Summary
En metod för att undersöka de neurala mekanismer som stöder medvetna och omedvetna minnesprocesser under rädsla konditionering beskrivs. Denna metod övervakar blodet syre beroende (BOLD) funktionell magnetisk resonanstomografi, hud konduktans svar och obetingat stimulus förväntade under Pavlovsk rädsla konditionering för att bedöma de neurala korrelat till olika minnesprocesser.
Abstract
Pavlovsk rädsla konditionering används ofta i kombination med funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) hos människor för att undersöka neurala substrat av associativ inlärning 1-5. I dessa studier är det viktigt att ge beteende bevis för konditionering för att verifiera att skillnader i hjärnans aktivitet lär-relaterade och korrelerade med mänskligt beteende.
Rädsla conditioning studier övervakar ofta autonoma svar (t.ex. hud konduktans svar, SCR) som ett index på inlärning och minne 6-8. Dessutom kan andra beteendemässiga åtgärder ge värdefull information om inlärningsprocessen och / eller andra kognitiva funktioner som påverkar konditionering. Till exempel påverkar obetingat stimulus (UCS) förväntade har på uttrycket av den betingade svar (CR) och obetingat svar (UCR) har varit ett ämne av intresse i flera färska studier 9-14. SCR och UCS förväntade mäter have nyligen använts i samband med fMRI för att undersöka neurala substrat för medvetna och omedvetna rädsla lärande och processer minne 15. Även om dessa kognitiva processer kan utvärderas till viss del efter konditionering session kan efter konditionering bedömningar mäter inte förväntningarna på försök till försök och är känsliga för störningar och glömma, liksom andra faktorer som kan snedvrida resultat 16,17 .
Övervakning autonoma och beteendemässiga samtidigt med fMRI ger en mekanism genom vilken neurala substrat som förmedlar komplexa relationer mellan kognitiva processer och beteende-/ autonoma svar kan bedömas. Men övervakningen autonoma och beteendemässiga i MR-miljö innebär en rad praktiska problem. Specifikt 1) standard beteende och fysiologiska övervakningsutrustning konstruerad av järnhaltigt material som inte kan användas säkert i närheten av MRI scanner, 2) när denna utrustning är placerad utanför MRI-skanning kammaren kan kablarna utskjutande till ämnet bär RF-brus som producerar artefakter i hjärnan bilder, 3) artefakter kan produceras i huden konduktans signalen genom att byta gradienter under skanning 4) den fMRI-signalen som produceras av motorn krav beteende hos behöva skiljas från verksamhet relaterad till kognitiva processer av intresse. Var och en av dessa frågor kan lösas med ändringar i installationen av fysiologiska övervakningsutrustning och ytterligare uppgifter analysförfaranden. Här presenterar vi en metod för att samtidigt övervaka autonoma och beteendemässiga under fMRI och demonstrera användningen av dessa metoder för att undersöka medvetna och omedvetna minnesprocesser under rädsla konditionering.
Protocol
1. Psykofysiologi
Den Biopac Systems, Inc. fysiologiska övervakningssystem (se tabell av specifik utrustning) är icke-standardiserad utrustning i de flesta imaging anläggningar. Schema 15-30 minuter före deltagare ankomst att inrätta fysiologisk övervakning och annan utrustning som beskrivs i detta protokoll (Figur 1).
- Anslut ett kontrollrum AcqKnowledge datorns operativsystem (Biopac Systems, Inc.) fysiologisk övervakning programvara till Biopac MP150 (MP150WSW) med en vanlig Ethernet-(CBLETH2).
- Anslut Biopac Isolerad Digital Interface (STP100C) till ett kontrollrum datorns operativsystem Presentation (neurodysfunktion Systems, Inc, Albany, CA) mjukvara med en DB25 M / F bandkabel.
- Anslut Biopac GSR förstärkare (EDA-100C-MRI) till RF interferensfiltret (MRIRFIF) inom kontrollrummet med en skärmad förlängningskabel (MECMRI-3).
- Anslut RF interferensfiltret (MRIRFIF) till en shielded förlängningskabel (MECMRI-1) inom MRI skanning kammaren.
- Anslut den skärmade förlängningskabeln till bly kolfiber trådar (LEAD 108) som fäster på radio genomskinliga elektroder (EL508). Obs: Vrida ledningarna i en tät spiral minskar artefakter i data hud konduktans som kan skapas vid skanning.
- Fäst radio genomskinliga elektroder (EL508) till den distala falangen av mellersta och ring fingrar deltagarens vänstra hand.
- På grund av arten av scanning utrustning, MRI kammare rumstemperaturer ofta satt under 21 ° C. Täck deltagaren med en filt för att hålla handen temperatur.
2. Beteende hos (joystick)
- Anslut ett kontrollrum datorprogram operativsystem Presentation (neurodysfunktion Systems, Inc, Albany, CA) till joysticken är fORP gränssnittsenhet (nuvarande modeller, Inc, Philadelphia, PA) med en USB-mini-kabel.
- Anslut en fiberoptisk kabel till fORP Interface Unit wnom kontrollrummet, passera sedan kabeln genom en vågledare i MR kammaren.
- Anslut den fiberoptiska kabeln till MR-kompatibel styrspak.
- Direkta deltagare att placera styrspaken i en bekväm och lätt att nå positionen.
3. Stimulus Presentation
- Anslut ett kontrollrum datorprogram arbetar presentation till extern VGA och ljud hamnar de internationella finansinstituten-SA (Invivo Corp, Orlando, FL) kontrollrum konsol (figur 1).
- Kontrollera fiberoptiska kabelanslutningar mellan de internationella finansinstituten kontrollrummet konsol och de internationella finansinstituten Peripheral Interface Unit i MR kammaren, liksom kopplingen mellan Peripheral Interface Unit och ljud / Bildskärm.
- Placera Ljud / Bildskärm bakom huvudet-spole så att deltagaren kan visa skärmen genom en spegel som finns på huvudet-spole.
- Anslut ljud / Bildskärm akustiska gränssnitt rutan till internationella finansinstitut systemet'S MR-kompatibla hörlurar med vinyl slang.
- Kalibrera volym auditiva stimuli med hjälp av en ljudmätaren trycknivå.
4. Försöksförfarande
- Informera deltagarna om att 2 toner kommer att presenteras flera gånger under studien och att volymen på tonerna varierar över och under deras perceptuella tröskeln (Figur 2).
- Direkta deltagare att trycka på en knapp på manöverboxen omedelbart när han hörde någon ton, sedan uppdatera sin förhoppning om att få UCS genom att flytta joysticken för att styra positionen av en rating bar på en 0 till 100 skala (Figur 3).
- Instruera deltagarna att skatta sin UCS förväntade på en kontinuerlig skala från 0 till 100. Informera dem om att bedömningar av 0 indikerar att de är säker på att UCS inte kommer att presenteras, bedömningar av 50 anger att de är osäkert om UCS kommer att presenteras och betyg på 100 indikerar att de är säker på UCS kommer att presenteras. Direkt particip myror att använda andra värden på skalan för att indikera mellanliggande förväntningar. Sedan ge deltagarna möjlighet att öva på att använda joysticken för att göra betyg.
- Utsätta deltagare till en differentiell rädsla konditionering med användning 2 toner (700 & 1300 Hz, 10s varaktighet, 20s ITI) som betingade stimuli (CS) och ett högt vitt brus (100dB, 500 ms) som UCS.
- Nuvarande 60 försök med CS + (coterminating med UCS) och 60 försök med CS-(presenteras utan UCS) i en pseudo-ordning så att inte mer än 2 försök av samma CS presenteras i följd.
- Motverka de toner som ligger till CS + och CS-across deltagarna.
- Modulera volymen av CS + och CS-självständigt. Justera CS volymen på den efterföljande rättegången med samma CS. Minska CS volym 5dB om en knapptryckning görs (dvs. efter en upplevd rättegång). Höj volymen 5dB om en knapptryckning inte görs (dvs. efter en unperceived rättegång).
- Samla vanliga högupplösta T1-viktade strukturella bilder (t.ex. MPRAGE) för att fungera som en anatomisk referens för funktionella data.
- Samla BOLD fMRI av hela hjärnan under konditioneringen proceduren. Trettio sex bör 4mm tjocka skivor vara tillräckliga för att täcka hjärnan med relativt vanliga imaging parametrar (t.ex. TR = 2000ms, TE = 30 ms, FOV = 24cm, 64x64 matris). Synkronisera fMRI förvärvet med stimulans presentation med en fMRI trigger låda.
6. SCR Datainsamling och analys
- Prov hud konduktans vid 2.000 Hz med AcqKnowledge programvara och MR-kompatibel Biopac fysiologisk övervakning som beskrivs i avsnitt 1.
- Applicera en 1 Hz Oändlig Impulse Response (IIR) lågpass digitalt filter till uppgifterna huden konduktans att minska produceras artefakter under avbildning (se figur 4).
- Sampla data hud konduktans vid 250 Hz.
- Beräkna SCRsom skillnaden i huden konduktans nivå från gensvar början till svar topp.
- SCR data kan vara kvadratroten omvandlas till normalisera fördelningen av svar amplituder före statistisk analys.
7. UCS Förväntad Datainsamling och analys
- Prov (40 Hz) och spela in UCS förväntade data med presentationsprogram.
- Beräkna UCS förväntade som genomsnittet (1s prov) svar under den sista sekunden av CS presentation.
8. Funktionell MRI Datainsamling och analys
- Komplett standard förbehandling av data hjärnavbildning (t.ex. skiva timingkorrigering, bildregistrering, spatial utjämning) med en funktionell avbildning paket analysprogram (t.ex. AFNI 18).
- Skapa standard olägenhet (t.ex. motion) och stimulans-baserade regressorerna för upplevda och unperceived försök med CS + och CS-, samt UCS.
- Skapa en motorisk respons baserad referens vågformen att fungera som en olägenhet tillbakabildande att ta hänsyn till motorisk aktivitet relaterad till svar knapptryckning.
- Skapa en pinne funktion som kodar för tidpunkten för svaren knapptryckning.
- Convolve knappen funktionen trycker stick med den kanoniska hemodynamiska responsen funktion (HRF).
- Skapa motorisk respons-baserad referensvågform att fungera som en olägenhet tillbakabildande att redovisa motorisk aktivitet relaterad till joysticken svar.
- Skapa en pinne funktion som kodar för tidpunkten för förändringar i lutningen (t.ex. lutning absolut värde> 10) i UCS förväntade betyg.
- Convolve joysticken funktionen lutning stick med den kanoniska HRF.
- Utför grundnivå analyser med alla stimulans-baserade och störande regressorerna.
- Utför en andra nivå upprepade mätningar ANOVA för att identifiera områden där aktivering visar en huvudsaklig effekt av CS typ en huvudsaklig effekt av perception, eller enCS typ X uppfattning interaktion.
9. Representativa resultat:
Metodiken presenteras här oftast resulterar i relativt höga UCS förväntade betyg under upplevda CS + prövningar och låga betyg under uppfattas CS-studier (Figur 5) 10,15,19. Sådana resultat indikerar deltagarna är medvetna om CS-UCS oförutsedda. På unperceived studier UCS förväntade betyg kvarstår vanligtvis oförändrad från före CS betyg. UCS förväntade på dessa unperceived CS + och CS-försöken faller vanligtvis nära 50 indikerar deltagarna är osäker på om UCS kommer att presenteras 10,15,19 (Figur 5). Denna oförmåga att producera differentiella UCS förväntade betyg för unperceived CS + och CS-indikerar att deltagarna inte kan uttrycka sin beredskapsplan medvetenhet om unperceived konditionering försök (Figur 6). Däremot har lärande-relaterade förändringar i SCR observerats under både uppfattas och unperceived konditionering tr papperstillverkning 10,15,19. Specifikt var SCR större den upplevda CS + än den upplevda CS-. På samma sätt har större SCR visats under unperceived CS + än unperceived CS-studier 10,15,19 (Figur 6). Sammantaget utgör dessa beteendemässiga och autonoma data visar rädsla konditionering med oförutsedda medvetenheten om upplevda försök, och rädsla konditionering utan oförutsedda medvetenheten om unperceived prövningar. Den funktionella Imaging Research med denna metod har visat lärande-relaterade hippocampus aktivering på uppfattas, men inte obemärkt konditionering prövningar 15 (Figur 7). I motsats, var differentiell amygdala aktivitet observerades på både uppfattas och unperceived konditionerande prövningar 15. Dessa resultat överensstämmer med uppfattningen att hippocampus stödjer processer relaterade till oförutsedda medvetenhet, medan amygdala stöder CR uttryck med och utan medvetenhet.
/ 3083/3083fig1.jpg "alt =" Bild 1 "/>
Figur 1. Diagram av grundläggande utrustning för stimulans presentation och beteendemässiga / psykofysiologiska svar övervakning. Presentationsprogram används för att presentera audiovisuella stimuli och övervaka UCS betyg förväntad gjort genom att flytta en joystick med höger hand. AcqKnowledge programvara och Biopac utrustning används för att övervaka hud konduktans från vänster. Fast (Biopac), enstaka streckade (IFI Audio-Visual) och dubbla streckade linjer (fiberoptik joystick) skildrar kablar för distinkt stimulans presentation och respons övervakningssystem. Svarta pilar anger riktningen för informationsflödet.
Figur 2. Conditioned stimuli. Presentera CS + och CS-i pseudo-ordning så att inte mer än 2 försök av samma CS presenteras i följd. Variera volymen av CS + och CS-självständigt. Om en CS uppfattas (indikeras med en knapptryckning), minska CS volymen 5dB på den efterföljande rättegången av samma CS. Om en CS unperceived (indikeras av ingen knapptryckning), höja CS volym 5 dB på den efterföljande rättegången med samma CS.
Figur 3. UCS förväntade skala. Instruera deltagarna att bedöma deras förväntningar på UCS presentation på en 0 till 100 skala. Betyg från 0 indikerar säkerhet UCS inte kommer att presenteras, bedömningar av 100 indikerar säkerhet UCS kommer att presenteras och betyg på 50 avspeglar osäkerhet om UCS kommer att presenteras. Mellanliggande betyg bör användas för att indikera graderingar i UCS förväntade.
Figur 4. Jämförelse av råvaror och filtrerade data hud konduktans. a) Rå hud konduktans som samlats in under fMRI. b) Hud konduktans uppgifter efter caskriften av en 1Hz IIR lågpassfilter.
Figur 5. UCS förväntade betyg. -Deltagarna rapporterar vanligtvis höga UCS förväntade på upplevda CS + prövningar och låga förväntad på upplevd CS-prövningar. UCS förväntade på unperceived CS + och CS-försök skiljer sig inte.
Figur 6. UCS förväntade och SCR. Skillnader i UCS förväntade vanligtvis observeras på upplevd CS + och CS-försök visar deltagarna är medvetna om stimulans oförutsedda. På unperceived studier UCS förväntade betyg vanligtvis skiljer sig inte visar deltagarna inte kan uttrycka sin oförutsedda medvetenhet. Däremot är skillnaderna i luftkonditionerade SCR vanligtvis på både upplevda och unperceived konditionering prövningar. Sådana resultat reflekterar lärt rädsla uttryck med (dvs. On uppfattade försök) och utan (dvs. unperceived försök) oförutsedda medvetenhet.
Figur 7. Funktionell MRT av hippocampus och amygdala. Hippocampus svar är oftast större i CS + än CS-on uppfattas, men inte obemärkt konditionering prövningar. Differential amygdala svar oftast observeras på både upplevda och unperceived konditionering prövningar. Dessa resultat överensstämmer med uppfattningen att hippocampus stödjer processer relaterade till oförutsedda medvetenhet, medan amygdala stöder rädslan uttryck med och utan medvetenhet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Rädslan konditionering metoder som beskrivs här ger en möjlighet att undersöka de neurala mekanismerna för medvetna och omedvetna processer rädsla minne. Denna metod drar fördel av den samtidiga övervakningen av beteendemässiga, autonoma och fMRI uppgifter. Övervakning beteendemässiga (dvs UCS förväntade) och autonoma svar (dvs SCR) är en kritisk komponent i denna metod. UCS förväntade tillhandahåller ett medel för att bedöma oförutsedda medvetenhet, medan SCR tillhandahåller ett index av CR uttryck. Tillsammans kan dessa beteendemässiga och autonoma svar användas under presentationen av ovan och under tröskelvärdet CS + och CS-försök för att undersöka rädslan konditionering med och utan oförutsedda medvetenhet. Funktionell MRI data kan sedan användas för att undersöka neurala korrelat till medvetna och omedvetna processer rädsla minne. En särskild styrka denna metod är att den utsätter deltagarna för varje typ av konditionering studie (dvs. uppfattas CS + & CS-, unperceived CS + och CS-). Inom-sm inte annat följer mönster som den som beskrivs här är mer kraftfull än mellan föremål konstruktioner på grund av den relativt stora interindividuella variabiliteten hos både SCR och fMRI-svar signal. En annan stark punkt i denna metod är att volymen av CS presentation anpassas till varje deltagares perceptuella tröskeln. Vidare är den perceptuella tröskeln tillåts variera under loppet av sessionen konditionering. Tidigare arbete har typiskt fram stimuli vid en viss nivå under gränsvärdet 7,20,21. Emellertid kan perceptuella trösklar variera över tiden minskar förmågan att detektera subthreshold effekter 22. En ytterligare styrka denna metodik är att UCS förväntade bedöms på försök-för-försök under konditioneringen sessionen. Annan fMRI forskning har bedömt medvetenhet om CS-UCS oförutsedda under efter-conditioning utvärderingar 23. Däremot kan efter konditionering bedömningar 1) inte bedöma variationer i förväntad från försök till försök, 2) kanvara okänslig för subtila tecken på oförutsedda medvetenhet och 3) är känsliga för frågor som snedvrider resultat som glömmer och störningar. Även om det finns ett antal styrkor till vår metod kan övervaka UCS förväntade som beskrivs engagera uppmärksamhetsproblem processer på ett sätt som skiljer sig från studier som inte använder nätet förväntade åtgärder. Detta är en fråga som utredarna bör överväga tillsammans med fördelarna med denna metod när de utformar sina projekt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Stöd från University of Alabama i Birmingham utvecklingsinstitut Grant Program.
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).
