Obrazowanie funkcjonalne z wykorzystaniem wzmocnienia, eyetrackingu i monitorowania fizjologicznego
13 listopada 2008
Niniejsza prezentacja demonstruje wykorzystanie fMRI do badania obwodów neuronalnych leżących u podstawy procesów podejmowania decyzji. Proste zadania percepcyjne zostają połączone z wzmocnieniami apetytywnymi i awersyjnymi, aby zbadać, w jaki sposób wyniki wpływają na procesy decyzyjne.
Niniejszy samouczek przedstawia metodę badania mechanizmu wzmocnienia z wykorzystaniem funkcjonalnego obrazowania mózgu, czyli fMRI. W tym protokole badani poddawani są obrazowaniu funkcjonalnemu podczas wykonywania zadania decyzyjnego opartego na bodźcach wizualnych, które są wzmacniane za pomocą stymulacji w postaci nagradzającego soku, awersyjnego podmuchu powietrza lub neutralnego sygnału dźwiękowego, dostarczanych przez gogle kompatybilne ze skanerem. Badani muszą zdecydować, czy grupa kropek porusza się szybko, czy powoli.
Monitorowane są również ruchy gałek ocznych oraz reakcje fizjologiczne, takie jak oddychanie i tętno. Cześć, jestem Jack Grin Band z laboratorium Vince'a Ferrery i Joy Hirsch w Katedrze Neuronauki na Uniwersytecie Columbia, a ja jestem Franco Past, również z laboratorium tutaj na Uniwersytecie Columbia.
Dzisiaj przedstawimy procedurę obrazowania funkcjonalnego z wzmocnieniem behawioralnym, monitorowaniem fizjologicznym oraz śledzeniem ruchu gałek ocznych. Stosujemy tę procedurę w naszym laboratorium do badania procesów podejmowania decyzji w warunkach wzmocnienia pozytywnego i negatywnego. Zatem zacznijmy.
Pierwsze kroki w przeprowadzeniu eksperymentu FMR obejmują konfigurację i sprawdzenie sprzętu. Kroki te mogą być wykonywane w dowolnej kolejności podczas naszych eksperymentów; badani są nagradzani za prawidłowe reakcje behawioralne. Bodźcem nagradzającym jest ulubiony napój badanego, podawany przez dozownik soku, który kontroluje ilość cieczy dostarczanej do ust badanego.
Dozownik soku składa się z zbiornika, sterowanego komputerowo zaworu elektromagnetycznego oraz długiej rurki, która dostarcza sok do badanego. Wszystkie komponenty elektroniczne tego dozownika znajdują się poza pomieszczeniem ze skanerem, aby nie wprowadzać artefaktów do sygnału MR. Dozownik soku zostaje przepłukany i napełniony wybranym przez badanego napojem.
Przed rozpoczęciem skanowania system jest testowany, aby upewnić się, że wszystko działa prawidłowo. Podmioty są karane za błędne odpowiedzi 50 milisekundowym podmuchem powietrza skierowanym w oko. Regulator ciśnienia dostarcza kontrolowany podmuch powietrza, który podmiot oceni jako awersyjny, ale nie traumatyczny.
Regulator ciśnienia jest początkowo ustawiony na 30 PSI i podłączony do źródła sprężonego powietrza, którym może być zbiornik z powietrzem lub instalacja pneumatyczna. Zawór elektromagnetyczny jest sterowany sygnałem komputerowym. Powietrze jest dostarczane do obiektu za pomocą rurki tigon o średnicy 1/16 cala, której długość nie przekracza około ośmiu stóp.
Aby uniknąć opóźnienia między momentem otwarcia zaworu a czasem dotarcia sprężonego powietrza do badanego, regulator ciśnienia znajduje się wewnątrz pomieszczenia ze skanerem, ponieważ każdy ruch, taki jak reakcja na podmuchy powietrza lub ruchy głowy podczas połykania, może wprowadzić artefakty do obrazu fMRI. W celu zminimalizowania ruchów głowy stosuje się listwę do przygryzania. Listwa do przygryzania jest przymocowana do cewki głowowej RF i posiada dopasowany indywidualnie ustnik wykonany z materiału termoplastycznego; w ustniku zintegrowano rurkę do podawania soku oraz monitorowania gazów oddechowych.
Badany powinien po prostu zachować dobry kontakt górnych zębów z ustnikiem. Ważne jest, aby poinstruować go, by nie zaciskał mocno szczęki na ustniku, ponieważ spowoduje to zmęczenie mięśni żuchwy. Podczas eksperymentu monitoruje się tętno, aby w późniejszej analizie danych móc usunąć wszelkie artefakty, które mogłyby wynikać ze zwiększenia utlenowania krwi w mózgu, a nie z aktywności neuronalnej.
Aby zmierzyć zmiany w natlenieniu związane z cyklem serca, używamy pulsoksymetru do pomiaru natlenienia krwi w opuszku palca za pomocą czujnika podczerwieni. Pulsoksymetr jest kompatybilny z MR, a jego sygnał wyjściowy jest przesyłany przez panel filtracyjny do sterowni, gdzie zostaje zdigitalizowany i zapisany na komputerze. Pomiaru oddychania przeprowadzamy za pomocą monitora gazów oddechowych (RGM), który mierzy poziom wydychanego dwutlenku węgla.
Ponieważ oddychanie wpływa na natlenienie krwi, RGM jest kompatybilny z MR, a jego sygnały wyjściowe są przesyłane do sterowni, gdzie zostają one zdigitalizowane i zapisane na komputerze. Stymulacja wizualna jest zapewniona przez parę gogli kompatybilnych ze skanerem, które niezależnie stymulują oba oczy. Gogle zawierają miniaturową kamerę podczerwieni służącą do pomiaru ruchów gałek ocznych w celu określenia miejsca, w które patrzy badany; ruchy oczu śledzimy za pomocą podczerwienego wideomonitoringu.
Ruchy oka wpływają na położenie bodźców wzrokowych na siatkówce, co z kolei oddziałuje na odpowiedzi wizualne w mózgu. Badany może również wykorzystywać ruchy oczu do sygnalizowania odpowiedzi słuchowych VA. W tej metodzie do śledzenia ruchów źrenicy wykorzystywana jest kamera na podczerwień.
Emiter podczerwieni oraz kamera są wbudowane w parę specjalnie zaprojektowanych gogli. Są to te same gogle, które zapewniają stymulację wizualną. Dane z gogli są przetwarzane przez dedykowany komputer, który konwertuje obrazy oka na sygnały analogowe określające poziomą i pionową pozycję oka.
Skaner znajduje się w pomieszczeniu ekranowanym elektrycznie i magnetycznie. Wszystkie sygnały elektryczne przesyłane z pokoju sterowania do pomieszczenia skanera przechodzą przez panel filtrujący, który usuwa wszelkie częstotliwości mogące powodować artefakty w obrazie MR. Przed rozpoczęciem skanowania każdy badany musi przejść procedurę bezpieczeństwa i wyrazić zgodę na udział w badaniu.
Omówiono przebieg badania, przedyskutowano wszystkie ryzyka, a badany wyraził zgodę. Proces ten ma na celu ochronę badanych przed przymusem oraz zabezpieczenie ich prywatności i zdrowia. Badany zostaje sprawdzony pod kątem obecności metalu w dowolnym miejscu w obrębie ciała lub poza nim.
Przed rozpoczęciem eksperymentu u badanych wywołuje się uczucie pragnienia poprzez dobrowolne ograniczenie przyjmowania płynów przez sześć godzin. W ten sposób sok otrzymywany podczas badania staje się niezwykle atrakcyjną nagrodą. Przed przystąpieniem do skanowania badany musi założyć zatyczki do uszu, aby chronić słuch przed hałasem generowanym przez skaner.
Badany musi również założyć słuchawki kompatybilne z MR, aby komunikować się z badaczami i słyszeć instrukcje. Podczas sesji skanowania wykorzystujemy obrazy strukturalne ważone T1, które zapewniają wyraźne zdefiniowanie morfologii mózgu badanego. Badany leży biernie i pozostaje w możliwie najmniejszym ruchu.
W tej fazie, która trwa około 10 minut, stosujemy dwie ważone sekwencje funkcjonalne T, aby wykazać zmiany w utlenowaniu krwi skorelowane z aktywnością neuronalną. W trakcie tej fazy badany wykonuje zadanie decyzyjne oparte na percepcji z wykorzystaniem bodźców wzrokowych. Badany obserwuje wzór poruszających się kropek i dokonuje oceny percepcyjnej dotyczącej ich kierunku lub prędkości ruchu.
Badany wskazuje swoją odpowiedź, naciskając przyciski. Odpowiedzi te są wzmacniane podawaniem soku w przypadku poprawności oraz podmuchami powietrza. W przypadku błędnych odpowiedzi stosuje się bodźce słuchowe jako wzmocnienia wtórne.
Podczas tej fazy ruchy gałek ocznych są stale monitorowane. Każda seria eksperymentalna trwa 11 minut, a jedna sesja skanowania składa się z czterech serii. W celu określenia łączności strukturalnej między obszarami mózgu wykorzystujemy obrazy ważone dyfuzją, DWI.
Podczas tej fazy badany leży nieruchomo przez około 12 minut. Przedstawiliśmy Państwu eksperyment obrazowania funkcjonalnego z wzmocnieniem behawioralnym, monitorowaniem fizjologicznym oraz śledzeniem ruchu gałek ocznych.
Przedstawiliśmy, w jaki sposób wykorzystać tę procedurę do badania podejmowania decyzji w warunkach wzmocnienia awersyjnego i apetycyjnego. To wszystko. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu eksperymentów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsza prezentacja demonstruje wykorzystanie fMRI do badania obwodów neuronalnych leżących u podstaw podejmowania decyzji. Osoby badane wykonują zadanie polegające na podejmowaniu decyzji wizualnych podczas obrazowania funkcjonalnego, co pozwala badaczom przeanalizować, w jaki sposób wyniki wpływają na procesy decyzyjne.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Obrazowanie funkcjonalne
- Podejmowanie decyzji
Wstęp
- Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) jest techniką wykorzystywaną do pomiaru i mapowania aktywności mózgu.
- Zrozumienie obwodów neuronalnych zaangażowanych w podejmowanie decyzji jest kluczowe dla uzyskania wiedzy na temat procesów poznawczych.
- Mechanizmy wzmocnienia mogą wpływać na wyniki podejmowania decyzji.
- Połączenie zadań percepcyjnych z różnymi rodzajami wzmocnienia zapewnia kompleksowe podejście do badania tych obwodów.
Cel badania
- Zbadanie, w jaki sposób wzmocnienia apetytywne i awersyjne wpływają na procesy podejmowania decyzji.
- Zbadanie mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw wzmocnienia w zadaniach związanych z podejmowaniem decyzji.
- Monitorowanie reakcji fizjologicznych podczas podejmowania decyzji w celu uzyskania informacji na temat zaangażowanych procesów poznawczych.
Zastosowane metody
- Badani poddawani są badaniu fMRI podczas wykonywania zadania związanego z podejmowaniem decyzji wizualnych.
- Wzmocnienia obejmują nagradzający sok, awersyjne podmuchy powietrza lub neutralne sygnały dźwiękowe.
- Monitorowane są ruchy gałek ocznych oraz reakcje fizjologiczne, takie jak oddychanie i tętno.
- Do prezentacji bodźców badanym wykorzystuje się gogle kompatybilne ze skanerem.
Główne wyniki
- Badanie dostarcza informacji na temat tego, jak różne formy wzmocnień wpływają na procesy podejmowania decyzji.
- Reakcje fizjologiczne korelują z procesami podejmowania decyzji.
- Dane fMRI ujawniają obwody neuronalne aktywowane podczas wykonywania zadań.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia mechanizmów wzmocnienia w zadaniach poznawczych.
Wnioski
- Badanie to poszerza naszą wiedzę na temat neuronalnych podstaw podejmowania decyzji.
- Wyniki mogą stać się podstawą dla przyszłych badań nad procesami poznawczymi i odpowiedziami behawioralnymi.
- Zastosowana metodologia może zostać wykorzystana do dalszych badań nad innymi funkcjami poznawczymi.
Najczęściej zadawane pytania
Zastosowanie w przemyśle
Obrazowanie funkcjonalne z wzmocnieniem, śledzeniem wzroku i monitorowaniem fizjologicznym umożliwia precyzyjne badanie obwodów neuronalnych leżących u podstaw podejmowania decyzji w modelach przedklinicznych. Dzięki kontrolowaniu zmiennych zakłócających, takich jak ruchy głowy i wahania autonomiczne, podejście to zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów oraz redukcji ryzyka mechanistycznego w procesie odkrywania leków neuropsychiatrycznych. Integracja multimodalnych odczytów wspiera dopasowanie biomarkerów translacyjnych oraz decyzje o postępach skorygowane o ryzyko we wczesnych etapach procesów odkrywania leków.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Weryfikuje hipotezy terapeutyczne poprzez powiązanie wyników wzmocnienia z aktywacją obwodów neuronalnych w ścieżkach podejmowania decyzji.
- Wartość operacyjna: Umożliwia biologiczną redukcję ryzyka dzięki jednoczesnemu monitorowaniu czynników zakłócających fizjologicznych, które w przeciwnym razie mogłyby utrudnić interpretację sygnału fMRI.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję projektów w portfolio poprzez kwantyfikację wpływu wzmocnień apetytywnych i awersyjnych na odpowiedzi neuronalne istotne dla przetwarzania nagrody i awersji.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do dalszych etapów analizy poprzez ustanowienie zestandaryzowanych paradygmatów wzmocnienia z mierzalnymi efektami behawioralnymi.
- Wartość operacyjna: Rozwiązuje kwestie standaryzacji i powtarzalności testów dzięki stabilizacji głowy, monitorowaniu fizjologicznemu oraz systemom podawania kompatybilnym ze skanerem.
- Skalowalność: Podkreśla potencjał ponownego wykorzystania platformy dzięki zastosowaniu gogli kompatybilnych z MR, pulsoksymetrii oraz monitorowania gazów oddechowych w celu spójnej oceny związków.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Omówienie istotności w kontekście chorób poprzez modelowanie deficytów uczenia się z wzmocnieniem obserwowanych w uzależnieniach, depresji i zaburzeniach obsesyjno-kompulsyjnych.
- Mechanistyczna redukcja ryzyka: Opis ciągłości od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną poprzez wyizolowanie neuronalnych wkładów w proces podejmowania decyzji od artefaktów sercowo-naczyniowych i oddechowych.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Umożliwienie podejmowania decyzji go/no-go w oparciu o dane poprzez korelację neuronalnej aktywacji zależnej od wzmocnienia z behawioralnymi wskaźnikami wydajności.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum odkryć, od testowania hipotez we wczesnej fazie badań, poprzez identyfikację związków wiodących, aż po walidację przedkliniczną, w szczególności w odniesieniu do celów modulujących obwody nagrody, awersji i kontroli poznawczej.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez oddzielenie sygnałów decyzyjnych układu nerwowego od nieneuronalnych wahań fizjologicznych dzięki jednoczesnemu monitorowaniu tętna i oddychania.
- Przesiewanie: Opisuje gotowość testu poprzez zastosowanie kompatybilnego ze skanerem systemu podawania wzmocnień oraz okulografii w celu zapewnienia zaangażowania w bodziec i zgodności behawioralnej.
- Analityka: Wskazuje na ilościowe pomiary zmiennych zależnych, w tym zmiany sygnału BOLD, dynamikę źrenic, zmienność rytmu serca oraz koniec wydechu CO2 dla multimodalnego porównania warunków.
- Badania translacyjne: Łączy metodę z ciągłością przedkliniczną, umożliwiając międzygatunkowe porównanie obwodów uczenia się przez wzmocnienie za pomocą zestandaryzowanych odczytów behawioralnych i fizjologicznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Przedstawia metodę jako możliwość wielokrotnego wykorzystania do oceny związków ukierunkowanych na OUN w wielu obszarach wskazań wymagających walidacji punktów końcowych podejmowania decyzji.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Większa pewność prognostyczna w walidacji celu, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej wynikającej z zakłóceń fizjologicznych oraz pogłębione zrozumienie przetwarzania wzmocnienia na poziomie obwodów neuronalnych.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność dzięki sprzętowi kompatybilnemu z MR, zautomatyzowanemu podawaniu wzmocnienia oraz zsynchronizowanemu monitorowaniu fizjologicznemu.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje dotyczące kontynuacji lub przerwania badań (go/no-go), efektywność kapitałowa dzięki wczesnej redukcji ryzyka oraz zmniejszone ryzyko niepowodzeń w późnych fazach badań w wskazaniach neuropsychiatrycznych.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja skorygowana o ryzyko, oparta na angażowaniu celu neuronalnego oraz profilach wrażliwości na wzmocnienie w obrębie serii związków.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana wiedza specjalistyczna z zakresu neuronauki eksperymentalnej, akwizycji fMRI oraz przetwarzania sygnałów fizjologicznych.
- Potrzeby w zakresie instrumentacji i infrastruktury analitycznej, w tym systemy wzmocnień kompatybilne z MR, pulsoksymetria, monitorowanie gazów oddechowych oraz gogle do okulografii (eye-tracking).
- Wymogi standaryzacji międzyzespołowej dla zespołów z obszaru neuronauki, farmakologii i nauki o danych w celu zsynchronizowanej interpretacji danych behawioralnych, fizjologicznych i obrazowych.
- Kwestie adaptacji w różnych systemach modelowych, w tym dostosowania do specyficznej dla gatunku anatomii w zakresie podawania wzmocnień i rozmieszczenia czujników monitorowania fizjologicznego.
- Ograniczenia praktyczne obejmują wymogi kompatybilności sprzętu do wzmocnień ze skanerem, tolerancję badanych na bodźce awersyjne oraz konieczność przeprowadzenia rozbudowanego treningu w celu zminimalizowania artefaktów ruchowych podczas zadań behawioralnych.
