在脑成像模态间转移认知任务：对fMRI研究中任务设计与结果解释的启示

摘要

本文探讨了将一种在脑电图（EEG）实验中具有长期应用历史的实验范式应用于功能性磁共振成像（fMRI）实验的可行性。结果表明，在视觉oddball任务中调节任务需求会导致不同的BOLD信号激活模式，从而说明实验设计在fMRI研究中的关键作用。

摘要

随着认知神经科学方法的发展，已建立的实验范式正被应用于新兴的脑成像技术中。本文探讨将一种具有长期行为学和脑电图（electroencephalography, EEG）实验历史的范式（即视觉oddball任务）迁移至功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）实验中的过程。本文旨在简要介绍fMRI技术及其在认知神经科学中适用的情境；说明任务设计如何影响fMRI实验结果，尤其是在任务借鉴自其他成像模态时；并解释实施fMRI实验的实际操作要点。结果表明，在视觉oddball任务中调节任务需求会导致血氧水平依赖（blood oxygen level dependent, BOLD）信号激活模式的不同。由于fMRI的BOLD信号测量特性，通常会在特定任务中发现多个脑区被激活。确定这些激活区域功能的关键，在很大程度上依赖于任务设计与分析方法。许多fMRI任务的复杂性意味着，在解释数据时必须仔细考量任务的具体细节及其要求。数据表明，这一点在那些既依赖运动反应又包含认知成分的任务中尤为关键，同时也凸显了隐匿性 和 在可能的情况下，应考虑采用明显的反应方式。此外，数据表明，将脑电图（EEG）范式迁移至功能磁共振成像（fMRI）实验时需审慎评估，不能假定同一范式在不同成像模态下均能同等有效地发挥作用。因此，建议在开展fMRI研究时，首先通过行为学预实验验证所关注效应的存在性，随后在fMRI环境中进行预实验，以确保针对所关注效应的实验设计、实施及分析方法均恰当可行。

引言

随着认知神经科学方法的发展，已建立的实验任务正被应用于新兴的脑成像技术中。这种发展是合乎逻辑的，因为大多数神经心理学概念（例如，不同的记忆子成分）已在行为层面得到研究，并且已有经过开发和验证的适当实验任务用于探测特定功能。随着新技术的出现，研究者开始利用新的脑成像方法探索这些行为现象背后的神经机制。尽管直接借用已有充分研究的行为任务用于成像研究看似简便，但必须考虑若干重要的注意事项。其中一项关键但常被忽视的因素，是选择最合适的成像技术以进一步探究行为证据。在认知神经科学和心理学领域，存在多种脑成像方法可用于增进我们对感兴趣概念背后神经活动的理解；例如脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、经颅磁刺激（TMS）、功能性磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层扫描（PET）。这些方法各自具有优势、局限性及适用场景。本文将探讨如何将一个长期用于行为学和脑电图实验的实验范式迁移至fMRI研究中。脑电图已被使用数十年，用于研究与感知和认知过程相关的神经反应，因此已发展出大量适用于该方法的实验范式，并随时间不断演进。功能性磁共振成像则是认知神经科学中较新出现的技术，这导致一些原本为脑电图研究设计的范式也被用于fMRI研究。利用新技术延续脑电图实验所积累的知识基础是合理的，但在范式迁移过程中仍可能忽略一些重要问题。这些技术差异显著，因此实验任务必须相应地重新设计。这要求研究者理解成像方法的工作原理，特别是范式中潜在的调整将如何影响所获取的测量结果。有关fMRI实验设计的更多详细信息，建议读者参考以下链接：

方案

注意：该研究方案已获得亚琛工业大学当地人体受试者审查委员会的批准，并按照《赫尔辛基宣言》的规定进行。

1. 任务设计

1. 选择适当的任务以研究感兴趣的认知/心理构念。使用视觉oddball任务（图1）来测量对目标刺激的检测反应以及注意力对目标检测的影响。这可用来探究任务操控对fMRI数据的影响。
2. 使用三种版本的oddball任务。
   1. 被动版本：要求受试者观察视觉刺激，不记录任何反应。
   2. 静默计数版本：要求受试者对目标刺激进行计数。该任务需要将注意力指向这些刺激，并进行辨别过程。
   3. 应答版本：要求受试者在看到目标刺激时按下应答按钮。该任务需要注意力、辨别过程，以及对目标刺激作出反应的选择与执行。
3. 考虑获得可靠反应所需的适当试验次数。fMRI测量中的信噪比较低，需对多次反应进行平均以研究感兴趣效应⁹。这取决于所使用的任务和刺激模态。本任务共使用200次试验，其中40次为目标试验，足以引发可靠的反应。
4. 确定刺激序列的时间安排。在fMRI研究中，刺激呈现的时间安排至关重要，需考虑呈现速率¹⁰，并考虑从刺激开始到测量脑响应之间的血流动力学响应延迟（图2）。....

结果

刺激与分析方法在与视觉oddball任务相关的脑区中诱发了BOLD激活。目标 > 非目标对比在被动条件下未显示任何激活，但在计数和应答条件下均显示出激活图3）。文中展示的数据 图3 是对计数条件和应答条件的定性比较，展示了如果每种版本的任务独立进行时，其激活模式的表现情况。

主要关注的比较是不同条件之间的差异。那么，当任务需求发生变化时，目标检测相关的脑区激活在哪些脑区存在差异？图4显示了不同条件之间的差异。与上述对计数条件和应答条件之间差异的定性评估不同，该比较基于全脑数据进行t检验，以显示在不同条件之间激活存在显著差异的脑区。

原始研究⁷ 的数据显示，在视觉oddball任务的“计数”和“应答”两种版本之间，BOLD激活存在差异。如果缺乏两种条件下的数据进行比较，则两种条件下的激活均会被归因于“目标检测”。然而，在“应答”条件下观察到中额回（MFG）的激活，而在“计数”条件下未观察到该激活。MF.......

讨论

我们发现，在视觉oddball任务中改变任务需求会导致计数和应答条件下BOLD激活模式的不同。若无该任务三种版本的数据可供比较，则可能对各条件下所涉及脑区的功能角色做出不恰当的归因。这种数据解释上的模糊性在EEG P300研究领域未必会出现，因为该任务最初即源于此领域，这凸显了在将实验范式从一种成像模态转移至另一种时需特别审慎。例如，许多认知过程（如注意和工作记忆）均参与P300成分的产生，但这些过程仅由单一的电生理指标表征，而fMRI的BOLD反应则表现出广泛的大脑激活。此外，P300不受运动反应的影响，其影响方式与fMRI数据不同。EEG数据的时间分辨率允许将认知反应与运动反应在时间上区分开来。而fMRI BOLD测量的特性意味着，在特定任务中会同时发现多个脑区处于激活状态。确定这些激活区域的功能在很大程度上依赖于任务设计与分析方法。因此，建议在开展fMRI研究时，首先通过行为学预实验明确所关注的效应，再在fMRI环境中进行预实验，以确保针对所关注效应的研究设计、实施与分析方法均恰当有效。

除了指导对涉及运动反应的oddball任务中数据的解.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
西门子 Magnetom Tim Trio 3 T 磁共振成像扫描仪	Siemens Medical Solutions, Erlangen, Germany
Presentation 软件 14.8 版本	Neurobehavioural system, Albany, CA, USA
Lumitouch 反应装置	Photon Control Inc, Burnaby, BC, Canada		该设备已不再由制造商生产。市场上可获取其他磁共振兼容的反应装置。
TFT 显示屏	Apple, Cupertino, CA, USA	30 英寸影院显示屏	该屏幕已由本实验室自行改装为磁共振兼容。然而，目前市场上已有多种磁共振兼容显示屏可供选择。
Optseq		surfer.nmr.mgh.harvard.edu/optseq	用于确定快速事件相关设计中最佳刺激时序的程序
FMRIB 软件库（FSL）	FMRIB, Oxford	http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/	其他可用于分析功能磁共振成像数据的软件工具包括 SPM、AFNI 和 Brain Voyager。