Een methodiek om de neurale mechanismen die bewust en onbewust het geheugen te ondersteunen tijdens vreesconditionering onderzoeken wordt beschreven. Deze methode controleert het bloed zuurstof niveau afhankelijk (BOLD) functionele magnetische resonantie imaging, huidgeleiding respons en ongeconditioneerde stimulus verwachting tijdens de Pavlov vreesconditionering naar de neurale correlaten van verschillende geheugenprocessen te beoordelen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Onderzoek naar de neurale mechanismen van Aware en zich niet bewust Fear geheugen met fMRI
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Pavlov vreesconditionering wordt vaak gebruikt in combinatie met functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) bij de mens tot de neurale substraten van associatief leren 1-5 te onderzoeken. In deze studies, is het belangrijk om gedrag bewijs van conditionering aan dat verschillen in hersenactiviteit zijn leer-gerelateerd en gecorreleerd met menselijk gedrag te controleren.
Vreesconditionering studies vaak te controleren autonome reacties (bijvoorbeeld huidgeleiding reactie; SCR) als een index van leren en geheugen 6-8. Daarnaast kunnen andere gedrags-maatregelen leveren waardevolle informatie over het leerproces en / of andere cognitieve functies die conditionering beïnvloeden. Bijvoorbeeld de invloed ongeconditioneerde stimulus (UCS) verwachtingen hebben op de expressie van de geconditioneerde respons (CR) en ongeconditioneerde respons (UCR) heeft een onderwerp van belang is in diverse recente studies 9-14. SCR en UCS verwachting maatregelen zijn onlangs gebruikt in combinatie met fMRI om de neurale substraten van bewust en onbewust angst leer-en geheugenprocessen 15 te onderzoeken. Hoewel deze cognitieve processen kunnen worden geëvalueerd tot op zekere hoogte na de conditionering sessie kan posten-conditioning beoordelingen niet te meten verwachtingen van een trial-to-proef en zijn gevoelig voor interferentie en vergeten, maar ook andere factoren die kunnen verstoren resultaten 16,17 .
Monitoring autonome en gedragsmatige reacties gelijktijdig met fMRI biedt een mechanisme waarmee de neurale substraten die complexe relaties tussen cognitieve processen en gedragsmatige / autonome reacties bemiddelen kunnen worden beoordeeld. De controle autonome en gedragsmatige reacties in de MRI-omgeving brengt een aantal praktische problemen. In het bijzonder, 1) standaard gedrags-en fysiologische monitoring apparatuur is vervaardigd van ferro-materiaal dat niet veilig kan worden gebruikt in de buurt van de MRI-scanner, 2) wanneer deze apparatuur is geplaatst buiten de MRI-scan kamer, kan de kabels projecteren op het onderwerp dragen RF-ruis die produceert artefacten in de hersenen beelden, 3) artefacten kunnen worden geproduceerd binnen de huidgeleiding signaal door over te schakelen gradiënten tijdens het scannen, 4) het fMRI-signaal geproduceerd door de motor eisen van de gedragsreacties wellicht moeten worden onderscheiden van activiteit met betrekking tot de cognitieve processen van belang . Elk van deze problemen kunnen worden opgelost met modificaties aan de setup van fysiologische monitoring en extra data-analyse procedures. Hier presenteren we een methode om tegelijkertijd autonome en gedragsmatige reacties monitor tijdens fMRI, en demonstreren het gebruik van deze methoden om bewust en onbewust geheugen processen te onderzoeken tijdens angst conditionering.
Protocol
1. Psychofysiologie
De Biopac Systems, Inc fysiologische monitoring-systeem (zie tabel van specifieke apparatuur) is niet-standaard apparatuur in de meeste imaging faciliteiten. Schema 15-30 minuten voorafgaand aan de deelnemer bij aankomst op te zetten fysiologische monitoring en andere apparatuur beschreven in dit protocol (Figuur 1).
- Sluit een control room computer besturingssysteem AcqKnowledge (Biopac Systems, Inc) fysiologische monitoring software aan de Biopac MP150 (MP150WSW) met behulp van een standaard Ethernet-crossover-kabel (CBLETH2).
- Sluit de Biopac Isolated Digital Interface (STP100C) om een control room computer besturingssysteem Presentatie (Neurobehavioral Systems, Inc; Albany, CA) software met behulp van een DB25 M / V lint kabel.
- Sluit de Biopac GSR versterker (EDA-100C-MRI) om de RF-interferentie filter (MRIRFIF) in de controle kamer met behulp van een afgeschermde verlengkabel (MECMRI-3).
- Sluit de RF-interferentie filter (MRIRFIF) om een afgeschermde verlengkabel (MECMRI-1) in de MRI-scan kamer.
- Sluit de afgeschermde verlengkabel om carbon fiber draden (LEAD 108) die zich hechten aan radio doorzichtige elektroden (EL508). Let op: Het twisten van de leads in een strakke spiraal vermindert artefacten in de geleiding van de huid gegevens die kunnen worden gemaakt tijdens het scannen.
- Bevestig radio doorzichtige elektroden (EL508) om de distale falanx van de middel-en ringvinger van de linker van de deelnemer hand.
- Vanwege de aard van de scanapparatuur, zijn MRI-kamer kamer temperaturen vaak set onder de 21 ° C. Bedek de deelnemer met een deken bij de hand temperatuur te handhaven.
2. Gedragsreacties (Joystick)
- Sluit een control room computer besturingssysteem presentatie software (Neurobehavioral Systems, Inc, Albany, CA) om fORP de joystick van de Interface Unit (Actuele dessins, Inc, Philadelphia, PA) met behulp van een USB-mini-kabel.
- Sluit een glasvezelkabel aan de fORP Interface Unit binnen de meldkamer, dan gaan de kabel door een golfgeleider in de MRI-kamer.
- Sluit de glasvezel kabel aan op de MR-compatibele joystick.
- Directe deelnemers aan de joystick in een comfortabel en gemakkelijk te bereiken positie.
3. Stimulus Presentatie
- Sluit een control room computer besturingssysteem Presentatie software om de externe VGA-en audio-poorten van de IFIS-SA (Invivo Corp, Orlando, FL) control room console (Figuur 1).
- Controleer of de glasvezelkabel verbindingen tussen de IFIS-controle kamer console en de IFI's Peripheral Interface Unit binnen de MRI-kamer, evenals de verbindingen tussen de Peripheral Interface Unit en de Audio / Visual Display Unit.
- Plaats de Audio / Visual Display Unit achter de kop-coil zodanig dat de deelnemer kan de monitor te bekijken door middel van een spiegel aan de hoofd-spoel.
- Sluit de Audio / Visual Display Unit de akoestische interfacebox op de IFIS-systeem MR-compatibele stereo hoofdtelefoon met behulp van vinyl slang.
- Kalibreer het volume van de auditieve stimuli met behulp van een geluidsdruk meter.
4. Experimentele Procedure
- Informeer de deelnemers dat de twee tonen zal meerdere malen worden gepresenteerd tijdens het onderzoek, en dat het volume van de tonen wordt boven en onder variëren hun perceptuele drempel (figuur 2).
- Directe deelnemers aan een knop op de joystick doos onmiddellijk druk op bij het horen van beide toon, dan aan hun verwachting na ontvangst van de UCS door de joystick om de positie van een rating bar op een 0-100 schaal (figuur 3) controle te werken.
- Instrueer de deelnemers om hun UCS verwachting tarief op een continue schaal van 0 tot 100. Hen te informeren dat de ratings van 0 aangeven dat ze zeker weet dat het UCS zal niet worden gepresenteerd, ratings van 50 aangeven dat ze niet zeker weet of de UCS zal worden gepresenteerd, en de ratings van 100 aangeven dat ze zeker weet dat het UCS zal worden gepresenteerd. Directe deelnemers om andere waarden te gebruiken op de schaal tot intermediaire verwachtingen aan te geven. Vervolgens kunnen deelnemers oefenen met de joystick om ratings te maken.
- Expose deelnemers aan een differentieel vreesconditionering procedure met behulp van twee tonen (700 en 1300 Hz; 10s duur; jaren '20 ITI) als de geconditioneerde stimuli (CS) en een luide witte ruis (100dB, 500ms) als de UCS.
- Huidige 60 proeven van de CS + (coterminating met de UCS) en 60 proeven van de CS-(gepresenteerd zonder de UCS) in een pseudo-willekeurige volgorde zodanig dat niet meer dan twee proeven van hetzelfde CS na elkaar worden gepresenteerd.
- Opwegen tegen de tonen die dienen als de CS + en CS-across deelnemers.
- Moduleren het volume van de CS + en CS-onafhankelijk van elkaar. Pas CS volume op de volgende proef met dezelfde CS. Afname van CS volume 5dB als een druk op de knop is gemaakt (dat wil zeggen na een waargenomen trial). Verhoog het volume 5dB als een druk op de knop niet is gemaakt (dat wil zeggen na een ongemerkt trial).
- Verzamel standaard een hoge resolutie T1-gewogen structurele beelden (bijv. MPRAGE) om te dienen als een anatomische referentie voor functionele gegevens.
- Verzamel BOLD fMRI van de hele hersenen tijdens het conditioneren procedure. Zesendertig, moet 4mm dikke plakken voldoende zijn om de hersenen te dekken met een relatief standaard imaging parameters (bv. TR = 2000ms, TE = 30ms, FOV = 24cm, 64x64 matrix). Synchroniseer de fMRI overname met een stimulus presentatie met behulp van een fMRI activeren box.
6. SCR Data Acquisition & Analysis
- Voorbeeld huidgeleiding bij 2.000 Hz met behulp van AcqKnowledge software en de MR-compatibele Biopac fysiologische monitoring systeem beschreven in paragraaf 1.
- Breng een 1 Hz Infinite Impulse Response (IIR) low pass digitale filter om de geleiding van de huid gegevens naar artefacten die tijdens beeldvorming te verminderen (zie figuur 4).
- Resample de huidgeleiding gegevens bij 250 Hz.
- Bereken SCR als het verschil in huidgeleiding niveau uit het antwoord van het begin tot respons piek.
- SCR gegevens kunnen vierkantswortel getransformeerd naar de verdeling van de respons amplitudes normaliseren voorafgaand aan de statistische analyse.
7. UCS Expectancy Data Acquisition & Analysis
- Sample (40 Hz) en registreren UCS verwachting gegevens met behulp van presentatie-software.
- Bereken UCS levensverwachting als het gemiddelde (1s sample) respons tijdens de laatste seconden van CS presentatie.
8. Functionele MRI data-acquisitie en-analyse
- Compleet standaard preprocessing van de brain imaging data (bijv. slice timing correctie, beeldregistratie, ruimtelijke smoothing) met behulp van een functionele MRI-analyse software pakket (bijv. AFNI 18).
- Maak een standaard-overlast (bijv. beweging) en stimulus-gebaseerde regressoren voor ervaren en ongemerkt proeven van de CS + en CS-, evenals de UCS.
- Maak een motorische respons op basis van referentie-golfvorm om te dienen als een hinderlijk regressor om rekening te houden motorische activiteit die verband houden met druk op de knop reacties.
- Maak een stok functie die codes voor de timing van de druk op de knop reacties.
- Oprollen van de druk op de knop blijven de functie met de canonieke hemodynamische respons functie (HRF).
- Maak een motorische respons op basis van referentie-golfvorm om te dienen als een hinderlijk regressor om rekening te houden motorische activiteit in verband met joystick reacties.
- Maak een stok functie die codes voor de timing van de veranderingen in de helling (bijv. helling absolute waarde> 10) van UCS verwachting ratings.
- Oprollen van de joystick helling stok functie met de canonieke HRF.
- Voer de eerste niveau analyseert met behulp van alle stimulus-based en overlast regressoren.
- Voer een tweede niveau herhaalde metingen ANOVA over de gebieden die activatie toont een hoofdeffect van CS type, een van de belangrijkste effect van de waarneming, of een CS type X waarneming interactie te identificeren.
9. Representatieve resultaten:
De methodologie die hier normaal gesproken leidt tot relatief hoge UCS verwachting ratings tijdens waargenomen CS + proeven en lage ratings bij ervaren CS-trials (figuur 5) 10,15,19. Dergelijke resultaten geven de deelnemers zich bewust zijn van CS-UCS onvoorziene uitgaven. Op ongemerkt proeven, UCS verwachting ratings meestal blijven ongewijzigd ten opzichte van pre-CS ratings. UCS verwachtingen van deze onopgemerkte CS + en CS-trials vallen typisch in de buurt van 50 deelnemers aangeeft niet zeker weet of de UCS wordt gepresenteerd 10,15,19 (figuur 5). Dit onvermogen om verschil UCS verwachting ratings te maken om het ongemerkt CS + en CS-geeft aan dat de deelnemers niet in staat zijn om hun contingency bewustzijn geven over onopgemerkte conditioning trials (Figuur 6). In tegenstelling, zijn leer-gerelateerde veranderingen in SCR werd waargenomen tijdens zowel de ervaren en ongemerkt conditioning proeven 10,15,19. In het bijzonder, SCR werden groter om de waargenomen CS + dan aan de waargenomen CS-. Ook hebben grotere SCR aangetoond tijdens onopgemerkte CS + dan onopgemerkte CS-trials 10,15,19 (Figuur 6). Tezamen bieden deze gedrags-en autonome data tonen aan vreesconditionering met contingency bewustwording ten aanzien van vermeende studies en vreesconditionering zonder contingency bewustzijn op ongemerkt proeven. De functionele imaging onderzoek met behulp van deze methode heeft aangetoond dat het leren met betrekking tot de hippocampus activering op waargenomen, maar niet onopgemerkte conditioning trials 15 (figuur 7). Daarentegen was differentieel amygdala-activiteit waargenomen op zowel de ervaren en ongemerkt conditioning proeven 15. Deze bevindingen komen overeen met de opvatting dat de hippocampus processen die verband houden met onvoorziene bewustzijn ondersteunt, terwijl de amygdala ondersteunt CR expressie met en zonder bewustzijn.
/ 3083/3083fig1.jpg "alt =" Afbeelding 1 "/>
Figuur 1. Schema van basisuitrusting voor stimulus presentatie en gedrag / psychofysiologische respons monitoring. Presentatie software wordt gebruikt om audio-visuele stimuli en monitor UCS verwachting ratings gemaakt door het bewegen van een joystick met de rechterhand te presenteren. AcqKnowledge software en Biopac apparatuur worden gebruikt voor de geleiding van de huid monitor van de linkerhand. Solid (Biopac), enkele streepjes (IFIS Audio-Visueel), en dubbel gestreepte lijnen (glasvezel joystick) tot uitdrukking komen kabels voor verschillende stimulus presentatie en respons monitoring systemen. Zwarte pijlen geven de richting van de informatiestroom.
Figuur 2. Geconditioneerd stimuli. Presenteer de CS + en CS-in een pseudo-willekeurige volgorde zodanig dat niet meer dan twee proeven van hetzelfde CS na elkaar worden gepresenteerd. Varieer het volume van de CS + en CS-onafhankelijk van elkaar. Als een CS is waargenomen (aangegeven door een druk op de knop), afname CS volume 5dB op de latere proef van dezelfde CS. Als een CS is niet waargenomen (aangegeven door een niet op een knop drukken), raise CS volume 5dB op de volgende proef met dezelfde CS.
Figuur 3. UCS verwachting schaal. Instrueer deelnemers om hun verwachting van UCS presentatie tarief op een schaal van 0 tot 100. Ratings van 0 geeft zekerheid de UCS zal niet worden gepresenteerd, ratings van 100 geeft zekerheid de UCS zal worden gepresenteerd, en de ratings van 50 uiting is van onzekerheid over de vraag of de UCS zal worden gepresenteerd. Tussenliggende ratings moeten worden gebruikt om gradaties in UCS verwachting aan te geven.
Figuur 4. Vergelijking van de onbewerkte en gefilterd huidgeleiding gegevens. a) Ruwe huidgeleiding gegevens verzameld tijdens fMRI. b) de huidgeleiding gegevens na toepassing van een 1Hz IIR low pass filter.
Figuur 5. UCS verwachting ratings. -Deelnemers doorgaans rapport hoog UCS verwachtingen op de perceptie van CS + proeven en lage verwachtingen op de perceptie van CS-studies. UCS verwachtingen op onopgemerkte CS + en CS-onderzoeken niet van elkaar verschillen.
Figuur 6. UCS verwachting en SCR. Verschillen in UCS verwachting worden meestal waargenomen op gepercipieerde CS + en CS-proeven geven de deelnemers zich bewust zijn van de stimulus contingenties. Op ongemerkt proeven, UCS verwachting ratings meestal geen verschillen met vermelding van de deelnemers niet in staat zijn om hun contingentie bewustzijn uit te drukken. In tegenstelling, zijn verschillen in geconditioneerde SCR meestal waargenomen op zowel de ervaren en ongemerkt conditionering proeven. Dergelijke bevindingen reflecteren geleerd angst expressie (dwz op gepercipieerde studies) en zonder (dat wil zeggen op onopgemerkte proeven) contingency bewustzijn.
Figuur 7. Functionele MRI van de hippocampus en de amygdala. Hippocampus reacties zijn doorgaans groter op de CS + dan CS-on waargenomen, maar niet ongemerkt conditionering proeven. Differentiële amygdala antwoorden worden meestal waargenomen op zowel de ervaren en ongemerkt conditionering proeven. Deze bevindingen komen overeen met de opvatting dat de hippocampus processen die verband houden met onvoorziene bewustzijn ondersteunt, terwijl de amygdala ondersteunt angst voor expressie met en zonder bewustzijn.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De angst conditionering hier beschreven methodiek biedt een middel om de neurale mechanismen van bewust en onbewust angst geheugenprocessen te onderzoeken. Deze methode maakt gebruik van de gelijktijdige monitoring van gedrags-, autonome, en fMRI gegevens. Monitoring gedrag (dat wil zeggen UCS verwachting) en autonome reacties (dwz SCR) is een essentieel onderdeel van deze methode. UCS verwachting biedt een middel om onvoorziene bewustzijn te beoordelen, terwijl SCR biedt een index van de CR-expressie. Samen kunnen deze...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Geen belangenconflicten verklaard.
Dankbetuigingen
Steun van de Universiteit van Alabama in Birmingham Faculty Development Grant Program.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Uitrusting | Vennootschap | Itemnummer | |
| Geïntegreerde functionele Imaging System (IFIS-SA) | Invivo Corp, Orlando, FL | ||
| Master Control Unit (gelegen in de controle kamer) Peripheral Interface Unit (gelegen in de MRI-kamer) Audio / Visual Display Unit (in de MRI-kamer), bestaat uit:
| |||
| FYSIOLOGISCHE SYSTEEM VAN TOEZICHT | Biopac Systems, Inc, Goleta, CA | ||
| Data-acquisitie en-analyse-systeem voor Windows (MP150) Geïsoleerde Digital Interface (Digital Interface) Galvanic Skin Response (GSR) Versterker MRI Kabel / Filter Systeem om Transducer versterker set, bestaat uit:
DB25 M / V lintkabel Wegwerp röntgendoorlaatbare elektroden Carbon fiber leidt | MP150WSW STP100C EDA100C-MRI MECMRI-TRANS - MECMRI-1 - MRIRFIF - MECMRI-3 CBL110C EL508 LEAD108 | ||
| JOYSTICK | Current Designs, Inc, Philadelphia, PA | ||
| Legacy Joystick | HH-JOY-4 | ||
| Legacy fORP Interface | FIU-005 |
Referenties
- LaBar, K. S., Gatenby, J. C., Gore, J. C., LeDoux, J. E., Phelps, E. A. Human amygdala activation during conditioned fear acquisition and extinction: a mixed-trial fMRI study. Neuron. 20, 937-945 (1998).
- Buchel, C., Morris, J., Dolan, R. J., Friston, K. J. Brain systems mediating aversive conditioning: an event-related fMRI study. Neuron. 20, 947-957 (1998).
- Cheng, D. T., Knight, D. C., Smith, C. N., Stein, E. A., Helmstetter, F. J. Functional MRI of human amygdala activity during Pavlovian fear conditioning: stimulus processing versus response expression. Behav. Neurosci. 117, 3-10 (2003).
- Knight, D. C., Smith, C. N., Stein, E. A., Helmstetter, F. J. Functional MRI of human Pavlovian fear conditioning: patterns of activation as a function of learning. Neuroreport. 10, 3665-3670 (1999).
- Cheng, D. T., Knight, D. C., Smith, C. N., Helmstetter, F. J. Human amygdala activity during the expression of fear responses. Behav. Neurosci. 120, 1187-1195 (2006).
- Balderston, N. L., Helmstetter, F. J. Conditioning with masked stimuli affects the timecourse of skin conductance responses. Behav. Neurosci. 124, 478-489 (2010).
- Esteves, F., Parra, C., Dimberg, U., Ohman, A. Nonconscious associative learning: Pavlovian conditioning of skin conductance responses to masked fear-relevant facial stimuli. Psychophysiology. 31, 375-385 (1994).
- Cheng, D. T., Richards, J., Helmstetter, F. J. Activity in the human amygdala corresponds to early, rather than late period autonomic responses to a signal for shock. Learn. Mem. 14, 485-490 (2007).
- Knight, D. C., Nguyen, H. T., Bandettini, P. A. The role of the human amygdala in the production of conditioned fear responses. Neuroimage. 26, 1193-1200 (2005).
- Knight, D. C., Nguyen, H. T., Bandettini, P. A. The role of awareness in delay and trace fear conditioning in humans. Cogn. Affect. Behav. Neurosci. 6, 157-162 (2006).
- Schultz, D. H., Helmstetter, F. J. Classical conditioning of autonomic fear responses is independent of contingency awareness. J. Exp. Psychol. Anim. Behav. Process. 36, 495-500 (2010).
- Dunsmoor, J. E., Bandettini, P. A., Knight, D. C. Neural correlates of unconditioned response diminution during Pavlovian conditioning. Neuroimage. 40, 811-817 (2008).
- Katkin, E. S., Wiens, S., Ohman, A. Nonconscious fear conditioning, visceral perception, and the development of gut feelings. Psychol. Sci. 12, 366-370 (2001).
- Knight, D. C., Waters, N. S., King, M. K., Bandettini, P. A. Learning-related diminution of unconditioned SCR and fMRI signal responses. Neuroimage. 49, 843-848 (2010).
- Knight, D. C., Waters, N. S., Bandettini, P. A. Neural substrates of explicit and implicit fear memory. Neuroimage. 45, 208-214 (2009).
- Lovibond, P. F., Shanks, D. R. The role of awareness in Pavlovian conditioning: empirical evidence and theoretical implications. J. Exp. Psychol. Anim. Behav. Process. 28, 3-26 (2002).
- Hippocampus, 8, 620-626 (1998).
- Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Comput. Biomed. Res. 29, 162-173 (1996).
- Knight, D. C., Nguyen, H. T., Bandettini, P. A. Expression of conditional fear with and without awareness. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100, 15280-15283 (2003).
- Bunce, S. C., Bernat, E., Wong, P. S., Shevrin, H. Further evidence for unconscious learning: preliminary support for the conditioning of facial EMG to subliminal stimuli. J. Psychiatr. Res. 33, 341-347 (1999).
- Kotze, H. F., Moller, A. T. Effect of auditory subliminal stimulation on GSR. Psychol. Rep. 67, 931-934 (1990).
- Miller, J. Threshold variability in subliminal perception experiments: fixed threshold estimates reduce power to detect subliminal effects. J. Exp. Psychol. Hum. Percept. Perform. 17, 841-851 (1991).
- Tabbert, K., Stark, R., Kirsch, P., Vaitl, D. Dissociation of neural responses and skin conductance reactions during fear conditioning with and without awareness of stimulus contingencies. Neuroimage. 32, 761-770 (2006).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
