Misura di segnali neurofisiologici di Ignorando e Assistere Processi in controllo Attenzione

Sommario

Il controllo dell'attenzione comprende il miglioramento dei segnali target e l'attenuazione dei segnali di distrazione. Descriviamo un approccio per misurare separatamente ma contemporaneamente, la neurofisiologia dell'attenzione e dell'ignoranza nell'attenzione intermodale sostenuta, utilizzando una condizione di controllo passivo durante la quale nessuno dei due processi è continuamente impegnato.

Abstract

Il controllo dell'attenzione è la capacità di prestare attenzione selettivamente ad alcuni segnali sensoriali ignorandone altri. Si ritiene che questa capacità coinvolga due processi: l'aumento dei segnali sensoriali che devono essere assistiti e l'attenuazione dei segnali sensoriali che devono essere ignorati. La forza complessiva della modulazione dell'attenzione è spesso misurata confrontando l'ampiezza di una risposta neurale sensoriale con un input esterno quando assistita rispetto a quando viene ignorata. Questo metodo è robusto per rilevare la modulazione dell'attenzione, ma preclude la capacità di valutare le dinamiche separate dei processi di partecipazione e ignoranza. Qui, descriviamo la metodologia per misurare in modo indipendente i segnali neurofisiologici dell'attenzione e dell'ignoranza utilizzando il compito di attenzione intermodale (IMAT). Questo compito, quando combinato con l'elettroencefalografia, isola le risposte sensoriali neurofisiologiche in modalità uditiva e visiva, quando si assiste o si ignora, rispetto a un controllo passivo. Di conseguenza, le dinamiche indipendenti di frequentazione e di ignoranza possono essere valutate in entrambe le modalità. I nostri risultati che utilizzano questo compito indicano che i tempi e le fonti corticali di partecipazione e ignoranza degli effetti differiscono, così come i loro contributi all'effetto di modulazione dell'attenzione, indicando traiettorie neurali uniche e dimostrando l'utilità del campione di misurarle separatamente.

Introduzione

Attenzione guide controllo comportamento indirizzando le risorse neurali e cognitive verso selezionare segnali di ingresso, limitando l'accesso ad altri segnali, sulla base di un determinato obiettivo comportamentale ^1. Ad esempio, quando si legge un libro, i segnali visivi corrispondenti al libro sono i segnali di destinazione per essere migliorato, mentre altri segnali sensoriali - come la TV in camera accanto - sono segnali distrattori per essere attenuati. Registrazioni in entrambi primati umani e non umani ^1-4, indicano che le risposte neurali cortecce sensoriali sono ottimizzate per bersagli frequentato relativi distrattori ignorato durante attenzione selettiva, indicando che la forza di input sensoriali nel cervello è modulato in funzione del fatto che essi sono classificati come obiettivi o distrattori ^5-7. Ci riferiamo a questa differenza di potenza del segnale quando si partecipa rispetto ignorando come effetto di modulazione attenzione.

Di crescente interesse èla questione del se e come i processi neurali di partecipare contribuire al controllo dell'attenzione e le sue menomazioni, separatamente dai processi neurali di ignorare. E 'sempre più chiaro che la possibilità di ignorare le distrazioni può essere compromessa indipendentemente dalla nostra capacità di assistere gli obiettivi. Ad esempio, distrattore soppressione può essere compromessa con l'aumento del carico compito ^8, l'invecchiamento cognitivo ⁹ e la privazione del sonno ^10, senza un decremento in aumento di destinazione. Al momento non è noto se un decremento in aumento di destinazione può anche esistere senza un deficit nella soppressione distrattore. Forse ancora più importante, non è risolto se i deficit di entrambi curante o ignorare, ma non entrambi, può spiegare le condizioni neuropsichiatriche in cui è compromessa controllo dell'attenzione. Come tale, è utile per comprendere meglio se curante e ignorando derivano da percorsi corticali separabili, se e come differiscono in dinamiche neurali. Misurando frequentanti eignorando i processi a parte, tali questioni possono essere affrontate.

Qui si descrive la metodologia per misurare i segnali neurofisiologici di partecipare e ignorando separatamente, ma contemporaneamente, in attenzione sostenuta. Questo approccio si basa sulla modulazione attenzione: la differenza di ampiezza di un risposta sensoriale neuronale quando l'individuo sta partecipando contro ignorando agli stimoli in quel flusso sensoriale. L'effetto di modulazione attenzione è un potente strumento per la rilevazione di modulazione attenzione su segnali sensoriali, ma preclude la possibilità di valutare le dinamiche separate di partecipare e di processi di ignorare. Vale a dire, la differenza nelle risposte neurali sensoriali quando frequentano contro ignorando potrebbe verificarsi in quanto il processo di attenzione aumenta segnali obiettivo sensoriali, o perché ignorando attenua i segnali distrattori sensoriali, o entrambi. Per testare tra queste alternative, è richiesto l'uso di una condizione di controllo supplementare in cui uno quantifica la strength di input sensoriali al loro basale naturale, quando sono né partecipato né ignorati. Questo è simile a camminare lungo una strada trafficata pieno di macchine, ma nessuno dei due si guarda attivamente (ad esempio, per un taxi), né ignorare attivamente (ad esempio, le automobili non di taxi e autobus) le auto di passaggio. Valutando segnali sensoriali che sono frequentati o ignorati, relative ad una condizione passiva di riferimento, l'entità e la tempistica di assistere e ignorando i processi possono essere quantificati separatamente.

Usi efficaci di un controllo di tale passivo nella misurazione dei processi presenti e ignorando sono stati riportati in precedenza in studi di anticipazione attenzione ^11-13 e le interazioni memoria attenzione ^9,10,14-17. Qui si descrive l'uso di questo approccio nel contesto di attenzione sostenuta, in un non-cued, continuo, intermodale (cioè, uditivo-visiva) compito attenzione (IMAT) ^18. In altre parole, questo metodo è appropriato per lo studio di Rath corsoer di processi di controllo di preparazione, consentendo il monitoraggio di tali processi attraverso il tempo. Questo metodo quantifica anche i processi di controllo che modulano le risposte sensoriali attraverso diverse modalità sensoriali (cioè, uditive contro visiva), concentrandosi quindi sulla processi che non sono specializzati entro un determinato dominio sensoriale o contenuti. A differenza dei precedenti risonanza magnetica funzionale studia ^15,19,20, questo metodo tracce curante e processi che utilizzano segnali neurofisiologici temporalmente risolte (elettroencefalografia, EEG), fornendo così la risoluzione millisecondo sui profili temporali di frequentare e processi ignorando ignorando. I nostri risultati rappresentativi dimostrano l'uso della tecnica per identificare la prova diretta di fonti separabili corticali e le dinamiche temporali dei processi neurali di partecipare e di ignorare, e contributi unici per effetto di modulazione attenzione.

Protocollo

NOTA: Questo protocollo dello studio è stato sviluppato in conformità con le linee guida etiche approvate dal consiglio revisione sperimentale presso l'Università della California di Los Angles.

1. Preparazione di uditivo e stimoli visivi

1. Utilizzando il software in cui le immagini visive possono essere generati, creare due reticoli sinusoide scala di grigio, di circa 5,7 pollici di diametro e di qualsiasi frequenza (ad esempio, 1,36 cicli / grado di angolo visivo). Le immagini avranno una durata su schermo di 100 msec.
   1. Inclinare una delle grate circa 10 gradi visive a destra fuori la mediana, e inclinare l'altro reticolo dello stesso importo alla sinistra del reticolo.
   2. Assicurarsi che il grado di inclinazione è sufficiente per consentire ai partecipanti di distinguere una inclinazione a sinistra da una inclinazione a destra senza affidarsi a indovinare.
2. Utilizzando il software in cui i segnali uditivi possono essere generati, creare due toni puri di 100 msec durata.
   1. Make uno dei toni di un tono più alto e l'altro di un passo inferiore. Per esempio, un passo può essere di 750 Hz e 900 Hz l'altro.
   2. Per quanto riguarda gli stimoli visivi, in modo che i toni sono sufficientemente distinte tale che i partecipanti possano distinguere tra di loro senza ricorrere a indovinare.

2. Programmazione di stimolo Presentazione

1. Utilizzando il software di presentazione, creare il codice computer che controllare la presentazione degli stimoli uditivi e visivi durante l'esperimento.
   1. In primo luogo selezionare il numero di stimoli da presentare. Presenti almeno 150 di ciascuno di stimoli visivi e uditivi per condizione sperimentale, per garantire che ci siano abbastanza ripetizioni per una risposta neurofisiologico affidabile.
   2. Stimoli visivi attuali centralmente su uno sfondo grigio, con il partecipante seduto ad una distanza di visione. Presentare gli stimoli uditivi attraverso gli altoparlanti posizionati su entrambi i lati del screen.
      Nota: Per gli stimoli visivi si consiglia uno sfondo grigio, con i valori RGB del punto centrale (128.128.128) tra il bianco puro (255,255,255) e nero puro (0,0,0), con il bianco e nero usato nella generazione della sinusoide stimoli. Questo assicura che la luminosità media dello sfondo e di stimolo sono comparabili, e il contrasto è costante tra qualsiasi punto nello stimolo e lo sfondo.
   3. Per ciascuna di stimoli uditivi e visivi, autonomamente a selezionare la temporizzazione per gli stimoli.
      Nota: Questo impedisce partecipanti di anticipare gli stimoli basati su relazioni temporali tra i due flussi.
   4. Utilizzare un intervallo inter-stimolo (ISI) di circa 1 secondo tra presentazioni sequenziali di stimoli dalla stessa modalità. Più lento ISI renderà il compito più impegnativo sulla vigilanza, più veloce ISI può comportare l'impossibilità per i partecipanti per le loro risposte in tempo.
   5. Variare la precisa ISI casuale all'interno di un intervallo, ad esempio 0,7 a 2 sec, perrendere gli stimoli imprevedibili ai partecipanti, evitando risposte neurali connessi con anticipazione.
   6. Poiché le interazioni cross-modali possono derivare da simultaneamente o quasi simultaneamente presentato stimoli ^21,22, mantenere l'ISI tra gli stimoli provenienti da due diversi flussi a non meno di 300 msec.
2. Assicurarsi che gli stimoli uditivi e visivi sembrano verificarsi interleaved ai partecipanti, ma mai co-occorrenti.
3. Ultimo, dividere gli stimoli in segmenti di venticinque. Questi segmenti saranno precedute da uno dei tre istruzioni dell'attività selezionata casualmente, descritte nel paragrafo successivo.

3. Task Istruzione

1. Orientare il partecipante al compito prima di raccogliere misure neurofisiologiche di attività cerebrale.
   1. Istruire i partecipanti a partecipare e rispondere ai toni uditivi e di ignorare gli stimoli visivi quando l'istruzione è "Ascolta". Presentare questa istruzione both attraverso audio e mezzi visivi.
   2. Assegnare due pulsanti per i partecipanti a fare le risposte a ogni tono. Ad esempio, "premere la freccia a sinistra se il tono è alto, e la freccia a destra se il tono è basso" quando l'istruzione è "Ascolta".
   3. Allo stesso modo, istruire i partecipanti a partecipare e rispondere alle griglie visive e di ignorare gli stimoli uditivi quando l'istruzione è "Guarda".
   4. Assegnare due pulsanti per i partecipanti di fare risposte alle griglie visive. Ad esempio, "premere la freccia a sinistra se il reticolo è inclinato verso sinistra, e la freccia a destra se il reticolo è inclinato a sinistra".
      1. Utilizzare gli stessi due pulsanti per stimoli visivi come ad stimoli uditivi per migliorare l'interferenza tra le modalità e quindi la necessità di impiegare meccanismi di controllo attenzione.
   5. Infine, istruire i partecipanti a fare nessuna risposta quando l'istruzione è "passivo", ma in modo chei partecipanti tengono gli occhi aperti e concentrati sullo schermo.
2. Durante la sessione di attività, si alternano le istruzioni per "Listen" e "Look" tra i segmenti per passare una modalità precedentemente partecipato ad essere irrilevante, rendendo così un potente distrattore.
3. Ricordare ai partecipanti di tenere gli occhi fissato con il centro dello schermo, o un piccolo punto o croce presentato alla posizione dello stimolo visivo, e di tenere gli occhi aperti per tutto l'esperimento.
4. Costruire in otto to dieci secondi di pausa tra i segmenti di mitigare gli effetti della fatica, consentono ai partecipanti di riposare gli occhi, così come più di 1-2 min pause ogni 6-8 minuti.
5. Infine, a ciascun partecipante con ampio prassi per garantire che si sta eseguendo il compito corretto. Può essere utile, soprattutto per i partecipanti che hanno difficoltà di attenzione, di praticare la visuale e le attività uditive con il flusso frequentato presentato in isolation, senza la presentazione simultanea del flusso distrattore.

4. Raccolta dati neurofisiologici

1. Una volta che i partecipanti hanno familiarità con il compito, l'avvio della raccolta delle risposte neurofisiologiche ai segnali attesi e ignorati durante la IMAT.
2. Preparare la elettroencefalografia (EEG) cap e attrezzature di registrazione secondo le istruzioni del fabbricante, e in conformità con gli standard metodologici e di pubblicazione correnti per EEG ricerca ^26,27.
   Nota: Importanti parametri di registrazione EEG per la registrazione EEG durante la IMAT, che può essere utente specificato, includono: (a) frequenza di campionamento di 128-1,024 Hz, per catturare la bassa frequenza dei segnali ERP; (B) in corrente alternata di registrazione (AC) per minimizzare lenta deriva; (C) rete con campionamento di tutto il cuoio capelluto e al minimo di 64 sensori, se le analisi di imaging fonte devono essere eseguite.
3. Applicare il cappuccio di cuoio del partecipante e verificare l'impedenza del segnale equalità a ciascuno dei sensori. Prestare particolare attenzione a garantire che impedenze degli elettrodi di registrazione sono uniformi e nei limiti indicati dal fabbricante.
   Nota: A questo punto, aggiungere anche eventuali dispositivi di misura fisiologico supplementari se volesse raccogliere segnali fisiologici non neurali come la respirazione o impulsi.
4. Sincronizzare le registrazioni neurofisiologiche con il software di presentazione dello stimolo e software di registrazione neurofisiologica secondo le istruzioni del produttore.
5. Registrare i segnali neurofisiologici, mentre il partecipante svolge il compito, in modo che il software di registrazione ha registrazione precisa dei tempi di ogni stimolo e risposta per successive analisi.

5. Offline Data Analysis

1. Preparare i dati neurofisiologici per l'analisi statistica utilizzando il software di analisi.
2. In primo luogo, rimuovere i componenti del segnale non neuronali che contribuiranno variabilità al neurophyregistrazioni siological di risposte cerebrali.
   1. Utilizzare un filtro passa-alto di 0,1-1 Hz, per rimuovere derive lente come quelle causate da cambiamenti di impedenza dei sensori.
   2. Utilizzare un filtro passa-basso di 30-50 Hz per rimuovere componenti ad alta frequenza introdotte dal rumore elettrico.
   3. Identificare sensori che mostrano dati inattendibili, ed escludere questi o interpolare i segnali.
   4. Identificare ed eliminare grandi componenti di rumore non frequenti, come artefatto muscolare da contrazione della mascella o movimenti della fronte, e sistematiche, i contributi non neurali, come ad esempio i movimenti degli occhi.
      Nota: algoritmi tipici per rimuovere i componenti non-neuronali comprendono un'analisi indipendente componenti e la regressione, nonché algoritmi iterativi basati su criteri di selezione espliciti (ad esempio, variazioni di tensione che superano una soglia). Seguire le linee guida del software di analisi disponibili, e procedere secondo le norme vigenti per la ricerca EEG ^26,27.
3. Una volta che i principali componenti non neuronali dei dati neurofisiologici sono stati rimossi, nuovamente riferimento i dati in ogni elettrodo sottraendo da ciascun sensore del medio di tutti tutti gli altri sensori o il medio di tutti i canali mastoidei sinistro e destro.
   Nota: Questo passaggio re-esprime gli effetti a ciascun sensore rispetto ad un riferimento neutro che si assume contenga segnali neurali di zero.
   Nota: rada montaggi elettrodi potrebbero non avere campionamento sufficiente a soddisfare i presupposti di questa tecnica ^26,27. In quest'ultimo caso, la media della mastoide sinistra e destra può fornire un riferimento più accurata.
4. Estratto Successivo epoche temporali di circa 1 secondo circostante ogni uditivo e ogni evento visivo mostrati. Includono 100 msec precedenti l'insorgenza stimolo per servire come un intervallo basale e almeno 600 msec dopo l'inizio stimolo.
5. Calcolare la media dei dati di tutte le epoche che rientrano nella stessa condizione - ha partecipato, ignorato, e passivamente percepito stimoli &# 8212; per calcolare la media potenziali evocati risposta o "ERP". Sottrarre la media dei dati di linea di base pre-stimolo di ri-esprimere le ampiezze ERP come modifiche relative al segnale pre-stimolo.
6. Per identificare il decorso di processi presenti, confrontare l'ampiezza e temporizzazione, così come la distribuzione spaziale della risposta ERP dopo stimoli frequentato, contro quelli durante la condizione passiva.
7. Per identificare il decorso temporale di ignorare, confrontare l'ampiezza e temporizzazione, così come la distribuzione spaziale della risposta ERP dopo stimoli ignorati, contro quelli durante la condizione passiva.

Risultati

Il protocollo IMAT è stato utilizzato in precedenza per individuare i contributi unici di partecipare e ignorando i processi a velocità di risposta durante attenzione sostenuta ^18. In questo studio, abbiamo testato 35 soggetti sani destrimani (22 di sesso femminile, età: X = 21.0, σ = 5.4), reclutati attraverso il dipartimento di Psicologia piscina soggetto presso l'Università della California, Los Angeles. Tutti i partecipanti ha informato per iscritto il consenso informato prima di partecipare allo stud...

Discussione

I processi relativi a frequentare e ad ignorare il controllo attenzione possono riguardare diversi percorsi neurali e corsi di tempo. Pertanto, è di valore per misurare questi processi separatamente. L'IMAT è uno strumento, attraverso il quale si possono cogliere segnali neurofisiologici di partecipare e ignorando separatamente, ma contemporaneamente, in attenzione sostenuta. I punti critici sono la misura delle risposte neurofisiologiche sensoriali quando il partecipante frequenta, ignorando o passivamente percepir...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
NetStation Software	Geodetica elettrica, Inc.	versione 4.5.1	È possibile utilizzare un software di registrazione alternativo.
Software Matlab	MathWorks, Inc.	7.10.0 (R2010a)	È possibile utilizzare software alternativi di analisi e presentazione.
PsychToolbox Software	http://psychtoolbox.org/	v3.0.8 (2010-03-06)	Software open source. È possibile utilizzare un software di presentazione di stimoli alternativo.
Amplificatore Netstation Electrical	Geodesic, Inc.	300	È possibile utilizzare un amplificatore alternativo.
EEG Net	Electrical Geodesic, Inc.	HCGSN130	È possibile utilizzare una cuffia EEG alternativa.
Elettrolita a base salina (cloruro di potassio)	Electrical Geodesic, Inc.	n/a	Elettrolita utilizzato nell'ammollo della rete per questo sistema EEG ad alta impedenza. È possibile utilizzare un mediato elettrolitico alternativo.