我们研究的目标是将行为与大脑活动相关联。精确的行为测量和成像技术使我们能够阐明脑-行为之间的关系。
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摘要
摘要
本方法论文的目的是描述如何实施一种神经影像技术，以研究两个相似任务所涉及的互补性脑部过程。通过在功能性磁共振成像（fMRI）扫描仪中记录被试执行任务时的行为，并利用血氧水平依赖信号，可将行为表现与脑活动相关联。我们测量行为表现，以便筛选出正确试验——即被试正确完成任务的试验，从而进一步分析与正确表现相关的脑信号。相反，如果被试未能正确完成任务，而将这些错误试验与正确试验合并分析，则会引入并非仅针对正确表现的试验数据。因此，在许多情况下，这些错误本身也可用于与脑活动进行相关性分析。我们描述了在本实验室中用于研究抑制自动反应过程中脑功能的两项互补性任务：Stroop1任务和反向眼跳任务（anti-saccade tasks）。情绪Stroop范式要求被试报告叠加在情绪性面孔上的“词语”内容，或报告面孔刺激的“表情”内容1,2。当词语与面部表情所指的情绪不一致时，便会产生需报告内容与自动阅读内容之间的冲突。被试必须解决词语阅读与面部表情识别这两种同时竞争的认知过程之间的冲突。我们本能地倾向于读出词语，从而形成强烈的“刺激-反应（SR）”关联；因此，抑制这些强烈的SR关联较为困难，被试容易出错。克服这一冲突并把注意力从面部或词语上转移，要求被试抑制通常会将注意力引向更显著刺激的自下而上加工过程。同样，在反向眼跳任务3,4,5,6中，使用提示线索引导注意力至外周刺激位置，但要求眼球运动至其镜像对侧位置。我们再次通过记录被试的眼球运动来测量行为表现，从而将行为反应分类为正确试验和错误试验7，并进一步与脑活动进行关联分析。如今，神经影像技术使研究人员能够测量正确与错误试验中不同行为表现，这些行为反映了不同的认知过程，并可精确定位参与其中的不同神经网络。
方案
1. 进入磁共振成像室前
- 受试者需填写知情同意书，其中说明所有实验相关风险（如起搏器、幽闭恐惧症、金属植入物、怀孕可能性等）以及参与研究的益处。
- 所有受试者均须填写磁共振成像（MRI）安全与筛查问卷（包括简要病史、既往手术史等）。存在禁忌症的受试者必须排除。
2. 任务概述与训练
- 提供关于反向扫视任务表现的训练。
- 绿色注视提示为正向扫视试验。指导参与者注视屏幕上外周区域出现的目标，其视觉角度为 8-10°。
- 红色注视提示为反向扫视试验。指导参与者注视屏幕上外周区域目标对侧的镜像位置，视觉角度为 8-10°（例如，当目标位于右侧时，应注视左侧）。
- 在扫描仪外提供情绪斯特鲁普任务表现的训练。
- 在扫描仪外的计算机上进行15次练习试验，包含不同组合的面孔-词语表情。练习的目的是让参与者熟悉任务内容，并明确在磁共振成像（MRI）扫描仪中按下相应按钮的操作要求。向参与者说明哪个按钮用于报告“快乐表情/词语”、“中性表情/词语”和“悲伤表情/词语”。此外，在进入扫描仪后，再次提醒参与者每个按钮所对应的 emotion。
- 描述性词语（快乐、中性、悲伤）叠加在个体面部图片上。这些词语与图片中面部所表达的情绪可能是意义一致或不一致的（图1）。每次扫描开始时，屏幕上会显示文字指令，提醒参与者通过尽快按下相应按钮来报告“面部表情（快乐、中性、悲伤）”或“文字内容（快乐、中性、悲伤）”。
- 指令显示1秒，随后出现注视十字，参与者需注视该十字1秒。注视十字之后呈现面部刺激图像，持续250毫秒，接着呈现反应图像2秒。反应图像的呈现是为了给予参与者足够时间通过按下相应按钮报告其判断。本次反应图像结束后，下一轮的注视十字随即开始。每位参与者在两种指令条件之一中重复完成实验扫描（即仅报告面部表情或仅报告文字内容）。所有刺激均使用 Presentation 12.1 软件创建并呈现（www.neurobs.com）。
3. 扫描仪与眼动追踪设置
- 开始实验设置时，首先使用数字投影仪将计算机刺激以聚焦图像的形式投射到 MRI 扫描仪的屏幕上。
- 要求受试者从控制室的椅子上起身，进入扫描室。提供耳塞和/或耳机，受试者将其插入耳道。
- 受试者仰卧，头部位于头线圈的中心位置。我们使用枕头或泡沫垫固定受试者的身体和头部位置，以尽可能提高其舒适度，同时限制头部移动，因为扫描过程中的头部运动会导致数据丢失，尤其是当头部在任意方向上的移动超过 1 mm 时。
- 将头线圈滑动或放置到受试者头部上方，并让其在直视前方观察反射投影屏幕的镜子时，尽可能舒适地调整头部角度。为了在整个扫描过程中（最长可达两小时）保持受试者的舒适性，眼睛应尽可能接近原位8。
- 当受试者进入扫描仪后，询问其投射图像的聚焦情况。如果图像不清晰，需重新调整镜头以改善屏幕上的成像质量。
- 现在通过校准测试眼动仪，以确保 IRED 摄像头处于正确位置。如果角膜上的反射不理想或工作异常，必须调整 IRED 光源，或重新对准/调整靠近受试者头部位置处反射 IRED 光源的镜子。如果受试者的头部位置进行了调整，应询问其是否需要增加填充物、泡沫垫或枕头以维持该头部/身体姿势。在扫描过程中，使用红外眼动仪（例如 Sensomotoric Instruments, Needham/Boston, MA）监测并记录受试者的眼球水平和垂直位置，并在分析脑活动时将其与行为范式相关联。5,7
4. 扫描程序
- 将紧急联系用挤压球放置于受试者腹部左侧手中，将操纵杆/按钮盒放置于右侧手中。在靠近头部的右侧放置一粒维生素E胶囊。该胶囊将在解剖扫描图像中可见，有助于确认图像未发生左右翻转。抬起并滑动检查床，将其移至磁共振成像仪（MRI）中心位置。
- 确保所有实验人员离开MRI检查室，并关闭MRI室的门。
- 通过控制室内对讲系统与受试者沟通，确认其已准备好开始扫描，并尽可能处于舒适状态。如有需要，进行相应调整。
- 提醒受试者，扫描仪内的噪音会较大，此为正常现象。
- 首次扫描采集矢状面区域的若干脑部图像，用于定位并确定后续全脑解剖和功能数据采集时切片的精确方位。需告知受试者此次扫描将持续数分钟。
- 实验人员观察定位扫描结果后，将设定覆盖全脑的一系列解剖切片。通常情况下，我们采用轴向斜切面扫描，覆盖整个大脑（170至256层切片）。需告知受试者，此次扫描大约持续6至10分钟，具体时间取决于所设定的切片数量。在某些情况下，解剖扫描也可在功能扫描之后进行。后者具有一定优势：在长时间实验中，受试者常会出现疲劳，而解剖扫描无需受试者主动参与，允许其闭眼休息。因此，在成像会话末尾进行此类扫描可能更为合适。
- 完成解剖扫描后，通过麦克风/扬声器系统再次向受试者说明即将进行的扫描的具体指示。
- 本示例中采用伪事件相关设计2，用于识别情绪Stroop任务激活的脑区，但也可根据需要使用其他感觉刺激、内部感知9或运动刺激10。完成上述扫描后，将指导受试者接下来将进行反向扫视范式扫描。根据所选成像参数，扫描时间接近6分钟。我们发现，超过此持续时间的扫描易导致受试者入睡。
- 整个成像会话总时长约60至120分钟，具体取决于分析所需的总扫描次数。
5. fMRI 分析
- 使用 BrainVoyager QX 软件（或任何其他分析软件包，如 AFNI 或 SPM）分析数据。
- 首先将功能数据的统计图叠加到解剖学脑图像上。利用一般线性模型（GLM），针对两种扫描类型中任务的每种条件分别设置独立的预测变量（即一致条件和不一致条件、面孔指令和词语指令、反向扫视、正向扫视），以功能方式定义感兴趣脑区（ROIs）2。
- 检查 GLM 对比结果中所有激活的额叶区域的信号强度（即所有不一致条件对比所有一致条件，以生成激活区域图），计算所有受试者的标准化 BOLD 信号，并比较两种条件下不一致词语/面部表情与一致词语/面部表情的信号差异2。
- 对用于 GLM 分析的试验中采集的反应时数据进行相关性分析，然后将每个个体的脑活动与其自身特定试验的反应时进行相关性分析2，如图4所示。
6. 代表性结果
分析结果显示，在扫描期间记录到的情绪 stroop 任务和抗扫视任务中，某些脑区表现出相关性。情绪 stroop 范式的分析结果表明，表情、指令和脑区这三个因素之间存在交互效应，但表情的主效应不显著，指令的主效应也不显著2。我们发现，当面部表情与叠加的情绪词汇不一致时，因报告书面词汇而产生的这种不一致性会导致左侧 IFG 的 BOLD 信号强度升高2（图 2）。与一致性条件相比，不一致性条件下信号强度的增加具有统计学意义，其中“快乐—一致”条件显示出最大的差异2。
最重要的是，三种测试的不一致条件（悲伤、快乐和中性）的反应时（RT）预测了左侧额下回（IFG）的BOLD信号较所有一致条件有所增强（图3）。在本项分析中，我们专门考察了反应时，并进行了回归分析，以检验不一致与一致条件下的反应时是否能够预测该脑区内的BOLD信号活动（图3）。我们发现，在报告快乐、中性和悲伤表情词时，反应时可解释左侧IFG活动变异的81%2。较高的反应时预示着更强的左侧IFG激活，其中不一致的悲伤条件相较于其他所有表情条件产生了最高的反应时/信号强度比值。我们采用与上述类似的方法分析了抗扫视范式，以便能够比较两个活动网络。在此示例中，我们发现抗扫视任务相较于顺扫视任务并未引起左侧IFG信号的增强。更多细节请参见Ford et al. (2007)。
图1. 一个不一致试验的示例（带有快乐表情的面部图像上叠加了“SAD”一词）。实验将首先呈现注视点（1秒），随后呈现面部刺激（250毫秒），接着是掩蔽图像（2秒），参与者需在此期间进行按键反应。
图 2. 所有固定状态下的体积数据均用作基线。误差条表示平均值的标准误（SEM）。与协调表情相比，不协调表情（快乐、中性、悲伤）显示出显著更大的BOLD信号变化2。插图显示了左额下回（IFG），该区域通过功能定位方法确定，所用对比条件为第5.2节所述的在“关注词语”指令条件下，不协调情绪Stroop任务与协调条件之间的对比。
图3. 在“注意词语”指令期间，不一致-一致条件对比显示反应时间（RTs）与BOLD信号强度之间存在正相关关系。该图展示了所有10名受试者在六种条件下的平均反应时间和BOLD信号。误差线表示平均值的标准误（SEM）2。
图 4. 每种表情向受试者呈现两次。第一行为一个试验区块中单次试验序列的示意图。下方部分为用于发现参与情绪面部表情处理的脑区的双伽马血流动力学响应函数（HRF）示意图。
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讨论
确定脑区依赖于在扫描任务之间建立准确的对比（例如，在斯特鲁普任务中，情绪与面部表情的不一致条件与一致条件进行对比；或反向扫视与正向扫视的对比），以生成与任务相关的脑激活图谱。当在扫描过程中同步采集被试的行为数据时，可以通过剔除被试出现错误的试验来进一步优化这些功能图谱。若错误试验的数量足够多，还可单独构建这些错误试次的功能图谱3,4,5,6。尤为重要的是，在分析斯特鲁普任务的反应时发现，不一致条件下反应时间较长的个体，其左侧额下回（IFG）的BOLD信号也更高。如果我们未采集这些行为数据，就无法获得关于前额叶皮层功能的新见解2。
该技术可用于测量与特定行为（如正确试验和错误试验）相关的大脑区域活动模式7，所用指标包括按钮按压2或眼动记录。使用这些技术的难点在于，行为数据的时间精度可达毫秒级，而来自血流的功能性数据（BOLD信号）时间分辨率为4-5秒（图4），两者之间需进行精确的时间关联。因此，若要研究与特定行为相关的神经活动，必须考虑血流动力学反应所固有的延迟。...
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
由加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）资助给约克大学健康学院JFXD，作者SO获得安大略省问题赌博研究中心（OPGRC）的博士生研究经费。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3-Tesla MRI 机器 | 西门子 Magnetom Trio（德国埃尔朗根） | ||
| iViewX 眼动追踪 | SensoMotoric Instruments, Inc. | ||
| BrainVoyager QX 软件 | Brain Innovation，荷兰马斯特里赫特 | ||
| 四按钮操纵杆 | Current Designs, Inc.，美国宾夕法尼亚州费城 | ||
| <强>表1. 特定试剂与设备。 |
参考文献
- Stroop, J. R. Studies of interference in serial verbal reactions. Journal of Experimental Psychology. 18, 643-662 (1935).
- Ovaysikia, S., Tahir, K. A., Chan, J. L., DeSouza, J. F. X. Word wins over face: emotional Stroop effect activates the frontal cortical network. Front Hum. Neurosci. 4, 234(2011).
- Hallett, P. E. Primary and secondary saccades to goals defined by instructions. Vision Res. 18, 1279-1296 (1978).
- Connolly, J. D., Goodale, M. A., DeSouza, J. F. X., Menon, R. S., Vilis, T. A comparison of frontoparietal fMRI activation during anti-saccades and anti-pointing. J. Neurophysiol. 84, 1645-1655 (2000).
- DeSouza, J. F. X., Menon, R. S., Everling, S. Preparatory set associated with pro-saccades and anti-saccades in humans investigated with event-related FMRI. J. Neurophysiol. 89, 1016-1023 (2003).
- Everling, S., DeSouza, J. F. X. Rule-dependent activity for prosaccades and antisaccades in the primate prefrontal cortex. J. Cogn. Neurosci. 17, 1483-1496 (2005).
- Ford, K. A., Goltz, H. C., Brown, M. R. G., Everling, S. Neural processes associated with antisaccade task performance investigated with event-related fMRI. J. Neurophysiol. 94, 429-440 (2005).
- DeSouza, J. F. X., Nicolle, D. A., Vilis, T. Task-dependent changes in the shape and thickness of Listing's plane. Vision Res. 37, 2271-2282 (1997).
- Hadjikhani, N. Mechanisms of migraine aura revealed by functional MRI in human visual cortex. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 4687-4692 (2001).
- DeSouza, J. F. X. Eye position signal modulates a human parietal pointing region during memory-guided movements. J. Neurosci. 20, 5835-5840 (2000).
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重印与许可
勘误
Formal Correction: Erratum: Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis
Posted by JoVE Editors on 8/03/2012. Citeable Link.
A correction was made to Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis. Joseph DeSouza and Laura Pynn middle initials were omitted at publication.
These have been corrected to:
Joseph F.X. DeSouza
Laura K. Pynn
