Visuelle Aufmerksamkeit: fMRI Untersuchung der objektbasierten Aufmerksamkeitskontrolle
Quelle: Laboratorien der Jonas T. Kaplan und der Sarah I. Gimbel-Universität von Südkalifornien
Das menschliche visuelle System ist unglaublich anspru…
1. Teilnehmer Rekrutierung
- 20 Teilnehmer zu rekrutieren.
- Teilnehmer sollten Rechtshänder und haben keine Geschichte der neurologische oder psychische Störungen.
- Teilnehmer müssen normal oder korrigiert-zu-normale Vision um sicherzustellen, dass sie in der Lage, die visuelle Hinweise richtig zu sehen sein werden.
- Teilnehmer sollten nicht Metall in ihrem Körper haben. Dies ist eine wichtige Voraussetzung aufgrund des hohen Magnetfeldes fMRI beteiligt.
- Teilnehmer sollten nicht unter Klaustrophobie leiden, da die fMRT erfordert liegen in dem kleinen Raum des Scanners trug.
2. Pre-Scan-Verfahren
- Prescan Schreibarbeit.
- Wenn die Teilnehmer ihre fMRI-Scans kommen, weisen Sie sie zum ersten füllen ein Metallsieb Form, um sicherzustellen, dass sie keine Kontraindikationen zur MRT haben, eine zufällige Ergebnisse Formular Zustimmung für ihre Scan von einem Radiologen betrachtet werden, und eine Einverständniserklärung über die Risiken und Vorteile der Studie.
- Bereiten Sie die Teilnehmer in den Scanner zu gehen, indem Sie ihren Körper, einschließlich Gürtel, Brieftaschen, Handys, Haarspangen, Münzen und Schmuck aus Metall entfernen.
3. Geben Sie Anweisungen für die Teilnehmer.
- Sagen Sie des Teilnehmers, dass in den Scanner sie Bilder von Gesichtern und Häuser sehen.
- Weisen Sie für die anfängliche Localizer Läufe Teilnehmer, dass sie passiv Gesichter und Häuser betrachten werden.
- Erklären Sie den Teilnehmern, die in der Aufgabe ausgeführt wird, sie ein Gesicht und ein Haus überlagert auf einander zu sehen. Ihre Aufgabe wird sein, entweder das Haus oder das Gesicht wie folgt achten.
- Wenn die Aufgabe zuerst beginnt, werden sie über Textanweisungen ob Häuser oder Flächen achten mitgeteilt.
- Die Teilnehmer haben vier Läufe, wo sie angewiesen sind, achten, Häuser, und vier Abfahrten, wo sie aufgefordert werden, auf Gesichter zu achten.
- Der Zeitplan für die Gesichts- und Haus läuft wird zufällig für jedes Fach sein.
- Betonen Sie die Teilnehmer halten ihren Kopf während des Scans.
4. Legen Sie den Teilnehmer in den Scanner.
- Geben Sie die Teilnehmer Ohrstöpsel schützen ihre Ohren vor dem Lärm der Scanner und Ohr Handys zu tragen, so dass sie den Experimentator während des Scans hören, und Sie liegen auf dem Bett mit ihrem Kopf in der Spule.
- Geben Sie die Teilnehmer den Notfall Squeeze-Ball und weisen sie es im Notfall während des Scans zu quetschen.
- Einsatz-Schaumstoff-Pads, die Teilnehmer zu sichern den Kopf in der Spule zu vermeiden übermäßige Bewegung während des Scans, und erinnern die Teilnehmer, dass es sehr wichtig, während des Scans als auch die kleinsten Bewegungsunschärfe möglichst ruhig bleiben die Bilder.
5. Datenerhebung
- Einen hochauflösende anatomische Scan zu sammeln.
- Starten Sie den Scanvorgang funktionsfähig.
- Beginn der Reizdarbietung mit dem Start des Scanners zu synchronisieren.
- Vorliegenden Bilder über einen Laptop an einen Projektor angeschlossen. Der Teilnehmer hat einen Spiegel über ihre Augen reflektiert, dass ein Bildschirm auf der Rückseite des Scanners langweilen.
- Jeder Teilnehmer mit zwei Localizer läuft, in denen sie passiv Blöcke von Gesichtern und Häuser sehen zu präsentieren. Diese Localizer Läufe werden verwendet, um die FFA und PPA in jedes einzelnen Teilnehmers zu ermitteln.
- Präsentieren Sie jeden Satz von Gesichtern und Häuser in einem 30-s-Block mit 20 s Fixierung zwischen den Blöcken. Zeigen Sie jeden Anreiz für 750 ms, gefolgt von ein 250 ms inter-Stimulus-Intervall, in der nur eine Fixierung Kreuz auf dem Bildschirm vorhanden ist. Wiederholen Sie die Blöcke in abwechselnder Reihenfolge fünf Blocks von Gesichtern und fünf Blocks von Häusern zu erhalten.
- Jeder Teilnehmer mit acht funktionellen Durchläufe der Aufmerksamkeit Aufgabe zu präsentieren.
- Beginnen Sie jeweils mit einem überlagerten Gesicht und Haus (Abbildung 1) in der Mitte des Bildschirms und eine Anweisung, durch die Teilnahme an entweder das Gesicht beginnen oder das Haus laufen. Das anfängliche Aufmerksamkeit Ziel werden zufällig von Ausführung zu Ausführung.
- Jeder Lauf wird 300 Paare von überlagerten Gesichter und Häuser enthalten. Paare von Gesichtern und Häuser werden zwischen den Läufen, aber nicht innerhalb läuft wiederholt.
- Zeigen Sie jedes Paar von überlagerten Reiz für eine Sekunde. Ersetzen Sie jede Sekunde die überlagerten Haus und das Gesicht mit einem überlagerten Neubau und Gesicht.
Abbildung 1: Gesicht-Reiz und Haus Reiz überlagert zusammen. Jeder Reiz präsentiert wurde eine überlagerte Gesicht und Haus. Der Teilnehmer wurde angewiesen, sich auf das Gesicht oder das Haus.
6. Post-Scan-Verfahren
- Bringen Sie den Teilnehmer aus dem Scanner.
- Nachbesprechung des Teilnehmers.
7. die Datenanalyse
- Vorverarbeitung der Daten.
- Führen Sie Bewegungskorrektur um Bewegungsartefakte zu reduzieren.
- Zeitliche Filterung um Signal Drifts zu entfernen.
- Glätten Sie die Daten, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.
- Modellieren Sie die Daten für jeden Teilnehmer.
- Erstellen Sie ein Modell dessen, was die erwartete hämodynamische Antwort für jede Aufgabe-Bedingung (Gesichter und Häuser) in der Localizer-Scan.
- Passen Sie die Daten zu diesem Modell, was zu einer statistischen Karte, wobei der Wert bei jedem Voxel das Ausmaß darstellt, das die Aufgabe Zustand das Voxel beteiligt war.
- Identifizieren Sie die Cluster für jedes Fach, die FFA und PPA basierend auf ihren anatomischen Positionen entsprechen. Die FFA gehören alle zusammenhängenden Voxel im der Mitte-Gyrus (welche reagiert deutlich mehr zu stellt sich als Häuser) und der PPA enthalten alle Voxel in der Parahippocampal Gyrus, der deutlich mehr Häuser als an Gesichter reagiert hat. Zu diesen Regionen von Interesse, eine minimale Signifikanzschwelle von p < 10-6 für jedes Voxel verwendet wurde.
- Verwenden Sie jeden einzelnen FFA und PPA Masken als einen ROI Signal Aktivierungen während der vier Fokus auf Gesichter und die vier Fokus auf Häuser läuft zu extrahieren.
- Prozentuale Signaländerung für Gesicht- und Haus-Fokus Bedingungen im FFA und PPA für jedes Fach zu quantifizieren.
- Erstellen Sie ein Modell dessen, was die erwartete hämodynamische Antwort für jede Aufgabe-Bedingung (Gesichter und Häuser) in der Localizer-Scan.
- Führen Sie einen bidirektionalen Varianzanalyse (ANOVA) Prozent Signal ändern Sie Werte für Unterschiede unter den Bedingungen zu testen. Die Faktoren in diesem Test sind ROI (PPA vs. FFA) und Aufmerksamkeit (Gesichter vs. Häuser).
Visuelle Aufmerksamkeitskontrolle bezieht sich auf unseren bewussten Zustand, in dem wir wählen, worauf wir achten wollen.
Wenn es zum Beispiel das Ziel eines Beobachters ist, alle Zwiebeln in seiner Suppe herauszupicken, dann bemerkt er vielleicht die Fliege, die herumschwirrt, nicht.
Obwohl beide räumlich zusammenfielen, stach der Schwerpunkt – die Zwiebeln – aufgrund des Ziels des Individuums hervor. Dies ist ein Beispiel für objektbasierte Aufmerksamkeitssteuerung.
Interessanterweise kann das Gehirn – und insbesondere der visuelle Kortex – die Objekte getrennt voneinander verarbeiten. Aber es ist das beaufsichtigte Objekt, das in seinem zugehörigen spezialisierten Verarbeitungsbereich eine stärkere Aktivierung erhält.
Unter Verwendung von funktioneller Magnetresonanztomographie, fMRT und Methoden, die ursprünglich von Nancy Kanwisher und Kollegen entwickelt wurden, zeigt dieses Video, wie man dedizierte Gehirnregionen lokalisiert, die bestimmte Objekte verarbeiten.
Wir werden auch untersuchen, wie die Aufmerksamkeitskontrolle die neuronale Aktivität in denselben Regionen mit Hilfe voxelbasierter Analysen moduliert, und sogar diskutieren, wie Achtsamkeitstraining die Fähigkeit zur Kontrolle der Aufmerksamkeit im Laufe der Zeit verbessern kann.
In diesem Experiment liegen die Teilnehmer in einem fMRT-Scanner und bekommen Bilder von Gesichtern und Häusern in zwei verschiedenen Phasen gezeigt: passives Betrachten und Überlagerung.
In der ersten Phase werden sie gebeten, einfach Bilder nacheinander in einem Blockdesign zu betrachten, d.h. es werden mehrere Gesichter präsentiert, gefolgt von einer Abfolge von Häusern. Diese Art der Betrachtung dient dazu, Aktivitäten innerhalb bestimmter Interessenbereiche zu lokalisieren.
So hat sich beispielsweise gezeigt, dass die fusiforme Gesichtsfläche, die FFA, im Vergleich zu anderen häufigen Objekten aktiver ist, wenn Individuen Gesichter betrachten, während die parahippocampale Ortsfläche, kurz PPA, stärker auf Häuser und Orte reagiert als auf Gesichter.
Angesichts der Tatsache, dass diese Regionen auf bestimmte Arten von Reizen reagieren, ist zu erwarten, dass sich die Muster der voxelbasierten Aktivität - oder Bereiche, die ein gewisses Maß an Aktivierung darstellen - je nach den gezeigten Bildern ändern.
Solche Erwartungen bilden den Auftakt für die zweite Phase, in der überlagerte Bilder eines Gesichts und eines Hauses gezeigt werden. In mehreren Versuchen werden die Teilnehmer gebeten, jeweils nur auf eines der Elemente zu achten und müssen daher ihren Fokus entweder auf das Haus oder das Gesicht wechseln.
In diesem Fall ist die abhängige Variable die Menge der Aktivierung, die unter allen Bildbedingungen aufgezeichnet wurde, die in das Ausmaß der Signaländerung umgerechnet werden kann, um die Variation der Aktivierung von der Grundlinie zu den gesichtsfokussierten Blöcken und den auf das Haus zentrierten Blöcken zu beobachten.
Obwohl beide Bilder überlagert dargestellt werden, wird vorhergesagt, dass sich die Aktivitätsmuster in der FFA und PPA der Teilnehmer ändern werden, je nachdem, um welches Element sie sich kümmerten. Solche Ergebnisse würden die objektbasierte Aufmerksamkeitskontrolle hervorheben.
Nachdem Sie die Teilnehmer für diese Studie rekrutiert haben, begrüßen Sie sie im Labor und vergewissern Sie sich, dass sie die Sicherheitsanforderungen erfüllen, indem Sie die erforderlichen Einwilligungserklärungen ausfüllen. Bitte beziehen Sie sich auf ein anderes fMRT-Projekt in dieser Sammlung, um weitere Informationen darüber zu erhalten, wie Sie Personen auf das Betreten des Scanraums und der Bildgebungsbohrung vorbereiten können.
Erklären Sie dem Teilnehmer nun im Scanner die Aufgabenanweisungen: Er muss zunächst passiv eine Reihe von Bildern auf dem Bildschirm betrachten. In der zweiten Phase werden sie durch Textanweisungen aufgefordert, entweder auf das Haus oder das Gesicht zu achten, wenn sie überlagert erscheinen.
Befolgen Sie diese Anweisungen, beginnen Sie das Scanprotokoll, indem Sie zunächst einen hochauflösenden anatomischen Scan sammeln.
Initiieren Sie dann den funktionellen Teil mit zwei Lokalisierungsläufen, bei denen die Teilnehmer Bilder passiv in 30-Sekunden-Blöcken betrachten. Zum Beispiel zeigen Sie im ersten Segment Flächen für jeweils 750 ms und ein Fixationskreuz dazwischen während eines Inter-Stimulus-Intervalls (ISI) von 250 ms an.
Am Ende jedes Blocks wird das Fixationskreuz 20 s lang dargestellt, bevor die Bildserie abwechselt, die nun Häuser sein sollten. Beachten Sie, dass sich diese Sequenz fünfmal mit unterschiedlichen Bildern wiederholt, was insgesamt 10 Blöcke innerhalb eines Durchlaufs ergibt.
Fahren Sie als Nächstes mit acht funktionalen Durchläufen der Aufmerksamkeitssteuerungsaufgabe fort. Während dieser Phase weisen Sie die Teilnehmer per Text auf dem Bildschirm an, um welche Objekte sie sich kümmern sollen, und durchlaufen Sie dann jede Sekunde ein überlagertes Gesicht und ein Haus, wobei jeder Durchlauf 300 überlagerte Bilder enthält.
Um die Studie abzuschließen, nehmen Sie den Teilnehmer aus dem Scanner und führen Sie eine Nachbesprechung durch.
Um die Daten vorzuverarbeiten, führen Sie eine Bewegungskorrektur durch, um Bewegungsartefakte zu reduzieren, eine zeitliche Filterung, um Signalabweichungen zu entfernen, und eine räumliche Glättung, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.
Erstellen Sie anschließend ein allgemeines lineares Modell, das darauf basiert, wie die erwartete hämodynamische Reaktion für jede Aufgabenbedingung, entweder Gesichter oder Häuser, im Lokalisiererscan aussehen sollte.
Generieren Sie eine statistische Karte, indem Sie die Daten an dieses Modell anpassen, wobei der Wert an jedem Voxel das Ausmaß darstellt, in dem es an der Aufgabenbedingung beteiligt war.
Identifizieren Sie basierend auf den interessierenden Regionen Cluster für jedes Subjekt mit einem statistischen Mindestschwellenwert für jedes Voxel, das entweder auf Gesichter oder Häuser reagiert hat.
Konzentrieren Sie sich insbesondere auf den FFA im mittleren fusiformen Gyrus, der signifikant mehr auf Gesichter als auf Häuser reagiert, sowie auf den PPA, der alle Voxel im Gyrus parahippocampalis umfasst, der signifikanter auf Häuser als auf Gesichter reagiert.
Quantifizieren Sie dann den prozentualen Prozentsatz der Signaländerung für gesichts- und hausfokussierte Bedingungen in der FFA und PPA für jedes Subjekt und stellen Sie es grafisch dar.
Während der Lokalisierungsphase war zu beachten, dass die bilaterale FFA aktiver war, wenn die Probanden Gesichter im Vergleich zu Häusern betrachteten. Umgekehrt war die PPA aktiver, wenn Probanden Häuser im Vergleich zu Gesichtern beobachteten.
Verwenden Sie nun aus den Funktionsläufen das gleiche Maß - die prozentuale Signaländerung - das gegen die Gehirnregionen aufgetragen wird.
Bei der Pflege des Gesichts wurde eine erhöhte Aktivität in der FFA festgestellt, nicht aber in der PPA. Umgekehrt, wenn man sich auf das Haus konzentrierte, kam es zu einer erhöhten Aktivität in der PPA, nicht aber in der FFA. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die neuronale Aktivität moduliert wird, je nachdem, um welches Element geachtet wird.
Nachdem Sie nun mit der Verwendung von funktioneller Neurobildgebung vertraut sind, um objektbasierte Aufmerksamkeitskontrolle zu untersuchen, schauen wir uns an, wie Forscher andere Arten der Aufmerksamkeitsverarbeitung untersuchen.
Neben statischen visuellen Bildern interessieren sich die Forscher auch dafür, wie die Gehirnaktivität moduliert wird, wenn Individuen sich auf sich bewegende Objekte konzentrieren – besonders wichtig für den Betrieb eines motorisierten Fahrzeugs und die Vermeidung von Unfällen.
Wenn der Fahrer beispielsweise aufgefordert wird, auf Bewegungen zu achten – wie ein Hund, der die Straße überquert –, wird die Bewegung selbst seine Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Es kann jedoch sein, dass sie sich nicht an andere identifizierende Details über den Hund erinnern. Schließlich ist es wichtiger, Tragödien zu vermeiden, als sich an die Fellfarbe zu erinnern.
Eine andere Praxis, Achtsamkeit, beinhaltet Schlüsselelemente des Aufmerksamkeitswechsels, indem sie eine kluge Konzentration weg von stressigeren Gedanken fördert. Es hat sich gezeigt, dass Individuen bei der von Lehrern geleiteten Meditation ihre Fähigkeit verbessern, ihre Aufmerksamkeit zu kontrollieren, insbesondere abseits von negativen Ansichten.
Für Personen mit Angststörungen, einschließlich posttraumatischem Stress, ist die Aufmerksamkeitskontrolle jedoch schwieriger. Das heißt, sie sind eher auf emotional negative Reize ausgerichtet, wie z. B. tragische Ereignisse in den Nachrichten, als auf neutrale Geschichten.
Eine solche schlechte Aufmerksamkeitskontrolle macht sie anfälliger für die Auswirkungen bedrohlicher Bilder und hält Situationen aufrecht, die sie scheinbar nicht aus dem Kopf bekommen.
Sie haben sich gerade das Video von JoVE angesehen, in dem gezeigt wird, wie Aufmerksamkeit die neuronale Aktivität moduliert. Jetzt sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein Aufmerksamkeitskontrollexperiment mit funktioneller Neurobildgebung entwirft und durchführt und schließlich, wie man bestimmte Muster der Gehirnaktivität im Zusammenhang mit objektbasierter Aufmerksamkeit analysiert und interpretiert.
Danke fürs Zuschauen!
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Q1: What is object-based attentional control and how does it work?
Object-based attentional control refers to deliberately choosing what to pay attention to based on your goals. For example, if you focus on picking onions from soup, you may not notice a fly nearby, even though both are in the same location. The brain processes objects separately, but the attended object gains stronger activation in its specialized processing area, allowing selective focus despite competing stimuli.
Q2: What are the fusiform face area and parahippocampal place area?
The fusiform face area (FFA) is a brain region in the mid-fusiform gyrus that responds significantly more to faces than other objects. The parahippocampal place area (PPA) is located in the parahippocampal gyrus and responds more strongly to houses and places than faces. These specialized regions demonstrate how visual cortex is organized to process specific types of stimuli.
Q3: How does fMRI help researchers study attentional control?
Functional magnetic resonance imaging (fMRI) allows researchers to measure neural activity patterns across brain regions during different tasks. By using voxel-based analysis to track signal changes, researchers can observe how brain activation varies when participants attend to different objects. This technique reveals how attentional control modulates neural activity in specialized processing areas like the FFA and PPA.
Q4: What happens in the brain when you attend to one object over another?
When you attend to a specific object, neural activity increases in the brain region specialized for processing that object type. In studies with superimposed faces and houses, attending to faces increased FFA activity but not PPA activity, while attending to houses increased PPA activity but not FFA activity. This demonstrates that attentional control selectively modulates neural responses based on what you choose to focus on.
Q5: How does mindfulness training affect attentional control?
Mindfulness training, which incorporates attentional switching through instructor-led meditation, enhances individuals' ability to control attention over time. This practice encourages focused awareness away from stressful thoughts. However, individuals with anxiety disorders or post-traumatic stress show biased attention toward emotionally negative stimuli, making attentional control more difficult and increasing vulnerability to threatening images.
Q6: What is the difference between passive viewing and attentional control phases in fMRI experiments?
During passive viewing, participants simply observe images in block design without directing attention, allowing researchers to localize which brain regions respond to specific stimuli like faces or houses. In the attentional control phase, superimposed images appear and participants must focus on one object at a time. This comparison reveals how top-down attention modulates activity in specialized brain regions beyond their baseline responses.
Q7: Why is attention important for visual perception?
The brain's capacity to process visual information is limited, making attention essential for selectively processing goal-relevant information while ignoring irrelevant details. Some attentional processes are automatic, while others involve voluntary, conscious control. This selective processing allows efficient navigation of complex visual environments, such as focusing on relevant hazards while driving rather than processing every visual detail.