一种研究与维度变化卡片分类任务表现相关的认知控制网络功能连接年龄差异的方法

摘要

本视频介绍了一种通过特定任务或过程所激活的认知控制网络，来研究其功能连接随年龄变化的方法。该技术基于对功能性磁共振成像（fMRI）数据的多变量分析。

摘要

适应环境突发变化的能力在儿童期和青春期逐步发展。例如，在维度变化卡片分类任务中，参与者需要从按一种方式（如形状）对卡片进行分类，转换为按另一种方式（如颜色）进行分类。这种行为调整会带来轻微的表现代价，即转换代价，表现为在分类规则发生改变的转换试次中，反应通常比规则保持不变的重复试次更慢且更容易出错。行为灵活性等高级认知功能的发展通常被认为是一个渐进过程，部分原因在于转换代价等行为指标通常随年龄增长而逐渐减小。然而，为何诸如行为灵活性等高阶认知能力的发展如此缓慢，目前仍是一个未解的问题。一种假说是，这些变化与大尺度认知控制网络的功能性改变相关。根据这一观点，切换等复杂的心理操作涉及多个分布脑区之间的快速交互，包括更新和维持任务规则、重新定向注意力以及选择行为的脑区。随着发育，这些脑区之间的功能连接逐渐增强，从而实现更快、更高效的任务切换操作。本视频介绍了一种通过采集不同年龄参与者的功能磁共振成像（fMRI）数据并进行多变量分析来检验该假说的方法。

引言

调节行为的能力在儿童期和青春期逐渐发展（综述见 Diamond¹）。例如，在维度变化卡片分类任务中，参与者需要从一种分类方式（如按形状）转换到另一种分类方式（如按颜色）²（见图2）。这种转换会带来轻微的表现代价，即转换代价，表现为在分类规则发生变化的转换试次中，反应通常比规则保持不变的重复试次更慢且更容易出错³。这些代价的幅度通常随着儿童年龄的增长而减小⁴，说明行为调节能力在生命早期持续发展。

由于复杂的心理操作（例如切换任务）涉及多个脑区之间的快速相互作用⁵，人们日益关注将高阶认知功能的发展与大规模皮层网络功能组织的变化联系起来⁶。

研究大尺度网络发育变化的一种方法是采用基于种子点的功能连接分析^6,7该技术的第一步是查阅现有的研究文献并加以界定 先验的 感兴趣区域（ROIs），即可能与特定行为相关的脑区。这些 ROIs 或节点构成了网络的基本骨架。接下来，测量这些 ROIs 中活动的低频波动（或 T2* 加权信号强度）持续 5 分钟 至 10 分钟 当参与者在磁共振成像（MRI）扫描仪中处于静息状态时，网络中任意两个节点之间的功能连接性通过其各自时间序列信号的相关性进行量化。功能连接较强....

方案

1. 获得人类受试者研究的伦理审批

2. fMRI 数据采集

1. 采集适合幼儿的fMRI数据（参见Raschle， 等¹²尽可能减少任务表现和运动方面可能存在的年龄相关差异，因为这些差异会引入不必要的混杂因素，限制研究者对脑激活和功能连接发育相关差异的推断能力。
   注意：在本实验方案中，DCCS 的重复试验版本以区组设计的形式实施¹³每次运行包括两个8次试验的转换区组和两个8次试验的重复区组，其中转换区组包含4次转换试验和4次重复试验，重复区组包含8次重复试验。该方案非常适合用于事件相关fMRI数据。然而，当初次接触独立成分分析（ICA）时，区组设计更便于操作，因为可以在成分的时间过程中清晰观察到任务引起的调制效应。
2. 按照标准的fMRI预处理流程对fMRI数据进行预处理。
   1. 将所有功能图像重新对齐至相同的方向和位置。通常以第一个功能像作为参考图像，其余图像均以此为基准进行对齐。
   2. 将T1加权（解剖）图像与T2*加权（功能）扫描图像进行共配准，以使激活信号准确叠加于相应的解剖位置。
   3. 使用模板脑来将所有图像归一化至标准的大小、空间和位置例如 Talairach空间）。这有助于确保对不同受试者的同源脑区进行比较。
      注意：在本方案中，图像被配准至Talairach空间，但也可使用....

结果

即使在相对较小的fMRI数据集上，组独立成分分析（Group ICA）也能得到与其他研究中观察到的相似的一组成分。图4展示了从12名儿童和13名成人样本中分离出的5个此类成分及其对应的时间过程，每位参与者约有800个体积数据。如图4所示，该分解结果中可清晰识别出默认模式网络、额顶网络、扣带-岛叶网络以及视觉网络。此外，注意在视觉网络和默认模式网络成分的时间过程中，块设计结构非常易于识别。

一次成功的独立成分分析（ICA）分解应当具有可靠性。可通过检查 ICASSO 程序的输出结果来评估分解的可靠性。图5展示了在 GIFT 中进行的一次可靠分解的 ICASSO 输出结果的一部分。

在使用空间相关性作为成分选择依据时，应报告相关系数，并将模板与所选成分一同呈现，以便进行视觉比较。在最近的一项研究中，通过空间和时间排序方法共同识别出一个额顶网络成分，该成分不仅在空间上与执行控制网络模板具有相关性，而且在DCCS任务中对切换区块的活动.......

讨论

诸如切换分类规则能力等高级认知功能，在儿童期和青春期迅速发展。由于这些认知功能涉及多个分散脑区之间的相互作用，人们日益关注高级认知发展与大脑皮层大尺度网络组织随年龄变化之间的关系。本文介绍一种基于群体独立成分分析的方法，将其应用于基于任务的fMRI数据，以直接检验这种关系。

与任何组间比较研究一样，该方法的成功依赖于来自成人和儿童的高质量fMRI数据。两组之间在运动相关伪影方面的差异可能严重影响ICA分解的质量，并导致所得成分出现虚假差异。组间在任务表现上的差异也可能带来潜在问题，因为这会削弱对所有组进行时间排序的有效性。例如，如果一组在实验试次和控制试次之间表现出显著的绩效差异，而另一组则没有，则很难识别出可以被认为在两组中以相同方式与任务相关的成分。因此，务必花时间正确采集数据。遵循Raschle et al., 2009年详细描述的儿科神经影像学操作规程，并投入时间开发认知行为方法，以减少组间在任务表现或策略使用上的差异。

问题排查/注意事项

组独立成分.......

材料

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