Summary
恐怖条件付け中に認識し、気づいていないメモリのプロセスをサポートする神経機構を調査する方法が説明されています。このメソッドは、異なるメモリプロセスの神経相関を評価するために条件反射の恐怖条件付け中に血中酸素レベル依存（BOLD）機能的磁気共鳴イメージング、皮膚コンダクタンスの応答、および無条件刺激の寿命を監視します。
Abstract
パブロフ恐怖条件付けは、多くの場合、連想学習1-5の神経基質を調査するために、ヒトにおける機能的磁気共鳴画像（fMRI）と組み合わせて使用されています。これらの研究では、それは脳活動の違いが学習関連、人間の行動と相関していることを確認するために空調の行動の証拠を提供することが重要です。
学習と記憶6-8の指標として、恐怖条件付けの研究は、多くの場合、自律神経系の反応を（SCRなどの皮膚コンダクタンス応答）の監視。さらに、他の行動措置は、学習過程および/または調節に影響を及ぼすその他の認知機能に関する貴重な情報を提供することができます。例えば、無条件刺激（UCS）寿命が条件反応（CR）と無条件反応の発現に与える影響は（UCR）9月14日いくつかの最近の研究に興味のあるトピックとなっている。 SCRとUCS寿命対策が最近知ってと気づかない恐怖の学習と記憶のプロセス15の神経基質を調査するfMRIと組み合わせて使用されている。これらの認知プロセスはコンディショニングのセッションの後、ある程度まで評価することができますが、ポストコンディショニングの評価は、試験から試験的に期待を測定し、干渉の影響を受けやすいと忘れているだけでなく、結果16,17を歪める可能性のある他の要因ができない。
fMRIを同時に自律神経と行動反応を監視することが認知過程と自律神経/行動応答の間の複雑な関係を媒介する神経回路基板を評価することができるメカニズムを提供します。しかし、MRI環境下で自律神経と行動反応を監視することは現実的な問題の数を引き起こします。具体的には、1）標準的な行動や生理モニタリング機器を安全にMRIスキャナ、2の近くに使用することができない鉄系材料で構成されている）この装置は、MRIスキャン室の外に配置されている場合、対象に投影するケーブルはRFノイズをこと運ぶことができます）脳の画像、3のアーティファクトを生成する成果物は、行動反応のモーターの要求によって生成されるfMRI信号は、関心の認知過程に関連した活動と区別する必要があるかもしれません）スキャン、4時の勾配を切り替えることにより、皮膚コンダクタンス信号内で製造することができる。これらの各問題は、生理学的モニタリング装置および追加データの分析手順のセットアップへの変更で解決することができます。ここでは、同時にfMRIの中に自律神経と行動反応を監視するための方法論を提示し、恐怖条件付けの間に認識し、気づいていないメモリのプロセスを調査するためにこれらのメソッドの使用方法を示しています。
Protocol
1。精神生理学
モンテシステム、（株）生理学的モニタリングシステムは、（特定の機器の表を参照）ほとんどの画像処理施設における非標準装備です。生理学的モニタリングとこのプロトコールに記載されて他の機器（図1）を設定する前に参加者の到着まで15〜30分のスケジュールを設定します。
- 標準のイーサネットクロスオーバーケーブルを（CBLETH2）を使用してBIOPAC MP150（MP150WSW）に制御室のコンピュータのオペレーティングAcqKnowledge（モンテシステム、（株））生理的な監視ソフトウェアを接続してください。
- DB25 M / Fリボンケーブルを使用して、ソフトウェア、制御室のコンピュータのオペレーティングプレゼンテーション（アルバニー、カリフォルニア州神経行動システムズ株式会社）にBIOPAC絶縁型デジタルインターフェース（STP100C）を接続します。
- シールド延長ケーブル（MECMRI - 3）を使用して制御室内のRF干渉フィルター（MRIRFIF）にBIOPAC GSRアンプ（EDA - 100C - MRI）を接続します。
- MRIスキャンのチャンバー内にシールド延長ケーブルへのRF干渉フィルター（MRIRFIF）（MECMRI - 1）を接続します。
- ラジオ透明電極（EL508）に接続する炭素繊維のリード線（リード108）にシールド延長ケーブルを接続します。注：タイトなスパイラルにリード線をツイストは、スキャン中に作成することができる皮膚コンダクタンスデータのアーティファクトを減らします。
- 参加者の左手の中指、薬指の末節骨にラジオ透明電極（EL508）を取り付けます。
- 機器をスキャンの性質のため、MRI室の部屋の温度はしばしば21℃以下に設定されています手の温度を維持するために毛布を持つ参加者をカバーする。
2。行動反応（ジョイスティック）
- USB -ミニケーブルを使用して、ジョイスティックのfORPインタフェースユニット（フィラデルフィア、ペンシルバニア州、現在の設計、株式会社）に、制御室のコンピュータのオペレーティングプレゼンテーションソフト（アルバニー、カリフォルニア州神経行動システムズ株式会社）を接続します。
- 制御室内fORPインタフェースユニットへの光ファイバケーブルを接続し、MRI室に導波管にケーブルを通しやすくします。
- MR -互換のジョイスティックに光ファイバーケーブルを接続します。
- 位置に到達するための快適かつ簡単にジョイスティックを配置するために直接参加。
3。刺激提示
- IFIS - SA（Invivo社、オーランド、フロリダ州）制御室のコンソール（図1）の外部VGAポートとオーディオポートに制御室のコンピュータのオペレーティングプレゼンテーションソフトウェアを接続してください。
- IFISの制御室のコンソールとIFISペリフェラルインタフェースユニットMRI室内だけでなく、周辺機器インタフェースユニットおよびオーディオ/ビジュアルディスプレイユニット間の接続の間に光ファイバケーブルの接続を確認してください。
- 参加者は、ヘッドコイルに接続されたミラーを介してモニターを見ることができるようなヘッドコイルの後ろにオーディオ/ビジュアルディスプレイユニットを置きます。
- ビニールチューブを使用してIFISシステムのMR -互換のステレオヘッドフォンにオーディオ/ビジュアルディスプレイユニットの音響インターフェースボックスを接続します。
- 音圧レベル計を用いて聴覚刺激の音量を校正します。
4。実験手順
- 2トーンが試験中に何度も提示されること、そして音の音量が上下にその知覚閾値（図2）変化することを参加者に通知する。
- 直接参加者は0〜100スケール（図3）上の評価のバーの位置を制御するためにジョイスティックを動かして、UCSを受けての彼らの期待を更新するし、どちらかの音を聞いた直後にジョイスティックボックスのボタンをプッシュする。
- 0から100までの連続的な規模でそのUCS寿命を評価するために、参加者に指示します。 0のユーザ評価を基にして彼らはUCSが提示されることはありませんが確実なことを示すことを知らせる、50の格付けは、UCSが提示されるかどうか不明な示し、そして100の定格は、UCSが提示されるが確実な示している。直接参加者は、中間の期待を示すために、規模で他の値を使用する。その後、参加者が評価をするためにジョイスティックを使用して練習することができます。
- 条件刺激（CS）とUCSのような大声でホワイトノイズ（100デシベル、500ミリ秒）として2トーン（20代ITI; 10秒持続時間700＆1300 Hz）を用いて差動の恐怖条件付けの手続きへの参加者を公開します。
- CS +（UCSでcoterminating）と同じCSの3回以上の試行が連続して記載されているような疑似ランダム順でCS -（UCSなしで提示さ）の60試験の現在の60試験。
- カウンターバランスCS +とCS -間の参加者としてのトーン。
- CS +とCS -独立のボリュームを調節している。同じCSを持つ後続の試行でCSの音量を調整します。ボタンの押下が（認知裁判に続くすなわち）とした場合、CSのボリューム5dBと減少する。 （人目に審理の後、すなわち）ボタンを押すが行われていない場合、ボリューム5dBと増加する。
- 機能的なデータのための解剖学的な基準となる標準的な高分解能T1強調構造の画像を（例えばMPRAGE）収集。
- コンディショニングの手順の間に脳全体のBOLD fMRIを収集する。三十六、4mm厚のスライスは、比較的標準撮像パラメータ（例えば、TR = 2000ミリ秒、TE = 30ミリ秒、FOV = 24センチメートル、64x64のマトリクス）で脳をカバーする十分なはずです。 fMRIのトリガーボックスを使用して刺激提示によるfMRIの買収を同期させる。
6。 SCRデータ収集＆分析
- AcqKnowledgeソフトウェアとセクション1で説明したMR -互換性のあるBIOPAC生理学的モニタリングシステムを用いて2000 Hzでサンプルの皮膚コンダクタンス。
- （図4を参照）撮像中に生成されたアーティファクトを減らすために皮膚コンダクタンスデータから1 Hzの無限インパルス応答（IIR）ローパスデジタルフィルタを適用します。
- 250ヘルツで皮膚コンダクタンスデータを再サンプリングします。
- 応答の開始から応答のピークに皮膚コンダクタンスレベルの差としてSCRを計算する。
- SCRのデータは統計分析の前に、応答振幅の分布を正規化するために変換された平方根になります。
7。 UCS寿命データ収集＆分析
- サンプル（40 Hz）とプレゼンテーションソフトを使用してレコードUCS寿命データ。
- CSのプレゼンテーションの最後の秒間の平均値（1秒サンプル）応答としてUCS余命を計算する。
8。機能的MRIデータ収集＆分析
- 機能的画像解析ソフトウェアのパッケージを（例：AFNI 18）を使用して脳画像データ（例えばスライスのタイミングの補正、画像の登録、空間スムージング）の完全な標準のプリプロセッサ。
- 標準的な迷惑（例えば運動）と、CS +とCS -だけでなく、UCSの感知と人目に試験のための刺激ベースの説明変数を作成します。
- モーターの応答ベースのボタンを押したときの反応にかかわる運動を考慮するための迷惑リグレッサとして機能する基準波形を作成します。
- スティックの機能を作成して、そのボタンを押したときの応答のタイミングのためのコード。
- 標準的な血行動態応答関数（HRF）でボタンを押したときのスティックの機能をコンボリューション。
- モーターの応答ベースのジョイスティックの反応にかかわる運動を考慮するための迷惑リグレッサとして機能する基準波形を作成します。
- UCS寿命定格の傾きの変化（例えば、傾きの絶対値> 10）のタイミングのためのコードがそのスティックの関数を作成します。
- 正規のHRFとジョイスティックの傾きスティックの機能をコンボリューション。
- すべての刺激ベースと迷惑リグレッサを使用して最初のレベルの分析を行います。
- アクティベーションはCSタイプ、知覚の主効果、またはCSタイプXの知覚の相互作用の主効果を示している領域を識別するための測定ANOVAを繰り返さ番目のレベルを実行します。
9。代表的な結果：
方法論は、知覚されたCS -試験（図5）10,15,19の間に知覚されるCS +試験と低格付けの間に比較的高いUCS寿命の評価でここに典型的に結果を発表した。このような結果は、参加者は、CS - UCS不測の事態に気づいていることを示します。人目に臨床試験で、UCSの寿命定格は、通常、事前にCSの評価変わりません。 50を示す参加者がUCSが10,15,19（図5）を提示されるかどうかがわからないの近くにこのような人目にCS +とCS -試験に関するUCSの寿命は一般的に落ちる。人目にCS +とする差動UCS寿命の評価を生成するためには、このことができない参加者が人目にコンディショニング試験（図6）に、その不測の事態の認識を表現することができないことがCSを示します。対照的に、SCRの学習に関連する変更は、両方の知覚と人目にコンディショニング試験10,15,19の間に観察されている。具体的には、SCRのは、知覚よりも知覚CS +に大きくなったCS -。同様に、大規模なSCRは人目にCSの間に実証されている+ CS -試験10,15,19（図6）人目よりも。一緒に、これらの行動と自律神経のデータが人目に試験に関するコンティンジェンシー意識することなく知覚試験に関するコンティンジェンシーを意識した恐怖条件付け、および恐怖条件付けを示しています。この方法論を使用して機能イメージング研究は、知覚上の学習に関連する海馬活性化が、人目にないコンディショニング試験15（図7）実証されています。対照的に、差動扁桃体の活動は、両方認識し、人目にコンディショニング試験15日に観察された。これらの知見は、扁桃体は意識がある場合とない場合のCR式をサポートしている間に海馬は、不測の事態の認識に関連するプロセスをサポートしているという見解と一致している。
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図1。刺激提示と行動/心理生理学的反応のモニタリングのための基本的な設備の図。プレゼンテーションソフトウェアは、右手でジョイスティックを動かすことによって作られた視聴覚刺激とモニターUCS寿命の評価を表示するために使用されます。 AcqKnowledgeソフトウェアとBIOPAC機器は、左側から皮膚コンダクタンスを監視するために使用されています。固体（モンテ）は、単一の（IFISオーディオビジュアル）の破線、および二重破線は（光ファイバージョイスティック）別個の刺激提示と応答監視システム用のケーブルを表しています。黒い矢印は、情報の流れの方向を示している。
図2。条件刺激。 CS +とCS -に同じCSの3回以上の試行が連続して提示されるように、擬似乱数の順番を提示する。 CS +とCS -独立のボリュームを変化させる。 CSが（ボタンを押すことによって示される）認識されている場合は、同じCSのその後の裁判にCSのボリューム5dBと減少。 CSが（ないボタンの押しで示される）人目にされている場合は、同じCSとその後の裁判でCSのボリューム5デシベルを上げる。
図3。UCS寿命の評価スケール。参加者は0〜100のスケールでUCSのプレゼンテーションの彼らの期待を評価するように指示します。 0のユーザ評価を基にしてUCSを提示されない確実性を示すため、100の定格は、UCSが提示される確実性を示し、50の格付けは、UCSが提示されるかどうかの不確実性を反映している。中間評価は、UCSの寿命の階調を示すために使用する必要があります。
図4：生と濾過皮膚コンダクタンスデータの比較。 A）生の皮膚コンダクタンスのデータは、fMRIの間に収集。 B）1HzのIIRローパスフィルタの適用後の皮膚コンダクタンスのデータが。
図5。UCS寿命の評価。 - 参加者は、一般的に知覚されるCS -試験で認識されているCS +試験や低寿命の高いUCSの寿命を報告する。人目にCS +とCS -試験に関するUCSの寿命は違いはありません。
図6。UCSの寿命とSCR。 UCSの寿命の違いは、一般的に示す参加者が刺激の不測の事態を認識している知覚CS +とCS -臨床試験で観察される。人目に臨床試験で、UCSの寿命定格は、通常、参加者は、不測の意識を表現することができないことを示す違いはありません。対照的に、エアコンSCRの違いは、通常、両方の知覚と人目にコンディショニングの臨床試験で観察される。そのような調査結果はと（すなわち知覚試験に関する）と（すなわち、人目に試験に関する）緊急時の意識せずに学んだ恐怖の発現を反映している。
図7。海馬と扁桃体の機能的MRI。海馬の応答は、一般的に知覚されるCS -に比べてCS +に大きいですが、コンディショニングの臨床試験を気付かれていないではない。差動扁桃体の応答は、一般的に認識し、人目に両方コンディショニング試験で観察される。これらの知見は、扁桃体は意識がある場合とない場合の恐怖の表現をサポートしている間に海馬は、不測の事態の認識に関連するプロセスをサポートしているという見解と一致している。
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Discussion
ここで説明する恐怖条件付けの方法論は知ってと気づかない恐怖の記憶過程の神経機構を調査する手段を提供します。このメソッドは、行動の自律、およびfMRIデータの同時モニタリングを活用しています。監視行動（すなわち、UCSの平均余命）と自律神経系の反応（すなわちSCR）は、この方法の重要なコンポーネントです。 SCRは、CR式のインデックスを提供する一方、UCSの寿命は、不測の事態の認識を評価するための手段を提供します。一緒に、これらの行動と自律神経系の反応は、緊急時の意識がある場合とない恐怖条件付けを調査するために上記とサブスレッショルドCS +とCS -試験のプレゼンテーション中に使用することができます。機能的MRIデータは、認識して知らない恐怖の記憶過程の神経相関を調査するために使用することができます。この方法論の特定の強みは、コンディショニングの裁判の各タイプ（つまり、知覚されるCS +＆CS -、人目にCS +＆CS -）への参加者を公開するということです。ここで説明しているような被験者内デザインは、SCRとfMRI信号応答の両方で観察された比較的大きな被験者間のばらつきの主題の設計との間のより強力です。この方法のもう一つの強力な点は、CSのプレゼンテーションのボリュームが各参加者の知覚閾値に合わせて調整されるということです。さらに、知覚閾値は、コンディショニングセッションのコースを介して変化することが許されます。前の仕事は通常、しきい値7,20,21以下に設定されたレベルの刺激を提示した。しかし、知覚のしきい値は、サブスレッショルド効果22を検出する能力を削減、時間の経過とともに変化することができます。この方法論の追加の強さは、UCS寿命がコンディショニングセッション中にトライアルバイ試験ごとに評価されていることです。他のfMRIの研究は、ポストコンディショニングの評価23中にCS - UCS不測の事態の認識を評価しています。しかし、ポストコンディショニングの評価1）試験から臨床試験、2から寿命のばらつきを評価することができない）微妙な不測の事態の認識の証拠、および3に区別しない場合があります）など忘れや干渉などの結果を歪曲問題の影響を受けやすくなっています。私たちの方法論への強さの数がありますが、説明されているようにUCSの寿命を監視することはオンライン寿命の対策を使用していないの研究とは異なる方法で注意のプロセスを営むことができる。これは自分のプロジェクトを設計する際に、研究者はこの手法の利点と一緒に検討しなければならない問題です。
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Disclosures
利害の衝突は宣言されません。
Acknowledgments
バーミンガムファカルティディベロップメント助成プログラムのアラバマ大学で提供されるサポートしています。
References
- LaBar, K. S., Gatenby, J. C., Gore, J. C., LeDoux, J. E., Phelps, E. A. Human amygdala activation during conditioned fear acquisition and extinction: a mixed-trial fMRI study. Neuron. 20, 937-945 (1998).
- Buchel, C., Morris, J., Dolan, R. J., Friston, K. J. Brain systems mediating aversive conditioning: an event-related fMRI study. Neuron. 20, 947-957 (1998).
- Cheng, D. T., Knight, D. C., Smith, C. N., Stein, E. A., Helmstetter, F. J. Functional MRI of human amygdala activity during Pavlovian fear conditioning: stimulus processing versus response expression. Behav. Neurosci. 117, 3-10 (2003).
- Knight, D. C., Smith, C. N., Stein, E. A., Helmstetter, F. J. Functional MRI of human Pavlovian fear conditioning: patterns of activation as a function of learning. Neuroreport. 10, 3665-3670 (1999).
- Cheng, D. T., Knight, D. C., Smith, C. N., Helmstetter, F. J. Human amygdala activity during the expression of fear responses. Behav. Neurosci. 120, 1187-1195 (2006).
- Balderston, N. L., Helmstetter, F. J. Conditioning with masked stimuli affects the timecourse of skin conductance responses. Behav. Neurosci. 124, 478-489 (2010).
- Esteves, F., Parra, C., Dimberg, U., Ohman, A. Nonconscious associative learning: Pavlovian conditioning of skin conductance responses to masked fear-relevant facial stimuli. Psychophysiology. 31, 375-385 (1994).
- Cheng, D. T., Richards, J., Helmstetter, F. J. Activity in the human amygdala corresponds to early, rather than late period autonomic responses to a signal for shock. Learn. Mem. 14, 485-490 (2007).
- Knight, D. C., Nguyen, H. T., Bandettini, P. A. The role of the human amygdala in the production of conditioned fear responses. Neuroimage. 26, 1193-1200 (2005).
- Knight, D. C., Nguyen, H. T., Bandettini, P. A. The role of awareness in delay and trace fear conditioning in humans. Cogn. Affect. Behav. Neurosci. 6, 157-162 (2006).
- Schultz, D. H., Helmstetter, F. J. Classical conditioning of autonomic fear responses is independent of contingency awareness. J. Exp. Psychol. Anim. Behav. Process. 36, 495-500 (2010).
- Dunsmoor, J. E., Bandettini, P. A., Knight, D. C. Neural correlates of unconditioned response diminution during Pavlovian conditioning. Neuroimage. 40, 811-817 (2008).
- Katkin, E. S., Wiens, S., Ohman, A. Nonconscious fear conditioning, visceral perception, and the development of gut feelings. Psychol. Sci. 12, 366-370 (2001).
- Knight, D. C., Waters, N. S., King, M. K., Bandettini, P. A. Learning-related diminution of unconditioned SCR and fMRI signal responses. Neuroimage. 49, 843-848 (2010).
- Knight, D. C., Waters, N. S., Bandettini, P. A. Neural substrates of explicit and implicit fear memory. Neuroimage. 45, 208-214 (2009).
- Lovibond, P. F., Shanks, D. R. The role of awareness in Pavlovian conditioning: empirical evidence and theoretical implications. J. Exp. Psychol. Anim. Behav. Process. 28, 3-26 (2002).
- Hippocampus, 8, 620-626 (1998).
- Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Comput. Biomed. Res. 29, 162-173 (1996).
- Knight, D. C., Nguyen, H. T., Bandettini, P. A. Expression of conditional fear with and without awareness. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100, 15280-15283 (2003).
- Bunce, S. C., Bernat, E., Wong, P. S., Shevrin, H. Further evidence for unconscious learning: preliminary support for the conditioning of facial EMG to subliminal stimuli. J. Psychiatr. Res. 33, 341-347 (1999).
- Kotze, H. F., Moller, A. T. Effect of auditory subliminal stimulation on GSR. Psychol. Rep. 67, 931-934 (1990).
- Miller, J. Threshold variability in subliminal perception experiments: fixed threshold estimates reduce power to detect subliminal effects. J. Exp. Psychol. Hum. Percept. Perform. 17, 841-851 (1991).
- Tabbert, K., Stark, R., Kirsch, P., Vaitl, D. Dissociation of neural responses and skin conductance reactions during fear conditioning with and without awareness of stimulus contingencies. Neuroimage. 32, 761-770 (2006).
