Correleren Behavioral Reacties op fMRI-signalen van de Mens prefrontale cortex: Het onderzoeken van cognitieve processen met behulp van Task Analyse

Het algemene doel van het volgende experiment is om de MRI-signalen te bestuderen die verband houden met de aandachtsreacties op visuele stimuli. Dit wordt bereikt door proefpersonen te scannen terwijl zij aandacht besteden aan emotionele stroop-stimuli. Tegelijkertijd worden de knopdrukreacties op de stimuli geregistreerd, welke de gedragsmaatstaf vormen die gecorreleerd zal worden aan de signalen in de hersenen.

Daarnaast worden de oogbewegingen van de proefpersoon geregistreerd met een eye-tracker in de scanner om een maat voor attentionele selectie te verkrijgen. De resultaten tonen, op basis van analyse van de correlaties tussen gedrag en het fMRI-signaal tijdens de stimulusresponstaak, activatie van de gyrus frontalis inferior aan. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van andere methoden, zoals positronemissietomografie, is dat proefpersonen tot twee uur lang gescand kunnen worden.

Dit systeem helpt ons om iets meer te begrijpen over de inhibitie van de frontale cortex. Disfunctie van dit systeem is betrokken bij diverse neuropathologieën, zoals ADHD en het syndroom van Tourette. Voordat dit experiment begint, dienen potentiële deelnemers een toestemmingsformulier voor het onderzoek en een standaard MRI-screeningvragenlijst voor proefpersonen in te vullen.

Eventuele contra-indicaties voor MRI moeten worden uitgesloten. Zodra de papierwinkel is afgerond, krijgt de proefpersoon een trainingssessie in de antis-taak. Hierbij geeft een groene fixatie een pro secod trial aan.

Instrueer de deelnemer om te kijken naar het doel dat verschijnt in de periferie van het scherm onder een visuele hoek van 8 tot 10 graden. Een rode fixatie geeft een antis COD-trial aan; instrueer de deelnemer dan om in de spiegel te kijken tegenover het doel dat opnieuw verschijnt in de periferie van het scherm onder een visuele hoek van 8 tot 10 graden. Als er bijvoorbeeld een doel aan de rechterkant verschijnt, moet de proefpersoon naar links kijken.

Bied vervolgens training aan voor de emotionele Stroop-taak. Dit is een pseudo-gebeurtenisgerelateerd paradigma waarbij beschrijvende woorden die de expressies aanduiden, over afbeeldingen van individuele gezichten worden geplaatst. De woorden zijn ofwel congruent of incongruent met de emotie die door het gezicht wordt weergegeven.

Instructeer de deelnemers in de afbeelding over welke knoppen ingedrukt moeten worden om een blije uitdrukking of een blij woord, een neutrale uitdrukking of een neutraal woord of een droevige uitdrukking of een droevig woord te rapporteren. De taak dient te beginnen met een schriftelijk instructiescherm van één seconde waarin de deelnemers eraan worden herinnerd om ofwel de gezichtsuitdrukking ofwel het geschreven woord te rapporteren door zo snel mogelijk de overeenkomstige knop in te drukken. Dit wordt gevolgd door één seconde van een fixatiekruis, vervolgens de gezichtsstimuli gedurende 250 milliseconden, en daarna een responsafbeelding gedurende twee seconden.

De responsafbeelding dient om de deelnemers tijd te geven hun reacties te rapporteren. De volgende visuele presentatie van het fixatiekruis begint na het einde van de responsafbeelding. Voeg 15 oefenpogingen toe met verschillende combinaties van gezichtsuitdrukkingen en woorden.

Begin met de voorbereidingen voor de scan. Zet eerst een digitale projector aan om de computerstimulus als een gefocuste afbeelding op een scherm in de MRI-bore weer te geven. Breng vervolgens de proefpersoon naar de scanruimte en geef oordoppen en een koptelefoon ter gehoorbescherming.

Laat de proefpersoon in rugligging gaan en positioneer het hoofd in het midden van de hoofdspoel. Stabiliseer de positie van het lichaam en het hoofd van de deelnemer met kussens of schuuminlegstukken om comfort te bieden en tegelijkertijd beweging van het hoofd te beperken. Plaats nu de hoofdspoel.

Laat de proefpersoon vervolgens het hoofd comfortabel kantelen terwijl hij of zij recht vooruit kijkt naar de spiegel die het geprojecteerde beeld reflecteert; de ogen moeten zich zo dicht mogelijk bij de primaire positie bevinden om het comfort van de deelnemer te waarborgen tijdens de scansessie, die tot twee uur kan duren. Vraag de deelnemer of het geprojecteerde beeld scherp is. Als het beeld niet scherp is, stel de lens dan opnieuw in om de beeldhelderheid te verbeteren.

Kalibreer vervolgens de eye-tracker om er zeker van te zijn dat de infraroodcamera op de juiste positie staat. Als de reflectie op het hoornvlies niet optimaal is, moet de infraroodbron worden aangepast of de spiegel die de infraroodbron nabij de hoofdpositie van de deelnemer reflecteert, opnieuw worden uitgelijnd. Vraag de proefpersoon daarnaast of er meer schuimrubberen kussens of gewone kussens nodig zijn om deze positie te behouden.

Zodra de installatie van de apparatuur is voltooid, plaatst u een knijpbal voor noodcontact in de rechterhand van de deelnemer en het responsblokje in de linkerhand. Plaats daarnaast een vitamine E-capsule aan de rechterkant van de hoofdtelefoon, aangezien deze zichtbaar zal zijn op de anatomische scans en kan helpen bevestigen dat de beelden niet van links naar rechts zijn gespiegeld. Schuif tot slot het bed omhoog en in het midden van de MRI.

Zodra u zich in de controlekamer bevindt, gebruikt u de intercom om te bevestigen dat de deelnemer klaar is om met de scanningsessie te beginnen en zich comfortabel voelt. Herinner de deelnemer er ook aan dat de geluiden van de scanner luid zullen zijn. Begin met het uitvoeren van een localizer-scan.

Stel vervolgens een reeks anatomische coupes in die de gehele hersenen bestrijken. Meestal moeten axiale schuine coupes worden gebruikt. Informeer de deelnemer over de geschatte duur van de anatomische scan.

Dit kan ongeveer zes tot 10 minuten duren, afhankelijk van het voorgeschreven aantal coupes. Alternatief kan de anatomische scan worden uitgevoerd na de functionele scans. Zodra de anatomische scans zijn voltooid, stelt u een functionele sequentie in en herinnert u de deelnemer aan de instructies voor de taak van het stroop-paradigma.

Start vervolgens de scanner en het paradigma synchroon, waarbij alle knopdrukken worden geregistreerd. Zorg ervoor dat de horizontale en verticale oogposities van de deelnemer worden gemonitord en geregistreerd met de infrarood eyetracker, zodat deze gegevens kunnen worden gecorreleerd met het gedragsparadigma. Instrueer de proefpersoon vervolgens dat het anti Scho-paradigma tijdens de volgende scan zal worden uitgevoerd.

Start vervolgens de scan met het gesynchroniseerde paradigma. Afhankelijk van de gekozen beeldvormingsparameters zal de scan ongeveer zes minuten duren. Vermijd langere scans, omdat proefpersonen in slaap kunnen vallen.

Deze volledige beeldsessie kan 60 tot 120 minuten duren, afhankelijk van de tijd die nodig is voor de opstelling en subjectspecifieke aanpassingen en het aantal functionele scans dat vereist is voor de analyse. De gegevens die uit dit experiment zijn verkregen, kunnen worden geanalyseerd met elk fMRI-analysepakket, zoals BrainVoyage of qx. Hier te zien.

AFNI of SPM zijn andere veelgebruikte fMRI-analyseprogramma's. Statistische kaarten die zijn afgeleid van de functionele gegevens moeten worden geprojecteerd op anatomische hersenbeelden. Gebruik hiervoor eerst het algemeen lineair model of GLM om de functionele hersengebieden van belang te definiëren met afzonderlijke predictoren voor elk van de condities in de taak.

Gebruik tijdens de twee soorten scans de volgende predictoren: congruente en incongruente gezichtinstructies en woordinstructies, antis, secod en pros secod. Onderzoek vervolgens de signaalintensiteit in alle geactiveerde frontale regio's uit de GLM-contrasten. Bereken daarna het gestandaardiseerde BOLD-signaal over alle deelnemers en vergelijk de incongruente woord-gezichtsuitdrukkingen met de congruente woord-gezichten.

De expressies voor beide condities correleren uiteindelijk de reactietijden die zijn verzameld tijdens de gebruikte trials. De GM's correleren vervolgens de hersenactiviteit per individu met hun eigen reactietijden voor de specifieke trials. De hier getoonde afbeelding laat de linker gyrus frontalis inferior of IFG zien, die functioneel is gelokaliseerd met behulp van het contrast tussen de incongruente emotionele Stroop-taak en de congruente conditionering.

Tijdens de instructieset voor het letten op het woord. Hier zien we dat wanneer de gezichtsuitdrukking incongruent was met het eroverheen geplaatste emotionele woord, de incongruentie voortvloeiend uit het rapporteren van het geschreven woord een hogere BOLD-signaalintensiteit veroorzaakte. In de linker IFG vertoonden incongruente uitdrukkingen een significant grotere BOLD-signaalverandering in vergelijking met congruente uitdrukkingen.

Tijdens de instructie om op het woord te letten, vertoonde het contrast tussen incongruente en congruente stimuli een positieve correlatie tussen de reactietijden en de BOLD-signaalintensiteit. Deze grafiek is een gemiddelde van de reactietijden en het BOLD-signaal van 10 proefpersonen tijdens elk van de zes condities. De bovenste rij is hier een schematische weergave van een reeks trials uit één block van trials.

Het onderste gedeelte is een weergave van de twee gamma hemodynamische responsfuncties die worden gebruikt om hersengebieden te identificeren die betrokken zijn bij emotionele gezichtsuitdrukkingen. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om tussen de scans door de proefpersoon te controleren en hen eraan te herinneren zo stil mogelijk te blijven om bewegingsartefacten na deze procedure te verminderen. Andere technieken, zoals magneto-encefalografie, kunnen worden gebruikt om de timing-effecten binnen de gyrus frontalis inferior te onderzoeken.