本文描述了如何实施心理生理交互分析,以揭示所选种子区域与大脑其他区域体素之间功能连接在任务依赖条件下的变化。心理生理交互分析是一种研究任务对脑连接影响的常用方法,不同于传统的单变量激活效应分析。
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本文描述了如何实施心理生理交互分析,以揭示所选种子区域与大脑其他区域体素之间功能连接在任务依赖条件下的变化。心理生理交互分析是一种研究任务对脑连接影响的常用方法,不同于传统的单变量激活效应分析。
在神经影像学中,功能性磁共振成像(fMRI)用于测量大脑中的血氧水平依赖(BOLD)信号。大脑空间上独立区域之间BOLD信号的相关程度定义了这些区域的功能连接性。在认知fMRI任务期间,可通过心理生理交互(PPI)分析来研究由认知任务所定义的特定情境下功能连接性的变化。此类任务的一个示例是激活记忆系统的任务,要求参与者学习成对的无关联词语(编码阶段),并在呈现每对中的第一个词时回忆第二个词(提取阶段)。在本研究中,我们采用这种类型的联想记忆任务和广义PPI(gPPI)分析,比较携带阿尔茨海默病(AD)遗传风险因子载脂蛋白E epsilon-4(APOEε4)的老年人群中海马连接性的变化。具体而言,我们发现海马亚区的功能连接性在联想记忆任务的两个活跃阶段——编码和提取过程中发生了改变。与非携带者相比,APOEε4携带者在海马功能连接性的上下文依赖性变化方面表现出显著差异。PPI分析能够独立于单变量主效应,考察功能连接性的变化,并可在不同组间比较这些变化。因此,PPI分析可能揭示传统单变量方法无法捕捉到的特定群体中的复杂任务效应。然而,PPI分析不能确定功能连接区域之间的方向性或因果关系。尽管如此,PPI分析为生成关于功能关系的具体假设提供了有力手段,这些假设可通过因果模型进行验证。随着大脑越来越多地以连接性和网络的方式被描述,PPI成为一种重要的方法,适用于分析符合当前人类大脑概念的fMRI任务数据。
术语 "连接组" 于2005年提出,标志着神经科学领域的一场范式转变,这一转变至今仍在持续1大脑正越来越多地通过功能网络、大规模脑区间及脑区内部的连接性与相互作用来加以描述。然而,界定脑区的功能特化,以及分析由fMRI测量的脑活动与任务需求之间的关联,仍然是有效且有用的研究方法。鉴于人们对连接组学(connectomics)的兴趣日益增长,基于任务态fMRI的功能连接分析方法也日益受到关注。其中一种用于测量任务需求依赖性功能连接变化的方法,利用了心理生理交互(PPI)的概念。PPI是指某一活跃的任务阶段或特定任务需求与某一脑区的生理活动之间的交互作用。"心理")与功能连接性("生理学"感兴趣区域的 "种子" 在大脑中。PPI 与基于相关性的双变量功能连接分析不同,后者通常仅测量两个脑区活动之间的相关程度,而不考虑与任务需求相关的任何约束条件。
PPI 分析的概念与框架最初由 Friston 及其同事于 1997 年提出2。作者指出,该方法的重要性在于能够使对脑区连接性的研究更具功能特异性,并可推断远端种子区的活动可能调节由任务需求引起的活动。2012 年,McLaren 及其同事在原有框架基础上进一步发展,提出了一种 gPPI 方法,该方法将所有任务阶段及其相互作用纳入单一模型中3。这种方法使得结果对所研究的任务阶段及相互作用更加敏感且更具特异性。本研究采用的正是这一更新后的 gPPI 方法(见 实验方案 中的步骤 6.2.2)。目前,gPPI 方法已在超过 200 项研究中被引用。为明确起见,下文中使用“PPI”描述标准版本与广义版本共有的特征,而“gPPI”则用于讨论与新框架相关的具体进展。
PPI 分析的总体目标是理解认知任务的需求如何影响或调节某一种子区域的功能连接性。PPI 分析需要一个强有力的 先验的 假设。为了使PPI方法有效发挥作用,种子区域的活动必须受到任务的调节。4例如,在本研究中,我们的种子区选择基于强有力的证据,即海马体活动会受到记忆任务认知需求的调节。通过PPI分析,可以识别出在特定任务阶段与海马体功能连接显著增强或减弱的脑区。简而言之,我们提出的问题是, "在情境A中,哪些区域的活动与种子区域的相关性较基线期更强?" 我们也可以提出其逻辑上的反面问题(理解这种差异非常重要): "在情境A中,哪些区域的活动与种子区域的相关性较基线时期降低?" 在解释PPI效应的组间差异时,重要的是要检查数据,以及功能连接性的增加或减少,或两者共同作用,是否是导致组间差异的原因。
PPI 方法已被用于研究健康对照者中的动态任务控制中枢、阿尔茨海默病(AD)患者功能连接性的调节与认知表现之间的关系、自闭症个体的智力、帕金森病患者运动网络的连接性、躯体变形障碍和神经性厌食症患者对面孔的加工、情绪调节、记忆,以及许多其他与连接性相关的具体问题5,6,7,8,9,10,11。在本研究中,我们比较了一组具有较高 AD 遗传风险的个体与一组无此风险因素的个体在记忆编码和提取过程中海马亚区功能连接性的变化12。以下描述了我们所采用的 gPPI 方法的实验方案,以检验任务诱发的功能连接性变化是否与 AD 的遗传风险因素 APOEε4 的存在相关。
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本研究遵循加州大学洛杉矶分校机构审查委员会(IRB)的方案,并获得加州大学洛杉矶分校人类受试者保护委员会的批准。所有参与者均签署书面知情同意书,以参加本研究。
1. 受试者选择
2. 基因分型
3. 功能与结构成像数据采集
4. fMRI BOLD 数据预处理
5. 海马种子

图1:海马种子区域。 在个体原生空间中,单个受试者的前部海马种子区域以黄色显示。同一受试者的后部海马种子区域以粉红色显示。种子区域在每位受试者独特的结构像中定义,随后配准至其功能扫描图像。种子区域始终不在标准化空间中,这有助于提高海马分割的准确性。本图已获许可转载12。 请点击此处查看该图的放大版本。
6. 蛋白质-蛋白质相互作用模型

表1:gPPI 模型设置。
7. 组间比较
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由于存在两种不同的主动任务阶段(编码和提取)以及两个种子区域(海马前部和海马后部),因此每组需报告四种条件下的结果。组内任务激活图谱(此处未显示,参见 Harrison et al., 201612)显示,在两组实验组中,枕叶、听觉皮层、顶叶的广泛区域、额叶语言区、颞上回以及尾状核(在提取阶段更为显著)在编码和提取过程中均表现出显著的BOLD信号升高。组内PPI分析表明,无论是APOEε4携带者还是非携带者,与海马前部或后部种子区域之间的功能连接均无显著增强。组内PPI分析发现,APOEε4携带者在两种任务条件下、针对两个海马亚区均出现功能连接显著降低(图2)。而在APOEε4非携带者中,仅在编码阶段与海马后部之间观察到功能连接的显著降低(图2)。正向与负向的PPI图谱表明,在记忆任务过程中,APOEε4携带者与非携带者在海马功能连接变化模式上存在差异。为了确定该差异是否具有统计学意义,有...
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早期基于任务的fMRI研究旨在揭示特定认知过程或认知需求与BOLD信号相对于基线测量值变化之间的统计学关系。这种传统方法有助于识别大脑中受实验任务调节的特定活动区域。相比之下,PPI分析主要关注由任务诱发的认知过程所导致的功能连接性(即活动同步性)的调节。PPI测量的是在特定认知背景下,一个预定义的兴趣区域(种子区)与其他脑区之间的上下文依赖性功能连接,而不仅仅是局部区域的活动增强或减弱。种子区的选择必须基于假设,因为当种子区的活动在单变量框架下受到任务诱发的认知背景调节时,PPI分析才能达到最佳效果。随后,可利用PPI框架探讨在特定任务情境(如记忆编码或提取)下,种子区的活动如何与其他脑区的活动同步性增强或减弱。因此,组间差异仅限于由特定任务阶段所调节的种子区与其他区域之间的功能连接性变化。
深入理解广义线性模型(GLM)对于实施心理生理交互(PPI)分析至关重要。一项完整的组间比较PPI研究包含三个层次的线性建模:第一层(预处理、任务和运动建模)、中层PPI模型(添加种子区域时间进程和任务交互效应变量)以及高层组间比较模型(对参数估计值进行组间对比)。在每一步中,前一步的输出图...
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DGM 是 Biospective, Inc. 的员工。Biospective, Inc. 未处理本文展示的任何数据。
本工作由美国国家衰老研究所资助(SYB 获资助号 R01AG013308,TMH 获资助号 F31AG047041)。作者使用了由加州大学洛杉矶分校数字研究与教育研究所的研究技术组提供的 Hoffman2 共享集群相关的计算和存储服务。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3T 磁共振成像扫描仪 | Siemens Medical Solutions | MAGNETOM Trio, A Tim System | 3T MRI 扫描仪 |
| FSL(FMRIB 软件库) | 牛津大学 | 版本 6.0 | 功能成像处理软件 |
| AFNI(功能神经影像分析) | 美国国立卫生研究院国家精神卫生研究所 | 2015 年 5 月之后的任意版本 | 功能成像处理软件 |
| SPM8(统计参数映射) | 伦敦大学学院 | SPM8 | 功能成像处理软件 |
| Matlab 软件 | The Mathworks, Inc | 版本 R2012a | 计算软件 |
| SDS 软件 | Applied Biosystems, Inc | 7900HT Fast Real-Time PCR 系统 | 实时 PCR |
| Taqman 检测试剂 | ThermoFisher Scientific | 针对特定 SNP | SNP 分型 |
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