Korrelation von Verhaltensreaktionen auf fMRI Signalen von Human präfrontalen Kortex: Untersuchung kognitiver Prozesse mit dem Task Analysis

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die mit der Aufmerksamkeitsreaktion auf visuelle Reize zusammenhängenden MRT-Signale zu untersuchen. Dies wird erreicht, indem Probanden während der Aufmerksamkeitsfokussierung auf emotionale Stroop-Reize gescannt werden. Gleichzeitig werden über Tastendruckreaktionen auf die Reize Verhaltensmaße erfasst, die mit den Signalen im Gehirn korreliert werden sollen.

Zusätzlich werden die Augenbewegungen des Probanden mittels eines im Scanner integrierten Eye-Trackers aufgezeichnet, um einen Maßstab für die Aufmerksamkeitsauswahl zu erhalten. Die Ergebnisse zeigen eine Aktivierung des inferioren frontalen Gyrus, basierend auf der Analyse der Korrelationen zwischen Verhalten und fMRT-Signal während der Stimulusreaktionsaufgabe. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber anderen, wie beispielsweise der Positronen-Emissions-Tomographie, liegt darin, dass Probanden bis zu zwei Stunden lang gescannt werden können.

Dieses System hilft uns, die Hemmung der Stirnregion des Cortex etwas besser zu verstehen. Eine Dysfunktion dieses Systems ist an verschiedenen neuropathologischen Erkrankungen beteiligt, wie beispielsweise ADHS und dem Tourette-Syndrom. Vor Beginn dieses Experiments sollten potenzielle Teilnehmer einen Einwilligungsbogen für die Studie sowie einen standardisierten Fragebogen zur MRT-Untersuchung ausfüllen.

Alle Kontraindikationen gegenüber einer MRT müssen ausgeschlossen sein. Sobald die schriftlichen Unterlagen vervollständigt sind, führen Sie eine Trainingssitzung zum Antis-Aufgabentest beim Probanden durch. Hier weist eine grüne Fixation auf einen Pro-Sekunden-Versuch hin.

Weisen Sie den Teilnehmer an, auf das Ziel zu schauen, das im peripheren Bereich des Bildschirms in einem Sehwinkel von acht bis 10 Grad erscheint. Ein roter Fixationspunkt kennzeichnet einen antisakkadischen COD-Versuch; weisen Sie den Teilnehmer an, in den Spiegel auf die gegenüberliegende Seite des im peripheren Bereich des Bildschirms erscheinenden Ziels zu schauen, erneut in einem Sehwinkel von acht bis 10 Grad. Wenn beispielsweise ein Ziel rechts erscheint, soll der Proband nach links schauen.

Als Nächstes erfolgt die Schulung für die emotionale Stroop-Aufgabe. Dabei handelt es sich um ein pseudotestbezogenes Paradigma, bei dem beschreibende Wörter, die die Ausdrücke bezeichnen, über Bilder einzelner Gesichter gelegt werden. Die Wörter sind entweder kongruent oder inkongruent mit der vom Gesicht dargestellten Emotion.

Erklären Sie den Teilnehmern anhand der Abbildung, welche Tasten gedrückt werden müssen, um einen glücklichen Ausdruck oder ein Wort, einen neutralen Ausdruck oder ein Wort bzw. einen traurigen Ausdruck oder ein Wort zu melden. Die Aufgabe beginnt mit einem einsekündigen Bildschirm mit schriftlicher Anweisung, auf dem die Teilnehmer daran erinnert werden, entweder den Gesichtsausdruck oder das geschriebene Wort durch Drücken der entsprechenden Taste so schnell wie möglich zu bewerten. Darauf folgt eine Sekunde mit einem Fixierungskreuz, dann die Gesichtsreize für 250 Millisekunden und anschließend ein Antwortbildschirm für zwei Sekunden.

Das Antwortbild dient dazu, den Teilnehmern Zeit zu geben, ihre Antworten abzugeben. Die nächste visuelle Darbietung des Fixierungskreuzes beginnt nach dem Ende des Antwortbilds. Schließen Sie 15 Übungsdurchgänge mit unterschiedlichen Kombinationen von Gesichtswortausdrücken ein.

Zur Vorbereitung des Scans schalten Sie zunächst einen digitalen Projektor ein, um den Computerreiz als scharfes Bild auf einem Bildschirm in der MRI-Röhre darzustellen. Bringen Sie dann den Teilnehmer in den Scanner-Raum und geben Sie ihm Gehörschutz und Kopfhörer, um den Hörschutz zu gewährleisten.

Lassen Sie die Versuchsperson in Rückenlage liegen und positionieren Sie den Kopf in der Mitte der Kopfspule. Stabilisieren Sie die Körpers- und Kopfposition des Teilnehmers mit Kissen oder Schaumstoffeinsätzen, um Komfort zu gewährleisten und gleichzeitig Kopfbewegungen einzuschränken. Platzieren Sie nun die Kopfspule.

Dann soll die Versuchsperson den Kopf bequem neigen, während sie geradeaus in den Spiegel blickt, um das projizierte Bild zu sehen. Die Augen sollten sich dabei so nah wie möglich in der Primärposition befinden, um den Komfort des Teilnehmers während der Scan-Sitzung, die bis zu zwei Stunden dauern kann, zu gewährleisten. Fragen Sie den Teilnehmer, ob das projizierte Bild scharf ist. Falls es nicht scharf ist, stellen Sie das Objektiv erneut ein, um die Bildschärfe zu verbessern.

Danach kalibrieren Sie den Eye Tracker, um sicherzustellen, dass sich die Infrarotkamera an der korrekten Position befindet. Falls die Reflexion auf der Hornhaut nicht ideal ist, sollte die Infrarotquelle angepasst oder der Spiegel, der die Infrarotquelle in der Nähe der Kopfposition des Probanden reflektiert, neu ausgerichtet werden. Fragen Sie außerdem den Probanden, ob zusätzliche Schaumstoffpolsterung oder Kissen benötigt werden, um diese Position beizubehalten.

Nachdem die Geräteeinrichtung abgeschlossen ist, platzieren Sie einen Notfallkontakt-Knebelball in die rechte Hand des Teilnehmers und die Antwortbox in die linke Hand. Platzieren Sie außerdem eine Vitamin-E-Kapsel auf der rechten Seite der Kopfhörer, da diese in den anatomischen Aufnahmen sichtbar sein wird und dabei helfen kann, sicherzustellen, dass die Bilder nicht links-rechts vertauscht sind. Schließlich heben und schieben Sie das Bett in die Mitte des MRT-Geräts.

Betreten Sie den Kontrollraum und verwenden Sie das Gegensprechsystem, um zu bestätigen, dass der Teilnehmer bereit ist, die Scansitzung zu beginnen, und sich so bequem wie möglich fühlt. Erinnern Sie den Teilnehmer außerdem daran, dass die Geräusche des Scanners laut sein werden. Beginnen Sie mit der Aufnahme eines Lokalisierungsscans.

Dann legen Sie eine Reihe anatomischer Schnittebenen fest, die das gesamte Gehirn abdecken. Üblicherweise sollten axiale schräge Schnittebenen verwendet werden. Informieren Sie den Teilnehmer darüber, wie lange die anatomische Aufnahme voraussichtlich dauern wird.

Dies kann je nach vorgeschriebener Anzahl der Schnitte etwa sechs bis zehn Minuten dauern. Alternativ kann die anatomische Aufnahme nach den funktionellen Aufnahmen durchgeführt werden. Sobald die anatomischen Aufnahmen abgeschlossen sind, legen Sie eine funktionelle Sequenz fest und erinnern Sie den Teilnehmer an die Aufgabenanweisungen für das Stroop-Paradigma.

Starten Sie dann den Scanner und nehmen Sie synchron alle Tastendrücke auf. Achten Sie darauf, die horizontale und vertikale Augenposition des Teilnehmers mithilfe des Infrarot-Augenverfolgungssystems zu überwachen und aufzuzeichnen, damit diese Daten mit dem Verhaltensparadigma korreliert werden können. Weisen Sie den Probanden anschließend darauf hin, dass das Anti-Scho-Paradigma während des nächsten Scans durchgeführt wird.

Starten Sie dann die Aufnahme mit dem synchronisierten Paradigma. Abhängig von den gewählten Bildgebungsparametern dauert die Aufnahme etwa sechs Minuten. Vermeiden Sie längere Aufnahmen, da die Probanden einschlafen könnten.

Diese gesamte Bildgebungssitzung kann je nach der für die Einrichtung und subjektspezifische Anpassungen benötigten Zeit sowie der Anzahl der für die Analyse erforderlichen funktionellen Scans 60 bis 120 Minuten dauern. Die aus diesem Experiment gewonnenen Daten können mit jedem FMRI-Analyse-Paket, wie beispielsweise brain voyage oder qx, analysiert werden. Hier gezeigt.

A acne oder SPM sind andere häufig verwendete FMRI-Analyseprogramme. Statistische Karten, die aus den funktionellen Daten abgeleitet wurden, sollten auf anatomische Gehirnbilder überlagert werden. Verwenden Sie dazu zunächst das allgemeine lineare Modell (GLM), um die funktionellen Gehirnareale von Interesse mit separaten Prädiktoren für jede der Bedingungen in der Aufgabe zu definieren.

Verwenden Sie während der beiden Scan-Typen die folgenden Prädiktoren: kongruente und inkongruente Gesichtsinstruktion sowie Wortinstruktion, Antis, secod und pros secod. Untersuchen Sie anschließend die Signalintensität in allen aktiven frontalen Regionen aus den GLM-Kontrasten. Berechnen Sie dann das standardisierte BOLD-Signal über alle Teilnehmer hinweg und vergleichen Sie den inkongruenten Wort-Gesichtsausdruck mit den kongruenten Wort-Gesichtern.

Die Ausdrücke für beide Bedingungen korrelieren letztendlich die auf den für die Auswertung verwendeten Durchläufen erhobenen Reaktionszeiten. Anschließend korrelieren die GMs die Gehirnaktivität jedes Einzelnen mit dessen eigenen Reaktionszeiten für die spezifischen Durchläufe. Das hier gezeigte Bild zeigt den linken unteren frontalen Gyrus oder IFG, der funktionell lokalisiert wurde, indem der Kontrast zwischen der inkongruenten emotionalen Stroop-Aufgabe und der kongruenten Bedingung verwendet wurde.

Während der „Wort beachten“-Instruktion. Hier sehen wir, dass, wenn der Gesichtsausdruck zum überlagerten emotionalen Wort inkongruent war, die aus der Nennung des geschriebenen Wortes resultierende Inkongruenz eine höhere BOLD-Signalintensität erzeugte. Links zeigten inkongruente Ausdrücke im IFG signifikant größere BOLD-Signaländerungen im Vergleich zu kongruenten Ausdrücken.

Während der Anweisung „Auf das Wort achten“ zeigte der inkongruente-kongruente Vergleich eine positive Korrelation zwischen den Reaktionszeiten und der BOLD-Signalintensität. Dieses Diagramm stellt den Durchschnitt der Reaktionszeiten und des BOLD-Signals von 10 Probanden während der sechs Bedingungen dar. Die obere Zeile zeigt eine schematische Darstellung einer Versuchssequenz aus einem Block von Versuchen.

Der untere Bereich zeigt die beiden Gamma-hämodynamischen Reaktionsfunktionen, die zur Entdeckung von Gehirnregionen verwendet wurden, die an der Verarbeitung emotionaler Gesichtsausdrücke beteiligt sind. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, zwischen den Scans den Probanden zu überprüfen und ihn daran zu erinnern, sich so still wie möglich zu verhalten, um Bewegungsartefakte zu minimieren. Neben diesem Verfahren können andere Techniken wie die Magnetenzephalographie eingesetzt werden, um die zeitlichen Effekte im unteren frontalen Gyrus zu untersuchen.