Dekodowanie obrazów słuchowych za pomocą analizy wzorców wielowokselowych

1. Rekrutacja uczestników

1. Zrekrutuj 20 uczestników.
   1. Uczestnicy powinni być praworęczni i nie mieć historii zaburzeń neurologicznych lub psychologicznych.
   2. Uczestnicy powinni mieć normalne lub skorygowane do normalnego widzenie, aby mieć pewność, że będą w stanie prawidłowo widzieć sygnały wizualne.
   3. Uczestnicy nie powinni mieć metalu w swoim ciele. Jest to ważny wymóg bezpieczeństwa ze względu na silne pole magnetyczne zaangażowane w fMRI.
   4. Uczestnicy nie powinni cierpieć na klaustrofobię, ponieważ fMRI wymaga leżenia w małej przestrzeni otworu skanera.

2. Procedury przed skanowaniem

1. Wypełnij dokumenty przed skanowaniem.
2. Kiedy uczestnicy przychodzą na badanie fMRI, poinstruuj ich, aby najpierw wypełnili metalowy formularz przesiewowy, aby upewnić się, że nie mają przeciwwskazań do rezonansu magnetycznego, formularz przypadkowych ustaleń wyrażający zgodę na obejrzenie ich skanu przez radiologa oraz formularz zgody szczegółowo opisujący ryzyko i korzyści związane z badaniem.
3. Przygotuj uczestników do przejścia do skanera, usuwając cały metal z ich ciała, w tym paski, portfele, telefony, spinki do włosów, monety i całą biżuterię.

3. Przekaż instrukcje uczestnikowi.

1. Powiedz uczestnikom, że zobaczą serię kilku krótkich filmów wewnątrz skanera. Te filmy będą ciche, ale mogą wywołać dźwięk w jego "uchu umysłu". Poproś uczestnika, aby skupił się na tym obrazie słuchowym i zachęcał go do tego, aby spróbował "usłyszeć" dźwięk najlepiej, jak potrafi.
2. Podkreśl uczestnikowi, jak ważne jest trzymanie głowy nieruchomo przez cały czas skanowania.

4. Umieść uczestnika w skanerze.

1. Daj uczestnikowi zatyczki do uszu, aby chronić jego uszy przed hałasem skanera i słuchawki do noszenia, aby mógł słyszeć eksperymentatora podczas skanowania, i poproś go, aby położył się na łóżku z głową w cewce.
2. Daj uczestnikowi awaryjną piłkę do ściskania i poinstruuj go, aby ścisnął ją w nagłych wypadkach podczas skanowania.
3. Użyj piankowych podkładek, aby zabezpieczyć głowę uczestnika w cewce, aby uniknąć nadmiernego ruchu podczas skanowania i przypomnij uczestnikowi, że bardzo ważne jest, aby pozostać jak najbardziej nieruchomym podczas skanowania, ponieważ nawet najmniejsze ruchy rozmywają obrazy.

5. Gromadzenie danych

1. Zbierz skan anatomiczny w wysokiej rozdzielczości.
2. Rozpocznij skanowanie funkcjonalne.
   1. Zsynchronizuj początek prezentacji bodźca ze startem skanera.
   2. Aby uzyskać rzadkie próbkowanie czasowe, ustaw czas akwizycji objętości MRI na 2 s, z 9-sekundowym opóźnieniem między akwizycjami objętości.
   3. Prezentuj nieme filmy za pomocą laptopa podłączonego do projektora. Uczestnik ma lustro nad oczami, w którym odbija się ekran z tyłu otworu skanera.
   4. Zsynchronizuj początek każdego 5-sekundowego klipu wideo, aby rozpoczął się 4 s po rozpoczęciu poprzedniej akwizycji MRI. Zapewni to, że następna objętość MRI zostanie uzyskana 7 sekund po rozpoczęciu klipu wideo, aby uchwycić aktywność hemodynamiczną, która odpowiada środkowi filmu.
   5. Zaprezentuj trzy różne nieme filmy, które przywołują żywe obrazy słuchowe: dzwon kołyszący się w przód i w tył, piła łańcuchowa przecinająca drzewo i osoba grająca na skrzypcach.
   6. W każdym skanowaniu funkcjonalnym zaprezentuj każdy film 10 razy, w losowej kolejności. Każda próba trwa 11 s, co daje skan o długości 330 s (5,5 min).
   7. Wykonaj 4 skany funkcjonalne.

6. Analiza danych

1. Zdefiniuj obszar zainteresowania (ROI).
   1. Użyj skanu anatomicznego o wysokiej rozdzielczości każdego uczestnika, aby prześledzić woksele, które odpowiadają wczesnej korze słuchowej (Rysunek 1). Odpowiada to powierzchni płata skroniowego, zwanej płaszczyzną skroniową. Wykorzystaj anatomiczne cechy mózgu każdej osoby, aby stworzyć maskę specyficzną dla jej kory słuchowej.

Rysunek 1: Śledzenie obszaru zainteresowania. Powierzchnia płaszczyzny skroniowej została narysowana na obrazie anatomicznym tego uczestnika o wysokiej rozdzielczości i jest pokazana tutaj w kolorze niebieskim. Na zielono znajduje się maska kontrolna bieguna czołowego. Te woksele zostaną użyte do analizy MVPA.

2. Wstępnie przetwórz dane.
   1. Wykonaj korekcję ruchu, aby zredukować artefakty ruchu.
   2. Wykonaj filtrowanie czasowe, aby usunąć dryfy sygnału.
3. Trenowanie i testowanie algorytmu klasyfikatora.
   1. Podziel dane na zestawy treningowe i testowe. Dane treningowe zostaną użyte do wytrenowania klasyfikatora, a pominięte dane testowe zostaną użyte do oceny tego, czego się nauczył. Aby zmaksymalizować niezależność danych treningowych i testowych, pomiń dane z jednego skanowania funkcjonalnego jako zestaw testowy.
   2. Wytrenuj algorytm maszyny wektorów nośnych na oznaczonych danych treningowych z kory słuchowej u każdego pacjenta. Sprawdź, czy klasyfikator jest w stanie poprawnie odgadnąć tożsamość nieoznaczonego zestawu testowego i zarejestrować dokładność klasyfikatora.
   3. Powtórz tę procedurę 4 razy, za każdym razem pomijając każde skanowanie jako dane testowe. Ten typ procedury, w której każda sekcja danych jest pomijana raz, nazywa się walidacją krzyżową.
   4. Połącz dokładności klasyfikatora w 4 fałdach walidacji krzyżowej przez uśrednianie.
4. Testy statystyczne
   1. Aby określić, czy klasyfikator działa lepiej niż przypadek (33%), możemy porównać wyniki na poziomie grupy z przypadkiem. Aby to zrobić, zbierz dokładności dla każdego przedmiotu i przetestuj, czy rozkład różni się od przypadku, używając nieparametrycznego testu rangi ze znakiem Wilcoxona.
   2. Możemy również zapytać, czy klasyfikator działa lepiej niż przypadek dla każdej osoby. Aby określić prawdopodobieństwo danego poziomu dokładności w danych losowych, utwórz rozkład zerowy, trenując i testując algorytm MVPA na danych, których etykiety zostały losowo przetasowane. Permutuj etykiety 10 000 razy, aby utworzyć rozkład zerowy wartości dokładności, a następnie porównaj rzeczywistą wartość dokładności z tym rozkładem.
   3. Aby zademonstrować specyficzność informacji w korze słuchowej, możemy wytrenować i przetestować klasyfikator na wokselach z innego miejsca w mózgu. Tutaj użyjemy maski bieguna czołowego, zaczerpniętej z atlasu probabilistycznego i zniekształconej tak, aby pasowała do indywidualnego mózgu każdego badanego.