Étudier les mécanismes neuronaux de la mémoire La peur Conscient et inconscient avec l'IRMf

Summary

Une méthodologie pour étudier les mécanismes neuronaux qui soutiennent les processus de mémoire conscients et inconscients au cours conditionnement de la peur est décrite. Cette méthode de mesure de niveau d'oxygène sanguin dépendantes (BOLD) imagerie fonctionnelle par résonance magnétique, la réponse conductance de la peau, et l'espérance de stimulus inconditionnel pendant le conditionnement pavlovien craignent pour évaluer les corrélats neuraux de la mémoire des processus distincts.

Abstract

Conditionnement de la peur pavlovien est souvent utilisé en combinaison avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) chez l'homme pour enquêter sur les substrats neuronaux de l'apprentissage associatif ^1-5. Dans ces études, il est important de fournir des preuves de comportement de la climatisation afin de vérifier que les différences dans l'activité du cerveau sont liés à l'apprentissage et la corrélation avec le comportement humain.

Des études conditionnement de la peur souvent de surveiller les réactions autonomes (par exemple la réponse conductance de la peau; RCS) comme un indice de l'apprentissage et la mémoire ^6-8. En outre, d'autres mesures comportementales peuvent fournir des informations précieuses sur le processus d'apprentissage et / ou d'autres fonctions cognitives qui influencent conditionné. Par exemple, l'impact inconditionnée de relance (UCS) ont une espérance sur l'expression de la réponse conditionnée (RC) et la réponse inconditionnée (DUC) a été un sujet d'intérêt dans plusieurs études récentes ^9-14. RCS et les mesures de l'espérance de NGC ont récemment été utilisés en conjonction avec l'IRMf pour étudier les substrats neuronaux de la peur de l'apprentissage conscients et inconscients et les processus de mémoire ^15. Bien que ces processus cognitifs peuvent être évalués à un certain degré suite à la session de conditionnement, de post-conditionnement des évaluations ne peut pas mesurer les attentes à titre d'essai à essai et sont sensibles aux interférences et l'oubli, ainsi que d'autres facteurs qui peuvent fausser les résultats de ^16,17 .

Surveillance réponses autonomes et comportementales simultanément avec l'IRMf fournit un mécanisme par lequel les substrats neuronaux qui interviennent dans les relations complexes entre les processus cognitifs et des réactions comportementales / autonomique peuvent être évalués. Toutefois, le suivi des réponses autonomiques et comportementaux dans l'environnement IRM pose un certain nombre de problèmes pratiques. Plus précisément, 1) l'équipement standard de surveillance comportementale et physiologique est construit de matériaux ferreux qui ne peuvent pas être utilisés sans danger à proximité du scanner IRM, 2) lorsque cet équipement est placé à l'extérieur de la chambre de l'IRM, les câbles en saillie pour le sujet peut porter le bruit RF produit des artefacts dans les images du cerveau, 3) des artefacts peuvent être produites au sein du signal conductance de la peau en passant dégradés lors de la numérisation, 4) le signal IRMf produite par les exigences du moteur des réponses comportementales peuvent avoir besoin d'être distinguée de l'activité liée à des processus cognitifs d'intérêt . Chacun de ces problèmes peuvent être résolus avec des modifications à la configuration des équipements de surveillance physiologique et nouvelles procédures d'analyse des données. Nous présentons ici une méthode pour surveiller simultanément les réactions autonomes et comportementales au cours IRMf, et démontrer l'utilisation de ces méthodes pour étudier les processus de mémoire conscients et inconscients au cours conditionnement de la peur.

Protocol

1. Psychophysiologie

Les systèmes Biopac, système de surveillance physiologique Inc (voir le tableau des équipements spécifiques) est un équipement non standard dans la plupart des installations d'imagerie. Calendrier 15-30 minutes avant l'arrivée des participants à mettre en place un suivi physiologique et d'autres équipements décrits dans ce protocole (figure 1).

1. Connecter un contrôle opérationnel salle informatique AcqKnowledge (BIOPAC Systems, Inc) un logiciel de surveillance physiologique à la MP150 Biopac (MP150WSW) en utilisant une norme câble Ethernet croisé (CBLETH2).
2. Branchez le Biopac isolés Digital Interface (STP100C) à une présentation en salle d'opération de contrôle informatique (systèmes neurocomportementaux, Inc; Albany, CA) en utilisant un logiciel de DB25 M / F câble ruban.
3. Branchez le Biopac GSR amplificateur (EDA-100C-IRM) pour le filtre interférences RF (MRIRFIF) dans la salle de contrôle en utilisant un câble d'extension blindé (MECMRI-3).
4. Connectez le filtre à interférences RF (MRIRFIF) pour un câble d'extension blindé (MECMRI-1) dans la chambre de l'IRM.
5. Branchez le câble d'extension blindé pour câbles en fibre de carbone conduisent (LEAD 108) qui se fixent à la radio électrodes translucides (EL508). Note: Torsion du conduit dans une spirale serrée réduit les artefacts dans les données de conductance de la peau qui peuvent être créés lors de la numérisation.
6. Attacher les électrodes de radio translucide (EL508) à la phalange distale du majeur et l'annulaire de la main gauche du participant.
7. En raison de la nature du matériel de numérisation, les températures IRM salle de la chambre sont souvent fixé en dessous de 21 ° C. Couvrir le participant avec une couverture pour maintenir la température à la main.

2. Réponses comportementales (Joystick)

1. Connectez une salle informatique de contrôle Présentation du logiciel d'exploitation (systèmes neurocomportementaux, Inc; Albany, Californie) à l'unité du joystick Interface forp (les modèles actuels, Inc; Philadelphie, PA) à l'aide d'un câble USB-mini.
2. Connectez un câble de fibre optique à l'unité d'interface forp dans la salle de contrôle, puis passer le câble à travers un guide d'onde dans la chambre de l'IRM.
3. Branchez le câble en fibre optique pour le joystick compatible avec la RM.
4. Les participants directs à placer le joystick dans une position confortable et facile à atteindre.

3. Présentation du stimulus

1. Connectez une salle informatique de contrôle Présentation du logiciel d'exploitation des ports VGA externe et audio de l'IFIS-SA (Invivo Corp, Orlando, Floride) console de la salle de contrôle (figure 1).
2. Vérifiez les connexions des câbles à fibres optiques entre la console IFIS salle de contrôle et de l'Unité IFIS Peripheral Interface dans la chambre de l'IRM, ainsi que les connexions entre l'unité d'interface périphérique et l'unité d'affichage audio / visuels.
3. Placez l'unité d'affichage audio / vidéo derrière la tête-bobine telle que le participant peut voir l'écran à travers un miroir attaché à la tête de la bobine.
4. Connectez la case Display Unit Audio / Visual l'interface acoustique au système IFIS est compatible avec la RM casque stéréo en utilisant des tubes de vinyle.
5. Calibrer le volume de stimuli auditifs à l'aide d'un mètre niveau de pression acoustique.

4. Procédure expérimentale

1. Informez les participants que deux tons seront présentés à plusieurs reprises pendant l'étude, et que le volume des tonalités varient au-dessus et en dessous de leur seuil de perception (figure 2).
2. Les participants directs à pousser sur un bouton de la boîte joystick dès l'audition soit le ton, puis mettre à jour leur espoir de recevoir de l'UCS en déplaçant le joystick pour contrôler la position d'une barre de notation sur une échelle de 0 à 100 (figure 3).
3. Demandez aux participants d'évaluer leur espérance de NGC sur une échelle continue allant de 0 à 100. Informez-les que les notes de 0 indiquent qu'ils sont certains de l'UCS ne seront pas présentés, les notes des 50 indiquent qu'ils sont incertains si l'UCS sera présenté, et les cotes de 100 indiquent qu'ils sont certains de l'UCS seront présentés. Les participants directs à utiliser d'autres valeurs sur l'échelle pour indiquer les attentes intermédiaires. Ensuite, permettre aux participants de s'exercer à utiliser le joystick pour faire notations.
4. Exposer les participants à une procédure de conditionnement différentiel de la peur en utilisant deux tons (700 & 1300 Hz, durée 10s; 20 ans IIT) en tant que stimulus conditionnel (SC) et d'une forte de bruit blanc (100dB, 500ms) comme l'UCS.
5. Présent 60 essais de l'+ CS (coterminating avec l'UCS) et 60 essais sur le CS-(présenté sans l'UCS) dans un ordre pseudo-aléatoire de telle sorte que pas plus de 2 essais de la même CS sont présentés consécutivement.
6. Contrebalancer les tons qui servent de + CS et CS-tous les participants.
7. Moduler le volume de l'+ CS et CS-indépendante. Régler le volume de CS sur le procès ultérieur avec le même CS. Diminuer le volume 5dB CS, si un bouton est faite (c'est à dire issue d'un procès perçu). Augmenter le volume si 5dB un bouton n'est pas fait (c'est à dire issue d'un procès inaperçu).

ve_title "> 5. Procédure de numérisation

1. Recueillir la norme haute résolution des images pondérées en T1 structurelles (p. ex MPRAGE) pour servir de référence anatomique pour des données fonctionnelles.
2. Recueillir l'IRMf BOLD de l'ensemble du cerveau pendant la procédure de conditionnement. Trente-six, 4mm d'épaisseur doit être suffisante pour couvrir le cerveau avec des paramètres d'imagerie relativement standard (TR = 2000ms, par exemple, TE = 30 ms, FOV = 24cm, matrice 64x64). Synchroniser l'acquisition IRMf avec la présentation du stimulus utilisant une boîte de déclencher l'IRMf.

6. RCS Data Acquisition & Analyse

1. Conductance de la peau de l'échantillon à 2000 Hz en utilisant AcqKnowledge logiciel et le système compatible avec la RM Biopac surveillance physiologique décrite dans l'article 1.
2. Appliquer une réponse 1 Hz impulsionnelle infinie (IIR) filtre passe-bas numérique aux données conductance de la peau pour réduire les artefacts produits au cours de l'imagerie (voir Figure 4).
3. Rééchantillonner les données conductance de la peau à 250 Hz.
4. Calculer RCS que la différence de niveau entre l'apparition conductance de la peau suite à pic de la réponse.
5. Données de la SCR peut être la racine carrée transformée pour normaliser la distribution des amplitudes de réponse avant l'analyse statistique.

7. Espérance UCS Data Acquisition & Analyse

1. Échantillon (40 Hz) et enregistrer des données en utilisant le logiciel espérance UCS Présentation.
2. Calculer l'espérance de UCS comme la moyenne (échantillon 1s) de réponse lors de la dernière seconde de la présentation de CS.

8. Functional MRI Acquisition et analyse des données

1. Compléter le niveau de prétraitement des données d'imagerie cérébrale (correction par exemple le calendrier tranche, l'enregistrement d'images, lissage spatial) en utilisant un package logiciel d'analyse de l'imagerie fonctionnelle (par exemple AFNI ^18).
2. Créer nuisances standard (de mouvement) et de relance basé sur régresseurs pour les essais perçus et non perçus de l'+ CS et CS-, ainsi que la NGC.
3. Créer une réponse basée sur moteur de signal de référence pour servir de variable explicative de nuisance pour rendre compte de l'activité motrice liée à des réponses appuyez sur le bouton.
   1. Créer une fonction clé qui code pour la synchronisation des réponses appuyez sur le bouton.
   2. Convolution de la fonction coller appuyez sur le bouton avec la fonction de réponse hémodynamique canonique (HRF).
4. Créer basé sur la réponse du moteur de forme d'onde de référence pour servir de variable explicative de nuisance pour rendre compte de l'activité motrice liée à des réponses joystick.
   1. Créer une fonction clé qui code pour la synchronisation des changements dans la pente (valeur de la pente par exemple absolu> 10) de l'espérance de notes UCS.
   2. Convolution de la fonction clé joystick pente avec la FRS canonique.
5. Effectuer des analyses de premier niveau en utilisant toutes les variables explicatives de relance basé et les nuisances.
6. Effectuer un deuxième niveau des mesures répétées ANOVA pour identifier les régions dans lesquelles l'activation montre un effet principal du type CS, un effet principal de la perception, ou une interaction de type CS perception de X.

9. Les résultats représentatifs:

La méthodologie présentée ici se traduit généralement par l'espérance de notes relativement élevées au cours UCS perçu CS + essais et notes faibles durant perçu CS-essais (figure 5) ^10,15,19. De tels résultats indiquent les participants sont conscients de CS-UCS éventualités. Le procès inaperçu, l'espérance de notes UCS restent généralement inchangés par rapport à pré-CS notes. L'espérance de NGC sur ces inaperçu + CS et CS-essais généralement automne près de 50 participants indiquant n'êtes pas sûr de savoir si la NGC sera présenté ^10,15,19 (figure 5). Cette incapacité à produire des notes différentielles espérance à l'UCS inaperçu + CS et CS-indique que les participants sont incapables d'exprimer leur prise de conscience d'urgence sur les essais de conditionnement inaperçu (Figure 6). En revanche, l'apprentissage liés à des changements dans RCS ont été observés au cours des deux essais de conditionnement perçus et non perçus ^10,15,19. Plus précisément, le SCRS étaient plus grandes à l'perçue CS + que le CS-perçu. De même, les grands SCR ont été démontrés au cours inaperçu CS + que inaperçu CS-essais ^10,15,19 (figure 6). Pris ensemble, ces données comportementales et autonome montrer conditionnement de la peur avec la conscience d'urgence sur les essais perçu et conditionnement de la peur sans la conscience d'urgence sur les essais inaperçus. La recherche sur l'imagerie fonctionnelle en utilisant cette méthode a démontré l'apprentissage liés à l'activation hippocampique sur la perception, mais pas inaperçu essais de conditionnement ¹⁵ (figure 7). En revanche, les différentiels amygdale activité a été observée sur les deux essais de conditionnement perçus et non perçus ^15. Ces résultats sont cohérents avec l'idée que l'hippocampe soutient les processus liés à la sensibilisation d'urgence, tandis que l'amygdale soutient l'expression CR avec et sans prise de conscience.

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Figure 1. Schéma de l'équipement de base pour la présentation du stimulus et de surveillance réponse comportementale / psychophysiologique. Présentation du logiciel est utilisé pour présenter des stimuli audio-visuels et des notes de surveiller l'espérance UCS fait en déplaçant un joystick avec la main droite. AcqKnowledge logiciels et équipements Biopac sont utilisés pour surveiller conductance de la peau de la main gauche. Solide (Biopac), seule les lignes pointillées (IFIS audio-visuel), et le double en pointillés (fibre optique, joystick) dépeignent les câbles pour la présentation du stimulus distincts et des systèmes de surveillance de réponse. Les flèches noires indiquent la direction du flux d'information.

Figure 2. Stimuli conditionnés. Présenter le + CS et CS-dans un ordre pseudo-aléatoire de telle sorte que pas plus de 2 essais de la même CS sont présentés consécutivement. Varier le volume de l'+ CS et CS-indépendante. Si un CS est perçu (indiqué par un bouton), diminution du volume 5dB CS sur le procès subséquent de la même CS. Si un CS est inaperçu (indiqué par aucune appuyez sur le bouton), augmenter le volume 5dB CS sur le procès ultérieur avec le même CS.

Figure 3. Ampleur UCS note espérance. Demandez aux participants d'évaluer leur attente de la présentation UCS sur une échelle de 0 à 100. Notes de 0 indique une certitude de l'UCS ne seront pas présentées, les cotes de 100 indique une certitude de l'UCS sera présenté, et les cotes de 50 reflètent l'incertitude quant à savoir si l'UCS seront présentés. Notes intermédiaires devraient être utilisés pour indiquer gradations dans l'espérance de la NGC.

Figure 4. Comparaison des données brutes et filtrées conductance de la peau. a) Les données brutes recueillies lors de conductance de la peau IRMf. b) les données conductance de la peau après application d'un filtre passe-bas IIR 1Hz.

Figure 5. Notes espérance UCS. -Les participants ont généralement une espérance de rapport de haut UCS sur perçus CS + épreuves et les espérances faible perçu CS-essais. Espérance UCS sur inaperçu CS + et CS-essais ne diffèrent pas.

Figure 6. UCS et l'espérance de RCS. Les différences d'espérance UCS sont généralement observées sur perçus CS + et CS-essais participants indiquant sommes conscients des contingences de relance. Le procès inaperçu, l'espérance de notes UCS généralement ne diffèrent en indiquant les participants sont incapables d'exprimer leur prise de conscience de contingence. En revanche, les différences de SCR conditionnés sont habituellement observées sur les deux essais de conditionnement perçus et non perçus. Ces conclusions reflètent l'expression la peur appris avec (c'est à dire sur les essais perçue) et sans prise de conscience de contingence (c'est à dire sur les essais inaperçu).

Figure 7. IRM fonctionnelle de l'hippocampe et l'amygdale. Réponses hippocampe sont généralement plus à l'+ CS que CS-le perçu, mais pas inaperçu essais de conditionnement. Différentiel réponses amygdale sont généralement observées sur les deux essais de conditionnement perçue et inaperçu. Ces résultats sont cohérents avec l'idée que l'hippocampe soutient les processus liés à la sensibilisation d'urgence, tandis que l'amygdale soutient l'expression la crainte avec et sans prise de conscience.

Discussion

La méthodologie décrite ici conditionnement de la peur est un moyen d'étudier les mécanismes neuronaux de conscience et inconscient des processus de mémoire la peur. Cette méthode tire parti de la surveillance simultanée de données comportementales, autonome, et l'IRMf. Surveillance des réactions comportementales (par exemple l'espérance de UCS) et autonome (c'est à dire RCS) est une composante essentielle de cette méthode. L'espérance UCS fournit un moyen d'évaluer la sensibilisation d'urgence, tandis que RCS fournit un indice de l'expression CR. Ensemble, ces réactions comportementales et autonome peut être utilisé lors de la présentation du supra et sous le seuil CS + et CS-essais pour enquêter conditionnement de la peur avec et sans prise de conscience de contingence. Données d'IRM fonctionnelle peut ensuite être utilisé pour étudier les corrélats neuraux de la conscience et inconscient des processus de mémoire la peur. Une force particulière de cette méthodologie est qu'elle expose les participants à chaque type d'essai de conditionnement (par exemple perçu CS + et CS-, inaperçue CS + et CS-). Intra-sujet conçoit comme celui décrit ici, sont plus puissants que l'objet entre les conceptions en raison de la relativement grande variabilité inter-individuelle observée dans les deux SCR et IRMf réponses signal. Autre point fort de cette méthode est que le volume de la présentation de CS est adaptée à seuil de perception de chaque participant. En outre, le seuil de perception est autorisée à varier au cours de la session de conditionnement. Des travaux antérieurs ont généralement présenté des stimuli à un niveau fixé en dessous du seuil ^7,20,21. Cependant, les seuils de perception peut varier au fil du temps en réduisant la capacité de détecter des effets sous le seuil ^22. Un atout supplémentaire de cette méthode est que l'espérance de UCS est évaluée sur une base expérimentale par l'essai durant la session de conditionnement. Autres recherches IRMf a évalué la sensibilisation du CS-UCS éventualités pendant post-conditionnement des évaluations ^23. Toutefois, les évaluations post-conditionnement 1) ne peut pas évaluer les variations de l'espérance d'assister au procès à procès, 2) peut être insensible aux éléments de preuve subtil de sensibilisation d'urgence, et 3) sont sensibles aux questions qui faussent les résultats tels que l'oubli et les interférences. Bien qu'il existe un certain nombre d'atouts à notre méthodologie, suivi espérance UCS tel que décrit peut engager des processus attentionnels d'une manière qui diffère des études qui n'utilisent pas de mesures espérance en ligne. C'est une question que les enquêteurs devraient envisager ainsi que les avantages de cette méthode lors de la conception de leurs projets.