Brain Imaging Untersuchung der beeinträchtigende Wirkung von Emotion auf Kognition

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Protokolls besteht darin, die neuronalen Korrelate der nachteiligen Auswirkungen von Emotionen auf kognitive Prozesse zu untersuchen, wobei der Fokus auf Arbeitsgedächtnisprozessen liegt. Dies wird erreicht, indem die Gehirnaktivität mittels fMRT aufgezeichnet wird, während die Teilnehmer eine Arbeitsgedächtnisaufgabe durchführen, bei der emotionale Ablenkungsreize während des Zeitintervalls zwischen Memoranda und Testproben präsentiert werden. Nachdem die grundlegende Arbeitsgedächtnisaufgabe erstellt wurde, werden die Ablenkungsreize entsprechend den Untersuchungszielen und der Zielgruppe ausgewählt. Beispielsweise können, wenn keine spezifischen Emotionen im Fokus stehen, emotionale Stimuli verwendet werden, die allgemeine emotionale Reaktionen – positiv oder negativ – hervorrufen.

Wenn hingegen die Wirkungen spezifischer Emotionen wie Angst gezielt untersucht werden, können angstauslösende Ablenkungen entweder bei gesunden oder bei klinischen Probanden eingesetzt werden. Anschließend werden Verhaltens- und bildgebende Hirndaten analysiert, die erhoben wurden, während die Probanden die Arbeitsgedächtnisaufgabe unter Ablenkung durchführten, um unterschiedliche Effekte emotionaler Ablenkung auf die Arbeitsgedächtnisleistung sowie die damit verbundenen neuronalen Korrelate zu identifizieren. Es werden Ergebnisse erhalten, die Muster neuronaler Aktivität zeigen, die mit einer negativen Wirkung emotionaler Ablenkung auf die Arbeitsgedächtnisleistung sowie mit Hirnaktivitäten assoziiert sind, die die Fähigkeit widerspiegeln, mit emotionaler Ablenkung umzugehen. Zu den typischerweise untersuchten Hirnregionen gehören Bereiche, die mit der Fähigkeit in Verbindung stehen, fokussiert zu bleiben, und die Teil eines sogenannten dorsalen exekutiven neuronalen Systems sind, hier in Blau dargestellt, sowie Regionen, die an der Bewegungsverarbeitung beteiligt sind und Teil eines ventralen Effektivsystems sind, das in Rot dargestellt ist.

Die Implikationen dieser Technik reichen bis zum Verständnis und möglicherweise zur Diagnose von Angststörungen wie der posttraumatischen Belastungsstörung, da sie die Identifizierung von Veränderungen ermöglicht, die mit dysfunktionalen Reaktionen auf emotionale Ablenkung assoziiert sind. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden, wie beispielsweise solchen, die die gleichzeitige Präsentation von zielrelevanten Informationen und aufgabenirrelevanten emotionalen Ablenkungen beinhalten, besteht darin, dass wir die neuronalen Korrelate der Reaktion auf emotionale Ablenkung besser von denen unterscheiden können, die mit laufenden kognitiven Prozessen assoziiert sind. Darüber hinaus ermöglicht dieses Paradigma nicht nur die Untersuchung der neurokognitiven Korrelate kognitiver Interferenz, sondern auch der neuronalen Reaktionen beim Umgang mit emotionaler Ablenkung.

Die Grundaufgabe dieses Protokolls ist eine Arbeitsgedächtnisaufgabe mit verzögerter Antwort, bei der während des Zeitintervalls zwischen Memoranda und Proben neue emotionale und nicht-emotionale Reize als aufgabenirrelevante Ablenkungsreize präsentiert werden. Als perzeptive Kontrollen können verschlüsselte Versionen mit identischen grundlegenden Eigenschaften wie räumlicher Frequenz und Helligkeit wie die eigentlichen Ablenkungsreize verwendet werden. Alternativ können auch Durchgänge ohne Ablenkung als grundlegende Kontrollen dienen.

Es sollte beachtet werden, dass emotionale und nicht-emotionale Ablenkungsreize in verschiedenen Durchgängen verwendet werden sollten. Außerdem wird empfohlen, Ablenkungsreize mit ähnlichen emotionalen und semantischen Eigenschaften zu kombinieren, um die Wirkung zu verstärken. Emotionale und neutrale Ablenkungsreize im gerade gezeigten ursprünglichen Design können aus dem internationalen affektiven Bildersystem ausgewählt werden, jedoch können ähnliche Effekte auch mit anderen neuen Reizen erzielt werden, die als Ablenkungsreize wirksam sind.

Beispielsweise könnten Gesichter mit wütenden Ausdrücken spezifische emotionale Reaktionen wie soziale Angst hervorrufen und sich somit zur Untersuchung der Auswirkung von vorübergehend angstauslösender Ablenkung auf das Arbeitsgedächtnis eignen. Ebenso könnte bei klinischen Probanden, wie beispielsweise Patienten mit einer posttraumatischen Belastungsstörung, die Spezifität der Ablenkung erhöht werden, indem traumabezogene Reize präsentiert werden. Zum Beispiel durch die Verwendung kampfbezogener Bilder bei Kriegsveteranen mit PTBS.

Wenn angstauslösende Gesichtsreize verwendet werden, um die Wirkung zu verstärken, empfehlen wir, sie wie hier gezeigt zu morphen, anstatt die Gesichter als statische Bilder darzubieten. Richten Sie diese Aufgabe mit Ihrer gewählten Software zur Reizpräsentation als ereigniskorrelierten Versuchsplan ein, bei dem drei Gesichter in der Arbeitsgedächtnisaufgabe präsentiert werden, gefolgt von neuen Ablenkungsreizen. Die Teilnehmer sollen angewiesen werden, ihre Aufmerksamkeit auf das Zentrum zu richten, während sie gleichzeitig die Ablenkungsreize verarbeiten, und schnelle sowie genaue Reaktionen auf einzelne Gesichtsreizproben durch Drücken einer Antworttaste abzugeben, wobei Taste eins „alt“ oder „erinnert“ und Taste zwei „neu“ anzeigt. Zusätzliche Manipulationen, die die Sensitivität der Arbeitsgedächtnisaufgabe bei der Erfassung verhaltensbezogener Unterschiede erhöhen, beispielsweise die Erfassung des subjektiven Vertrauens der Teilnehmer in ihre Antworten, können ebenfalls implementiert werden.

Beachten Sie, dass dieses Beispiel aus Gründen der Veranschaulichung nicht den tatsächlichen zeitlichen Ablauf der Aufgabe widerspiegelt. Schließlich kann die Schwierigkeit der Arbeitsgedächtnisaufgabe variiert werden, indem das Vorhandensein von Farben und/oder zusätzlichen Gesichtsmerkmalen in den zu merkenden Stimuli sowie die Ähnlichkeit der Gesichter beim Erscheinen der Probanden manipuliert wird. Stellen Sie sicher, dass Sie eine schriftliche, informierte Einwilligung einholen und auf MRT-Sicherheit prüfen.

Beurteilen Sie außerdem den gegenwärtigen emotionalen Zustand sowie Persönlichkeitsmerkmale wie Angst und emotionale Reaktivität. Ich möchte, dass Sie einige Fragebögen ausfüllen, die Ihren aktuellen emotionalen Zustand erfassen. In Ordnung, es sollte etwa 10 Minuten vor der Aufnahme dauern.

Informieren Sie den Teilnehmer detailliert über die Scan-Prozeduren und geben Sie spezifische Anweisungen für die Verhaltensaufgabe, um Unbehagen zu vermeiden und die Vertrautheit mit der Aufgabe zu erhöhen. Bieten Sie dem Teilnehmer außerdem einen verkürzten Übungsversuch an. Bringen Sie nun den Probanden in den Scanraum und weisen Sie ihn an, sich rücklings auf die Scangarnitur zu legen.

Stellen Sie Gehörschutz sowie isolierende Kopfhörer für die Kommunikation während der Aufnahme bereit, und platzieren Sie zusätzliche Polsterung um den Kopf, um den Komfort während der Aufnahme zu gewährleisten und Bewegungen zu minimieren. Außerdem kann die nichtklebende Seite eines Klebebandstücks leicht um die Stirn des Teilnehmers gewickelt werden. Um Kopfbewegungen weiter zu reduzieren, positionieren Sie die rechte Hand des Probanden bequem auf der Reaktionsbox und stellen Sie sicher, dass die Reaktionstasten ordnungsgemäß funktionieren.

Platzieren Sie eine Notstopp-Taste in der Nähe, damit die Versuchsperson jederzeit ein dringendes Bedürfnis nach Beendigung des Scanvorgangs signalisieren kann, und vergewissern Sie sich abschließend, dass die Versuchsperson die Bildschirmprojektion zur klaren Darbietung der Reize sehen kann, bevor sie in den Scanner geschoben wird. Erheben Sie nun ein hochauflösendes T1-gewichtetes strukturelles Bild, beispielsweise ein SPGR- oder MP-Rage-Bild. Richten Sie danach Ihre funktionellen Messdurchläufe so ein, dass eine vollständige Abdeckung des Gehirns gewährleistet ist.

In unseren anfänglichen Studien mit einem Vier-Tesla-Scanner erfassten wir axiale Serien von 30 funktionellen Schichten mit einer Voxelgröße von vier mal vier mal vier Millimetern unter Verwendung einer inversen Spiral-Pulssequenz und folgenden Parametern: eine TR von 2000 Millisekunden, eine TE von 31 Millisekunden und ein Sichtfeld von 256 mal 256 Millimetern. Kürzlich passten wir das Paradigma zudem für einen 1,5-Tesla-Scanner an, wobei folgende Parameter verwendet wurden: 28 funktionelle Schichten mit einer Voxelgröße von vier mal vier mal vier Millimetern, axial erfasst unter Verwendung einer Echo-Planar-Sequenz, sowie eine TR von 2000 Millisekunden, eine TE von 40 Millisekunden und ein Sichtfeld von 256 mal 256 Millimetern. Informieren Sie die Versuchsperson darüber, dass die funktionelle Bildgebung kurz beginnt, und erinnern Sie sie an die Aufgaben. Starten Sie den Scanner synchron zum Paradigma. Sobald die Aufnahme abgeschlossen ist, helfen Sie der Versuchsperson aus dem Scanner und führen Sie eine Verhaltensbeurteilung durch, um die Empfindlichkeit des Teilnehmers gegenüber den Ablenkfaktoren zu bestimmen, indem Sie die emotionale Intensität der Ablenkfaktoren sowie die subjektiv wahrgenommene Ablenkungswirkung bewerten. Interindividuelle Unterschiede in diesen Bewertungen können genutzt werden, um deren Einfluss auf die neuronalen Mechanismen zu untersuchen, die die nachteilige Wirkung von Emotionen auf die kognitive Leistung vermitteln, oder um Gehirnregionen zu identifizieren, die an der Bewältigung emotionaler Ablenkung beteiligt sind.

Verabschieden Sie die Versuchsperson schließlich mit einem Dank für die Teilnahme am Experiment. Nach der Datensammlung können die Daten mit jeder beliebigen FMRI-Verarbeitungssoftware, beispielsweise der statistischen parametrischen Kartierung (statistical parametric mapping), allgemein bekannt als SPM, analysiert werden. In unserem Labor verwenden wir diese Methode in Kombination mit hauseigenen, auf MATLAB basierenden Werkzeugen.

Die Vorverarbeitung umfasst typische Schritte wie Qualitätskontrolle, Bildregistrierung, Bewegungskorrektur, Koregistrierung, Normalisierung und räumliche Glättung mit einem acht Millimeter großen Kernel. Bei Verwendung von SPM wird das allgemeine lineare Modell angewendet, um die Anpassung der aufgezeichneten Daten aus jeder Bedingung von Interesse an eine vorab festgelegte hämodynamische Antwortfunktion zu bewerten. Alternativ können die Daten jeder Bedingung selektiv gemittelt werden, um das rohe FMR-Signal, das mit jeder Bedingung assoziiert ist, ohne vorab festgelegte Annahmen über die Form der hämodynamischen Antwortfunktion darzustellen.

Kontraste von Interesse zeigen dann Veränderungen im Vergleich zur prästimulus Bedingung, zur Grundlinie sowie Unterschiede zwischen einer Bedingung und einer anderen Bedingung auf. Bei diesem experimentellen Protokoll empfehlen wir die Verwendung von Analysewerkzeugen, die die Beurteilung von Veränderungen des FMR-Signals punktgenau über die Zeit hinweg auf individueller und Gruppenebene ermöglichen. Die statistische Analyse umfasst Vergleiche der Gehirnaktivität entsprechend der Art der Ablenkung. Darüber hinaus werden Korrelationen zwischen den bildgebenden Daten des Gehirns und subjektiven oder objektiven Maßen der Ablenkbarkeit sowie indizierenden Werten betrachtet.

Es können auch Persönlichkeitsmerkmale untersucht werden, um zu analysieren, wie die Gehirnaktivität mit individuellen Unterschieden in diesen Merkmalen korreliert. Hier veranschaulichen wir das grundlegende Vorgehen zur Identifizierung von Gehirn-Verhalten-Beziehungen mithilfe von interindividuellen Korrelationen zwischen Gehirnaktivität und subjektiven Bewertungen der Ablenkbarkeit. Zunächst werden individuelle Werte der Ablenkbarkeit für jeden Probanden berechnet.

Zweitens werden ihre Korrelationen mit Veränderungen der Hirnaktivität entweder voxelweise oder anhand des fMRT-Signals, das aus spezifischen Interessenregionen (ROIs) extrahiert wurde, berechnet. Drittens werden Streudiagramme dieser Korrelationen erstellt. Analysen in all unseren Studien, die dieses Protokoll verwenden, beinhalteten typischerweise Bewertungen von Veränderungen des fMRT-Signals, die während des Verzögerungsintervalls beobachtet wurden, wenn die Ablenkungsreize präsentiert wurden; jedoch kann auch Aktivität, die auf andere Ereignisse wie die Testreize zeitlich synchronisiert ist, untersucht werden. Hier veranschaulichen wir die wichtigsten Ergebnisse unserer ersten Studie, die emotionale und neutrale Ablenkungsreize verwendete, die aus dem International Affective Picture System ausgewählt wurden.

Das mittlere Panel zeigt Aktivierungskarten des direkten Vergleichs zwischen den stärksten und schwächsten ablenkenden Bedingungen, die auf ein hochauflösendes Gehirnbild in seitlicher Ansicht der rechten Hemisphäre aufgelegt sind. Der Fokus liegt auf der Aktivität, die während des Verzögerungsintervalls erfasst wurde, in dem die Ablenkungsreize präsentiert wurden. Aktivität im dorsalen exekutiven neuronalen System ist in Blau dargestellt, und Aktivität im ventralen effektiven System ist in Rot dargestellt.

Die farbigen horizontalen Balken am unteren Rand des Gehirnbildes zeigen den Gradienten der T-Werte der Aktivierungskarten an. Die seitlichen Felder veranschaulichen die zeitlichen Verläufe von Veränderungen der Gehirnaktivität während der Arbeitsgedächtnisaufgabe mit Ablenkung, wobei die oberen Felder die Aktivität in dorsalen exekutiven Regionen wie dem dorsolateralen präfrontalen Kortex und dem lateralen parietalen Kortex darstellen, und die unteren Felder die Aktivität in Regionen des ventralen Effektivsystems wie dem ventrolateralen präfrontalen Kortex oder Regionen, die für effektive Modulation empfänglich sind, beispielsweise den Gyrus fusiformis. Die blauen Zeitverläufe repräsentieren den unstrukturierten bedeutungslosen Ablenker, die roten Zeitverläufe zeigen den emotionalen Ablenker an, und die gelben Zeitverläufe stellen den neutralen Ablenker bei gleichzeitiger bedeutungsloser Ablenkung dar.

Es kam zu anhaltender Aktivität in Regionen des dorsalen exekutiven Systems. Das Vorhandensein emotionaler Ablenkung erhöhte die Aktivität in Regionen des ventralen Effektsystems, während es die Aktivität im dorsalen System verringerte und die Arbeitsgedächtnisleistung beeinträchtigte, was dem Verhaltenseffekt entspricht; das Vorhandensein neutraler Ablenker führte zu einem intermediären Aktivitätsniveau in beiden Systemen. Diese dorsoventrale Dissociation wurde systematisch repliziert und als spezifisch für emotionale Ablenkung nachgewiesen.

Dieses experimentelle Paradigma ermöglicht zudem die Identifizierung von Gehirnregionen, die an der Bewältigung emotionaler Ablenkung beteiligt sind. Beispielsweise zeigten Korrelationsanalysen zwischen der Aktivität in Gehirnregionen, die empfindlich auf das Vorhandensein emotionaler Ablenkung reagieren, Bereiche im ventrolateralen präfrontalen Kortex, deren Aktivität negativ mit Indizes emotionaler Ablenkbarkeit für emotionale, jedoch nicht für neutrale Ablenker korrelierte. Insbesondere nahmen Teilnehmer mit stärkerer Aktivität in dieser Region emotionale Ablenker als weniger störend wahr und bewerteten sie entsprechend.

Diese Befunde liefern Hinweise auf eine Rolle dieser Region beim Umgang mit ablenkenden Emotionen. Nach der Entwicklung dieses Paradigmas ebnete es Forschenden auf dem Gebiet der Wechselwirkungen zwischen Emotion und Kognition den Weg, die neurobiologischen Korrelate sowohl der Reaktion auf als auch des Umgangs mit emotionaler Ablenkung sowohl in gesunden als auch in klinischen Populationen zu untersuchen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie dieses Protokoll verwendet wird, um die neurobiologischen Korrelate kognitiver Interferenz durch emotionale Ablenkung zu untersuchen, und wie es an Ihre eigenen experimentellen Anforderungen angepasst werden kann.