Summary
Una metodología para investigar los mecanismos neurales que sustentan los procesos de la memoria consciente e inconsciente durante el condicionamiento del miedo se describe. Este método monitorea el nivel de oxígeno en la sangre dependientes (BOLD) la resonancia magnética funcional, la respuesta de conductancia de la piel, y la esperanza de estímulo incondicionado en el condicionamiento del miedo pavloviano para evaluar los correlatos neurales de los procesos de memoria diferentes.
Abstract
El condicionamiento del miedo pavloviano se utiliza a menudo en combinación con la resonancia magnética funcional (fMRI) en los seres humanos para investigar los sustratos neurales del aprendizaje asociativo 1-5. En estos estudios, es importante proporcionar evidencia conductual de condicionamiento para verificar que las diferencias en la actividad cerebral son relacionados con el aprendizaje y la correlación con el comportamiento humano.
Estudios de miedo acondicionado vigilan a menudo las respuestas autónomas (por ejemplo, la respuesta de conductancia de piel; SCR) como un índice de aprendizaje y la memoria 6.8. Además, otras medidas de comportamiento pueden proporcionar información valiosa sobre el proceso de aprendizaje y / o otras funciones cognitivas que influyen acondicionado. Por ejemplo, el impacto de estímulo incondicionado (UCS) la esperanza de tener en la expresión de la respuesta condicionada (RC) y la respuesta incondicionada (UCR) ha sido un tema de interés en varios estudios recientes 9-14. SCR y las medidas de esperanza de UCS se han utilizado recientemente en conjunto con resonancia magnética funcional para investigar los sustratos neurales de aprendizaje del miedo consciente e inconsciente y los procesos de memoria 15. Aunque estos procesos cognitivos pueden ser evaluados en algún grado después de la sesión acondicionado, post-evaluaciones no se puede medir las expectativas a modo de prueba a prueba y son susceptibles a las interferencias y el olvido, así como otros factores que pueden distorsionar los resultados 16,17 .
Seguimiento de las respuestas autonómicas y de comportamiento simultáneamente con fMRI proporciona un mecanismo por el cual los sustratos neurales que intervienen en las complejas relaciones entre los procesos cognitivos y las respuestas de comportamiento / autónomo se puede evaluar. Sin embargo, el seguimiento respuestas autonómicas y de comportamiento en el entorno MRI plantea una serie de problemas prácticos. En concreto, 1) el equipo estándar de vigilancia del comportamiento y fisiológicos es de un material ferroso que no puede usarse de manera segura cerca del escáner de resonancia magnética, 2) cuando el equipo se coloca fuera de la cámara de resonancia magnética, los cables que se proyectan hacia el sujeto puede llevar a ruido de RF que produce artefactos en las imágenes cerebrales, 3) los artefactos se pueden producir en la señal de conductancia de la piel por el cambio gradientes durante el escaneo, 4) la señal de resonancia magnética funcional producido por las exigencias del motor de respuestas de comportamiento puede ser necesario distinguir de la actividad relacionada con los procesos cognitivos de interés . Cada uno de estos problemas se pueden resolver con las modificaciones a la configuración de los equipos de monitorización fisiológica y otros procedimientos de análisis de datos. Aquí se presenta una metodología para monitorear simultáneamente las respuestas autónomas y de comportamiento en fMRI, y demostrar el uso de estos métodos para investigar los procesos de la memoria consciente e inconsciente durante el condicionamiento del miedo.
Protocol
1. Psicofisiología
Los sistemas de Biopac, Inc. sistema de monitorización fisiológica (véase la tabla de equipos específicos) no es equipo estándar en las instalaciones de la mayoría de imágenes. Horario de 15-30 minutos antes de la llegada de los participantes para establecer el monitoreo fisiológico y otros equipos descritos en este protocolo (Figura 1).
- Conectar una sala de control operativo de la computadora AcqKnowledge (Biopac Systems, Inc.) de software de monitorización fisiológica a la MP150 Biopac (MP150WSW) utilizando un cable cruzado Ethernet estándar (CBLETH2).
- Conecte el Biopac aislados Digital Interface (STP100C) para una presentación de la sala de control operativo de la computadora (sistemas neuroconductuales, Inc; Albany, CA) usando un software DB25 M / F cable de cinta.
- Conecte el amplificador Biopac GSR (EDA-100C-MRI) para el filtro de interferencias de RF (MRIRFIF) dentro de la sala de control mediante un cable de extensión blindado (MECMRI-3).
- Conecte el filtro de interferencias de radiofrecuencia (MRIRFIF) a un cable de extensión blindado (MECMRI-1) dentro de la cámara de resonancia magnética.
- Conecte el cable de extensión blindado para cables de fibra de carbono de plomo (LEAD 108) que se conectan a los electrodos de radio translúcido (EL508). Nota: Torcer la cabeza en una espiral reduce los artefactos en los datos de conductancia de la piel que se pueden crear durante la exploración.
- Coloque los electrodos de radio translúcido (EL508) a la falange distal de los dedos medio y anular de la mano izquierda de los participantes.
- Debido a la naturaleza de los equipos de escáner, resonancia magnética temperatura ambiente la cámara a menudo se fijan por debajo de 21 ° C. Cubrir el participante con una manta para mantener la temperatura de la mano.
2. Las respuestas de comportamiento (Joystick)
- Conectar una sala de control operativo de la computadora el software de presentación (Sistemas neuroconductuales, Inc; Albany, CA) a la Unidad de Interfaz de joystick para p (diseños actuales, Inc., Filadelfia, PA) mediante un cable USB-mini.
- Conecte un cable de fibra óptica a la unidad de interfaz para p dentro de la sala de control, luego pasar el cable a través de una guía de onda en la cámara de resonancia magnética.
- Conecte el cable de fibra óptica para el joystick RM-compatible.
- Los participantes directos para colocar la palanca en una posición cómoda y de fácil acceso.
3. Presentación de estímulo
- Conectar una sala de control operativo de la computadora El software de presentación de los puertos externos VGA y audio de las IFIS, SA (Invivo Corporation, Orlando, FL) consola de sala de control (Figura 1).
- Compruebe las conexiones de cable de fibra óptica entre la consola de sala de control de IFIS y la Unidad de IFIS de interfaz de periféricos dentro de la cámara de resonancia magnética, así como las conexiones entre la unidad de interfaz periférica y la pantalla, audio / visual.
- Coloque la unidad de visualización de audio / visual detrás de la cabeza de la bobina de manera que el participante puede ver el monitor a través de un espejo unido a la cabeza de la bobina.
- Conectar la caja de la unidad de pantalla Audio / Visual de interfase acústica a MR compatible con auriculares estéreo del sistema IFIS, utilizando tubos de vinilo.
- Calibrar el volumen de los estímulos auditivos con un medidor de nivel de presión sonora.
4. Procedimiento experimental
- Informar a los participantes que 2 tonos se presentan varias veces durante el estudio, y que el volumen de los tonos pueden variar por encima y por debajo de su umbral de percepción (Figura 2).
- Los participantes directos de apretar un botón en el cuadro de mando inmediatamente después de la audiencia, cualquiera de tono, y para actualizar su expectativa de recibir la UCS moviendo el joystick para controlar la posición de una barra de calificación en una escala de 0 a 100 (Figura 3).
- Instruir a los participantes que calificaran su esperanza de UCS en una escala continua de 0 a 100. Informarles de que las calificaciones de 0 indica que está seguro de la UCS no se presentará, las calificaciones de 50 indica que no están seguros si el UCS se presentará, y evaluaciones de 100 indican que están seguros de la UCS se presentará. Los participantes directos de utilizar otros valores de la escala para indicar las expectativas intermedio. Entonces, que los participantes puedan practicar el uso de la palanca de mando para hacer clasificaciones.
- Exponer a los participantes a un procedimiento de condicionamiento de miedo diferencial con dos tonos (700 Hz y 1300, con una duración entre los 10, 20 ITI), como el estímulo condicionado (CS) y un fuerte ruido blanco (100 dB, 500 ms) como la UCS.
- Presentar 60 pruebas del + CS (coterminating con la UCS) y 60 ensayos de la CS-(presentada sin la UCS) en un orden pseudoaleatorio tal que no más de dos ensayos del mismo CS se presentan en forma consecutiva.
- Contrarrestar los tonos que sirven como + CS y CS-a través de los participantes.
- Modular el volumen del + CS y CS de forma independiente. Ajustar el volumen del CS en el juicio posterior con el mismo CS. Disminución de 5 dB CS volumen si sólo pulsar un botón se hace (es decir, tras un juicio de percepción). Aumentar el volumen de 5dB si sólo pulsar un botón no está hecho (es decir, en un juicio no percibidos).
- Recoger estándar de alta resolución T1 estructurales (por ejemplo MPRAGE) para servir como una referencia anatómica de datos funcionales.
- Recoger BOLD fMRI de todo el cerebro durante el proceso de acondicionamiento. Treinta y seis, de 4 mm de espesor rebanadas deben ser suficientes para cubrir el cerebro con los parámetros de imagen relativamente estándar (por ejemplo, TR = 2000 ms, TE = 30 ms, FOV = 24 cm, matriz de 64x64). Sincronizar la adquisición de resonancia magnética funcional con la presentación del estímulo con una caja de resonancia magnética funcional de disparo.
6. SCR de Adquisición de Datos y Análisis
- Ejemplo de conductancia de la piel a 2.000 Hz con AcqKnowledge software y el sistema MR-compatible Biopac monitorización fisiológica en la sección 1.
- Solicitar una respuesta de 1 Hz impulso infinito (IIR) filtro de paso bajo digital de los datos de conductancia de la piel para reducir los defectos producidos durante la exploración (ver Figura 4).
- Volver a muestrear los datos de conductancia de la piel a 250 Hz.
- SCR calcular como la diferencia en el nivel de conductancia de la piel desde el inicio de la respuesta al pico de respuesta.
- Datos SCR puede ser transformado de raíz cuadrada para normalizar la distribución de las amplitudes de respuesta antes del análisis estadístico.
7. Expectativa de UCS de Adquisición de Datos y Análisis
- Muestra (40 Hz) y registrar datos sobre la esperanza UCS utilizando el software de presentación.
- Calcular la esperanza de UCS como el promedio (muestra 1s) de respuesta durante el último segundo de la presentación de CS.
8. Adquisición de datos de resonancia magnética funcional y Análisis
- Preprocesamiento completa estándar de los datos de imagen cerebral (por ejemplo, cortar corrección de tiempo, el registro de imágenes, espacial suavizado) mediante un análisis de imagen funcional paquete de software (por ejemplo, AFNI 18).
- Crear molestias estándar (por ejemplo, el movimiento) y un estímulo basado en variables explicativas para los ensayos percibido y percibe, de la + CS y CS-, así como la UCS.
- Crear una respuesta basada en el motor de forma de onda de referencia para servir como un regresor molestia para dar cuenta de la actividad motora en relación con las respuestas de pulsar el botón.
- Cree una función que los códigos de barra para la sincronización de las respuestas de pulsar el botón.
- Convolución al pulsar el botón de función seguir con la función de respuesta hemodinámica canónica (HRF).
- Crear una respuesta basada en el motor de forma de onda de referencia para servir como un regresor molestia para dar cuenta de la actividad motora en relación con las respuestas de joystick.
- Cree una función que los códigos de barra para la sincronización de los cambios en la pendiente (por ejemplo el valor absoluto pendiente> 10) de las calificaciones de la esperanza de UCS.
- Convolución de los joystick de la función pendiente seguir con la HRF canónica.
- Realizar análisis de primer nivel con todos los regresores base de estímulo-y las molestias.
- Realizar un segundo nivel ANOVA de medidas repetidas para identificar las regiones en las que muestra la activación de un efecto principal de CS tipo, un efecto principal de la percepción, o un tipo de interacción CS percepción X.
9. Los resultados representativos:
La metodología que aquí se presenta típicamente resulta en calificaciones relativamente alta esperanza de UCS durante perciben CS + ensayos y bajos niveles de audiencia durante la percepción de CS-ensayos (Figura 5) 10,15,19. Estos resultados indican los participantes son conscientes de la CS-UCS contingencias. En los ensayos sin ser visto, clasificaciones de UCS esperanza suelen permanecer sin cambios desde antes de la CS de calificación. Esperanza de UCS en estos desapercibido + CS y CS-ensayos suelen caer cerca de 50 participantes, lo que indica no está seguro de si el UCS se presentará 10,15,19 (Figura 5). Esta incapacidad para producir diferencial clasificaciones de UCS esperanza de que son imperceptibles + CS y CS-indica que los participantes son incapaces de expresar su conciencia de contingencia en los ensayos acondicionado imperceptible (Figura 6). En contraste, el aprendizaje relacionado con los cambios en la SCR se han observado durante los ensayos de condicionamiento percibidos y no percibidos 10,15,19. En concreto, SCR fue mayor a la percibida CS + que a la percepción de CS. Del mismo modo, las grandes SCR ha demostrado durante desapercibido CS + CS-que no percibidos ensayos 10,15,19 (Figura 6). En conjunto, estos datos sobre el comportamiento y autonómicas demuestran el condicionamiento del miedo con la conciencia de contingencia en los ensayos percibido, y el condicionamiento del miedo, sin conciencia de contingencia en los ensayos desapercibido. La investigación de imágenes funcionales utilizando esta metodología ha demostrado de aprendizaje relacionados con la activación del hipocampo en la percepción, pero no imperceptible ensayos de condicionamiento 15 (Figura 7). Por el contrario, el diferencial actividad de la amígdala se ha observado tanto en ensayos de condicionamiento percibidos y no percibidos 15. Estos hallazgos son consistentes con la opinión de que el hipocampo apoya los procesos relacionados con la conciencia de contingencia, mientras que la amígdala apoya expresión CR con y sin conciencia.
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Figura 1. Diagrama de equipo básico para la presentación del estímulo y la monitorización de la respuesta conductual / psicofisiológicas. El software de presentación se utiliza para presentar los estímulos audiovisuales y seguimiento de sus calificaciones esperanza de UCS hecha moviendo una palanca de mando con la mano derecha. AcqKnowledge software y el equipo Biopac se utilizan para controlar la conductancia de la piel de la mano izquierda. Sólido (Biopac), solo líneas de puntos (IFIS Audio-Visual), y se lanzó doble (joystick de fibra óptica) representan los cables para la presentación del estímulo distinto y sistemas de respuesta de control. Flechas en negro indican la dirección de flujo de información.
Figura 2. Estímulos condicionados. Presentar el + CS y CS-en un orden pseudoaleatorio tal que no más de dos ensayos del mismo CS se presentan en forma consecutiva. Variar el volumen del + CS y CS de forma independiente. Si el CS se percibe (indicado sólo pulsar un botón), disminución de 5 dB CS de volumen en el juicio posterior de la misma CS. Si el CS es imperceptible (indicado por no presionar el botón), aumentar 5db CS de volumen en el juicio posterior con el mismo CS.
Figura 3. Expectativa de UCS escala de calificación. Instruir a los participantes que calificaran su expectativa de la presentación de UCS en una escala de 0 a 100. Las calificaciones de 0 indican la certeza de la UCS no se presentará, las calificaciones de los 100 indican certeza la UCS se presentarán, y las calificaciones de 50 refleja la incertidumbre sobre si el UCS se presentará. Calificaciones intermedias deben utilizarse para indicar las gradaciones de la esperanza de UCS.
Figura 4. Comparación de los datos en bruto y la conductancia de la piel se filtra. a) Datos de los conductancia de la piel recogidas durante fMRI. b) Los datos de Conductancia de la piel tras la aplicación de un filtro de paso bajo 1Hz IIR.
Figura 5. Clasificaciones de UCS esperanza. -Los participantes suelen informar de alta esperanza de UCS en la percepción de CS + juicios y expectativas de baja en la percepción de CS-ensayos. Esperanza de UCS sobre desapercibido CS + CS y ensayos-no se diferencian.
Figura 6. Expectativa de UCS y SCR. Las diferencias en la esperanza de UCS se observan típicamente en la percepción + CS y CS-ensayos los participantes indicando son conscientes de las contingencias estímulo. En los ensayos sin ser visto, clasificaciones de UCS esperanza por lo general no se diferencian lo que indica a los participantes son incapaces de expresar su conciencia de contingencia. En contraste, las diferencias en SCRs acondicionado usualmente se observan en ambos ensayos de condicionamiento percibido y no percibidos. Estos hallazgos reflejan la expresión aprendido con miedo (es decir, en los ensayos percibida) y sin conciencia de contingencia (es decir, en los ensayos no percibidos).
Figura 7. MRI funcional del hipocampo y la amígdala. Las respuestas del hipocampo son normalmente más grandes que el CS + CS-que en la percepción, pero no imperceptible ensayos de condicionamiento. Distintas respuestas amígdala se observan típicamente en los dos ensayos de condicionamiento percibidos y no percibidos. Estos hallazgos son consistentes con la opinión de que el hipocampo apoya los procesos relacionados con la conciencia de contingencia, mientras que la amígdala apoya la expresión miedo con y sin conciencia.
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Discussion
La metodología de condicionamiento del miedo aquí descrito proporciona un medio para investigar los mecanismos neurales de los procesos de la memoria consciente e inconsciente miedo. Este método tiene la ventaja de la monitorización simultánea de datos de comportamiento, autonómica y fMRI. Seguimiento de las respuestas de comportamiento (es decir, la esperanza de UCS) y autonómica (es decir, SCR) es un componente crítico de este método. La esperanza de UCS proporciona un medio para evaluar el conocimiento de contingencia, mientras SCR proporciona un índice de expresión CR. En conjunto, estas respuestas conductuales y autonómicas se puede utilizar durante la presentación de supra y subliminales CS + CS y ensayos-para investigar el condicionamiento del miedo con y sin conciencia de contingencia. Funcionales datos de RM se puede utilizar para investigar los correlatos neurales de los procesos de la memoria consciente e inconsciente miedo. Un punto fuerte de esta metodología es que se expone a los participantes para cada tipo de ensayo acondicionado (es decir, perciben y CS + CS, CS & desapercibido +-CS). Dentro del protocolo como el descrito aquí son más poderosos que los diseños entre sujetos debido a la relativamente gran variabilidad interindividual observada en los dos SCR y las respuestas de resonancia magnética funcional de la señal. Otro punto fuerte de este método es que el volumen de la presentación de CS se adapta el umbral de percepción de cada participante. Además, el umbral de percepción se le permite variar a lo largo de la sesión de condicionamiento. El trabajo previo ha presentado por lo general los estímulos a un nivel fijado por debajo del umbral 7,20,21. Sin embargo, los umbrales de percepción puede variar con el tiempo la reducción de la capacidad de detectar los efectos subliminales 22. Otra ventaja de esta metodología es que la esperanza de UCS se calcula sobre una base de ensayo por ensayo durante la sesión de condicionamiento. Investigación fMRI otros ha evaluado el conocimiento de CS-UCS contingencias durante las evaluaciones de acondicionamiento post-23. Sin embargo, el acondicionamiento post-evaluaciones 1) no puede evaluar las variaciones en la esperanza de juicio a prueba, 2) pueden ser insensibles a la evidencia sutil de la conciencia de contingencia, y 3) son susceptibles a los problemas que distorsionan los resultados como el olvido y la interferencia. Aunque hay una serie de fortalezas a nuestra metodología, el seguimiento esperanza de UCS como se describe podrán realizar los procesos de atención de una manera que difiere de los estudios que no utilizan las medidas de esperanza de línea. Este es un tema que los investigadores deben considerar junto con las ventajas de esta metodología en el diseño de sus proyectos.
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Disclosures
No hay conflictos de interés declarado.
Acknowledgments
El apoyo prestado por la Universidad de Alabama en Birmingham Programa de Capacitación Docente de subvención.
References
- LaBar, K. S., Gatenby, J. C., Gore, J. C., LeDoux, J. E., Phelps, E. A. Human amygdala activation during conditioned fear acquisition and extinction: a mixed-trial fMRI study. Neuron. 20, 937-945 (1998).
- Buchel, C., Morris, J., Dolan, R. J., Friston, K. J. Brain systems mediating aversive conditioning: an event-related fMRI study. Neuron. 20, 947-957 (1998).
- Cheng, D. T., Knight, D. C., Smith, C. N., Stein, E. A., Helmstetter, F. J. Functional MRI of human amygdala activity during Pavlovian fear conditioning: stimulus processing versus response expression. Behav. Neurosci. 117, 3-10 (2003).
- Knight, D. C., Smith, C. N., Stein, E. A., Helmstetter, F. J. Functional MRI of human Pavlovian fear conditioning: patterns of activation as a function of learning. Neuroreport. 10, 3665-3670 (1999).
- Cheng, D. T., Knight, D. C., Smith, C. N., Helmstetter, F. J. Human amygdala activity during the expression of fear responses. Behav. Neurosci. 120, 1187-1195 (2006).
- Balderston, N. L., Helmstetter, F. J. Conditioning with masked stimuli affects the timecourse of skin conductance responses. Behav. Neurosci. 124, 478-489 (2010).
- Esteves, F., Parra, C., Dimberg, U., Ohman, A. Nonconscious associative learning: Pavlovian conditioning of skin conductance responses to masked fear-relevant facial stimuli. Psychophysiology. 31, 375-385 (1994).
- Cheng, D. T., Richards, J., Helmstetter, F. J. Activity in the human amygdala corresponds to early, rather than late period autonomic responses to a signal for shock. Learn. Mem. 14, 485-490 (2007).
- Knight, D. C., Nguyen, H. T., Bandettini, P. A. The role of the human amygdala in the production of conditioned fear responses. Neuroimage. 26, 1193-1200 (2005).
- Knight, D. C., Nguyen, H. T., Bandettini, P. A. The role of awareness in delay and trace fear conditioning in humans. Cogn. Affect. Behav. Neurosci. 6, 157-162 (2006).
- Schultz, D. H., Helmstetter, F. J. Classical conditioning of autonomic fear responses is independent of contingency awareness. J. Exp. Psychol. Anim. Behav. Process. 36, 495-500 (2010).
- Dunsmoor, J. E., Bandettini, P. A., Knight, D. C. Neural correlates of unconditioned response diminution during Pavlovian conditioning. Neuroimage. 40, 811-817 (2008).
- Katkin, E. S., Wiens, S., Ohman, A. Nonconscious fear conditioning, visceral perception, and the development of gut feelings. Psychol. Sci. 12, 366-370 (2001).
- Knight, D. C., Waters, N. S., King, M. K., Bandettini, P. A. Learning-related diminution of unconditioned SCR and fMRI signal responses. Neuroimage. 49, 843-848 (2010).
- Knight, D. C., Waters, N. S., Bandettini, P. A. Neural substrates of explicit and implicit fear memory. Neuroimage. 45, 208-214 (2009).
- Lovibond, P. F., Shanks, D. R. The role of awareness in Pavlovian conditioning: empirical evidence and theoretical implications. J. Exp. Psychol. Anim. Behav. Process. 28, 3-26 (2002).
- Hippocampus, 8, 620-626 (1998).
- Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Comput. Biomed. Res. 29, 162-173 (1996).
- Knight, D. C., Nguyen, H. T., Bandettini, P. A. Expression of conditional fear with and without awareness. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100, 15280-15283 (2003).
- Bunce, S. C., Bernat, E., Wong, P. S., Shevrin, H. Further evidence for unconscious learning: preliminary support for the conditioning of facial EMG to subliminal stimuli. J. Psychiatr. Res. 33, 341-347 (1999).
- Kotze, H. F., Moller, A. T. Effect of auditory subliminal stimulation on GSR. Psychol. Rep. 67, 931-934 (1990).
- Miller, J. Threshold variability in subliminal perception experiments: fixed threshold estimates reduce power to detect subliminal effects. J. Exp. Psychol. Hum. Percept. Perform. 17, 841-851 (1991).
- Tabbert, K., Stark, R., Kirsch, P., Vaitl, D. Dissociation of neural responses and skin conductance reactions during fear conditioning with and without awareness of stimulus contingencies. Neuroimage. 32, 761-770 (2006).
