PET/MRI를 이용한 건강한 성인의 강화학습에 대한 카페인의 효과 (Caffeine-RAC)
선조체 아데노신-도파민 수용체 상호 작용 측정: 분자에서 행동까지
본 연구는 카페인 섭취가 위약과 비교하여 보상 피드백을 통해 학습 과정에 영향을 미치는지 여부와 방법을 확인하는 것을 목표로 합니다. 본 연구를 통해 얻은 데이터는 학습과정 측면에서 카페인 섭취의 결과와 메커니즘에 대한 이해를 향상시킬 수 있을 것이다.
참가자는 강화 학습 작업(예: 확률적 선택 작업) 및 운동 억제 작업(예: Go/NoGo 작업)을 뇌 스캔으로 수행합니다. 스캔은 Siemens Biograph mMR 양전자방출단층촬영(PET)/자기공명영상(MRI) 3 Tesla 스캐너로 수행됩니다. PET를 사용하면 [11C]Raclopride라는 방사성 염료를 사용하여 뇌의 "보상 신호"인 도파민의 변화를 확인할 수 있습니다. 반면에 MRI를 사용하면 강력한 자석을 사용하여 인지 작업 중에 뇌 활동에 대한 자세한 사진을 찍을 수 있습니다. 이 사진을 검토하면 학습 과정에서 카페인이 보상 신호와 뇌 활동에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 됩니다.
연구 개요
상세 설명
아데노신 2A 수용체(A2AR)는 선조체에서 기능성 이종이량체를 공동 형성함으로써 도파민 D2 수용체(D2R)와 함께 위치하며 알로스테릭 길항작용을 발휘합니다. [11C]Raclopride와 함께 양전자 방출 단층 촬영(PET)을 사용한 예비 연구에서는 카페인과의 A2AR 길항 작용으로 D2/D3R 가용성이 증가하고 수면 부족 중 아데노신 신호 전달이 향상되어 D2/D3R 가용성이 감소하는 것으로 나타났습니다. 이는 생체 내 A2AR-D2R 상호 작용의 개념을 뒷받침합니다. . 그러나 A2AR-D2R 상호작용이 D2R 매개 신경인지 기능에 어떻게 기여하는지는 거의 조사되지 않았습니다.
습관, 선호도, 믿음, 변화에 대한 저항 등 다양한 인간 행동에 결정적으로 관여하는 도파민 매개 인지 과정인 강화 학습은 종종 도파민 관련 장애에서 변경된 것으로 발견됩니다. 예를 들어, 정신병에서 관찰되는 선조체의 과다 도파민 기능은 보상 학습의 감소와 업무 관련 신경 활동의 둔화로 이어집니다. D2R 신호 전달에 대한 A2AR의 길항 효과를 통해 A2AR을 차단하면 D2R 매개 부정적 강화, 즉 "no-go" 반응을 잠재적으로 향상시킬 수 있습니다. 설치류에서 A2AR 작용제는 정신 자극제의 강화를 감소시키는 반면, A2AR 길항제는 강화제의 보상 추구 효과를 촉진할 수 있습니다. 따라서 이 이중 맹검 무작위 교차 연구에서 우리는 전 세계 인구의 거의 80%가 일반적으로 사용하는 정신 자극제뿐만 아니라 아데노신 길항제인 카페인을 사용하여 A2AR 차단이 D2R 변조 강화 학습을 향상시킬 수 있는지 여부를 조사하는 것을 목표로 합니다. -D2R 신호를 약리학적으로 조절하여 반응합니다.
이 연구의 장기 목표는 A2AR-D2R 이형이합체와 관련된 분자 메커니즘과 A2AR-D2R 상호작용 조절의 임상적 잠재력에 대한 이해를 심화시키는 것입니다. 12명의 젊고 건강한 비흡연자가 이 연구에 등록할 것입니다. 각 참가자는 카페인과 위약 상태를 겪게 됩니다. 각 조건에서 참가자는 먼저 6일간의 외래 휴약 기간을 거치며 참가자는 카페인이 함유된 식이 요법, 알코올 및 약물을 삼가고 규칙적인 취침 시간과 기상 시간을 유지해야 합니다. 7일차에는 PET/fMRI 스캔이 정오에 이루어지며 스캔 20분 전에 카페인이나 위약 정제를 경구 투여합니다.
동시 PET/fMRI는 강화 동안 신경화학적 변화(즉, [11C]Raclopride에 의해 정량화된 D2/D3R 가용성)와 혈역학적 반응(즉, 작업 관련 혈중 산소 수준에 따른 fMRI 활동) 사이의 연관성을 검사하는 데 사용됩니다. 위약과 비교하여 카페인 상태에서 학습합니다. 강화된 D2/D3R 가용성이 강화 학습에 대한 카페인의 촉진 효과를 중재한다는 가설이 세워졌습니다. 구체적으로, 우리는 카페인이 보상과 관련된 뇌 영역에서 fMRI 반응을 향상시키고, 증가된 fMRI 반응이 D2/D3R 가용성의 변화와 양의 상관관계가 있을 것으로 기대합니다.
연구 유형
등록 (추정된)
단계
- 4단계
연락처 및 위치
연구 연락처
- 이름: Hsiao-Ying Wey, PhD
- 전화번호: 6177241384
- 이메일: hsiaoying.wey@mgh.harvard.edu
연구 장소
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Massachusetts
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Charlestown, Massachusetts, 미국, 02129
- 모병
- Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging
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연락하다:
- Hsiao-Ying Wey, PhD
- 전화번호: 617-724-1384
- 이메일: hsiaoying.wey@mgh.harvard.edu
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연락하다:
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연락하다:
- Hsiao-Ying Wey, PhD
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연락하다:
- Yu-Shiuan Lin, PhD
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참여기준
자격 기준
공부할 수 있는 나이
- 성인
건강한 자원 봉사자를 받아들입니다
설명
포함 기준:
- 연령 ≥ 18 및 ≤ 45.
- 습관적인 카페인 섭취량은 매일 100mg 이상, 450mg 이하입니다.
- 비흡연자.
- 임상적으로 건강합니다.
- 시력이 정상이거나 정상 시력으로 교정되었습니다.
제외 기준:
- 임신 또는 수유중인 여성.
- 호르몬 피임약을 사용하는 여성.
- BMI < 18.5 또는 > 29.9
- 수면 장애 또는 극단적인 크로노타입.
- 소변 검사에서 다음 물질 중 하나에 대해 양성 반응: 벤조일렉고닌, 모르핀, d-메탐페타민, d-암페타민, 벤조디아제핀, 세코바르비탈, 메타돈, 부프레노르핀 글루쿠로나이드, 노르트립틸린, MDMA, 옥시코돈, PCP, 프로폭시펜 및 대마초/THC
- 지난 5년간 우울증, 불안, 정신병 또는 신경학적 장애의 진단.
- 심장 또는 심혈관 질환.
- 당뇨병 또는 기타 대사성 질환.
- 예를 들어 진통제, 스테로이드 등 만성 약물을 복용하는 경우.
- 유당에 대한 알레르기(공시험용량의 주성분)
- 영어로 과제를 수행하거나 학습 정보를 이해할 수 없습니다.
모든 피험자에 대한 일반 MRI 및 PET 안전 제외 기준:
- 심장 박동기, 관류 펌프, 동맥류 클립, 신체 곳곳의 금속 문신, 눈 근처 문신과 같은 금속 이물질.
- 발작 또는 폐쇄공포증 반응이 발생할 가능성을 포함한 기존 질병
- 신체 검사 및 병력(예: 관절염)
- 이 연구와 결합하면 허용 한도를 초과하는 방사선(예: 다른 연구 조사의 PET)에 대한 최근 노출
- 임신 또는 수유: PET 시술 당일 혈청 또는 소변 임신 검사 음성이 필요합니다.
- 체중 > 300lbs(MRI 스캐너 테이블의 무게 제한)
공부 계획
연구는 어떻게 설계됩니까?
디자인 세부사항
- 주 목적: 기초 과학
- 할당: 무작위
- 중재 모델: 크로스오버 할당
- 마스킹: 삼루타
무기와 개입
참가자 그룹 / 팔 |
개입 / 치료 |
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실험적: 카페인
카페인 정제, 200mg
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카페인(200mg)은 PET/fMRI 데이터 수집 20분 전에 OS별로 투여됩니다.
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위약 비교기: 위약
유당 정제
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유당 정제는 PET/fMRI 데이터 수집 20분 전에 경구 투여됩니다.
다른 이름들:
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연구는 무엇을 측정합니까?
주요 결과 측정
결과 측정 |
측정값 설명 |
기간 |
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도파민 D2/D3 수용체 가용성
기간: 연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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도파민 D2/D3 수용체 가용성은 [11C]Raclopride 비변위 결합 전위(BPND)에 의해 측정되고 지수화됩니다.
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연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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FMRI의 확률적 선택 작업(PST)으로 평가한 강화 학습에 대한 카페인의 효과
기간: 연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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강화 학습 및 관련 뇌 활동은 fMRI 스캔에서 PST를 사용하여 측정됩니다.
강화 학습은 행동 수준의 작업 수행 정확도와 신경 수준의 피드백을 보상하기 위한 혈역학적 반응으로 지수화됩니다.
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연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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2차 결과 측정
결과 측정 |
측정값 설명 |
기간 |
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FMRI에서 Go/NoGo 작업으로 평가한 운동 억제에 대한 카페인의 영향
기간: 연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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운동 억제 및 관련 뇌 활동은 fMRI 스캔에서 Go/NoGo를 사용하여 검사됩니다.
강화 학습은 행동 수준의 작업 수행 정확도와 신경 수준의 운동 반응을 억제하는 동안의 혈역학적 반응으로 지표화됩니다.
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연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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Salience Attribution Test(SAT)로 측정한 Salience에 대한 카페인의 영향
기간: 연구 당일 PET/fMRI 스캔 후
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확률적 선택 작업과 연결된 보상 자극에 대한 참가자의 현저성은 Salience Attribution Test를 사용하여 평가됩니다.
작업에서 참가자는 시각적 아날로그 척도를 사용하여 스캔 중에 작업에서 배운 각 자극의 보상 확률(0~100%)에 대한 추정을 나타냅니다.
그 중요성은 추정과 실제 확률의 차이, 추정과 실제 확률의 높고 낮은 차이로 나타납니다.
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연구 당일 PET/fMRI 스캔 후
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기타 결과 측정
결과 측정 |
측정값 설명 |
기간 |
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Karolinska Sleepiness Scale(KSS)로 측정한 주관적 졸음에 대한 카페인의 영향
기간: 연구 당일 PET/fMRI 스캔 후
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KSS는 10점 단위로, 1은 극도로 경계하는 상태, 10은 극도로 졸린 상태를 나타냅니다.
척도는 참가자의 졸음 상태를 측정하는 것이며, 이는 행동 분석에서 잠재적인 공변량으로 사용됩니다.
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연구 당일 PET/fMRI 스캔 후
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State-Trait Anxiety Inventory-성인용 버전(STAI-A)으로 측정한 불안 수준에 대한 카페인의 영향
기간: 연구 당일 PET/fMRI 스캔 후
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STAI-A가 답변하는 순간의 불안 정도를 평가하는 부분은 "침착하다", "긴장된다" 등 20개의 문항으로 이루어져 있다. 참가자들은 "불안하다"라고 느끼는지 여부를 4점 척도로 답하게 된다. 각 진술에 대해 '전혀', '다소', '보통이다', '매우 그렇다'로 분류됩니다.
이 결과 측정은 행동 분석에서 잠재적 공변량으로 사용됩니다.
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연구 당일 PET/fMRI 스캔 후
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카페인이 뇌혈류에 미치는 영향
기간: 연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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대뇌 혈류는 fMRI 획득 중에 MR 시퀀스인 동맥 회전 라벨링을 사용하여 측정되며 fMRI 분석에서 공변량으로 사용됩니다.
이 결과 측정은 카페인의 혈관 수축 효과의 영향을 설명하기 위해 fMRI 분석에서 잠재적 공변량으로 사용됩니다.
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연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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휴식 상태 동안 카페인이 fMRI 뇌 연결성에 미치는 영향
기간: 연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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탐구 결과로서, 휴식 상태 fMRI 시퀀스를 사용하여 카페인 섭취가 뇌 연결성에 영향을 미치는지 여부를 조사할 것입니다.
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연구 당일 PET/fMRI 스캔 중
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공동 작업자 및 조사자
스폰서
간행물 및 유용한 링크
일반 간행물
- Bedingfield JB, King DA, Holloway FA. Cocaine and caffeine: conditioned place preference, locomotor activity, and additivity. Pharmacol Biochem Behav. 1998 Nov;61(3):291-6. doi: 10.1016/s0091-3057(98)00092-6.
- Moran EK, Culbreth AJ, Kandala S, Barch DM. From neuroimaging to daily functioning: A multimethod analysis of reward anticipation in people with schizophrenia. J Abnorm Psychol. 2019 Oct;128(7):723-734. doi: 10.1037/abn0000461. Epub 2019 Aug 29.
- Volkow ND, Wang GJ, Telang F, Fowler JS, Logan J, Wong C, Ma J, Pradhan K, Tomasi D, Thanos PK, Ferre S, Jayne M. Sleep deprivation decreases binding of [11C]raclopride to dopamine D2/D3 receptors in the human brain. J Neurosci. 2008 Aug 20;28(34):8454-61. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1443-08.2008.
- Kaasinen V, Aalto S, Nagren K, Rinne JO. Dopaminergic effects of caffeine in the human striatum and thalamus. Neuroreport. 2004 Feb 9;15(2):281-5. doi: 10.1097/00001756-200402090-00014.
- Volkow ND, Wang GJ, Logan J, Alexoff D, Fowler JS, Thanos PK, Wong C, Casado V, Ferre S, Tomasi D. Caffeine increases striatal dopamine D2/D3 receptor availability in the human brain. Transl Psychiatry. 2015 Apr 14;5(4):e549. doi: 10.1038/tp.2015.46.
- Ferre S, Bonaventura J, Tomasi D, Navarro G, Moreno E, Cortes A, Lluis C, Casado V, Volkow ND. Allosteric mechanisms within the adenosine A2A-dopamine D2 receptor heterotetramer. Neuropharmacology. 2016 May;104:154-60. doi: 10.1016/j.neuropharm.2015.05.028. Epub 2015 Jun 4.
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추가 정보
이 연구와 관련된 용어
키워드
추가 관련 MeSH 약관
기타 연구 ID 번호
- IRB2022P001681
- 1R21MH138923-01 (미국 NIH 보조금/계약: NIMH)
개별 참가자 데이터(IPD) 계획
개별 참가자 데이터(IPD)를 공유할 계획입니까?
IPD 계획 설명
원시 주제 수준 데이터 파일은 NIMH 데이터 아카이브(NDA)에 제출됩니다. 여기에는 [11C]Raclopride PET 데이터와 확률적 선택 작업 및 Go/Nogo 작업의 행동 및 fMRI 데이터가 포함됩니다. 기타 행동 데이터(예: 현저성 귀인 테스트, Karolinska Sleepiness Scale, State-Trait Anxiety Inventory 및 fMRI 데이터(예: 동맥 스핀 라벨링 및 휴식 상태 fMRI도 포함됩니다.
데이터 처리 및 분석에 사용되는 코드와 같은 관련 리소스는 GitHub를 통해 공개적으로 제공됩니다. 주요 readme.md 프로젝트 파일에는 코드/스크립트를 실행하기 위한 지침과 매개변수 선택이 포함됩니다. 코드 문서에는 데이터 액세스 방법에 대한 지침, 질문에 대한 연락 담당자의 이름과 이메일 주소, 출판물에 대한 관련 참조가 포함됩니다. 장기적인 접근성을 보장하기 위해 GitHub 코드 저장소의 사본은 출판 시 디지털 객체 식별자(DOI)와 함께 Zenodo에 보관됩니다.
IPD 공유 기간
약물 및 장치 정보, 연구 문서
미국 FDA 규제 의약품 연구
미국 FDA 규제 기기 제품 연구
미국에서 제조되어 미국에서 수출되는 제품
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