Übertragen kognitiven Aufgaben zwischen Gehirnbildgebende Verfahren: Implikationen für die Aufgabengestaltung und Ergebnisse Interpretation in fMRT-Studien

Summary

Transferring a paradigm with a history of use in EEG experiments to an fMRI experiment is considered. It is demonstrated that manipulating the task demands in the visual oddball task resulted in different patterns of BOLD activation and illustrated how task design is crucial in fMRI experiments.

Abstract

As cognitive neuroscience methods develop, established experimental tasks are used with emerging brain imaging modalities. Here transferring a paradigm (the visual oddball task) with a long history of behavioral and electroencephalography (EEG) experiments to a functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiment is considered. The aims of this paper are to briefly describe fMRI and when its use is appropriate in cognitive neuroscience; illustrate how task design can influence the results of an fMRI experiment, particularly when that task is borrowed from another imaging modality; explain the practical aspects of performing an fMRI experiment. It is demonstrated that manipulating the task demands in the visual oddball task results in different patterns of blood oxygen level dependent (BOLD) activation. The nature of the fMRI BOLD measure means that many brain regions are found to be active in a particular task. Determining the functions of these areas of activation is very much dependent on task design and analysis. The complex nature of many fMRI tasks means that the details of the task and its requirements need careful consideration when interpreting data. The data show that this is particularly important in those tasks relying on a motor response as well as cognitive elements and that covert and overt responses should be considered where possible. Furthermore, the data show that transferring an EEG paradigm to an fMRI experiment needs careful consideration and it cannot be assumed that the same paradigm will work equally well across imaging modalities. It is therefore recommended that the design of an fMRI study is pilot tested behaviorally to establish the effects of interest and then pilot tested in the fMRI environment to ensure appropriate design, implementation and analysis for the effects of interest.

Introduction

Wie kognitiven Neurowissenschaften Methoden zu entwickeln, festgestellt werden experimentelle Aufgaben mit aufstrebenden Gehirn bildgebenden Modalitäten verwendet. Dies ist eine logische Folge, da die meisten neuro Konzepte (zum Beispiel unterschiedliche Speicherunterkomponenten) sind in der Verhaltens Domäne und entsprechenden experimentellen Arbeiten zur Sondierung spezifische Funktionen untersucht, entwickelt und getestet. Als neue Technologie entsteht die Beweise für die neuronalen Grundlagen dieser Verhaltensbeobachtungen mit den neuen bildgebenden Methoden gesucht. Zwar mag es verlockend, einfach zu ziehen auf gut untersuchten Verhaltens Aufgaben für bildgebende Studien, haben mehrere wichtige Einschränkungen berücksichtigt werden. Ein wesentlicher, wenn auch häufig vernachlässigt, ist die Berücksichtigung der Verwendung des am besten geeigneten Bilderzeugungstechnik zu weiteren Sonde die Verhaltenshinweise. In Bezug auf die kognitiven Neurowissenschaften und der Psychologie gibt es viele bildgebende Verfahren zur Verfügung, um unser Verständnis des neuronalen aktiv verbessernkeit zugrunde liegenden Konzepte von Interesse; zum Beispiel der Elektroenzephalographie (EEG), Magnetenzephalographie (MEG), transkranielle Magnetstimulation (TMS), die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Alle diese Methoden haben ihre Vorteile, Nachteile und entsprechende Anwendungen. Hier die Übertragung eines Paradigma mit einer langen Geschichte von Verhaltens-und EEG-Experimente zu einem fMRI-Experiment betrachtet. EEG ist seit Jahrzehnten eingesetzt, um neuronale Reaktionen mit Wahrnehmungs und kognitive Prozesse verbunden zu untersuchen. Als solche haben viele Paradigmen für die Verwendung mit diesem Verfahren entwickelt und im Laufe der Zeit entwickelt. Funktionelle MRT ist eine Technik, die in jüngerer Zeit in den kognitiven Neurowissenschaften entstanden und dies hat zu einigen Paradigmen in der EEG-Forschung entwickelt, die in fMRI eingesetzt geführt. Um die Wissensbasis von EEG-Experimente mit den neuen Techniken zu bauen, ist ein logischer Schritt, aber dennoch einige wichtige Punkte können in der Übertragung vernachlässigt werden. Die Techniken einsind sehr unterschiedlich und Aufgaben müssen entsprechend ausgelegt sein. Dies erfordert Wissen, wie die Methode funktioniert und insbesondere, wie potenzielle Modulationen des Paradigmas verwendet werden die Maßnahmen zu beeinflussen. Für weitere Informationen über das Design von fMRI-Experimente der interessierte Leser auf den folgenden Link gerichtet http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Aufgabe Design wird im Rahmen der Übertragung eines Paradigma für EEG-Forschung für die fMRI-Umgebung entwickelt betrachtet werden. Die Ziele dieser Arbeit sind: i) kurz beschreiben, fMRI und wenn ein Einsatz Sinn in den kognitiven Neurowissenschaften ist; ii) zu veranschaulichen, wie Aufgabengestaltung können die Ergebnisse eines Experiments fMRI, insbesondere wenn diese Aufgaben von einem anderen bildgebenden Verfahren entlehnt beeinflussen; und iii) die praktischen Aspekte der Durchführung einer fMRI-Experiment erklären.

Funktionelle MRT ist heute ein weithin verfügbar techniQue und als solche ist ein übliches Verfahren in den kognitiven Neurowissenschaften eingesetzt. Um eine Entscheidung zu treffen, ob die Technik für ein bestimmtes Experiment die Vorteile und Nachteile der fMRT müssen im Verhältnis zu anderen verfügbaren Techniken berücksichtigt werden angemessen zu machen. Ein Nachteil des Verfahrens ist, dass es nicht ein direktes Maß für die neuronale Aktivität, sondern es ist ein Korrelat der neuronalen Aktivität in dem die Stoffwechselreaktion (Sauerstoffbedarf) der hämodynamischen Antwort gefaltet. Somit ihre zeitliche Auflösung ist schlecht im Vergleich zu Elektrophysiologie, zum Beispiel, wenn der gemessene elektrische Signal näher an der zugrunde liegenden Nervenaktivität statt einer Stoffwechselreaktion ist. EEG hat eine zeitliche Auflösung in der Größenordnung von Millisekunden im Vergleich zu einer Auflösung in der Größenordnung von Sekunden in fMRI. Jedoch ist der Hauptvorteil der fMRI, dass die räumliche Auflösung der Technik ist hervorragend. Ferner ist es nicht invasiv und somit Fächer nicht zu Substanzen wie CO aufnehmenntrast Mittel oder Strahlung, wie es in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) der Fall sein, ausgesetzt werden. Daher ist eine geeignete Technik fMRI für Experimente untersuchen, welche Hirnregionen sind in der Wahrnehmung, Kognition und Verhalten beteiligt.

In diesem Papier die visuelle oddball Paradigma wird als Beispiel für die Übertragung von einem gut etablierten EEG-fMRI Aufgabe (siehe Abbildung 1 für Details) übernommen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Probleme diskutiert auch beeinflussen Ergebnisse und Interpretation der Daten, wenn andere Paradigmen verwendet werden und sollte technisch in der Gestaltung aller fMRI Experimente angesehen werden können. Die oddball Paradigma wird häufig in der Psychologie und den kognitiven Neurowissenschaften verwendet werden, um Aufmerksamkeit zu beurteilen und Zielerkennungsleistung. Das Paradigma wurde in der EEG-Forschung entwickelt, die speziell ereigniskorrelierten Potenziale (EKP), für die Untersuchung der so genannten P300-Komponente ^1. Die P300 stellt Zielerkennung und wird bei Erkennung ausgelösteine seltene Zielreiz ^1. Die P300 ist in Studien in einer Reihe von kognitiven und klinischen Bereichen ² zB Patienten mit Schizophrenie und deren Angehörige ^3, starke Raucher ⁴ und der Alterung der Bevölkerung ⁵ verwendet. Da die oddball Paradigma (und der P300 durch das Paradigma hervorgerufen) ist robust und wird auch von verschiedenen Krankheitszuständen moduliert und ihre Übertragung in verschiedenen bildgebenden Verfahren war unvermeidlich.

Die weit verbreitete Aktivierung im Gehirn während einer fMRT-Messung oddball gesehen ist bekannt, dass das Ergebnis von mehreren kognitiven Funktionen sein, wie zahlreiche fMRT-Studien Sondieren anderen kognitiven Konzepte gezeigt. Diese weit verbreitete Art der Aktivierungsmuster macht es schwierig, festzustellen, welche Hirnregionen sind mehr (oder weniger) aktiv aufgrund der spezifischen Aufgabe Manipulationen oder Gruppenunterschiede, dass der Experimentator interessiert ist. Insbesondere ist es nicht sicher, ob die beobachteten Unterschiede in der Activation sind verwandt, um den Nachweis selbst zielen, um die Aufmerksamkeit bezogenen Prozesse, oder ob sie auf andere Aufgabenanforderungen, wie laufende Prozesse oder Arbeitsgedächtnis, die zur Herstellung eines Kraft Antwort Zusammenhang stehen. Der Prozess der Zuordnung von Funktion der gemessenen Aktivität ist einfacher in der EEG-Domäne, in der kognitive Komponente von Interesse (Zielerfassung) in klare Antwort auf die zerebrale oddball Aufgabe (P300) gemessen. Dennoch neigen Neurowissenschaftler, ihre Ergebnisse zu Gunsten der eigenen Hypothese und Experiment interpretieren, sondern als das Bemühen um auszuschließen, alternative Erklärungen. Die meisten Experimente, jedoch nicht in der Lage, diese wichtigen Fragen von Natur aus zu lösen – Scanzeit ist teuer – das ist, warum wir streiten für eine gründliche Planung und Pilottests von Paradigmen.

Neben dieser Schwierigkeit, eine direkte Verbindung zwischen Hirnregionen und kognitive Komponenten, die Art der oddball Paradigma auchstellt andere mögliche methodische Fragen, wenn sie auf fMRI übertragen. Beispielsweise wird die Erfassung eines Ziel Stimulus gewöhnlich durch Drücken einer Antworttaste angezeigt. Dies ermöglicht es dem Experimentator, die Genauigkeit und die Geschwindigkeit der Reaktionen aufzunehmen, aber diese Reaktion kann auch auf der BOLD fMRI Reaktion auf Stimuli beeinflussen zielen. Der Motor Aktion für die Taste drücken Auswirkungen auf Reiz-gesperrt fMRI-Aktivierung erforderlich gegeben, dass es nur ein paar hundert Millisekunden nach der Präsentation des Zielreiz passiert. Dies kann auch beeinflussen Auslegung dieser Aktivierung, beispielsweise Hirnregionen bei der Vorbereitung für die Motorreaktion beteiligt sein könnten fälschlicherweise angenommen, dass bei der Detektion der Ziel Stimulus beteiligt ist, und umgekehrt. Dies hat zu methodischen Änderungen, wobei indirekte Maßnahmen der Zielerkennung, nicht auf motorische Reaktionen angewiesen, getroffen werden geführt. Zum Beispiel zählen Zielreize wurde als ein Weg, um sicherzustellen, dass Themen halten attenti vorgeschlagen ⁶auf die Aufgabe; die Anzahl der Versuche verpasst hat, kann angeben, wie unaufmerksam ein Thema war. Die Berichterstattung über die Anzahl der Reize am Ende der Aufgabe gezählt bedeutet auch, dass der Experimentator kann prüfen, ob das Thema richtig durchgeführt die Aufgabe. Eine dritte Alternative ist, um eine vollständig passive Aufgabe Design, bei dem das Motiv keine Anleitung, wie zu reagieren und die Neuheit eines Zielreiz gegeben wird angenommen, dass von Natur aus zu entlocken ein Zielerfassungsartige Reaktion zu verwenden. Trotz dieser Versionen der Aufgabe mit der gleichen Art von Stimuli und Grundkonstruktion wird das Aktivierungsmuster von jeder Schwankung der Aufgabe ergebenden unterschiedlich sein, weil die kognitiven und motorischen Anforderungen der verschiedenen Aufgaben ^7,8 sind. Zum Beispiel wird es in Arbeits Zählen Zielreize zB, die aktuelle Anzahl der Zielreize im Auge beteiligt Gedächtnisprozesse, die während der passiven Betrachtung nicht erforderlich wird. Hier sind diese 3 Versionen des oddball Aufgabe, passiv, zu zählen, einnd reagieren werden verwendet, um zu zeigen, wie vorsichtig Aufgabe Design und Implementierung kann für diese Änderungen in der Aufgabenanforderungen Rechnung tragen und entsprechende Interpretation der Ergebnisse.

Protocol

HINWEIS: Das Studienprotokoll wurde von der lokalen Human Subjects Review Board an der RWTH Aachen genehmigt und wurde in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt. 1. Aufgabengestaltung Wählen Sie eine geeignete Aufgabe, die kognitiven / psychologisches Konstrukt von Interesse zu untersuchen. Verwenden Sie die visuelle oddball Aufgabe (Abbildung 1), um die Zielerkennung Antworten und die Auswirkungen der Aufmerksamkeit auf Zielerkennung zu …

Representative Results

Die Stimulation und Analyse-Methode ausgelöst BOLD-Aktivierung in Hirnregionen mit einer visuellen oddball Aufgabe verbunden. Die Ziel> Nicht-Ziel-Kontrast ergab keine Aktivierung für den passiven Zustand aber offenbaren Aktivierung sowohl in der Zählung und reagieren (Abbildung 3). Die in Abbildung 3 dargestellten Daten ist ein qualitativer Vergleich des Grafen und reagieren Bedingungen und zeigt, wie die Aktivierungsmuster aussehen würde, wenn jede Version der Aufgabe wurde in …

Discussion

Wir zeigen, dass die Manipulation der Aufgabe erfordert in der bild oddball Aufgabenergebnisse in verschiedenen Mustern von BOLD-Aktivierung in der Zählung und reagieren Bedingungen. Die funktionellen Rollen von einigen der Regionen in jedem Zustand gebracht worden wäre unangemessen zugewiesen hatte Daten aus den drei Varianten der Aufgabe zum Vergleich zur Verfügung nicht. Diese Mehrdeutigkeit in die Interpretation der Daten nicht unbedingt gewesen im EEG P300 Bereich, in dem die Aufgabe hat ihren …

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Magnetom Tim Trio 3T MRI scanner	Siemens Medical Solutions, Erlangen, Germany
Presentation version 14.8	Neurobehavioural system, Albany, CA, USA
Lumitouch device	Photon Control Inc, Burnaby, BC, Canada		This device is no longer produced by the manufacturer. Alternative MR compatible response devices are available
TFT display	Apple, Cupertino, CA, USA	30inch cinema display	The screen was custom modified in-house to be MR compatible. However, a number of MR compatible screens are available on the market
optseq		surfer.nmr.mgh.harvard.edu/optseq	program for determining optimal stimulus timing for rapid event related designs
FMRIB software library (FSL)	FMRIB, Oxford	http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/	Other software tools are available for analysing fMRI data, for example SPM, AFNI and Brain Voyager