Brain Imaging Onderzoek van de aantasting effect van emotie op cognitie

Het algemene doel van dit experimentele protocol is om de neurale correlaten van de nadelige invloed van emotie op cognitie te onderzoeken, met een focus op werkgeheugenprocessen. Dit wordt bereikt door hersenactiviteit vast te leggen met behulp van fMRI, terwijl deelnemers een werkgeheugentaak uitvoeren met emotionele afleiding die wordt gepresenteerd tijdens het vertragingsinterval tussen de memoranda en de probes. Na het opstellen van de basiswerkgeheugentaak worden de distractoren geselecteerd op basis van de doelen van het onderzoek en de doelpopulaties. Indien er bijvoorbeeld geen specifieke emoties worden getarget, kunnen emotionele stimuli worden ingezet die algemene emotionele reacties, positief of negatief, opwekken.

Wanneer de effecten van specifieke emoties, zoals angst, worden onderzocht, kunnen angst-inducerende distractoren worden gebruikt bij zowel gezonde als klinische deelnemers. Vervolgens worden de gedragsgegevens en hersenbeeldvormingsgegevens, verzameld terwijl de deelnemers de werkgeheugentaak met distractie uitvoeren, geanalyseerd om differentiële effecten van emotionele distractie op de prestaties van het werkgeheugen en de bijbehorende neurale correlaten te identificeren. De resultaten tonen patronen van hersenactiviteit die gekoppeld zijn aan een nadelig effect van emotionele distractie op de prestaties van het werkgeheugen, evenals hersenactiviteit die geassocieerd is met het vermogen om met emotionele distractie om te gaan. Typische doelgebieden in de hersenen omvatten regio's die geassocieerd zijn met het vermogen om gefocust te blijven, welke deel uitmaken van een zogenaamd dorsaal executief neuraal systeem (hier in het blauw weergegeven), en regio's die betrokken zijn bij emotieverwerking, welke deel uitmaken van een ventraal affectief systeem (weergegeven in het rood).

De implicaties van deze techniek reiken tot het begrijpen en mogelijk diagnosticeren van angststoornissen, zoals posttraumatische stressstoornis, omdat het mogelijk maakt om veranderingen te identificeren die geassocieerd zijn met dysfunctionele reacties op emotionele afleiding. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals die waarbij doelgerelateerde informatie en taak-irrelevant emotionele afleiding gelijktijdig worden gepresenteerd, is dat het ons in staat stelt om de neurale correlaten in reactie op emotionele afleiding beter te scheiden van die welke geassocieerd zijn met lopende cognitieve processen. Bovendien stelt dit paradigma ons niet alleen in staat om de neuro-correlaten van cognitieve interferentie te onderzoeken, maar ook de neurale responsen bij het omgaan met emotionele afleiding.

De basistaak van dit protocol is een vertraagde responstaak voor het werkgeheugen, waarbij nieuwe emotionele en niet-emotionele stimuli worden gepresenteerd als taak-irrelevante distractoren tijdens het vertragingsinterval tussen de memoranda en de probes. Scrambled versies met identieke basiseigenschappen als die van de daadwerkelijke distractoren, zoals ruimtelijke frequentie en luminantie, kunnen als perceptuele controles worden gebruikt. Alternatief kunnen trials zonder distractie ook als basiscontroles worden gebruikt.

Er moet op worden gelet dat de emotionele en niet-emotionele distractoren in verschillende trials worden gebruikt. Daarnaast wordt aanbevolen om distractoren met vergelijkbare emotionele en semantische eigenschappen te koppelen om het effect te vergroten. Emotionele en neutrale distractoren in het zojuist getoonde oorspronkelijke ontwerp kunnen worden geselecteerd uit het International Affective Picture System, maar vergelijkbare effecten kunnen worden behaald met andere nieuwe stimuli die effectief zijn als distractoren.

Gezichten met boze uitdrukkingen zouden bijvoorbeeld specifieke emotionele reacties zoals sociale angst kunnen opwekken, en zouden daarom effectief kunnen zijn bij het onderzoeken van de impact van kortstondige, angst-opwekkende afleiding op het werkgeheugen. Evenzo zou bij klinische deelnemers, zoals patiënten met posttraumatische stressstoornis, de specificiteit van de afleiding kunnen worden verhoogd door trauma-gerelateerde stimuli te presenteren. Denk hierbij aan het gebruik van gevechtsgerelateerde beelden bij oorlogsveteranen met PTSS.

Als angst-opwekkende gezichtsstimuli worden gebruikt om de impact te vergroten, raden we aan deze te morphen zoals hier getoond, in plaats van de gezichten als statische beelden te presenteren. Richt deze taak met de door u gekozen stimulatie-presentatiesoftware in als een event-related design met drie gezichten in de werkgeheugentaak, gevolgd door nieuwe distractoren. De deelnemers moeten de instructie krijgen om hun focus op de meran te behouden terwijl ze de distractoren verwerken, en om snel en accuraat te reageren op de enkele gezichtsprobes door op een responsknop te drukken, waarbij één knop 'oud' of 'onthouden' aangeeft en twee knoppen 'nieuw' aangeven. Daarnaast kunnen manipulaties die de gevoeligheid van de werkgeheugentaak verhogen bij het detecteren van gedragsverschillen, zoals het beoordelen van het vertrouwen van de deelnemer in hun responsen, worden geïmplementeerd.

Let op dat dit voorbeeld ter illustratie dient en niet de werkelijke timing van de taak weergeeft. Ten slotte kan de moeilijkheidsgraad van de werkgeheugentaak worden gevarieerd door de aanwezigheid van kleur en/of extra gelaatskenmerken in de memoranda te manipuleren, evenals de gelijkenis van de gezichten op het moment dat de proefpersoon arriveert. Zorg ervoor dat er schriftelijke geïnformeerde toestemming is verkregen en voer een screening uit voor MRI-veiligheid.

Beoordeel daarnaast de huidige emotionele staat en persoonlijkheidskenmerken zoals angst en emotionele reactiviteit. Ik wil dat u een paar vragenlijsten invult om uw huidige emotionele staat te beoordelen. Oké, dat zou ongeveer 10 minuten in beslag nemen voorafgaand aan de scan.

Informeer de deelnemer gedetailleerd over de scanprocedures en geef specifieke instructies voor de gedragstaak om ongemak te voorkomen en de vertrouwdheid met de taak te vergroten. Laat de deelnemer daarnaast een verkorte oefenronde doen. Breng de proefpersoon vervolgens naar de scanruimte en instrueer hem of haar om in rugligging op de scantafel te gaan liggen.

Zorg voor gehoorbescherming en isolatiekoptelefoons voor communicatie tijdens de scan; breng extra kussentjes rond het hoofd aan om het comfort tijdens de scan te waarborgen en beweging te minimaliseren. Daarnaast kan de niet-klevende zijde van een stuk tape lichtjes om het voorhoofd van de deelnemer worden gewikkeld. Om hoofdbewegingen verder te minimaliseren, wordt de rechterhand van de proefpersoon comfortabel op de responskast geplaatst, waarna wordt gecontroleerd of de responsbuttons correct werken.

Plaats een noodstopknop in de buurt, zodat de proefpersoon elke dringende behoefte om de scanner te stoppen kan aangeven, en zorg tenslotte dat de proefpersoon de schermprojectie voor de stimuluspresentatie duidelijk kan zien voordat hij of zij de scanner in gaat. Verwerf nu een structurele T1-gewogen beeld op hoge resolutie, zoals een SPGR of MP rage. Stel vervolgens uw functionele runs zo in dat een volledige dekking van de hersenen mogelijk is.

In onze eerste studies met een vier Tesla-scanner hebben we axiale series van 30 functionele coupes verkregen met een voxelgrootte van 4 bij 4 bij 4 millimeter, gebruikmakend van een inverse spiraal-pulssequentie met de volgende parameters: een TR van 2000 milliseconden, een TE van 31 milliseconden en een beeldveld (field of view) van 256 bij 256 millimeter. Recentelijk hebben we het paradigma ook aangepast voor een 1,5 Tesla-scanner met de volgende parameters: 28 functionele coupes met een voxelgrootte van 4 bij 4 bij 4 millimeter, axiaal verkregen met een Echo Planar-sequentie en gebruikmakend van een TR van 2000 milliseconden, een TE van 40 milliseconden en een beeldveld van 256 bij 256 millimeter. Informeer de proefpersoon dat de functionele beeldvorming op het punt staat te beginnen en herinner hem of haar aan de taken. Start de scanner synchroon met het paradigma. Wanneer de scan is voltooid, help de proefpersoon uit de scanner en voer een gedragsevaluatie uit om de gevoeligheid van de deelnemer voor de distractors te bepalen door de emotionele intensiteit van de distractors en de subjectief waargenomen afleidbaarheid van de distractors te scoren. Individuele verschillen in deze scores kunnen worden gebruikt om hun invloed op de neurale mechanismen te onderzoeken die het nadelige effect van emotie op cognitie mediëren, of om hersengebieden te identificeren die betrokken zijn bij het omgaan met emotionele afleiding.

Bedank tot slot de proefpersoon voor de deelname aan het experiment. Eenmaal verzameld kunnen de gegevens worden geanalyseerd met behulp van elk FMRI-verwerkingssoftwarepakket, zoals statistical parametric mapping, algemeen bekend als SPM. Ons laboratorium gebruikt dit in combinatie met eigen MATLAB-gebaseerde tools.

De voorbewerking omvat typische stappen zoals kwaliteitscontrole, beelduitlijning, bewegingscorrectie, co-registratie, normalisatie en ruimtelijke afvlakking met een kernel van acht millimeter. Bij het gebruik van SPM wordt het algemene lineaire model toegepast om de fit van de geregistreerde gegevens van elke conditie van belang te beoordelen ten opzichte van een vooraf bepaalde hemodynamische responsfunctie. Alternatief kunnen de gegevens van elke conditie selectief worden gemiddeld om het ruwe fMRI-signaal geassocieerd met elke conditie te bekijken, zonder vooraf bepaalde aannames over de vorm van de hemodynamische responsfunctie.

Contrasten van interesse onthullen vervolgens veranderingen ten opzichte van de pre-stimulus, de baseline, en verschillen tussen de ene conditie vergeleken met een andere conditie. Bij dit experimentele protocol raden we het gebruik aan van analysetools die beoordelingen mogelijk maken van veranderingen in het fMRI-signaal per tijdspunt, op individueel niveau en op groepsniveau. Statistische analyses omvatten vergelijkingen van hersenactiviteit op basis van het type distractor. Bovendien worden correlaties van hersenbeeldvormingsgegevens met subjectieve of objectieve maten van afleidbaarheid en indexscores geanalyseerd.

Persoonlijkheidsmetingen kunnen ook worden uitgevoerd om te onderzoeken hoe hersenactiviteit samenhangt met individuele verschillen in die metingen. Hier illustreren we de basisprocedure voor het identificeren van relaties tussen hersenen en gedrag met behulp van correlaties tussen proefpersonen tussen hersenactiviteit en subjectieve beoordelingen van afleidbaarheid. Eerst worden de individuele scores voor afleidbaarheid voor elke proefpersoon berekend.

Ten tweede worden hun correlaties met veranderingen in de hersenactiviteit berekend, ofwel op voxel-per-voxel basis, of met fMRI-signalen die zijn geëxtraheerd uit specifieke regions of interest (ROI's). Ten derde worden vervolgens scatterplots van deze correlaties uitgezet. Analyses in al onze studies die gebruikmaken van dit protocol betroffen doorgaans beoordelingen van veranderingen in het fMRI-signaal waargenomen tijdens het vertragingsinterval waarin de distractoren worden gepresenteerd, maar activiteit die tijdgekoppeld is aan andere gebeurtenissen, zoals de probes, kan ook worden onderzocht. Hier illustreren we de belangrijkste bevindingen uit onze initiële studie met emotionele en neutrale distractoren, geselecteerd uit het International Affective Picture System.

Het centrale paneel toont activatiekaarten van het directe contrast tussen de meest versus de minst afleidende condities, geprojecteerd op een hersenafbeelding met hoge resolutie in een lateraal aanzicht van de rechterhemisfeer. De focus ligt op de activiteit die is vastgelegd tijdens het vertragingsinterval waarin de distractoren werden gepresenteerd. Activiteit in het dorsale executieve neurale systeem is in blauw weergegeven, en activiteit in het ventrale affectieve systeem is in rood weergegeven.

De gekleurde horizontale balken onder de afbeelding van de hersenen geven het verloop van de T-waarden van de activatiekaarten aan. De zijpanelen illustreren de tijdsverlopen van veranderingen in de hersenactiviteit tijdens de werkgeheugentaak met afleiding, waarbij de bovenste panelen activiteit tonen in dorsale executieve regio's zoals de dorsolaterale prefrontale cortex en de laterale pariëtale cortex, en de onderste panelen activiteit tonen in regio's van het ventrale affectieve systeem zoals de ventrolaterale prefrontale cortex of regio's die gevoelig zijn voor affectieve modulatie zoals de gyrus fusiformis. De tijdsverlopen in het blauw representeren de gescrambelde betekenisloze afleider, terwijl de tijdsverlopen in het rood de affectieve afleider aangeven en de tijdsverlopen in het geel de neutrale afleider representeren in de aanwezigheid van betekenisloze afleiding.

Er was sprake van aanhoudende activiteit in regio's van het dorsale executieve systeem. De aanwezigheid van emotionele afleiding verhoogde de activiteit in regio's van het ventrale affectieve systeem, terwijl de activiteit in het dorsale systeem afnam en de prestaties van het werkgeheugen verslechterden in overeenstemming met de gedragsmatige impact; de aanwezigheid van neutrale distractoren produceerde een gemiddeld activiteitsniveau in beide systemen. Deze dorso-ventrale dissociatie is systematisch gereproduceerd en bleek specifiek te zijn voor emotionele afleiding.

Dit experimentele paradigma maakt het ook mogelijk om hersengebieden te identificeren die betrokken zijn bij het omgaan met emotionele afleiding. Zo identificeerden correlatieanalyses tussen de activiteit in hersengebieden die gevoelig zijn voor de aanwezigheid van emotionele afleiding gebieden in de ventrolaterale prefrontale cortex waarvan de activiteit negatief correleerde met indices van emotionele afleidbaarheid voor de emotionele, maar niet voor de neutrale distractoren. Specifiek namen deelnemers die een grotere activiteit in dit gebied vertoonden, emotionele distractoren waar en beoordeelden deze als minder afleidend.

Deze bevindingen leveren bewijs voor een rol van deze regio bij het omgaan met afleidende emoties. Na de ontwikkeling van dit paradigma maakte het de weg vrij voor onderzoekers op het gebied van interacties tussen emotie en cognitie om de neurocorrelaten te bestuderen van zowel het reageren op als het omgaan met emotionele afleiding in zowel gezonde als klinische populaties. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u dit protocol kunt gebruiken om de neurocorrelaten van cognitieve interferentie door emotionele afleiding te onderzoeken en hoe u dit kunt aanpassen aan uw eigen experimentele behoeften.