Functionele Beeldvorming met Wapening, Eyetracking, en Fysiologische Monitoring
13 november 2008
Deze presentatie toont het gebruik van fMRI om neurale circuits die de besluitvorming ten grondslag liggen te bestuderen. Eenvoudige perceptuele taken worden gecombineerd met appetitief en aversieve versterkingen om te onderzoeken hoe de resultaten besluitvormingsprocessen beïnvloeden.
Deze handleiding laat een methode zien voor het bestuderen van het mechanisme van bekrachtiging met behulp van functionele hersenbeeldvorming of fMRI. In dit protocol ondergaan proefpersonen functionele beeldvorming terwijl ze een visuele besluitvormingstaak uitvoeren, die wordt bekrachtigd door stimuli die een belonend sap, een aversieve luchtstoot of een neutrale auditieve toon zijn via scannercompatibele brillen. Proefpersonen moeten beslissen of een reeks stippen snel reizen of dat ze langzaam bewegen.
Oogbewegingen en fysiologische reacties zoals ademhaling en hartslag worden ook gemonitord. Hallo, ik ben Jack Grin Band van het laboratorium van Vince Ferrera en Joy Hirsch van de afdeling Neurowetenschappen aan de Columbia University, en ik ben Franco Past, ook van het laboratorium hier aan de Columbia University.
Vandaag laten we u een procedure zien voor functionele beeldvorming met gedragsmatige bekrachtiging, fysiologische monitoring en eye-tracking. We gebruiken deze procedure in ons laboratorium om besluitvorming bij positieve en averechtse bekrachtiging te bestuderen. Laten we beginnen.
De eerste stappen bij het uitvoeren van een FMR-experiment omvatten het opstellen en controleren van de apparatuur. Deze stappen kunnen in willekeurige volgorde worden uitgevoerd; tijdens onze experimenten worden proefpersonen beloond voor het geven van correcte gedragsresponsies. De belonende stimulus is de favoriete drank van de proefpersoon, toegediend via een sapdispenser die de hoeveelheid vloeistof regelt die in de mond van de proefpersoon wordt afgeleverd.
De sapdispenser bestaat uit een reservoir, een door een computer aangestuurde magneetventiel en een lange slang die het sap naar de proefpersoon brengt. Alle elektronische componenten van deze dispenser bevinden zich buiten de scannerruimte, zodat ze geen artefacten in het MR-signaal introduceren. De sapdispenser wordt gespoeld en gevuld met de door de proefpersoon gekozen drank.
Vóór het scannen wordt het systeem getest om er zeker van te zijn dat alles naar behoren functioneert. Proefpersonen worden bij onjuiste antwoorden gestraft met een luchtstoot van 50 milliseconden in het oog. Een drukregelaar levert een gecontroleerde luchtstoot, die door de proefpersoon als avers maar niet als traumatisch zal worden beoordeeld.
De drukregelaar is aanvankelijk ingesteld op 30 PSI en is verbonden met een bron van perslucht, zoals een luchttank of een centraal luchtsysteem. De magneetklep wordt aangestuurd door een computersignaal. De lucht wordt aan het subject toegediend via een stuk tigon-slang van 1/16 inch, waarvan de lengte korter wordt gehouden dan ongeveer acht voet.
Om een vertraging te voorkomen tussen het moment dat het ventiel opent en het moment dat de perslucht het subject bereikt, bevindt de drukregelaar zich in de scannerruimte, aangezien elke beweging, zoals een reactie op de luchtstoten of hoofdbeweging tijdens het slikken, artefacten in het FMRI-beeld kan introduceren. Er wordt een beetstrip gebruikt om hoofdbeweging te minimaliseren. De beetstrip is bevestigd aan de RF-hoofdspoel en is voorzien van een op maat gemaakt mondstuk van thermoplastisch materiaal; een buisje voor de toediening van sap en voor de bewaking van het ademhalingsgas is in het mondstuk geïntegreerd.
De proefpersoon moet simpelweg zorgen voor een goed contact tussen de bovenkiezen en het mondstuk. Het is belangrijk hen te instrueren om niet hard op het mondstuk te bijten. Dit zou ertoe leiden dat de kaakspieren vermoeid raken; de hartslag wordt tijdens het experiment gemonitord om later bij de data-analyse eventuele artefacten te kunnen verwijderen die kunnen ontstaan door een toename van de zuurstofverzadiging in de hersenen die niet het gevolg is van neuronale activiteit.
Om veranderingen in de oxygenatie gerelateerd aan de hartcyclus te meten, gebruiken we een pulsoximeter om de bloedoxygenatie in de vingertop te meten met behulp van een infraroodsensor. De pulsoximeter is MR-compatibel en het uitgangssignaal wordt via een filterpaneel naar de controlekamer gestuurd, waar het wordt gedigitaliseerd en op de computer wordt opgeslagen. We meten ook de ademhaling met een respiratoire gasmonitor of RGM, die de concentraties uitgeademde koolstofdioxide meet.
Aangezien de ademhaling de zuurstofverzadiging van het bloed beïnvloedt, is de RGM MR-compatibel en worden de uitgangssignalen verzonden naar de controlekamer, waar ze worden gedigitaliseerd en op de computer worden opgeslagen. De visuele stimulatie wordt verzorgd door een paar scanner-compatibele brillen, die beide ogen onafhankelijk van elkaar stimuleren. De bril bevat een miniatuurinfraroodcamera voor het meten van oogbewegingen om vast te stellen waar de proefpersoon naar kijkt; we volgen de oogbewegingen met behulp van infraroodvideo-oculografie.
Oogbewegingen beïnvloeden de positie van visuele stimuli op het netvlies, wat de visuele responsen in de hersenen beïnvloedt. Oogbewegingen kunnen door de proefpersoon ook worden gebruikt om auditieve VA-responsen aan te geven. Bij deze methode wordt een infraroodcamera gebruikt om de bewegingen van de pupil te volgen.
De infraroodzender en de camera zijn ingebouwd in een paar speciaal ontworpen brillen. Dit zijn dezelfde brillen die de visuele stimulatie bieden. De gegevens van de brillen worden verwerkt door een speciale computer die beelden van het oog omzet in analoge signalen voor de horizontale en verticale oogpositie.
De scanner bevindt zich in een elektrisch en magnetisch afgeschermde ruimte. Alle elektrische signalen die van de controlekamer naar de scannerruimte gaan, lopen via een filterpaneel om frequenties te verwijderen die artefacten in het MR-beeld kunnen veroorzaken. Voorafgaand aan het scannen moet elke proefpersoon een veiligheids- en toestemmingsprocedure doorlopen.
De studie wordt toegelicht, alle risico's worden besproken en de proefpersoon geeft toestemming. Dit proces is ontworpen om proefpersonen tegen dwang te beschermen en om zowel hun privacy als hun gezondheid te waarborgen. De proefpersoon wordt gescreend op metaal, zowel binnen als buiten het lichaam.
Voorafgaand aan de experimenten worden de proefpersonen dorstig gemaakt door hun vochtinname gedurende zes uur vrijwillig te beperken. Op deze manier wordt het sap dat tijdens het experiment wordt toegediend uiterst belonend. Wanneer de proefpersoon klaar is om gescand te worden, moeten er oordoppen worden ingebracht om de oren te beschermen tegen het geluid van de scanner.
De proefpersoon moet daarnaast MR-compatibele koptelefoons opzetten om met de onderzoekers te communiceren en instructies te horen. Tijdens de scansessie maken we gebruik van T1-gewogen structurele beelden die een duidelijke definitie geven van de morfologie van de hersenen van de proefpersoon. De proefpersoon ligt passief en blijft zo stil mogelijk.
Tijdens deze fase, die ongeveer 10 minuten duurt, maken we gebruik van twee T2-gewogen functionele sequenties om veranderingen in de bloedoxygenatie aan te tonen die gecorreleerd zijn met neurale activiteit. Tijdens deze fase voert de proefpersoon een taak uit voor perceptuele besluitvorming met visuele stimuli. De proefpersoon bekijkt een patroon van bewegende stippen en maakt een perceptueel oordeel over hun bewegingsrichting of -snelheid.
Het subject geeft zijn respons aan door op knoppen te drukken. Deze responsen worden versterkt met sap bij correcte antwoorden en luchtstoten bij incorrecte antwoorden. In het geval van een incorrect antwoord worden auditieve stimuli als secundaire versterkers gebruikt.
Oogbewegingen worden tijdens deze fase continu gemonitord. Elke experimentele run duurt 11 minuten en er zijn vier runs per scanningsessie. We maken gebruik van diffusiegewogen beelden, DWI, om de structurele connectiviteit tussen hersengebieden te bepalen.
Gedurende deze fase ligt het subject ongeveer 12 minuten bewegingloos. We hebben u zojuist een functioneel beeldvormingsexperiment laten zien met gedragsmatige bekrachtiging, fysiologische monitoring en eye-tracking.
We hebben aangetoond hoe deze procedure kan worden gebruikt om besluitvorming bij aversieve en appetitieve bekrachtiging te bestuderen. Dat was alles. Bedankt voor het kijken en veel succes met uw experimenten.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze presentatie demonstreert het gebruik van fMRI om neurale circuits te bestuderen die ten grondslag liggen aan besluitvorming. Proefpersonen voeren een visuele besluitvormingstaak uit terwijl ze een functionele beeldvorming ondergaan, waardoor onderzoekers kunnen onderzoeken hoe uitkomsten de besluitvormingsprocessen beïnvloeden.
Belangrijke Componenten van de Studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Functionele beeldvorming
- Besluitvorming
Achtergrond
- Functionele MRI (fMRI) is een techniek die wordt gebruikt om hersenactiviteit te meten en in kaart te brengen.
- Het begrijpen van neurale circuits die betrokken zijn bij besluitvorming is essentieel voor inzichten in cognitieve processen.
- Bekrachtigingsmechanismen kunnen de uitkomsten van beslissingen beïnvloeden.
- Het combineren van perceptuele taken met verschillende soorten bekrachtiging biedt een uitgebreide benadering voor het bestuderen van deze circuits.
Doel van de studie
- Om te onderzoeken hoe appetitieve en aversieve bekrachtigingen de besluitvormingsprocessen beïnvloeden.
- Om de neurale mechanismen te verkennen die ten grond liggen aan bekrachtiging bij besluitvormingstaken.
- Om fysiologische reacties tijdens de besluitvorming te monitoren om inzicht te krijgen in de betrokken cognitieve processen.
Gebruikte methoden
- Proefpersonen ondergaan een fMRI terwijl zij een visuele besluitvormingstaak uitvoeren.
- Bekrachtigingen bestaan uit belonend sap, aversieve luchtstoten of neutrale auditieve tonen.
- Oogbewegingen en fysiologische reacties, zoals ademhaling en hartslag, worden gemonitord.
- Scanner-compatibele brillen worden gebruikt om stimuli aan de proefpersonen te presenteren.
Belangrijkste resultaten
- De studie biedt inzicht in hoe verschillende bekrachtigingen de besluitvorming beïnvloeden.
- Fysiologische reacties correleren met besluitvormingsprocessen.
- fMRI-gegevens onthullen de neurale circuits die tijdens de taken worden geactiveerd.
- De resultaten dragen bij aan het begrip van de mechanismen van bekrachtiging bij cognitieve taken.
Conclusies
- Deze studie vergroot ons begrip van de neurale basis van besluitvorming.
- De bevindingen kunnen toekomstig onderzoek naar cognitieve processen en gedragsreacties informeren.
- De methodologie kan worden toegepast om andere cognitieve functies verder te onderzoeken.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Managers
Functionele beeldvorming met bekrachtiging, eye-tracking en fysiologische monitoring maakt nauwkeurige analyse mogelijk van neurale circuits die ten grondslag liggen aan besluitvorming in preklinische modellen. Door correctie voor storende variabelen, zoals hoofdbewegingen en autonome fluctuaties, vergroot deze aanpak het voorspellende vertrouwen bij de validatie van targets en het mechanistisch verminderen van risico's voor de ontdekking van neuropsychiatrische geneesmiddelen. De integratie van multimodale read-outs ondersteunt de afstemming van translationele biomarkers en risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling in vroege discovery-pipelines.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt therapeutische hypothesen door bekrachtigingsuitkomsten te koppelen aan neurale circuitactivatie in besluitvormingspaden.
- Operationele waarde: Maakt biologische risicoanalyse mogelijk door gelijktijdige monitoring van fysiologische storende variabelen die anders de interpretatie van het fMRI-signaal zouden kunnen vertroebelen.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt portfoliotriage door te kwantificeren hoe appetitieve en aversieve bekrachtigers neurale responsen moduleren die relevant zijn voor belonings- en aversieverwerking.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream-workflows door gestandaardiseerde bekrachtigingsparadigma's met kwantificeerbare gedragsoutputs vast te stellen.
- Operationele waarde: Pakt standaardisatie en reproduceerbaarheid van assays aan door middel van hoofdstabilisatie, fysiologische monitoring en scanner-compatibele toedieningssystemen.
- Schaalbaarheid: Benadrukt het potentieel voor hergebruik van het platform via MR-compatibele brillen, pulsoximetrie en monitoring van respiratoire gassen voor een consistente evaluatie van verbindingen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele continuïteit: Bespreekt de relevantie voor ziektebeelden door het modelleren van tekortkomingen in reinforcement learning die worden waargenomen bij verslaving, depressie en obsessieve-compulsieve stoornissen.
- Mechanische risicoreductie: Beschrijft de continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door neurale bijdragen aan besluitvorming te isoleren van cardiovasculaire en respiratoire artefacten.
- Risicogecorrigeerde voortgang: Maakt datagestuurde go/no-go-beslissingen mogelijk door reinforcement-afhankelijke neurale activatie te correleren met gedragsmatige prestatiemetrieken.
Pipeline- & Workflowintegratie
Deze methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van hypothesetoetsing in de vroege ontdekkingsfase tot lead-identificatie en preklinische validatie, in het bijzonder voor targets die circuits voor beloning, aversie en cognitieve controle moduleren.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing door neurale beslissingssignalen te scheiden van niet-neuronale fysiologische fluctuaties via gelijktijdige monitoring van de hartslag en ademhaling.
- Screening: Beschrijft de gereedheid van de assay door middel van scanner-compatibele toediening van bekrachtiging en eye-tracking om stimulusbetrokkenheid en gedragsmatige naleving te waarborgen.
- Analytics: Benadrukt kwantitatieve metingen van afhankelijke variabelen, waaronder BOLD-signaalveranderingen, pupildynamiek, hartslagvariabiliteit en end-tidal CO2 voor multimodale conditievergelijking.
- Translationeel onderzoek: Verbindt de methode met preklinische continuïteit door cross-species vergelijking van circuits voor bekrachtigingsleren mogelijk te maken via gestandaardiseerde gedragsmatige en fysiologische readouts.
- Bedrijfsmatige herbruikbaarheid: Presenteert de methode als een herbruikbare capaciteit voor het evalueren van verbindingen gericht op het CZS over meerdere indicatiegebieden die validatie van besluitvormings-eindpunten vereisen.
Operationele en organisatorische impact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen in targetvalidatie, vermindering van mechanistische ambiguïteit door fysiologische stoorsignalen en een verbeterd begrip op circuitniveau van bekrachtigingsprocessen.
- Operationele waarde: Standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid via MR-compatibele hardware, geautomatiseerde toediening van bekrachtiging en gesynchroniseerde fysiologische monitoring.
- Strategische waarde: Betere go/no-go-beslissingen, kapitaalefficiëntie door vroegtijdige risicoreductie en een verlaagd risico op falen in een laat stadium bij neuropsychiatrische indicaties.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering op basis van neurale target-betrokkenheid en bekrachtigingsgevoeligheidsprofielen over verschillende verbindingenreeksen.
Overwegingen bij implementatie
- Vereiste wetenschappelijke expertise in experimentele neurowetenschappen, fMRI-acquisitie en fysiologische signaalverwerking.
- Behoeften aan instrumentatie en analytische infrastructuur, waaronder MR-compatibele bekrachtigingssystemen, pulsoximetrie, monitoring van ademhalingsgassen en eye-tracking brillen.
- Vereisten voor standaardisatie tussen teams uit de neurowetenschappen, farmacologie en data science voor de gesynchroniseerde interpretatie van gedragsmatige, fysiologische en beeldvormingsgegevens.
- Overwegingen voor adaptatie over verschillende modelsystemen, inclusief aanpassingen voor soortspecifieke anatomie bij de toediening van bekrachtiging en de plaatsing van fysiologische monitoring.
- Praktische beperkingen omvatten compatibiliteitsbeperkingen van de scanner voor bekrachtigingshardware, de tolerantie van proefpersonen voor aversieve stimuli en de noodzaak van uitgebreide training om bewegingsartefacten tijdens gedragstaken te minimaliseren.
