Korrelere adfærdsmæssige reaktioner på fMRI Signaler fra Menneskelig præfrontale cortex: Undersøgelse Kognitive processer ved hjælp af Task Analysis

Summary

Målet med vores forskning er at korrelere adfærd hjernens aktivitet. Præcise adfærdsmæssige foranstaltninger og billeddiagnostiske teknikker gør det muligt for os at belyse hjerne-adfærd relationer.

Abstract

Formålet med denne metoder papir er at beskrive, hvordan man kan gennemføre en Neuroimaging teknik til at undersøge komplementære hjerneprocesser engageret af to lignende opgaver. Deltagernes adfærd under opgave ydeevne i en fMRI scanner derefter kan korreleres til hjernen aktivitet ved anvendelse af blod-oxygen-niveauet-afhængige signal. Vi måler adfærd for at kunne sortere korrekte forsøg, hvor emnet udførte opgaven korrekt, og så være i stand til at undersøge hjernens signaler relateret til rette ydelse. Omvendt, hvis fag ikke udføre opgaven korrekt, og disse undersøgelser indgår i samme analyse med de korrekte forsøg vil vi sætte gang i forsøg, der var ikke kun for korrekt udførelse. Således i mange tilfælde er disse fejl kan anvendes til selv at derefter korrelere hjerneaktivitet dem. Vi beskriver to komplementære opgaver, der bruges i vores laboratorium til at undersøge hjernen under undertrykkelse af et automatisk svar: den Stroop ¹ og anti-saccade opgaver. Denfølelsesmæssige Stroop paradigme instruerer deltagerne enten indberetter overlejret følelsesmæssige "ord" på tværs af affektive ansigter eller ansigtsudtryk forb. udtryk 'i ansigtet stimuli ^1,2. Når ordet og ansigtsudtryk henviser til forskellige følelser, må en konflikt mellem, hvad der siges og hvad der aflæses automatisk opstår. Deltageren har til at løse konflikten mellem to samtidigt konkurrerende processer ord læsning og ansigtsudtryk. Vores trang til at læse et ord fører til en stærk 'stimulus-respons (SR)' foreninger, og derfor hæmme disse stærke SR'er er svært, og deltagerne er tilbøjelige til at begå fejl. Overvinde denne konflikt og lede opmærksomheden væk fra ansigtet eller ord kræver emnet at hæmme bottom up-processer, der typisk retter opmærksomheden på de mere fremtrædende stimulus. Tilsvarende, i anti-saccade opgave ^3,4,5,6, hvor en instruktion cue anvendes til at dirigere kun opmærksom på en perifer stimulus placering, men derefter EYe bevægelse til spejlet modsatte stilling. Endnu en gang vi måler adfærd ved registrering af øjenbevægelser af deltagerne, som giver mulighed for sortering af de adfærdsmæssige reaktioner i korrekte og fejl forsøg ^7, som derefter kan være korreleret til hjernens aktivitet. Neuroimaging nu giver forskerne til at måle forskellige adfærd af korrekte og fejl forsøg, der er tegn på forskellige kognitive processer og identificere de forskellige neurale involverede netværk.

Protocol

1. Før Indtastning af MRI værelset

1. Deltagerne udfylder en samtykkeerklæring forklare alle de eksperimentelle risici (f.eks pacemaker, klaustrofobi, metalliske implantater, chancen for graviditet osv.) og fordele ved deres deltagelse.
2. Alle deltagere skal udfylde MRI sikkerhed og spørgeskema til screening (kort sygehistorie, tidligere kirurgiske procedurer mv) Deltagere med kontraindikationer skal udelukkes.

2. Opgave Oversigt og træning

1. Tilbyde uddannelse på opgave på anti-saccade.
   1. Grøn fiksering angiver en pro-saccade forsøg. Instruere deltagere at se til målet der findes i periferien af ​​skærmen ved en visuel vinkel på 8-10 °.
   2. Red fiksering viser en anti-saccade forsøg. Instruer deltageren at se til spejlet modsatte af målet optræder i periferien af ​​skærmen, på en visuel vinkel på 8-10 ° (f.eks rigtige mål, se til the venstre).
2. Tilbyde uddannelse på opgave for den følelsesmæssige Stroop udenfor scanneren.
   1. Medtag 15 praksis forsøg med forskellige kombinationer af ansigt-ord udtryk på en computer uden scanneren. Formålet med praksis er for deltagerne at lære opgaven, og hvad der forventes af dem i at trykke på knappen i MR-scanneren. Instruer deltagerne med hensyn til, hvilke knapper der trykkes på for at rapportere et lykkeligt udtryk / ord, neutralt udtryk / ord og trist udtryk / ord. Og når inde i scanneren, minde deltagerne om, hvor følelser hver knap repræsenterer.
   2. Beskrivende ord, der angiver de udtryk (Happy, Neutral, Sad) er overlejret over billeder af enkelte ansigter. Disse ord er enten kongruent eller inkongruent med følelser afbildet af ansigtet på billedet (figur 1). Begynd hver scanning med en skriftlig instruktion på skærmen minde deltagerne til enten report "ansigt ANGIVELSE (glad, neutral, trist)" eller "skrevne ord (glad, neutral, trist)" ved at trykke på den tilsvarende knap så hurtigt som muligt.
   3. Undervisningen vises i 1 sekund, efterfulgt af en fiksering kors, hvor deltagerne fikseret på en anden 1 sek. Den fiksering på tværs efterfølges af ansigtet stimuli præsenteret for 250 millisekunder og derefter efterfulgt af svar billedet i 2 sekunder. Svaret billede bruges til at give deltagerne tid til at indberette deres svar ved at trykke på den relevante knap. Den næste visuelle præsentation af fikseringen på tværs begynder efter afslutningen af ​​dette svar billedet. Hver deltager gentager den eksperimentelle scanning i en af ​​de to instruktions grupper (dvs. ansigt udtryk eller skrevne ord). Alle stimuli blev skabt og præsenteret under anvendelse Præsentation 12,1 ( www.neurobs.com ).

3. Scanner og Eye Tracking Setup

1. Til begin oprettelsen af ​​eksperimentet, skal du starte ved at projicere computeren stimulus som et fokuseret billede på skærmen i MRI med en digital projektor.
2. Deltagerne bliver bedt om at komme op fra deres stol i kontrolrummet og gå ind i scanneren rummet. Ørepropper og / eller hoved-telefoner til rådighed og emner, placere dem i deres ører kanaler.
   1. Emnet ligger i rygleje med hovedet position til midten af ​​hovedet spolen. Vi stabilisere deltagers krop og hoved stilling med puder eller skumindlæg at gøre dem så behageligt som muligt, men også at aide i at begrænse deres bevægelser af hovedet, da hovedet bevægelse under scanning medfører tab af data. Især hvis hovedet bevægelse er større end 1 mm i enhver retning.
   2. Skub / placere headcoil over deltagerens hoved og få dem vippe hovedet så behageligt som muligt, mens de kigger lige frem for at se det spejl, som reflekterer projektorens skærm. Øjnene skal være så tæt på den primære position pULIGE ⁸ med henblik på at fastholde deltagerens komfort over scanning session, der kan vare op til to timer.
3. Spørg om, hvordan et fokus for det projicerede billede er, når de er i scanneren. Hvis det ikke er skarp, justér linsen for at forbedre billedet på skærmen.
4. Den eyetracker testes nu ved hjælp af en kalibrering for at sikre, at IRED kameraet er i den korrekte placering. Hvis overvejelserne om hornhinden ikke er ideel, eller fungerer korrekt, skal IRED kilden justeres, eller spejlet afspejler IRED kilde tæt på deltagerens hoved stilling skal tilpasses / justeres. Hvis deltageren hoved blev justeret, så spørg emnet, hvis mere polstring / skum eller puder er nødvendige for at opretholde denne hoved / krop position. Under scanning overvåge og registrere deltagernes vandrette og lodrette øjne positioner ved hjælp af et infrarødt øje tracker (dvs. Sensomotoric Instruments, Needham / Boston, MA) og korrelere disse med adfærdsmæssige paradigme WHen analyse af hjernens aktivitet. ^5,7

4. Scanning Procedurer

1. Placer en nødsituation kontakt klemme bold på deltagerens maven i deres venstre hånd og joystick / knap boksen i højre hånd. Placere et vitamin E kapsel på den højre side i nærheden af ​​hovedet. Dette vil kunne ses på de anatomiske scanninger, som vil gøre vis en fejl vil ikke vende billederne fra venstre mod højre. Løft og skub sengen i midten af ​​MRI.
2. Sikre, at alle de eksperimentatorer forlader MR rummet og luk døren til MRI.
3. Kommunikere med den deltager, gennem samtaleanlægget i kontrolrummet, og bekræfter, at de er parate til at begynde scanning og er så behageligt som muligt. Hvis ikke, justere efter behov.
4. Mind deltageren at lyde i scanneren, vil være højt, og dette er normalt.
   1. Den første scanning opsamler et par billeder af hjernen langs sagittale region kunne lokalisere / ordinere den nøjagtige ellerientation af skiverne for alle anatomiske og funktionelle data. Deltagerne får at vide, denne scanning vil tage et par minutter.
   2. Når eksperimentatorer se resultatet af Localizer scanningen, vi ordinere en række anatomiske skiver, der dækker hele hjernen. I vores tilfælde har vi typisk scanner aksiale skrå skiver som omfatter hele hjernen (170 til 256 skiver). Fortæl deltageren at denne scanning vil tage omkring 6 til 10 minutter afhængig af det foreskrevne antal skiver. I nogle tilfælde anatomiske scanning kan udføres efter de funktionelle scanninger. Der er nogle fordele ved det sidstnævnte, som regel i lange eksperimenter emner vil opleve træthed. Således anatomiske scanningen behøver ingen opmærksomhed fra de fag, så de kan lukke deres øjne. Kan det være nyttigt at gøre disse scanninger ved slutningen af ​​det billeddannende samling.
   3. Når anatomiske scanninger er afsluttet deltageren er mindet om de specifikke anvisninger i den kommende scanning gennem kommunikation via mikrofonen/ Højttalersystem.
5. I dette eksempel er en pseudo event-relaterede design ² anvendes til at identificere områder af hjernen, der aktiveres af den følelsesmæssige Stroop opgave, men enhver sensorisk, indre opfattelse ⁹ eller motor stimulus ¹⁰ kan rettes til anvendelse efter behov. Når disse er scannet, vil vi instruere emnet, at anti-saccade paradigme vil blive scannet næste. Afhængigt af de billeddannende valgte parametre scanningen vil være tæt på 6 minutter lang. Vi finder, at scanner længere end dette fremkalde emner at falde i søvn.
6. Den samlede billeddannende samling tager omkring 60 til 120 minutter, afhængigt af den totale scanninger nødvendige til analyse.

5. fMRI Analyse

1. Analyser af data ved hjælp af BrainVoyager QX software (eller enhver analyse pakken såsom AFNI eller SPM).
2. Begynd ved at sammenføje funktionelle data statistiske kort på anatomiske billeder af hjernen. Funktionelt definere de områder af hjernen af ​​interesse (ROEr) anvendelse af den generelle lineære model (GLM), med separate indikatorer (dvs. kongruent og inkongruent, ansigt instruktion og ord instruktion, anti-saccade, pro-saccade) for hver af betingelserne i opgaven i løbet af de to typer scanninger ^2.
3. Undersøg signal intensitet i alle de aktiverede frontale regioner fra GLM kontrasterne (dvs. alle inkongruent sammenlignet med alle kongruent til at producere et kort over områder), beregne standardiserede BOLD signalet på tværs af alle deltagere og sammenligne inkongruent ordet / ansigt udtryk med kongruente ord / står udtryk for begge betingelser ^2.
4. Korrelere reaktionstider opsamlet på forsøg, som blev anvendt til GLMs derefter korrelere hjerneaktivitet over hver enkelt deres egne reaktionstider for specifikke forsøg ² som i figur 4.

6. Repræsentative resultater

Efter analysen viser vi hjerneregioner, der korrelerer med eMotional Stroop og anti-saccade opgaver registreret under scanningen. Resultaterne fra den følelsesmæssige Stroop paradigme viste en interaktion effekt mellem alle tre faktorer udtryk, instruktion, og hjerne region, men der var ingen primære effekt af udtryk og ingen væsentligste effekt af undervisning ^2. Vi fandt, at når ekspressionen af ansigtet blev inkongruent til overlejrede følelsesmæssige ord, denne incongruency fremstillet rapportering det skrevne ord udviste højere BOLD signalintensitet i den venstre IFG ² (figur 2). Den større signalstyrke på inkongruent udtryk i forhold til de kongruente udtrykkene var statistisk signifikant, med tilfreds kongruent viser den største forskel ^2.

Vigtigst RTS for de tre inkongruente testede betingelser (trist, glad og neutral) forventet en øget BOLD signalet i venstre IFG forhold til alle de kongruente forhold (Figur 3). Til dette analysis vi specifikt undersøgt reaktionstiderne og føres en regressionsanalyse for at teste, hvorvidt RT for inkongruent og kongruent betingelser var forudsige BOLD signal aktivitet inden for dette område af hjernen (figur 3). Vi fandt, at RT tegner sig for 81% af variationen i venstre IFG aktivitet, når rapporteringen af ordet udtryk for Glad, Neutral, og Sad i løbet af de inkongruente og kongruent betingelser ^2. Højere RT er prædiktiv for større venstre IFG aktivering med inkongruent sørgelige opnåelse størst RT / signalintensitet forholdet sammenlignet med alle andre ekspressionssystemer betingelser. Vi analyserede de anti-saccade paradigmer anvendelse af lignende fremgangsmåder som ovenfor for at kunne sammenligne de to netværk aktivitet. I dette eksempel, fandt vi, at der ikke var øget signal i venstre IFG for anti-saccade sammenlignet med pro-saccade opgave. For flere detaljer, henviser vi læserne til Ford et al. (2007).

Figur 1. Et eksempel på en inkongruent forsøg (ansigt med et lykkeligt udtryk overlejret med ordet SAD). Forsøget vil begynde med fiksering prik (1 sekund), fortsætter med ansigtet stimulus (250 ms) og maskerede billedet (2 sekunder), som kræver deltagerens knappen reaktion.

Figur 2. Alle fikseringen mængder blev anvendt som basislinie. Fejlsøjler betegner standardfejlen af ​​middelværdien (SEM). Inkongruent udtryk (Happy, Neutral, Sad) viste signifikant større BOLD signal ændring i forhold til kongruente udtryk ^2. Det indsatte billede viser venstre ringere frontal gyrus (IFG), der blev funktionelt lokaliseret ved hjælp af kontrasten beskriver i afsnit 5,2 for inkongruent følelsesmæssige Stroop versus kongruent tilstand under passe ordet instruktionssæt.

Figur 3. Under "Deltag til Word" instruktion, viste inkongruent-kongruent kontrast en positiv korrelation mellem RTS og BOLD signal intensitet. Denne graf er et gennemsnit af alle 10 forsøgspersoner har ratingværktøjer og BOLD signal i hver af de seks betingelser. Fejlsøjler betegner standardfejlen af middelværdien (SEM) ^2.

Figur 4. To gentagelser af hvert udtryk blev vist til de emner. Øverste række er en skematisk illustration af et forsøg sekvens fra en blok af prøver. Bottom afsnit er en afbildning af to-Gamma hæmodynamiske respons funktion (HRF), der anvendes til at finde områder af hjernen er involveret i de følelsesmæssige ansigt udtryk.

Discussion

Identificering af områder af hjernen er afhængig af at skabe en præcis kontrast mellem de opgaver, scannet (dvs. i enten Stroop, inkongruent versus kongruent følelser og ansigtsudtryk, eller anti-saccade versus pro-saccade) for at producere et kort over aktivering i tilknytning til opgaven. Disse funktionelle kort kan være mere raffineret, når adfærd opsamles i scanneren til at fjerne forsøg, hvor emnet begåede fejl. Disse fejl kan fjernes, og hvis der var nok antal fejl end funktionelle kort kan gøres disse ^3,4,5,6. Vigtigst af alt, når de undersøger de reaktionstider for Stroop opgaven inkongruent opgaver, der havde længere reaktionstider havde også et højere BOLD signaler i venstre frontal cortex (IFG). Hvis vi ikke indsamler denne adfærdsmæssige data ville vi ikke have denne nye indsigt i præfrontale cortex ^2.

Denne teknik giver mulighed for måling af mønstre af aktivitet i hjerneområder, der er forbundet med en bestemt værehaviors som korrekte og fejl forsøg ⁷ ved hjælp af foranstaltninger af knaptryk ² eller øjenbevægelser optagelser. Udfordringen at anvende disse teknikker ligger i nøjagtig korrelation af de adfærdsmæssige data, som kan måles i størrelsesordenen millisekunder, med de funktionelle data fra blod-strømning (fed signal), som har en tidsmæssig opløsning af 4-5s (fig. 4 ). Derfor, for at se på neurale aktivitet associeret med en bestemt adfærd skal forsinkelsen forbundet med hæmodynamik tages i betragtning. Med hurtigt præsenterede stimuli, forekommer stigningen i BOLD signal i løbet af præsentationen af ​​flere ansigt / ordpar stimuli. For at undersøge virkningen af ​​kongruens (eller af en bestemt ansigtsudtryk) skal vi overvinde denne forskel i tidsmæssig opløsning ved sekventielt at præsentere to af de samme stimuli type. Dette er vist i figur 4, hvor de første to stimuli er to inkongruent-gerne flade præsentationer followed af to inkongruente-neutral og to-inkongruent trist. Således vil en kontrast, der er baseret på sammenligning kongruens med inkongruens omfatter en 6.5s blok, længe nok til at indfange hæmodynamisk respons.

Desuden bevægelse af deltagerne under scanningen skaber forvridninger i det magnetiske felt, og dette kan frembringe kunstige aktivering af resultaterne, eller kan erstatte funktionelle aktivering på det forkerte anatomiske placering. Overdreven bevægelse af emner, mens der i scanneren, kan ses af forsøgslederen og emner kan blive mindet om at være så stille som muligt mellem scanninger. Yderligere korrektion for bevægelse kan udføres posthoc i software, men bevægelse er større end nogle få millimeter resulterer normalt i en funktionel scanning kasseres. Her fandt ikke knaptryk resulteret i en betydelig forskydning af arm og hoved, men den bevægelse af emner under scanninger skal overvejes nøje for enhver paradigme requiring selv små bevægelser.

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.