人間の前頭前野皮質からfMRI信号への行動応答の相関：タスク分析を用いた認知プロセスを調べる
June 20th, 2012
私たちの研究の目的は、脳の活動にビヘイビアを関連付けることです。正確な行動の対策やイメージング技術は、私たちは脳と行動の関係を解明することができます。
次の実験の全体的な目標は、視覚刺激に対する注意応答に関連するMRI信号を研究することです。これは、被験者が感情的なストループ刺激に注意を払っている間にスキャンすることによって達成されます。同時に、ボタンは、脳内の信号と相関する行動の尺度である刺激に対する押された反応が記録されます。
さらに、被験者の眼球運動は、注意選択の尺度を取得するために、スキャナー内のアイトラッカー内に記録されます。刺激応答課題中の行動とFMRI信号の相関の解析に基づく、前頭回活性化が劣っていることを示す結果が得られました。この手法が陽電子放出断層撮影などの他の手法よりも優れている点は、被写体を最大2時間スキャンできることです。
このシステムは、前頭皮質の抑制についてもう少し理解するのに役立ちます。このシステムの機能不全は、DHDやトゥレット症候群などのさまざまな神経病理学に関与しています。この実験を開始する前に、潜在的な参加者は、研究同意書と標準的な MRI スクリーニング アンケートの被験者に記入する必要があります。
MRIの禁忌がある場合は除外する必要があります。事務処理が完了したら、被験者にアンチタスクに関するトレーニングセッションを提供します。ここでは、緑色の固定具はプロセコッド試験を示しています。
参加者に、画面の周囲に現れるターゲットを8〜10度の視角で見るように指示します。赤い固定は、アンチ COD 試験が参加者に、画面の周辺に現れるターゲットの反対側の鏡を再び視覚的に 8 度から 10 度で見るように指示することを示します。たとえば、右のターゲットが表示された場合、被験者は左を向く必要があります。
次に、感情的なストループタスクのトレーニングを提供します。これは、個々の顔の写真に表情を示す説明的な言葉を重ね合わせる擬似イベント関連のパラダイムです。言葉は、顔が描く感情と一致しているか、一致していないかのどちらかです。
写真では、幸せな表情や言葉、中立的な表現や言葉、悲しい表情や言葉を報告するためにどのボタンが押されるかを参加者に指示します。タスクは、対応するボタンをできるだけ早く押して、顔の表情または書かれた単語を報告するように参加者に思い出させる1秒間の書面による指示画面から開始する必要があります。これに続いて、1秒間の固定十字架、次に250ミリ秒の顔刺激、そして2秒間の応答画像
が続きます。回答画像は、参加者が回答を報告する時間を与えるのに役立ちます。固視クロスの次の視覚的表現は、応答画像の終了後に開始されます。顔の単語の表現のさまざまな組み合わせによる15の模擬試験を含めます。
スキャンのセットアップを開始します。まず、デジタルプロジェクターの電源を入れて、コンピューターの刺激をMRIボアのスクリーンに焦点を合わせた画像として表示します。次に、参加者をスキャナールームに連れて行き、耳栓とヘッドフォンを用意して聴覚を保護します。
被験者を仰向けに寝かせ、頭を頭の中央に配置します。枕やフォームインサートで参加者の体と頭の位置を安定させ、頭の動きを制限しながら快適さを提供します。次に、ヘッドコイルを配置します。
次に、被写体に頭を快適に傾けながら、鏡をまっすぐ見ながら、投影された画像を反映して、最大2時間続くスキャンセッションで参加者の快適さを維持するために、目をできるだけ主要な位置に近づける必要があります。投影された画像にピントが合っているかどうかを参加者に尋ねます。シャープでない場合は、レンズを再調整して画像の鮮明さを向上させてください。
次に、アイトラッカーをキャリブレーションして、赤外線カメラが正しい位置にあることを確認します。角膜への反射が理想的でない場合は、赤外線源を調整するか、参加者の頭の位置の近くで赤外線源を反射するミラーを再調整する必要があります。また、この位置を維持するためにさらに発泡スチロールパッドや枕が必要かどうかを被験者に尋ねてください。
機器のセットアップが完了したら、参加者の右手に緊急連絡先のスクイーズボールを、左手にレスポンスボックスを置きます。また、ヘッドホンの右側にビタミンEカプセルを置くと、解剖学的スキャンで確認でき、画像が左から右に反転しないようにするのに役立ちます。最後に、ベッドを持ち上げてMRIの中央にスライドさせます。
コントロールルームに入ったら、インターホンを使用して、参加者がスキャンセッションを開始する準備ができており、快適であることを確認します。また、スキャナーのノイズが大きくなることを参加者に思い出させます。まず、ローカライザー スキャンを取得します。
次に、脳全体を覆う一連の解剖学的スライスを処方します。通常、軸方向の斜めスライスを使用する必要があります。解剖学的スキャンにかかる時間を参加者に知らせてください。
これは、規定のスライス数にもよりますが、約6〜10分かかる場合があります。あるいは、機能スキャンの後に解剖学的スキャンを取得することもできます。解剖学的スキャンが完了したら、機能的なシーケンスを処方し、ストループパラダイムのタスク指示を参加者に思い出させます。
次に、スキャナーとパラダイムを開始し、すべてのボタン押下を同期して記録します。赤外線アイトラッカーを使用して、参加者の水平方向と垂直方向の目の位置を監視および記録し、これらのデータを行動パラダイムと関連付けられるようにしてください。次に、次のスキャン中に反ショウパラダイムが実行されることを被験者に指示します。
次に、同期されたパラダイムでスキャンを開始します。選択したイメージングパラメータにもよりますが、スキャンは6分近くかかります。被験者が眠りに落ちる可能性があるため、長時間のスキャンは避けてください。
このイメージングセッション全体は、セットアップと被験者固有の調整に必要な時間、および分析に必要な機能スキャンの数に応じて、60分から120分かかる場合があります。この実験から得られたデータは、Brain Voyageやqxなどの任意のFMRI分析パッケージを使用して分析できます。ここで見られます。
にきびまたはSPMは、他の一般的に使用されるFMRI分析プログラムです。機能データから導き出された統計マップは、解剖学的脳画像に重ね合わせる必要があります。これを行うには、まず、一般線形モデルまたはGLMを使用して、タスク内の条件ごとに別々の予測変数を使用して、関心のある脳領域を機能的に定義します。
2 種類のスキャンでは、一致および不一致の顔指示と単語指示、アンチ、セコッド、およびプロ セコッドの予測子を使用します。次に、GLMコントラストからすべての活性化された前頭葉領域の信号強度を調べます。次に、すべての参加者で標準化された太字の信号を計算し、不一致の単語の顔の表現と一致する単語の顔と比較します。
両方の条件の式は、最終的に、使用された試行で収集された反応時間を相関させます。次に、GMは、各個人の脳活動を、特定の試行に対する独自の反応時間と関連付けます。ここで見られる画像は、不調和な感情的ストループと一致条件付けのコントラストを使用して機能的に局在化した左下前頭回またはIFGを示しています。
単語の指示セットに参加している間。ここでは、顔の表情が重なった感情的な単語と一致しない場合、書かれた単語を報告することから生じる不一致が、より高い太字の信号強度を生み出したことがわかります。左では、IFGの不整合な表現は、一致する表現と比較して有意に大きな太字の信号変化を示しました。
単語指導へのアテンド中、不一致の一致コントラストは、反応時間と大胆な信号強度との間に正の相関を示しました。このグラフは、10人の被験者の平均反応時間と、6つの条件のそれぞれにおける太字の信号です。ここで、一番上の行は、試行の 1 つのブロックからの試行シーケンスの概略図です。
下部は、感情的な顔の表情に関与する脳領域を発見するために使用される2つのガンマ血行動態応答機能の描写です。この手順を試行している間は、スキャンの合間に被写体を確認し、この手順に続いてモーションアーティファクトを減らすためにできるだけ静止するように注意させることを忘れないでください。マグネセンスバイオグラフィーなどの他の手法を使用して、下前頭回内のタイミング効果を調べることができます。
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概要
この研究は、MRIを使用して行動反応と脳活動の相関関係を調査します。感情的な刺激に対する注意反応を分析することで、脳と行動の関係を理解することを目指しています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 行動心理学
- イメージング技術
背景
- 行動と脳活動の関係を理解することが重要です。
- 感情的な刺激は注意反応に影響を与えることができます。
- 機能的MRI（fMRI）はタスク中の脳の活性化に関する洞察を提供します。
- ボタン押し反応は行動測定として機能します。
研究の目的
- 行動測定と脳イメージングデータを相関させる。
- 視覚的刺激に対する注意反応を分析する。
- 刺激反応タスク中の下前頭回の活性化を探索する。
使用された方法
- 被験者は感情的Stroop刺激に注意を向けながらfMRIでスキャンされました。
- 行動測定のためにボタン押し反応を記録しました。
- 注目の選択を評価するために眼球運動を追跡しました。
- 行動とfMRI信号の間の相関分析を行いました。
主な結果
- タスク中、下前頭回の活性化が観察されました。
- 行動反応はfMRI信号と相関していました。
- この技術はPETと比較して長いスキャン時間を可能にします。
- 結果は脳と行動の関係の理解に貢献しています。
結論
- fMRIは行動に関連する脳の活性化を研究するのに効果的です。
- 行動と脳信号を相関させることで、注意プロセスの理解が深まります。
- この研究は行動神経科学におけるイメージング技術の使用を支持しています。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This method enables biopharma R&D teams to correlate behavioral outputs with neural activity in prefrontal circuits, supporting target validation for cognitive and neuropsychiatric indications. By linking reaction times and error patterns to BOLD signals in the inferior frontal gyrus, it provides mechanistic de-risking for compounds modulating response inhibition and attentional control. The approach enhances predictive confidence in early discovery by identifying neural substrates of behavioral phenotypes relevant to ADHD, addiction, and compulsive disorders.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by correlating correct and error trial behaviors with fMRI signals to clarify prefrontal cortex engagement in response inhibition.
- Operational Value: Enables biological de-risking of targets through quantifiable links between behavioral performance and neural activation patterns.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by identifying compounds that normalize aberrant activation in cognitive control networks.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated behavioral-neural readouts for downstream compound screening in disease-relevant systems.
- Quantitative Outputs: Generates reaction time and accuracy metrics that can be correlated with neural activity for assay standardization.
- Screening Reproducibility: Supports platform reuse across cognitive tasks by establishing reliable correlations between eye movements, button presses, and BOLD responses.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Aligns human fMRI findings with preclinical models by identifying conserved neural circuits involved in attentional selection and response inhibition.
- Biomarker Alignment: Supports development of translational biomarkers by linking behavioral phenotypes to neural activation patterns in prefrontal cortex.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by demonstrating target engagement through correlated behavioral and neural changes.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing through lead identification to preclinical validation, enabling iterative refinement of compounds affecting cognitive control.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by correlating behavioral responses to emotional stroop and anti-saccade tasks with prefrontal cortex activation.
- Screening: Describes assay readiness through standardized behavioral measurements (button presses, eye tracking) that correlate with fMRI signals.
- Analytics: Highlights correlational analysis of reaction times and BOLD signal as a quantitative readout for comparing neural responses across conditions.
- Translational Research: Connects method to preclinical continuity by identifying neural networks involved in response inhibition that are conserved across species.
- Enterprise Reuse: Frames the technique as a reusable platform for evaluating compounds targeting attentional and inhibitory processes in neuropsychiatric indications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in cognitive process attribution.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through synchronized behavioral and neural data collection.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by demonstrating target modulation via correlated behavioral and neural outcomes.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on their effects on prefrontal cortex activation patterns.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cognitive neuroscience, fMRI acquisition, and behavioral task design.
- Needs MRI-compatible stimulus presentation systems, button response boxes, and eye-tracking hardware.
- Demands cross-team standardization between behavioral analysts and neuroimaging specialists.
- Involves adaptation considerations for applying the paradigm to different clinical populations or task variants.
- Includes practical limitations such as motion artifact sensitivity and the need for extensive subject training to ensure reliable behavioral performance.
