本文介绍了如何使用脑磁图(MEG)记录杏仁核活动。此外,本文还将描述如何在无意识状态下进行痕迹性恐惧条件反射实验,该任务可激活杏仁核。内容涵盖三个主题:1)设计一种利用后向掩蔽来调控意识水平的痕迹条件反射范式;2)在实验过程中使用脑磁图记录大脑活动;3)利用源成像技术从皮层下结构中恢复信号。
方法文章
本文介绍了如何使用脑磁图(MEG)记录杏仁核活动。此外,本文还将描述如何在无意识状态下进行痕迹性恐惧条件反射实验,该任务可激活杏仁核。内容涵盖三个主题:1)设计一种利用后向掩蔽来调控意识水平的痕迹条件反射范式;2)在实验过程中使用脑磁图记录大脑活动;3)利用源成像技术从皮层下结构中恢复信号。
在痕迹性恐惧条件反射中,条件刺激(CS)可预测无条件刺激(UCS)的发生,而UCS在短暂的无刺激间隔期(即痕迹间隔)之后呈现1。由于CS与UCS在时间上并不重叠,因此受试者必须在痕迹间隔期间持续保持对该CS的表征。在人类中,此类学习通常需要意识到刺激之间的关联性,才能跨越这一痕迹间隔2-4。然而,当以面孔作为CS时,即使受试者并未明确意识到刺激关联,仍可隐式地学会对这一面孔产生恐惧反应*。这表明可能存在其他神经机制,能够维持某些“生物学相关”刺激在短暂痕迹间隔期间的表征。鉴于杏仁核参与痕迹性条件反射,且对面孔刺激敏感,该脑区可能在短暂痕迹间隔期间维持对面孔CS的神经表征。
理解大脑如何将一个未被感知的面孔与厌恶结果关联起来具有挑战性,即使这两个刺激在时间上是分离的。此外,对该现象的研究还面临两个特定的困难。首先,很难操控受试者对视觉刺激的意识状态。一种常用的操控视觉意识的方法是使用后向掩蔽。在后向掩蔽中,目标刺激被短暂呈现(< 30 毫秒),紧接着呈现一个重叠的掩蔽刺激5。掩蔽刺激的呈现使目标刺激无法被察觉6-8。其次,掩蔽需要非常快速且精确的时间控制,这使得利用许多常用方法来研究被掩蔽刺激诱发的神经反应变得困难。基于血氧水平依赖(BOLD)的反应在时间尺度上的分辨率对此类方法而言过于缓慢,而脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)等实时记录技术则难以从深层脑区恢复信号。
然而,近年来在定位 MEG 信号神经源的方法上已取得最新进展9-11。通过采集受试者大脑的高分辨率 MRI 图像,可以基于个体的神经解剖结构建立源模型。利用该模型对 MEG 信号的来源进行“成像”,能够重建来自杏仁核和海马体等深部皮层下结构的信号*。
使用逆向掩蔽阻断意识的痕迹条件化范式设计
1. 设计刺激材料
2. 使用 Presentation 软件编程实验
使用脑磁图在任务期间记录脑活动
3. 在 MEG 套件中设置训练设备(见图 2)
4. 在 MRI 检查室设置测试设备
5. 在 MEG 套件中设置受试者进行训练(见图3)
6. 休克评估
7. 反应装置
8. 训练期间记录脑磁图
9. 在 MRI 检查室为受试者进行测试准备
10. 测试期间记录 fMRI
利用源成像技术从皮层下结构中恢复信号。
11. 分析行为学与fMRI数据
12. 预处理 MRI 体积数据
13. 使用 Brainstorm 预处理脑磁图记录11
14. 使用 Brainstorm 分析诱发电位
15. 使用 Brainstorm 对感兴趣区域进行时频分解
采用此处所述方法,我们的研究得出了两个主要发现:1)在痕迹条件反射过程中,可以操控受试者对视觉条件刺激(CS)的意识知觉,但仍能观察到学习存在的证据。2)通过源成像*技术,能够从杏仁核中成功提取脑磁图(MEG)信号。
在第2节中,我们描述了如何通过后向掩蔽来操控对视觉条件刺激(CS)的意识。当受试者暴露于一个显示时间约为30毫秒的掩蔽刺激时,通常无法察觉该刺激的呈现5,6,8*。验证此种操控是否成功的一种方法是测量受试者预测非条件刺激(UCS)出现的能力。如果掩蔽操控成功,受试者应无法根据条件刺激(CS)类型准确预测非条件刺激(UCS)的出现(见图4)。
尽管此类训练的时间安排使得在训练过程中直接测量学习效果较为困难,但可以通过在训练后进行一次无掩蔽的再习得测试,使用新的和原有的刺激材料,间接地测量学习效果。5*. 如果受试者能够在训练阶段学习到刺激与结果之间的关联性,他们应表现出更大幅度的差异性(CS+ > CS-)对旧刺激的皮肤电反应(SCRs)相较于新刺激更强。当我们在测试阶段观察受试者重新暴露于CS-UCS关联后,未过滤组中这一效应尤为明显。即 试验 2-5;参见 图 4).
在第8节中,我们描述了如何在掩蔽痕迹条件反射实验期间记录脑磁图(MEG)。通过源成像技术处理这些记录数据,可以从杏仁核等皮层下结构中恢复出MEG信号18*。与观看高通滤波面孔(N = 9)的受试者相比,观看未滤波面孔(N = 9)的受试者表现出更强的杏仁核反应(图5)和伽马振荡(图6)。此外,这些受试者在包括枕叶面孔区在内的面孔加工脑网络区域中也表现出更强的反应(图7及补充视频)。

图 1. 典型训练会话的示意图。 以伪随机顺序呈现 CS+ 刺激 60 次和 CS- 刺激 60 次,共分为 4 个区组,每个区组包含 15 次试验。CS 刺激呈现时间为 30 毫秒,随后立即呈现 970 毫秒的掩蔽刺激,该掩蔽刺激在 CS+ 试验中与电击 UCS 同时结束。

图2. 典型条件化实验中所用设备的示意图。 该实验装置可实现以下功能:1)通过 Presentation 软件呈现视觉刺激,2)通过 Psylab 硬件(SAM)施加电刺激非条件刺激(UCS),3)使用连接至呈现计算机的轴向装置(旋钮)记录被试对 UCS 的预期,以及 4)通过 MEG 采集系统接口同步刺激呈现、被试反应与 MEG 记录。

图3. 显示第5节中描述的各个传感器和标记点位置的示意图。 带有引线的圆点对应标注的传感器和导联。蓝色箭头表示用于将MEG记录与MRI解剖图像配准的标记点。紫色点表示数字化的头皮点,用于进一步优化MEG与MRI的共配准。

图4. 典型条件化研究中的行为结果。 左侧图表显示了训练阶段中未滤波组和滤波组合并后的非条件刺激(UCS)预期水平。请注意,在60次试验中,受试者对条件刺激+(CS+)和条件刺激-(CS-)表现出相似的UCS预期水平,表明掩蔽程序阻碍了他们对两种条件刺激的辨别能力(F(1,17) = 2.19;p = 0.16)。右侧图表显示了测试阶段的差异性皮肤电反应(SCR)。可见未滤波组对旧刺激的差异性SCR大于新刺激,而滤波组则无此现象(未滤波组新/旧 × CS+/CS- 交互作用:F(1,7) = 5.94;p = 0.045;滤波组新/旧 × CS+/CS- 交互作用:F(1,7) = 1.13;p = 0.32),表明训练使这些受试者对CS-UCS关联的再习得效果更好。(*p < 0.05)

图 5. 典型条件化实验中的脑磁图(MEG)结果。 左侧图像显示了用于建模 MEG 信号源的杏仁核(橙色)、海马体(绿色)和大脑皮层的三维模型。右侧图表表示根据 MEG 记录数据建模得到的一个杏仁核簇的活动情况。浅色线条代表未滤波面孔所诱发的脑活动,深色线条代表滤波面孔所诱发的脑活动。垂直的灰色阴影区域表示未滤波面孔诱发的反应显著强于滤波面孔的时间段(F(1,17) > 3.44;p < 0.05)。 点击此处查看高清大图。

图 6. 典型条件化实验中杏仁核的时间-频率结果。 左侧图像显示用于建模MEG信号源的杏仁核(橙色)、海马(绿色)和大脑皮层的三维模型。右侧图表示按时间和频率分解的杏仁核MEG信号记录结果。频谱图中暖色区域表示未滤波面孔刺激引起的信号功率显著高于滤波面孔刺激的区域;冷色区域表示相反情况。带有条纹叠加的区域表示组间存在显著差异。 点击此处查看高清大图。

图7. 典型条件化实验中枕部面孔区激活情况示意图。 颜色表示相应偶极子处非滤波图像 > 滤波图像t检验的强度大小。暖色表示对非滤波面孔的反应强于对滤波面孔的反应;冷色表示对滤波面孔的反应强于对非滤波面孔的反应。
补充视频。 一段展示典型条件反射实验中皮层反应的视频。颜色表示相应偶极子处未滤波 > 滤波 t 检验的显著性强度。暖色表示对未滤波面孔的反应强于对滤波面孔的反应;冷色表示对滤波面孔的反应强于对未滤波面孔的反应。点击此处查看补充视频。
本文中,我们描述了两种方法:1)在痕迹恐惧条件反射范式中操纵受试者对目标条件刺激(CS)的意识水平;2)在无意识状态下的痕迹恐惧条件反射过程中,从杏仁核恢复脑磁图(MEG)信号。利用这些方法,我们能够证明当面孔被用来预测非条件刺激(UCS)时,无需意识参与的痕迹条件反射是可能实现的。该结果表明,即使在低于知觉检测阈值的情况下呈现,面孔仍会受到特殊加工。与此结论一致,我们发现宽谱面孔在痕迹间隔期间诱发了强烈的杏仁核反应以及伽马振荡的爆发。这一结果提示,杏仁核能够在短暂的痕迹间隔期间维持对面孔条件刺激(CS)的表征。
尽管这两种方法一并呈现,但它们也可以独立使用。例如,可以在其他范式中使用后向掩蔽来操控目标可见性,其中行为可能受到意识下水平处理的情绪线索的影响5,6,8*。此外,通过此处描述的源成像方法,可以创建其他皮层下结构的三维模型,并且有可能在其他特定区域任务期间从这些结构中恢复信号。例如,通过使用源成像对海马体活动进行建模,有可能在空间导航等任务期间从海马体源中恢复脑磁图(MEG)信号。
本文所述方法的设计基于两个目标:1)阻断受试者对目标刺激的意识感知;2)最大化利用脑磁图(MEG)检测刺激诱发的杏仁核反应的能力。这些设计限制使得测量受试者对刺激关联性的内隐知识变得困难。例如,皮肤电反应(SCR)需要数秒钟才能完成消退过程5,13;然而,在训练过程中,条件刺激(CS)仅呈现约30毫秒,而电击则在稍后不久(约900毫秒)呈现。鉴于这些时间限制,条件反应(CR)的表达在训练期间不可避免地会与无条件反应(UCR)的表达相互混淆。由于这种共线性,有必要通过后续的无遮蔽测试阶段来检验受试者对刺激关联性的认知。然而,在实验结束时进行测试阶段并非最佳选择,因为皮肤电反应在整个实验过程中 tends to 产生习惯化现象1。考虑到需要大量试验才能通过MEG获得可靠的诱发反应,这种皮肤电反应的习惯化将显著降低检测训练行为效应的统计效能。未来的研究应致力于寻找更优的方法,以在使用遮蔽条件刺激进行恐惧条件反射时,有效评估内隐学习过程。这可以通过在训练期间采用其他恐惧指标(例如瞳孔扩张19,20),或开发一种在训练后可施用的更敏感的恐惧测量方法来实现。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由美国国家心理健康研究所(MH060668 和 MH069558)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>软件 | |||
| Matlab | Mathworks | mathworks.com/products/matlab | |
| 展示 | 神经行为系统 | neurobs.com | |
| Psylab | 联系 Precision Instruments | psychlab.com | |
| AFNI | NIMH - 科学与统计计算核心 | afni.nimh.nih.gov/afni | |
| Freesurfer | 马丁诺斯生物医学成像中心 | surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki | |
| MNE | 马丁诺斯生物医学成像中心 | nmr.mgh.harvard.edu/martinos/userInfo/data/sofMNE.php | |
| 头脑风暴 | 开源协作 | neuroimage.usc.edu/brainstorm | |
| 3D Slicer | 开源协作 | slicer.org | |
| ParaView | Kitware | paraview.org | |
| <强>表1. 使用的软件 使用的软件。 | |||
| <强>仪器设备 | |||
| 生理监测系统 | |||
| Psylab 独立式监测仪(x2) | 联系 Precision Instruments | SAM | |
| 皮肤电导放大器 | 联系 Precision Instruments | SC5 | |
| 电击刺激器(x2) | 联系 Precision Instruments | SHK1 | |
| 附加组分 | |||
| 8位同步电缆(x2) | 联系 Precision Instruments | 包含在 SAM 中 | |
| 8位到2位隔离适配器 | N/A | 自定义 | |
| DB25 带状电缆(x2) | N/A | 标准 | |
| 屏蔽延长电缆(x3) | 联系 Precision Instruments | CL41 | |
| 用于皮肤电反应和电刺激的射线透杯状电极(x6) | Biopac | EL258-RT | |
| Signa Gel | Parker Laboratories | 15-250 | |
| 反应装置 | |||
| 带游戏端口连接器的旋转拨号盘(x2) | N/A | 自定义 | |
| 游戏端口对游戏端口/BNC 分路器 | N/A | 自定义 | |
| BNC 电缆 | N/A | 标准 | |
| 游戏端口转USB适配器(x2) | Rockfire | RM203U | |
| MEG 设置的附加组件 | |||
| HPI线圈和线束 | N/A | 自定义 | |
| HPI 定位系统 | 启动 | Polhemus Isotrak | |
| <强>表2. 使用的设备。 | |||
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