Korelacja reakcji behawioralnych z sygnałami fMRI z ludzkiej kory przedczołowej: badanie procesów poznawczych z wykorzystaniem analizy zadań

Podsumowanie

Celem naszych badań jest powiązanie zachowania z aktywnością mózgu. Dokładne pomiary behawioralne i techniki obrazowania pozwalają nam wyjaśnić zależności między mózgiem a zachowaniem.

Streszczenie

Celem niniejszej publikacji metodologicznej jest opis sposobu wdrożenia techniki neuroobrazowania w celu zbadania komplementarnych procesów mózgowych angażowanych podczas dwóch podobnych zadań. Zachowanie uczestników podczas wykonywania zadania w skanerze fMRI może być następnie skorelowane z aktywnością mózgu przy użyciu sygnału zależnego od poziomu utlenowania krwi (BOLD). Pomiar zachowania umożliwia wyselekcjonowanie prób poprawnych, w których badany prawidłowo wykonał zadanie, co pozwala na analizę sygnałów mózgowych związanych z poprawnym wykonaniem. Ilekroć badani nie wykonują zadania prawidłowo, a próby te zostaną włączone do tej samej analizy co próby poprawne, wprowadzone zostaną dane nie odnoszące się wyłącznie do poprawnego wykonania. W wielu przypadkach same te błędy mogą być następnie wykorzystane do korelacji z aktywnością mózgu. Opisujemy dwa komplementarne zadania stosowane w naszym laboratorium do badania mózgu podczas hamowania automatycznych reakcji: zadanie Stroopa¹ oraz zadanie anty-sakkadyczne. Paradygmat emocjonalnego Stroopa polega na tym, że uczestnicy mają za zadanie zgłosić albo nałożone na afektywne twarze emocjonalne „słowo”, albo „wyrazy twarzy” bodźców twarzowych^1,2. Gdy słowo i wyraz twarzy odnoszą się do różnych emocji, dochodzi do konfliktu między tym, co należy wypowiedzieć, a tym, co jest odczytywane automatycznie. Uczestnik musi rozstrzygnąć konflikt między dwoma jednocześnie konkurującymi procesami: czytaniem słowa i rozpoznawaniem wyrazu twarzy. Impuls do odczytania słowa prowadzi do silnych powiązań typu „bodziec-reakcja (SR)”; dlatego hamowanie tych silnych SR jest trudne, a uczestnicy są podatni na popełnianie błędów. Przezwyciężenie tego konfliktu i przekierowanie uwagi z twarzy lub słowa wymaga od badanego zahamowania procesów oddolnych (bottom-up), które zazwyczaj kierują uwagę na bodziec bardziej wyrazisty. Podobnie w zadaniu anty-sakkadycznym^3,4,5,6, gdzie sygnał instruktażowy służy do skierowania uwagi wyłącznie na peryferyjną lokalizację bodźca, lecz następnie ruch oka jest wykonywany w stronę lustrzanego odbicia tej pozycji. Ponownie mierzymy zachowanie poprzez rejestrację ruchów gałek ocznych uczestników, co pozwala na podział reakcji behawioralnych na próby poprawne i błędne⁷, które następnie mogą być skorelowane z aktywnością mózgu. Neuroobrazowanie umożliwia obecnie badaczom pomiar różnych zachowań w próbach poprawnych i błędnych, które wskazują na odmienne procesy poznawcze, oraz precyzyjne określenie zaangażowanych w nie sieci neuronalnych.

Protokół

1. Przed wejściem do pomieszczenia z rezonansem magnetycznym (MRI)

1. Uczestnicy wypełniają formularz zgody, w którym wyjaśnione są wszystkie ryzyka eksperymentalne (np. rozrusznik serca, klaustrofobia, implanty metalowe, możliwość ciąży itp.) oraz korzyści płynące z ich udziału.
2. Wszyscy uczestnicy są zobowiązani do wypełnienia kwestionariusza bezpieczeństwa i przesiewowego badania pod kątem MRI (krótka historia medyczna, poprzednie zabiegi chirurgiczne itp.). Osoby z przeciwwskazaniami muszą zostać wykluczone.

2. Przegląd zadań i szkolenie

1. Przeprowadź szkolenie z wykonania zadania anty-sakkadycznego.
   1. Zielony punkt fiksacyjny oznacza próbę pro-sakkadyczną. Poinstruuj uczestników, aby patrzyli na cel pojawiający się na obrzeżach ekranu, pod kątem wizualnym 8-10°.
   2. Czerwony punkt fiksacyjny oznacza próbę anty-sakkadyczną. Poinstruuj uczestnika, aby patrzył w stronę przeciwną do celu pojawiającego się na obrzeżach ekranu, pod kątem wizualnym 8-10° (np. dla celu po prawej stronie należy spojrzeć w lewo).
2. Przeprowadź szkolenie z wykonania zadania emocjonalnego Stroopa poza skanerem.
   1. Wykonaj 15 prób treningowych z różnymi kombinacjami ekspresji twarzy i słów na komputerze poza skanerem. Celem treningu jest zapoznanie uczestników z zadaniem oraz z tym, czego oczekuje się od nich w zakresie naciskania odpowiedniego przycisku w skanerze MRI. Poinstruuj uczestników, które przyciski należy nacisnąć, aby zgłosić ekspresję/słowo radosne, neutralne i smutne. Dodatkowo, po wejściu do skanera, przypomnij uczestnikom, jaką emocję reprezentuje każdy przycisk.
   2. Słowa opisowe wskazujące ekspresje (Radosna, Neutralna, Smutna) są nałożone na zdjęcia poszczególnych twarzy. Słowa te są albo kongruentne, albo inkongruentne z emocją przedstawioną przez twarz na zdjęciu (Rysunek 1). Każde skanowanie rozpocznij od pisemnej instrukcji na ekranie, przypominającej uczestnikom, aby zgłosili albo „EKSPRESJĘ TWARZY (radosna, neutralna, smutna)”, albo „SŁOWO PISANE (radosna, neutralna, smutna)”, naciskając odpowiedni przycisk tak szybko, jak to możliwe.
   3. Instrukcja jest wyświetlana przez 1 sekundę, po czym następuje krzyżyk fiksacyjny, na którym uczestnicy skupiają wzrok przez kolejną 1 sek. Po krzyżyku fiksacyjnym prezentowane są bodźce w postaci twarzy przez 250 milisekund, a następnie obraz odpowiedzi przez 2 sekundy. Obraz odpowiedzi służy temu, aby dać uczestnikom czas na zgłoszenie odpowiedzi poprzez naciśnięcie odpowiedniego przycisku. Kolejna wizualna prezentacja krzyżyka fiksacyjnego rozpoczyna się po zakończeniu obrazu odpowiedzi. Każdy uczestnik powtarza skanowanie eksperymentalne w jednej z dwóch grup instrukcji (tj. ekspresja twarzy LUB słowo pisane). Wszystkie bodźce zostały stworzone i zaprezentowane przy użyciu programu Presentation 12.1 (www.neurobs.com).

3. Konfiguracja skanera i systemu eyetrackingu

1. Aby rozpocząć przygotowanie eksperymentu, należy najpierw wyświetlić stymulację komputerową jako ostry obraz na ekranie w MRI za pomocą projektora cyfrowego.
2. Uczestników prosi się o wstanie z krzesła w pomieszczeniu kontrolnym i przejście do pomieszczenia ze skanerem. Dostarcza się im zatyczki do uszu i/lub słuchawki, które badani umieszczają w kanałach słuchowych.
   1. Badany kładzie się na plecach, pozycjonując głowę w centrum cewki głowowej. Stabilizujemy pozycję ciała i głowy uczestnika za pomocą poduszek lub wkładkek piankowych, aby zapewnić mu jak największy komfort, ale także aby pomóc w ograniczeniu ruchów głowy, ponieważ ruchy głowy podczas skanowania powodują utratę danych. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji, gdy ruch głowy przekracza 1 mm w dowolnym kierunku.
   2. Wsunąć/umieścić cewkę głowową na głowie uczestnika i poprosić go o pochylenie głowy w możliwie najwygodniejszy sposób, patrząc przed siebie w stronę lustra, które odbija ekran projektora. Oczy muszą znajdować się jak najbliżej pozycji pierwotnej⁸, aby zapewnić komfort uczestnikowi podczas sesji skanowania, która może trwać do dwóch godzin.
3. Zapytać uczestnika o ostrość wyświetlanego obrazu po umieszczeniu go w skanerze. Jeśli obraz nie jest ostry, należy ponownie wyregulować soczewkę, aby poprawić obraz na ekranie.
4. Eye-tracker jest teraz testowany poprzez kalibrację w celu upewnienia się, że kamera IRED znajduje się w odpowiednim miejscu. Jeśli odbicie na rogówce nie jest idealne lub nie działa prawidłowo, należy wyregulować źródło IRED lub ponownie ustawić/skorygować lustro odbijające źródło IRED znajdujące się w pobliżu głowy uczestnika. Jeśli pozycja głowy uczestnika została skorygowana, należy zapytać badanego, czy potrzebne są dodatkowe wypełnienia/pianki lub poduszki, aby utrzymać tę pozycję głowy i ciała. Podczas skanowania należy monitorować i rejestrować poziome i pionowe pozycje oczu uczestników za pomocą podczerwienianego eye-trackera (np. Sensomotoric Instruments, Needham/Boston, MA) i korelować je z paradygmatem behawioralnym podczas analizy aktywności mózgu.^5,7

4. Procedury skanowania

1. Umieść gumową piłkę do kontaktu alarmowego na brzuchu uczestnika w jego lewej ręce, a joystick/panel przycisków w prawej ręce. Umieść kapsułkę witaminy E po prawej stronie w pobliżu głowy. Będzie ona widoczna na skanach anatomicznych, co pozwoli upewnić się, że błąd nie spowoduje odwrócenia obrazów z lewej na prawą stronę. Podnieś i wsuń łóżko do centrum MRI.
2. Upewnij się, że wszyscy eksperymentatorzy opuścili pomieszczenie MRI i zamknij drzwi do MRI.
3. Skontaktuj się z uczestnikiem poprzez interkom w pokoju sterowniczym i potwierdź, że jest on przygotowany do rozpoczęcia skanowania i czuje się tak wygodnie, jak to możliwe. Jeśli nie, dokonaj niezbędnych korekt.
4. Przypomnij uczestnikowi, że hałasy w skanerze będą głośne i jest to normalne.
   1. Pierwszy skan gromadzi kilka obrazów mózgu wzdłuż obszaru strzałkowego, aby umożliwić lokalizację/wyznaczenie dokładnej orientacji warstw dla pełnych danych anatomicznych i funkcjonalnych. Uczestnicy są informowani, że ten skan potrwa kilka minut.
   2. Po przeanalizowaniu przez eksperymentatorów wyników skanu lokalizacyjnego, wyznaczamy serię warstw anatomicznych obejmujących cały mózg. W naszych przypadkach zazwyczaj skanujemy warstwy osiowe skośne obejmujące cały mózg (od 170 do 256 warstw). Poinformuj uczestnika, że skan ten potrwa około 6 do 10 minut w zależności od wyznaczonej liczby warstw. W niektórych przypadkach skan anatomiczny może zostać wykonany po skanach funkcjonalnych. Podejście to ma pewne zalety; zazwyczaj podczas długich eksperymentów badani odczuwają zmęczenie. W związku z tym skan anatomiczny nie wymaga uwagi od badanych, więc mogą oni zamknąć oczy. Może być przydatne wykonanie tych skanów na koniec sesji obrazowania.
   3. Po zakończeniu skanów anatomicznych uczestnik zostaje przypomniany o szczegółowych instrukcjach dotyczących nadchodzącego skanu poprzez komunikację za pomocą systemu mikrofon/głośnik.
5. W tym przykładzie zastosowano pseudo-projekt zdarzeniowy² w celu zidentyfikowania obszarów mózgu aktywowanych przez test Stroopa dla emocji, jednak w razie potrzeby można zastosować dowolny bodziec sensoryczny, percepcji wewnętrznej⁹ lub motoryczny¹⁰. Po ich zeskanowaniu poinstruujemy badanego, że w następnej kolejności wykonany zostanie skan paradygmatu anty-sakadycznego. W zależności od wybranych parametrów obrazowania skan potrwa blisko 6 minut. Zauważyliśmy, że skany trwające dłużej skłaniają badanych do zasypiania.
6. Cała sesja obrazowania trwa około 60 do 120 minut, w zależności od całkowitej liczby skanów potrzebnych do analizy.

5. Analiza fMRI

1. Przeanalizować dane przy użyciu oprogramowania BrainVoyager QX (lub dowolnego pakietu analitycznego, takiego jak AFNI lub SPM).
2. Rozpocząć od nałożenia statystycznych map danych funkcjonalnych na anatomiczne obrazy mózgu. Zdefiniować funkcjonalnie obszary zainteresowania (ROI) w mózgu, wykorzystując ogólny model liniowy (GLM), z osobnymi predyktorami (tj. zgodne i niezgodne, instrukcja twarzy i instrukcja słowa, antysakkada, prosakkada) dla każdego z warunków zadania podczas dwóch typów skanowania².
3. Zbadać intensywność sygnału we wszystkich aktywowanych obszarach czołowych z kontrastów GLM (tj. wszystkie niezgodne względem wszystkich zgodnych w celu wygenerowania mapy obszarów), obliczyć ustandaryzowany sygnał BOLD dla wszystkich uczestników i porównać niezgodne wyrazy/ekspresje twarzy z zgodnymi wyrazami/ekspresjami twarzy dla obu warunków².
4. Obliczyć korelację czasów reakcji zebranych w próbach wykorzystanych do modeli GLM, a następnie skorelować aktywność mózgu każdego uczestnika z jego własnymi czasami reakcji dla konkretnych prób², jak przedstawiono na Rysunku 4.

6. Reprezentatywne wyniki

Po przeprowadzeniu analizy przedstawiamy regiony mózgu korelujące z zadaniami emocjonalnego efektu Stroopa oraz anty-sakkad, zarejestrowane podczas skanowania. Wyniki paradygmatu emocjonalnego efektu Stroopa wykazały efekt interakcji pomiędzy wszystkimi trzema czynnikami: ekspresją, instrukcją i regionem mózgu, jednak nie stwierdzono głównego efektu ekspresji ani głównego efektu instrukcji². Ustalono, że gdy ekspresja twarzy była niezgodna z nałożonym emocjonalnym słowem, ta niezgodność wynikająca z raportowania słowa pisanego wywołała wyższą intensywność sygnału BOLD w lewym IFG² (Rysunek 2). Większa intensywność sygnału dla ekspresji niezgodnych w porównaniu do ekspresji zgodnych była statystycznie istotna, przy czym największą różnicę zaobserwowano dla zgodnych ekspresji radosnych².

Co najważniejsze, czasy reakcji (RT) dla trzech badanych warunków niekongruentnych (smutnego, radosnego i neutralnego) przewidywały zwiększony sygnał BOLD w obrębie lewego zakrętu czołowego dolnego (IFG) w porównaniu do wszystkich warunków kongruentnych (Rysunek 3). W tej analizie przebadaliśmy konkretnie czasy reakcji i przeprowadziliśmy analizę regresji, aby sprawdzić, czy RT dla warunków niekongruentnych i kongruentnych były predyktorami aktywności sygnału BOLD w tym obszarze mózgu (Rysunek 3). Stwierdzono, że RT odpowiada za 81% wariancji aktywności lewego IFG podczas raportowania ekspresji słownych radosnych, neutralnych i smutnych w warunkach niekongruentnych i kongruentnych². Wyższy RT jest predyktorem silniejszej aktywacji lewego IFG, przy czym niekongruentny warunek smutku wykazał najwyższy stosunek RT do intensywności sygnału w porównaniu do wszystkich pozostałych warunków ekspresji. Paradygmaty antysakadyczne analizowaliśmy metodami podobnymi do powyższych, aby móc porównać dwie sieci aktywności. W tym przykładzie stwierdzono, że w lewym IFG nie wystąpił zwiększony sygnał dla antysakady w porównaniu z zadaniem prosakadycznym. Po więcej szczegółów odsyłamy czytelników do pracy Ford et al. (2007).

Rycina 1. Przykład próby niespójnej (twarz z radosnym wyrazem, na którą nałożono słowo SMUTNY). Eksperyment rozpoczyna się od punktu fiksacyjnego (1 sekunda), po którym następuje bodziec w postaci twarzy (250 ms) oraz obraz maskujący (2 sekundy), wymagający od uczestnika reakcji za pomocą przycisku.

Rysunek 2. Wszystkie objętości fiksacji zostały przyjęte jako poziom bazowy. Słupki błędów oznaczają standardowy błąd średniej (SEM). Niezgodne wyrażenia (Radosne, Neutralne, Smutne) wykazały istotnie większą zmianę sygnału BOLD w porównaniu z wyrażeniami zgodnymi². Wstawka przedstawia lewy zakręt czołowy dolny (IFG), który został zlokalizowany funkcjonalnie przy użyciu kontrastu opisanego w sekcji 5.2 dla warunku niezgodnego efektu stroopa emocjonalnego w stosunku do warunku zgodnego podczas zestawu instrukcji dotyczących skupienia uwagi na słowie.

Rysunek 3. Podczas instrukcji „Attend to Word” kontrast niespójny-spójny wykazał dodatnią korelację między RT a intensywnością sygnału BOLD. Wykres ten przedstawia średnie RT i sygnał BOLD dla wszystkich 10 badanych w każdym z sześciu warunków. Słupki błędów oznaczają standardowy błąd średniej (SEM)².

Rycina 4. Badanym wyświetlono po dwie powtórzenia każdego wyrazu twarzy. Górny rząd przedstawia schematyczną ilustrację sekwencji prób z jednego bloku prób. Dolna sekcja przedstawia funkcję odpowiedzi hemodynamicznej (HRF) typu Two-Gamma, wykorzystaną do zidentyfikowania obszarów mózgu zaangażowanych w przetwarzanie emocjonalnych wyrazów twarzy.

Dyskusja

Identyfikacja obszarów mózgu opiera się na stworzeniu dokładnego kontrastu między skanowanymi zadaniami (tj. w przypadku testu Stroopa: emocje i ekspresje twarzy niespójne względem spójnych; lub anty-sakkady względem pro-sakkad), aby uzyskać mapę aktywacji związaną z danym zadaniem. Mapy funkcjonalne te mogą być bardziej precyzyjne, jeśli podczas skanowania zbiera się dane behawioralne, co pozwala na usunięcie prób, w których badany popełnił błędy. Błędy te można wyeliminować, a w przypadku wystąpienia wystarczającej ich...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Aparat MRI 3-Tesla	Siemens Magnetom Trio (Erlangen, Niemcy)
System eyetrackingowy iViewX	SensoMotoric Instruments, Inc.
Oprogramowanie BrainVoyager QX	Brain Innovation, Maastricht, Holandia
Joystick czteroprzyciskowy	Current Designs, Inc., Philadelphia, PA, USA
Tabela 1. Specyficzne odczynniki i sprzęt.