Name: Korelacja reakcji behawioralnych na sygnały fMRI z ludzkiej kory przedczołowej: badanie procesów poznawczych za pomocą analizy zadań (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-20T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 33 s
Description: Poznaj metodę korelacji reakcji behawioralnych z sygnałami fMRI w badaniu procesów poznawczych. Technika ta pozwala analizować aktywację kory przedczołowej podczas zadań uwagowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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).

1. Przed wejściem do pomieszczenia MRI
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Przegląd zadania i szkolenie
<ol>
	<li>Przeprowadź szkolenie z wykonywania zadania anty-sakkadowego.
	<ol>
		<li>Zielona fiksacja oznacza próbę pro-sakkadową. Poinstruuj uczestników, aby patrzyli na cel pojawiający się na peryferiach ekranu pod kątem wizualnym 8-10°.</li>
		<li>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).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przeprowadź szkolenie z wykonywania zadania emocjonalnego Stroopa poza skanerem.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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 (<a href="http://www.neurobs.com" target="_blank">www.neurobs.com</a>).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Konfiguracja skanera i systemu śledzenia wzroku
<ol>
	<li>Aby rozpocząć przygotowanie eksperymentu, należy najpierw wyświetlić komputerowy bodziec jako ostry obraz na ekranie w MRI za pomocą projektora cyfrowego.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>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</li>
</ol>
4. Procedury skanowania
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Upewnij się, że wszyscy eksperymentatorzy opuścili pomieszczenie MRI i zamknij drzwi do MRI.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przypomnij uczestnikowi, że hałasy w skanerze będą głośne i jest to normalne.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Po zakończeniu skanów anatomicznych uczestnik zostaje przypomniany o szczegółowych instrukcjach do nadchodzącego skanu za pomocą systemu mikrofonu/głośnika.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>Cała sesja obrazowania trwa około 60 do 120 minut, w zależności od całkowitej liczby skanów potrzebnych do analizy.</li>
</ol>
5. Analiza fMRI
<ol>
	<li>Przeanalizować dane przy użyciu oprogramowania BrainVoyager QX (lub dowolnego pakietu analitycznego, takiego jak AFNI lub SPM).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
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).
<img alt="Schemat eksperymentu z odpowiedzią behawioralną z sekwencją prób, czasem trwania i bodźcami wizualnymi." src="/files/ftp_upload/3237/3237fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
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.
<img alt="Wykres słupkowy porównujący zmianę sygnału dla ekspresji niespójnych i spójnych w lewym zakręcie czołowym dolnym." src="/files/ftp_upload/3237/3237fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 2"> 
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.
<img alt="Wykres korelacji zachowania i sygnału BOLD, czas reakcji vs. % zmiany sygnału, r=0.81, p&lt;0.05." src="/files/ftp_upload/3237/3237fig3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 3"> 
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.
<img alt="Schemat funkcji odpowiedzi hemodynamicznej z krzywymi opóźnienia HRF, sekwencjami czasowymi i wykresami odpowiedzi." src="/files/ftp_upload/3237/3237fig4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 4"> 
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.

<ol><li>Stroop, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+of+interference+in+serial+verbal+reactions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Psychology%22%5BJournal%5D)">Studies of interference in serial verbal reactions.</a> Journal of Experimental Psychology. 18, 643-662 (1935).</li>
<li>Ovaysikia, S., Tahir, K. A., Chan, J. L., DeSouza, J. F. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Word+wins+over+face%3A+emotional+Stroop+effect+activates+the+frontal+cortical+network%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Hum.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Word wins over face: emotional Stroop effect activates the frontal cortical network.</a> Front Hum. Neurosci. 4, 234(2011).</li>
<li>Hallett, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Primary+and+secondary+saccades+to+goals+defined+by+instructions%5BTitle%5D)+AND+%22Vision+Res%22%5BJournal%5D)">Primary and secondary saccades to goals defined by instructions.</a> Vision Res. 18, 1279-1296 (1978).</li>
<li>Connolly, J. D., Goodale, M. A., DeSouza, J. F. X., Menon, R. S., Vilis, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comparison+of+frontoparietal+fMRI+activation+during+anti-saccades+and+anti-pointing%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">A comparison of frontoparietal fMRI activation during anti-saccades and anti-pointing.</a> J. Neurophysiol. 84, 1645-1655 (2000).</li>
<li>DeSouza, J. F. X., Menon, R. S., Everling, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparatory+set+associated+with+pro-saccades+and+anti-saccades+in+humans+investigated+with+event-related+FMRI%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Preparatory set associated with pro-saccades and anti-saccades in humans investigated with event-related FMRI.</a> J. Neurophysiol. 89, 1016-1023 (2003).</li>
<li>Everling, S., DeSouza, J. F. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rule-dependent+activity+for+prosaccades+and+antisaccades+in+the+primate+prefrontal+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Cogn.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Rule-dependent activity for prosaccades and antisaccades in the primate prefrontal cortex.</a> J. Cogn. Neurosci. 17, 1483-1496 (2005).</li>
<li>Ford, K. A., Goltz, H. C., Brown, M. R. G., Everling, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+processes+associated+with+antisaccade+task+performance+investigated+with+event-related+fMRI%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Neural processes associated with antisaccade task performance investigated with event-related fMRI.</a> J. Neurophysiol. 94, 429-440 (2005).</li>
<li>DeSouza, J. F. X., Nicolle, D. A., Vilis, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Task-dependent+changes+in+the+shape+and+thickness+of+Listing%27s+plane%5BTitle%5D)+AND+%22Vision+Res%22%5BJournal%5D)">Task-dependent changes in the shape and thickness of Listing's plane.</a> Vision Res. 37, 2271-2282 (1997).</li>
<li>Hadjikhani, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanisms+of+migraine+aura+revealed+by+functional+MRI+in+human+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Mechanisms of migraine aura revealed by functional MRI in human visual cortex.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 4687-4692 (2001).</li>
<li>DeSouza, J. F. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Eye+position+signal+modulates+a+human+parietal+pointing+region+during+memory-guided+movements%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Eye position signal modulates a human parietal pointing region during memory-guided movements.</a> J. Neurosci. 20, 5835-5840 (2000).</li>
</ol>

Nie mamy nic do ujawnienia.

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...

A correction was made to <a href="http://http://www.jove.com/video/3237">Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis</a>. Joseph DeSouza and Laura Pynn middle initials were omitted at publication.
These have been corrected to:
Joseph F.X. DeSouza Laura K. Pynn

A correction was made to <a href="http://http://www.jove.com/video/3237">Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis</a>. Some of the authors middle initials were omitted.

Erratum: Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis

<table><tbody><tr><td>Aparat MRI 3-Tesla</td><td>Siemens Magnetom Trio (Erlangen, Niemcy)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>System eyetrackingowy iViewX</td><td>SensoMotoric Instruments, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie BrainVoyager QX</td><td>Brain Innovation, Maastricht, Holandia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Joystick czteroprzyciskowy</td><td>Current Designs, Inc., Philadelphia, PA, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Tabela 1. &lt;/strong&gt; Specyficzne odczynniki i sprzęt.</td></tr></tbody></table>

korelacja reakcji behawioralnych z sygnałami fmri z ludzkiej kory przedczołowej: badanie procesów poznawczych z wykorzystaniem analizy zadań

Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis

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.

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

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

Celem niniejszego artykułu metodycznego jest opis sposobu wdrożenia techniki neuroobrazowania w celu zbadania komplementarnych procesów mózgowych angażowanych przez dwa podobne ...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest badanie sygnałów MRI związanych z odpowiedziami uwagowymi na bodźce wzrokowe. Osiąga się to poprzez skanowanie badanych podczas ich koncentracji na bodźcach w teście Stroopa z elementami emocjonalnymi. Jednocześnie rejestrowane są odpowiedzi w formie naciskania przycisków w reakcji na bodźce, co stanowi miarę zachowania, która zostanie skorelowana z sygnałami w mózgu.Dodatkowo, ruchy gałek ocznych badanego są rejestrowane za pomocą eyetrackera wewnątrz skanera, aby uzyskać pomiar selekcji uwagi. Wyniki wykazują aktywację zakrętu czołowego dolnego na podstawie analizy korelacji między zachowaniem a sygnałem fMRI podczas zadania odpowiedzi na bodziec. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi, takimi jak tomografia emisyjna pozytonów, jest możliwość skanowania badanych przez okres do dwóch godzin.System ten pomaga nam lepiej zrozumieć hamowanie kory czołowej. Dysfunkcja tego układu jest powiązana z różnymi neuropatologiami, takimi jak ADHD i zespół Tourette'a. Przed rozpoczęciem eksperymentu potencjalni uczestnicy powinni wypełnić formularz świadomej zgody na udział w badaniu, a także standardowy kwestionariusz przesiewowy do badania MRI.Należy wykluczyć wszelkie przeciwwskazania do badania MRI. Po dopełnieniu formalności należy przeprowadzić sesję treningową badanego z zadaniem antycypacyjnego sakadycznego (antis). W tym zadaniu zielona fiksacja oznacza próbę pro-sakadyczną.Poleć uczestnikowi, aby spojrzał na cel pojawiający się na peryferiach ekranu pod kątem wizualnym od 8 do 10 stopni. Czerwony punkt fiksacyjny oznacza próbę antis COD; poleć uczestnikowi, aby spojrzał w lustro po przeciwnej stronie niż pojawiający się na peryferiach ekranu cel, ponownie pod kątem wizualnym od 8 do 10 stopni. Na przykład, jeśli pojawi się cel po prawej stronie, badany powinien spojrzeć w lewą stronę.Następnie przeprowadź szkolenie z zadania emocjonalnego efektu Stroopa. Jest to pseudozdarzeniowy paradygmat, w którym słowa opisujące ekspresje są nałożone na zdjęcia pojedynczych twarzy. Słowa są albo zgodne, albo niezgodne z emocją przedstawioną na twarzy.Na obrazku poinstruuj uczestników, które przyciski należy nacisnąć w celu zgłoszenia radosnego wyrazu twarzy lub słowa, neutralnego wyrazu twarzy lub słowa bądź smutnego wyrazu twarzy lub słowa. Zadanie powinno rozpoczynać się od wyświetlenia na ekranie jednosekundowej instrukcji pisemnej przypominającej uczestnikom o konieczności zgłoszenia wyrazu twarzy lub napisanego słowa poprzez jak najszybsze naciśnięcie odpowiedniego przycisku. Następnie przez jedną sekundę wyświetlany jest krzyżyk fiksacyjny, potem bodźce w postaci twarzy przez 250 milisekund, a na koniec obraz odpowiedzi przez dwie sekundy.Obraz odpowiedzi służy temu, aby uczestnicy mieli czas na zgłoszenie swoich odpowiedzi. Kolejna prezentacja wizualna krzyżyka fiksacyjnego rozpoczyna się po zakończeniu wyświetlania obrazu odpowiedzi. Należy uwzględnić 15 prób treningowych z różnymi kombinacjami słownych ekspresji twarzy.Aby rozpocząć przygotowania do skanowania, w pierwszej kolejności należy włączyć projektor cyfrowy, aby wyświetlić bodziec komputerowy jako ostry obraz na ekranie w gantry MRI. Następnie należy wprowadzić uczestnika do pomieszczenia ze skanerem oraz przekazać mu zatyczki do uszu i słuchawki w celu zapewnienia ochrony słuchu.Poproś badanego o położenie się na plecach i ustaw głowę w centrum cewki głowowej. Stabilizuj ciało i pozycję głowy uczestnika za pomocą poduszek lub wkładów piankowych, aby zapewnić komfort, jednocześnie ograniczając ruchy głowy. Następnie nałóż cewkę głowową.Następnie należy poprosić badanego o wygodne pochylenie głowy przy jednoczesnym patrzeniu przed siebie w lustro odbijające rzutowany obraz; oczy powinny znajdować się jak najbliżej pozycji pierwotnej, aby zapewnić uczestnikowi komfort podczas sesji skanowania, która może trwać do dwóch godzin. Należy zapytać uczestnika, czy rzutowany obraz jest ostry. Jeśli obraz jest niewyraźny, należy ponownie wyregulować soczewkę w celu poprawy jego przejrzystości.Następnie skalibruj eye tracker, aby upewnić się, że kamera podczerwieni znajduje się w odpowiednim miejscu. Jeśli odbicie na rogówce nie jest optymalne, należy dostosować źródło podczerwieni lub ponownie ustawić lustro odbijające źródło podczerwieni znajdujące się w pobliżu głowy uczestnika. Zapytaj również badanego, czy potrzebuje więcej piankowych podkładek lub poduszek, aby utrzymać tę pozycję.Po zakończeniu konfiguracji sprzętu, umieść gumową piłkę alarmową w prawej dłoni uczestnika, a panel odpowiedzi w lewej dłoni. Umieść również kapsułkę witaminy E po prawej stronie słuchawek, ponieważ będzie ona widoczna w skanach anatomicznych i może pomóc upewnić się, że obrazy nie zostały odwrócone lewo-prawo. Na koniec podnieś i wsuń stół do centrum MRI.Po wejściu do sterowni należy użyć interkomu, aby potwierdzić, że uczestnik jest gotowy do rozpoczęcia sesji skanowania i czuje się komfortowo. Należy również przypomnieć uczestnikowi, że hałasy generowane przez skaner będą głośne. Należy rozpocząć od wykonania skanu lokalizacyjnego.Następnie zaplanuj serię przekrojów anatomicznych obejmujących cały mózg. Zazwyczaj należy zastosować przekroje osiowe skośne. Poinformuj uczestnika o przybliżonym czasie trwania skanowania anatomicznego.Może to trwać od sześciu do 10 minut, w zależności od określonej liczby warstw. Alternatywnie skan anatomiczny można wykonać po skanach funkcjonalnych. Po zakończeniu skanów anatomicznych należy zaprogramować sekwencję funkcjonalną i przypomnieć uczestnikowi instrukcje dotyczące zadania w paradygmacie Stroopa.Następnie uruchom skaner i paradygmat synchronicznie, rejestrując wszystkie naciśnięcia przycisków. Należy monitorować i zapisywać poziomą i pionową pozycję oczu uczestnika za pomocą podczerwonego trackera oczu, aby dane te można było skorelować z paradygmatem behawioralnym. Następnie poinformuj badanego, że podczas następnego skanowania zostanie wykonany paradygmat anti Scho.Następnie rozpocznij skanowanie z wykorzystaniem zsynchronizowanego paradygmatu. W zależności od wybranych parametrów obrazowania, czas trwania skanowania wyniesie blisko sześć minut. Należy unikać dłuższych skanowań, ponieważ badani mogą zasnąć.Cała sesja obrazowania może trwać od 60 do 120 minut, w zależności od czasu potrzebnego na konfigurację, dostosowania specyficznych dla badanego obiektu oraz liczby skanów funkcjonalnych wymaganych do analizy. Dane uzyskane z tego eksperymentu można analizować za pomocą dowolnego pakietu do analizy fMRI, takiego jak BrainVoyage lub qx. Widoczne tutaj.Innym powszechnie stosowanym oprogramowaniem do analizy FMRI są programy A acne lub SPM. Mapy statystyczne pochodzące z danych funkcjonalnych należy nałożyć na anatomiczne obrazy mózgu. W tym celu należy najpierw wykorzystać ogólny model liniowy (GLM) do funkcjonalnego zdefiniowania obszarów zainteresowania w mózgu, stosując oddzielne predyktory dla każdego z warunków w zadaniu.Podczas obu typów skanowania należy zastosować następujące predyktory: instrukcje dotyczące twarzy zgodnych i niezgodnych, instrukcje słowne, antis, secod oraz pros secod. Następnie należy przeanalizować intensywność sygnału we wszystkich aktywowanych obszarach czołowych na podstawie kontrastów GLM. Następnie należy obliczyć zestandaryzowany sygnał BOLD dla wszystkich uczestników i porównać ekspresję twarzy przy niezgodnych słowach z twarzami przy zgodnych słowach.Wyrażenia dla obu warunków ostatecznie korelują czasy reakcji zebrane w próbach, które zostały wykorzystane do analizy. Następnie modele GM korelują aktywność mózgu każdego osobnika z jego własnymi czasami reakcji dla konkretnych prób. Przedstawiony tutaj obraz pokazuje lewy zakręt czołowy dolny (IFG), który został zlokalizowany funkcjonalnie przy użyciu kontrastu dla niezgodnego efektu Stroopa emocjonalnego w stosunku do warunku zgodnego.Podczas zestawu instrukcji „zwróć uwagę na słowo”. Widzimy tutaj, że gdy wyraz twarzy był niezgodny z nałożonym słowem emocjonalnym, niezgodność wynikająca z raportowania słowa pisanego wywołała wyższą intensywność sygnału BOLD. W lewym IFG niezgodne wyrazy twarzy wykazały istotnie większą zmianę sygnału BOLD w porównaniu z wyrazami zgodnymi.Podczas instrukcji skupienia uwagi na słowie, kontrast niespójny-spójny wykazał dodatnią korelację między czasami reakcji a intensywnością sygnału BOLD. Wykres ten przedstawia średnie czasy reakcji i sygnał BOLD dla 10 badanych w każdej z sześciu warunków. Górny rząd stanowi schematyczny rysunek sekwencji prób z jednego bloku prób.Dolna sekcja przedstawia dwie funkcje odpowiedzi hemodynamicznej gamma używane do wykrywania obszarów mózgu zaangażowanych w rozpoznawanie emocjonalnych ekspresji twarzy. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby sprawdzać stan badanego pomiędzy skanami i przypominać mu o zachowaniu maksymalnego bezruchu w celu zredukowania artefaktów ruchowych po zakończeniu tej procedury. Inne techniki, takie jak magnetoencefalografia, mogą być wykorzystane do zbadania efektów czasowych w obrębie dolnego zakrętu czołowego.

correlating-behavioral-responses-to-fmri-signals-from-human

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Korelacja reakcji behawioralnych z sygnałami fMRI z ludzkiego kory czołowej: Badanie procesów poznawczych za pomocą analizy zadań

W niniejszym artykule przedstawiono projekt eksperymentalny, w którym animowane postaci całego ciała są wykorzystywane w połączeniu z funkcjonalnym rezonansem magnetycznym (fMRI) do badania neuronalnych korelatów obserwowania wirtualnych interakcji społecznych.

Badanie obrazowania mózgu w celu analizy neuronalnych korelatów obserwowania wirtualnych interakcji społecznych

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.

Badanie obrazowania mózgu nad upośledzającym wpływem emocji na funkcje poznawcze

Ten film przedstawia metodę badania związanych z wiekiem zmian w funkcjonalnej łączności kognitywnych sieci kontrolnych zaangażowanych w wybrane zadania/procesy. Technika ta opiera się na wielowymiarowej analizie danych fMRI.

Metoda badania związanych z wiekiem różnic w funkcjonalnej łączności sieci kontroli poznawczej związanych z wydajnością sortowania kart zmiany wymiarów

Rozważane jest przeniesienie paradygmatu z historią użycia w eksperymentach EEG do eksperymentu fMRI. Wykazano, że manipulowanie wymaganiami zadania w zadaniu wizualnym skutkowało różnymi wzorcami aktywacji BOLD i zilustrowało, jak kluczowe znaczenie ma projektowanie zadań w eksperymentach fMRI.

Przenoszenie zadań poznawczych między modalnościami obrazowania mózgu: implikacje dla projektowania zadań i interpretacji wyników w badaniach fMRI

Monitorowanie aktywności mózgu poza laboratorium bez fizycznych ograniczeń stanowi wyzwanie metodologiczne. Bezwłóknowy, nadający się do noszenia system funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) został wykorzystany do pomiaru aktywności mózgu podczas ekologicznego zadania pamięci prospektywnej. Wykazano, że system ten może być wykorzystywany do monitorowania aktywności mózgu podczas eksperymentów nielaboratoryjnych.

Wykorzystanie bezwłóknistego, ubieralnego fNIRS do monitorowania aktywności mózgu w rzeczywistych zadaniach poznawczych

Obecny protokół opisuje, jak wykonywać równoczesne zapisy EEG i fNIRS oraz jak sprawdzić związek między danymi EEG i fNIRS.

Prowadzenie jednoczesnych zapisów elektroencefalografii i funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni z zadaniem Flankera

Prezentowany tutaj jest potok analizy wideo, który pokonuje wyzwania związane z monitorowaniem zachowań w środowiskach MRI, pozwalając na wykrywanie nieinstruowanych reakcji behawioralnych na zewnętrzne sygnały. Analiza ta ułatwi bardziej kompleksowe zrozumienie wywołanych zmian stanu wewnętrznego i aktywności całego mózgu.

Profilowanie reakcji na zachowanie matki podczas obrazowania całego mózgu

Wprowadzamy protokół do badania neuronalnych korelatów zadania regulacji emocji poznawczych, a mianowicie ponownej oceny poznawczej, za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. Protokół ten był stosowany u pacjentów z zaburzeniami obsesyjno-kompulsywnymi i zdrowych osób z grupy kontrolnej, ale może być również stosowany w innych próbkach klinicznych.

Badanie neuronalnych korelatów ponownej oceny poznawczej w zaburzeniach obsesyjno-kompulsywnych za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego opartego na zadaniach

Opracowaliśmy dwie metody badania wpływu bodźców wzrokowych na zachowanie w warunkach braku bodźców dotykowych i chemicznych. Pierwsza metoda polega na filmowaniu reakcji raków na odbijające światło ścianki akwarium; druga bada wpływ bodźców wzrokowych dostarczanych przez żywego raka znajdującego się za przezroczystą przegrodą.

Rejestracja reakcji behawioralnych na odbicie u raków

Opisujemy nowatorskie podejście do jednoczesnej analizy funkcji i struktury mózgu z wykorzystaniem obrazowania rezonansem magnetycznym (MRI). Strukturę mózgu oceniamy za pomocą wysokorozdzielczego obrazowania dyfuzyjnego oraz traktografii włókien istoty białej. W przeciwieństwie do standardowego strukturalnego MRI, techniki te pozwalają nam bezpośrednio powiązać łączność anatomiczną z właściwościami funkcjonalnymi sieci mózgowych.

Współanaliza struktury i funkcji mózgu z wykorzystaniem fMRI oraz obrazowania dyfuzyjnego

Poznaj metodę korelacji reakcji behawioralnych z sygnałami fMRI w badaniu procesów poznawczych. Technika ta pozwala analizować aktywację kory przedczołowej podczas zadań uwagowych.

Korelacja reakcji behawioralnych na sygnały fMRI z ludzkiej kory przedczołowej: badanie procesów poznawczych za pomocą analizy zadań (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów