Соотнося поведенческих реакций на МРТ Сигналы от человека префронтальной коры: Изучение когнитивных процессов с помощью Task Analysis

Общая цель следующего эксперимента заключается в изучении МРТ-сигналов, связанных с реакциями внимания на зрительные стимулы. Это достигается путем сканирования испытуемых в то время, когда они концентрируют внимание на стимулах эмоционального теста Струпа. Одновременно с этим регистрируются ответы испытуемых в виде нажатий кнопок, которые служат показателем поведения, коррелирующим с сигналами в головном мозге.

Кроме того, движения глаз испытуемого регистрируются с помощью айтрекера внутри сканера для измерения селективного внимания. Результаты анализа корреляций между поведением и сигналом фМРТ во время выполнения задачи по реагированию на стимулы демонстрируют активацию нижней лобной извилины. Основным преимуществом данного метода перед другими, такими как позитронно-эмиссионная томография, является возможность сканирования испытуемых в течение до двух часов.

Эта система помогает нам лучше понять механизмы торможения в лобной коре. Дисфункция этой системы связана с различными патологиями нервной системы, такими как СДВГ и синдром Туретта. Перед началом эксперимента потенциальные участники должны заполнить форму информированного согласия на исследование, а также стандартную анкету для скрининга МРТ.

Необходимо исключить любые противопоказания к МРТ. После заполнения всех документов проведите для испытуемого тренировочную сессию по выполнению задачи на антисаккады. В данном случае зеленая точка фиксации указывает на пробу с про-саккадой.

Инструктируйте участника смотреть на цель, появляющуюся на периферии экрана под углом обзора от 8 до 10 градусов. Красная точка фиксации указывает на пробу antis COD: инструктируйте участника смотреть в зеркало в сторону, противоположную цели, появляющейся на периферии экрана снова под углом обзора от 8 до 10 градусов. Например, если появляется правая цель, испытуемый должен посмотреть влево.

Далее проведите обучение выполнению задания «эмоциональный эффект Струпа». Это псевдособытийная парадигма, в которой описательные слова, указывающие на определенные эмоции, накладываются на изображения отдельных лиц. Слова могут быть как конгруэнтными, так и неконгруэнтными эмоции, изображенной на лице.

На изображении проинструктируйте участников, какие кнопки следует нажимать для сообщения о счастливом выражении или слове, нейтральном выражении или слове, либо о грустном выражении или слове. Задание должно начинаться с экрана с письменной инструкцией длительностью одна секунда, напоминающей участникам о необходимости максимально быстро сообщить о выражении лица или написанном слове, нажав соответствующую кнопку. Затем следует фиксационный крест в течение одной секунды, далее — стимулы в виде лиц в течение 250 миллисекунд и, наконец, изображение ответа в течение двух секунд.

Изображение для ответа служит для того, чтобы дать участникам время зафиксировать свои ответы. Следующая визуальная презентация фиксирующего креста начинается после завершения отображения изображения для ответа. Включите 15 тренировочных проб с различными комбинациями выражений лиц и соответствующих слов.

Для начала подготовьте систему к сканированию. Сначала включите цифровой проектор, чтобы вывести компьютерный стимул в виде сфокусированного изображения на экран в гентри МРТ. Затем сопроводите участника в процедурный кабинет и предоставьте ему беруши и наушники для защиты слуха.

Положите испытуемого на спину и расположите голову по центру катушки. Стабилизируйте положение тела и головы участника с помощью подушек или поролоновых вставок, чтобы обеспечить комфорт и ограничить движение головы. После этого установите катушку для головы.

Затем попросите испытуемого удобно наклонить голову, глядя прямо перед собой в зеркало, в котором отражается проецируемое изображение; глаза должны находиться максимально близко к первичному положению, чтобы обеспечить комфорт участника на протяжении сеанса сканирования, который может длиться до двух часов. Спросите участника, сфокусировано ли проецируемое изображение. Если изображение нечеткое, отрегулируйте линзу для улучшения четкости изображения.

Затем откалибруйте айтрекер, чтобы убедиться, что инфракрасная камера находится в правильном положении. Если отражение на роговице недостаточно четкое, следует отрегулировать источник инфракрасного излучения или заново выровнять зеркало, отражающее этот источник, расположенное рядом с головой участника. Также уточните у испытуемого, не требуются ли дополнительные поролоновые прокладки или подушки для поддержания данного положения.

После завершения настройки оборудования поместите в правую руку участника сжимаемый мяч для экстренной связи, а в левую — блок ответов. Также поместите капсулу витамина E с правой стороны наушников, так как она будет видна на анатомических снимках и поможет убедиться, что изображения не перевернуты слева направо. В завершение поднимите и задвиньте стол в центр МРТ-сканера.

Оказавшись в пультовой, используйте интерком, чтобы подтвердить, что участник готов к началу сеанса сканирования и чувствует себя комфортно. Также напомните участнику, что шум сканера будет громким. Начните с выполнения локализационного сканирования.

Затем назначьте серию анатомических срезов, охватывающих весь мозг. Как правило, следует использовать косые аксиальные срезы. Сообщите участнику о примерной продолжительности анатомического сканирования.

Это может занять от шести до 10 минут в зависимости от заданного количества срезов. В качестве альтернативы анатомическое сканирование можно провести после функционального. После завершения анатомического сканирования задайте функциональную последовательность и напомните участнику инструкции к заданию по парадигме Струпа.

Затем синхронно запустите сканер и парадигму, регистрируя все нажатия кнопок. Обязательно отслеживайте и записывайте горизонтальное и вертикальное положение глаз участника с помощью инфракрасного айтрекера, чтобы эти данные можно было сопоставить с поведенческой парадигмой. Далее проинструктируйте испытуемого о том, что во время следующего сканирования будет выполнена парадигма anti Scho.

Затем запустите сканирование с синхронизированной парадигмой. В зависимости от выбранных параметров визуализации сканирование будет длиться почти шесть минут. Избегайте более длительных сеансов, так как испытуемые могут заснуть.

Весь сеанс визуализации может занять от 60 до 120 минут в зависимости от времени, необходимого для настройки, индивидуальных корректировок для конкретного испытуемого и количества функциональных сканирований, необходимых для анализа. Данные, полученные в ходе этого эксперимента, можно анализировать с помощью любого пакета анализа ФМРТ, такого как BrainVoyager или qx. Показано здесь.

Другими часто используемыми программами для анализа FMRI являются A acne или SPM. Статистические карты, полученные на основе функциональных данных, должны быть наложены на анатомические изображения мозга. Для этого сначала используйте общую линейную модель или GLM, чтобы функционально определить интересующие области мозга, используя отдельные предикторы для каждого из условий задачи.

При проведении двух типов сканирования используйте следующие предикторы: инструкции по распознаванию конгруэнтных и неконгруэнтных лиц, инструкции по распознаванию слов, а также antis, secod и pros secod. Затем проанализируйте интенсивность сигнала во всех активированных лобных областях на основе контрастов GLM. После этого вычислите стандартизированный BOLD-сигнал для всех участников и сравните выражение лиц при неконгруэнтных словах с выражениями лиц при конгруэнтных словах.

Выражения для обоих условий в конечном итоге коррелируют время реакции, собранное в ходе использованных проб. Затем генеральные линейные модели (GM) коррелируют активность мозга каждого отдельного участника с его собственным временем реакции для конкретных проб. На данном изображении показана левая нижняя лобная извилина (IFG), которая была функционально локализована с использованием контраста между неконгруэнтным эмоциональным тестом Струпа и конгруэнтным условием.

Во время выполнения инструкции «сосредоточьтесь на слове». Здесь видно, что когда выражение лица не соответствовало наложенному эмоциональному слову, эта несогласованность при сообщении написанного слова приводила к более высокой интенсивности BOLD-сигнала. В нижней лобной извилине (IFG) слева при несогласованных выражениях наблюдалось значительно более выраженное изменение BOLD-сигнала по сравнению с согласованными выражениями.

При выполнении инструкции «обратите внимание на слово» (attend to word) контраст между неконгруэнтными и конгруэнтными стимулами показал положительную корреляцию между временем реакции и интенсивностью BOLD-сигнала. На данном графике представлены средние значения времени реакции и BOLD-сигнала для 10 испытуемых в каждой из шести условий. В верхнем ряду приведена схематическая иллюстрация последовательности проб в одном блоке.

Нижний раздел представляет собой изображение двух гамма-функций гемодинамического отклика, используемых для выявления областей мозга, участвующих в восприятии эмоциональных выражений лица. При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости контроля состояния испытуемого в перерывах между сканированием и напоминать ему оставаться максимально неподвижным для уменьшения артефактов движения после данной процедуры. Для изучения эффектов временной динамики в нижней лобной извилине могут быть использованы другие методы, такие как магнитоэнцефалография.