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：http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency。本文将在把为脑电图研究设计的实验范式迁移至fMRI环境的背景下讨论任务设计问题。本文的目标包括：i）简要介绍fMRI技术及其在认知神经科学中的适用情境；ii）说明任务设计如何影响fMRI实验的结果，尤其是在任务借鉴自其他成像模态时；iii）解释实施fMRI实验中的实际操作要点。

功能磁共振成像（fMRI）现已成为一种广泛应用的技术，因此在认知神经科学中是一种常用的研究方法。为了判断该技术是否适用于特定实验，必须结合其他可用技术，权衡fMRI的优缺点。该方法的一个缺点是，它并非神经活动的直接测量指标，而是神经活动的间接相关指标，即通过代谢反应（耗氧需求）与血流动力学反应的卷积来反映神经活动。因此，与电生理学等技术相比，其时间分辨率较差；在电生理学中，所测量的电信号更接近于底层的神经活动，而非代谢反应。脑电图（EEG）的时间分辨率在毫秒量级，而fMRI的时间分辨率则在秒量级。然而，fMRI的主要优势在于其空间分辨率极佳。此外，该技术具有非侵入性，受试者无需摄入造影剂等物质，也无需暴露于辐射中，而正电子发射断层扫描（PET）则需要。因此，fMRI适用于研究知觉、认知和行为所涉及的脑区的实验。

本文以视觉oddball范式为例，说明如何将一种成熟的脑电图（EEG）任务转化为功能性磁共振成像（fMRI）实验（详见图1）。需要注意的是，所讨论的问题在使用其他实验范式时也可能影响结果和数据解释，因此在所有fMRI实验设计中均应从技术层面予以考虑。oddball范式在心理学和认知神经科学中被广泛用于评估注意力和目标检测能力。该范式最初是在脑电研究，特别是事件相关电位（ERPs）领域发展起来的，用于研究所谓的P300成分¹。P300反映目标检测过程，在识别到罕见的目标刺激时被诱发¹。P300已被应用于多个认知和临床研究领域²，例如，精神分裂症患者及其亲属³、重度吸烟者⁴以及老年人群⁵。鉴于oddball范式（以及该范式诱发的P300）具有良好的稳定性，并且会受到不同疾病状态的调节，其在不同成像模态间的迁移应用成为必然。

在oddball任务的fMRI测量中观察到的大范围脑区激活，已被大量针对其他认知概念的fMRI研究所证实，源于多种认知功能的共同作用。这种激活模式的广泛性使得研究者难以确定哪些脑区的活动增强（或减弱）是由实验者感兴趣的特定任务操控或组间差异所引起的。具体而言，目前尚不确定所观察到的激活差异是否与目标刺激检测本身有关，是否与注意相关的过程有关，或者是否与其他任务需求有关，例如持续进行的工作记忆过程或与运动反应产生相关的加工过程。相比之下，在EEG领域中，将功能归因于所测得的神经活动更为容易，因为感兴趣的认知成分（目标检测）在对oddball任务的清晰脑反应（P300）中得以直接体现。然而，神经科学家往往倾向于根据自身假设和实验设计来解释研究结果，而非投入精力排除其他可能的解释。但大多数实验本身无法内在地解决这些重要问题——因为扫描时间成本高昂——因此我们强调必须对实验范式进行周密的规划和预实验测试。

除了在脑区与认知成分之间建立直接联系存在困难之外，将oddball范式应用于fMRI研究时，其本身特性还可能引发其他方法学问题。例如，被试通常通过按压反应按钮来表明对目标刺激的探测。这种方法虽可使实验者记录反应的准确性和反应时，但该动作本身也可能影响目标刺激引发的fMRI BOLD信号。由于按钮按压所需的运动操作通常在目标刺激呈现后数百毫秒内发生，因此会干扰与刺激锁定的fMRI激活信号。这可能导致对激活信号的错误解释，例如，参与准备运动反应的脑区可能被误认为参与了目标刺激的检测，反之亦然。为此，研究者已提出相应的方法学改进，采用不依赖运动反应的间接指标来评估目标刺激的探测。例如，计数目标刺激的出现次数即是一种被提出的替代方法。⁶ 作为一种确保受试者持续关注任务的方法；遗漏的试验次数可以反映受试者的注意力不集中程度。在任务结束时报告被计数的刺激数量，也使实验者能够判断受试者是否正确执行了任务。第三种替代方案是采用完全被动的任务设计，即不对受试者提供任何关于如何反应的指示，而是假设目标刺激的新异性本身会自然引发类似目标检测的反应。尽管这些任务版本使用相同类型的刺激和基本设计，但由于各任务在认知和运动需求方面存在差异，因此每种任务变体所产生的激活模式也会有所不同^7,8例如，在计数目标刺激时会涉及工作记忆过程 例如，记住当前目标刺激的数量，在被动观察期间不需要执行此任务. 这里这三种版本的oddball任务， 被动，计数 ，和 响应 用于说明精心设计和实施任务如何能够考虑到任务要求的这些变化，并对结果进行恰当解读。

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）。
   1. 在合理时间内提供足够数量的刺激，同时确保对每个刺激的血流动力学响应（包括恢复至基线）有充分采样。下载、安装并运行optseq软件。运行optseq，根据试验次数、刺激持续时间及扫描参数（重复时间与体积数）对试验在整个实验中的分布进行优化。
5. 在适合向受试者呈现范式的程序中实施先前确定的刺激顺序。
   1. 明确与范式相关的所有信息，包括刺激类型、时间安排和反应要求。
      注：此处未提供编程细节，因为不同范式及不同软件包的具体需求各不相同。
6. 设置用于呈现实验范式的程序，使其能够由扫描仪的触发信号启动，从而实现采集数据与呈现刺激序列的同步。

2. 设置实验环境

1. 准备扫描室。将正确头部线圈的底部连接到扫描仪床，并在扫描仪床和垫子上放置清洁的保护罩。
2. 使用显示设备向受试者呈现实验范式，并使用手持设备记录其反应。打开显示设备和手持设备。
3. 启动用于呈现实验范式的软件，并为日志文件命名。该日志文件包含刺激呈现时间及受试者反应时间的信息，用于后续数据分析。
4. 在磁共振扫描仪数据库中登记受试者信息，使用唯一的识别编号记录数据。为保护隐私，不得将受试者姓名与数据一同存储。
5. 确保将要运行的磁共振序列已设置并准备就绪。使用以下序列：定位扫描（localizer scan）以确定受试者头部在线圈内的位置，EPI序列用于功能成像，MPRAGE序列用于高分辨率结构扫描。

3. 受试者到达与进入扫描仪

1. 在实验前筛查受试者是否存在 MRI 禁忌症（例如，招募过程期间）。
   1. 扫描前提供磁共振安全指南。由经过培训的人员对受试者进行筛查。确保受试者安全，确认其体内无金属物，无起搏器等植入设备，且不满足任何其他排除标准。
2. 受试者到达后，检查筛选问卷并确认其符合性，然后继续后续步骤。
3. 向受试者解释实验步骤，并给予其提问的机会。请受试者签署知情同意书和数据保护协议。
4. 如果实验涉及需要训练的复杂任务，建议受试者在进入扫描仪之前先进行一次练习。
5. 确保受试者无任何金属物品，不携带硬币、腰带、手表和首饰。确认后，让受试者进入扫描室。
6. 让受试者戴上耳塞，坐在扫描仪检查床上。此处使用的耳塞既能保护受试者免受扫描过程中扫描仪噪声的影响，又允许研究人员在控制室内直接与受试者进行交流。在一些机构中，使用耳机与受试者进行沟通。
7. 让受试者平躺在扫描仪床面上。在受试者膝下放置一个垫子，以减轻背部不适。受试者的舒适度对其身心健康和数据质量至关重要。因不适引起的移动会对成像数据产生负面影响，不适造成的分心也会影响任务执行的表现。
8. 将头部线圈的上部置于受试者头部上方，并插上连接器。将受试者的头部在头线圈中适当定位，使头线圈上的小标记与受试者的眉毛对齐。确保受试者身体平直且体位舒适。线圈表面不应接触面部。例如，按压鼻部。
9. 使用小型垫枕固定受试者的头部，以尽量减少扫描过程中的头部运动。头部运动会严重影响数据质量。
10. 在头部线圈上方放置一面镜子，使受试者能够看到后方屏幕上显示的实验范式。确保受试者可以完整看到整个屏幕，并根据受试者的位置调整固定镜子的位置。佩戴眼镜的受试者必须使用磁共振兼容的视觉辅助设备。大多数磁共振成像研究机构均配备兼容的镜片或护目镜。在此情况下，应将磁共振兼容镜片安装在固定镜子的支架上。在受试者进入扫描室前，确定合适的镜片度数。
11. 将紧急呼叫按钮交给受试者，以便在需要时停止扫描。确保受试者知晓按钮的位置，并能轻松触及。
12. 将受试者移至扫描仪孔径入口处。在此过程中，要求受试者闭上眼睛。利用头线圈上的小标记对准光源，以确定正确位置。
13. 将受试者移入扫描仪的孔径内，直至显示屏显示“0 mm”。这表示受试者的头部已到达等中心位置。 扫描仪的
14. 将反应装置交给受试者。

4. 实验步骤

1. 检查受试者是否能通过对讲系统听到实验人员的声音，并确认受试者感觉舒适且已准备好开始实验。
2. 执行定位扫描以确定受试者头部在扫描仪中的位置。利用该信息设定后续所有测量的视野位置，以确定需测量的脑区。
3. 首先进行高分辨率结构扫描。打开MPRAGE序列/程序并定位视野范围，确保受试者整个头部位于视野内。MP-RAGE参数：TR/TE = 2,250 / 3.03 毫秒，翻转角 = 9°，176层矢状面切片，视野 256 × 256 毫米，矩阵 64 × 64，体素大小 1 × 1 × 1 毫米。
4. 告知受试者扫描即将开始，然后启动测量。
5. 进行功能磁共振成像扫描。
   1. 在扫描仪计算机上打开EPI序列，并调整视野以覆盖整个大脑。EPI参数：33层，层厚3 mm，视野200 × 200 mm，矩阵64 × 64，重复时间2,000 msec，回波时间30 msec，翻转角79°。
   2. 运行一次单个体积测试测量。确保受试者的大脑全部（或尽可能大部分）位于成像视野范围内。
      注意：受试者的头部（及大脑）形状和大小各不相同。因此，需针对每位受试者优化视野位置。
   3. 复制fMRI序列，以确保下一次测量的定位视野保持不变。输入测量所需的体积数，本例中为304。
   4. 确保呈现实验范式的软件正在等待来自扫描仪的触发信号。由于实验范式需要扫描仪的触发才能启动，因此可先加载软件并设置为等待状态。
   5. 告知受试者实验即将开始。启动测量。
   6. 检查呈现范式的软件是否在适当的时间开始运行即 由扫描仪触发）。
   7. 执行三种版本的oddball任务。 被动, 计数, 和 回应.
   8. 在扫描间隔期间与受试者交谈，给予安慰，确保其舒适，并询问受试者是否同意继续参与研究，同时告知其接下来的任务内容。
   9. 首先运行 被动的 确保受试者在完全被动观看条件下进行实验，且不知晓目标刺激实际上为目标刺激。在不同受试者间对计数条件和应答条件的顺序进行交叉平衡，以避免顺序效应。

5. 实验结束

1. 告知受试者实验已结束，进入扫描室。
2. 将受试者从扫描仪中缓缓移出。
3. 取下头部线圈和垫子。
4. 请受试者缓慢坐起。待其感到舒适后，可站立并离开扫描室。
5. 发放实验结束后需要完成的问卷或相关文件。
6. 向受试者进行事后说明：若实验前未能充分告知，此时应向受试者解释研究的目的和意义，并给予其提问的机会。

6. 数据分析

1. 使用适用于分析 fMRI 数据的软件包。对每位受试者和每种条件分别进行一级数据分析。
   注意：使用 FMRIB 软件库（FSL）进行 fMRI 数据分析。
2. 应用标准的预处理步骤，以准备数据进行进一步分析。
   注意：应用以下步骤：头动校正、切片时间校正、结构像与功能像的配准、空间平滑、高通滤波、将个体数据归一化至标准空间（例如，MNI 空间）。有关这些步骤的概述，可参见 fMRI 教科书 Huettel et al. (2008)⁹ 和 Jezzard et al. (2001)¹¹。有关如何执行预处理步骤的具体信息，请参阅各软件包的官方网站及其配套文档。
3. 在统计分析中，设定所有事件的起始时间和持续时间。这些变量称为解释变量（EVs）或回归变量。
4. 设置对比以确定哪些解释变量将被比较。为识别与目标刺激检测特异性相关的 BOLD 激活，设置如下对比：目标 > 非目标刺激。
   注意：可选其他对比方式：目标刺激 vs 基线；非目标刺激 vs 基线；目标刺激 > 非目标刺激；非目标刺激 > 目标刺激。
5. 对每位受试者和每种条件分别进行一级统计分析。分析结果展示每种对比下激活的脑区。
6. 通过二级（即组水平）分析比较三种条件。将一级分析的结果作为组水平分析的输入。
   注意：在原始论文⁷中，采用三重双组差异设计，在目标 > 常见对比中比较各条件之间的差异，涉及以下对比：反应 > 被动观看、计数 > 被动观看、反应 > 计数。这些对比揭示了三种反应模式下认知过程变化所关联的脑活动。

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。