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

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.