Name: Przenoszenie zadań poznawczych między modalnościami obrazowania mózgu: implikacje dla projektowania zadań i interpretacji wyników w badaniach fMRI (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-09-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 9 s
Description: Poznaj wpływ projektowania zadań na wyniki fMRI, analizując trzy wersje zadania visual oddball. Dowiedz się, jak różne wymagania zadania zmieniają wzorce aktywacji BOLD i pozwalają rozróżnić procesy poznawcze od motorycznych.

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

UWAGA: Protokół badania został zatwierdzony przez lokalną Komisję Rewizyjną ds. Badań na Ludziach na Uniwersytecie RWTH w Akwizgranie i został przeprowadzony zgodnie z Deklaracją Helsińską.
1. Projektowanie zadań
<ol>
	<li>Wybierz odpowiednie zadanie, aby zbadać interesujący Cię konstrukt poznawczo-psychologiczny. Użyj zadania wizualnego dziwactwa (Rysunek 1), aby zmierzyć reakcje na wykrywanie celu i wpływ uwagi na wykrywanie celu. Pozwala to na zbadanie wpływu manipulacji zadaniami na dane fMRI.</li>
	<li>Użyj trzech wersji dziwnego zadania.
	<ol>
		<li>Wersja pasywna: Poproś badanego o obserwację bodźców wizualnych. Nie wykrywaj żadnej odpowiedzi.</li>
		<li>Wersja cichego liczenia: Poproś badanego o policzenie bodźców docelowych. Zadanie to wymaga skierowania uwagi na te bodźce i procesu rozróżniania.</li>
		<li>Wersja odpowiedzi: Poproś badanego, aby nacisnął przycisk odpowiedzi po zobaczeniu docelowego bodźca. Zadanie to wymaga uwagi, procesów rozróżniania oraz selekcji/wytworzenia odpowiedzi na bodźce docelowe.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Należy rozważyć odpowiednią liczbę badań wymaganych do uzyskania solidnej odpowiedzi. Stosunek sygnału do szumu w pomiarach fMRI jest stosunkowo niski i wymaga uśrednienia wielu odpowiedzi w celu zbadania interesujących nas skutków9. Zależy to od zastosowanego zadania i metody bodźca. W tym zadaniu wykorzystano 200 badań, z których 40 to badania celowe wystarczające do uzyskania silnej odpowiedzi.</li>
	<li>Określ czas sekwencji bodźców. Czas bodźców ma kluczowe znaczenie w badaniu fMRI z uwagi na szybkość prezentacji10. Rozważ opóźnienie odpowiedzi hemodynamicznej między początkiem bodźca a zmierzoną reakcją mózgu (ryc. 2).
	<ol>
		<li>Utrzymuj równowagę między dostarczaniem wystarczających bodźców w rozsądnym czasie i pozwól na wystarczające próbkowanie odpowiedzi hemodynamicznej na każdy bodziec, w tym powrót do punktu wyjściowego. Pobierz, zainstaluj i uruchom oprogramowanie optseq. Uruchom optseq, aby optymalnie rozłożyć próby w eksperymencie w oparciu o liczbę prób, czas trwania bodźca i parametry skanowania (czas powtarzania i liczba objętości).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zaimplementuj kolejność bodźców (wcześniej ustaloną) w odpowiednim programie do prezentacji paradygmatu podmiotowi.
	<ol>
		<li>Określ wszystkie informacje istotne dla paradygmatu pod względem rodzaju bodźców, czasu i reakcji. 
		UWAGA: Szczegóły programowania nie są tutaj przedstawione, ponieważ każdy paradygmat będzie miał inne wymagania, podobnie jak różne pakiety oprogramowania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Skonfiguruj program, który dostarczy paradygmat eksperymentalny, tak aby uruchamiał się od wyzwalacza ze skanera. Pozwala to na synchronizację pozyskanych danych i sekwencji prezentowanych bodźców.</li>
</ol>
2. Konfiguracja środowiska eksperymentalnego
<ol>
	<li>Przygotuj pomieszczenie ze skanerem. Podłącz dolną część odpowiedniej cewki głowicy do łoża skanera. Umieść czyste pokrowce ochronne na łożu skanera i poduszkach.</li>
	<li>Użyj urządzenia wyświetlającego, aby przedstawić uczestnikowi paradygmat eksperymentalny i nagrać odpowiedzi za pomocą urządzenia przenośnego. Włącz urządzenie wyświetlające i urządzenie przenośne.</li>
	<li>Uruchom oprogramowanie, które dostarczy paradygmat eksperymentalny i podaj nazwę pliku dziennika. Plik dziennika zawiera informacje o czasie wystąpienia bodźców i reakcjach podmiotu. Te informacje służą do analizowania danych.</li>
	<li>Zarejestruj obiekt w bazie danych skanera MR. Rejestruj dane za pomocą unikalnego numeru identyfikacyjnego. Nie przechowuj imienia i nazwiska podmiotu wraz z danymi, aby zagwarantować prywatność.</li>
	<li>Upewnij się, że sekwencje MR, które mają zostać uruchomione, są skonfigurowane i gotowe. Użyj następujących sekwencji: skan lokalizacyjny w celu uzyskania pozycji głowy pacjenta wewnątrz cewki, sekwencja EPI do obrazowania funkcjonalnego i MPRAGE do skanowania strukturalnego o wysokiej rozdzielczości.</li>
</ol>
3. Przybycie podmiotu i wejście do skanera
<ol>
	<li>Przed eksperymentem należy przeprowadzić badanie przesiewowe pacjenta pod kątem przeciwwskazań za pomocą rezonansu magnetycznego (np. podczas procedury rekrutacji).
	<ol>
		<li>Przed skanowaniem należy dostarczyć instrukcje bezpieczeństwa dotyczące rezonansu magnetycznego. Przeprowadzanie badań przesiewowych pacjentów (przez przeszkolony personel). Zadbaj o bezpieczeństwo uczestników. Upewnij się, że nie mają metalu w swoim ciele, nie mają urządzeń takich jak rozruszniki serca i nie spełniają żadnych innych kryteriów wykluczenia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po przybyciu uczestników sprawdź kwestionariusz przesiewowy i potwierdź ich zgodność przed kontynuowaniem.</li>
	<li>Wyjaśnij pacjentowi procedurę eksperymentalną i zaoferuj możliwość zadawania pytań. Poproś osobę, której dane dotyczą, aby podpisała formularze zgody i ochrony danych.</li>
	<li>Jeśli eksperyment obejmuje złożone zadania wymagające treningu, zaleca się, aby badany wykonał próbę przed wejściem do skanera.</li>
	<li>Upewnij się, że obiekt jest wolny od metalu, bez żadnych monet, paska, zegarka i biżuterii. Po potwierdzeniu wpuść badanego do pomieszczenia skanera.</li>
	<li>Poproś osobę, która usiadła na łóżku skanera i miała na sobie zatyczki do uszu. Zastosowane tutaj zatyczki do uszu zapewniają ochronę przed hałasem ze skanera podczas skanowania, a także umożliwiają badaczowi bezpośrednią komunikację z obiektem z pomieszczenia kontrolnego. W niektórych obiektach do komunikacji z obiektem używane są słuchawki.</li>
	<li>Poproś osobę, aby położyła się na łóżku skanera. Zaoferuj osobie badanej poduszkę, którą przejdzie pod kolana, aby zmniejszyć ból pleców. Komfort osoby badanej jest ważny dla jej dobrego samopoczucia i jakości danych. Ruch wynikający z dyskomfortu będzie miał negatywny wpływ na dane obrazowe, a rozproszenie spowodowane dyskomfortem wpłynie na wykonanie zadania.</li>
	<li>Umieść górną część cewki głowicy nad głową fotografowanego obiektu i podłącz złącza. Umieść głowę badanego odpowiednio w cewce głowicy. Dopasuj mały marker na cewki głowicy wzdłuż brwi fotografowanych osób. Upewnij się, że obiekt leży prosto i wygodnie. Powierzchnia cewki nie powinna dotykać twarzy (np. naciskać na nos).</li>
	<li>Zabezpiecz głowę fotografowanej osoby małymi poduszkami, aby zminimalizować ruchy głowy podczas skanowania. Ruchy głowy mają negatywny wpływ na jakość danych.</li>
	<li>Umieść lustro na górze cewki głowicy, aby badany mógł zobaczyć eksperymentalny paradygmat wyświetlany na ekranie z tyłu. Upewnij się, że fotografowany obiekt widzi cały ekran. Przesuń zamontowane lustro zgodnie z pozycją fotografowanego obiektu. Osoby noszące okulary muszą nosić okulary kompatybilne z MR. Większość ośrodków badawczych MRI ma kompatybilne soczewki lub gogle. W takim przypadku zamontuj soczewki kompatybilne z MR na ramie, w której znajduje się lustro. Określ odpowiednią moc obiektywu, zanim obiekt wejdzie do pomieszczenia skanera.</li>
	<li>Przekaż testerowi przycisk połączenia alarmowego, aby zatrzymać skanowanie w razie potrzeby. Upewnij się, że fotografowana osoba wie, gdzie znajduje się przycisk i że może łatwo do niego dotrzeć.</li>
	<li>Przesuń obiekt do wejścia do otworu skanera. Poproś badanego, aby zamknął oczy podczas tej procedury. Dopasuj światło do małych oznaczeń na cewce głowicy, aby ustalić prawidłową pozycję.</li>
	<li>Przesuń obiekt do otworu skanera, aż na wyświetlaczu pojawi się "0 mm". Oznacza to, że głowa fotografowanego obiektu znajduje się w izocentrum skanera.</li>
	<li>Przekaż testerowi urządzenie reagowania.</li>
</ol>
4. Procedura eksperymentalna
<ol>
	<li>Sprawdź, czy badany słyszy eksperymentatora przez interkom i czy pacjent czuje się komfortowo i jest gotowy do rozpoczęcia.</li>
	<li>Wykonaj skanowanie lokalizacyjne, aby uzyskać pozycję głowy fotografowanej osoby w skanerze. Użyj tego, aby ustawić pole widzenia wszystkich pozostałych pomiarów, aby określić części mózgu, które mają być mierzone.</li>
	<li>Najpierw wykonaj skanowanie strukturalne w wysokiej rozdzielczości. Otwórz sekwencję/program MPRAGE i ustaw pole widzenia. Upewnij się, że cała głowa fotografowanej osoby znajduje się w polu widzenia. Parametry MP-RAGE: TR/TE = 2,250 / 3,03 ms, kąt odwrócenia = 9°, 176 warstw strzałkowych, FOV 256 x 256 mm, matryca 64 x 64, rozmiar woksela 1 x 1 x 1 mm).</li>
	<li>Poinformuj badany, że rozpocznie się skanowanie, a następnie rozpocznij pomiar.</li>
	<li>Wykonaj funkcjonalny skan MRI.
	<ol>
		<li>Otwórz sekwencję EPI na komputerze skanera i wyrównaj pole widzenia tak, aby obejmowało cały mózg. Parametry EPI: 33 warstwy, grubość plastra 3 mm, FOV 200 x 200 mm, matryca 64 x 64, czas powtarzania 2 000 ms, czas echa 30 ms, kąt odwrócenia 79°.</li>
		<li>Uruchom pojedynczy pomiar testowy objętości. Upewnij się, że cała (lub jak największa) część mózgu osoby badanej znajduje się w polu widzenia. 
		UWAGA: Obiekty mają różne kształty i rozmiary głów (i mózgów). W związku z tym optymalnie ustaw pole widzenia dla każdego obiektu.</li>
		<li>Skopiuj sekwencję fMRI, tak aby ustawione pole widzenia pozostało takie samo dla następnego pomiaru. Wprowadź liczbę objętości wymaganą do pomiaru, w tym przypadku 304.</li>
		<li>Upewnij się, że oprogramowanie prezentujące paradygmat czeka na wyzwolenie ze skanera. Paradygmat nie uruchomi się bez wyzwalacza ze skanera, dzięki czemu można go załadować i ustawić tak, aby czekał.</li>
		<li>Poinformuj osobę badaną, że eksperyment ma się rozpocząć. Rozpocznij pomiar.</li>
		<li>Sprawdź, czy oprogramowanie prezentujące paradygmat uruchamia się w odpowiednim momencie (tj. czy jest uruchamiane przez skaner).</li>
		<li>Wykonaj trzy wersje dziwnego zadania. Pasywny, Licz i Reaguj.</li>
		<li>Porozmawiaj z osobą w przerwie między biegami, aby dodać otuchy. Zadbaj o ich komfort. Zapytaj, czy osoba badana pozwala na kontynuowanie studium. Poinstruuj temat nadchodzącego zadania.</li>
		<li>Najpierw uruchom stan pasywny, aby zapewnić prawdziwe bierne widzenie bez wiedzy, że bodźce docelowe są rzeczywiście bodźcami docelowymi. Zrównoważ kolejność liczenia i warunki odpowiedzi między obiektami, aby zapobiec efektom kolejności.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Koniec eksperymentu
<ol>
	<li>Poinformuj badanego, że eksperyment został zakończony, wejdź do pomieszczenia skanera.</li>
	<li>Wysuń obiekt ze skanera.</li>
	<li>Usuń cewkę głowicy i poduszki.</li>
	<li>Poproś osobę, aby powoli usiadła. Gdy poczują się komfortowo, obiekt może wstać i opuścić pomieszczenie skanera.</li>
	<li>Zarządzaj wszelkimi kwestionariuszami/dokumentami, które należy wypełnić po eksperymencie</li>
	<li>Przedstaw uczestnikowi wyjaśnienie na temat celów i celu badania, jeśli nie było to w pełni możliwe przed eksperymentem i zaoferuj mu możliwość zadawania pytań</li>
</ol>
6. Analiza danych
<ol>
	<li>Użyj pakietu oprogramowania, który jest odpowiedni do analizy danych fMRI. Wykonaj analizę danych pierwszego poziomu dla każdego tematu i każdego warunku osobno. 
	UWAGA: Użyj biblioteki oprogramowania FMRIB (FSL) do analizy danych fMRI.</li>
	<li>Zastosuj standardowe kroki przetwarzania wstępnego, aby przygotować dane do dalszej analizy. 
	UWAGA: Zastosuj następujące kroki: korekcja ruchu, korekcja czasu warstw, współrejestracja danych strukturalnych i funkcjonalnych, wygładzanie przestrzenne, filtrowanie czasowe górnoprzepustowe, normalizacja przestrzeni indywidualnej do standardowej (np. MNI). Podsumowanie tych kroków można znaleźć w podręcznikach fMRI Huettel i in., (2008)9 oraz Jezzard i wsp., (2001)11. Szczegółowe informacje na temat wykonywania etapów przetwarzania wstępnego są dostępne na stronie internetowej oraz w dokumentacji pomocniczej dla każdego pakietu oprogramowania.</li>
	<li>Na potrzeby analizy statystycznej należy określić czas rozpoczęcia i czas trwania wszystkich zdarzeń. Są one nazywane zmiennymi objaśniającymi (EV) lub regresorami.</li>
	<li>Ustaw kontrasty, aby określić, które pojazdy elektryczne są porównywane. Aby zidentyfikować aktywację BOLD specyficzną dla wykrywania bodźców docelowych, ustaw następujący kontrast: bodźce docelowe > niedocelowe. 
	UWAGA: Opcjonalnie użyj innych kontrastów: bodźce docelowe w stosunku do linii bazowej; bodźce niedocelowe w stosunku do wartości wyjściowej; bodźce docelowe > bodźce niedocelowe; bodźce niedocelowe > bodźce docelowe</li>
	<li>Wykonaj analizę statystyczną pierwszego poziomu dla każdego przedmiotu i każdego warunku z osobna. Wyniki analizy pokazują aktywne regiony mózgu dla każdego z odpowiednich kontrastów.</li>
	<li>Porównaj te trzy warunki za pomocą analiz drugiego poziomu lub na poziomie grupy. Użyj danych wyjściowych analizy pierwszego poziomu jako danych wejściowych dla analizy na poziomie grupy. 
	UWAGA: W oryginalnej pracy7 różnice między warunkami na celu > częstym kontrastem przy użyciu konstrukcji potrójnej różnicy dwóch grup obejmującej następujące kontrasty: reaguj > pasywny, licz > pasywny, reaguj > licz. Kontrasty te ujawniają aktywność mózgu związaną ze zmiennością procesów poznawczych w trzech modalnościach reakcji.</li>
</ol>

<ol><li>Squires, N. K., Squires, K. C., Hillyard, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two+varieties+of+long-latency+positive+waves+evoked+by+unpredictable+auditory+stimuli+in+man%5BTitle%5D)+AND+%22Electroencephalography+and+clinical+neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Two varieties of long-latency positive waves evoked by unpredictable auditory stimuli in man.</a> Electroencephalography and clinical neurophysiology. 38, 387-401 (1975).</li>
<li>Polich, J., Criado, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuropsychology+and+neuropharmacology+of+P3a+and+P3b%5BTitle%5D)+AND+%22International+journal+of+psychophysiology+%3A+official+journal+of+the+International+Organization+of+Psychophysiology%22%5BJournal%5D)">Neuropsychology and neuropharmacology of P3a and P3b.</a> International journal of psychophysiology : official journal of the International Organization of Psychophysiology. 60, 172-185 (2006).</li>
<li>Turetsky, B. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurophysiological+endophenotypes+of+schizophrenia%3A+the+viability+of+selected+candidate+measures%5BTitle%5D)+AND+%22Schizophrenia+bulletin%22%5BJournal%5D)">Neurophysiological endophenotypes of schizophrenia: the viability of selected candidate measures.</a> Schizophrenia bulletin. 33, 69-94 (2007).</li>
<li>Mobascher, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+P300+event-related+potential+and+smoking--a+population-based+case-control+study%5BTitle%5D)+AND+%22International+journal+of+psychophysiology+%3A+official+journal+of+the+International+Organization+of+Psychophysiology%22%5BJournal%5D)">The P300 event-related potential and smoking--a population-based case-control study.</a> International journal of psychophysiology : official journal of the International Organization of Psychophysiology. 77, 166-175 (2010).</li>
<li>Li, L., Gratton, C., Fabiani, M., Knight, R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Age-related+frontoparietal+changes+during+the+control+of+bottom-up+and+top-down+attention%3A+an+ERP+study%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiology+of+aging%22%5BJournal%5D)">Age-related frontoparietal changes during the control of bottom-up and top-down attention: an ERP study.</a> Neurobiology of aging. 34, 477-488 (2013).</li>
<li>Kirino, E., Belger, A., Goldman-Rakic, P., McCarthy, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prefrontal+activation+evoked+by+infrequent+target+and+novel+stimuli+in+a+visual+target+detection+task%3A+An+event-related+functional+magnetic+resonance+imaging+study%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Prefrontal activation evoked by infrequent target and novel stimuli in a visual target detection task: An event-related functional magnetic resonance imaging study.</a> Journal of Neuroscience. 20, 6612-6618 (2000).</li>
<li>Warbrick, T., Reske, M., Shah, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+EEG+paradigms+work+in+fMRI%3F+Varying+task+demands+in+the+visual+oddball+paradigm%3A+Implications+for+task+design+and+results+interpretation%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Do EEG paradigms work in fMRI? Varying task demands in the visual oddball paradigm: Implications for task design and results interpretation.</a> Neuroimage. 77, 177-185 (2013).</li>
<li>Warbrick, T., Arrubla, J., Boers, F., Neuner, I., Shah, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Attention+to+Detail%3A+Why+Considering+Task+Demands+Is+Essential+for+Single-Trial+Analysis+of+BOLD+Correlates+of+the+Visual+P1+and+N1%5BTitle%5D)+AND+%22J+Cogn+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Attention to Detail: Why Considering Task Demands Is Essential for Single-Trial Analysis of BOLD Correlates of the Visual P1 and N1.</a> J Cogn Neurosci. 26, 529-542 (2014).</li>
<li>Huettel, S. A., Song, A. W., McCarthy, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHuettel%2C+SA+%22Functional+magnetic+resonance+imaging%22">Functional magnetic resonance imaging</a>. , 2nd, Sinauer Associates. (2008).</li>
<li>Miezin, F. M., Maccotta, L., Ollinger, J. M., Petersen, S. E., Buckner, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterizing+the+hemodynamic+response%3A+effects+of+presentation+rate%2C+sampling+procedure%2C+and+the+possibility+of+ordering+brain+activity+based+on+relative+timing%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Characterizing the hemodynamic response: effects of presentation rate, sampling procedure, and the possibility of ordering brain activity based on relative timing.</a> Neuroimage. 11, 735-759 (2000).</li>
<li>Jezzard, P., Matthews, P. M., Smith, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJezzard%2C+P+%22Functional+Magnetic+Resonance+Imaging%3A+An+Introduction+to+Methods%22">Functional Magnetic Resonance Imaging: An Introduction to Methods</a>. , Oxford University Press. (2001).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Pokazujemy, że manipulowanie wymaganiami zadania w wizualnym dziwacznym zadaniu skutkuje różnymi wzorcami aktywacji BOLD w warunkach liczenia i odpowiadania . Role funkcjonalne niektórych regionów zaangażowanych w każdy warunek zostałyby niewłaściwie przypisane, gdyby dane z trzech wersji zadania nie były dostępne do porównania. Ta niejednoznaczność w interpretacji danych niekoniecznie miałaby miejsce w dziedzinie EEG P300, gdzie zadanie to ma swój początek, co podkreśla potrzebę szczególnej uwagi przy ...

Wraz z rozwojem metod neuronauki kognitywnej, stosowane są zadania eksperymentalne z nowymi metodami obrazowania mózgu. Jest to logiczny postęp, ponieważ większość koncepcji neuropsychologicznych (np. odrębne podkomponenty pamięci) została zbadana w domenie behawioralnej, a odpowiednie zadania eksperymentalne do badania określonych funkcji zostały opracowane i przetestowane. Wraz z pojawieniem się nowej technologii poszukuje się dowodów na neuronalne podstawy tych obserwacji behawioralnych za pomocą nowych metod obrazowania mózgu. Chociaż może być kuszące, aby po prostu czerpać z dobrze przestudiowanych zadań behawioralnych w badaniach obrazowych, należy wziąć pod uwagę kilka ważnych zastrzeżeń. Jedną z kluczowych, choć często zaniedbywanych, kwestii jest zastosowanie najbardziej odpowiedniej techniki obrazowania w celu dalszego zbadania dowodów behawioralnych. Jeśli chodzi o neuronaukę poznawczą i psychologię, dostępnych jest wiele metod obrazowania mózgu, które poszerzają nasze zrozumienie aktywności neuronalnej leżącej u podstaw interesujących pojęć; na przykład elektroencefalografia (EEG), magnetoencefalografia (MEG), przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS), funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) i pozytonowa tomografia emisyjna (PET). Wszystkie te metody mają swoje zalety, wady i odpowiednie zastosowania. W tym miejscu rozważane jest przeniesienie paradygmatu z długą historią eksperymentów behawioralnych i EEG do eksperymentu fMRI. EEG jest wykorzystywane od dziesięcioleci do badania odpowiedzi neuronalnych związanych z procesami percepcyjnymi i poznawczymi. W związku z tym opracowano wiele paradygmatów do stosowania z tą metodą, które ewoluowały z czasem. Funkcjonalny rezonans magnetyczny to technika, która pojawiła się niedawno w neuronauce poznawczej, co doprowadziło do zastosowania niektórych paradygmatów opracowanych w badaniach EEG w fMRI. Opieranie się na wiedzy z eksperymentów EEG z nowymi technikami jest logicznym krokiem, niemniej jednak niektóre ważne punkty mogą zostać pominięte w transferze. Techniki są bardzo różne, a zadania muszą być odpowiednio zaprojektowane. Wymaga to wiedzy na temat tego, jak działa metoda, a w szczególności, w jaki sposób potencjalne modulacje zastosowanego paradygmatu wpłyną na podjęte środki. W celu uzyskania dalszych informacji na temat projektowania eksperymentów fMRI zainteresowany czytelnik jest kierowany pod następujący link: <a href="http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency">http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency</a>. Projekt zadania będzie rozpatrywany w kontekście przeniesienia paradygmatu opracowanego na potrzeby badań EEG do środowiska fMRI. Cele tego artykułu są następujące: i) krótkie opisanie fMRI i kiedy jego zastosowanie jest właściwe w neuronauce poznawczej; ii) zilustrowanie, w jaki sposób projekt zadania może wpłynąć na wyniki eksperymentu fMRI, zwłaszcza gdy zadanie to jest zapożyczone z innej metody obrazowania; oraz iii) wyjaśnienie praktycznych aspektów przeprowadzania eksperymentu fMRI.
Funkcjonalny rezonans magnetyczny jest obecnie powszechnie dostępną techniką i jako taka jest powszechną metodą stosowaną w neuronauce kognitywnej. Aby podjąć decyzję, czy technika jest odpowiednia dla danego eksperymentu, należy rozważyć zalety i wady fMRI w odniesieniu do innych dostępnych technik. Wadą tej metody jest to, że nie jest ona bezpośrednią miarą aktywności neuronalnej, a raczej korelatem aktywności neuronalnej w tym sensie, że odpowiedź metaboliczna (zapotrzebowanie na tlen) zbiegła się z odpowiedzią hemodynamiczną. W związku z tym jego rozdzielczość czasowa jest słaba w porównaniu na przykład z elektrofizjologią, gdzie zmierzony sygnał elektryczny jest bliższy podstawowej aktywności neuronalnej, a nie odpowiedzi metabolicznej. EEG ma rozdzielczość czasową rzędu milisekund w porównaniu do rozdzielczości rzędu sekund w fMRI. Jednak główną zaletą fMRI jest to, że rozdzielczość przestrzenna tej techniki jest doskonała. Ponadto jest nieinwazyjny, a zatem badani nie muszą spożywać substancji, takich jak środki kontrastowe, ani być narażeni na promieniowanie, jak miałoby to miejsce w przypadku pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Dlatego fMRI jest odpowiednią techniką do eksperymentów badających, które regiony mózgu są zaangażowane w percepcję, poznanie i zachowanie.
W tym artykule paradygmat wizualnego dziwactwa jest traktowany jako przykład przeniesienia dobrze znanego zadania EEG do fMRI (szczegóły na rysunku 1). Należy zauważyć, że omawiane kwestie mogą również wpływać na wyniki i interpretację danych, gdy stosowane są inne paradygmaty i z technicznego punktu widzenia powinny być uwzględniane przy projektowaniu wszystkich eksperymentów fMRI. Paradygmat dziwaka jest często używany w psychologii i neuronauce poznawczej do oceny uwagi i skuteczności wykrywania celów. Paradygmat ten został opracowany w badaniach EEG, a konkretnie nad potencjałami związanymi ze zdarzeniami (ERP), w celu zbadania tzw. komponentu1 P300. P300 reprezentuje wykrywanie celu i jest wywoływany po rozpoznaniu rzadkiego bodźca docelowego1. P300 jest stosowany w badaniach w wielu dziedzinach poznawczych i klinicznych2 , np. u pacjentów ze schizofrenią i ich krewnych3, nałogowych palaczy4 i starzejącej się populacji5. Biorąc pod uwagę, że dziwaczny paradygmat (i P300 wywołany przez paradygmat) jest solidny i jest również modulowany przez różne stany chorobowe, jego transfer między różnymi modalnościami obrazowania był nieunikniony.
Powszechna aktywacja obserwowana w mózgu podczas dziwacznego pomiaru fMRI jest znana jako wynik wielu funkcji poznawczych, jak wykazały liczne badania fMRI badające inne koncepcje poznawcze. Ta powszechna natura wzorca aktywacji sprawia, że trudno jest określić, które regiony mózgu są bardziej (lub mniej) aktywne ze względu na specyficzne manipulacje zadaniami lub różnice grupowe, którymi eksperymentator jest zainteresowany. W szczególności nie jest pewne, czy zaobserwowane różnice w aktywacji są związane z samym wykrywaniem celu, z procesami związanymi z uwagą, czy też są związane z innymi wymaganiami zadań, takimi jak trwające procesy pamięci roboczej lub procesy związane z wytwarzaniem odpowiedzi motorycznej. Proces przypisywania funkcji mierzonej aktywności jest łatwiejszy w dziedzinie EEG, gdzie komponent poznawczy będący przedmiotem zainteresowania (wykrywanie celu) jest mierzony w wyraźnej odpowiedzi mózgowej na dziwne zadanie (P300). Niemniej jednak neuronaukowcy mają tendencję do interpretowania swoich ustaleń na korzyść własnej hipotezy i eksperymentu, zamiast wkładać wysiłek w wykluczenie alternatywnych wyjaśnień. Większość eksperymentów nie będzie jednak w stanie samodzielnie rozwiązać tych ważnych pytań – czas skanowania jest kosztowny – dlatego opowiadamy się za dokładnym planowaniem i testowaniem paradygmatów.
Oprócz tej trudności w ustaleniu bezpośredniego związku między regionami mózgu a komponentami poznawczymi, natura dziwacznego paradygmatu stwarza również inne możliwe problemy metodologiczne podczas przenoszenia do fMRI. Na przykład wykrycie bodźca docelowego jest zwykle sygnalizowane przez naciśnięcie przycisku odpowiedzi. Pozwala to eksperymentatorowi rejestrować dokładność i szybkość odpowiedzi, ale ta odpowiedź może również wpływać na odpowiedź fMRI BOLD na bodźce docelowe. Działanie motoryczne wymagane do naciśnięcia przycisku wpływa na aktywację fMRI zablokowaną przez bodziec, biorąc pod uwagę, że dzieje się to zaledwie kilkaset milisekund po prezentacji bodźca docelowego. Może to również wpływać na interpretację tej aktywacji, na przykład obszary mózgu zaangażowane w przygotowanie do reakcji motorycznej mogą być błędnie zakładane, że są zaangażowane w wykrywanie bodźca docelowego i odwrotnie. Doprowadziło to do modyfikacji metodologicznych, w ramach których podejmowane są pośrednie pomiary wykrywania celów, nieoparte na reakcjach motorycznych. Na przykład zaproponowano zliczanie bodźców docelowych6 jako sposób na upewnienie się, że badani utrzymują uwagę na zadaniu; Liczba pominiętych badań może wskazywać na to, jak nieuważny był badany. Raportowanie liczby bodźców zliczonych na koniec zadania oznacza również, że eksperymentator może sprawdzić, czy badany wykonał zadanie poprawnie. Trzecią alternatywą jest użycie w pełni pasywnego projektu zadania, w którym badany nie otrzymuje żadnych instrukcji, jak zareagować, a nowość bodźca docelowego zakłada się, że z natury wywołuje reakcję podobną do wykrywania celu. Pomimo tego, że te wersje zadania wykorzystują ten sam rodzaj bodźców i podstawową konstrukcję, wzorzec aktywacji wynikający z każdej odmiany zadania będzie inny, ponieważ wymagania poznawcze i motoryczne zadań są różne7,8. Na przykład będą istniały procesy pamięci roboczej zaangażowane w zliczanie bodźców docelowych, np. mając na uwadze aktualną liczbę bodźców docelowych, które nie będą wymagane podczas biernego oglądania. Tutaj te 3 wersje dziwnego zadania, pasywnego, liczenia i odpowiedzi są używane, aby pokazać, jak staranne projektowanie i implementacja zadania może uwzględnić te zmiany w wymaganiach zadania i umożliwić odpowiednią interpretację wyników.

<table><tbody><tr><td>Skaner MRI Magnetom Tim Trio 3 T</td><td>Siemens Medical Solutions, Erlangen, Niemcy&nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wersja prezentacji 14.8</td><td>System neurobehawioralny, Albany, CA, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Urządzenie Lumitouch</td><td>Photon Control Inc, Burnaby, BC, Kanada</td><td></td><td>To urządzenie nie jest już produkowane przez producenta. Dostępne są alternatywne urządzenia do reagowania MR.</td></tr><tr><td>Wyświetlacz TFT</td><td>Apple, Cupertino, CA, USA</td><td>30-calowy wyświetlacz kinowy</td><td>Ekran został zmodyfikowany wewnętrznie, aby był kompatybilny z MR. Na rynku dostępnych jest jednak wiele ekranów kompatybilnych z MR.</td></tr><tr><td>Program Optseq</td><td></td><td>surfer.nmr.mgh.harvard.edu/optseq</td><td>do określania optymalnego czasu bodźca dla projektów związanych z szybkimi zdarzeniami</td></tr><tr><td>Biblioteka oprogramowania FMRIB (FSL)</td><td>FMRIB, Oxford</td><td>http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/</td> <td>Dostępne są inne narzędzia programowe do analizy danych fMRI, na przykład SPM, AFNI i Brain Voyager.</td></tr></tbody></table>

przenoszenie zadań poznawczych między modalnościami obrazowania mózgu: implikacje dla projektowania zadań i interpretacji wyników w badaniach fmri

Transferring Cognitive Tasks Between Brain Imaging Modalities: Implications for Task Design and Results Interpretation in fMRI Studies

Wraz z rozwojem metod neuronauki kognitywnej, stosowane są zadania eksperymentalne z nowymi metodami obrazowania mózgu. Tutaj rozważane jest przeniesienie paradygmatu (zadania wizualnego) z długą historią eksperymentów behawioralnych i elektroencefalografii (EEG) do eksperymentu funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Celem tego artykułu jest krótkie opisanie fMRI i kiedy jego zastosowanie jest właściwe w neuronauce poznawczej; zilustrowanie, w jaki sposób projekt zadania może wpłynąć na wyniki eksperymentu fMRI, zwłaszcza gdy zadanie to jest zapożyczone z innej metody obrazowania; wyjaśnić praktyczne aspekty przeprowadzenia eksperymentu fMRI. Wykazano, że manipulowanie wymaganiami zadania w wizualnym zadaniu dziwacznym skutkuje różnymi wzorcami aktywacji zależnej od poziomu tlenu we krwi (BOLD). Charakter pomiaru fMRI BOLD oznacza, że wiele obszarów mózgu jest aktywnych w określonym zadaniu. Określenie funkcji tych obszarów aktywacji jest w dużym stopniu zależne od projektu i analizy zadań. Złożony charakter wielu zadań fMRI oznacza, że szczegóły zadania i jego wymagania wymagają starannego rozważenia podczas interpretacji danych. Dane pokazują, że jest to szczególnie ważne w zadaniach opierających się na reakcji motorycznej, a także na elementach poznawczych, oraz że w miarę możliwości należy brać pod uwagę reakcje ukryte i jawne. Co więcej, dane pokazują, że przeniesienie paradygmatu EEG do eksperymentu fMRI wymaga starannego rozważenia i nie można zakładać, że ten sam paradygmat będzie działał równie dobrze we wszystkich modalnościach obrazowania. W związku z tym zaleca się, aby projekt badania fMRI został przetestowany pod kątem behawioralnym w celu ustalenia interesujących efektów, a następnie przetestowany pilotażowo w środowisku fMRI, aby zapewnić odpowiednie zaprojektowanie, wdrożenie i analizę efektów będących przedmiotem zainteresowania.

Metoda stymulacji i analizy wywołała aktywację BOLD w obszarach mózgu związanych z wizualnym zadaniem oddball. Kontrast cel &gt; nie-cel nie wykazał aktywacji w warunku pasywnym, natomiast wykazał aktywację zarówno w warunku liczenia, jak i odpowiadania (Rysunek 3). Dane przedstawione na Rysunku 3 stanowią jakościowe porównanie warunków liczenia i odpowiadania i pokazują, jak wyglądałyby wzorce aktywacji, gdyby każda wersja zadania była wykonywana w izolacji.
...

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

As cognitive neuroscience methods develop, established experimental tasks are used with emerging brain imaging modalities. Here transferring a paradigm ...

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest pokazanie, w jaki sposób projektowanie zadań może wpływać na interpretację wyników w badaniach FMRI, szczególnie w przypadku przyjmowania paradygmatów z innych modalności obrazowania. Osiąga się to poprzez wybór najpierw odpowiedniego zadania dla poznawczego lub psychologicznego konstruktu będącego przedmiotem zainteresowania, w tym przypadku paradygmatu wizualnego dziwaka. Drugi krok polega na zaprojektowaniu trzech różnych wersji zadania wizualnego przy użyciu tych samych bodźców, co spowoduje, że ochotnik zmodyfikuje swoje zachowanie podczas skanowania FMRI.Następnie dane FMRI są analizowane w celu ilościowej oceny różnic w aktywacji mózgu między wersjami zadań. Uzyskano wyniki, które pokazują, w jaki sposób można różnicować procesy poznawcze i motoryczne w oparciu o odpowiedni projekt eksperymentalny i analizę danych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie neuronauki poznawczej, takie jak identyfikacja podstawowych substratów neuronalnych ludzkiej percepcji, poznania i zachowania.Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy zdaliśmy sobie sprawę, że interpretacja własnych wyników w odniesieniu do istn

transferring-cognitive-tasks-between-brain-imaging-modalities

Research

JoVE Journal

Behavior

Zachowanie

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

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

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

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

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) jest techniką nieinwazyjnej stymulacji mózgu. Z powodzeniem stosuje się go w badaniach podstawowych i warunkach klinicznych do modulowania funkcji mózgu u ludzi. W artykule opisano implementację tDCS i jednoczesnego funkcjonalnego obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) w celu zbadania neuronalnych podstaw efektów tDCS.

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym i jednoczesne funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego

Prezentujemy metodę porównywania funkcjonalnej aktywności mózgu zarejestrowanej podczas zadania naturalistycznego przy użyciu fNIRS z aktywnością zarejestrowaną podczas fMRI.

Walidacja fMRI pomiarów fNIRS podczas zadania naturalistycznego

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

Metoda obrazowania multimodalnego EEG-fMRI, znana jako metoda obrazowania źródła EEG ograniczona czasoprzestrzennie za pomocą fMRI, jest opisana tutaj. Przedstawiona metoda wykorzystuje warunkowo aktywne submapy fMRI lub wcześniejsze mapy, aby pokierować lokalizacją źródła EEG w sposób, który poprawia specyficzność przestrzenną i ogranicza błędne wyniki.

Jednoczesny zapis EEG i funkcjonalny rezonans magnetyczny oraz analiza integracji w celu dynamicznego obrazowania aktywności kory mózgowej

Opisujemy analizę eksperymentu z funkcjonalną spektroskopią bliskiej podczerwieni z wykorzystaniem konstrukcji blokowej z zadaniem sensomotorycznym. Aby zwiększyć wiarygodność analizy danych, zastosowaliśmy jakościowe ogólne mapowanie parametryczne oparte na ogólnym modelu liniowym oraz porównawcze hierarchiczne modele mieszane dla wielu kanałów.

Jakościowe i porównawcze analizy danych dotyczących aktywności kory mózgowej z eksperymentu funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni z zastosowaniem projektowania blokowego

Pokazujemy, jak obiektywna miara może być zastosowana w powszechnie stosowanym paradygmacie iluzji gumowej ręki. Miara ta jest uzyskiwana przez modyfikację dobrze ugruntowanego zadania kongruencji intermodalnej. Zadanie to pozwala na zbadanie procesów multisensorycznych, które są krytyczne dla modulacji reprezentacji ciała, jak w iluzji gumowej ręki.

Zadanie kongruencji intermodalnej jako sposób na uzyskanie obiektywnej miary behawioralnej w paradygmacie iluzji gumowej ręki

Poznaj wpływ projektowania zadań na wyniki fMRI, analizując trzy wersje zadania visual oddball. Dowiedz się, jak różne wymagania zadania zmieniają wzorce aktywacji BOLD i pozwalają rozróżnić procesy poznawcze od motorycznych.

Przenoszenie zadań poznawczych między modalnościami obrazowania mózgu: implikacje dla projektowania zadań i interpretacji wyników w badaniach fMRI (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów