Pulssi-tVNS-protokolla ja vahvistusoppiminen
Pulssimainen vagushermostimulaatio – uusi menetelmä oppimisen ja päätöksenteon muokkaamiseen
Tämän tutkimuksen tavoitteena on tutkia faasisen taVNS-stimulaatioprotokollan mahdollisuuksia vahvistusoppimiseen. Tutkijat erottavat sen vaikutukset oppimistoimintoihin ja -tuloksiin antamalla pulssistimulaatiota oppimisen eri vaiheissa (stimulaatio toiminnan aikana vs. stimulaatio tuloksen aikana). Tämä antaa näkemyksiä optimaalisesta stimulaation ajoituksesta ja auttaa määrittämään, voiko pulssimainen vagaalistimulaatio olla tehokkaampaa, kun se yhdistetään instrumentaalisiin toimiin tai palkitsevaan palautteeseen. Arvopohjaista päätöksentekoa ei-invasiivisesti parantavan työkalun kehittäminen pulssistimulaatiolla määrittelisi uudelleen taVNS:n sovellusvaihtoehdot. Sen avulla tVNS voi toimia opetussignaalina, joka on verrattavissa fysiologisiin signaaleihin palkitsevassa oppimisessa. Pitkällä aikavälillä tämä voi tarjota kohdennettuja toimenpiteitä henkilöille, joilla on muuttunut palkitsemistoiminto, joka on keskeinen oire useissa mielenterveyshäiriöissä.
Osana tutkimusta tutkijat testaavat kolmea hypoteesia:
H1 - Instrumenttioppimistehtävä: Osallistujat osoittavat parannettua toiminta-tulosten oppimista, kun vihjeen jälkeinen positiivinen palaute yhdistetään tehokkaaseen korkean intensiteetin stimulaatioon verrattuna valestimulaatioon (sham/taVNS).
H2 – Instrumentaalinen oppimistehtävä: Osallistujat osoittavat parempaa toimintojen ja tulosten oppimista, kun toimintaa, joka johtaa suuremmalla todennäköisyydellä palkkioon (eli oikeaan valintaan), stimuloidaan korkean intensiteetin stimulaatiolla. Jälleen tämä on havaittavissa vain aktiiviselle, mutta ei valestimulaatiolle (huijaus/taVNS).
H3 - Funktionaalinen magneettikuvaus (fMRI): Käyttäytymishyödyt korkean intensiteetin aktiivisen stimulaation vihjeiden oppimisessa korreloivat korkeampien signaalien kanssa keskiaivoissa ja selän aivojuoviossa palautteen (palkitsemisen) tai toiminnan aikana.
Tutkimuksen yleiskatsaus
Tila
Interventio / Hoito
Yksityiskohtainen kuvaus
Tutkimus noudattaa yksisokkoutettua satunnaistettua ristikkäismallia, jossa on vain yksi subjektin sisäinen tekijä (stimulaatiotila, 2 tasoa: taVNS, vale), mikä johti kahteen koeistuntoon osallistujaa kohden.
Aiemmat tutkimukset keskittyivät pääasiassa tonic-stimulaation antamiseen, jota käytettiin jatkuvasti 30s ON 30s OFF stimulaatioprotokollalla koko tehtävän ajan. Viime aikoina lyhyitä taVNS-purskeita tuottavia protokollia on kehitetty jäljittelemään tarkemmin vagaalisignaaleja. Optimaalisia parametreja (esim. stimulaation pituus, taajuus) vaihesignaalien aikaansaamiseksi ei kuitenkaan ole vielä määritetty. Testatakseen, mikä parametrien yhdistelmä saa menestyksekkäimmin aikaan faasivasteita, tutkijat suorittivat pilottitietojen keräämisen parametrijoukolla, jossa verrattiin taVNS:ää ja valestimulaatiota. Vaiheisen signaloinnin välityspalvelimena tutkijat tutkivat locus coeruleuksen, vagushermon pääkohteen, välittämiä pupillien laajenemista. Kymmenen osallistujaa kutsuttiin 2 istuntoon (taVNS, vale), joiden aikana he saivat pulssistimulaatiota seuraavilla asetuksilla: stimulaation kesto 1, 2 tai 3 s, stimulaatiotaajuus 20, 25 tai 30 Hz. Tämän pilotin tuloksena tutkijat havaitsivat, että useimmat pilottiosallistujat (7/10) osoittivat voimakkaimman taVNS-indusoidun vasteen verrattuna huijaukseen, kun stimulaatiota kesti 1 sekuntia 20 Hz:n taajuudella. Siksi tämä asetusten yhdistelmä otetaan käyttöön päätutkimuksen aikana. Stimulaatioon käytetään tVNS Health - R® -laitetta (tVNS Health, Erlangen, Saksa) ja katseenseurantaan SR Research Eyelink 1000Plus® -laitetta.
Päätutkimuksessa osallistujat kutsutaan kolmeen kokeelliseen istuntoon. Tutkijat havaitsivat huomattavaa yksilöiden välistä vaihtelua pupillin vasteessa stimulaatioon, ja samanlaista vaihtelua on aiemmin kuvattu taVNS-indusoiduille aivovasteille. Tämä vaihtelu saattaa osittain liittyä erilaisiin anatomisiin ominaisuuksiin. Siksi osallistujat suorittavat ensin katseenseurantaistunnon arvioidakseen oppilaidensa vastetta lyhyisiin taVNS-pulsseihin. Sitten tutkijat kutsuvat vain taVNS:ään reagoivia osallistujia neurokuvantamisistuntoihin testaamaan, voivatko lyhyet stimulaatiopulssit indusoida periaatteessa vaihesignaaleja. Ensimmäisessä istunnossa hankitaan tietoinen suostumus. Pupillin vaste stimulaatioon valituilla stimulaatioasetuksilla (1 s ja 20 Hz, 45 koetta, ~ 25 min) vertaamalla taVNS- ja valestimulaatiota (kaksi lohkoa, joita erottaa 5 minuutin tauko satunnaistetun järjestyksen jälkeen), testataan sen varmistamiseksi, että ne aiheuttavat vahva pupillireaktio. TaVNS:ää oikeanpuoleisessa cymba conchassa käytetään aktiiviseen taVNS:ään ja valestimulaatiota korvalehteen. Kahteen neuroimaging-istuntoon tutkijat aikovat kutsua osallistujia, jotka osoittivat suuremman pupillin laajenemisen taVNS vs. valestimulaatioon ensimmäisen istunnon aikana. Tutkijat antavat taVNS:ää yhdessä istunnossa ja huijausta toisessa. Istunnon järjestys satunnaistetaan. Kalibroinnin aikana stimulaation intensiteetti säädetään vastaamaan taVNS:n ja huijauksen lievää pistelyä. Kuten aiemmin on raportoitu, intensiteettiä nostetaan 0,1 mA:sta 0,1 mA:n portain, kunnes osallistuja ilmoittaa kokeneensa tämän tunteen. Tehokkaan sokkoutumisen varmistamiseksi tutkijat yhdistävät ei-voittavia vihjeitä (lohkoille, joissa stimulaatio on yhdistetty palkitsevaan palautteeseen) tai virheelliseen ärsykkeeseen liittyvät toimet (vihje antaa vähemmän todennäköisesti palkintoa lohkoissa, joissa stimulaatio on yhdistetty toiminto) matalan intensiteetin (0,1 mA) stimulaatiolla. Tämä toimii ylimääräisenä kontrolliehdona verrattaessa todellisen stimulaation vaikutuksia (korkea intensiteetti) stimulaatioon, jonka ei pitäisi aktivoida vagaalisia afferentteja (matala intensiteetti). Osallistujille ilmoitetaan, että he saavat kaikissa kokeissa vaihtelevalla intensiteetillä stimulaatiota, vaikka stimulaatiota ei aina havaitakaan.
Ennen skannerille pääsyä osallistujat suorittavat lyhyen harjoittelun instrumentaalioppimistehtävään perehtyäkseen tehtävän rakenteeseen ja menettelytapaan. Sitten osallistujat menevät fMRI-skanneriin. Täällä tutkijat suorittavat stimulaation intensiteetin kalibroinnin sekä toisen lyhyen tehtävän harjoituksen kalibroidakseen tehtävän aikana käytetyn pitovoimalaitteen. Tämän toisen harjoituksen jälkeen otetaan anatominen kuva, jonka jälkeen tehdään lepotilan mittaus toiminnallisia liitettävyysanalyyseja varten. Mittauksen aikana näytetään elokuvaa, joka vähentää liikkumista ja estää osallistujaa nukahtamasta (Inscapes). Istunnon päätteeksi osallistujat suorittavat instrumentaalisen oppimistehtävän (kuvattu alla olevassa osiossa) samanaikaisesti taVNS- tai valestimulaatiolla (n. 1 tunti stimulaatiota).
Instrumentaalinen oppimistehtävä Todennäköisyyspohjaista oppimistehtävää pulssillisen taVNS:n potentiaalin instrumentaaliseen oppimiseen arvioimiseksi käytetään, jolloin osallistujien on opittava, mitkä toimet liittyvät korkeampaan palkitsemisen todennäköisyyteen tiettyjen vihjeiden perusteella. Osallistujille esitetään paria abstrakteja ärsykkeitä, ja he oppivat yrityksen ja erehdyksen avulla, mikä vihje tuottaa todennäköisemmin palkinnon. Jokaiselle ärsykeparille osallistujia neuvotaan valitsemaan yksi ärsyke painamalla pitovoimalaitetta 3 peräkkäisen sekunnin ajan. He pitävät yhtä pitovoimalaitetta kummassakin kädessä ja heitä neuvotaan painamaan valitun ärsykkeen puolta vastaavaa pitovoimaa.
Jotta saataisiin vaihtelevia vaikeustasoja, "oikean" ärsykkeen voittotodennäköisyydet vaihtelevat helpon ja kovan kokeen välillä. Helpoissa kokeissa oikean ärsykkeen voittotodennäköisyys on 0,75, mikä tarkoittaa, että siihen liittyvän toiminnon valitseminen johtaa palkkioon 75 % ajasta. Kovissa kokeissa oikean ärsykkeen voittotodennäköisyys on hieman pienempi, 0,65. Toisen ärsykkeen ("väärän" ärsykkeen) voittotodennäköisyys lasketaan 1 miinus oikean ärsykkeen todennäköisyys.
Tehtävä koostuu kahdeksasta vihjeparista, jotka on jaettu neljään lohkoon. Jokainen lohko sisältää kaksi paria, joista toinen on korkean vaikeusaste ja toinen matalan vaikeusasteinen. Kahden lohkon aikana osallistujia stimuloidaan korkean intensiteetin stimulaatiolla aina, kun he saavat palkinnon, valitusta toiminnasta riippumatta. Kahden muun lohkon aikana stimulaatiota annetaan aina, kun osallistujat suorittavat oikeaan ärsykkeeseen liittyvän toiminnon (vihje, joka todennäköisemmin antaa palkinnon), tuloksesta riippumatta. Lisäkontrollitilanteena valekäytön lisäksi intensiteettiä vaihdellaan matalan intensiteetin taVNS:n välillä, joka ei ole riittävä indusoimaan vagaalista aktivaatiota (vakio kaikkien osallistujien välillä) ja korkean intensiteetin stimulaation välillä yksilöllisen kalibroinnin perusteella. Jokaisessa kokeessa oikea valinta saa korkean intensiteetin stimulaation, kun taas väärä valinta yhdistetään matalan intensiteetin stimulaatioon.
Opintotyyppi
Ilmoittautuminen (Arvioitu)
Vaihe
- Ei sovellettavissa
Yhteystiedot ja paikat
Opiskeluyhteys
- Nimi: Nils B Kroemer, Dr.
- Puhelinnumero: 49 228 287-19123
- Sähköposti: nkroemer@uni-bonn.de
Opiskelupaikat
-
-
-
Bonn, Saksa
- Rekrytointi
- Section of Medical Psychology, University Hospital Bonn
-
Ottaa yhteyttä:
- Nils B Kroemer, Prof. Dr.
- Puhelinnumero: 49 228 287-19123
- Sähköposti: nkroemer@uni-bonn.de
-
-
Osallistumiskriteerit
Kelpoisuusvaatimukset
Opintokelpoiset iät
- Aikuinen
Hyväksyy terveitä vapaaehtoisia
Kuvaus
Sisällyttämiskriteerit:
- Ikä 18-35 välillä
- Painoindeksi 18,5-30,0 kg/m2
- Kirjallisen tietoisen suostumuksen antaminen
- Normaali tai normaaliksi korjattu näkö
Poissulkemiskriteerit:
akuutti:
- ihovauriot stimulaatiokohdassa (esim. haavat, tulehdus),
- korvakorut tai lävistykset vasemmassa tai oikeassa korvassa, joita ei voi poistaa,
- implantit (tahdistin, sisäkorvaistute, aivoshuntti),
- vaaditaan jatkuvaa kuulokojeen käyttöä,
- raskaana tai imettävänä,
- muut magneettikuvauksen vasta-aiheet (esim. klaustrofobia) elinikä:
- aivovamma,
- skitsofrenia,
- kaksisuuntainen mielialahäiriö,
- vakavat päihteiden käyttöhäiriöt,
- sepelvaltimotauti,
- aivohalvaus,
- diabetes,
- epilepsia,
- astman esiintyvyys 12 kuukauden ajalta:
- nykyinen mieliala tai ahdistuneisuushäiriö (pois lukien tietyt fobiat),
- pakko-oireinen häiriö,
- traumaan ja stressiin liittyvät häiriöt,
- somaattisten oireiden häiriö,
- syömishäiriö.
Opintosuunnitelma
Miten tutkimus on suunniteltu?
Suunnittelun yksityiskohdat
- Ensisijainen käyttötarkoitus: Perustiede
- Jako: Satunnaistettu
- Inventiomalli: Crossover-tehtävä
- Naamiointi: Yksittäinen
Aseet ja interventiot
Osallistujaryhmä / Arm |
Interventio / Hoito |
|---|---|
|
Kokeellinen: taVNS-stimulaatio
taVNS on ei-invasiivinen tekniikka vagushermon korvahaaran stimuloimiseksi.
Transkutaaniset elektrodit asetetaan korvan symbakonchaan ja lyhyitä stimulaatiopurskeita (20 Hz, 1 s, 400 µs pulssin leveydet) annetaan joko toiminnan tai takaisinkytkennän rinnalla.
Stimuloinnin voimakkuus kalibroidaan yksilöllisesti.
Stimulaatio kestää ~1h istunnossa.
|
Vagushermon korvahaaran (cymba conchae) ei-invasiivinen stimulaatio.
Tutkimuslaite tVNS-tekniikoista.
|
|
Huijausvertailija: näennäistä stimulaatiota
Stimulaatio korvaliuskassa, jota vagushermo ei hermota samoilla parametreilla (lyhyet purskeet, 20 Hz, 1 s, 400 µs pulssin leveydet, toimitetaan rinnakkain toiminnan tai palautteen kanssa).
Stimuloinnin voimakkuus kalibroidaan yksilöllisesti.
Stimulaatio kestää ~1h koko tutkimuksen ajan.
Stimulaatio kestää ~1h istunnossa.
|
Korvan lohkon ei-invasiivinen stimulaatio (ei hermotettu vagushermon avulla).
Tutkimuslaite tVNS-tekniikoista.
|
Mitä tutkimuksessa mitataan?
Ensisijaiset tulostoimenpiteet
Tulosmittaus |
Toimenpiteen kuvaus |
Aikaikkuna |
|---|---|---|
|
Valinnan tarkkuus
Aikaikkuna: 1 tunti
|
Määrällisesti mitattu toiminnan tarkkuudella vihjeesityksen yhteydessä vahvistusoppimistehtävän aikana.
Ehtojen väliset, kohteen sisäiset vaikutukset (taVNS vs. valestimulaatio).
Kovariaatteina käytetään stimulaation järjestystä ja stimulaation intensiteettiä.
|
1 tunti
|
|
Vastausajat
Aikaikkuna: 1 tunti
|
Aika, joka osallistujalta kuluu toiminnon suorittamiseen vihjeen esittämisen jälkeen.
Kovariaatteina käytetään stimulaation järjestystä ja stimulaation intensiteettiä.
|
1 tunti
|
|
Oppimisnopeus vahvistusoppimismallista
Aikaikkuna: 1 tunti
|
Yksilöllisten valintojen avulla johdetaan yksilölliset oppimisnopeudet mallintamalla vahvistusoppimista Q-oppimisen avulla.
Suoritamme mallivertailuja (WAIC) selvittääksemme, selittävätkö erilliset tVNS:n ja näennäisen oppimisnopeudet tiedot paremmin.
Lisäksi käytämme mallivertailuja arvioidaksemme, selittävätkö taVNS-oppimisnopeuden modulaatiot erityisesti toiminnan, palautteen tai molempien aikana dataa paremmin.
Lisäksi käytämme bootstrappingia vertaillaksemme oppimisnopeuksia olosuhteiden välillä (huijaus vs. tVNS).
Käytämme Bayesin hierarchical Modeling (STAN) -mallia mallien arvioinnissa ja mallien vertailuissa (WAIC).
Kovariaatteina käytetään stimulaation järjestystä ja stimulaation intensiteettiä.
|
1 tunti
|
|
Palkitse herkkyys vahvistusoppimismallista
Aikaikkuna: 1 tunti
|
Yksilöllisten valintojen avulla johdetaan yksilölliset palkitsemisherkkyydet mallintamalla vahvistusoppimista Q-oppimisen avulla.
Suoritamme mallivertailuja (WAIC) selvittääksemme, selittävätkö erilliset palkkioherkkyydet tVNS:lle ja huijaukselle dataa paremmin.
Lisäksi käytämme mallivertailuja arvioidaksemme, selittävätkö taVNS:n palkitsemisherkkyyden modulaatiot erityisesti toiminnan, palautteen tai molempien aikana dataa paremmin.
Lisäksi käytämme bootstrappingia vertaillaksemme palkitsemisherkkyyttä ehtojen välillä (huijaus vs. tVNS).
Käytämme Bayesin hierarchical Modeling (STAN) -mallia mallien arvioinnissa ja mallien vertailuissa (WAIC).
Kovariaatteina käytetään stimulaation järjestystä ja stimulaation intensiteettiä.
|
1 tunti
|
|
Muutokset aivojen vasteessa vihjeiden esittämisen aikana
Aikaikkuna: 1 tunti
|
taVNS:n aiheuttamat muutokset palkitsemiseen liittyvässä aivotoiminnassa (3T).
Arvioimme muutokset (tVNS vs. huijaus, täysi tekijä SPM:ssä) vihjeiden ennakoinnin aikana.
Arvioimme muutoksia maskissa, mukaan lukien aivojuovio ja keskiaivot, jotka on määritelty Harvard Oxford Atlasissa, mukaan lukien parannetut keskiaivot.
|
1 tunti
|
|
Palkkion ennustusvirheisiin liittyvät muutokset aivojen vasteessa
Aikaikkuna: 1 tunti
|
taVNS:n aiheuttamat muutokset palkitsemiseen liittyvässä aivotoiminnassa (3T).
Vertaamme muutoksia (tVNS vs. huijaus, täysi tekijä SPM:ssä) mallipohjaisissa fMRI-kontrasteissa, jotka edustavat palkkion ennustusvirheitä palauteesityksessä.
Koska malliparametrien käyttäytymismuutokset vaikuttavat mallipohjaisiin regressoreihin, ne voivat aiheuttaa muutoksia, jotka eivät liity hermovaikutuksiin.
Vertaamme ensin malleja (BIC) määrittääksemme, selittävätkö yksilötason parametrit vai ryhmätason parametrit hermodataa paremmin.
Testaamme sitten taVNS:n aiheuttamia muutoksia voittaneessa mallissa ja raportoimme muutokset toisessa herkkyysanalyyseinä.
Arvioimme korreloivaa aivojen aktivaatiota maskissa, joka sisältää aivojuovion ja keskiaivot, jotka on määritelty Harvard Oxford Atlasissa, mukaan lukien parannetut keskiaivot.
|
1 tunti
|
Toissijaiset tulostoimenpiteet
Tulosmittaus |
Toimenpiteen kuvaus |
Aikaikkuna |
|---|---|---|
|
Stimuloinnin intensiteetti
Aikaikkuna: 2 minuuttia stimulaation jälkeen
|
itsearvioitu arvio (visuaalinen analoginen asteikko 1-100) stimulaation intensiteetistä mahdollisena tVNS-vaikutusten moderaattorina.
|
2 minuuttia stimulaation jälkeen
|
|
Muutokset aivojen vasteessa voitto vs. tappio
Aikaikkuna: 1 tunti
|
taVNS:n aiheuttamat muutokset palkitsemiseen liittyvässä aivotoiminnassa (3T).
Vertaamme muutoksia (tVNS vs. huijaus, täysi tekijä SPM:ssä) mallittomassa fMRI-kontrastissa vertaamalla voittopalautetta tappiopalautteeseen.
Arvioimme tVNS:n aiheuttamia muutoksia maskissa, mukaan lukien Harvard Oxford Atlasissa määritelty aivojuovio ja keskiaivot, mukaan lukien parannetut keskiaivot.
|
1 tunti
|
|
Odotettuun arvoon liittyvät muutokset aivojen vasteessa vihjeiden esittämisen aikana
Aikaikkuna: 1 tunti
|
taVNS:n aiheuttamat muutokset palkitsemiseen liittyvässä aivotoiminnassa (3T).
Vertaamme muutoksia (tVNS vs. huijaus, täysi tekijä SPM:ssä) mallipohjaisissa fMRI-kontrasteissa, jotka edustavat valitun vaihtoehdon odotettua arvoa vihjeesityksen yhteydessä.
Koska malliparametrien käyttäytymismuutokset vaikuttavat mallipohjaisiin regressoreihin, ne voivat aiheuttaa muutoksia, jotka eivät liity hermovaikutuksiin.
Vertaamme ensin malleja (BIC) määrittääksemme, selittävätkö yksilötason parametrit vai ryhmätason parametrit hermodataa paremmin.
Testaamme sitten taVNS:n aiheuttamia muutoksia voittaneessa mallissa ja raportoimme muutokset toisessa herkkyysanalyyseinä.
Arvioimme muutoksia korreloidussa aivojen aktivaatiossa maskissa, mukaan lukien aivojuovio ja keskiaivot, jotka on määritelty Harvard Oxford Atlasissa, mukaan lukien parannetut keskiaivot.
|
1 tunti
|
Yhteistyökumppanit ja tutkijat
Sponsori
Opintojen ennätyspäivät
Opi tärkeimmät päivämäärät
Opiskelun aloitus (Todellinen)
Ensisijainen valmistuminen (Arvioitu)
Opintojen valmistuminen (Arvioitu)
Opintoihin ilmoittautumispäivät
Ensimmäinen lähetetty
Ensimmäinen toimitettu, joka täytti QC-kriteerit
Ensimmäinen Lähetetty (Todellinen)
Tutkimustietojen päivitykset
Viimeisin päivitys julkaistu (Todellinen)
Viimeisin lähetetty päivitys, joka täytti QC-kriteerit
Viimeksi vahvistettu
Lisää tietoa
Tähän tutkimukseen liittyvät termit
Muut tutkimustunnusnumerot
- BON002
Yksittäisten osallistujien tietojen suunnitelma (IPD)
Aiotko jakaa yksittäisten osallistujien tietoja (IPD)?
Lääke- ja laitetiedot, tutkimusasiakirjat
Tutkii yhdysvaltalaista FDA sääntelemää lääkevalmistetta
Tutkii yhdysvaltalaista FDA sääntelemää laitetuotetta
Nämä tiedot haettiin suoraan verkkosivustolta clinicaltrials.gov ilman muutoksia. Jos sinulla on pyyntöjä muuttaa, poistaa tai päivittää tutkimustietojasi, ota yhteyttä register@clinicaltrials.gov. Heti kun muutos on otettu käyttöön osoitteessa clinicaltrials.gov, se päivitetään automaattisesti myös verkkosivustollemme .