Attenzione visiva: indagine fMRI del controllo attentivo basato sugli oggetti
Fonte: Laboratori di Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel— University of Southern California
Il sistema visivo umano è incredibilmente sofisticato e in g…
1. Reclutamento dei partecipanti
- Recluta 20 partecipanti.
- I partecipanti dovrebbero essere destrimani e non avere una storia di disturbi neurologici o psicologici.
- I partecipanti dovrebbero avere una visione normale o corretta a normale per garantire che saranno in grado di vedere correttamente i segnali visivi.
- I partecipanti non dovrebbero avere metallo nel loro corpo. Questo è un importante requisito di sicurezza a causa dell'elevato campo magnetico coinvolto nella fMRI.
- I partecipanti non dovrebbero soffrire di claustrofobia, poiché la fMRI richiede di sdraiarsi nel piccolo spazio del foro dello scanner.
2. Procedure di pre-scansione
- Compila i documenti pre-scansione.
- Quando i partecipanti arrivano per la loro scansione fMRI, istruisci prima di compilare un modulo di schermo metallico per assicurarsi che non abbiano controindicazioni per la risonanza magnetica, un modulo di risultati incidentali che dà il consenso affinché la loro scansione sia esaminata da un radiologo e un modulo di consenso che dettaglia i rischi e i benefici dello studio.
- Prepara i partecipanti ad andare nello scanner rimuovendo tutto il metallo dal loro corpo, tra cui cinture, portafogli, telefoni, fermagli per capelli, monete e tutti i gioielli.
3. Fornire istruzioni per il partecipante.
- Dì al partecipante che nello scanner vedranno immagini di volti e case.
- Per le prime esecuzioni del localizzatore, istruisci i partecipanti che visualizzeranno passivamente volti e case.
- Spiega ai partecipanti che nelle esecuzioni del compito, vedranno un volto e una casa sovrapposti l'uno all'altro. Il loro compito sarà quello di prestare attenzione alla casa o al viso, come segue.
- Quando il compito inizia per la prima volta, verrà detto loro tramite istruzioni di testo se prestare attenzione alle case o ai volti.
- I partecipanti avranno quattro corse in cui vengono istruiti a prestare attenzione alle case e quattro corse in cui vengono istruiti a prestare attenzione ai volti.
- Il programma di face e house run sarà casuale per ogni soggetto.
- Sottolinea al partecipante l'importanza di mantenere la testa ferma per tutta la scansione.
4. Metti il partecipante nello scanner.
- Dare ai partecipanti tappi per le orecchie per proteggere le orecchie dal rumore dello scanner e dei telefoni auricolari da indossare in modo che possano sentire lo sperimentatore durante la scansione e farli sdraiare sul letto con la testa nella bobina.
- Dare al partecipante la palla di spremimento di emergenza e istruirlo a spremerlo in caso di emergenza durante la scansione.
- Utilizzare cuscinetti di schiuma per fissare la testa dei partecipanti nella bobina per evitare movimenti eccessivi durante la scansione e ricordare al partecipante che è molto importante rimanere il più fermo possibile durante la scansione, poiché anche i più piccoli movimenti offuscano le immagini.
5. Raccolta dei dati
- Raccogli una scansione anatomica ad alta risoluzione.
- Avviare la scansione funzionale.
- Sincronizzare l'inizio della presentazione dello stimolo con l'avvio dello scanner.
- Presenta le immagini tramite un laptop collegato a un proiettore. Il partecipante ha uno specchio sopra gli occhi, che riflette uno schermo sul retro del foro dello scanner.
- Presenta a ciascun partecipante due piste di localizzazione, in cui vedono passivamente blocchi di volti e case. Queste corse localizzatori vengono utilizzate per identificare l'FFA e il PPA in ogni singolo partecipante.
- Presenta ogni serie di volti e case in un blocco di 30 anni, con 20 s di fissazione tra i blocchi. Mostra ogni stimolo per 750 ms, seguito da un intervallo inter-stimolo di 250 ms, in cui sullo schermo è presente solo una croce di fissazione. Ripeti i blocchi in ordine alternato per ottenere cinque blocchi di volti e cinque blocchi di case.
- Presentare a ciascun partecipante otto esecuzioni funzionali del compito di attenzione.
- Inizia ogni corsa con un volto e una casa sovrapposti (Figura 1) al centro dello schermo e un'istruzione per iniziare occupando il viso o la casa. L'obiettivo di attenzione iniziale sarà casuale da una corsa all'altro.
- Ogni corsa conterrà 300 coppie di volti e case sovrapposti. Coppie di volti e case si ripetono tra una corsa e l'altro, ma non all'interno delle corse.
- Mostra ogni coppia di stimoli sovrapposta per un secondo. Ogni secondo, sostituisci la casa e il viso sovrapposti con una nuova casa e un nuovo volto sovrapposti.
Figura 1. Stimolo facciale e stimolo domestico sovrapposti insieme. Ogni stimolo presentato era un volto e una casa sovrapposti. Il partecipante è stato istruito a concentrarsi sul viso o sulla casa.
6. Procedure post-scansione
- Portare il partecipante fuori dallo scanner.
- Debriefing del partecipante.
7. Analisi dei dati
- Pre-elaborare i dati.
- Eseguite la correzione del movimento per ridurre gli artefatti di movimento.
- Eseguire il filtraggio temporale per rimuovere le derive del segnale.
- Fluidi i dati per aumentare il rapporto segnale-rumore.
- Modellare i dati per ogni partecipante.
- Creare un modello di quale dovrebbe essere la risposta emodinamica prevista per ogni condizione di attività (volti e case) nella scansione del localizzatore.
- Adatta i dati a questo modello, risultando in una mappa statistica, in cui il valore a ciascun voxel rappresenta la misura in cui quel voxel è stato coinvolto nella condizione di attività.
- Identificare i cluster per ciascun soggetto che corrispondono a FFA e PPA in base alle loro posizioni anatomiche. L'FFA includerà tutti i voxel contigui nel giro medio-fusiforme (che risponde significativamente più ai volti che alle case) e il PPA includeva tutti i voxel nel giro paraippocampale che rispondevano in modo più significativo alle case che ai volti. Per stabilire queste regioni di interesse, è stata utilizzata una soglia minima di significatività di p <10 -6 per ogni voxel.
- Usa le maschere FFA e PPA di ogni individuo come ROI per estrarre le attivazioni del segnale durante le quattro esecuzioni di messa a fuoco sui volti e le quattro corse di messa a fuoco sulle case.
- Quantificare il cambiamento percentuale del segnale per le condizioni di messa a fuoco del viso e di messa a fuoco della casa in FFA e PPA per ciascun soggetto.
- Creare un modello di quale dovrebbe essere la risposta emodinamica prevista per ogni condizione di attività (volti e case) nella scansione del localizzatore.
- Eseguire un'analisi bidirezionale della varianza (ANOVA) sui valori di variazione percentuale del segnale per verificare le differenze tra le condizioni. I fattori in questo test sono il ROI (PPA vs. FFA) e l'attenzione (volti vs case).
Il controllo visivo dell'attenzione si riferisce al nostro stato deliberato di scegliere a cosa prestare attenzione.
Se, per esempio, l'obiettivo di un osservatore è quello di individuare tutte le cipolle nella sua zuppa, allora potrebbe non notare la mosca che sta vorticando intorno.
Anche se entrambi erano spazialmente coincidenti, l'elemento di interesse – le cipolle – si distingueva per l'obiettivo dell'individuo. Questo è un esempio di controllo attenzionale basato su oggetti.
È interessante notare che il cervello – e la corteccia visiva, in particolare – possono elaborare gli oggetti separatamente. Ma è l'oggetto assistito che ottiene un'attivazione più forte nell'area di elaborazione specializzata associata.
Utilizzando la risonanza magnetica funzionale, la risonanza magnetica funzionale e i metodi originariamente sviluppati da Nancy Kanwisher e colleghi, questo video dimostra come localizzare le regioni cerebrali dedicate che elaborano particolari oggetti.
Studieremo anche come il controllo dell'attenzione modula l'attività neurale nelle stesse regioni utilizzando l'analisi basata sui voxel e discuteremo anche di come l'allenamento alla consapevolezza possa migliorare la capacità di controllare l'attenzione nel tempo.
In questo esperimento, i partecipanti giacciono in uno scanner fMRI e vengono mostrate immagini di volti e case in due diverse fasi: visione passiva e sovrapposta.
Durante la prima fase, viene chiesto loro di osservare semplicemente le immagini una alla volta in un disegno a blocchi, ovvero vengono presentati un numero di volti seguiti da una sequenza di case. Questo tipo di visualizzazione serve a localizzare l'attività all'interno di specifiche regioni di interesse.
Ad esempio, l'area fusiforme del viso, l'FFA, ha dimostrato di essere più attiva quando gli individui vedono i volti rispetto ad altri oggetti comuni, mentre l'area del luogo paraippocampale, PPA in breve, risponde più fortemente alle case e ai luoghi piuttosto che ai volti.
Dato che queste regioni rispondono a specifici tipi di stimoli, si prevede che i modelli di attività basati sui voxel, o le aree che rappresentano un certo livello di attivazione, cambieranno, a seconda delle immagini mostrate.
Tali aspettative avviano la seconda fase, in cui vengono mostrate immagini sovrapposte di un volto e di una casa. Nel corso di diverse prove, ai partecipanti viene chiesto di prestare attenzione a uno solo degli elementi alla volta e, pertanto, devono spostare la loro attenzione tra la casa e il viso.
In questo caso, la variabile dipendente è la quantità di attivazione registrata in tutte le condizioni dell'immagine, che può essere convertita nell'entità della variazione del segnale per osservare la variazione dell'attivazione dalla linea di base ai blocchi focalizzati sul volto e quelli centrati sulla casa.
Sebbene entrambe le immagini siano presentate in modo sovrapposto, si prevede che i modelli di attività nell'FFA e nel PPA del partecipante cambieranno, in base all'elemento specifico a cui si sono occupati. Tali risultati evidenzierebbero il controllo dell'attenzione basato sugli oggetti.
Dopo aver reclutato i partecipanti per questo studio, accoglierli in laboratorio e verificare che soddisfino i requisiti di sicurezza mentre compilano i moduli di consenso necessari. Si prega di fare riferimento a un altro progetto fMRI in questa raccolta per maggiori dettagli su come preparare le persone ad entrare nella sala di scansione e nel foro di imaging.
Con il partecipante ora nello scanner, spiega le istruzioni del compito: deve prima visualizzare passivamente un certo numero di immagini sullo schermo. Durante la seconda fase, le istruzioni testuali li inviteranno a prestare attenzione alla casa o al viso quando appaiono sovrapposti.
Seguendo queste indicazioni, inizia il protocollo di scansione raccogliendo prima una scansione anatomica ad alta risoluzione.
Quindi, avvia la parte funzionale con due esecuzioni del localizzatore, in cui i partecipanti visualizzano passivamente le immagini in blocchi di 30 secondi. Ad esempio, nel primo segmento, i volti del display, ciascuno per 750 ms, e una croce di fissazione in mezzo, durante un intervallo interstimolo, o ISI, di 250 ms.
Alla fine di ogni blocco, presentare la croce di fissazione per 20 s prima di alternare la serie di immagini, che ora dovrebbero essere case. Si noti che questa sequenza si ripete con immagini diverse cinque volte, per un totale di 10 blocchi in una sola corsa.
Successivamente, procedi con otto esecuzioni funzionali dell'attività di controllo attenzionale. Durante questa fase, istruisci i partecipanti a cui prestare attenzione tramite testo sullo schermo, quindi ripeti un volto e una casa sovrapposti ogni secondo, con ogni corsa contenente 300 immagini sovrapposte.
Per concludere lo studio, portare il partecipante fuori dallo scanner e interrogarlo.
Per pre-elaborare i dati, eseguire la correzione del movimento per ridurre gli artefatti di movimento, il filtro temporale per rimuovere le deviazioni del segnale e il livellamento spaziale per aumentare il rapporto segnale/rumore.
Successivamente, creare un modello lineare generale basato su quella che dovrebbe essere la risposta emodinamica attesa per ogni condizione di attività, sia facce che case, nella scansione del localizzatore.
Generare una mappa statistica adattando i dati a questo modello, in cui il valore in corrispondenza di ogni voxel rappresenta la misura in cui è stato coinvolto nella condizione dell'attività.
In base alle regioni di interesse, identificare cluster per ogni soggetto con una soglia statistica minima per ogni voxel che ha risposto ai volti o alle case.
In particolare, concentrati sull'FFA, nel giro medio-fusiforme, che risponde significativamente di più ai volti che alle case, così come il PPA, che include tutti i voxel nel giro paraippocampale che risponde in modo più significativo alle case che ai volti.
Quindi, quantifica e rappresenta graficamente la percentuale di variazione del segnale per le condizioni focalizzate sul viso e sulla casa nell'FFA e nella PPA per ciascun soggetto.
Durante la fase di localizzazione, si noti che l'FFA bilaterale era più attivo quando i soggetti visualizzavano i volti rispetto alle case. Al contrario, il PPA era più attivo quando i soggetti osservavano le case rispetto ai volti.
Ora, dalle esecuzioni funzionali, utilizzare la stessa misura "variazione percentuale del segnale" tracciata contro le regioni del cervello.
Quando il viso è stato curato, è stata riscontrata una maggiore attività nell'FFA, ma non nel PPA. Al contrario, quando ci si è concentrati sulla casa, si è verificato un aumento dell'attività nel PPA ma non nell'FFA. Questi risultati indicano che l'attività neurale è modulata, a seconda dell'elemento di cui ci si occupa.
Ora che hai familiarità con l'uso del neuroimaging funzionale per studiare il controllo dell'attenzione basato sugli oggetti, diamo un'occhiata a come i ricercatori studiano altri tipi di elaborazione dell'attenzione.
Oltre a concentrarsi sulle immagini visive statiche, i ricercatori sono anche interessati a come l'attività cerebrale viene modulata quando gli individui prestano attenzione a oggetti in movimento, particolarmente rilevanti per la guida di un veicolo a motore e per evitare incidenti.
Ad esempio, se al conducente viene detto di fare attenzione al movimento, come un cane che attraversa la strada, il movimento stesso catturerà la sua attenzione; tuttavia, potrebbe non ricordare altri dettagli identificativi sul cane. Dopotutto, è più importante evitare tragedie che ricordare il colore della pelliccia.
Un'altra pratica, la consapevolezza, incorpora elementi chiave del cambio attentivo, incoraggiando una concentrazione astuta lontano dai pensieri più stressanti. Durante la meditazione con istruttore, è stato dimostrato che gli individui migliorano la loro capacità di controllare l'attenzione, soprattutto lontano da punti di vista avversi.
Tuttavia, per gli individui con disturbi d'ansia, incluso lo stress post-traumatico, il controllo dell'attenzione è più difficile. Cioè, sono orientati verso stimoli emotivamente negativi, come eventi tragici nei notiziari, piuttosto che storie neutre.
Questo scarso controllo dell'attenzione li rende più vulnerabili agli effetti di immagini minacciose, perpetuando situazioni che non riescono a togliersi dalla mente.
Hai appena visto il video di JoVE su come l'attenzione modula l'attività neurale. Ora dovresti avere una buona comprensione di come progettare e condurre un esperimento di controllo dell'attenzione utilizzando il neuroimaging funzionale e, infine, come analizzare e interpretare specifici modelli di attività cerebrale legati all'attenzione basata sugli oggetti.
Grazie per l'attenzione!
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Q1: What is object-based attentional control and how does it work?
Object-based attentional control refers to deliberately choosing what to pay attention to based on your goals. For example, if you focus on picking onions from soup, you may not notice a fly nearby, even though both are in the same location. The brain processes objects separately, but the attended object gains stronger activation in its specialized processing area, allowing selective focus despite competing stimuli.
Q2: What are the fusiform face area and parahippocampal place area?
The fusiform face area (FFA) is a brain region in the mid-fusiform gyrus that responds significantly more to faces than other objects. The parahippocampal place area (PPA) is located in the parahippocampal gyrus and responds more strongly to houses and places than faces. These specialized regions demonstrate how visual cortex is organized to process specific types of stimuli.
Q3: How does fMRI help researchers study attentional control?
Functional magnetic resonance imaging (fMRI) allows researchers to measure neural activity patterns across brain regions during different tasks. By using voxel-based analysis to track signal changes, researchers can observe how brain activation varies when participants attend to different objects. This technique reveals how attentional control modulates neural activity in specialized processing areas like the FFA and PPA.
Q4: What happens in the brain when you attend to one object over another?
When you attend to a specific object, neural activity increases in the brain region specialized for processing that object type. In studies with superimposed faces and houses, attending to faces increased FFA activity but not PPA activity, while attending to houses increased PPA activity but not FFA activity. This demonstrates that attentional control selectively modulates neural responses based on what you choose to focus on.
Q5: How does mindfulness training affect attentional control?
Mindfulness training, which incorporates attentional switching through instructor-led meditation, enhances individuals' ability to control attention over time. This practice encourages focused awareness away from stressful thoughts. However, individuals with anxiety disorders or post-traumatic stress show biased attention toward emotionally negative stimuli, making attentional control more difficult and increasing vulnerability to threatening images.
Q6: What is the difference between passive viewing and attentional control phases in fMRI experiments?
During passive viewing, participants simply observe images in block design without directing attention, allowing researchers to localize which brain regions respond to specific stimuli like faces or houses. In the attentional control phase, superimposed images appear and participants must focus on one object at a time. This comparison reveals how top-down attention modulates activity in specialized brain regions beyond their baseline responses.
Q7: Why is attention important for visual perception?
The brain's capacity to process visual information is limited, making attention essential for selectively processing goal-relevant information while ignoring irrelevant details. Some attentional processes are automatic, while others involve voluntary, conscious control. This selective processing allows efficient navigation of complex visual environments, such as focusing on relevant hazards while driving rather than processing every visual detail.