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Neuroscience

Corrélation entre réponses comportementales aux signaux IRMf de cortex préfrontal humain: l'examen des processus cognitifs en utilisant l'analyse des tâches

doi: 10.3791/3237 Published: June 20, 2012

ERRATUM NOTICE

Summary

Le but de notre recherche est de corréler le comportement de l'activité du cerveau. Précis des mesures comportementales et techniques d'imagerie nous permettent d'élucider les relations cerveau-comportement.

Abstract

Le but de cet article est de décrire les méthodes comment mettre en œuvre une technique de neuro-imagerie pour examiner les processus du cerveau complémentaires engagés par deux tâches similaires. Le comportement des participants pendant l'exécution des tâches dans un scanner IRMf peut ensuite être corrélée à l'aide de l'activité cérébrale du sang en oxygène-dépendante du niveau de signal. Nous mesurons le comportement pour être en mesure de trier les essais corrects, où le sujet a effectué la tâche correctement et ensuite être capable d'examiner le cerveau des signaux liés à corriger les performances. Inversement, si les sujets ne sont pas accomplir la tâche correctement, et ces essais sont inclus dans l'analyse même des essais corrects nous présenter des procès qui n'étaient pas seulement pour une exécution correcte. Ainsi, dans de nombreux cas ces erreurs peuvent être eux-mêmes utilisés pour ensuite corréler l'activité du cerveau pour eux. Nous décrivons deux tâches complémentaires qui sont utilisés dans notre laboratoire pour examiner le cerveau au cours de la suppression d'une des réponses automatiques: le Stroop 1 et anti-saccades tâches. Laparadigme de Stroop émotionnel instruit les participants à signaler soit la superposition émotionnelle 'mot' à travers les visages ou les affectifs faciales expressions du visage des stimuli de l'1,2. Lorsque le mot et l'expression faciale des émotions différentes se référer à un conflit entre ce qui doit être dit et ce qui est lu automatiquement se produit. Le participant doit résoudre le conflit entre deux processus simultanément concurrents de la lecture de mots et des expressions faciales. Notre envie de lire un mot conduit à une forte «stimulus-réponse (SR) 'associations, d' où une forte inhibition de ces SR est difficile et les participants sont enclins à faire des erreurs. Surmonter ce conflit et de diriger l'attention loin de la face ou le mot exige l'objet d'inhiber les processus bottom-up qui dirige habituellement l'attention sur le stimulus plus saillant. De même, dans le travail anti-saccade 3,4,5,6, où une queue d'instruction est utilisée pour diriger l'attention que sur un emplacement stimulus périphérique, mais alors la eye mouvement est faite à la position du miroir opposée. Encore une fois, nous mesurer le comportement en enregistrant les mouvements oculaires des participants ce qui permet le tri des réponses comportementales à des essais corrects et l'erreur 7, qui peuvent ensuite être corrélé à l'activité du cerveau. Neuroimagerie permet maintenant aux chercheurs de mesurer des comportements différents des essais corrects et d'erreur qui sont indicatifs de différents processus cognitifs et d'identifier les différents réseaux neuronaux impliqués.

Protocol

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1. Avant entrer dans la salle IRM

  1. Les participants remplissent un formulaire de consentement expliquant tous les risques expérimentales (par exemple, stimulateurs cardiaques, la claustrophobie, des implants métalliques, les chances de grossesse, etc) et les avantages de leur participation.
  2. Tous les participants sont tenus de remplir la sécurité IRM et le questionnaire de dépistage (brève histoire médicale, les procédures précédentes chirurgicale etc) Les participants ayant des contre-indications doivent être exclus.

2. Présentation de la tâche et de la Formation

  1. Fournir une formation sur l'exécution des tâches sur l'anti-saccade.
    1. La couleur verte indique la fixation d'un procès pro-saccade. Charger les participants à comparer à la cible figurant dans la périphérie de l'écran, à un angle visuel de 8-10 °.
    2. La couleur rouge indique la fixation d'un procès anti-saccade. Charger participant à comparer à la face de miroir de cible figurant dans la périphérie de l'écran, à un angle visuel de 8-10 ° (par exemple pour cible droite, comparer à ee à gauche).
  2. Fournir une formation sur l'exécution des tâches pour le Stroop émotionnel en dehors du scanner.
    1. Inclure 15 essais pratiques avec des combinaisons différentes de face-mot des expressions sur un ordinateur en dehors du scanner. Le but de la pratique est pour les participants d'apprendre la tâche et ce qui est attendu d'eux en pressant le bouton approprié dans le scanner IRM. Demandez aux participants quant aux boutons sont pressés pour avoir signalé une heureuse expression / mot, expression neutre / mot et l'expression triste / mot. En outre, lorsque l'intérieur du scanner, de rappeler aux participants que l'émotion de chaque bouton représente.
    2. Les mots descriptifs indiquant les expressions (heureux, neutre, Sad) se superposent aux images de visages individuels. Ces mots sont soit congruente ou incompatible avec l'émotion représentée par le visage dans l'image (Figure 1). Commencez chaque scan avec une instruction écrite sur l'écran rappelant aux participants soit report du «expression du visage (heureux, neutre, triste)» ou la «parole écrite (heureux, neutre, triste)" en appuyant sur le bouton correspondant aussi vite que possible.
    3. L'instruction est affichée pendant 1 seconde, suivie d'une croix de fixation, dont les participants pour une fixation sur une autre 1 sec. La croix de fixation est suivie par les stimuli faciaux présentés pour 250 millisecondes et ensuite par l'image de réponse pendant 2 secondes. L'image de réponse est utilisée pour donner aux participants le temps de rendre compte de leurs réponses en appuyant sur le bouton approprié. La présentation visuelle de la prochaine transversale de fixation commence après la fin de cette image de réponse. Chaque participant répète l'analyse expérimentale dans l'un des deux groupes d'instruction (l'expression du visage ou à la parole écrite). Tous les stimuli ont été créés et présentés à l'aide Présentation 12.1 ( www.neurobs.com ).

3. Scanner et le programme d'installation Eye Tracking

  1. Pour begin la mise en place de l'expérience, commencez par la projection du stimulus ordinateur comme une image focalisée sur l'écran de l'IRM avec un projecteur numérique.
  2. Les participants sont priés de se lever de leur chaise dans la salle de contrôle et de marcher dans la salle du scanner. Bouchons d'oreilles et / ou des écouteurs sont fournis et les sujets les placer dans leurs canaux oreilles.
    1. L'objet est en décubitus dorsal à leur position de la tête au centre de la bobine de tête. Nous stabiliser le corps du participant et la position de tête avec des oreillers ou des inserts en mousse afin de les rendre aussi confortable que possible, mais aussi à l'Aide à restreindre leur mouvement de la tête puisque le mouvement de tête lors de la numérisation entraîne une perte de données. Surtout si le mouvement de la tête est supérieur à 1 mm dans n'importe quelle direction.
    2. Faites glisser / déposer l'headcoil dessus de la tête du participant et de les faire pencher la tête aussi confortablement que possible, tout en regardant droit devant lui pour voir le miroir qui reflète l'écran du projecteur. Les yeux doivent être aussi proche de la position primaire potin 8 afin de maintenir le confort du participant au cours de la session de numérisation qui peut durer jusqu'à deux heures.
  3. Demandez au participant comment la focalisation de l'image projetée est une fois qu'ils sont dans le scanner. Si elle n'est pas nette, re-régler l'objectif d'améliorer l'image sur l'écran.
  4. L'oculomètre est à l'essai au moyen d'un étalonnage pour que la caméra est IRED à l'emplacement correct. Si la réflexion sur la cornée n'est pas l'idéal ou de travailler correctement, la source IRED doit être ajusté, ou le miroir qui reflète la source proche de la position de tête IRED du participant doit être réaligné / ajusté. Si la tête du participant a été ajusté, demandez au sujet si plus de rembourrage / mousse ou oreillers sont nécessaires pour maintenir cette position de la tête / corps. Pendant le balayage du moniteur et les positions des participants de disques oculaires horizontaux et verticaux à l'aide d'un tracker œil infrarouge (c.-à-Sensomotoric Instruments, Needham / Boston, MA) et les corréler avec le paradigme comportemental when analysant l'activité cérébrale. 5,7

4. Procédures de numérisation

  1. Placez la boule resserrement de contact d'urgence sur le ventre du participant dans la main gauche et la boîte de joystick / bouton dans la main droite. Placez une capsule de vitamine E sur le côté droit près de la tête. Ce sera visible sur les scans anatomiques qui feront certaine une erreur ne sera pas retourner les images de gauche à droite. Soulever et faire glisser le lit dans le centre de l'IRM.
  2. S'assurer que tous les expérimentateurs de quitter la salle d'IRM et de fermer la porte à l'IRM.
  3. Communiquer avec le participant à travers l'interphone dans la salle de contrôle et de confirmer qu'ils sont prêts à commencer la lecture et sont aussi confortables que possible. Si ce n'est pas, réajuster au besoin.
  4. Rappelez le participant que les bruits dans le scanner sera fort et cela est normal.
    1. Le premier balayage recueille quelques images du cerveau peu le long de la région sagittale d'être en mesure de localiser / prescrire le exact ouientation des tranches pour les données complètes anatomiques et fonctionnelles. Les participants sont dit cette analyse prendra quelques minutes.
    2. Une fois les expérimentateurs afficher les résultats de l'analyse de piste, nous prescrivons une série de tranches anatomiques qui couvrent l'ensemble du cerveau. Dans notre cas nous avons généralement numériser coupes axiales obliques qui englobent l'ensemble du cerveau (170 à 256 tranches). Dites-le participant que cette analyse prendra environ 6 à 10 minutes selon le nombre prescrit de tranches. Dans certains cas, l'analyse anatomique peut être fait après les scans fonctionnels. Il ya quelques avantages de ce dernier, habituellement dans des expériences de longues sujets seront ressentir de la fatigue. Ainsi, l'analyse anatomique n'a pas besoin d'attention par les sujets afin qu'ils puissent fermer les yeux. Il pourrait être utile de faire ces analyses à la fin de la séance d'imagerie.
    3. Une fois les analyses anatomiques sont terminées le participant est rappelé les instructions spécifiques de l'analyse à venir grâce à la communication via le microphone/ Système d'enceintes.
  5. Dans cet exemple, un pseudo lié à l'événement design 2 est utilisé pour identifier les régions cérébrales activées par la tâche de Stroop émotionnel mais tout sensorielle, la perception interne 9 ou stimulus moteur 10 pourrait être réalisé pour une utilisation en cas de besoin. Après ceux-ci sont numérisés, puis nous demanderons à ce sujet que le paradigme anti-saccade sera scanné prochaine. Selon les paramètres d'imagerie choisis le scan sera proche de 6 minutes. Nous constatons que plus que cette analyse induire sujets à s'endormir.
  6. La séance d'imagerie totale prend environ 60 à 120 minutes, selon les analyses totales nécessaires pour l'analyse.

5. Analyse IRMf

  1. Analyser les données en utilisant le logiciel BrainVoyager QX (ou tout logiciel d'analyse tels que AFNI ou SPM).
  2. Commencez par la superposition des cartes fonctionnelles des données statistiques sur des images du cerveau anatomiques. Fonctionnellement définir les régions du cerveau d'intérêt (ROEst) en utilisant le modèle linéaire général (GLM), avec des prédicteurs distincts (c.-à-congruent et non congruent, l'instruction et l'instruction face à mot, anti-saccade, pro-saccade) pour chacune des conditions de la tâche au cours des deux types d'analyses 2.
  3. Examiner l'intensité du signal dans toutes les régions activées frontales des contrastes GLM (c.-à-tout incongru par rapport à tous les congru à produire une carte des zones), calculer le signal BOLD standardisée l'ensemble des participants et de comparer le mot incongru / du visage l'expression avec le mot congruent / fait face à des expressions pour les deux conditions 2.
  4. Corréler les temps de réaction recueillies sur les essais qui ont été utilisés pour les GLM, puis corréler l'activité du cerveau à travers chaque individu avec leurs temps de réaction propres pour les essais spécifiques 2 comme dans la figure 4.

6. Les résultats représentatifs

Après l'analyse, nous montrons les régions du cerveau qui sont en corrélation avec le eStroop motionnelle et anti-saccades tâches enregistrées lors de la numérisation. Les résultats du paradigme de Stroop émotionnel a montré un effet d'interaction entre les trois facteurs d'expression, d'instruction, et la région du cerveau, mais il n'y avait aucun effet principal d'expression et aucun effet principal de l'instruction 2. Nous avons constaté que lorsque l'expression du visage était incompatible à la parole superposée émotionnelle, ce incongruence produite à partir de rapports de l'écrit montré une plus grande intensité du signal BOLD dans la gauche IFG 2 (Figure 2). L'intensité du signal plus sur les expressions incongrues par rapport aux expressions congruentes était statistiquement significative, avec plaisir congruent montrant la plus grande différence de 2.

Le plus important de la RTS pour les trois conditions incongrues testés (triste, heureux et neutre) prédit un signal BOLD accrue au sein de l'IFG gauche par rapport à toutes les conditions congruentes (Figure 3). Pour cette analyse nous avons spécifiquement examiné les temps de réaction et a mené une analyse de régression pour vérifier si la température ambiante pendant des conditions incongrues et congruent étaient des facteurs prédictifs de l'activité signal BOLD au sein de cette région du cerveau (figure 3). Nous avons constaté que les comptes RT pour 81% de la variation de l'activité IFG gauche lors de la déclaration des expressions de mot de Happy, neutre, et triste pendant les conditions incongrues et en harmonie 2. Supérieur RT est un facteur prédictif de l'activation plus IFG gauche, avec la condition incongruente triste qui donne le ratio de plus grande intensité RT / signal par rapport à toutes les conditions d'expression d'autres. Nous avons analysé les paradigmes anti-saccades en utilisant des méthodes similaires à celles ci-dessus pour être en mesure de comparer les deux réseaux d'activité. Dans cet exemple, nous avons trouvé qu'il n'y avait pas de signal accrue dans IFG gauche pour l'anti-saccade par rapport à la tâche pro-saccade. Pour plus de détails, nous renvoyons les lecteurs à Ford et al. (2007).

Figure 1 Figure 1. Un exemple d'un procès incongru (le visage avec une expression heureuse superposée par le mot SAD). L'expérience va commencer avec le point de fixation (1 seconde), en procédant par le stimulus visage (250 ms) et l'image masquée (2 secondes), qui exige une réponse sur le bouton du participant.

Figure 2
Figure 2. Tous les volumes de fixation ont été utilisés comme base de référence. Les barres d'erreur signifie l'erreur-type de la moyenne (SEM). Expressions incongrues (heureux, neutre, Sad) ont montré significativement plus grand changement par rapport à signal BOLD expressions congruentes 2. L'image en médaillon montre quitté le gyrus frontal inférieur (IFG) qui a été fonctionnellement localisé en utilisant le contraste décrit dans la section 5.2 pour le Stroop émotionnel incongrue par rapport à la condition congruente au cours de la fréquenter à jeu d'instructions mot.

"Figure Figure 3. Au cours de la «Assister à la Parole de" l'instruction, incongru congruente de contraste a montré une corrélation positive entre la RTS et l'intensité du signal BOLD. Ce graphique est un moyen de tables rondes les 10 sujets et le signal BOLD au cours de chacune des six conditions. Les barres d'erreur signifie l'erreur-type de la moyenne (SEM) 2.

Figure 4
Figure 4. Deux répétitions de chaque expression ont été affichés pour les sujets. Rangée du haut est une illustration schématique d'un séquence d'essai d'un bloc d'essais. Partie inférieure est une représentation de la fonction à deux Gamma réponse hémodynamique (FRH) utilisé pour découvrir les régions du cerveau impliquées dans les expressions du visage émotionnels.

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Discussion

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Identification des régions cérébrales repose sur la création d'un contraste entre les tâches précises numérisés (c.-à-soit dans le Stroop, l'émotion incongrue par rapport congruent et l'expression du visage; ou anti-saccade par rapport pro-saccade) afin de produire une carte d'activation liée à la tâche. Ces cartes fonctionnelles peuvent être plus raffinée lorsque le comportement est recueillie dans le scanner pour éliminer les essais où le sujet fait des erreurs. Ces erreurs peuvent être enlevés et s'il y avait suffisamment de numéros de cartes d'erreurs que fonctionnelles pourrait être faite de ces 3,4,5,6. Plus important encore, lors de l'examen des temps de réaction pour les tâches tâche de Stroop incongrues qui avaient des temps de réaction plus longs a également eu des signaux plus BOLD dans le cortex frontal gauche (IFG). Si nous n'avions pas la collecte de ces données comportementales, nous n'aurions pas cette nouvelle perspective en cortex préfrontal 2.

Cette technique permet de mesurer des tendances de l'activité dans les zones du cerveau associées avec une particulière seraportements tels que les essais corrects et l'erreur 7 en utilisant des mesures de pressions de boutons 2 ou enregistrements des mouvements oculaires. Le défi de l'utilisation de ces techniques réside dans la précision de la corrélation des données comportementales qui peuvent être mesurés dans l'ordre de quelques millisecondes, avec les données fonctionnelles provenant de flux sanguin (signal BOLD) qui a une résolution temporelle de 4-5s (Figure 4 ). Par conséquent, à regarder l'activité neuronale associée à un comportement particulier, le retard associé à l'hémodynamique doit être pris en compte. Avec les stimuli présentés rapidement, la montée du signal BOLD survient au cours de la présentation de plusieurs stimuli paire visage / mot. Afin d'examiner l'effet de congruence (ou d'une expression particulière du visage) nous devons surmonter cette disparité dans la résolution temporelle de manière séquentielle présentant deux du type même stimulus. Ceci est illustré dans la figure 4, où les deux premiers stimuli sont deux incongrue-heureux face à des présentations followed par deux tristes incongru neutre et deux-incongrue. Ainsi, un contraste qui repose sur la comparaison de congruence avec incongruence comprendra un bloc 6,5 s, assez longtemps pour capturer la réponse hémodynamique.

En outre, le mouvement des participants lors de la numérisation crée des distorsions dans le champ magnétique et cela peut produire l'activation artificielle dans les résultats ou peut déplacer l'activation fonctionnelle sur la localisation anatomique incorrecte. Un mouvement excessif par les sujets, tandis que dans le scanner peut être vu par l'expérimentateur et les sujets peuvent être rappelés à rester aussi immobile que possible entre les balayages. Correction supplémentaire pour le mouvement peut être effectué dans le logiciel posthoc, mais le mouvement plus large de quelques millimètres se traduit généralement par une analyse fonctionnelle d'être jetés. Ici, nous n'avons pas trouvé appuie sur un bouton donné lieu à un déplacement significatif du bras et la tête, mais le mouvement de sujets lors de l'analyse doit être examinée avec soin pour toute requirin paradigmemouvements g, même petits.

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Disclosures

Nous n'avons rien à communiquer.

Acknowledgments

Financé par la National Science et génie (CRSNG) pour JFXD, Faculté de la Santé, l'Université York et auteur a un doctorat de financement par l'Ontario sur le jeu problématique Research Centre (OPGRC).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3-Tesla MRI machine Siemens Magnetom Trio (Erlangen, Germany)
iViewX Eye Tracking SensoMotoric Instruments, Inc.
BrainVoyager QX software Brain Innovation, Maastricht, The Netherlands
Four-button Joystick Current Designs, Inc., Philadelphia, PA, USA
Table 1. Specific Reagents and Equipment.

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References

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  4. Connolly, J. D., Goodale, M. A., DeSouza, J. F. X., Menon, R. S., Vilis, T. A comparison of frontoparietal fMRI activation during anti-saccades and anti-pointing. J. Neurophysiol. 84, 1645-1655 (2000).
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  9. Hadjikhani, N. Mechanisms of migraine aura revealed by functional MRI in human visual cortex. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 4687-4692 (2001).
  10. DeSouza, J. F. X. Eye position signal modulates a human parietal pointing region during memory-guided movements. J. Neurosci. 20, 5835-5840 (2000).

Erratum

Formal Correction: Erratum: Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis
Posted by JoVE Editors on 08/03/2012. Citeable Link.

A correction was made to Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis. Joseph DeSouza and Laura Pynn middle initials were omitted at publication.

These have been corrected to:

Joseph F.X. DeSouza

Laura K. Pynn

Corrélation entre réponses comportementales aux signaux IRMf de cortex préfrontal humain: l'examen des processus cognitifs en utilisant l'analyse des tâches
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Cite this Article

DeSouza, J. F. X., Ovaysikia, S., Pynn, L. K. Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis. J. Vis. Exp. (64), e3237, doi:10.3791/3237 (2012).More

DeSouza, J. F. X., Ovaysikia, S., Pynn, L. K. Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis. J. Vis. Exp. (64), e3237, doi:10.3791/3237 (2012).

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