Badanie obrazowania mózgu nad upośledzającym wpływem emocji na funkcje poznawcze

Podsumowanie

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.

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 eksperymentalny

1. Podstawowym zadaniem w ramach niniejszego protokołu jest zadanie pamięci operacyjnej (WM) z opóźnioną odpowiedzią, w którym w interwale opóźnienia między materiałami do zapamiętania (memoranda) a sondami prezentowane są nowe, nieistotne dla zadania dystraktory emocjonalne i neutralne (schemat ilustrujący oryginalne zadanie przedstawiono na rysunku 1). Dane fMRI powiązane z zdarzeniami są rejestrowane podczas wykonywania tego zadania przez uczestników. Jako kontrole percepcyjne można również wykorzystać przemieszane wersje rzeczywistych dystraktorów, które posiadają identyczne właściwości podstawowe (np. częstotliwość przestrzenną i luminancję).

Rycina 1. Ogólny schemat zadania pamięci roboczej z opóźnioną odpowiedzią i rozpraszaczami (z ⁶, za zgodą autorów). W materiałach do zapamiętania wykorzystano trzy twarze, aby silnie zaangażować grzbietowy system wykonawczy, oraz pary nowych rozpraszaczy, aby zwiększyć wpływ rozproszenia emocjonalnego na wydajność pamięci roboczej (WM) i aktywność mózgu. Wpływ rozpraszaczy emocjonalnych można dodatkowo zwiększyć poprzez prezentację kolorowych obrazów (nie pokazano) oraz parowanie rozpraszaczy 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 otrzymali instrukcję, aby utrzymać koncentrację na zadaniu WM, jednocześnie przetwarzając rozpraszacze, oraz aby udzielać szybkich i dokładnych odpowiedzi na sondy poprzez naciśnięcie przycisku odpowiedzi (1 = Stara, 2 = Nowa). Do prezentacji bodźców użyto programu CIGAL (http://www.nitrc.org/projects/cigal/). Materiały do zapamiętania oraz sondy mogą być prezentowane w kolorze lub w czerni i bieli.

2. Zaleca się, aby płeć twarzy w materiałach zapamiętywanych (memoranda) była reprezentowana w proporcjach zrównoważonych: mężczyzn (50%) i kobiet (50%). Podobne zrównoważenie proporcji zaleca się dla prób Starych (50%) i Nowych (50%). Trudność zadania WM można zmieniać poprzez modyfikację tych proporcji i/lub zmianę innych czynników – np. podobieństwa rysów twarzy między twarzami z tego samego zestawu zapamiętywanego a ich podobieństwa do prób, i/lub poprzez manipulowanie obecnością lub brakiem cech pozatwarzowych w materiałach zapamiętywanych (patrz również film). Oprócz twarzy jako materiały zapamiętywane i próby można wykorzystać inne bodźce ⁹.
3. W tym projekcie zaleca się zastosowanie 30-40 prób na warunek ^{6, 11}, choć ze względu na stabilność jako projektu o „wolnym tempie”, silny sygnał fMRI można uzyskać przy mniejszej liczbie prób (patrz Materiały Uzupełniające z ⁶). Pozwala to na gromadzenie danych fMRI w czasie ok. 1,5-2 h, co jest wykonalne zarówno u zdrowych, jak i klinicznych uczestników. Pomimo niewielkiej wady wynikającej z relatywnie mniejszej liczby prób w porównaniu do projektów o „szybkim tempie”, projekt ten daje zalety w postaci uzyskania bardziej stabilnego sygnału fMRI dla pojedynczej próby oraz lepszej separacji sygnału związanego z poszczególnymi próbami oraz bodźcami/fazami wewnątrz próby, co jest również korzystne dla analiz funkcjonalnej konektywności.
4. Zróżnicowanie rodzaju dystraktorów również przyczynia się do wszechstronności tego projektu, pozwalając na jego dostosowanie do celów badawczych i docelowych populacji. Dystraktory emocjonalne i neutralne w oryginalnym projekcie ⁶ wybrano z International Affective Picture System ¹⁶, lecz podobne efekty można uzyskać z innymi nowymi bodźcami, które są skutecznymi dystraktorami ¹², i/lub za pomocą manipulacji zwiększających czułość zadania WM w wykrywaniu różnic behawioralnych (np. poprzez dodatkową ocenę pewności uczestników co do ich odpowiedzi) ¹¹.
5. Na przykład w niedawnym badaniu przeprowadzonym u weteranów wojennych z zespołem stresu pourazowego (PTSD) lub bez niego 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. Co więcej, jako dystraktory można stosować bodźce wywołujące konkretne negatywne emocje (np. lęk) lub bodźce emocjonalnie pozytywne. Na przykład twarze z wyrazem strachu mogłyby wywołać lęk społeczny, a tym samym być skuteczne w badaniu wpływu przejściowego lęku na WM ¹¹. Podobne efekty można zaobserwować przy zastosowaniu pozytywnych dystraktorów ¹⁷.
6. 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 skanowania

1. W dniu skanowania ocenia się aktualny stan afektywny uczestnika, aby kontrolować wpływ nastroju na zadanie pamięci roboczej (WM) z dystrakcją. W połączeniu z ocenami po skanowaniu, wstępne ewaluacje te mogą być również wykorzystane do badania zmian nastroju będących wynikiem udziału w badaniu ¹¹.
2. 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 skanującego

3. Uczestnik kładzie się na plecach na stole do skanowania, z dodatkową poduszką pod głową, aby zapewnić komfort podczas badania i zminimalizować ruchy. W celu dalszego ograniczenia przemieszczania się głowy, wokół czoła badanego można lekko owinąć kawałek taśmy nieprzylegającą stroną. Badani otrzymują ochronniki słuchu oraz słuchawki izolacyjne do komunikacji z eksperymentatorem podczas skanowania MRI.
4. Prawa ręka badanego zostaje wygodnie ułożona na pulcie odpowiedzi. Przed rozpoczęciem gromadzenia danych kluczowe jest upewnienie się, że przyciski odpowiedzi działają prawidłowo oraz że badany wyraźnie widzi projekcję ekranu służącą do prezentacji bodźców. W pobliżu znajduje się również przycisk zatrzymania awaryjnego, aby badany mógł zasygnalizować pilną potrzebę zatrzymania skanera.

Po zakończeniu sesji skanowania

5. Do dalszych ocen behawioralnych można wykorzystać dodatkowe zadania – np. w celu określenia wrażliwości uczestników na dystraktory poprzez ocenę walencji/intensywności emocjonalnej dystraktorów i/lub subiektywnie postrzeganej rozpraszalności wywoływanej przez dystraktory. Oceny te mogą służyć do upewnienia się, że subiektywny odbiór bodźców emocjonalnych użytych podczas skanowania odzwierciedla efekty opisane w literaturze, a różnice indywidualne w ocenach mogą być wykorzystane do zbadania ich wpływu na mechanizmy neuronalne pośredniczące w niekorzystnym wpływie emocji na funkcje poznawcze ^{6, 8}.
6. Po skanowaniu MRI można również przeprowadzić oceny cech osobowości (np. lęku jako cechy, reaktywności emocjonalnej), jeśli nie zostały one wykonane przed skanowaniem ¹¹.

III. Rejestracja i analiza danych

Parametry skanowania

W oryginalnym badaniu ⁶ zebraliśmy dane MRI przy użyciu skanera General Electric o indukcji 4 Tesla do rejestracji obrazów MRI, jednak w przypadku nowszych wersji zadania z sukcesem zebraliśmy dane MRI również przy użyciu skanera 1,5 T ¹¹. W skanerze 4T seryjnie pozyskano 30 przekrojów funkcjonalnych (wielkość voxela = 4 x 4 x 4 mm) w płaszczyźnie osiowej, stosując sekwencję impulsów odwróconej spirali (TR = 2000 ms; TE = 31 ms; pole widzenia = 256 x 256 mm), co pozwoliło na pełne pokrycie mózgu. Podobnie, w skanerze 1,5 T seryjnie pozyskano 28 przekrojów funkcjonalnych (wielkość voxela = 4 x 4 x 4 mm) w płaszczyźnie osiowej, stosując sekwencję echoplanarną (TR = 2000 ms; TE = 40 ms; pole widzenia = 256 x 256 mm). Pozyskano również obrazy strukturalne o wysokiej rozdzielczości w orientacji osiowej (rozdzielczość w płaszczyźnie = 1 mm²; stosunek anatomiczno-funkcjonalny = 4:1).

Analiza danych

Używamy oprogramowania Statistical Parametric Mapping (SPM: http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/) w połączeniu z autorskimi narzędziami opartymi na środowisku Matlab. Przetwarzanie wstępne obejmuje typowe etapy: kontrolę jakości*, wyrównanie TR, korekcję ruchu, korejestrację, normalizację oraz wygładzanie (z użyciem jądra 8 x 8 x 8 mm); *podstawowa kontrola jakości polegała na wizualnej inspekcji danych w celu wykrycia gwałtownych ruchów uczestników i artefaktów związanych z ruchem, a także identyfikacji wolumenów z nietypowymi skokami sygnału MR. Analizy statystyczne na poziomie indywidualnym i grupowym obejmują porównania aktywności mózgu w zależności od typu dystraktora (rozproszenie emocjonalne vs neutralne). Ponadto, w celu zbadania, w jaki sposób aktywność mózgu współzmienia się z różnicami indywidualnymi w tych pomiarach, można przeprowadzić korelacje danych obrazowania mózgu z subiektywnymi lub obiektywnymi miarami rozpraszalności (np. oceny emocjonalności i rozpraszalności oraz wyniki pamięci roboczej)^6,8,11 i/lub wynikami indeksującymi cechy osobowości (np. lęk cechowy)¹¹. Analizy we wszystkich naszych badaniach z wykorzystaniem tego protokołu zazwyczaj koncentrowały się na aktywności obserwowanej podczas interwału opóźnienia, kiedy prezentowane są dystraktory, jednak można również badać aktywność zsynchronizowaną czasowo z innymi zdarzeniami (np. próbami).

IV. Reprezentatywne wyniki

Rycina 2. Przeciwstawny wzorzec aktywności w brzusznych i grzbietowych układach mózgu w obecności rozpraszacza emocjonalnego (z ⁶, za zgodą autorów). Rozpraszacze emocjonalne wywołały zwiększoną aktywność w brzusznych afektywnych obszarach mózgu (czerwone obszary), takich jak brzuszno-boczna kora przedczołowa (vlPFC) i ciało migdałowate (nie pokazano), wywołując jednocześnie zmniejszoną aktywność w grzbietowych egzekucyjnych obszarach mózgu (niebieskie obszary), takich jak grzbietowo-boczna kora przedczołowa (dlPFC) i boczna kora ciemieniowa (LPC). Środkowy obraz przedstawia mapy aktywacji bezpośredniego kontrastu między warunkami najbardziej a najmniej rozpraszającymi (tj. emocjonalnymi a zniekształconymi), nałożone na obraz mózgu o wysokiej rozdzielczości w widoku bocznym prawej półkuli. Kolorowe poziome paski na dole obrazu mózgu wskazują gradient wartości t na mapach 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 mnemotechnik, rozpraszaczy oraz prób. FFG = zakręt wrzecionowaty.

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...