Przedstawiamy protokół umożliwiający badanie mechanizmów neuronalnych pośredniczących w niekorzystnym wpływie emocji na funkcje poznawcze z wykorzystaniem funkcjonalnego obrazowania rezonansem magnetycznym. Protokół ten może być stosowany zarówno u zdrowych uczestników, jak i u osób z grup klinicznych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Badanie obrazowania mózgu nad upośledzającym wpływem emocji na funkcje poznawcze
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Emocje mogą wpływać na poznanie, wywierając zarówno efekty wzmacniające (np. lepsza pamięć do zdarzeń emocjonalnych), jak i upośledzające (np. zwiększona rozpraszalność emocjonalna) (przegląd w 1). Uzupełniając nasz niedawny protokół 2 opisujący metodę umożliwiającą badanie neuronalnych korelatów wzmacniającego wpływu emocji na pamięć (patrz również 1, 3-5), prezentujemy tutaj protokół pozwalający na badanie neuronalnych korelatów szkodliwego wpływu emocji na poznanie. Główną cechą tej metody jest to, że pozwala ona na identyfikację wzajemnych modulacji między aktywnością w brzusznym systemie neuronalnym, zaangażowanym w przetwarzanie emocji „gorących” (system HotEmo), a systemem grzbietowym, zaangażowanym w poznawcze/wykonawcze przetwarzanie „zimne” wyższego poziomu (system ColdEx), które są powiązane z wydajnością poznawczą oraz indywidualnymi różnicami w zachowaniu (przegląd w 1). Od momentu jego pierwszego wprowadzenia 6, projekt ten okazał się szczególnie wszechstronny i wpływowy w wyjaśnianiu różnych aspektów dotyczących neuronalnych korelatów szkodliwego wpływu rozproszenia emocjonalnego na poznanie, ze szczególnym uwzględnieniem pamięci roboczej (WM), oraz radzenia sobie z takim rozproszeniem 7,11, zarówno u zdrowych uczestników 8-11, jak i w grupach klinicznych 12-14.
Protokół
I. Projekt zadania, bodźce i protokół doświadczalny
- Podstawowym zadaniem w tym protokole jest zadanie pamięci roboczej (WM) z opóźnioną odpowiedzią, w którym podczas przerwy między prezentacją materiałów do zapamiętania (memoranda) a próbami (probes) wyświetlane są nowe, niezwiązane z zadaniem dystraktory emocjonalne i neutralne (patrz Rysunek 1 w celu zapoznania się ze schematem oryginalnego zadania). Dane fMRI zależne od zdarzeń są rejestrowane podczas wykonywania tego zadania przez uczestników. W ramach kontroli percepcyjnej można również zastosować wersje zdezorganizowane (scrambled) rzeczywistych dystraktorów, które posiadają identyczne podstawowe właściwości (np. częstotliwość przestrzenną i luminancję).
Rysunek 1. Ogólny schemat zadania z pamięcią roboczą z opóźnioną odpowiedzią z elementem rozpraszającym (z 6, za zgodą). W elementach zapamiętywanych wykorzystano trzy twarze, aby silnie zaangażować grzbietowy system wykonawczy, natomiast pary nowych dystraktorów zastosowano w celu zwiększenia wpływu rozproszenia emocjonalnego na wydajność pamięci roboczej (WM) i aktywność mózgu. Wpływ dystraktorów emocjonalnych można również zwiększyć poprzez prezentowanie obrazów w kolorze (nie pokazano), a także poprzez parowanie dystraktorów o podobnej treści emocjonalnej i semantycznej. W tym kontekście należy zwrócić szczególną uwagę na to, aby obrazy emocjonalne i neutralne były dopasowane pod względem podstawowych właściwości, takich jak jasność i częstotliwość przestrzenna 15, aby uniknąć wprowadzenia możliwych zmiennych zakłócających. Uczestnicy otrzymują instrukcję, aby zachować koncentrację na zadaniu z pamięcią roboczą podczas przetwarzania dystraktorów oraz aby udzielać szybkich i dokładnych odpowiedzi na próby poprzez naciśnięcie przycisku odpowiedzi (1 = Stare, 2 = Nowe). Do prezentacji bodźców wykorzystano program CIGAL (http://www.nitrc.org/projects/cigal/). Elementy zapamiętywane i próby mogą być prezentowane w kolorze lub w czerni i bieli.
- Zaleca się, aby płeć twarzy w mnemoniach była reprezentowana w proporcjach zrównoważonych: mężczyzn (50%) i kobiet (50%). Podobnie zrównoważone proporcje zaleca się dla sond Old (50%) i New (50%). Trudność zadania WM można zmieniać poprzez modyfikację tych proporcji i/lub zmianę innych czynników – np. podobieństwa rysów twarzy wśród twarzy z tej samej mnemionii oraz ich podobieństwa do sond, a także poprzez manipulowanie obecnością lub brakiem cech pozatwarzowych w mnemoniach (patrz również film). Oprócz twarzy, jako mnemionie i sondy mogą służyć również inne bodźce 9.
- W tym schemacie zaleca się zastosowanie 30-40 prób na warunek 6, 11, choć ze względu na jego stabilność jako schematu „wolnego tempa” (slow-paced), silny sygnał fMRI można uzyskać również przy mniejszej liczbie prób (patrz Materiały Suplementarne z 6). Pozwala to na gromadzenie danych fMRI w czasie ok. 1,5-2 godz., co jest możliwe do zrealizowania zarówno u zdrowych uczestników, jak i u pacjentów klinicznych. Mimo niewielkiej wady wynikającej z relatywnie mniejszej liczby prób w porównaniu do schematów „szybkiego tempa” (fast-paced), projekt ten oferuje zalety w postaci bardziej stabilnego sygnału fMRI dla pojedynczych prób oraz lepszej separacji sygnału związanego z poszczególnymi próbami oraz bodźcami/fazami wewnątrz prób, co jest również korzystne dla analiz łączności funkcjonalnej.
- Zmienność rodzaju dystraktorów przyczynia się również do wszechstronności tego schematu, pozwalając na jego adaptację zgodnie z celami badań i docelową populacją. Dystraktory emocjonalne i neutralne w oryginalnym schemacie 6 zostały wybrane z International Affective Picture System 16, ale podobne efekty można uzyskać przy użyciu innych nowych bodźców, które są skuteczne jako dystraktory 12, i/lub poprzez manipulacje zwiększające czułość zadania WM w wykrywaniu różnic behawioralnych (np. poprzez ocenę pewności uczestników co do ich odpowiedzi) 11.
- Na przykład w niedawnym badaniu przeprowadzonym u weteranów wojennych z zespołem stresu pourazowego (PTSD) lub bez 12, emocjonalne obrazy IAPS wywołujące ogólne negatywne emocje zastąpiono obrazami związanymi z walką. Oczekiwano, że obrazy te wywołają emocje bardziej specyficznie powiązane z traumami bojowymi, a tym samym będą skuteczniejszymi dystraktorami w kohortach narażonych na walkę, szczególnie w grupie z PTSD. Ponadto jako dystraktory można wykorzystać bodźce wywołujące specyficzne negatywne emocje (np. lęk) lub bodźce pozytywne emocjonalnie. Na przykład twarze z wyrazem strachu mogłyby wywołać lęk społeczny i tym samym byłyby skuteczne w badaniu wpływu przejściowego rozproszenia wywołującego lęk na WM 11. Podobne efekty można zaobserwować przy zastosowaniu dystraktorów pozytywnych 17.
- Wreszcie, w połączeniu z innymi miarami (np. behawioralnymi i związanymi z osobowością), paradygmat ten może być również wykorzystany do badania zależności między aktywnością mózgu a różnicami indywidualnymi w różnych aspektach wpływających na wydajność poznawczą w tym zadaniu 8, 10, 11.
II. Przygotowanie obiektu do skanowania
Wszyscy uczestnicy powinni wyrazić pisemną świadomą zgodę przed rozpoczęciem protokołu eksperymentalnego, który musi zostać zatwierdzony przez komisję etyczną.
Przed wejściem do pomieszczenia skanującego
- W dniu skanowania oceniany jest aktualny stan afektywny uczestnika, aby kontrolować wpływ nastroju na zadanie pamięci roboczej (WM) z rozproszeniem. Wraz z ocenami przeprowadzonymi po skanowaniu, wstępne ewaluacje te mogą służyć również do badania zmian nastroju wynikających z udziału w badaniu 11.
- Przed skanowaniem uczestnik zostaje szczegółowo poinformowany o procedurach skanowania i otrzymuje konkretne instrukcje dotyczące zadania behawioralnego. Uczestnik przechodzi również krótką sesję treningową, aby zapoznać się z zadaniem.
Wejście do pomieszczenia skanowania
- Uczestnik kładzie się na plecach na stole do skanowania, z dodatkowym podparciem głowy, aby zapewnić komfort podczas badania i zminimalizować ruchy. W celu dalszego ograniczenia ruchów głowy, wokół czoła badanego można lekko owinąć kawałek taśmy stroną nieprzylepną do skóry. Badani otrzymują ochronniki słuchu oraz słuchawki izolacyjne do komunikacji z eksperymentatorem podczas skanowania MRI.
- Prawa dłoń badanego jest wygodnie ułożona na panelu odpowiedzi. Przed rozpoczęciem zbierania danych kluczowe jest upewnienie się, że przyciski odpowiedzi działają prawidłowo oraz że badany wyraźnie widzi projekcję ekranu z prezentowanymi bodźcami. W pobliżu umieszcza się również przycisk awaryjnego zatrzymania, aby badany mógł zasygnalizować pilną potrzebę przerwania pracy skanera.
Po zakończeniu sesji skanowania
- Do dalszych ocen behawioralnych można wykorzystać dodatkowe zadania – np. w celu określenia wrażliwości uczestników na dystraktory poprzez ocenę walencji emocjonalnej/intensywności dystraktorów i/lub subiektywnie postrzeganej rozpraszalności wywoływanej przez dystraktory. Oceny te mogą służyć do upewnienia się, że subiektywny odbiór bodźców emocjonalnych stosowanych podczas skanowania odzwierciedla efekty opisane w literaturze, a różnice indywidualne w ocenach mogą zostać wykorzystane do zbadania ich wpływu na mechanizmy neuronalne pośredniczące w szkodliwym działaniu emocji na funkcje poznawcze 6, 8.
- Po skanowaniu MRI można również przeprowadzić oceny cech osobowości (np. lęku jako cechy, reaktywności emocjonalnej), o ile nie zostały one wykonane przed skanowaniem 11.
III. Rejestracja i analiza danych
Parametry skanowania
W oryginalnym badaniu 6 dane MRI gromadziliśmy przy użyciu skanera General Electric 4 Tesla, jednak w nowszych wersjach zadania z powodzeniem zbieraliśmy dane MRI również za pomocą skanera 1.5 T 11. W skanerze 4T serie 30 przekrojów funkcjonalnych (rozmiar woksela = 4 x 4 x 4 mm) pozyskiwano osiowo, stosując sekwencję impulsów spiralnych odwrotnych (TR = 2000 ms; TE = 31 ms; pole widzenia = 256 x 256mm), co zapewniało pełny zasięg obrazowania mózgu. Podobnie w skanerze 1.5 T serie 28 przekrojów funkcjonalnych (rozmiar woksela = 4 x 4 x 4 mm) pozyskiwano osiowo, wykorzystując sekwencję echoplanarną (TR = 2000 ms; TE = 40 ms; pole widzenia = 256 x 256 mm). Pozyskiwano również strukturalne obrazy o wysokiej rozdzielczości w orientacji osiowej (rozdzielczość w płaszczyźnie = 1 mm2; stosunek obrazu anatomicznego do funkcjonalnego = 4:1).
Analiza danych
Stosujemy Statistical Parametric Mapping (SPM: http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/) w połączeniu z własnymi narzędziami opartymi na środowisku Matlab. Wstępne przetwarzanie obejmuje typowe etapy: zapewnienie jakości*, wyrównanie TR, korekcję ruchu, korejestrację, normalizację oraz wygładzanie (przy użyciu jądra 8 x 8 x 8 mm); *podstawowe zapewnienie jakości polegało na wizualnej inspekcji danych w celu wykrycia znacznych ruchów uczestników i artefaktów związanych z ruchem w danych, a także na identyfikacji wolumenów z nietypowymi skokami sygnału MR. Analizy statystyczne na poziomie indywidualnym i grupowym obejmują porównania aktywności mózgu w zależności od rodzaju dystraktora (rozproszenie emocjonalne vs neutralne). Ponadto, w celu zbadania, w jaki sposób aktywność mózgu współzmienia się z różnicami indywidualnymi w tych miarach, można przeprowadzić korelacje danych obrazowania mózgu z subiektywnymi lub obiektywnymi miernikami rozpraszalności (np. oceny emocjonalności i rozpraszalności oraz wyniki pamięci operacyjnej)6,8,11 i/lub wynikami indeksującymi miary osobowości (np. lęk cechowy)11. Analizy we wszystkich naszych badaniach z wykorzystaniem tego protokołu koncentrowały się zazwyczaj na aktywności obserwowanej podczas interwału opóźnienia, kiedy prezentowane są dystraktory, ale można również badać aktywność zsynchronizowaną czasowo z innymi zdarzeniami (np. sondami).
IV. Reprezentatywne wyniki
Rysunek 2. Przeciwstawny wzorzec aktywności w brzusznych i grzbietowych systemach mózgowych w obecności rozpraszaczy emocjonalnych (z 6, za zgodą autora). Rozpraszacze emocjonalne wywołały zwiększoną aktywność w brzusznych afektywnych obszarach mózgu (czerwone obszary), takich jak brzuszznoboczna kora przedczołowa (vlPFC) i ciało migdałowate (brak na rysunku), jednocześnie powodując zmniejszoną aktywność w grzbietowych obszarach wykonawczych mózgu (niebieskie obszary), takich jak grzbietoboczna kora przedczołowa (dlPFC) i boczna kora ciemieniowa (LPC). Centralny obraz przedstawia mapy aktywacji bezpośredniego kontrastu między warunkami najbardziej a najmniej rozpraszającymi (tj. emocjonalnymi a przemieszanymi), nałożone na obraz mózgu o wysokiej rozdzielczości przedstawiony w widoku bocznym prawej półkuli. Kolorowe poziome paski na dole obrazu mózgu wskazują gradient wartości t map aktywacji. Wykresy liniowe przedstawiają przebieg czasowy aktywności w reprezentatywnych grzbietowych i brzusznych obszarach mózgu (wskazanych kolorowymi strzałkami). Szare prostokąty nad osiami X wskazują odpowiednio moment rozpoczęcia i czas trwania elementów pamięciowych (memoranda), rozpraszaczy oraz prób (probes). FFG = zakręt wrzecionowaty.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Ten projekt eksperymentalny dostarczył wstępnych dowodów z obrazowania mózgu na to, że szkodliwy wpływ rozproszenia emocjonalnego na trwające procesy poznawcze wiąże się z wzajemnymi modulacjami między brzusznym systemem neuronalnym HotEmo a grzbietowym systemem ColdEx. Ta dysocjacja grzbietowo-brzuszna była powiązana z upośledzeniem funkcjonowania pamięci roboczej w obecności rozproszenia emocjonalnego 6 i została systematycznie zreplikowana w warunkach normalnych 8-11, klinicznyc...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.
Podziękowania
FD otrzymał wsparcie w ramach Young Investigator Award od US National Alliance for Research on Schizophrenia and Depression oraz grant CPRF od Canadian Psychiatric Research Foundation.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Bibliografia
- Dolcos, F., Iordan, A. D., Dolcos, S. Neural correlates of emotion-cognition interactions: A review of evidence from brain imaging investigations. J. Cogn. Psychol. 23, 669-694 (2011).
- Shafer, A., Iordan, A., Cabeza, R., Dolcos, F. Brain imaging investigation of the memory-enhancing effect of emotion. J. Vis. Exp. (51), (2011).
- Dolcos, F., LaBar, K. S., Cabeza, R. Memory and Emotion: Interdisciplinary Perspectives. Uttl, B., Ohta, N., Siegenthaler, A. L. , Blackwell Publishing. Malden, MA. 107-134 (2006).
- Dolcos, F., Denkova, E. Neural correlates of encoding emotional memories: A review of functional neuroimaging evidence. Cell. Sci. Reviews. 5, 78-122 (2008).
- Dolcos, F. The Impact of Emotion on Memory: Evidence from Brain Imaging Studies. , VDM Verlag. (2010).
- Dolcos, F., McCarthy, G. Brain systems mediating cognitive interference by emotional distraction. J. Neurosci. 26, 2072-2079 (2006).
- Dolcos, F., Kragel, P., Wang, L., McCarthy, G. Role of the inferior frontal cortex in coping with distracting emotions. Neuroreport. 17, 1591-1594 (2006).
- Dolcos, F., Diaz-Granados, P., Wang, L., McCarthy, G. Opposing influences of emotional and non-emotional distracters upon sustained prefrontal cortex activity during a delayed-response working memory task. Neuropsychologia. 46, 326-335 (2008).
- Anticevic, A., Repovs, G., Barch, D. M. Resisting emotional interference: brain regions facilitating working memory performance during negative distraction. Cogn. Affect. Behav. Neurosci. 10, 159-173 (2010).
- Chuah, L. Y., Dolcos, F. Sleep deprivation and interference by emotional distracters. Sleep. 33, 1305-1313 (2010).
- Denkova, E. The impact of anxiety-inducing distraction on cognitive performance: A combined brain imaging and personality investigation. PLoS One. 5, e14150-e14150 (2010).
- Morey, R. A., Dolcos, F. The role of trauma-related distractors on neural systems for working memory and emotion processing in posttraumatic stress disorder. J. Psychiatr. Res. 43, 809-817 (2009).
- Anticevic, A., Repovs, G., Corlett, P. R., Barch, D. M. Negative and nonemotional interference with visual working memory in schizophrenia. Biol. Psychiatry. 70, 1159-1168 (2011).
- Diaz, M. T. The influence of emotional distraction on verbal working memory: An fMRI investigation comparing individuals with schizophrenia and healthy adults. J. Psychiatr. Res. 45, 1184-1193 (2011).
- Delplanque, S., N'Diaye, K., Scherer, K., Grandjean, D. Spatial frequencies or emotional effects? A systematic measure of spatial frequencies for IAPS pictures by a discrete wavelet analysis. J. Neurosci. Methods. 165, 144-150 (2007).
- Lang, P. J., Bradley, M. M., Cuthberg, B. N. NIMH Center for the Study of Emotion and Attention. , Gainesville, FL. (1997).
- Iordan, A. D. Behavioral and brain imaging investigation of the impact of positive and negative distraction on cognitive performance. The Society for Neuroscience Annual Meeting, Washington DC, , (2011).
- Oei, N. Y. Stress shifts brain activation towards ventral 'affective' areas during emotional distraction. Soc. Cogn. Affect. Neurosci. [Epub ahead of. , (2011).
- Dolcos, F., Miller, B., Kragel, P., Jha, A., McCarthy, G. Regional brain differences in the effect of distraction during the delay interval of a working memory task. Brain Res. 1152, 171-181 (2007).
- Morey, R. A. Serotonin transporter gene polymorphisms and brain function during emotional distraction from cognitive processing in posttraumatic stress disorder. BMC Psychiatry. 11, (2011).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
