关联从人类前额叶皮层的fMRI信号的行为反应：检查的认知过程，使用任务分析

Summary

我们的研究目标是大脑活动的相关行为。准确的行为的措施和成像技术，让我们澄清脑 - 行为之间的关系。

Abstract

这种方法文件的目的是描述如何实现影像学技术研究互补从事大脑由两个类似的任务。然后，可以参加“期间任务的功能磁共振成像扫描仪的性能行为相关的大脑活动使用的血氧水平依赖信号。我们衡量行为能够排序正确的试验，主体正确地执行任务，然后才能研究大脑的信号与纠正性能。反之，如果对象不执行任务的正确，这些试验是在同样的分析与正确的试验，我们将介绍，不仅是正确的性能试验。因此，在许多情况下，这些错误可以用自己的，然后关联到他们的大脑活动。我们描述了两个相辅相成的任务，在我们的实验室用于检查在一个自动应答的抑制大脑的Stroop ¹和反扫视任务。 “情绪Stroop范式指示参与者报告的叠加的情绪整个情感面或面部的表情的脸刺激^1,2'字'。当字和表情是指以不同的情绪，两者之间的冲突必须说，什么是自动读取发生。参与者要解决两个同时竞争的过程读字和面部表情之间的冲突。我们读出一个字的冲动，导致强烈的“刺激 - 反应（SR）的协会，从而抑制这些强SR的困难和参与者都容易犯错误。克服这种冲突和指导注意力从脸上或字，需要受到抑制过程通常指示注意更加突出的刺激的​​底部。同样，在反扫视任务^3,4,5,6，其中一个指令提示是用来指示只注意外围的刺激位置，但在EY将é运动镜相反的立场。然而，我们再次测量分拣到正确的和错误的审判行为反应，然后可以与大脑活动的参与者允许通过记录眼球运动的行为。现在影像学，使研究人员能够测量不同的行为，正确的和错误的审判，不同的认知过程的指标，并查明涉及不同的神经网络。

Protocol

1。进入磁共振室

1. 参与者完成一份同意书，解释所有的实验的风险（如心脏起搏器，幽闭恐惧症，金属植入物，怀孕的机会等），和他们的参与利益。
2. 所有的参与者都需要填写的MRI安全和筛选问卷（简要病史，以往的手术禁忌等）参加者必须排除。

2。任务概述和培训

1. 反扫视任务性能提供培训。
   1. 绿色固定表明亲扫视审判。指示与会者在8-10°的可视角度，寻找到目标出现在屏幕的边缘。
   2. 固定红色表示反扫视试验。指示参与者期待的目标出现在屏幕边缘的镜子对面，在可视角度8-10°（如正确的目标，寻找到日é左）。
2. 提供培训以外的扫描仪的情绪Stroop任务绩效。
   1. 扫描器以外的计算机用字脸，表达不同的组合，包括15个练习试验。这种做法的目的是为参加学习的任务，什么是按相应的按钮，在核磁共振成像扫描仪对他们的期望。报告喜色/字，中性表达/字和忧伤的表情/字按下按钮指示参与者。此外，扫描仪内时，其中的情感，每个按钮代表提醒与会者。
   2. 表明表达式（快乐，中性，悲伤）的描述性词语叠加在个别的面孔的照片。这些话是一致或不一致的，所面对的图片（ 图1）描绘的情感。要么代表提醒与会者，每次扫描开始在屏幕上的批示按相应的按钮，尽快ORT“脸部表情（快乐，中性，悲伤）”或“文字（快乐，中性，悲伤）”。
   3. 指令显示1秒​​钟，随后由一个固定的十字架上，与会者迷恋上另1秒。其次是固定跨为250毫秒和2秒的响应形象呈现在脸上刺激。响应图像被用来给参与者报告他们的反应，按相应的按钮。这种反应图像结束后开始的下一个固定的交叉视觉呈现。每个参与者重复实验扫描在两个指令组（即面部表情或文字）之一。创建和使用演示12.1（ www.neurobs.com ）提出刺激。

3。扫描仪和眼动追踪设置

1. 到Begin的实验，开始集中到屏幕与数字投影机的MRI图像作为投影计算机的刺激。
2. 参与者被要求从他们在控制室里的椅子和起床，走进扫描仪室。耳塞和/或提供头手机和科目放置在自己的耳朵运河。
   1. 这个问题在于，他们的头部位置，仰卧，以头线圈的中心。我们用枕头或泡沫插入稳定参与者的身体和头部位置，使他们尽可能舒适，而且在限制他们的头部运动，头部运动以来，在扫描过程中会导致数据丢失的助手。尤其是当头部运动是大于1毫米，在任何方向。
   2. 滑动/放置了参与者的头headcoil和他们倾斜舒适尽可能他们的头，直视前方，以查看一面镜子，反映了投影机的屏幕。眼睛一定要尽可能接近为p的首要位置ossible ^8，以保持在扫描可长达两个小时的会议参与者的舒适性。
3. 要求参与者如何投射影像的焦点是，一旦他们在扫描器。如果它不锋利，重新调整镜头，提高了屏幕上的图像。
4. 现在的eyetracker校准测试，以确保在正确的位置，红外发光二极管相机。如果在角膜上的反映是不理想或正常工作，红外发光二极管源必须进行调整，或一面镜子，反映参与者的头部位置附近的红外发光二极管源，必须重新调整/调整。如果参与者的头部进行了调整，问这个问题，如果需要更多的填充/泡沫或枕头保持这种头/身体位置。在扫描显示器和记录参与者的横向和纵向的眼睛的位置，使用红外线眼球追踪（即Sensomotoric仪器，李约瑟/马萨诸塞州波士顿）和关联这些行为范式WHEN分析大脑活动^。5,7

4。扫描程序

1. 将参与者的腹部，左手和右手摇杆/按钮盒上的紧急联络挤压球。在靠近头部的右侧，将维生素E胶囊。解剖扫描，这将使某些错误，这将是可见的，不会从左至右翻转图像。提高滑入中心的MRI床。
2. 确保所有实验者留下的MRI室的门关闭的MRI。
3. 与中控室通过对讲参与者沟通和确认，他们正在准备开始扫描，并尽可能舒适。如果不是，调整需要。
4. 提醒参与者，在扫描仪的噪音将是响亮的，这是正常的。
   1. 在第一次扫描沿矢状地区收集的几个脑图像，以便能够本地化/规定的确切或ientation解剖和功能完整的数据片。与会者被告知，这种扫描将需要几分钟。
   2. 一旦实验者查看本地化扫描的结果，我们规定了一系列覆盖整个大脑的解剖切片。在我们的情况下，我们通常扫描轴向斜片，涵盖整个大脑（170至256片）。告诉参与者扫描，这将取决于规定数量的片约6至10分钟。在某些情况下可以做解剖扫描功能扫描后。后者有一定的优势，通常在长期实验的受试者会遇到疲劳。因此，解剖扫描需要的科目不重视，所以他们可能会关闭他们的眼睛。这可能是有用的，做这些扫描成像会议结束。
   3. 解剖扫描完成后，参与者是通过沟通，通过麦克风提醒即将到来的扫描的具体说明/扬声器系统。
5. 在这个例子中，伪事件相关设计²用于识别情绪Stroop任务的脑激活的区域，但需要时，可以使用定向任何感觉，内部的感知⁹或电机刺激^10。在这些被扫描，然后我们将指示下一个主题将被扫描，反扫视范式。根据扫描成像参数的选择上，将接近6分钟之久。我们发现，扫描长于诱导受试者入睡。
6. 总的成像会议大约需要60至120分钟，根据分析所需的总扫描。

5。功能磁共振成像分析

1. 使用BrainVoyager群星软件（或任何分析软件包，如AFNI或SPM）分析数据。
2. 首先，上解剖大脑图像叠加功能数据统计图。功能定义感兴趣的大脑区域（反渗透正在）使用一般线性模型（GLM），与单独的预测，为每个任务的条件（即一致和不一致的，脸指令字指令，反扫视，扫视）在两种类型的扫描^2。
3. 检查所有激活的GLM对比额叶区域的信号强度（即所有与所有一致不一致的，以生产领域地图），计算所有参与者标准化BOLD信号和比较不一致的字/脸上的表情与全等字/面临两个条件^2的表达。
4. 相关的试验，为GLMs使用收集反应时间，然后横 ​​跨每一个人相关的大脑活动，用他们自己的反应时间，具体如图4试验^2。

6。代表结果

经过分析，我们显示与电子相关的大脑区域记录扫描过程中的运动的Stroop和反扫视任务。从情感Stroop范式结果表明表达，指导和大脑区域的所有三个因素之间的相互作用的影响，但没有指令^2的表达并没有主要作用的主要作用。我们发现时，脸上的表情是不一致的，以叠加的情感词语，从报告的文字产生这种不契合，在左侧的空腹血糖受损（ 图2）具有较高的BOLD信号强度。统计学意义上的不一致表达的信号强度比较一致表达，高兴全等最大的区别^2。

最重要的是RTS三个不一致的测试条件（悲伤，快乐和中性）预测左IFG组内的所有全等的条件（ 图3）相比增加BOLD信号。对于这个ANA裂解，我们专门研究了反应时间，并进行了回归分析，以测试是否不一致和全等的条件RT预测BOLD信号这个大脑区域内活动（ 图3）。我们发现，81％左IFG组活动的变化，报告中的不一致和全等的条件²字表达的快乐，中性，悲伤时，RT帐户。较高的RT是空腹血糖受损激活较大的左预测，产生的最大的RT /信号强度比所有其他表达条件与不一致伤心的条件。我们分析反扫视范例，使用上述类似的方法，能够比较两个网络的活动。在这个例子中，我们发现，有没有在左空腹血糖受损，反扫视亲扫视任务相比增加信号。有关详细信息，我们指的读者福特等人 （2007）。

图1。不一致的审判（带喜色的脸叠加字的SAD）的一个例子。实验将开始与固定点（1秒），继续面对刺激（250毫秒）和掩盖图像（2秒），这需要参与者的按钮响应。

图2。所有固定量作为基准。误差棒表示标准误差平均值（SEM）。 （快乐，中性，悲伤）不一致的表达呈显着较大的BOLD信号的变化，相比^2个全等的表达。插图图像显示左额下回受损（IFG）的功能定位在5.2节中使用的对比描述全等条件的不一致与情绪Stroop在出席字指令集。

图3。在“参加到Word”的指令，不一致的一致性对比表明RTS和BOLD信号强度之间呈正相关。此图是平均所有10个科目的RTS和BOLD信号期间的六项条件。误差棒表示标准误差的平均值（扫描电镜^）2。

图4显示每个表达式的重复科目。最上面一行是一个试用序列从一个块试验示意图。底部是一个描绘两个伽玛用来发现在情绪的面部表情有关的大脑区域的血流动力学响应函数（HRF）。

Discussion

确定大脑区域依赖于扫描的任务（即不一致与全等的情绪和面部表情的Stroop效应;或反扫视与亲扫视）之间建立一个准确的对比度，以产生一个激活地图相关任务。这些功能的地图，可以更精细的扫描器收集行为主体作出错误的删除试验。这些错误可以被删除，如果有足够数量比功能地图的错误可以作出这些^3,4,5,6。最重要的是，当研究Stroop任务不一致的任务，有较长的反应时间，反应时间也有更高的BOLD信号在左额叶皮质受损（IFG）。如果我们没有这种行为数据收集，我们不会有这个新的洞察到前额叶皮层^2。

这种技术允许在测量与特别相关的大脑区域的活动模式haviors，如正确的和错误的试验，按下按钮²或眼球运动记录使用的措施^7。使用这些技术的挑战在于相关的行为，可以在毫秒级测量数据的准确，与来自血液流动（BOLD信号），其中有4-5S的时空分辨率的功能数据（ 图4 ）。因此，寻找与特定行为相关的神经活动，与血流动力学相关的延迟必须考虑。迅速提出的刺激，在BOLD信号的上升发生了介绍几个脸/词对刺激的过程。为了看看一致性效果（或某一特定的面部表情），我们必须克服这个时空分辨率的差距，按顺序呈现两个相同的刺激类型。这是在图4所示，其中前两个刺激两个不一致的，快乐的脸演示FOllowed由两个不一致的，中性和两个不一致的悲伤。因此，对比依赖比较不一致的一致性，将涵盖6.5s块，足够长的时间来捕捉血流动力学反应。

此外，在磁场中运动的参与者在扫描过程中创建的扭曲和结果可以产生人工激活或不正确的解剖位置上取代功能激活。过度运动而在扫描仪的科目可以看出实验者可以提醒科目扫描之间仍可能保持。进一步修正的议案，可以在软件中进行的事后，然而超过几毫米通常被丢弃功能扫描结果的议案。在这里，我们没有发现按下按钮的手臂和头部明显位移，但在扫描科目的议案必须给予慎重考虑为任何范式requirin的Ğ即使是小规模的运动。

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.