니다. 저희 연구실에서는 긍정적 강화와 부정적 강화에 따른 의사결정을 연구하기 위해 이 절차를 사용합니다. 그럼 시작하겠습니다.

FMR 실험을 수행하는 첫 번째 단계는 장비를 설정하고 점검하는 것입니다. 이러한 단계들은 어떤 순서로든 진행될 수 있으며, 실험 과정에서 피험자가 정확한 행동 반응을 보이면 보상이 제공됩니다. 보상 자극은 주스 디스펜서를 통해 제공되는 피험자가 가장 좋아하는 음료이며, 이 디스펜서를 통해 피험자의 입으로 전달되는 액체의 양을 조절합니다.

주스 디스펜서는 저장조, 컴퓨터 제어 솔레노이드 밸브, 그리고 피험자에게 주스를 전달하는 긴 튜브로 구성됩니다. 이 디스펜서의 모든 전자 부품은 스캐너실 외부에 배치되어 MR 신호에 아티팩트가 발생하지 않도록 합니다. 주스 디스펜서를 헹군 후 피험자가 선호하는 음료로 채웁니다.

스캔 전, 시스템이 정상적으로 작동하는지 테스트합니다. 피험자가 잘못된 응답을 할 경우, 눈에 50 millisecond 동안 공기를 분사하여 처벌을 가합니다. 압력 조절기가 제어된 공기 분사를 수행하며, 피험자는 이를 혐오스럽지만 외상적이지는 않은 수준으로 평가하게 됩니다.

압력 조절기는 처음에 30 PSI로 설정되며, 공기 탱크 또는 시설 배관 공기와 같은 압축 공기원에 연결됩니다. 솔레노이드 밸브는 컴퓨터 신호에 의해 제어됩니다. 공기는 길이가 약 8피트 미만으로 유지되는 1/16인치 tigon 튜브를 통해 피실험자에게 전달됩니다.

밸브가 열리는 시점과 압축 공기가 피험자에게 도달하는 시점 사이의 지연을 방지하기 위해 압축 공기 조절기를 스캐너실 내부에 배치합니다. 이는 공기 분사에 대한 반응이나 삼킴 과정 중의 머리 움직임과 같은 모든 움직임이 FMRI 영상에 아티팩트를 유발할 수 있기 때문입니다. 머리의 움직임을 최소화하기 위해 바이트 바를 사용합니다. 바이트 바는 RF 헤드 코일에 부착되며, 열가소성 소재로 맞춤 제작된 마우스피스가 포함되어 있습니다. 주스 공급 및 호흡 가스 모니터링을 위한 튜브가 마우스피스에 통합되어 있습니다.

피실험자는 단순히 상악 치아와 마우스피스 사이에 적절한 접촉을 유지해야 합니다. 마우스피스를 강하게 깨물지 않도록 안내하는 것이 중요합니다. 강하게 깨물 경우 턱 근육에 피로가 발생할 수 있습니다. 실험 중에는 심박수를 모니터링하며, 이는 추후 데이터 분석 단계에서 신경 활동이 아닌 뇌의 혈중 산소 농도 증가로 인해 발생할 수 있는 아티팩트를 제거하기 위함입니다.

심장 주기와 관련된 산소포화도의 변화를 측정하기 위해, 적외선 센서를 사용하여 손가락 끝의 혈중 산소포화도를 측정하는 펄스 옥시미터를 사용합니다. 펄스 옥시미터는 MR 호환 기기로, 출력 신호는 필터 패널을 통해 제어실로 전달되어 디지털화된 후 컴퓨터에 저장됩니다. 또한, 호기 중의 이산화탄소 수치를 측정하는 호흡 가스 모니터(RGM)를 사용하여 호흡을 측정합니다.

호흡이 혈중 산소 포화도에 영향을 미치므로, RGM은 MR 호환 가능하며 출력 신호는 제어실로 전송되어 디지털화된 후 컴퓨터에 저장됩니다. 시각 자극은 양안을 독립적으로 자극하는 스캐너 호환 고글 한 쌍을 통해 제공됩니다. 고글에는 피험자가 어디를 보고 있는지 확인하기 위해 안구 운동을 측정하는 소형 적외선 카메라가 포함되어 있으며, 적외선 비디오 O iconography를 사용하여 안구 운동을 추적합니다.

안구의 움직임은 망막의 시각 자극 위치에 영향을 미치며, 이는 뇌의 시각 반응에 영향을 줍니다. 또한, 피험자는 안구 운동을 통해 시각 반응을 나타낼 수 있습니다. 본 방법에서는 적외선 카메라를 사용하여 동공의 움직임을 추적합니다.

적외선 방사체와 카메라는 특수 설계된 고글 한 쌍에 내장되어 있습니다. 이 고글은 시각적 자극을 제공하는 고글과 동일한 제품입니다. 고글에서 얻은 데이터는 전용 컴퓨터에 의해 처리되며, 이 컴퓨터는 안구 이미지를 수평 및 수직 안구 위치에 대한 아날로그 신호로 변환합니다.

스캐너는 전기 및 자기 차폐실에 위치해 있습니다. 제어실에서 스캐너실로 전달되는 모든 전기 신호는 필터 패널을 통과하며, 이를 통해 MR 영상에 아티팩트를 유발할 수 있는 모든 주파수가 제거됩니다. 스캔을 시작하기 전, 모든 피험자는 안전 확인 및 동의 절차를 거쳐야 합니다.

연구 내용에 대해 설명하고 모든 위험 요소를 논의한 후, 피험자로부터 동의를 얻습니다. 이 과정은 강압으로부터 피험자를 보호하고, 피험자의 개인 정보와 건강을 모두 보호하기 위해 설계되었습니다. 피험자의 체내외에 금속 물질이 있는지 확인하기 위해 스크리닝을 실시합니다.

실험 전, 피험자는 6시간 동안 자발적으로 수분 섭취를 제한하여 갈증 상태가 되도록 합니다. 이렇게 하면 실험 중에 제공되는 주스가 매우 보상적인 자극이 됩니다. 스캔 준비가 되면, 피험자는 스캐너 소음으로부터 귀를 보호하기 위해 귀마개를 착용해야 합니다.

피험자는 연구진과 소통하고 지침을 듣기 위해 MR 호환 헤드폰을 착용해야 합니다. 스캐닝 세션 동안, 피험자 뇌의 형태학적 정의를 명확하게 보여주는 T1 강조 구조 영상을 사용합니다. 피험자는 수동적으로 누운 상태에서 최대한 움직이지 않고 유지해야 합니다.

약 10분 동안 지속되는 이 단계에서는 T2 가중 기능적 시퀀스 두 가지를 사용하여 신경 활동과 상관관계가 있는 혈중 산소 포화도의 변화를 보여줍니다. 이 단계에서 피험자는 시각 자극을 이용한 지각적 의사 결정 과제를 수행합니다. 피험자는 움직이는 점들의 패턴을 보고 그 방향이나 이동 속도에 대해 지각적 판단을 내립니다.

피험자는 버튼을 눌러 응답을 표시합니다. 이러한 응답은 정답 시 주스 제공과 오답 시 공기 분사로 강화됩니다. 정답이 아닌 경우, 청각 자극이 이차 강화제로 사용됩니다.

이 단계 동안 안구 운동을 지속적으로 모니터링합니다. 각 실험 회차는 11분간 지속되며, 한 번의 스캔 세션에는 총 4회의 회차가 포함됩니다. 뇌 영역 간의 구조적 연결성을 결정하기 위해 확산 강조 영상(DWI)을 사용합니다.

이 단계 동안 피험자는 약 12분 동안 움직이지 않고 누워 있습니다. 지금까지 행동 강화, 생리적 모니터링 및 안구 추적이 포함된 기능적 영상 실험을 보여드렸습니다.

본 절차를 이용하여 혐오 및 정적 강화가 수반되는 의사결정을 연구하는 방법을 시연하였습니다. 이것으로 모든 내용을 마칩니다. 시청해 주셔서 감사합니다. 실험에서 좋은 결과 있으시길 바랍니다.