חוצה מודאלי תבנית ניתוח רב משתני

מטרת הניסוי הבא היא להשתמש בניתוח דפוסים רב-משתני של נתוני MRI תפקודיים כדי לחקור עיבוד רב-מודאלי במוח האנושי. זה מושג על ידי יצירת סוג מסוים של גירויים חושיים, המוצגים לנבדקים באמצעות מודאליות חושית אחת. למשל, החזותי, אבל מרמז על אסוציאציות חזקות במודאליות שונה.

לדוגמה, השמיעה בעוד הנבדקים תופסים גירויים כאלה פעילות עצבית בחלקי המוח הקשורים לאופן ההתאגדות. קליפות המוח השמיעתית בדוגמה זו נרשמות באמצעות FMRI. הפעילות המתועדת מנותחת באמצעות ניתוח דפוסים רב-משתנים במטרה לחזות איזה מבין מספר גירויים הנבדק תפס בשיטה המקורית.

התוצאות מראות כי גירויים חד-מודאליים המכילים מידע הרלוונטי ליותר ממודאליות אחת יכולים לגרום לפעילות עצבית ספציפית לתוכן בקליפת המוח החושית המוקדמת של אופנים אחרים מזו שדרכה הם מוצגים. הטכניקה שאנו מציגים היום, שאנו מכנים ניתוח דפוסים רב-משתנים Crossmodal, מייצגת הרחבה טבעית של ניתוח דפוסים רב-משתני קונבנציונלי עם ההבדל ש-STEMI חושי מסווג על פני ולא בתוך אופנים חושיים. הרעיון לשיטה זו עלה לראשונה כשניסינו לייצר ראיות אמפיריות למסגרת נוירו-ארכיטקטונית שהוצגה על ידי Demio לפני יותר משני עשורים.

בסרטון זה, נציג בפניכם לא רק את ההיבטים הטכניים של ניתוח דפוסים רב-משתנים או בקיצור MVPA, אלא גם את המסגרת התיאורטית הזו. ראשית נצביע על כמה הבדלים עיקריים בין MVPA לניתוח FMRI חד-משתני קונבנציונלי. שקול את הדברים הבאים.

לדוגמה, אם מוצגים לנבדק שני גירויים חזותיים שונים כמו תפוח ותפוז, אז שני הגירויים הממוצעים במספר ניסויים גורמים לדפוס מסוים של פעילות עצבית. בקליפת המוח הראייתית הראשונית המסומלת כאן על ידי רמות ההפעלה של שישה ווקסלים היפותטיים. בניתוח FMRI קונבנציונלי, ישנן למעשה שתי שיטות לניתוח דפוסים אלה.

הראשון הוא להשוות את רמת הפעילות הממוצעת שהגירויים גרמו בכל אזור העניין. עם זאת, ההבדל בין הממוצעים עשוי להיות לא משמעותי. השיטה השנייה היא ליצור ניגודיות חיסור עבור כל ווקסל.

רמת ההפעלה במהלך מצב התפוח מופחתת מרמת ההפעלה במהלך המצב הכתום, וניתן לדמיין את ההבדל המתקבל עבור כל ווקסל בתמונת ניגודיות מוחית שלמה. שוב, עם זאת, הבדלים אלה עשויים להיות קטנים ועשויים להגיע לקריטריון הסטטיסטי הנדרש רק עבור כמה ווקסלים. עם זאת, בניגוד לשיטות ניתוח חד-משתניות, MVPA מסוגל לזהות דפוסים בתוך ווקסלים על ידי התחשבות ברמות ההפעלה של כל הווקסלים בו זמנית.

בעוד שרק חלק מהבדלי ההפעלה עשויים להיות משמעותיים בנפרד, שני הדפוסים כאשר הם נלקחים בחשבון במלואם עשויים להיות שונים מבחינה סטטיסטית. הבדל מרכזי נוסף בין ניתוח FMRI קונבנציונלי ל-MVPA הוא שהשיטה האחרונה משתמשת במה שנקרא הסקה הפוכה. בניתוח FMRI קונבנציונלי, החוקר שואל בדרך כלל שאלה מהסוג של שני גירויים חזותיים שונים.

לדוגמה, תמונת פנים ותמונה של בית מובילות לרמות פעילות שונות באזור עניין מסוים, כמו למשל אזור הפנים הפיוזיפורמי. לעומת זאת, MVPA מתבטא בדרך כלל במונחים של הסקה הפוכה או פענוח, ושואל, על סמך דפוס הפעילות העצבית באזור מסוים במוח, האם נוכל לחזות איזה משני גירויים חזותיים הנבדק קלט. עם זאת, חשוב לציין שמנקודת מבט סטטיסטית, זה שווה ערך לומר ששני גירויים מובילים לדפוסי פעילות מובחנים באזור מוח נתון, ולומר שדפוס הפעילות באותו אזור במוח מאפשר חיזוי של הגירוי המעורר.

במילים אחרות, הרגישות של MVPA עדיפה על זו של ניתוחים חד-משתנים מכיוון שהוא מתייחס למספר ווקסל בו זמנית ולא מכיוון שהוא מתקדם בכיוון הפוך. אם נחזור לדוגמה הקודמת, בואו נבחן פרדיגמת MVPA טיפוסית שמעריכה אם ראיית תפוח גורמת לדפוס שונה של פעילות עצבית בקליפת המוח הראייתית הראשונית מאשר ראיית תפוז. בשלב ראשון, נתוני FMRI נרשמים בזמן שהנבדק רואה מספר רב של גירויים שיש להפלות.

הנתונים שנרכשו מחולקים לאחר מכן למערך נתוני אימון ומערך נתוני בדיקה. הנתונים ממערך האימון מוזנים למסווג דפוסים, המנסה לזהות תכונות בדפוסים העצביים המבדילים בין שני סוגי הניסויים. לאחר מכן, המסווג מוצג עם נתונים ללא תווית ממערך הבדיקות ובהתבסס על הדפוסים שהוא זיהה במערך נתוני האימון מאפיין את התווית הסבירה ביותר לכל אחד מניסויי הבדיקה עבור כל גירוי.

לאחר מכן משווים את ניחוש המסווג לתווית הגירוי הנכונה וביצועי המסווג מחושבים כאחוז הניחושים הנכונים. כפי שראינו, המסווג בדוגמה מפחית את תוויות הגירוי הנכונות בתשעה מתוך 12 מקרים, או 75% כביצועי סיכוי. בהבחנה דו-כיוונית כזו תהיה 50%זה מצביע על כך שאכן יש הבדלים עקביים בין הדפוסים העצביים המושרים ב-V אחד על ידי גירוי התפוז והתפוח.

כמובן, המשמעות של תוצאה זו תצטרך להיות מוכחת סטטיסטית. נושא חשוב אחד שיש לזכור בניסוי סיווג כזה הוא שמערכי נתוני ההדרכה והבדיקה יהיו בלתי תלויים לחלוטין זה בזה מכיוון שרק אם זה המקרה ניתן להסיק מסקנות כלשהן לגבי יכולת ההכללה של הדפוסים שנלמדו במהלך האימון. מסיבה זו, פרדיגמות MVPA משתמשות לעתים קרובות במה שנקרא פרדיגמת אימות צולב.

בעוד שהליך זה משמש למקסום מספר ניסויי ההדרכה והבדיקה שניתן להשיג ממערך נתונים נתון, הוא גם מבטיח במקביל שערכות ההדרכה והבדיקה אינן חופפות במהלך שלבי הסיווג הבודדים. שקול את ניסוי ה-MVPA הבא עם שמונה ריצות פונקציונליות. בשלב ראשון של אימות צולב, המסווג מאומן על הנתונים מריצות אחת עד שבע ונבדק על הנתונים מהריצה השמינית.

בשלב השני, המסווג מאומן בריצות אחת עד שש וכן בריצה שמונה, ולאחר מכן נבחן בריצה שבע. בעקבות סכימה זו, מבוצעים שמונה שלבי אימות צולבים כאשר כל ריצה משמשת בדיוק כריצת הבדיקה. לאחר קבלת ביצועי המסווג עבור כל שלב אימות צולב וממוצע תוצאות אלה מניב ביצועים כוללים.

ישנן חבילות תוכנה זמינות בחינם באינטרנט לביצוע MVPA כגון pi MVPA וארגז הכלים המוצע על ידי המכון למדעי המוח בפרינסטון. פרדיגמות ניסיוניות כמו זו שתוארה זה עתה, שימשו בהצלחה לחיזוי גירויים תפיסתיים מפעילות עצבית בחלקים המקבילים של קליפת המוח, כך למשל, לחזות גירויים חזותיים על סמך הפעילות בקליפת המוח החזותית או גירויים שמיעתיים. בהתבסס על הפעילות בקליפת המוח השמיעתית, ברצוננו כעת להציג הרחבה של הרעיון הבסיסי הזה שבו גירויים תפיסתיים צפויים לא רק בתוך האופנים אלא גם לרוחבם.

הרעיון שלנו נשען על העובדה שתפיסה קשורה קשר הדוק להיזכרות בזיכרונות. לדוגמה, גירוי חזותי בעל השלכה שמיעתית חזקה כמו אתר של בסיס זכוכית שמתנפץ על הקרקע. זה יפעיל אוטומטית באוזן המוח שלנו תמונה שמיעתית שחולקת קווי דמיון עם התמונות השמיעתיות שחווינו במפגשים קודמים עם זכוכית נשברת.

על פי מסגרת שהציג תיאו בסוף שנות השמונים, קשר הזיכרון בין אתר הבסיס המתנפץ לבין הצליל המתאים מאוחסן במה שנקרא אזורי התכנסות או תקליטורים להתכנסות קצרה. אזורי סטייה מושגים כהרכבים של נוירונים הממוקמים ברמות ההיררכיות השונות של מערכות החישה. כפי ששמם מרמז.

תקליטורים בכל רמה מקבלים תחזיות מתכנסות מלמטה למעלה מקליפת המוח מסדר נמוך יותר ותור. הם שלחו בחזרה תחזיות שונות מלמעלה למטה לאותן קליפות מסדר נמוך יותר עקב ההקרנות המתכנסות מלמטה למעלה. תקליטורים יכולים להיות מופעלים על ידי ייצוגים תפיסתיים במספר אופנים, למשל, הן על ידי האתר והן על ידי צליל של בסיס מתנפץ עקב ההקרנות השונות מלמעלה למטה.

לאחר מכן הם יכולים לקדם את השחזור של תמונות קשורות על ידי איתות חזרה לקליפת המוח החושית המוקדמת של שיטות נוספות. קחו בחשבון את רצף ההפעלה כגירוי ויזואלי בלבד, אך צליל המרמז על גירוי יגרום בהתאם למסגרת זו. הגירוי גורם תחילה לדפוס ספציפי של פעילות עצבית בקליפת המוח הראייתית המוקדמת באמצעות הקרנות מתכנסות מלמטה למעלה.

קליפות המוח הוויזואליות המוקדמות מפעילות את הרמה הראשונה של התקליטורים, אלה של CDZ. בהתאם לדפוס הפעילות המדויק במגזר קליפת המוח המוקדמת המקבילה, CDZ עשוי להיות מופעל או שהוא עשוי להישאר לא פעיל. אלה של CDZ מקרינים כלפי מעלה ל-cdz twos בדיוק כפי שזוהו cdz.

דפוסי פעילות בקליפות הראייה המוקדמות, cdz twos מזהים דפוסי פעילות בקרב cdz, כמה cdz twos עשויים להיות מופעלים, אך לשם הפשטות רק אחד מתואר כאן באמצעות הקרנות מלמעלה למטה. אלה של Cdz עשויים במקביל להשלים את דפוס הפעילות בקליפות הראייה המוקדמות באמצעות מספר רמות נוספות של c DZs CDZ twos. פרויקט שניים קדימה ל-CDZ מסתיים באסוציאציה רב-מודאלית. קליפת המוח.

שוב, מספר קצוות CDZ עשויים להיות מופעלים, אך רק אחד מתואר מטעמי פשטות. שוב, CD Z twos גם מאותתים לאחור לאלה של CDZ, מה שבתורו עשוי לשנות עוד יותר את הדפוס שהושרה במקור בקליפות הראייה המוקדמות. ה-CDZ מסתיים בחזרה לשני ה-CZ של כל האופנים.

בקליפת המוח השמיעתית ייבנה דפוס עצבי, המאפשר לנבדק לחוות באוזן הנפש דימוי שמיעתי הקשור לגירוי המוצג חזותית. האיתות המתואר מלמעלה למטה לאופן הסומטוסנסורי משקף את העובדה שכמעט כל גירוי חזותי מרמז גם על כמה אסוציאציות מישוש. לפיכך, המסגרת מנבאת כי צליל המרמז על גירוי חזותי יוביל לדפוס ספציפי של פעילות עצבית.

בקליפת המוח השמיעתית המוקדמת. על ידי ניתוח דפוס עצבי זה באמצעות MVPA, אמור להיות אפשרי לחזות איזה מבין כמה צלילים המרמזים על גירויים חזותיים הנבדק ראה. בניסוי הראשון, הפעילות העצבית תועדה מקליפת המוח השמיעתית המוקדמת בזמן שהנבדקים צפו בתשעה קטעי וידאו שונים של עצמים ואירועים המרמזים על קול.

אזור העניין בניסוי זה היה אזור מוגבל במישור הסמאל, שכלל קליפת המוח השמיעתית הראשונית וקליפת המוח השמיעתית המוקדמת מאוד. בניסוי שני, פעילות עצבית תועדה מקליפת המוח הסומטוסנסורית הראשונית בזמן שהנבדקים צפו בחמישה קטעי וידאו שונים שרמזו על מגע. בניסוי זה, אזור העניין כלל את קליפת המוח הסומטוסנסורית הראשונית הממוקמת בפיתול הפוסט-מרכזי.

שני המחקרים כללו שמונה נבדקים במחקר השמיעתי. מסווג MVPA ביצע מעל רמת הסיכוי של 50% עבור כל ההבחנות הדו-כיווניות האפשריות בין זוגות גירויים. ב-26 מתוך 36 האפלות, ביצועי מסווג האפליות היו שונים באופן משמעותי מרמת הסיכוי של 0.5.

כמו כן, במחקר הסומטוסנסורי, המסווג ביצע מעל הסיכוי בכל ההבחנות הדו-כיווניות, ושמונה מתוך 10 האפליות הגיעו למובהקות סטטיסטית. כפי שאתה יכול לראות, באמצעות ניתוח דפוסים רב-משתנים צולבים, הצלחנו להוכיח כי תפיסת גירויים חזותיים המרמזים על צליל או מגע מובילה לייצוגים עצביים ספציפיים לתוכן בקליפת המוח השמיעתית והסומטוסנסורית המוקדמת בהתאם למסגרת התיאורטית שהוצגה קודם לכן. ברור שהפרדיגמה הניסויית שהצגנו אינה חייבת להישאר מוגבלת לאופנים המעורבים בניסויים שלנו, אלא ניתן להרחיב אותה גם לאופנים חושיים אחרים.

לכן, אנו מקווים שקבוצות נוספות יצטרפו אלינו בהרחבת מחקר מסוג זה בניסיון להרחיב את הידע שלנו על איך להביא תהליכים גירויים רב-מודאליים מהסביבה.