Name: Übertragen kognitiven Aufgaben zwischen Gehirnbildgebende Verfahren: Implikationen für die Aufgabengestaltung und Ergebnisse Interpretation in fMRT-Studien (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-09-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 9 s
Description: Erfahren Sie, wie Aufgabendesign fMRT-Ergebnisse beeinflusst, insbesondere beim Übertragen von EEG-Paradigmen. Diese Methode zeigt, wie kognitive und motorische Prozesse durch experimentelles Design differenziert werden können.

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HINWEIS: Das Studienprotokoll wurde von der lokalen Human Subjects Review Board an der RWTH Aachen genehmigt und wurde in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt. 1. Aufgabengestaltung <ol><li> Wählen Sie eine geeignete Aufgabe, die kognitiven / psychologisches Konstrukt von Interesse zu untersuchen. Verwenden Sie die visuelle oddball Aufgabe (Abbildung 1), um die Zielerkennung Antworten und die Auswirkungen der Aufmerksamkeit auf Zielerkennung zu messen. Dies ermöglicht Untersuchung des Einflusses der Aufgabe Manipulationen fMRI Daten. </li><li> Verwenden Sie drei Versionen des oddball Aufgabe. <ol><li> Passive Version: Fragen Sie das Thema auf visuelle Reize zu beobachten. Keine Antwort nicht erkennen. </li><li> Silent-Version Zahl: Bitten Sie das Motiv, um die Zielreize zählen. Diese Aufgabe erfordert die Aufmerksamkeit gegenüber diesen Reizen und einem anspruchsvollen Prozess. </li><li> Reagieren Version: Fragen Sie das Thema, um eine Antwort auf Taste drücken sehen eine target Reiz. Diese Aufgabe erfordert Aufmerksamkeit, Diskriminierung Prozesse und Auswahl / Herstellung einer Reaktion auf Reize Ziel. </li></ol></li><li> Betrachten Sie die entsprechende Anzahl der Versuche für eine robuste Reaktion erforderlich. Das Signal-Rausch-Verhältnis im fMRI-Messungen ist relativ gering und erfordert eine Reihe von Reaktionen auf, um die Auswirkungen von Zins 9 untersuchen gemittelt werden. Dies hängt von der Aufgabe und Stimulus Modalität verwendet. 200 Studien werden in dieser Aufgabe eingesetzt, davon 40 Ziel Studien ausreichend, um eine robuste Reaktion hervorzurufen. </li><li> Bestimmen der Zeitpunkte für die Folge von Reizen. Der Zeitpunkt der Reize ist entscheidend in einer fMRT-Studie zur Prüfung der Präsentationsrate 10. Betrachten Sie die hämodynamischen Antwort-Verzögerung zwischen Reizbeginn und der gemessenen Hirnantwort (Abbildung 2). <ol><li> Achten Sie auf eine ausreichende Balance zwischen Bereitstellung Reize in einer angemessenen Höhe der Zeit, und wenn genügend Probenahme der hämodynamischen resPonse jedem Reiz, einschließlich der Rückkehr zum Ausgangswert. Herunterladen, installieren und ausführen optseq Software. Führen optseq optimal Verteilung der Studien auf der Basis von Versuch Anzahl der Versuche, Reizdauer und Scanparameter (Wiederholungszeit und Anzahl der Bände). </li></ol></li><li> Implementieren Sie die Reihenfolge der Reize (vorher festgelegt) in einem geeigneten Programm für die Präsentation der Paradigma zum Thema. <ol><li> Geben Sie alle für den Paradigmenwechsel in Bezug auf die Art der Reize, Timing und Antworten Informationen. Hinweis: Die Programmierung Details sind hier nicht dargestellt, da jedes Paradigma wird unterschiedliche Anforderungen werden verschiedene Software-Pakete haben. </li></ol></li><li> Richten Sie das Programm, das die experimentelle Paradigma liefern wird, so dass es mit einem Trigger aus dem Scanner zu starten. Dies ermöglicht eine Synchronisation der erfassten Daten und der Abfolge von Reizen präsentiert. </li></ol> 2. Richten Sie Experimentelle Umwelt <ol><li> Prepare den Scanner Raum. Verbinden Sie den unteren Teil des richtigen Kopfspule an das Scanner-Bett. Legen Sie saubere Schutzabdeckungen auf der Scanner-Bett und Kissen. </li><li> Verwenden Sie ein Anzeigegerät, das experimentelle Paradigma auf das Thema präsentieren und notieren Sie die Antworten mit einem Handheld-Gerät. Schalten Sie das Anzeigegerät und ein Handgerät &quot;on&quot;. </li><li> Starten Sie die Software, die das experimentelle Paradigma liefern wird und einen Namen für die Protokolldatei. Die Protokolldatei enthält Informationen über den Zeitpunkt der Reize und der Antworten durch den Gegenstand gemacht. Verwenden Sie diese Informationen für die Analyse der Daten. </li><li> Registrieren Sie das Thema in der MR-Scanner-Datenbank. Aufzeichnungsdaten unter Verwendung einer eindeutigen Identifikationsnummer. Sie Name Subjekts nicht zusammen mit den Daten, die Privatsphäre zu garantieren. </li><li> Stellen Sie sicher, dass die MR-Sequenzen zu laufen sind und bereit gesetzt werden. Verwenden Sie die folgenden Sequenzen: a Localizer zu scannen, um die Themen &quot;Kopfposition innerhalb der Spule, einer EPI-Sequenz für die fu erhaltennctional Bildgebung und MPRAGE für eine hochauflösende Struktur Scan. </li></ol> 3. Vorbehaltlich Anreise und Eintritt zum Scanner <ol><li> Bildschirm das Thema für Kontraindikationen mit der MRT vor dem Experiment (zB während des Einstellungsverfahrens). <ol><li> Bieten MR Sicherheitsanweisungen vor dem Scannen. Screening von Themen (durch geschultes Personal). Sorgen für Sicherheit Probanden. Stellen Sie sicher, sie haben keine Metall in ihrem Körper, nicht Geräte wie Herzschrittmacher und alle anderen Ausschlusskriterien nicht erfüllen. </li></ol></li><li> Nach der Ankunft Probanden überprüfen Sie die Screening-Fragebogen aus und bestätigen Sie ihre Kompatibilität bevor Sie fortfahren. </li><li> Erklären Sie die Versuchsdurchführung mit dem Thema und bieten die Möglichkeit, Fragen zu stellen. Fragen Sie die Zustimmung und die Datenschutzformen zu unterzeichnen. </li><li> Wenn das Experiment mit komplexen Aufgaben erfordern Training wird empfohlen, dass das Thema führt eine Praxis führen vor der going in den Scanner. </li><li> Stellen Sie sicher, dass das Thema metallfrei, ohne Münzen, Gürtel, Uhren und Schmuck. Nach der Bestätigung, lassen Sie das Thema in der Scannerraum. </li><li> Bitten Sie das Motiv, um den Scanner Bett trägt Ohrstöpsel sitzen. Die hier verwendeten Ohrstöpsel bieten Schutz gegen den Lärm aus dem Scanner während des Scannens und erlauben auch die Ermittler, um direkt mit dem Thema von der Warte aus zu kommunizieren. In einigen Einrichtungen werden für die Kommunikation mit dem Thema Kopfhörern verwendet. </li><li> Bitten Sie das Motiv, auf das Scanner-Bett hinlegen. Bieten dem Thema ein Kissen unter die Knie gehen, um Rückenschmerzen zu reduzieren. Der Komfort des Themas ist wichtig für ihr Wohlbefinden und die Datenqualität. Bewegung von Beschwerden hervorgehen, haben einen negativen Einfluss auf die Bilddaten und Ablenkung durch Beschwerden verursacht die Ausführung der Aufgabe beeinflussen. </li><li> Legen Sie den oberen Teil der Kopfspule über den Kopf des Patienten und stecken Sie die Anschlüsse. Positionieren Sie das Motiv217; Kopf in geeigneter Weise in die Kopfspule. Bringen Sie die kleine Markierung auf der Kopfspule entlang der Probanden Augenbrauen. Stellen Sie sicher, das Thema ist gerade und bequem liegt. Die Spule Oberfläche sollte nicht berühren das Gesicht (zB Druck auf die Nase). </li><li> Sichern Kopf der Person mit kleinen Kissen Kopfbewegungen während des Scanvorgangs zu minimieren. Kopfbewegungen haben negative Auswirkungen auf die Qualität der Daten. </li><li> Stellen Sie einen Spiegel auf der Oberseite der Kopfspule für das Thema, um das experimentelle Paradigma auf dem Bildschirm hinter angezeigt werden. Stellen Sie sicher, das Thema kann den ganzen Bildschirm zu sehen. Bewegen Sie den Spiegel montiert nach Position des Motivs. Themen mit Brille muss MR-kompatible Brille tragen. Die meisten MRT-Forschungseinrichtungen haben kompatiblen Objektiven oder Schutzbrille. In diesem Fall Halterung MR-kompatible Objektive auf dem Rahmen, der den Spiegel hält. Ermitteln Sie die passende Linsenstärke bevor das Thema in den Untersuchungsraum. </li><li> Die Hand des Gegenstand einen Notruf-Taste to bei Bedarf den Scan zu stoppen. Stellen Sie sicher, das Thema weiß, wo der Knopf ist und dass sie leicht zu erreichen ist. </li><li> Motiv nach dem Eingang der Bohrung des Scanners. Bitten Sie das Motiv, um ihre Augen während dieses Vorgangs zu schließen. Richten Sie das Licht mit den kleinen Markierungen auf der Kopfspule, um die richtige Position zu etablieren. </li><li> Verschieben Sie das Motiv in die Bohrung des Scanners, bis im Display &quot;0 mm&quot;. Dies bedeutet, dass der Kopf des Subjekts im Isozentrum des Scanners. </li><li> Die Hand des Thema der Antwort-Gerät. </li></ol> 4. Versuchsdurchführung <ol><li> Überprüfen Sie, ob das Subjekt den Experimentator über die Gegensprechanlage und, dass das Thema ist bequem und bereit zu starten hören. </li><li> Führen Sie einen Scan Localizer, um die Position des Kopfes des Subjekts in den Scanner zu erhalten. Wird verwendet, um das Sichtfeld von allen verbleibenden Messungen zu positionieren, um zu bestimmen, die Teile des Gehirns, gemessen werden. </li><li> Erste perform eine hohe Auflösung Struktur Scan. Öffnen Sie die Sequenz MPRAGE / Programm und positionieren Sie das Sichtfeld. Stellen Sie sicher, der Kopf des gesamten Motivs ist im Blickfeld. MP-RAGE-Parameter: TR / TE = 2.250 / 3,03 ms, Flipwinkel = 9 °, 176 sagittal, FOV 256 x 256 mm, 64 x 64 Matrix, Voxelgröße 1 x 1 x 1 mm). </li><li> Lassen Sie das Thema wissen, dass der Scan wird gestartet und dann beginnen die Messung. </li><li> Führen funktionelle MRT-Untersuchung. <ol><li> Öffnen Sie die EPI-Sequenz auf dem Scanner-Computer, und richten Sie das Sichtfeld auf das gesamte Gehirn zu decken. EPI-Parameter: 33 Scheiben, Schichtdicke 3 mm, FOV 200 x 200 mm, 64 x 64 Matrix, Wiederholungszeit 2.000 ms, Echozeit 30 ms, Flip-Winkel 79 °. </li><li> Führen Sie einen einzigen Band Testmessung. Sicherstellen, dass die gesamte (oder so weit wie möglich) des Gehirns des Patienten innerhalb des Sichtfeldes enthalten. HINWEIS: Die Gegenstände haben unterschiedliche Formen und Größen von Köpfen (und Hirn). Daher optimal positionieren Sie den Bereich dersehen für jedes Thema. </li><li> Kopieren Sie die fMRI-Sequenz, so dass das Sichtfeld positioniert bleibt für die nächste Messung. Geben Sie die Nummer für die Messung, 304 in diesem Fall erforderlich Bände. </li><li> Stellen Sie sicher, dass die Software präsentiert das Paradigma wartet auf einen Trigger vom Scanner. Das Paradigma wird nicht ohne einen Abzug aus dem Scanner zu starten, so kann er geladen und eingestellt zu warten. </li><li> Informieren Sie das Thema, dass das Experiment ist zu starten. Starten Sie die Messung. </li><li> Überprüfen Sie, dass die Software präsentiert das Paradigma startet zum richtigen Zeitpunkt (dh, dass es durch den Scanner ausgelöst). </li><li> Führen Sie drei Versionen des oddball Aufgabe. Passive, Graf und reagieren. </li><li> Sprechen Sie das Thema in zwischen den Läufen ein Sicherheitsgefühl entstehen. Stellen Sie sicher, ihren Komfort. Fragen Sie, ob sich das Motiv erlaubt es, mit der Studie weiter. Weisen Sie den Gegenstand der kommenden Aufgabe. </li><li> Laufen zunächst die passive condition auf true passive Betrachtung ohne Wissen, dass die Zielreize in der Tat gezielt Reize zu gewährleisten. Gegengewicht zu den Auftrag des Grafen und reagieren Bedingungen über Themen, um Effekte zu verhindern. </li></ol></li></ol> 5. Ende der Experiment <ol><li> Informieren Sie das Thema, dass das Experiment geben Sie den Scanner-Raum abgeschlossen. </li><li> Schieben Sie das Thema aus der Scanner. </li><li> Kopfspule entfernen und Kissen. </li><li> Bitten Sie das Motiv, langsam zu sitzen. Sobald sie bequem sind, kann das Subjekt, aufzustehen und den Scanner Raum verlassen. </li><li> Verwalten Sie keine Fragebögen / Schreibarbeit, die nach dem Experiment abgeschlossen werden muss, </li><li> Besprechen Sie das Thema: stellen das Thema mit einer Erklärung über die Ziele und den Zweck der Studie, wenn diese nicht in vollem Umfang möglich vor dem Experiment und bieten die Möglichkeit, Fragen zu stellen </li></ol> 6. Datenanalyse <ol><li> Verwenden Sie ein Softwarepaket, das für analyzi istng fMRI-Daten. Führen ersten Ebene der Datenanalyse für jedes Fach und jede Bedingung separat. HINWEIS: Verwenden Sie die FMRIB Software Library (FSL) für fMRI-Daten-Analyse. </li><li> Standard gelten Vorverarbeitung Schritte, um die Daten für die weitere Analyse vorzubereiten. HINWEIS: Wenden Sie die folgenden Schritte aus: Bewegungskorrektur, Scheibe Zeitkorrektur, Koregistrierung von strukturellen und Funktionsdaten, räumliche Glättung, Hochpass zeitliche Filterung, die Normalisierung der einzelnen in Standard-(zB MNI) Raum. Finden Sie eine Zusammenfassung dieser Schritte in fMRI Lehrbücher Huettel et al, (2008) 9 und Jezzard et al, (2001) 11. Spezifische Informationen zur Vorverarbeitung Schritte durchzuführen, ist auf der Website und in der Begleitdokumentation für jeden einzelnen Software-Paket zur Verfügung. </li><li> Für die statistische Analyse geben die Zeiten Beginn und Dauer aller Ereignisse. Diese sind erklärende Variablen (EVS), oder Regressoren genannt. </li><li> Einzurichten, um zu bestimmen Kontrastedenen Elektrofahrzeuge werden verglichen. Ziel&gt; Nicht-Zielreize: Um die BOLD-Aktivierung spezifischen Nachweis von Zielreize das folgende Kontrast eingestellt zu identifizieren. HINWEIS: Verwenden Sie optional andere Gegensätze: Zielreize gegen Grundlinie; Nicht-Zielreize gegen Grundlinie; Zielreize&gt; Nicht-Zielreize; Nicht-Zielreize&gt; Zielreize </li><li> Führen Sie die erste Ebene der statistischen Analyse für jedes Fach und jede Bedingung separat. Der Output der Analyse zeigt die aktiven Hirnregionen für jede der jeweiligen Kontrast. </li><li> Vergleichen Sie die drei Bedingungen mit einer zweiten Ebene oder Konzernebene analysiert. Verwenden Sie die Ausgabe der ersten Ebene Analyse als Input für die Konzernebene Analyse. HINWEIS: In der Originalarbeit 7 die Unterschiede zwischen Bedingungen auf dem Ziel&gt; häufige Kontrast mit einer Verdreifachung Zwei-Gruppen-Difference-Design, das die folgenden Gegensätze: reagieren&gt; passiv, zählen&gt; passiv, reagieren&gt; count.Diese Gegensätze zeigen die Hirnaktivität mit der Variation in der kognitiven Prozesse in den drei Antwortmodalitäten verbunden. </li></ol>

<ol><li>Squires, N. K., Squires, K. C., Hillyard, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two+varieties+of+long-latency+positive+waves+evoked+by+unpredictable+auditory+stimuli+in+man%5BTitle%5D)+AND+%22Electroencephalography+and+clinical+neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Two varieties of long-latency positive waves evoked by unpredictable auditory stimuli in man.</a> Electroencephalography and clinical neurophysiology. 38, 387-401 (1975).</li>
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<li>Warbrick, T., Arrubla, J., Boers, F., Neuner, I., Shah, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Attention+to+Detail%3A+Why+Considering+Task+Demands+Is+Essential+for+Single-Trial+Analysis+of+BOLD+Correlates+of+the+Visual+P1+and+N1%5BTitle%5D)+AND+%22J+Cogn+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Attention to Detail: Why Considering Task Demands Is Essential for Single-Trial Analysis of BOLD Correlates of the Visual P1 and N1.</a> J Cogn Neurosci. 26, 529-542 (2014).</li>
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<li>Miezin, F. M., Maccotta, L., Ollinger, J. M., Petersen, S. E., Buckner, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterizing+the+hemodynamic+response%3A+effects+of+presentation+rate%2C+sampling+procedure%2C+and+the+possibility+of+ordering+brain+activity+based+on+relative+timing%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Characterizing the hemodynamic response: effects of presentation rate, sampling procedure, and the possibility of ordering brain activity based on relative timing.</a> Neuroimage. 11, 735-759 (2000).</li>
<li>Jezzard, P., Matthews, P. M., Smith, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJezzard%2C+P+%22Functional+Magnetic+Resonance+Imaging%3A+An+Introduction+to+Methods%22">Functional Magnetic Resonance Imaging: An Introduction to Methods</a>. , Oxford University Press. (2001).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Wir zeigen, dass die Manipulation der Aufgabe erfordert in der bild oddball Aufgabenergebnisse in verschiedenen Mustern von BOLD-Aktivierung in der Zählung und reagieren Bedingungen. Die funktionellen Rollen von einigen der Regionen in jedem Zustand gebracht worden wäre unangemessen zugewiesen hatte Daten aus den drei Varianten der Aufgabe zum Vergleich zur Verfügung nicht. Diese Mehrdeutigkeit in die Interpretation der Daten nicht unbedingt gewesen im EEG P300 Bereich, in dem die Aufgabe hat ihren Urs...

Wie kognitiven Neurowissenschaften Methoden zu entwickeln, festgestellt werden experimentelle Aufgaben mit aufstrebenden Gehirn bildgebenden Modalitäten verwendet. Dies ist eine logische Folge, da die meisten neuro Konzepte (zum Beispiel unterschiedliche Speicherunterkomponenten) sind in der Verhaltens Domäne und entsprechenden experimentellen Arbeiten zur Sondierung spezifische Funktionen untersucht, entwickelt und getestet. Als neue Technologie entsteht die Beweise für die neuronalen Grundlagen dieser Verhaltensbeobachtungen mit den neuen bildgebenden Methoden gesucht. Zwar mag es verlockend, einfach zu ziehen auf gut untersuchten Verhaltens Aufgaben für bildgebende Studien, haben mehrere wichtige Einschränkungen berücksichtigt werden. Ein wesentlicher, wenn auch häufig vernachlässigt, ist die Berücksichtigung der Verwendung des am besten geeigneten Bilderzeugungstechnik zu weiteren Sonde die Verhaltenshinweise. In Bezug auf die kognitiven Neurowissenschaften und der Psychologie gibt es viele bildgebende Verfahren zur Verfügung, um unser Verständnis des neuronalen aktiv verbessernkeit zugrunde liegenden Konzepte von Interesse; zum Beispiel der Elektroenzephalographie (EEG), Magnetenzephalographie (MEG), transkranielle Magnetstimulation (TMS), die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Alle diese Methoden haben ihre Vorteile, Nachteile und entsprechende Anwendungen. Hier die Übertragung eines Paradigma mit einer langen Geschichte von Verhaltens-und EEG-Experimente zu einem fMRI-Experiment betrachtet. EEG ist seit Jahrzehnten eingesetzt, um neuronale Reaktionen mit Wahrnehmungs und kognitive Prozesse verbunden zu untersuchen. Als solche haben viele Paradigmen für die Verwendung mit diesem Verfahren entwickelt und im Laufe der Zeit entwickelt. Funktionelle MRT ist eine Technik, die in jüngerer Zeit in den kognitiven Neurowissenschaften entstanden und dies hat zu einigen Paradigmen in der EEG-Forschung entwickelt, die in fMRI eingesetzt geführt. Um die Wissensbasis von EEG-Experimente mit den neuen Techniken zu bauen, ist ein logischer Schritt, aber dennoch einige wichtige Punkte können in der Übertragung vernachlässigt werden. Die Techniken einsind sehr unterschiedlich und Aufgaben müssen entsprechend ausgelegt sein. Dies erfordert Wissen, wie die Methode funktioniert und insbesondere, wie potenzielle Modulationen des Paradigmas verwendet werden die Maßnahmen zu beeinflussen. Für weitere Informationen über das Design von fMRI-Experimente der interessierte Leser auf den folgenden Link gerichtet <a href="http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency">http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency</a> . Aufgabe Design wird im Rahmen der Übertragung eines Paradigma für EEG-Forschung für die fMRI-Umgebung entwickelt betrachtet werden. Die Ziele dieser Arbeit sind: i) kurz beschreiben, fMRI und wenn ein Einsatz Sinn in den kognitiven Neurowissenschaften ist; ii) zu veranschaulichen, wie Aufgabengestaltung können die Ergebnisse eines Experiments fMRI, insbesondere wenn diese Aufgaben von einem anderen bildgebenden Verfahren entlehnt beeinflussen; und iii) die praktischen Aspekte der Durchführung einer fMRI-Experiment erklären. Funktionelle MRT ist heute ein weithin verfügbar techniQue und als solche ist ein übliches Verfahren in den kognitiven Neurowissenschaften eingesetzt. Um eine Entscheidung zu treffen, ob die Technik für ein bestimmtes Experiment die Vorteile und Nachteile der fMRT müssen im Verhältnis zu anderen verfügbaren Techniken berücksichtigt werden angemessen zu machen. Ein Nachteil des Verfahrens ist, dass es nicht ein direktes Maß für die neuronale Aktivität, sondern es ist ein Korrelat der neuronalen Aktivität in dem die Stoffwechselreaktion (Sauerstoffbedarf) der hämodynamischen Antwort gefaltet. Somit ihre zeitliche Auflösung ist schlecht im Vergleich zu Elektrophysiologie, zum Beispiel, wenn der gemessene elektrische Signal näher an der zugrunde liegenden Nervenaktivität statt einer Stoffwechselreaktion ist. EEG hat eine zeitliche Auflösung in der Größenordnung von Millisekunden im Vergleich zu einer Auflösung in der Größenordnung von Sekunden in fMRI. Jedoch ist der Hauptvorteil der fMRI, dass die räumliche Auflösung der Technik ist hervorragend. Ferner ist es nicht invasiv und somit Fächer nicht zu Substanzen wie CO aufnehmenntrast Mittel oder Strahlung, wie es in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) der Fall sein, ausgesetzt werden. Daher ist eine geeignete Technik fMRI für Experimente untersuchen, welche Hirnregionen sind in der Wahrnehmung, Kognition und Verhalten beteiligt. In diesem Papier die visuelle oddball Paradigma wird als Beispiel für die Übertragung von einem gut etablierten EEG-fMRI Aufgabe (siehe Abbildung 1 für Details) übernommen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Probleme diskutiert auch beeinflussen Ergebnisse und Interpretation der Daten, wenn andere Paradigmen verwendet werden und sollte technisch in der Gestaltung aller fMRI Experimente angesehen werden können. Die oddball Paradigma wird häufig in der Psychologie und den kognitiven Neurowissenschaften verwendet werden, um Aufmerksamkeit zu beurteilen und Zielerkennungsleistung. Das Paradigma wurde in der EEG-Forschung entwickelt, die speziell ereigniskorrelierten Potenziale (EKP), für die Untersuchung der so genannten P300-Komponente 1. Die P300 stellt Zielerkennung und wird bei Erkennung ausgelösteine seltene Zielreiz 1. Die P300 ist in Studien in einer Reihe von kognitiven und klinischen Bereichen 2 zB Patienten mit Schizophrenie und deren Angehörige 3, starke Raucher 4 und der Alterung der Bevölkerung 5 verwendet. Da die oddball Paradigma (und der P300 durch das Paradigma hervorgerufen) ist robust und wird auch von verschiedenen Krankheitszuständen moduliert und ihre Übertragung in verschiedenen bildgebenden Verfahren war unvermeidlich. Die weit verbreitete Aktivierung im Gehirn während einer fMRT-Messung oddball gesehen ist bekannt, dass das Ergebnis von mehreren kognitiven Funktionen sein, wie zahlreiche fMRT-Studien Sondieren anderen kognitiven Konzepte gezeigt. Diese weit verbreitete Art der Aktivierungsmuster macht es schwierig, festzustellen, welche Hirnregionen sind mehr (oder weniger) aktiv aufgrund der spezifischen Aufgabe Manipulationen oder Gruppenunterschiede, dass der Experimentator interessiert ist. Insbesondere ist es nicht sicher, ob die beobachteten Unterschiede in der Activation sind verwandt, um den Nachweis selbst zielen, um die Aufmerksamkeit bezogenen Prozesse, oder ob sie auf andere Aufgabenanforderungen, wie laufende Prozesse oder Arbeitsgedächtnis, die zur Herstellung eines Kraft Antwort Zusammenhang stehen. Der Prozess der Zuordnung von Funktion der gemessenen Aktivität ist einfacher in der EEG-Domäne, in der kognitive Komponente von Interesse (Zielerfassung) in klare Antwort auf die zerebrale oddball Aufgabe (P300) gemessen. Dennoch neigen Neurowissenschaftler, ihre Ergebnisse zu Gunsten der eigenen Hypothese und Experiment interpretieren, sondern als das Bemühen um auszuschließen, alternative Erklärungen. Die meisten Experimente, jedoch nicht in der Lage, diese wichtigen Fragen von Natur aus zu lösen - Scanzeit ist teuer - das ist, warum wir streiten für eine gründliche Planung und Pilottests von Paradigmen. Neben dieser Schwierigkeit, eine direkte Verbindung zwischen Hirnregionen und kognitive Komponenten, die Art der oddball Paradigma auchstellt andere mögliche methodische Fragen, wenn sie auf fMRI übertragen. Beispielsweise wird die Erfassung eines Ziel Stimulus gewöhnlich durch Drücken einer Antworttaste angezeigt. Dies ermöglicht es dem Experimentator, die Genauigkeit und die Geschwindigkeit der Reaktionen aufzunehmen, aber diese Reaktion kann auch auf der BOLD fMRI Reaktion auf Stimuli beeinflussen zielen. Der Motor Aktion für die Taste drücken Auswirkungen auf Reiz-gesperrt fMRI-Aktivierung erforderlich gegeben, dass es nur ein paar hundert Millisekunden nach der Präsentation des Zielreiz passiert. Dies kann auch beeinflussen Auslegung dieser Aktivierung, beispielsweise Hirnregionen bei der Vorbereitung für die Motorreaktion beteiligt sein könnten fälschlicherweise angenommen, dass bei der Detektion der Ziel Stimulus beteiligt ist, und umgekehrt. Dies hat zu methodischen Änderungen, wobei indirekte Maßnahmen der Zielerkennung, nicht auf motorische Reaktionen angewiesen, getroffen werden geführt. Zum Beispiel zählen Zielreize wurde als ein Weg, um sicherzustellen, dass Themen halten attenti vorgeschlagen 6auf die Aufgabe; die Anzahl der Versuche verpasst hat, kann angeben, wie unaufmerksam ein Thema war. Die Berichterstattung über die Anzahl der Reize am Ende der Aufgabe gezählt bedeutet auch, dass der Experimentator kann prüfen, ob das Thema richtig durchgeführt die Aufgabe. Eine dritte Alternative ist, um eine vollständig passive Aufgabe Design, bei dem das Motiv keine Anleitung, wie zu reagieren und die Neuheit eines Zielreiz gegeben wird angenommen, dass von Natur aus zu entlocken ein Zielerfassungsartige Reaktion zu verwenden. Trotz dieser Versionen der Aufgabe mit der gleichen Art von Stimuli und Grundkonstruktion wird das Aktivierungsmuster von jeder Schwankung der Aufgabe ergebenden unterschiedlich sein, weil die kognitiven und motorischen Anforderungen der verschiedenen Aufgaben 7,8 sind. Zum Beispiel wird es in Arbeits Zählen Zielreize zB, die aktuelle Anzahl der Zielreize im Auge beteiligt Gedächtnisprozesse, die während der passiven Betrachtung nicht erforderlich wird. Hier sind diese 3 Versionen des oddball Aufgabe, passiv, zu zählen, einnd reagieren werden verwendet, um zu zeigen, wie vorsichtig Aufgabe Design und Implementierung kann für diese Änderungen in der Aufgabenanforderungen Rechnung tragen und entsprechende Interpretation der Ergebnisse.

<table><tbody><tr><td>Magnetom Tim Trio 3 T MRT-Scanner</td><td>Siemens Medical Solutions, Erlangen, Deutschland&nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Präsentation Version 14.8</td><td>Neurobehavioural System, Albany, CA, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lumitouch Gerät</td><td>Photon Control Inc, Burnaby, BC, Kanada</td><td></td><td>Dieses Gerät wird vom Hersteller nicht mehr hergestellt. Alternative MR-kompatible Reaktionsgeräte sind verfügbar.</td></tr><tr><td>TFT-Display</td><td>Apple, Cupertino, CA, USA</td><td>30 Zoll Kino-Display</td><td>Die Leinwand wurde im eigenen Haus individuell modifiziert, um MR-kompatibel zu sein. Es gibt jedoch eine Reihe von MR-kompatiblen Bildschirmen auf dem Markt.</td></tr><tr><td>Optseq</td><td></td><td>surfer.nmr.mgh.harvard.edu/optseq</td><td>Programm zur Bestimmung des optimalen Stimulus-Timings für schnelle ereignisbezogene Designs</td></tr><tr><td>FMRIB Software Library (FSL)</td><td>FMRIB, Oxford</td><td>http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/</td> <td>Für die Analyse von fMRT-Daten stehen weitere Software-Tools zur Verfügung, z. B. SPM, AFNI und Brain Voyager.</td></tr></tbody></table>

Übertragen kognitiven aufgaben zwischen gehirnbildgebende verfahren: implikationen für die aufgabengestaltung und ergebnisse interpretation in fmrt-studien

Transferring Cognitive Tasks Between Brain Imaging Modalities: Implications for Task Design and Results Interpretation in fMRI Studies

Mit der Entwicklung der Methoden der kognitiven Neurowissenschaften werden etablierte experimentelle Aufgaben mit neuen bildgebenden Modalitäten des Gehirns verwendet. Hier wird die Übertragung eines Paradigmas (der visuellen Sonderlingsaufgabe) mit einer langen Geschichte von Verhaltens- und Elektroenzephalographie (EEG)-Experimenten auf ein funktionelles Magnetresonanztomographie-Experiment (fMRT) betrachtet. Das Ziel dieser Arbeit ist es, fMRT kurz zu beschreiben und zu beschreiben, wann ihre Verwendung in den kognitiven Neurowissenschaften angemessen ist; veranschaulichen, wie die Aufgabengestaltung die Ergebnisse eines fMRT-Experiments beeinflussen kann, insbesondere wenn diese Aufgabe von einer anderen Bildgebungsmodalität übernommen wird; erklären die praktischen Aspekte der Durchführung eines fMRT-Experiments. Es wird gezeigt, dass die Manipulation der Aufgabenanforderungen in der visuellen Sonderlingsaufgabe zu unterschiedlichen Mustern der Aktivierung des Blutsauerstoffgehalts in Abhängigkeit (BOLD) führt. Die Art der fMRT-BOLD-Messung bedeutet, dass viele Gehirnregionen bei einer bestimmten Aufgabe aktiv sind. Die Bestimmung der Funktionen dieser Aktivierungsbereiche hängt stark von der Aufgabengestaltung und -analyse ab. Die Komplexität vieler fMRT-Aufgaben bedeutet, dass die Details der Aufgabe und ihre Anforderungen bei der Interpretation der Daten sorgfältig berücksichtigt werden müssen. Die Daten zeigen, dass dies besonders wichtig ist bei Aufgaben, die sowohl auf einer motorischen Reaktion als auch auf kognitiven Elementen beruhen, und dass verdeckte und offene Reaktionen nach Möglichkeit in Betracht gezogen werden sollten. Darüber hinaus zeigen die Daten, dass die Übertragung eines EEG-Paradigmas auf ein fMRT-Experiment eine sorgfältige Überlegung erfordert und nicht davon ausgegangen werden kann, dass das gleiche Paradigma in allen Bildgebungsmodalitäten gleich gut funktioniert. Es wird daher empfohlen, dass das Design einer fMRT-Studie einem Piloten unterzogen wird, um die interessierenden Effekte zu ermitteln, und dann in der fMRT-Umgebung pilotiert wird, um ein angemessenes Design, eine angemessene Implementierung und Analyse für die interessierenden Effekte zu gewährleisten.

Die Stimulation und Analyse-Methode ausgelöst BOLD-Aktivierung in Hirnregionen mit einer visuellen oddball Aufgabe verbunden. Die Ziel&gt; Nicht-Ziel-Kontrast ergab keine Aktivierung für den passiven Zustand aber offenbaren Aktivierung sowohl in der Zählung und reagieren (Abbildung 3). Die in Abbildung 3 dargestellten Daten ist ein qualitativer Vergleich des Grafen und reagieren Bedingungen und zeigt, wie die Aktivierungsmuster aussehen würde, wenn jede Version der Aufgabe wurde in Isol...

Die Übertragung eines Paradigmas mit einer Geschichte der Verwendung in EEG-Experimenten auf ein fMRT-Experiment wird in Betracht gezogen. Es wird gezeigt, dass die Manipulation der Aufgabenanforderungen in der visuellen Sonderlingsaufgabe zu unterschiedlichen Mustern der BOLD-Aktivierung führte und zeigte, wie wichtig das Aufgabendesign in fMRT-Experimenten ist.

Übertragen kognitiven Aufgaben zwischen Gehirnbildgebende Verfahren: Implikationen für die Aufgabengestaltung und Ergebnisse Interpretation in fMRT-Studien

As cognitive neuroscience methods develop, established experimental tasks are used with emerging brain imaging modalities. Here transferring a paradigm ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, zu zeigen, wie das Aufgabendesign die Interpretation von Ergebnissen in FMRI-Studien beeinflussen kann, insbesondere wenn Paradigmen aus anderen bildgebenden Modalitäten übernommen werden. Dies wird erreicht, indem zunächst eine geeignete Aufgabe für das kognitive oder psychologische Konstrukt von Interesse ausgewählt wird, in diesem Fall das visuelle Oddball-Paradigma. Der zweite Schritt besteht darin, drei verschiedene Versionen der visuellen Sonderlingsaufgabe mit denselben Reizen zu entwerfen, was dazu führt, dass der Freiwillige sein Verhalten während des FMRI-Scans ändert.Als nächstes werden die FMRI-Daten analysiert, um die Unterschiede in der Gehirnaktivierung zwischen den Aufgabenversionen quantitativ zu bewerten. Es werden Ergebnisse erzielt, die zeigen, wie kognitive und motorische Prozesse auf der Grundlage eines geeigneten Versuchsdesigns und einer Datenanalyse unterschieden werden können. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der kognitiven Neurowissenschaften zu beantworten, wie z. B. die Identifizierung der zugrunde liegenden neuronalen Substrate der menschlichen Wahrnehmung, Kognition und Verhalten.Die Idee zu dieser Methode kam uns, als wir feststellten, dass sich die Interpretation der eigenen Ergebnisse in Bezug auf die vorhandene Literatur aufgrund feiner Unterschiede im Aufgabendesign und in den experimentellen Verfahren zwischen den Studien als schwierig erwies. Wählen Sie zunächst eine geeignete Aufgabe aus, um das kognitive oder psychologische Konstrukt von Interesse zu untersuchen, bevor Sie die Aufgabe aufstellen. Bestimmen Sie zunächst die angemessene Anzahl von Versuchen, die für eine robuste Gehirnreaktion erforderlich sind, sowie das Timing der Sequenzstimuli und berücksichtigen Sie unbedingt die hämodynamische Reaktionsverzögerung zwischen dem Einsetzen des Stimulus und der gemessenen Gehirnreaktion.Laden Sie die ceq-Software herunter und installieren Sie sie, um die Stimulusreihenfolge zu bestimmen, indem Sie die Versuche basierend auf der Anzahl der Versuche, dem Stimulus, der Dauer und den Scan-Parametern optimal auf das Experiment verteilen. Setzen Sie als nächstes die zuvor festgelegte Reihenfolge der Reize in ein geeignetes Programm um, um dem Subjekt das Paradigma zu präsentieren. Spezifizieren Sie alle für das Paradigma relevanten Informationen in Bezug auf Art der Reize, Timing und Reaktionen.Das Paradigma ist die visuelle Sonderlingsaufgabe, die zur Messung von Zielerkennungsreaktionen und der Auswirkungen der Aufmerksamkeit auf die Zielerkennung verwendet werden kann. Es gibt drei Versionen der seltsamen Aufgabe, die in der passiven Version vorbereitet werden können. Das Subjekt beobachtet nur die visuellen Reize und reagiert in der stillen Zählversion nicht.Der Proband sollte angewiesen werden, die Zielreize in seinem Kopf zu zählen. Diese Aufgabe erfordert eine Lenkung der Aufmerksamkeit auf diese Reize und einen Unterscheidungsprozess. Schließlich sollte das Subjekt in der Antwortversion einen Antwortknopf drücken, wenn es einen Zielreiz sieht.Diese Aufgabe erfordert Aufmerksamkeit, Unterscheidungsprozesse und die Auswahl oder Produktion einer Reaktion auf Zielreize. Beginnen Sie mit der Einrichtung für das FMRI-Experiment. Indem Sie zuerst den Scannerraum vorbereiten.Verbinden Sie den unteren Teil der Kopfspule mit dem Scannerbett. Legen Sie dann saubere Schutzabdeckungen auf den Scanner, das Bett und die Kissen. Schalten Sie als Nächstes das Anzeigegerät ein, das dem Probanden im Scanner das experimentelle Paradigma präsentiert, und zeichnen Sie die Antworten mit einem Gerät mit gedrückter Taste auf.Öffnen Sie dann die Software, die das experimentelle Paradigma liefert, und geben Sie einen Namen für die Protokolldatei ein. Registrieren Sie außerdem den Probanden in der MR-Scanner-Datenbank und stellen Sie sicher, dass die auszuführenden MR-Sequenzen eingerichtet und bereit sind. Screening aller potenziellen Probanden auf MRT-Kontraindikationen während des Studienrekrutierungsverfahrens.Führen Sie dann bei der Ankunft des Probanden ein gründliches MRT-Sicherheitsscreening mit geschultem Personal durch. Stellen Sie sicher, dass das Motiv metallfrei ist und dass Gegenstände wie eine Gürteluhr oder Schmuck sowie alle Taschengegenstände wie Münzen entfernt wurden. Sobald der Proband bereit ist, bitten Sie ihn, sich auf das Scannerbett zu setzen und Ohrstöpsel zum Gehörschutz zu platzieren.Lassen Sie sie dann bequem auf dem Scannerbett liegen, mit dem Kopf in der Bildspule. Verwenden Sie kleine Kissen, um den Kopf des Motivs zu sichern, um unerwünschte Kopfbewegungen während des Scannens zu minimieren. Platzieren Sie dann den oberen Teil der Kopfspule über dem Kopf des Probanden und stecken Sie die Stecker ein.Platzieren Sie einen Spiegel auf der Kopfspule, der es dem Probanden ermöglicht, das experimentelle Paradigma zu sehen, das auf dem Bildschirm hinter dem Probanden angezeigt wird, eine Notruftaste, um den Scan bei Bedarf zu stoppen, sowie das Reaktionsgerät. Bewegen Sie schließlich das Subjekt in die Bohrung des Scanners, bevor Sie Bilder aufnehmen. Stellen Sie zunächst sicher, dass das Subjekt den Experimentator über die Gegensprechanlage hören kann und dass es bequem und bereit ist, mit dem Scan zu beginnen. Führen Sie dann einen Lokalisierscan durch, um die Position des Kopfes des Motivs im Scanner zu ermitteln.Führen Sie als Nächstes einen hochauflösenden Strukturscan durch, z. B. einen MP-Rage. Führen Sie dann die funktionellen MRT-Scans mit den drei Durchläufen der visuellen Sonderlingsaufgabe durch. Sprechen Sie zwischen den Durchläufen mit dem Probanden, um ihm Anweisungen und Beruhigung zu geben und sicherzustellen, dass er sich wohl fühlt und bereit ist, mit dem Lernen fortzufahren.Wenn alle strukturellen und funktionellen Bildgebungen abgeschlossen sind, informieren Sie den Probanden, dass das Experiment abgeschlossen ist. Betreten Sie dann den Scannerraum und helfen Sie dem Motiv aus dem Scanner. Wählen Sie ein Softwarepaket aus, das für die Analyse der erfassten FMRI-Daten geeignet ist.Beginnen Sie mit der Anwendung von Standardvorverarbeitungsschritten, um die Daten für die weitere Analyse vorzubereiten. Zu den Schritten gehören Bewegungskorrektur, Slice-Timing, Bildkoregistrierung, räumliche Glättung, zeitliche Hochpassfilterung und räumliche Normalisierung. Geben Sie als Nächstes für die statistische Analyse zunächst die Anfangszeiten und die Dauer aller Ereignisse an, die im Paradigma aufgetreten sind.Diese werden auch als erklärende Variablen oder Regressoren bezeichnet. Richten Sie dann Kontraste ein, um zu bestimmen, welche erklärenden Variablen verglichen werden sollen. Um z. B. die fette Aktivierung zu identifizieren, die für die Erkennung von Zielreizen spezifisch ist, richten Sie einen Kontrast ein, um anzugeben, dass Zielreize größer sind als Nicht-Zielreize.Führen Sie die statistische Analyse der ersten Ebene für jedes Subjekt und jede Bedingung separat durch. Sobald Daten für mehrere Probanden erfasst wurden, vergleichen Sie die drei Bedingungen mit Hilfe einer Analyse auf Zweit- oder Gruppenebene. Die Stimulations- und Analysemethode löste eine mutige Aktivierung in Gehirnregionen aus, die mit der visuellen Sonderlingsaufgabe verbunden sind.Der Kontrast zwischen dem Ziel, das größer als das Nicht-Ziel ist, zeigte keine Aktivierung für die passive Bedingung, aber eine Aktivierung sowohl in der Zählbedingung als auch in der Reaktionsbedingung, wie hier zu sehen. Die fettgedruckte Aktivierung für die Zählbedingung gegen die passive Bedingung ist hier zu sehen, während die Antwortbedingung für die passive Bedingung hier zu sehen ist. Alle Daten stellen das Ziel größer als häufig dar.Die Aktivierung des Kontrastmittels auf niedrigerem Niveau ist im ergänzenden motorischen Bereich SMA zu beobachten, der beiden Erkrankungen gemeinsam ist, während die MFG-Aktivierung des mittleren frontalen Gyrus nur bei der Reaktionsbedingung zu beobachten ist. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie FMRI-Studien konzipiert und implementiert werden, und verstehen, wie sich das Design auf die Interpretation Ihrer Ergebnisse auswirken kann. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit FMRI äußerst gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieser Methode immer Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden sollten, wie z. B. ein gründliches Screening von Freiwilligen.Darüber hinaus sollten diese Eingriffe immer von geschultem Personal durchgeführt werden.I.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Behavior

Verhalten

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Brain Imaging Untersuchung der beeinträchtigende Wirkung von Emotion auf Kognition

Das Ziel unserer Forschung ist es, Verhalten zu Hirnaktivität korreliert. Genaue Verhaltensmaßnahmen und bildgebenden Verfahren ermöglichen es uns, Gehirn-Verhalten Zusammenhänge aufzuklären.

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

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