Summary
Eine Methodik, die neuronalen Mechanismen, die bewusst und unbewusst Gedächtnisprozesse Unterstützung während Angstkonditionierung untersuchen beschrieben. Diese Methode überwacht Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) funktioneller Kernspintomographie, Hautleitfähigkeit und unbedingten Reiz Lebenserwartung bei Pawlowschen Angstkonditionierung um die neuronalen Korrelate von unterschiedlichen Speicher-Prozesse zu beurteilen.
Abstract
Pawlowsche Angstkonditionierung wird oft in Kombination mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) bei Menschen verwendet werden, um die neuronalen Substrate des assoziativen Lernens 1-5 zu untersuchen. In diesen Studien ist es wichtig, Verhaltensstörungen Beweis Klimaanlage sorgen, dass Unterschiede in der Hirnaktivität lernen Zusammenhang und korrelierte mit menschlichem Verhalten zu überprüfen.
Angstkonditionierung Studien oft zu überwachen autonomen Reaktionen (zB Hautleitfähigkeit, SCR) als Index für Lernen und Gedächtnis 6-8. Darüber hinaus können andere Verhaltensmaßnahmen liefern wertvolle Informationen über den Lernprozess und / oder andere kognitive Funktionen, die Konditionierung beeinflussen. Zum Beispiel haben die Auswirkungen unbedingten Reiz (UCS) Anwartschaften auf die Expression der konditionierte Reaktion (CR) und unbedingten Reaktion (UCR) ein interessantes Thema wurde in mehreren neueren Studien 9-14. SCR und UCS Lebenserwartung Maßnahmen haben vor kurzem in Verbindung mit fMRI verwendet worden, um die neuronalen Substrate bewusst und unbewusst Angst Lern-und Gedächtnisprozesse 15 zu untersuchen. Obwohl diese kognitiven Prozesse können zu einem gewissen Grad nach der Konditionierung Sitzung ausgewertet werden, können post-Konditionierung Einschätzungen nicht messen Erwartungen auf eine trial-to-probeweise und sind anfällig für Störungen und Vergessen, sowie andere Faktoren, die Ergebnisse verzerren können 16,17 .
Die Überwachung des autonomen und Verhaltensreaktionen gleichzeitig mit fMRI bietet einen Mechanismus, mit dem die neuronalen Substrate, die komplexen Zusammenhänge zwischen kognitiven Prozessen und Verhalten / autonome Reaktionen vermitteln beurteilt werden kann. Doch die Überwachung des autonomen und Verhaltensreaktionen in der MRT-Umgebung stellt eine Reihe von praktischen Problemen. Insbesondere 1) Standard-Verhaltens-und physiologische Überwachungseinrichtungen von eisenhaltigen Materialien, die nicht sicher in der Nähe des MRT-Scanner, 2 verwendet werden soll gebaut), wenn das Gerät außerhalb des MRT-Kammer platziert wird, kann das Kabel Projektion auf das Thema führen RF Lärm, produziert Artefakte im Gehirn Bilder, 3) Artefakte können in der Hautleitfähigkeit Signal Switching Gradienten während des Scannens, 4 hergestellt werden) die fMRI-Signal vom Motor verlangt von Verhaltensreaktionen produziert müssen möglicherweise von der Aktivität unterschieden werden in Bezug auf die kognitiven Prozesse von Interesse . Jede dieser Fragen kann mit Änderungen an der Konfiguration der physiologischen Überwachung und zusätzliche Verfahren der Datenanalyse zu lösen. Hier präsentieren wir eine Methode, um gleichzeitig zu überwachen autonomen und Verhaltensreaktionen während fMRI, und demonstrieren die Anwendung dieser Methoden, um bewusst und unbewusst Speicher Prozesse während Angstkonditionierung untersuchen.
Protocol
1. Psychophysiologie
Die Biopac Systems, Inc. physiologischen Monitoring-System (siehe Tabelle der spezifischen Ausrüstung) ist Nicht-Standard-Ausrüstung in den meisten bildgebenden Einrichtungen. Schedule 15-30 Minuten vor der Ankunft Teilnehmer einzurichten physiologischen Überwachung und andere Geräte in diesem Protokoll beschrieben (Abb. 1).
- Schließen Sie eine Leitwarte Computer-Betriebssystem AcqKnowledge (Biopac Systems, Inc.) physiologischen Monitoring-Software, die Biopac MP150 (MP150WSW) mit einem Standard-Ethernet-Crossover-Kabel (CBLETH2).
- Schließen Sie das Biopac Isolated Digital Interface (STP100C) an eine Leitwarte Computer-Betriebssysteme Presentation (Neuropsychologische Systems, Inc; Albany, CA)-Software mit einem DB25 M / F Flachbandkabel.
- Schließen Sie das Biopac GSR-Verstärker (EDA-100C-MRI), um die HF-Interferenzfilter (MRIRFIF) innerhalb der Leitwarte über ein abgeschirmtes Verlängerungskabel (MECMRI-3).
- Verbinden Sie den RF Interferenzfilter (MRIRFIF), um ein abgeschirmtes Verlängerungskabel (MECMRI-1) in der MRT-Untersuchung Kammer.
- Schließen Sie das abgeschirmte Verlängerungskabel, um Kohlefaser-Drähte (LEAD 108), die Radio-transluzente Elektroden (EL508) zu befestigen. Hinweis: Twisting die Leitungen in einer engen Spirale reduziert Artefakte in der Hautleitfähigkeit Daten, die beim Scannen erstellt werden können.
- Bringen Sie Radio transluzenten Elektroden (EL508) an der distalen Phalanx des Mittel-und Ringfinger der Teilnehmer mit der linken Hand.
- Aufgrund der Beschaffenheit des Scanning-Ausrüstung, sind MRT Kammer Raumtemperaturen oft unter 21 ° C eingestellt Decken Sie die Teilnehmer mit einer Decke zur Hand Temperatur zu halten.
2. Verhaltensreaktionen (Joystick)
- Schließen Sie eine Leitwarte Computer-Betriebssysteme Presentation Software (Neuropsychologische Systems, Inc; Albany, CA) auf dem Joystick der forp Interface Unit (Current Designs, Inc; Philadelphia, PA) unter Verwendung eines USB-Mini-Kabel.
- Verbinden Sie ein Glasfaser-Kabel an den forp Interface Unit in der Leitwarte, dann das Kabel durch einen Wellenleiter in den MRT-Raum.
- Schließen Sie das LWL-Kabel mit dem MR-kompatiblen Joystick.
- Direkte Teilnehmer an den Joystick in eine komfortable und leicht zu erreichen Position zu bringen.
3. Stimulus Präsentation
- Schließen Sie eine Leitwarte Computer-Betriebssysteme Presentation Software, um die externen VGA-und Audio-Ports des IFIS-SA (Invivo Corp, Orlando, FL) Leitwarte Konsole (Abbildung 1).
- Die LWL-Kabelverbindungen zwischen dem IFIS Leitwarte Konsole und dem IFIS Peripheral Interface Unit innerhalb der MRI Kammer, sowie die Verbindungen zwischen den Peripheral Interface Unit und die Audio / Visual Display Unit.
- Legen Sie die Audio / Visual Display Unit hinter dem Kopf-Spule, so dass die Teilnehmer können den Monitor durch einen Spiegel an der Kopf-Spule zu sehen.
- Schließen Sie das Audio / Visual Display Unit akustische Interface-Box, die IFIS Systems MR-kompatible Stereo-Kopfhörer mit Vinyl-Schlauch.
- Kalibrieren Sie die Lautstärke der akustischen Reize mit einem Schalldruckpegel Meter.
4. Versuchsdurchführung
- Informieren Sie die Teilnehmer, dass 2 Töne mehrmals während der Studie vorgestellt werden, und dass die Lautstärke der Töne nach oben und unten variieren ihre Wahrnehmungs-Schwelle (Abbildung 2).
- Direkte Teilnehmer auf einen Knopf am Joystick-Box sofort push beim Hören entweder Ton, dann auf aktualisieren ihre Erwartung nach Erhalt der UCS, indem Sie den Joystick, um die Position eines rating bar auf einer Skala von 0 bis 100 (Abbildung 3) zu kontrollieren.
- Weisen Sie die Teilnehmer, ihre UCS Lebenserwartung auf einer kontinuierlichen Skala von 0 bis 100 bewerten. Informieren Sie ihnen, dass Bewertungen von 0 zeigen sie sicher sind die UCS nicht vorgestellt werden, zeigen Bewertungen von 50 sind sie unsicher, ob die UCS präsentiert werden, und Bewertungen von 100 anzuzeigen, dass sie sicher, dass die UCS präsentiert werden. Direkte Teilnehmer, andere Werte auf der Skala zu verwenden, um Zwischen-Erwartungen geben. Dann können die Teilnehmer den Umgang mit dem Joystick, um Bewertungen zu machen.
- Expose Teilnehmer zu einem Differential Angstkonditionierung Verfahren unter Verwendung von 2 Töne (700 & 1300 Hz; 10s Dauer, 20s ITI) als bedingte Reize (CS) und ein lautes weißes Rauschen (100 dB, 500 ms) als die BKS.
- Derzeit 60 Studien der CS + (coterminating mit dem UCS) und 60 Studien zu den CS-(dargestellt ohne den UCS) in einer Pseudo-Ordnung, so dass nicht mehr als 2-Studien des gleichen CS nacheinander vorgestellt werden.
- Gegengewicht zu den Tönen, die wie die CS + und CS-in Teilnehmer dienen.
- Modulation der Lautstärke des CS + und CS-unabhängig. Passen CS Volumen auf den nachfolgenden Studie mit dem gleichen CS. Abnahme CS Volumen 5dB, wenn eine Taste drücken wird (dh nach einem wahrgenommenen Studie). Erhöhen Sie die Lautstärke 5dB, wenn eine Taste drücken wird nicht vorgenommen (dh nach einer unbemerkten Studie).
- Sammeln Standard hochauflösende T1-gewichteten strukturellen Bildern (z. B. MPRAGE) als anatomische Referenz für funktionelle Daten dienen.
- Sammeln Sie BOLD fMRI des gesamten Gehirns während der Konditionierung Verfahren. Sechsunddreißig, sollte 4mm dicke Scheiben ausreichend sein, um das Gehirn mit relativ Standard-Imaging-Parameter (zB TR = 2000ms, TE = 30ms, FOV = 24cm, 64x64 Matrix) zu decken. Synchronisieren Sie die fMRI Akquisition mit Stimulus-Präsentation mit einem fMRI-Trigger-Box.
6. SCR Data Acquisition & Analysis
- Beispiel Hautleitfähigkeit bei 2.000 Hz mit AcqKnowledge Software und der MR-kompatiblen Biopac physiologischen Monitoring-System im Abschnitt 1 beschrieben.
- Tragen Sie eine 1 Hz Infinite Impulse Response (IIR) Tiefpass digitale Filter, um die Hautleitfähigkeit Daten zu Artefakten bei der Bildgebung erzeugt reduzieren (siehe Abbildung 4).
- Resampling der Hautleitfähigkeit Daten bei 250 Hz.
- Berechnen Sie SCR als die Differenz in Hautleitfähigkeit von Reaktion Beginn bis zum Ansprechen Höhepunkt.
- SCR-Daten können Quadratwurzel transformiert, um die Verteilung der Antwort Amplituden vor die statistische Analyse zu normalisieren.
7. UCS Expectancy Data Acquisition & Analysis
- Beispiel (40 Hz) und notieren UCS Lebenserwartung Daten mit Präsentationssoftware.
- Berechnen UCS Lebenserwartung als der Durchschnitt (1s Probe) Antwort während der letzten Sekunde der CS-Präsentation.
8. Functional MRI Data Acquisition & Analysis
- Komplette Standard-Vorverarbeitung der Bildgebung des Gehirns (zB Scheibe Timing-Korrektur, Bild-Registrierung, räumliche Glättung) mit einem funktionellen Bildgebung Analyse-Software-Paket (z. B. AFNI 18).
- Erstellen Sie Standard-Plage (zB Bewegung) und Stimulus-based Regressoren für wahrgenommene und nicht wahrgenommene Studien der CS + und CS-, sowie der UCS.
- Erstellen Sie eine motorische Antwort-based Referenzsignal als ein Ärgernis Regressor zu berücksichtigen motorischen Aktivität im Zusammenhang mit Knopfdruck Antworten zu dienen.
- Erstellen Sie ein Stick-Funktion, die Codes für den Zeitpunkt der Taste Reaktionen.
- Convolve die Taste drücken Stick-Funktion mit dem kanonischen hämodynamischen Antwortfunktion (HRF).
- Create motorische Antwort-based Referenzsignal als ein Ärgernis Regressor zu berücksichtigen motorischen Aktivität im Zusammenhang mit Joystick Reaktionen dienen.
- Erstellen Sie ein Stick-Funktion, die Codes für den Zeitpunkt der Änderungen in der Steigung (z. B. Hang absolute Wert> 10) von UCS Lebenserwartung Bewertungen.
- Convolve den Joystick Hang-Stick-Funktion mit der kanonischen HRF.
- Führen ersten Ebene Analysen mit allen Reiz-basierte und Belästigung Regressoren.
- Führen Sie eine zweite Ebene ANOVA mit wiederholten Messungen auf Regionen, in denen die Aktivierung zeigt ein Haupteffekt der CS-Typ, ein Haupteffekt der Wahrnehmung, oder ein CS Typ X Wahrnehmung Interaktion zu identifizieren.
9. Repräsentative Ergebnisse:
Die Methodik hier vorgestellten führt in der Regel relativ hohe Lebenserwartung UCS Bewertungen während wahrgenommen CS + Studien und geringe Einschaltquoten während wahrgenommen CS-Studien (Abbildung 5) 10,15,19. Solche Ergebnisse zeigen die Teilnehmer sind sich der CS-UCS Eventualitäten. Auf unbemerkt Studien UCS Lebenserwartung Bewertungen in der Regel unverändert bleiben von der Vor-CS Bewertungen. UCS Anwartschaften auf diesen unbemerkt CS + und CS-Tests in der Regel fallen fast 50 zeigt die Teilnehmer sich nicht sicher, ob der UCS wird 10,15,19 (Abbildung 5) vorgestellt werden. Diese Unfähigkeit, Differential UCS Lebenserwartung Bewertungen für das unbemerkt CS + und CS-Produktion zeigt, dass die Teilnehmer nicht in der Lage, ihre Kontingenz Bewusstsein für unbemerkt Klimaanlage Studien (Abbildung 6) zum Ausdruck bringen. Im Gegensatz dazu haben das Lernen im Zusammenhang mit Veränderungen in der SCR sowohl während wahrgenommen und unbemerkt Klimaanlage Studien 10,15,19 beobachtet worden. Im Einzelnen wurden SCRs größer, um die wahrgenommene CS + als auf die wahrgenommene CS-. Ebenso haben größere SCRs während unbemerkt CS nachgewiesen + als unbemerkt CS-Studien 10,15,19 (Abbildung 6). Zusammengenommen zeigen diese Verhaltens-und vegetativen Daten Angstkonditionierung mit Kontingenz bewusst auf die wahrgenommene Studien und Angstkonditionierung ohne Kontingenz Bewusstsein für unbemerkt Studien. Die funktionelle Bildgebung Forschung mit dieser Methode hat das Lernen im Zusammenhang mit hippocampalen Aktivierung auf wahrgenommene gezeigt, aber nicht unbemerkt Klimaanlage Studien 15 (Abbildung 7). Im Gegensatz dazu war Differential Amygdala-Aktivität auf beiden wahrgenommen und unbemerkt Klimaanlage Studien 15 bei. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der Ansicht, dass der Hippocampus Prozesse rund um die Kontingenz bewusst unterstützt, während die Amygdala unterstützt CR Ausdruck mit und ohne Bewusstsein.
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Abbildung 1. Diagramm der Grundausstattung für Stimulus-Präsentation und Verhaltensstörungen / psychophysiologische Reaktion Überwachung. Präsentations-Software wird verwendet, um Audio-visuelle Reize und überwachen UCS Lebenserwartung Bewertungen durch Bewegen eines Joysticks mit der rechten Hand vorzustellen. AcqKnowledge Software und Biopac Geräte werden verwendet, um die Hautleitfähigkeit von der linken Hand zu überwachen. Solid (Biopac), zeigen einzelne gestrichelte (IFIS Audio-Visual) und Doppel-gestrichelten Linien (LWL Joystick) Kabel für verschiedene Stimulus-Präsentation und Reaktion Überwachungssysteme. Schwarze Pfeile geben die Richtung des Informationsflusses.
Abbildung 2. Bedingten Reize. Präsentieren Sie die CS + und CS-in eine Pseudo-Ordnung, so dass nicht mehr als 2-Studien des gleichen CS nacheinander vorgestellt werden. Variieren Sie die Lautstärke des CS + und CS-unabhängig. Wenn ein CS wahrgenommen wird (durch Drücken einer Taste), Abnahme CS Volumen 5dB auf den nachfolgenden Versuch des gleichen CS. Wenn ein CS ist unbemerkt (angezeigt durch keine Taste drücken), erhöhen CS Volumen 5db auf den nachfolgenden Studie mit dem gleichen CS.
Abbildung 3. UCS Lebenserwartung Rating-Skala. Weisen Sie die Teilnehmer, ihre Erwartung von UCS-Präsentation auf einer Skala von 0 bis 100 bewerten. Bewertungen von 0 angeben Sicherheit die UCS nicht vorgestellt werden, zeigen Bewertungen von 100 Sicherheit der UCS präsentiert werden, und Ratings von 50 spiegeln die Unsicherheit, ob die UCS präsentiert werden. Intermediate Bewertungen sollten verwendet werden, um Abstufungen in UCS Lebenserwartung anzugeben.
Abbildung 4. Vergleich von Roh-und gefiltert Hautleitfähigkeit Daten. a) Raw Hautleitfähigkeit Daten während der fMRI gesammelt. b) Die Hautleitfähigkeit Daten nach Anwendung einer 1Hz IIR-Tiefpassfilter.
Abbildung 5. UCS Lebenserwartung Bewertungen. -Teilnehmer in der Regel melden hohe UCS Anwartschaften auf die wahrgenommene CS + Studien und niedrige Erwartungen auf die wahrgenommene CS-Studien. UCS Anwartschaften auf unbemerkt CS + und CS-Tests unterscheiden sich nicht.
Abbildung 6. UCS Lebenserwartung und SCR. Unterschiede in UCS Lebenserwartung werden in der Regel auf die wahrgenommene CS + und CS-Studien beobachtet, was die Teilnehmer sind sich der Reiz Eventualitäten. Auf unbemerkt Studien UCS Lebenserwartung Bewertungen in der Regel nicht unterscheiden Angabe Teilnehmer sind nicht in der Lage, ihre Kontingenz Bewusstsein auszudrücken. Im Gegensatz dazu sind die Unterschiede in konditioniert SCRs in der Regel auf beiden wahrgenommen und unbemerkt Klimaanlage Studien beobachtet. Solche Erkenntnisse reflektieren gelernt Angst Ausdruck (dh auf die wahrgenommene Studien) und ohne (dh unbemerkt Studien) Kontingenz Bewusstsein.
Abbildung 7. Functional MRI des Hippocampus und Amygdala. Hippocampus Antworten sind in der Regel größer, um den CS + als CS-on wahrgenommen, aber nicht unbemerkt Klimaanlage Studien. Differential Amygdala Antworten sind in der Regel auf beiden wahrgenommen und unbemerkt Klimaanlage Studien beobachtet. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der Ansicht, dass der Hippocampus Prozesse rund um die Kontingenz bewusst unterstützt, während die Amygdala unterstützt Angst Ausdruck mit und ohne Bewusstsein.
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Discussion
Die Angstkonditionierung beschriebene Methodik hier bietet ein Mittel, um die neuronalen Mechanismen der bewusst und unbewusst Angst Speicher Prozesse zu untersuchen. Diese Methode nutzt die gleichzeitige Überwachung von Verhaltens-, vegetative und fMRI-Daten. Überwachung Verhaltensstörungen (dh UCS Lebenserwartung) und vegetative Reaktionen (zB SCR) ist eine kritische Komponente dieser Methode. UCS Lebenserwartung bietet die Möglichkeit, Kontingenz Bewusstsein beurteilen, während SCR bietet einen Index der CR Ausdruck. Zusammen können diese Verhaltens-und vegetativen Reaktionen bei der Präsentation der supra-und unterschwellige CS + und CS-Studien zu befürchten, Klimaanlage mit zu untersuchen und ohne Kontingenz bewusst eingesetzt werden. Funktionelle MRT-Daten können dann verwendet werden, um die neuronalen Korrelate von bewusst und unbewusst Angst Speicher Prozesse zu untersuchen. Eine besondere Stärke dieser Methode besteht darin, dass die Teilnehmer legt auf jede Art von Konditionierung Studie (dh wahrgenommen CS + und CS-, unbemerkt CS + und CS-). Intraindividuelle Designs wie das hier beschriebene sind stärker als zwischen Subjekt entwirft aufgrund der relativ großen interindividuellen Variabilität in beiden SCR-und fMRI-Signal Reaktionen beobachtet. Eine weitere Stärke dieser Methode besteht darin, dass das Volumen der CS Präsentation der einzelnen Teilnehmer Wahrnehmungsschwelle zugeschnitten ist. Weiterhin ist die Wahrnehmungsschwelle darf variieren im Laufe der Konditionierung Sitzung. Vor der Arbeit hat in der Regel Reize zu einem festgelegten Niveau unterhalb Schwelle 7,20,21 vorgestellt. Allerdings kann Wahrnehmungsschwellen im Laufe der Zeit variieren die Verringerung der Fähigkeit, unterschwellige Effekte 22 zu erkennen. Eine weitere Stärke dieser Methode besteht darin, dass UCS Lebenserwartung auf einer Trial-by-probeweise während der Konditionierung Sitzung beurteilt. Andere fMRI Forschung hat das Bewusstsein für CS-UCS Eventualitäten während der Post-Konditionierung Auswertungen 23 bewertet. Allerdings kann nach Konditionierung Beurteilungen 1) nicht beurteilen, Variationen in Erwartung von trial-to-Studie 2) kann unempfindlich gegen subtile Hinweise auf Kontingenz Bewusstsein, und 3) sind anfällig für Probleme, die Ergebnisse, wie das Vergessen und Interferenzen verzerren. Obwohl es eine Reihe von Stärken sind unsere Methodik, kann die Überwachung UCS Lebenserwartung wie beschrieben Aufmerksamkeitsprozesse in einer Weise, die aus Studien, die keine Online-erwartung Maßnahmen unterscheidet sich zu engagieren. Dies ist ein Problem, dass die Ermittler entlang in Betracht ziehen sollten, mit den Vorteilen dieser Methode bei der Gestaltung ihrer Projekte.
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Disclosures
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Acknowledgments
Unterstützung durch die University of Alabama in Birmingham Faculty Development Grant Program.
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