Перенос познавательных задач между мозгом визуализации методах: последствия для дизайна целевой и интерпретации результатов в МРТ исследований

Summary

Рассматривается перенос парадигмы с историей использования в экспериментах ЭЭГ на эксперимент с фМРТ. Показано, что манипулирование требованиями задачи в визуальной чудаковатой задаче привело к различным паттернам активации BOLD и проиллюстрировало, как дизайн задачи имеет решающее значение в экспериментах с фМРТ.

Abstract

По мере развития методов когнитивной нейронауки используются установленные экспериментальные задачи с новыми методами визуализации мозга. Здесь рассматривается перенос парадигмы (визуальной чудаковатой задачи) с долгой историей экспериментов по поведенческой и электроэнцефалографии (ЭЭГ) на эксперимент с функциональной магнитно-резонансной томографией (фМРТ). Цели данной статьи заключаются в том, чтобы кратко описать фМРТ и определить, когда ее использование целесообразно в когнитивной нейронауке; проиллюстрировать, как дизайн задачи может повлиять на результаты эксперимента с фМРТ, особенно когда эта задача заимствована из другого метода визуализации; объяснить практические аспекты проведения эксперимента по фМРТ. Показано, что манипулирование требованиями задачи в визуальной чудаковатой задаче приводит к различным паттернам активации, зависящей от уровня кислорода в крови (BOLD). Характер измерения БЭНД с помощью фМРТ означает, что многие области мозга активны при выполнении определенной задачи. Определение функций этих областей активации в значительной степени зависит от разработки и анализа задачи. Сложный характер многих задач фМРТ означает, что детали задачи и ее требования требуют тщательного рассмотрения при интерпретации данных. Данные показывают, что это особенно важно в тех задачах, которые полагаются на двигательную реакцию, а также на когнитивные элементы, и что скрытые и явные реакции должны быть рассмотрены там, где это возможно. Кроме того, данные показывают, что перенос парадигмы ЭЭГ в эксперимент с фМРТ требует тщательного рассмотрения, и нельзя предполагать, что одна и та же парадигма будет одинаково хорошо работать при всех модальностях визуализации. В связи с этим рекомендуется, чтобы дизайн исследования фМРТ был экспериментально протестирован на поведенческих условиях для установления интересующих эффектов, а затем испытан в среде фМРТ для обеспечения надлежащего дизайна, реализации и анализа интересующих эффектов.

Introduction

Как когнитивные методы нейронаук развивать, установленные экспериментальные задачи используются с новыми методами визуализации мозга. Это является логическим продолжением, так как большинство нейропсихологические понятия (например, отличается памяти субкомпонентов) были исследованы в поведенческой области и соответствующих экспериментальных задач для зондирования определенные функции были разработаны и испытаны. Поскольку новая технология выходит доказательств для нейронных основ этих поведенческих наблюдений ищется с новыми методами визуализации мозга. Хотя это может быть заманчиво просто нарисовать на хорошо изученных поведенческие задачи для визуальных исследований, несколько важных предостережений должны быть приняты во внимание. Одним из важнейших, хотя часто пренебрегают, фактором является использование наиболее подходящего метода визуализации для дальнейшего исследовать поведенческие доказательства. С точки зрения когнитивной неврологии и психологии существует много методов визуализации головного мозга, доступные для повышения нашего понимания нейронной Activность, лежащая в основе концепции интерес; например электроэнцефалографии (ЭЭГ), магнитоэнцефалографии (МЭГ), транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Все эти методы имеют свои преимущества, недостатки и соответствующие приложения. Здесь передаче парадигму с долгой историей поведенческих и ЭЭГ экспериментов в эксперименте МРТ считается. ЭЭГ была использована в течение многих десятилетий, чтобы исследовать ответы нейронных связанные с восприятия и познавательных процессов. Таким образом, многие парадигмы были разработаны для использования с этим методом и со временем претерпевают изменения. Функциональная МРТ является метод, который появился совсем недавно в когнитивной нейронауки, и это привело к некоторым парадигм, разработанных в исследовании ЭЭГ используются в фМРТ. Чтобы построить на базе знаний от экспериментов ЭЭГ с новыми методами является логичным шагом, но, тем не менее некоторые важные моменты, можно пренебречь в передаче. Методывновь очень разные, и задачи должны быть разработаны соответствующим образом. Это требует знаний о том, как работает метод и, в частности, как потенциальные модуляции парадигмы используется повлияет принятые меры. Для получения дополнительной информации о проектировании МРТ экспериментов заинтересованный читатель относится к следующей ссылке http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Дизайн Целевая будет рассматриваться в контексте передачи парадигму разработанный для исследования ЭЭГ в окружающую среду МРТ. Целями данной работы являются: я) кратко описать фМРТ и когда его использование уместно в когнитивной неврологии; II), чтобы показать, как дизайн задача может повлиять на результаты эксперимента МРТ, особенно, когда эта задача заимствован из другого изображения модальности; и в) объяснить практические аспекты проведения экспериментов фМРТ.

Функциональная МРТ теперь широко доступны техничIQUE и как таковой является распространенным методом, используемым в когнитивной нейронауки. Для того, чтобы принять решение относительно того, является ли метод подходит для конкретного эксперимента преимущества и недостатки МРТ необходимо учитывать по отношению к другим имеющимся методам. Недостатком метода является то, что это не является прямой мерой нейронной активности, а это коррелят нейронной активности в этом метаболический ответ (потребности в кислороде) свернут с гемодинамики ответ. Таким образом, его временное разрешение бедна по сравнению с электрофизиологических, например, если измеренное электрический сигнал ближе к базовой нейронной активности, а не метаболической реакции. ЭЭГ имеет временное разрешение в порядка миллисекунд по сравнению с разрешением в порядке секунд в фМРТ. Однако главное преимущество МРТ является то, что пространственное разрешение метода является превосходным. Кроме того, он является неинвазивным и, таким образом, испытуемые не должны поглощать вещества, такие как COntrast агенты или подвергаться воздействию радиации, как было бы в случае, в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Поэтому, МРТ является подходящим методом для экспериментов по исследованию которой области мозга участвуют в восприятии, познания и поведения.

В данной работе визуальный чудаком парадигма в качестве примера для передачи устоявшейся ЭЭГ-задачи в фМРТ (рисунок 1 для деталей). Следует отметить, что вопросы обсуждались также может повлиять на результаты и интерпретацию данных, когда другие парадигмы используются и должны технически рассматривать в оформлении всех экспериментах МРТ. Чудак парадигма часто используется в психологии и когнитивной нейронауки оценить внимание и целевой эффективности обнаружения. Парадигма была разработана в исследованиях ЭЭГ, специально событий, связанных потенциалов (ССП), для исследования так называемого компонента P300 ^1. P300 представляет обнаружение целей и вызвали после признаниянечастый целевой стимул ^1. P300 используется в исследованиях по ряду когнитивных и клинических областях ² например, пациентов с шизофренией и их родственников ^3, заядлых курильщиков ⁴ и стареющего населения ^5. Учитывая, что чудак парадигма (и P300 вызванное парадигмы) является надежной и также модулируется различными болезненными состояниями, передача ее в разных методов визуализации было неизбежно.

Широкое активации видно в головном мозге в течение чудаком измерения МРТ, как известно, результатом нескольких когнитивных функций, как показано на многочисленных исследований МРТ зондирующих другие когнитивные концепции. Этот широко распространенный характер узора активации делает его трудно определить, какие области мозга более (или менее) активно в силу специфических манипуляций групп или групповых различий, что экспериментатор заинтересована в. Частности, он не уверен, является ли наблюдаемые различия в Actiканцами связаны с целевой сам обнаружение, чтобы внимания процессов, связанных, или же они связаны с другими требованиями задач, таких как текущие процессы, работающих памяти или процессов, связанных с производством в двигательной реакции. Процесс присвоения функцию измеренной активности легче в области, где ЭЭГ когнитивный компонент интерес (обнаружения цели) измеряется в открытом головного ответ на чудаком задачи (P300). Тем не менее, неврологи склонны интерпретировать свои выводы в пользу своей гипотезы и эксперимента, а не положить в усилиях, чтобы исключить альтернативные объяснения. Большинство экспериментов, однако, не сможет решить эти важные вопросы по своей сути - время сканирования является дорогостоящим - и именно поэтому мы считаем, для тщательного планирования и пилотного тестирования парадигм.

Кроме этого затруднения в установлении прямой связи между регионами головного мозга и когнитивных компонентов, характер чудаком парадигмы такжепредставлены другие возможные методологические вопросы при переходе на МРТ. Например, обнаружение целевого стимула обычно указывается при нажатии на кнопку ответа. Это позволяет экспериментатор записать точность и скорость ответов, но этот ответ может также повлиять на мощной поддержки МРТ целевой стимулы. Двигатель действий не требуется для воздействия кнопку пресс на стимула автоподстройки МРТ активации учитывая, что это происходит всего несколько сотен миллисекунд после презентации целевой стимул. Это может также повлиять толкование этого активации, для регионов примером мозга, участвующими в подготовке к двигательной реакции может ошибочно предположить, участвуют в обнаружении целевого стимула, и наоборот. Это привело к методологическим модификаций которой, принимаются косвенные меры обнаружения целей, не полагаясь на двигательных реакций. Например, считая целевых стимулов было предложено ⁶ в качестве сил убеждаться, что субъекты поддерживать Attentiна на задаче; число испытаний пропустили может указать, как невнимательный тема была. Отчетный количество подсчитанных стимулов в конце задачи также означает, что экспериментатор может проверить предметом выполняется ли задача правильно. Третий вариант заключается в использовании полностью пассивная дизайн задач, где субъект не дается никаких инструкций о том, как реагировать и новизну целевой стимул предполагается изначально вызывают обнаружения, как ответ целевой. Несмотря на эти версии задачи, используя тот же тип стимулов и базовой конструкции, модели активации в результате каждого варианта задачи будет отличаться, потому что когнитивные и моторные требования задач различны ^7,8. Например, там будет работать процессы памяти, участвующих в подсчете целевые стимулы например, проведение текущего количества целевых стимулов в виду, что не будет необходимых при пассивном просмотра. Здесь эти 3 версии чудаком задачи, пассивные, рассчитывать,й реагировать используются, чтобы показать, насколько тщательно проектирование и внедрение задача может отвечать за эти изменения в требованиях задач и позволяют соответствующую интерпретацию результатов.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол исследования был одобрен местным прав субъектов апелляционной комиссии при Аахена университета и проводилось в соответствии с Хельсинкской декларацией.

1 Дизайн Целевая

1. Выберите подходящий задачу исследовать когнитивные / психологический конструкт интерес. Используйте визуальный чудак задачу (рисунок 1) для измерения реакции обнаружения целей и последствий внимание на обнаружения цели. Это позволяет исследовать влияние манипуляций задач по данным МРТ.
2. Используйте три версии чудаком задачи.
   1. Пассивный версия: Попросите его наблюдать визуальные стимулы. Не определять никакого ответа.
   2. Тихая версия Количество: попросите его подсчитать целевые стимулы. Эта задача требует направляя внимание на эти раздражители и разборчивого процесса.
   3. Ответьте версию: Попросите его нажать кнопку ответа увидев ТАrget стимулом. Эта задача требует внимания, дискриминации процессов и выбор / производство ответ к цели стимулы.
3. Рассмотрим соответствующее количество попыток, необходимых для действенной борьбе. Отношение сигнал-шум в измерениях МРТ является относительно низким и требует целый ряд ответов, которые будут в среднем для того, чтобы исследовать эффекты интерес ^9. Это зависит от модальности задач и стимула используется. 200 испытания используются в решении этой задачи, 40 из которых являются целевые исследования достаточные, чтобы вызвать эффективное противодействие.
4. Определить сроки для последовательности стимулов. Сроки стимулов имеет решающее значение в исследовании МРТ для рассмотрения скорости презентации ^10. Рассмотрим гемодинамики отклика задержку между начала стимула и измеряемой ответ мозга (рисунок 2).
   1. Поддержание баланса между доставкой достаточных стимулов в разумные сроки и обеспечивать достаточное выборки гемодинамических разрешенииПонсе, чтобы каждый стимул, в том числе возвращение к исходным. Скачать, установить и запустить optseq программного обеспечения. Запустите optseq оптимально распределяя испытания по всей эксперимент, основанный на ряде испытаний, длительности стимулов и параметров сканирования (время следования и количество томов).
5. Реализовать порядок раздражителей (ранее определяется) в подходящую программу для представления парадигму к теме.
   1. Укажите всю информацию, относящуюся к парадигме с точки зрения типа стимулов, сроков и ответов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Программирование детали здесь не представлены, потому что каждая парадигма будет иметь различные требования как будет различных пакетов программного обеспечения.
6. Настройте программу, которая будет поставлять экспериментальный парадигму так, что он начнет с триггером от сканера. Это позволяет синхронизацию полученных данных и последовательности стимулов, представленных.

2 Настройка Экспериментальная окружающей среды

1. Prepare комнату сканера. Подключите нижнюю часть правильного катушки головки к кровати сканера. Поместите чистые защитные крышки на планшете сканера и подушками.
2. Используйте устройство отображения, чтобы представить экспериментальную парадигму к теме и запишите ответы, используя переносное устройство для рук. Включите устройство отображения и портативных устройств "на".
3. Запустите программу, который будет доставлять экспериментальную парадигму и указать имя лог-файл. Лог содержит информацию о сроках стимулов и ответов, сделанных субъекта. Используйте эту информацию для анализа данных.
4. Регистрация объекта в базе данных MR сканера. Записи данных с использованием уникального идентификационного номера. Не храните имя субъекта с данными, чтобы гарантировать конфиденциальность.
5. Убедитесь, что MR последовательности для запуска настроены и готовы. Используйте следующие последовательности: локализатор сканирования для получения головной положение испытуемых в катушке, последовательности EPI для фуnctional изображений и MPRAGE для структурного сканирования с высоким разрешением.

3 Тема прибытия и вход для сканера

1. Экран тему для противопоказаний с МРТ до начала эксперимента (например, во время процедуры найма).
   1. Создавайте инструкции MR безопасности перед сканированием. Выполните скрининг предметов (только квалифицированный персонал). Обеспечение безопасности подданных. Убедитесь, что они не имеют никакого металла в их теле, не имеют устройств, таких как кардиостимуляторы и не выполнять любые другие критерии исключения.
2. По прибытии субъектов проверить анкету скрининга и подтверждения их совместимости, прежде чем приступить.
3. Объясните экспериментальной методике к предмету и предлагают возможность задать вопросы. Попросите его подписать согласия и защиты данных форм.
4. Если эксперимент включает сложные задачи, требующие подготовки рекомендуется предметом выполняет практику запуска до гйти в сканер.
5. Убедитесь, что объект находится без металла, без монет, пояса, часы и ювелирные изделия. После подтверждения, пусть этот предмет в помещении для сканирования.
6. Попросите его сидеть на кровати сканера носить затычки для ушей. Беруши, используемые здесь обеспечивают защиту от шума от сканера при сканировании, а также позволит следователь напрямую общаться с предметом из диспетчерской. В некоторых объектов наушники используются для связи с предметом.
7. Попросите его лечь на планшете сканера. Предложение субъекту подушку, чтобы пойти под коленями, чтобы уменьшить боли в спине. Комфорт субъекта важно для их благосостояния и качества данных. Движение в результате дискомфорта будет иметь негативное влияние на данных изображений и отвлечения вызванных дискомфорта будет влиять на выполнение задания.
8. Поместите верхнюю часть головы катушки над головой испытуемого и подключите их. Расположите объект217; голова соответствующим образом в головном катушки. Совместите небольшой маркер на головы катушки вдоль бровей испытуемых. Убедитесь, предметом лежит прямо и удобно. Поверхность катушки не должны касаться лицо (например, нажав на носу).
9. Закрепите голову субъекта с маленькими подушками, чтобы минимизировать движения головы во время сканирования. Руководитель движения имеют негативное влияние на качество данных.
10. Поместите зеркало на верхней части головы катушки для предметом, чтобы увидеть экспериментальную парадигму, отображаемого на экране позади. Убедитесь, что объект можно увидеть весь экран. Перемещение установленный зеркало в соответствии с положением субъекта. Субъекты с очками должны носить MR совместимый очки. Большинство научно-исследовательских учреждений МРТ имеют совместимые объективы или очки. В этом случае, крепление МР совместимости объективов на раме, которая держит зеркало. Определите соответствующий силы объектива до предметом входит в комнату сканера.
11. Раздайте субъекту аварийную кнопку вызова то остановить сканирование при необходимости. Убедитесь, что объект знает, где кнопка и что они могут легко добраться до него.
12. Переместить тему на входе в отверстие сканера. Попросите его закрыть глаза во время этой процедуры. Совместите свет с маленькими метками на головном катушки установить правильное положение.
13. Перемещение объекта в отверстии сканера, пока на дисплее не появится «0 мм». Это означает, что глава субъекта находится в изоцентре сканера.
14. Раздайте субъекту устройство реагирования.

4 Экспериментальная методика

1. Проверьте, если субъект может услышать экспериментатору По домофону и, что субъект комфортно и готов к запуску.
2. Выполните радиомаяка сканирование, чтобы получить должность главы субъекта в сканере. Используйте это, чтобы расположить поле зрения всех остальных измерений, чтобы определить участки мозга, чтобы быть измерена.
3. Первый рerform структурную сканирование с высоким разрешением. Откройте последовательность / программу MPRAGE и расположите поля зрения. Убедитесь, глава весь объект находится в пределах поля зрения. Параметры MP-RAGE: TR / TE = 2250 / 3,03 мс, флип угол = 9 °, 176 сагиттальных, FOV 256 х 256 мм, 64 х 64 матрица, размер воксел 1 х 1 х 1 мм).
4. Давайте предметом знаю, что сканирование начнется, а затем начать измерение.
5. Выполните функциональную МРТ.
   1. Откройте последовательность EPI на компьютере сканера и выровняйте поле зрения, чтобы охватить весь мозг. Параметры EPI: 33 ломтиков, толщина среза 3 мм, поле зрения 200 х 200 мм, 64 х 64 матрица, время повторения 2000 мс, время эхо 30 мс, флип угол 79 °.
   2. Запустите одно измерение тест объем. Убедитесь, что весь (или как можно больше) из головного мозга субъекта содержится в поле зрения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Субъекты имеют различные формы и размеры голов (и мозги). Следовательно, оптимальным образом расположить полесмотреть по каждому предмету.
   3. Скопируйте последовательность фМРТ так что позиционируется поле зрения остается то же самое для следующего измерения. Введите число объемах, необходимых для измерения, 304 в этом случае.
   4. Убедитесь, что программное обеспечение представления парадигму ждет триггера от сканера. Парадигма не начнет без триггера от сканера, чтобы он мог быть загружен и установлен ждать.
   5. Сообщить тему, что эксперимент, когда должно начаться. Начните измерение.
   6. Проверьте, что программное обеспечение представления парадигму начинается в соответствующее время (т.е., что это вызвано сканера).
   7. Выполните три версии чудаком задачи. Пассивный, граф и отвечать.
   8. Говорите субъекту в между работает, чтобы обеспечить уверенность. Убедитесь, их комфорт. Спросите, если это позволяет при условии продолжения исследования. Поручить предмет предстоящей задачи.
   9. Первый запуск пассивную Condition обеспечить истинную пассивный просмотр без знания, что целевые стимулы действительно целевым стимулы. Автопогрузчик порядок подсчета и отвечать условий по всей субъектов, чтобы предотвратить последствия порядка.

5 Конец эксперимента

1. Сообщить тему, что эксперимент завершен войти в комнату сканера.
2. Авто предмет из сканера.
3. Снять головку катушку и подушки.
4. Попросите его сесть медленно. После того, как они удобны, субъект может встать и выйти из комнаты сканера.
5. Администрирование любой анкет / документы, которые должны быть завершены после эксперимента
6. Проанализируйте тему: предоставить субъекту с объяснения о целях и целях исследования, если это не было в полной мере можно до эксперимента и предложить возможность задать вопросы

Анализ 6. данных

1. Используйте программный пакет, который подходит для analyziДанные нг фМРТ. Выполните первый анализ данных уровня для каждого субъекта и каждого условия отдельно.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Использование программного обеспечения библиотеки FMRIB (FSL) для анализа данных МРТ.
2. Применить стандартные шаги предварительной обработки для подготовки данных для дальнейшего анализа.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Применяются следующие шаги: коррекция движения, ломтик ремень коррекции, Корегистрация структурных и функциональных данных, пространственное сглаживание, верхних частот временной фильтрации, нормализации человека в стандартном (например, MNI) пространства. Найти резюме этих шагов в МР-томографию учебники Хюттель др (2008) ⁹ и Jezzard др, (2001) ^11. Конкретная информация о том, как выполнить шаги предварительной обработки можно получить на веб-сайте и в сопроводительной документации для каждого отдельного пакета программ.
3. Для статистического анализа указать время начала и продолжительности всех событий. Они называются объясняющими переменными (EVS), или регрессоры.
4. Настройка контрасты определитькоторые по сравнению электромобилей. Чтобы определить Смелый активации специфичную для обнаружения целевых стимулов, созданных следующий контраст: цель> нецелевых стимулов.
   ПРИМЕЧАНИЕ: При необходимости использовать другие контрасты: целевые стимулы против базового уровня; нецелевые стимулы против базового уровня; целевые стимулы> нецелевые стимулы; нецелевые стимулы> целевые стимулы
5. Выполнение первого статистический анализ уровня для каждого субъекта и каждого условия отдельно. Результаты анализа показаны активные участки мозга, для каждого из соответствующего контраста.
6. Сравните три условия, используя второй уровень, или уровень группы, анализирует. Используйте результат первого анализа уровня в качестве входа для анализа уровня группы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В оригинальной статье ⁷ различия между условиями на цель> частые контраст используя три раза Двухгрупповые дизайн Difference участием следующие контрасты: реагировать> пассивный, рассчитывать> пассивный, реагировать> граф.Эти контрасты выявить активность мозга, связанную с изменением познавательных процессов во всех трех методов реагирования.

Results

Метод стимуляции и анализ вызвал BOLD активации в областях мозга, связанных с визуальным чудаком задачи. Цель> нецелевых контраст не выявлено активацию для пассивного состояния, но сделал выявить активацию как в подсчете и отвечать (рисунок 3). Данные, представленные на рисунке 3, качественное сравнение подсчета и отвечать условиям и показывает, как узоры активации будет выглядеть, если была выполнена каждая версия задачи в отрыве.

Основными сравнения инт...

Discussion

Мы покажем, что манипулирование задачу требует в изобразительном странных результатах выполнения задачи в разных форм СМЕЛЕЙШИЕ активации в подсчете и отвечать условиям. Функциональные роли некоторых регионах, участвующих в каждом состоянии были бы неуместно, назначенные было данных из трех версий задачи не доступных для сравнения. Эта неоднозначность в интерпретации данных не обязательно имело место в области ЭЭГ P300, где задача имеет свое начало, подчеркнув необходимость специального рассмотрения пр...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
МРТ-сканер Magnetom Tim Trio 3 T	Siemens Medical Solutions, Эрланген, Германия
Версия презентации 14.8	Нейроповеденческая система, Олбани, Калифорния, США
Устройство Lumitouch Photon	Control Inc, Бернаби, Британская Колумбия, Канада		Данное устройство больше не выпускается производителем. Доступны альтернативные МРТ-совместимые устройства реагирования.
TFT дисплей	Apple, Купертино, Калифорния, США	30-дюймовый кинодисплей	Экран был специально модифицирован внутри компании для совместимости с МРТ. Тем не менее, на рынке доступен ряд экранов, совместимых с МРТ.
Optseq		surfer.nmr.mgh.harvard.edu/optseq	программа для определения оптимального времени стимула для быстрых событийных конструкций
FMRIB software library (FSL)	FMRIB, Oxford	http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/	Для анализа данных фМРТ доступны и другие программные инструменты, например SPM, AFNI и Brain Voyager.