Badanie obrazowania mózgu nad upośledzającym wpływem emocji na funkcje poznawcze

Ogólnym celem niniejszego protokołu eksperymentalnego jest zbadanie neuronalnych korelatów szkodliwego wpływu emocji na funkcje poznawcze, ze szczególnym uwzględnieniem procesów pamięci operacyjnej. Jest to realizowane poprzez rejestrację aktywności mózgu za pomocą fMRI, podczas gdy uczestnicy wykonują zadanie z pamięcią operacyjną z dystraktorem emocjonalnym prezentowanym w interwale opóźnienia między elementami do zapamiętania a próbami. Po opracowaniu podstawowego zadania z pamięcią operacyjną, dystraktory są dobierane zgodnie z celami badania i badaną populacją. Na przykład, jeśli nie są celowane konkretne emocje, można zastosować bodźce emocjonalne wywołujące ogólne reakcje emocjonalne, pozytywne lub negatywne.

W przypadku ukierunkowania na efekty konkretnych emocji, takich jak strach, u zdrowych uczestników lub osób z grup klinicznych można zastosować dystraktory wywołujące lęk. Następnie analizowane są dane behawioralne oraz wyniki obrazowania mózgu, zebrane podczas wykonywania przez uczestników zadania z pamięcią roboczą w warunkach dystrakcji, aby zidentyfikować zróżnicowany wpływ dystrakcji emocjonalnej na sprawność pamięci roboczej oraz powiązane z tym korelaty neuronalne. Otrzymane wyniki wykazują wzorce aktywności mózgu związane ze szkodliwym wpływem dystrakcji emocjonalnej na sprawność pamięci roboczej, a także aktywność mózgu związaną ze zdolnością radzenia sobie z taką dystrakcją. Typowe ukierunkowane obszary mózgu obejmują regiony związane ze zdolnością do utrzymania koncentracji, które stanowią część tzw. grzbietowego wykonawczego systemu neuronalnego (tutaj zaznaczonego na niebiesko), oraz regiony zaangażowane w przetwarzanie emocji, które należą do brzusznego systemu afektywnego (zaznaczonego na czerwono).

Implikacje tej techniki rozciągają się na zrozumienie i potencjalną diagnostykę zaburzeń lękowych, takich jak zespół stresu pourazowego, ponieważ pozwala ona na identyfikację zmian związanych z dysfunkcyjnymi reakcjami na rozproszenie emocjonalne. Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod, takich jak te obejmujące jednoczesną prezentację informacji istotnych dla celu i niezwiązanego z zadaniem rozproszenia emocjonalnego, jest to, że pozwala ona na lepsze oddzielenie korelatów neuronalnych w odpowiedzi na rozproszenie emocjonalne od tych związanych z trwającymi procesami poznawczymi. Co więcej, paradygmat ten pozwala badać nie tylko neuronalne korelaty interferencji poznawczej, ale także neuronalne odpowiedzi związane z radzeniem sobie z rozproszeniem emocjonalnym.

Podstawowym zadaniem w niniejszym protokole jest zadanie z pamięcią operacyjną z opóźnioną odpowiedzią, w którym nowe bodźce emocjonalne i nieemocjonalne są prezentowane jako nieistotne dla zadania dystraktory w odstępie czasu między bodźcami zapamiętywanymi a próbami.

Należy zauważyć, że dystraktory emocjonalne i nieemocjonalne powinny być stosowane w różnych próbach. Ponadto, aby zwiększyć wpływ, zaleca się parowanie dystraktorów o podobnych właściwościach emocjonalnych i semantycznych. Dystraktory emocjonalne i neutralne w zaprezentowanym pierwotnym schemacie mogą zostać wybrane z międzynarodowego systemu obrazów (International Affective Picture System), jednak podobne efekty można uzyskać przy użyciu innych nowych bodźców, które są skuteczne jako dystraktory.

Na przykład twarze z wyrazem gniewu mogą wywoływać specyficzne reakcje emocjonalne, takie jak lęk społeczny, a tym samym mogą być skuteczne w badaniu wpływu przejściowego rozproszenia wywołującego lęk na pamięć roboczą. Podobnie w przypadku uczestników klinicznych, takich jak pacjenci z zespołem stresu pourazowego, swoistość rozproszenia można zwiększyć poprzez prezentację bodźców związanych z traumą. Przykładem może być zastosowanie zdjęć związanych z walkami u weteranów wojennych z PTSD.

Jeśli w celu zwiększenia oddziaływania wykorzystywane są wywołujące lęk bodźce twarzy, sugerujemy ich morphing, zgodnie z prezentacją, zamiast przedstawiania twarzy jako statycznych obrazów. Używając wybranego oprogramowania do prezentacji bodźców, skonfiguruj to zadanie jako projekt zależny od zdarzeń (event related design) z trzema twarzami w zadaniu pamięci roboczej, po których następują nowe dystraktory. Należy poinstruować uczestników, aby utrzymywali koncentrację na meranie, jednocześnie przetwarzając dystraktory, oraz aby udzielali szybkich i dokładnych odpowiedzi na pojedyncze próby z twarzą poprzez naciśnięcie przycisku odpowiedzi: jednego wskazującego na twarz starą lub zapamiętaną oraz drugiego wskazującego na twarz nową. Dodatkowo można wprowadzić manipulacje zwiększające czułość zadania pamięci roboczej w wykrywaniu różnic behawioralnych, takich jak ocena pewności uczestnika co do udzielonych odpowiedzi.

Należy pamiętać, że na potrzeby ilustracyjne niniejszy przykład nie uwzględnia rzeczywistego czasu trwania zadania. Wreszcie trudność zadania z pamięcią roboczą można zmieniać poprzez manipulowanie obecnością kolorów i/lub dodatkowych cech twarzy w materiałach do zapamiętania, a także stopniem podobieństwa twarzy w momencie pojawienia się ich przed badanym. Należy upewnić się, że uzyskano pisemną świadomą zgodę oraz przeprowadzono badanie pod kątem bezpieczeństwa MRI.

Należy również ocenić aktualny stan emocjonalny, a także cechy osobowości, takie jak lęk i reaktywność emocjonalna. Chciałbym, aby wypełnił Pan/Pani kilka kwestionariuszy oceniających obecny stan emocjonalny. Dobrze, powinno to zająć około 10 minut przed skanowaniem.

Szczegółowo poinformuj uczestnika o procedurach skanowania i przekaż konkretne instrukcje dotyczące zadania behawioralnego, aby uniknąć dyskomfortu i zwiększyć stopień zapoznania z zadaniem. Następnie przeprowadź z uczestnikiem skróconą próbę treningową. Teraz wprowadź badanego do pomieszczenia skanowania i poleć mu położyć się na plecach na stole do skanowania.

Zapewnij ochronniki słuchu oraz słuchawki izolacyjne do komunikacji podczas skanowania; wokół głowy umieść dodatkowe podkładki amortyzujące, aby zapewnić komfort podczas badania i zminimalizować ruchy. Ponadto, nielepka strona odcinka taśmy może zostać lekko owinięta wokół czoła uczestnika. Aby dodatkowo ograniczyć ruchy głowy, wygodnie ułóż prawą dłoń badanego na skrzynce odpowiedzi i upewnij się, że przyciski odpowiedzi działają prawidłowo.

Umieść w pobliżu przycisk stopu awaryjnego, aby badany mógł zasygnalizować każdą pilną potrzebę przerwania pracy skanera, a na koniec upewnij się, że badany wyraźnie widzi projekcję ekranu służącą do prezentacji bodźców przed wprowadzeniem go lub jej do skanera. Następnie wykonaj obraz strukturalny o wysokiej rozdzielczości ważony T1, taki jak SPGR lub MP rage. W kolejnym kroku skonfiguruj serie funkcjonalne tak, aby zapewnić pełne pokrycie obszaru mózgu.

W naszych wstępnych badaniach z wykorzystaniem skanera 4 Tesla pozyskaliśmy osiowe serie 30 przekrojów funkcjonalnych o rozmiarze woksela 4 × 4 × 4 mm, stosując odwróconą sekwencję impulsów spiralnych z następującymi parametrami: TR 2000 ms, TE 31 ms oraz pole widzenia 256 × 256 mm. Niedawno zaadaptowaliśmy również ten paradygmat do skanera 1,5 Tesla, stosując następujące parametry: 28 przekrojów funkcjonalnych o rozmiarze woksela 4 × 4 × 4 mm pozyskanych osiowo przy użyciu sekwencji Echo Planar oraz TR 2000 ms, TE 40 ms i pola widzenia 256 × 256 mm. Poinformuj badanego, że obrazowanie funkcjonalne zaraz się rozpocznie, i przypomnij mu lub jej o zadaniach. Uruchom skaner synchronicznie z paradygmatem. Po zakończeniu skanowania pomóż badanemu wyjść ze skanera i przeprowadź ocenę behawioralną w celu określenia wrażliwości uczestnika na dystraktory poprzez ocenę intensywności emocjonalnej dystraktorów oraz subiektywnie odczuwalnego stopnia rozproszenia uwagi przez te dystraktory. Różnice indywidualne w tych ocenach mogą być wykorzystane do zbadania ich wpływu na mechanizmy neuronalne pośredniczące w niekorzystnym działaniu emocji na funkcje poznawcze lub do zidentyfikowania obszarów mózgu zaangażowanych w radzenie sobie z rozproszeniem emocjonalnym.

Na koniec należy podziękować badanemu za udział w eksperymencie. Zebrane dane można przeanalizować przy użyciu dowolnego pakietu oprogramowania do przetwarzania fMRI, takiego jak mapowanie parametryczne statystyczne, powszechnie znane jako SPM. W naszym laboratorium stosujemy to narzędzie w połączeniu z własnymi narzędziami opartymi na środowisku MATLAB.

Przetwarzanie wstępne obejmuje typowe etapy: zapewnienie jakości, wyrównywanie obrazów, korekcję ruchu, korejestrację, normalizację oraz wygładzanie przestrzenne z jądrem o wielkości 8 mm. Przy użyciu SPM wdrażany jest ogólny model liniowy w celu oceny dopasowania zarejestrowanych danych z każdego badanego stanu do określonej funkcji odpowiedzi hemodynamicznej. Alternatywnie, dane z każdego stanu mogą być selektywnie uśredniane, aby przeanalizować surowy sygnał fMRI związany z każdym stanem, bez przyjętych założeń dotyczących kształtu funkcji odpowiedzi hemodynamicznej.

Kontrasty obszarów zainteresowania ujawniają następnie zmiany w porównaniu z okresem przed bodźcem i linią bazową, a także różnice między jednym a drugim stanem. Przy zastosowaniu tego protokołu eksperymentalnego sugerujemy użycie narzędzi analitycznych umożliwiających ocenę zmian w sygnale fMRI w każdym punkcie czasowym, zarówno na poziomie indywidualnym, jak i grupowym. Analiza statystyczna obejmuje porównania aktywności mózgu w zależności od rodzaju dystraktora. Ponadto przeprowadzono analizę korelacji danych obrazowania mózgu z subiektywnymi lub obiektywnymi miernikami rozpraszalności oraz wynikami indeksowymi.

Można również przeprowadzić pomiary osobowości, aby zbadać, w jaki sposób aktywność mózgu współwystępuje z różnicami indywidualnymi w tych pomiarach. Poniżej ilustrujemy podstawową procedurę identyfikacji relacji między mózgiem a zachowaniem, wykorzystując korelacje międzyosobnicze pomiędzy aktywnością mózgu a subiektywnymi ocenami rozpraszalności. W pierwszej kolejności dla każdego badanego oblicza się indywidualne wyniki rozpraszalności.

Po drugie, ich korelacje ze zmianami aktywności mózgu są obliczane albo w oparciu o poszczególne woksele, albo z sygnału fMRI wyekstrahowanego z określonych obszarów zainteresowania (ROI). Po trzecie, następnie tworzone są wykresy rozrzutu tych korelacji. Analizy we wszystkich naszych badaniach z wykorzystaniem tego protokołu zazwyczaj obejmowały oceny zmian sygnału fMRI obserwowanych w interwale opóźnienia, w którym prezentowane są dystraktory, ale można również badać aktywność zsynchronizowaną czasowo z innymi zdarzeniami, takimi jak sondy. Przedstawiamy tutaj główne wyniki z naszego wstępnego badania z wykorzystaniem dystraktorów emocjonalnych i neutralnych wybranych z International Affective Picture System.

Panel środkowy przedstawia mapy aktywacji wynikające z bezpośredniego kontrastu między warunkami najbardziej a najmniej rozpraszającymi, nałożone na obraz mózgu o wysokiej rozdzielczości w widoku bocznym prawej półkuli. Skupiono się na aktywności zarejestrowanej podczas interwału opóźnienia, w którym prezentowano dystraktory. Aktywność w grzbietowym wykonawczym systemie neuronalnym zaznaczono kolorem niebieskim, a aktywność w brzusznym systemie afektywnym kolorem czerwonym.

Kolorowe poziome paski u dołu obrazu mózgu wskazują gradient wartości T map aktywacji. Panele boczne ilustrują przebiegi czasowe zmian w aktywności mózgu podczas zadania z pamięcią roboczą z dystraktorem, przy czym górne panele pokazują aktywność w grzbietowych obszarach wykonawczych, takich jak grzbietowo-boczna kora przedczołowa i boczna kora ciemieniowa, a dolne panele wykazują aktywność w obszarach brzusznego układu afektywnego, takich jak brzuszno-boczna kora przedczołowa, lub w obszarach podatnych na modulację afektywną, takich jak zakręt wrzecionowaty. Przebiegi czasowe w kolorze niebieskim reprezentują bezsensowny dystraktor (scrambled), przebiegi w kolorze czerwonym wskazują dystraktor emocjonalny, a przebiegi w kolorze żółtym reprezentują dystraktor neutralny w obecności bezsensownego dystraktora.

Odnotowano utrzymującą się aktywność w obszarach grzbietowego systemu wykonawczego. Obecność dystraktorów emocjonalnych zwiększyła aktywność w obszarach brzusznego systemu afektywnego, jednocześnie zmniejszając aktywność w systemie grzbietowym i upośledzając wydajność pamięci roboczej zgodnie z wpływem behawioralnym; obecność dystraktorów neutralnych wywołała pośredni poziom aktywności w obu systemach. Ta dysocjacja grzbietowo-brzuszna została systematycznie powtórzona i wykazano, że jest ona specyficzna dla dystrakcji emocjonalnej.

Ten paradygmat eksperymentalny pozwala również na identyfikację obszarów mózgu zaangażowanych w radzenie sobie z rozproszeniem emocjonalnym. Na przykład analizy korelacji między aktywnością w obszarach mózgu wrażliwych na obecność rozpraszaczy emocjonalnych pozwoliły zidentyfikować obszary w brzuszno-bocznej korze przedczołowej, których aktywność korelowała ujemnie ze wskaźnikami podatności na rozproszenie w przypadku rozpraszaczy emocjonalnych, ale nie neutralnych. Konkretnie, uczestnicy wykazujący większą aktywność w tym obszarze postrzegali i oceniali rozpraszacze emocjonalne jako mniej rozpraszające.

Wyniki te stanowią dowód na rolę tego obszaru w radzeniu sobie z rozpraszającymi emocjami. Opracowanie tego paradygmatu otworzyło badaczom zajmującym się interakcjami między emocjami a poznaniem drogę do studiowania korelatów neuronalnych zarówno reagowania, jak i radzenia sobie z rozproszeniem emocjonalnym w populacjach zdrowych i klinicznych. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat wykorzystania tego protokołu do badania korelatów neuronalnych interferencji poznawczej wywołanej rozproszeniem emocjonalnym oraz sposobu jego adaptacji do własnych potrzeb eksperymentalnych.