Celem naszych badań jest powiązanie zachowania z aktywnością mózgu. Dokładne pomiary behawioralne i techniki obrazowania pozwalają nam wyjaśnić zależności między mózgiem a zachowaniem.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Korelacja reakcji behawioralnych z sygnałami fMRI z ludzkiej kory przedczołowej: badanie procesów poznawczych z wykorzystaniem analizy zadań
W tym artykule
Informacja o sprostowaniu
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Podsumowanie
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 twarzowych1,2. 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-sakkadycznym3,4,5,6, 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 MRI
- Uczestnicy wypełniają formularz świadomej zgody, w którym wyjaśnione są wszystkie ryzyka eksperymentalne (np. rozrusznik serca, klaustrofobia, implanty metaliczne, możliwość ciąży itp.) oraz korzyści wynikające z ich udziału.
- Wszyscy uczestnicy są zobowiązani do wypełnienia kwestionariusza bezpieczeństwa i przesiewowego badania MRI (krótka historia medyczna, poprzednie zabiegi chirurgiczne itp.). Osoby z przeciwwskazaniami muszą zostać wykluczone.
2. Przegląd zadania i szkolenie
- Przeprowadź szkolenie z wykonywania zadania anty-sakkadowego.
- Zielona fiksacja oznacza próbę pro-sakkadową. Poinstruuj uczestników, aby patrzyli na cel pojawiający się na peryferiach ekranu pod kątem wizualnym 8-10°.
- Czerwona fiksacja oznacza próbę anty-sakkadową. Poinstruuj uczestnika, aby patrzył w stronę lustrzanego odbicia celu pojawiającego się na peryferiach ekranu pod kątem wizualnym 8-10° (np. dla celu po prawej stronie należy patrzeć w lewo).
- Przeprowadź szkolenie z wykonywania zadania emocjonalnego Stroopa poza skanerem.
- Uwzględnij 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 naciskać w celu zgłoszenia ekspresji/słowa radosnego, neutralnego i smutnego. Dodatkowo, po wejściu do skanera, przypomnij uczestnikom, jaką emocję reprezentuje każdy przycisk.
- Słowa opisujące ekspresje (Happy, Neutral, Sad) są naniesione na zdjęcia poszczególnych twarzy. Słowa te są albo zgodne, albo niezgodne z emocją przedstawioną przez twarz na zdjęciu (Rycina 1). Rozpocznij każde skanowanie od pisemnej instrukcji na ekranie przypominającej uczestnikom, aby zgłosili albo „WYRAZ TWARZY (radosny, neutralny, smutny)”, albo „SŁOWO PISANE (radosny, neutralny, smutny)”, naciskając odpowiedni przycisk tak szybko, jak to możliwe.
- Instrukcja jest wyświetlana przez 1 sekundę, po czym następuje krzyżyk fiksacyjny, na którym uczestnicy skupiają wzrok przez kolejną 1 s. Po krzyżyku fiksacyjnym następują bodźce w postaci twarzy prezentowane przez 250 milisekund, a następnie obraz odpowiedzi wyświetlany przez 2 sekundy. Obraz odpowiedzi służy temu, aby dać uczestnikom czas na zgłoszenie swoich odpowiedzi poprzez naciśnięcie odpowiedniego przycisku. Kolejna prezentacja wizualna krzyżyka fiksacyjnego rozpoczyna się po zakończeniu wyświetlania obrazu odpowiedzi. Każdy uczestnik powtarza skanowanie eksperymentalne w jednej z dwóch grup instrukcyjnych (tj. wyraz twarzy LUB słowo pisane). Wszystkie bodźce zostały utworzone i zaprezentowane przy użyciu programu Presentation 12.1 (www.neurobs.com).
3. Konfiguracja skanera i systemu śledzenia wzroku
- Aby rozpocząć przygotowanie eksperymentu, należy najpierw wyświetlić komputerowy bodziec jako ostry obraz na ekranie w MRI za pomocą projektora cyfrowego.
- Uczestnicy zostają poproszeni o wstanie z krzesła w pomieszczeniu sterowania i przejście do pomieszczenia ze skanerem. Zapewnione zostają zatyczki do uszu i/lub słuchawki, które badani umieszczają w kanałach słuchowych.
- Badany kładzie się na plecach z głową ustawioną w centrum cewki głowowej. Stabilizujemy pozycję ciała i głowy uczestnika za pomocą poduszek lub piankowych wstawek, aby zapewnić mu jak największy komfort, ale także aby pomóc w ograniczeniu ruchów głowy, ponieważ ruchy głowy podczas skanowania powodują utratę danych, szczególnie jeśli ruch głowy przekracza 1 mm w dowolnym kierunku.
- Nasunąć/umieścić cewkę głowową na głowie uczestnika i poprosić go o tak wygodne pochylenie głowy, jak to możliwe, przy jednoczesnym patrzeniu prosto przed siebie na lustro odbijające ekran projektora. Oczy muszą znajdować się jak najbliżej pozycji pierwotnej8, aby zapewnić uczestnikowi komfort podczas sesji skanowania, która może trwać do dwóch godzin.
- Gdy uczestnik znajduje się już w skanerze, należy zapytać go o ostrość wyświetlanego obrazu. Jeśli obraz nie jest ostry, należy ponownie wyregulować obiektyw, aby poprawić obraz na ekranie.
- Następnie przeprowadza się test eyetrackera poprzez kalibrację, aby upewnić się, że kamera IRED znajduje się w prawidłowym miejscu. Jeśli odbicie na rogówce nie jest idealne lub nie działa poprawnie, należy wyregulować źródło IRED lub ponownie ustawić/wyregulować lustro odbijające źródło IRED w pobliżu głowy uczestnika. Jeśli pozycja głowy uczestnika została skorygowana, należy zapytać badanego, czy potrzebuje więcej wypełnienia/pianki lub poduszek w celu utrzymania tej pozycji głowy i ciała. Podczas skanowania monitoruje się i rejestruje poziome i pionowe pozycje oczu uczestników za pomocą podczerwonego eyetrackera (np. Sensomotoric Instruments, Needham/Boston, MA) i koreluje się je z paradygmatem behawioralnym podczas analizy aktywności mózgu.5,7
4. Procedury skanowania
- Umieść gumową piłkę do kontaktu alarmowego na brzuchu uczestnika, w jego lewej dłoni, a joystick/panel z przyciskami w prawej dłoni. Umieść kapsułkę z witaminą E po prawej stronie w pobliżu głowy. Będzie ona widoczna na skanach anatomicznych, co zapobiegnie błędnemu odwróceniu obrazów z lewej na prawą stronę. Podnieś i wsuń stół do centrum MRI.
- Upewnij się, że wszyscy eksperymentatorzy opuścili pomieszczenie MRI i zamknij drzwi do MRI.
- Skontaktuj się z uczestnikiem za pomocą interkomu w pokoju sterowania i potwierdź, że jest on przygotowany do rozpoczęcia skanowania i czuje się możliwie jak najkomfortowiej. W przeciwnym razie dokonaj niezbędnych korekt.
- Przypomnij uczestnikowi, że hałasy w skanerze będą głośne i jest to normalne.
- Pierwszy skan gromadzi kilka obrazów mózgu wzdłuż obszaru strzałkowego, aby móc zlokalizować/wyznaczyć dokładną orientację warstw dla pełnych danych anatomicznych i funkcjonalnych. Uczestnicy są informowani, że ten skan potrwa kilka minut.
- Gdy eksperymentatorzy przeanalizują wyniki 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 ten skan potrwa około 6 do 10 minut, w zależności od wyznaczonej liczby warstw. W niektórych przypadkach skan anatomiczny może być wykonany po skanach funkcjonalnych. Podejście to ma pewne zalety; zazwyczaj w długich eksperymentach badani odczuwają zmęczenie. Ponieważ skan anatomiczny nie wymaga uwagi badanych, mogą oni zamknąć oczy. Przydatne może być wykonanie tych skanów na koniec sesji obrazowania.
- Po zakończeniu skanów anatomicznych uczestnik zostaje przypomniany o szczegółowych instrukcjach do nadchodzącego skanu za pomocą systemu mikrofonu/głośnika.
- W tym przykładzie zastosowano pseudo-zdarzeniowy model eksperymentalny (pseudo event-related design)2 w celu zidentyfikowania obszarów mózgu aktywowanych przez zadanie Stroopa z emocjami, jednak w razie potrzeby można zastosować dowolny bodziec sensoryczny, percepcji wewnętrznej9 lub motoryczny10. Po ich zeskanowaniu poinstruujemy badanego, że w następnej kolejności zostanie zeskanowany paradygmat anty-sakkadyczny. W zależności od wybranych parametrów obrazowania, skan będzie trwał blisko 6 minut. Zauważyliśmy, że skany trwające dłużej skłaniają badanych do zasypiania.
- Cała sesja obrazowania trwa około 60 do 120 minut, w zależności od całkowitej liczby skanów potrzebnych do analizy.
5. Analiza fMRI
- Przeanalizować dane przy użyciu oprogramowania BrainVoyager QX (lub dowolnego pakietu analitycznego, takiego jak AFNI lub SPM).
- Rozpocząć od nałożenia statystycznych map danych funkcjonalnych na anatomiczne obrazy mózgu. Zdefiniować funkcjonalnie obszary zainteresowania (ROI) w mózgu, wykorzystując ogólny model liniowy (GLM), z oddzielnymi predyktorami (tj. zgodne i niezgodne, instrukcja twarzy i instrukcja słowa, anty-sakkada, pro-sakkada) dla każdego z warunków zadania podczas dwóch typów skanowania2.
- Zbadać intensywność sygnału we wszystkich aktywowanych obszarach czołowych z kontrastów GLM (tj. wszystkie niezgodne versus wszystkie zgodne w celu utworzenia mapy obszarów), obliczyć znormalizowany sygnał BOLD dla wszystkich uczestników i porównać niezgodny wyraz twarzy/słowo z zgodnymi wyrazami twarzy/słowami dla obu warunków2.
- Obliczyć korelację czasów reakcji zebranych w próbach wykorzystanych do GLM, a następnie skorelować aktywność mózgu każdego osobnika z jego własnymi czasami reakcji dla konkretnych prób2, zgodnie z Rysunkiem 4.
6. Reprezentatywne wyniki
Po analizie przedstawiamy obszary mózgu, które korelują z zadaniami emotional stroop oraz anty-sakkadycznymi rejestrowanymi podczas skanowania. Wyniki paradygmatu emotional stroop wykazały efekt interakcji pomiędzy wszystkimi trzema czynnikami: ekspresją, instrukcją i obszarem mózgu, jednak nie stwierdzono głównego efektu ekspresji ani głównego efektu instrukcji2. Ustalono, że gdy ekspresja twarzy była niezgodna z nałożonym słowem emocjonalnym, ta niezgodność przy raportowaniu słowa pisanego powodowała wyższą intensywność sygnału BOLD w lewym IFG2 (Rycina 2). Większa intensywność sygnału dla ekspresji niezgodnych w porównaniu do ekspresji zgodnych była istotna statystycznie, przy czym największą różnicę odnotowano dla zgodnych ekspresji szczęścia2.
Co najważniejsze, czasy reakcji (RT) dla trzech badanych warunków niekongruentnych (smutnego, radosnego i neutralnego) przewidywały zwiększony sygnał BOLD w obrębie lewej IFG w porównaniu do wszystkich warunków kongruentnych (Rysunek 3). W tej analizie zbadaliśmy 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 odpowiadają za 81% wariancji aktywności lewej IFG podczas raportowania wyrazów słownych radości, neutralności i smutku w warunkach niekongruentnych i kongruentnych2. Wyższy RT jest predyktorem większej aktywacji lewej IFG, przy czym niekongruentny warunek smutku wykazał najwyższy stosunek RT do intensywności sygnału w porównaniu do wszystkich pozostałych warunków ekspresji. Paradygmaty anty-sakkadowe przeanalizowano za pomocą metod podobnych do powyższych, aby móc porównać dwie sieci aktywności. W tym przykładzie stwierdzono brak zwiększonego sygnału w lewej IFG dla zadania anty-sakkadowego w porównaniu do zadania pro-sakkadowego. Po więcej szczegółów odsyłamy czytelników do pracy Ford et al. (2007).
Rysunek 1. Przykład próby niespójnej (twarz z radosnym wyrazem, na którą nałożono słowo SAD). Eksperyment rozpoczyna się od punktu fiksacyjnego (1 sekunda), po którym następuje bodziec w postaci twarzy (250 ms) oraz obraz maskujący (2 sekundy), wymagający reakcji uczestnika poprzez naciśnięcie przycisku.
Rycina 2. Wszystkie wolumeny fiksacji zostały użyte jako poziom bazowy. Słupki błędów oznaczają błąd standardowy średniej (SEM). Ekspresje niespójne (Happy, Neutral, Sad) wykazały istotnie większą zmianę sygnału BOLD w porównaniu do ekspresji spójnych2. Mały obrazek wstawiony w wykres przedstawia lewy zakręt czołowy dolny (IFG), który został zlokalizowany funkcjonalnie przy użyciu kontrastu opisanego w sekcji 5.2 dla niespójnego emocjonalnego efektu Stroopa w porównaniu z warunkiem spójnym podczas zestawu instrukcji 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 stanowi średnią RT i sygnału BOLD dla wszystkich 10 badanych w każdej z sześciu warunków. Słupki błędu oznaczają błąd standardowy średniej (SEM)2.
Rysunek 4. Badanym prezentowano 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.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie mamy nic do ujawnienia.
Podziękowania
Finansowanie zapewniła National Science and Engineering Research Council (NSERC) dla JFXD, Faculty of Health, York University, a autor SO otrzymał finansowanie doktoratu od The Ontario Problem Gambling Research Centre (OPGRC).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| 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. |
Bibliografia
- Stroop, J. R. Studies of interference in serial verbal reactions. Journal of Experimental Psychology. 18, 643-662 (1935).
- Ovaysikia, S., Tahir, K. A., Chan, J. L., DeSouza, J. F. X. Word wins over face: emotional Stroop effect activates the frontal cortical network. Front Hum. Neurosci. 4, 234(2011).
- Hallett, P. E. Primary and secondary saccades to goals defined by instructions. Vision Res. 18, 1279-1296 (1978).
- Connolly, J. D., Goodale, M. A., DeSouza, J. F. X., Menon, R. S., Vilis, T. A comparison of frontoparietal fMRI activation during anti-saccades and anti-pointing. J. Neurophysiol. 84, 1645-1655 (2000).
- DeSouza, J. F. X., Menon, R. S., Everling, S. Preparatory set associated with pro-saccades and anti-saccades in humans investigated with event-related FMRI. J. Neurophysiol. 89, 1016-1023 (2003).
- Everling, S., DeSouza, J. F. X. Rule-dependent activity for prosaccades and antisaccades in the primate prefrontal cortex. J. Cogn. Neurosci. 17, 1483-1496 (2005).
- Ford, K. A., Goltz, H. C., Brown, M. R. G., Everling, S. Neural processes associated with antisaccade task performance investigated with event-related fMRI. J. Neurophysiol. 94, 429-440 (2005).
- DeSouza, J. F. X., Nicolle, D. A., Vilis, T. Task-dependent changes in the shape and thickness of Listing's plane. Vision Res. 37, 2271-2282 (1997).
- Hadjikhani, N. Mechanisms of migraine aura revealed by functional MRI in human visual cortex. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 4687-4692 (2001).
- DeSouza, J. F. X. Eye position signal modulates a human parietal pointing region during memory-guided movements. J. Neurosci. 20, 5835-5840 (2000).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
Sprostowanie
Formal Correction: Erratum: Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis
Posted by JoVE Editors on 8/03/2012. Citeable Link.
A correction was made to Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis. Joseph DeSouza and Laura Pynn middle initials were omitted at publication.
These have been corrected to:
Joseph F.X. DeSouza
Laura K. Pynn
