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

本実験の全体的な目的は、視覚刺激に対する注意反応に関連するMRI信号を研究することです。これは、被験者が感情ストループ刺激に注意を向けている間にスキャンを行うことで達成されます。同時に、刺激に対するボタン押し反応を記録し、これを脳内信号と相関させる行動指標として用います。

さらに、注意の選択性を測定するため、スキャナー内でアイトラッカーを用いて被験者の眼球運動を記録します。刺激反応タスク中の行動とfMRI信号の相関分析に基づき、下前頭回の活性化を示す結果が得られます。陽電子放出断層撮影（PET）などの他の手法に対するこの手法の主な利点は、被験者を最大2時間までスキャンできることです。

このシステムは、前頭前皮質の抑制についてより深く理解するのに役立ちます。このシステムの機能不全は、ADHDやトゥレット症候群などのさまざまな神経病理に関与しています。本実験を開始する前に、参加希望者は研究同意書および標準的なMRIスクリーニング問診票への記入を完了させる必要があります。

MRIの禁忌事項がないことを確認してください。書類手続きが完了したら、被験者にantisタスクのトレーニングセッションを実施します。ここでは、緑色の注視点が表示されるとproセコンド試行であることを示します。

参加者に、画面の周辺部、視角8〜10度の位置に現れるターゲットを見るように指示します。赤い注視点が表示された場合はantis COD試行であり、参加者に、再び画面周辺部の視角8〜10度の位置に現れるターゲットとは反対側の鏡を見るように指示します。例えば、右側にターゲットが現れた場合、被験者は左側を見る必要があります。

次に、エモーショナル・ストループ課題のトレーニングを行います。これは擬似的なイベント関連パラダイムであり、表情を示す記述単語が個々の顔写真の上に重ねて表示されます。単語は、顔に描かれた感情と一致している（一致条件）、または一致していない（不一致条件）かのいずれかになります。

画像を用いて、幸福な表情または単語、中立的な表情または単語、あるいは悲しい表情または単語を報告する際にどのボタンを押す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ことを参加者に思い出させる1秒間の書き言葉による指示画面から開始します。続いて1秒間の注視点十字が表示され、次に250ミリ秒間顔刺激が提示され、その後2秒間反応画像が表示されます。

反応画像は、参加者が反応を報告するための時間を設けるために提示されます。反応画像の終了後に、次の注視点の視覚提示が始まります。異なる顔の単語表現の組み合わせを用いて、15回の練習試行を含めてください。

スキャンの準備を開始します。まず、デジタルプロジェクターの電源を入れ、コンピュータ刺激をMRIボア内のスクリーンに焦点の合った画像として投影します。次に、被験者をスキャナールームに案内し、聴覚保護のために耳栓とヘッドフォンを着用させます。

被験者を仰向けに寝かせ、頭部をヘッドコイルの中心に配置します。クレードルを用い、枕またはフォームインサートで被験者の身体と頭部の位置を固定し、快適さを確保しつつ頭部の動きを制限します。その後、ヘッドコイルを装着します。

次に、被験者に鏡を見て正面を向いた状態で、心地よい角度に頭を傾けてもらいます。投影された画像が反射して見える際、最大2時間に及ぶこともあるスキャニングセッション中の被験者の快適性を維持するため、眼球はできる限り一次視線位置にあるようにしてください。投影画像にピントが合っているか被験者に確認します。鮮明でない場合は、レンズを再調整して画像の明瞭度を向上させてください。

次に、赤外線カメラが正しい位置にあることを確認するために、アイトラッカーのキャリブレーションを行います。角膜上の反射が最適でない場合は、赤外線光源を調整するか、被験者の頭部位置付近にある赤外線光源を反射させるミラーを再調整してください。また、この姿勢を維持するために、フォームパッドや枕をさらに追加する必要があるか被験者に確認してください。

装置のセットアップが完了したら、被験者の右手に緊急連絡用のスクイーズボールを、左手にレスポンスボックスを持たせます。また、解剖学的スキャンで確認でき、画像の左右反転を防ぐための目印となるため、ヘッドフォンの右側にビタミンEカプセルを配置します。最後に、ベッドを上げて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、被験者がスキャンセッションを開始する準備ができているか、およびリラックスして快適な状態であるかを確認します。また、スキャナーから大きな騒音が発生することを被験者に伝えてください。まず、ローカライザースキャンを取得することから開始します。

次に、脳全体をカバーする一連の解剖学的スライスを指定します。通常は軸方向斜位（axial oblique）のスライスを使用してください。参加者に、解剖学的スキャンの所要時間について説明してください。

この工程には、規定のスライス数に応じて約6～10分かかります。あるいは、解剖学的スキャンを機能的スキャンの後に取得することも可能です。解剖学的スキャンが完了したら、機能的シーケンスを規定し、参加者にストループ課題の指示を改めて説明してください。

次に、スキャナーとパラダイムを同時に開始し、すべてのボタン押しを記録します。赤外線アイトラッカーを使用して参加者の水平および垂直方向の眼球位置を監視・記録し、これらのデータを行動パラダイムと相関させることができるようにしてください。続いて、被験者に対し、次のスキャン中にanti Schoパラダイムが実施されることを指示します。

次に、同期させたパラダイムを用いてスキャンを開始します。選択した撮像パラメータによって異なりますが、スキャン時間は約6分になります。被験者が眠ってしまう可能性があるため、それ以上の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にかかる時間は、セットアップや被験者ごとの調整に要する時間、および解析に必要な機能的スキャンの数によって、60分から120分程度となります。この実験で得られたデータは、brain voyageやqxなどの任意のfMRI解析パッケージを用いて解析することが可能です。こちらをご覧ください。

A acneやSPMは、他にも一般的に使用されるfMRI解析プログラムです。機能的データから得られた統計マップは、解剖学的脳画像に重ね合わせて表示する必要があります。そのためには、まず一般線形モデル（GLM）を用い、タスクの各条件に対する個別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種類のスキャンにおいて、一致および不一致の顔指示と単語指示、antis、secod、およびpros secodの予測因子を使用します。次に、GLMコントラストから活性化したすべての前頭領域における信号強度を調べます。その後、全参加者にわたる標準化BOLD信号を算出し、不一致な単語の顔表情と一致する単語の顔を比較します。

最終的に、両方の条件の表現を、使用された試行で収集された反応時間と相関させます。次に、各個人の脳活動を、特定の試行におけるその個人の反応時間と相関させます。ここに示されている画像は、不一致感情ストループ条件と一致条件のコントラストを用いて機能的に局在化した、左下前頭回（IFG）を示しています。

「単語に注目せよ」という教示セットの間における結果です。ここでは、顔の表情が重ね合わせられた感情単語と不一致であった場合、その不一致による記述単語の報告が、より高いBOLD信号強度をもたらしたことがわかります。左側のIFGでは、一致した表情と比較して、不一致な表情においてBOLD信号の変化が有意に大きくなりました。

「単語に注目せよ」という教示 during the attend to word instruction の間、不一致・一致のコントラストにおいて、反応時間とBOLD信号強度の間に正の相関が認められました。このグラフは、6つの条件それぞれの、被験者10名の反応時間とBOLD信号の平均値を示しています。ここで、上段は1つの試行ブロックにおける試行シーケンスの模式図です。

下部のセクションは、感情的な顔の表情に関与する脳領域を特定するために使用される2つのガンマ血流動態反応関数を示しています。この手順を行う際は、スキャン間に被験者の状態を確認し、モーションアーティファクトを低減させるためにできるだけ静止していただくよう促すことが重要です。この手順に続き、下前頭回におけるタイミングの影響を調べるために、磁気共鳴エンセファログラフィーなどの他の手法を用いることができます。