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将行为反应与人类前额叶皮层的fMRI信号相关联：通过任务分析检验认知过程

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DOI：

10.3791/3237

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2012年6月20日

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1Department of Psychology, Centre for Vision Research, York University, 2Department of Biology, Centre for Vision Research, York University

本文内容

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摘要

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。

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MRI室之前

  1. 参与者需填写知情同意书，其中说明实验的所有风险（如起搏器、幽闭恐惧症、金属植入物、妊娠可能性等）以及参与研究的益处。
  2. 所有参与者必须填写磁共振成像（MRI）安全与筛查问卷（简要病史、既往手术史等）。存在禁忌症的参与者必须被排除。

2. 任务概述与训练

  1. 提供关于反向扫视任务表现的训练。
    1. 绿色注视提示为朝向扫视试验。指导参与者注视屏幕上外周出现的目标，视觉角度为8-10°。
    2. 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目标对侧的镜像位置，视觉角度为8-10°（例如，当目标在右侧时，应向左看）。
  2. 在扫描仪外提供情绪斯特鲁普任务表现的训练。
    1. 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MRI扫描仪内需按下相应按钮进行反应。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。
    2. 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**一致的**或**不一致的**（图1）。每次扫描开始时，屏幕上显示书面指令，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“书面词语（快乐、中性、悲伤）”。
    3. 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，面部刺激呈现250毫秒，接着是持续2秒的反应图像。反应图像用于给予参与者时间通过按下相应按钮报告其判断。此反应图像结束后，下一个注视十字的视觉呈现随即开始。每位参与者在两种指令组之一中重复进行实验扫描（即仅报告“面部表情”或仅报告“书面词语”）。所有刺激均使用Presentation 12.1软件生成并呈现（www.neurobs.com）。

3. 扫描仪和眼动追踪设置

  1. 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的图像投射到 MRI 扫描仪内的屏幕上。
  2. 要求参与者从控制室的椅子上起身，进入扫描室。提供耳塞和/或耳机，并由受试者将其放入耳道中。
    1. 受试者仰卧，头部置于头线圈中心位置。我们使用枕头或泡沫垫固定参与者的身体和头部位置，以尽可能提高其舒适度，同时也帮助限制头部移动，因为扫描过程中的头部运动会导致数据丢失，尤其是当头部运动在任何方向上超过 1 mm 时。
    2. 将头线圈滑动或放置到参与者头部上方，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。为了在长达两小时的扫描过程中维持参与者的舒适性，眼睛应尽可能保持在初级眼位8。
  3. 当参与者进入扫描仪后，询问其投射图像的聚焦情况。如果图像不够清晰，需重新调整镜头以改善屏幕上的成像质量。
  4. 现在通过校准测试眼动仪，以确保 IRED 相机处于正确位置。如果角膜上的反射不理想或工作异常，则必须调整 IRED 光源，或重新对准/调整靠近参与者头部位置处用于反射 IRED 光源的镜子。如果参与者的头部位置被调整过，应询问其是否需要增加垫料、泡沫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）监测并记录参与者的水平和垂直眼动位置，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

  1. 将紧急联系用挤压球置于受试者左手中，并放在其腹部，同时将操纵杆/按钮盒置于右手中。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，有助于确认图像不会出现左右翻转的错误。抬起并滑动检查床，将其移至磁共振成像仪（MRI）的中心位置。
  2. 确保所有实验人员离开MRI房间，并关闭MRI室的门。
  3. 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，并尽可能感到舒适。若未达到理想状态，应根据需要进行调整。
  4. 提醒受试者，扫描仪内的噪音会较大，但这是正常现象。
    1. 首次扫描将采集若干沿矢状面区域的脑部图像，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，此扫描过程将持续数分钟。
    2. 当实验人员观察到定位扫描结果后，将设定覆盖全脑的一系列解剖切片。在本研究中，通常采用轴向斜切面扫描，覆盖整个大脑（共170至256层切片）。需告知受试者，此扫描过程大约需要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，解剖扫描也可安排在功能扫描之后进行；这种顺序具有一定优势，尤其在长时间实验中，受试者易出现疲劳，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。
    3. 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导指令。
  5. 在本示例中，采用伪事件相关设计2来识别情绪Stroop任务所激活的脑区，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，将指示受试者接下来将进行反向扫视范式（anti-saccade paradigm）的扫描。根据所选成像参数，该扫描时长接近6分钟。我们发现，超过此时间的扫描容易导致受试者入睡。
  6. 整个成像会话总时长约为60至120分钟，具体取决于分析所需的总扫描次数。

5. fMRI 分析

  1. 使用 BrainVoyager QX 软件（或任何其他分析软件包，如 AFNI 或 SPM）分析数据。
  2. 首先将功能数据的统计图叠加到脑部解剖图像上。利用一般线性模型（GLM）定义感兴趣脑区（ROIs），为两种扫描过程中的每种实验条件分别设置预测因子（即一致条件和不一致条件、面孔指令和词语指令、反向眼跳、正向眼跳）2。
  3. 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脑区图谱），计算所有被试的标准化 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。
  4. 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在特定试验中的反应时进行相关性分析，如图4所示2。

6. 代表性结果

分析后，我们展示了在扫描期间记录的情绪 stroop 任务和抗扫视任务中与之相关的脑区。情绪 stroop 范式的实验结果表明，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，当面孔的表情与叠加的情绪词汇不一致时，这种不一致性在报告书面词汇时导致左侧 IFG 的 BOLD 信号强度升高2（图 2）。与一致条件相比，不一致条件下的信号强度升高具有统计学意义，其中快乐情绪的一致条件显示出最大的差异2。

最重要的是，三种不一致条件（悲伤、快乐和中性）的反应时（RT）预测了左侧额下回（left 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、中性和悲伤词语表达的过程中，反应时在不一致和一致条件下可解释左侧额下回活动变异的81%2。较高的反应时预示着更大的左侧额下回激活，其中不一致的悲伤条件产生的反应时/信号强度比值高于其他所有表情条件。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额下回信号的增加。更多细节请参见Ford et al.（2007）。

figure-protocol-1
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），接着是需要参与者按键反应的掩蔽图像（2秒）。

figure-protocol-2
图2. 所有固定体积均用作基线。误差条表示平均值的标准误（SEM）。与一致表情相比，不一致表情（快乐、中性、悲伤）显示出显著更大的BOLD信号变化2。插图显示了左侧额下回（IFG），该区域通过功能定位方法确定，所用对比为第5.2节中描述的在关注词语指令条件下，不一致情绪Stroop任务与一致条件之间的对比结果。

figure-protocol-3
图3. 在“关注词语”指令期间，不一致-一致条件的对比显示反应时（RTs）与BOLD信号强度之间存在正相关关系。该图显示了所有10名受试者在六种条件下的平均反应时和BOLD信号。误差线表示平均值的标准误（SEM）2。

figure-protocol-4
图 4. 每种表情向受试者呈现两次。上排为一个试验区块中试验序列的示意图。下部分为用于发现参与情绪面部表情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

本文使用的材料清单
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

  1. Stroop, J. R. Studies of interference in serial verbal reactions. Journal of Experimental Psychology. 18, 643-662 (1935).
  2. 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).
  3. Hallett, P. E. Primary and secondary saccades to goals defined by instructions. Vision Res. 18, 1279-1296 (1978).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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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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

标签

fMRI Stroop GLM

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