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Neuroscience

인간의 전두엽 피질에서 fMRI 신호에 행동 응답을 연관 : 작업 분석을 사용하여인지 과정을 검토

doi: 10.3791/3237 Published: June 20, 2012

ERRATUM NOTICE

Summary

연구의 목표는 두뇌 활동에 동작을 상관 관계하는 것입니다. 정확한 행동 측정 및 이미징 기술은 우리가 뇌 - 행동 관계를 명료하게하다 수 있습니다.

Abstract

이 방법은 용지의 목적은 두 비슷한 작업으로 종사하는 상호 보완적인 두뇌 프로세스를 검사하기 위해 neuroimaging 기술을 구현하는 방법을 설명하는 것입니다. fMRI 스캐너의 작업 성능이 기간 동안 참가자들의 동작은 다음 혈액 산소 수준의 종속 신호를 사용하여 두뇌 활동에 상호하실 수 있습니다. 우리는 피사체가 올바르게 작업을 수행한 후 두뇌 성능을 해결하기 위해 관련된 신호를 검사할 수있는 곳에, 올바른 재판을 정렬할 수 있도록 행동을 측정합니다. 과목이 제대로 작업을 수행하지 않으며, 이러한 시도가 올바른 재판과 같은 분석에 포함되어있다면 반대로, 우리는 올바른 성능 뿐아 시련을 소개합니다. 따라서 많은 경우에 이러한 오류가 나서 그들에게 두뇌 활동 신원을 확인하도록 스스로를 사용할 수 있습니다. stroop 1과 안티 saccade 작업 : 우리는 자동 응답 억제하는 동안 두뇌를 검사하기 위해 실험실에서 사용되는 두 보완 작업을 설명합니다.정서적 stroop 패러다임 역시 정서적인 얼굴이나 얼굴 자극의 1,2의 얼굴 '표정'에 걸쳐 겹쳐 감정 '단어'를보고 참가자를 지시합니다. 단어와 얼굴 표정이 다른 감정을 참조하면 어떤 간의 갈등이 말한 무엇을 자동으로 읽어 것은 발생해야합니다. 참가자는 단어 읽기와 얼굴 표정의 두 동시에 경쟁하는 프로세스 사이의 충돌을 해결한다. 단어를 읽을 수있는 우리의 욕구가 강한 '자극 - 반응 (SR)'협회에 이르게; 따라서 억제 이러한 강력한 SR의 어려운이며, 참가자들은 오류를 제작하는 경향이 있습니다. 이러한 갈등을 극복하고 얼굴이나 단어로부터주의를 멀리 지시하면 피사체가 일반적으로 더 돌출 자극에주의를 지휘 프로세스를 백업 바닥을 억제해야합니다. 마찬가지로, 명령어 큐는 어이 후 말초 자극 위치에만주의를 기울여 주시기 바랍니다 데 사용되지만, 안티 saccade 작업 3,4,5,6,의전자의 움직임이 거울 반대 위치로 이루어집니다. 또 다시 우리는 그러면 뇌의 활동을 상호 수있는 정확하고 오류에 실험 행동 반응의 분류 7 있도록 참가자의 눈 움직임을 기록하여 행동을 측정합니다. 지금 Neuroimaging 것은 연구자가 다른인지 과정의 지표와 관련된 다른 신경망를 정확하게 정확하고 오류가 재판의 여러 동작을 측정할 수 있습니다.

Protocol

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1. MRI 룸에 들어가기 전에

  1. 참가자는 실험적인 위험 (예 : 심장 박동기, 폐쇄 공포증, 금속 임플란트, 임신의 가능성 등), 그리고 참여의 혜택을 설명하고 동의서를 작성해야합니다.
  2. 모든 참가자는 MRI 안전성과 선별 설문 (간단한 병력, 수술 이전 절차 등) contraindications와 참가자는 제외합니다을 작성해야합니다.

2. 작업 개요 및 교육

  1. 안티 saccade의 작업 성능에 대한 교육을 제공한다.
    1. 그린 고정은 프로 saccade 재판을 나타냅니다. 8-10 °의 시각 각도, 화면의 주변에 나타나는 표적을보고 참가자를 지시한다.
    2. 레드 고정은 안티 saccade 재판을 나타냅니다. 8-10 ° (예 : 표적에 대한의 시각 각도, 화면의 주변에 나타나는 대상의 미러 반대로보고 참가자 지시 일을 쳐다보 아라E)는 떠났어.
  2. 스캐너 외부 정서적 Stroop 대한 작업 성능에 대한 교육을 제공한다.
    1. 스캐너 외부의 컴퓨터에 얼굴 단어 표현의 여러 가지 조합으로 15 연습 시험을 포함합니다. 참가자들이 작업을 배워와 MRI 스캐너에서 해당 버튼을 누르면에서 기대되는 동안 연습의 목적입니다. 어떤 버튼이 행복한 표현 / 단어, 중성 표현 / 단어와 슬픔을 표현 / 단어를 보고해 주셔서 누를하고하는 등 참가자들에게 지시한다. 또한, 언제 스캐너 안에서, 각 버튼이 나타내는 어떤 감정으로 참가자를 생각나게 해요.
    2. 표현을 (슬픈, 중성, 해피) 나타내는 단어는 각각의 얼굴 사진 위에 겹쳐있다. 이 글은 중 합동이나 그림 (그림 1)의 얼굴로 그려져 감동과 부적당한 있습니다. 기라 어느로 참가자들에게 상기 화면에 쓰여진 명령과 함께 각각의 스캔을 시작합니다가능한 해당 버튼을 빨리 누르면 "얼굴 표현 (슬프다, 중성, 행복)"또는 "문어체를 (슬픈, 중성, 행복)"오트.
    3. 수업은 참가자가 다른 1 초 동안에 집착 고정 십자가, 다음, 1 초 동안 표시됩니다. 고정 교차은 2 초 동안 응답 이미지 뒤에 250 밀리초 후 제시 얼굴 자극이옵니다. 응답 이미지가 참가자들에게 해당 버튼을 누르면 자신의 반응을보고하는 시간을 제공하는 데 사용됩니다. 고정 십자가의 다음 시각적인 표현이 응답 이미지의 끝 후에 시작됩니다. 각 참가자는 두 개의 명령어 그룹 (즉, 얼굴 표정 또는 서면 단어) 중 하나의 실험 검사를 반복합니다. 모든 자극이 만들어지고 프레 젠 테이션 12.1 (사용 수여되었다 www.neurobs.com을 ).

3. 스캐너 및 안구 추적 설정

  1. B에egin이 실험의 설정, 디지털 프로젝터와 MRI의 화면에 초점을 맞춘 이미지로 컴퓨터 자극을 예상하여 시작합니다.
  2. 참가자는 컨트롤 룸에서 자신의 의자에서 일어나서 스캐너 방으로 걸어 달라는 요청을받습니다. 귀마개 및 / 또는 헤드 전화가 제공되며 주제는 귀의 운하에 배치합니다.
    1. 주제는 헤드 코일의 중심에 자신의 머리 위치와 부정사에 자리잡고 있습니다. 우리는 데이터의 원인 손실을 스캔하는 동안 머리 움직임 때문에 헤드의 움직임을 제한에서 그들이 가능한 한 편안한뿐만 아니라 보좌관으로 만들어 베개 또는 폼 삽입과 함께 참가자의 신체와 머리의 위치를​​ 안정화. 머리 운동은 어떤 방향으로 1mm보다 큰 경우에는 특히.
    2. 참가자의 머리 headcoil 배치 / 슬라이드와 프로젝터의 화면을 반영하는 거울을 볼 앞에 똑바로 보면서 그들은 그들의 머리처럼 편안하게 최대한를 기울이고있다. 눈은 P와 같은 기본 위치에 최대한 가까이 있어야합니다최대 2 시간 지속될 수있는 스캐닝 세션을 통해 참가자의 편안함을 유지하기 위해 8 ossible.
  3. 그들이 스캐너에 한번 투영 이미지의 초점이 얼마나 참가자에게 물어보십시오. 그것이 날카로운되지 않으면 화면에 이미지를 개선하기 위해 렌즈를 다시 조정합니다.
  4. eyetracker 이제 IRED 카메라가 올바른 위치에 있도록 보정에 의해 테스트됩니다. 각막에 반사 이상적인 않거나 제대로 작동하지 않는 경우, IRED 소스가 조정해야하며, 참가자의 머리 위치 근처 IRED 소스를 반영 미러는 realigned / 조정할 수 있어야합니다. 참가자의 머리를 조정할 경우보다 패딩 / 거품이나 베개는이 헤드 / 바디 순위를 유지하는 데 필요한 경우 제목을 부탁드립니다. 모니터를 스캔하고 적외선 안구 추적기 (즉 Sensomotoric 인 스트 루먼트, Needham / 보스톤, MA)를 사용하여 기록적인 참가자들의 수평 및 수직 안구 위치시와 행동 패러다임 대체와 함께 이것을 상관 관계욕실이 두뇌 활동을 분석. 5,7

4. 검사 절차

  1. 참가자의 자신의 왼손에있는 복부와 오른손의 조이스틱 / 버튼을 상자에 긴급 연락처 짜내 공을 놓으십시오. 머리 근처의 오른쪽에 비타민 E 캡슐을 놓습니다. 이것은 특정 오류를하게 해부 검사에서 볼 수 있습니다 왼쪽에서 오른쪽으로 이미지를 배신하지 않습니다. MRI의 중앙에 침대를 들고 끼웁니다.
  2. 경험의 모든 MRI 방을 떠나기 확인 및 MRI에 문을 닫습니다.
  3. 컨트롤 룸에있는 인터폰을 통해 참가자들과 의사 소통하고 그들이 스캔을 시작할 수 있도록 준비하고 최대한 편안하고 있는지 확인합니다. 그렇지 않을 경우 필요에 순응하다.
  4. 스캐너에서 소음이 크게되며 이것이 정상임을 참가자를시키십시오.
    1. 첫 번째 검사는 집중 / 또는 정확한 처방 수 있도록 화살 지역 몇개의 뇌 이미지를 수집합니다전체 해부 학적 및 기능적 데이터 조각의 ientation. 참가자는이 검사가 몇 분 정도 걸릴 것이다라고한다.
    2. 경험이 localizer 검사의 결과를 볼되면, 우리는 전체 뇌를 포함 해부 조각 일련의 처방. 우리의 경우 우리는 일반적으로 전체 두뇌 (170-256 조각)을 망라 축 경사 조각을 검사합니다. 이 검사는 조각의 소정의 수에 따라 10-6 주위 분 정도 소요됩니다 것을 참가자에게 말해. 어떤 경우에는 해부 학적 검사는 기능적 검사 후에 할 수 있습니다. 후자의 일부 이점이 있는데, 일반적으로 긴 실험에서 과목 피로가 발생합니다. 그들이 눈을 감고 수 있도록 그러므로 해부 검사 대상으로 아무런주의를 필요가 없다. 그것은 이미징 세션이 끝날 때 이러한 스캔을 수행하는 것이 유용할 수도 있습니다.
    3. 해부 학적 검사가 완료되면 참가자가 마이크를 통해 통신을 통해 향후 검사의 구체적인 지침이 상기된다/ 스피커 시스템.
  5. 이 예제에서 의사 이벤트 관련 디자인 2 감정 stroop 작업에 의해 활성화된 뇌 영역을 식별하는 데 사용되지만 필요한 경우 다른 감각, 내부 지각 9 모터 자극 10 사용하기 위해 감독 수 있습니다. 이들은 스캔 후 우린 반 saccade 패러다임이 다음에 스캔됩니다 제목을 지시합니다. 선택된 이미지 매개 변수에 따라 검사는 6 분 정도에 가까운 것입니다. 우리는이 잠들길 과목을 유도보다 오래 검사 데요.
  6. 총 이미지 세션은 분석에 필요한 총 검사에 따라, 분 120으로 약 60 걸립니다.

5. fMRI 분석

  1. BrainVoyager QX 소프트웨어 (또는 AFNI이나 SPM과 같은 분석 패키지)를 사용하여 데이터를 분석.
  2. 해부 학적 뇌 이미지 고정 기능 데이터 통계지도를 도랑으로 시작합니다. 기능 (RO 관심 뇌 영역을 정의) 검사 2의 두 가지 유형 중 작업의 조건 각각에 대해 별도의 predictors (예, 합동 및 부적당한, 얼굴 명령, 워드 명령어, 안티 saccade, 프로 saccade)로, 일반 선형 모델 (GLM)을 사용하고 있습니다.
  3. GLM의 대조에서 모든 활성 전두엽 영역의 신호 강도를 (분야지도를 제작하는 모든 합동 대 모두 부적당한를 IE) 검사, 모든 참가자에 걸쳐 표준화된 굵게 신호를 계산 및 / 합동 단어로 부적당한 단어 / 얼굴 표정을 비교 두 조건 2 표현에 직면해있다.
  4. GLMs에 사용된 실험에서 수집된 반응 시간을 상관 관계를 다음 그림 4에서와 같이 특정 시련 2에 대한 자신의 반응 시간과 각 개별 걸쳐 뇌의 활동 상관 관계.

6. 대표 결과

분석 후 우리는 전자와 연관 뇌 영역을 표시운동의 stroop 및 안티 saccade 작업은 스캔하는 동안 녹음. 정서적 stroop 패러다임의 결과 표현,지도, 그리고 뇌 영역의 세 가지 요소 사이의 상호 작용 효과를 보여주지만, 표현과 명령어 2의 노 주요 효과에 대한 주요 효과는 없었습니다. 우리는 얼굴의 표정이 겹쳐 감정적인 단어에 부적당한 때, 조서에 의하면보고에서 생산이 incongruency가 왼쪽 IFG 2 (그림 2)에서 높은 굵은 신호 강도를 보였다는 사실을 발견했습니다. 합동 식을 비교하여 부적당한 표현에 더 큰 신호 강도가 합동 행복이 가장 큰 차이점 2를 보여주으로 통계적으로 의미했습니다.

테스트한 세 가지 부적당한 조건 (, 슬프고 행복하고 중립)에 대한 가장 중요한 것은 RTS는 모든 합동 조건 (그림 3)에 비해 왼쪽 IFG 내에서 증가 굵은 신호를 예측했다. 이 애나를 위해용해 우리는 특별히 반응 시간을 검사하고 부적당한 및 합동 조건 RT이 뇌 영역 내에서 굵은 신호 활동 (그림 3)의 예측에 있건 없건 테스트하기 위해 회귀 분석을 실시 하였다. 우리는 발견 부적당한 및 합동 조건 2시 해피, 중립, 그리고 슬픈의 단어 표현을보고 왼쪽 IFG 활동 편차 81 %를 RT를 차지하고 있습니다. 높은 RT 다른 모든 표현식 조건에 비해 최고의 RT / 신호 강도 비율을하였으며 부적당한 슬픈 상태가 큰 왼쪽 IFG 활성화의 예측이다. 우리는 활동의 두 네트워크를 비교 수 있도록 위와 같이 유사한 방법을 사용 방지 saccade 패러다임을 분석했다. 이 예제에서, 우리는 프로 saccade 작업에 비해 안티 saccade 위해 왼쪽 IFG에는 증가된 신호가없는 것으로 나타났습니다. 자세한 내용은, 우리는 포드 외. (2007)에 독자를 참조하십시오.

그림 1 그림 1. 부적당한 재판 (슬픈 단어가 겹쳐 행복한 표정있는 얼굴)의 예. 실험은 얼굴 자극 (250 MS)와 참가자의 버튼 응답을 필요로 마스크 이미지 (2 초)에 의해 진행, 고정 점 (1 초)로 시작됩니다.

그림 2
그림 2. 모든 고정 볼륨이 기준선으로 사용되었다. 오차 막대는 평균 (SEM)의 표준 오류를냅니다. 부적당한 표현 (슬픈, 중성, 해피) 합동 표현식 2에 비해 훨씬 크고 굵은 신호의 변화를 보여주었다. 삽입된 페이지 이미지는 기능상 단어 명령 집합에 참석하는 동안 합동 조건 비교 부적당한 감정 stroop에 대해 섹션 5.2 대비 묘사를 사용하여 지역화된되었다 열등 전두엽 이랑 (IFG)을 왼쪽으로 보여줍니다.

그림 3. '단어에 참석 "교육에는 부적당한 - 합동 대비 RTS와 굵은 신호 강도 간의 긍정적인 상관 관계를 보여주었다. 이 그래프는 모두 10 과목 'RTS와 여섯 조건의 각 동안 굵은 신호의 평균입니다. 오차 막대는 평균 (SEM) 2의 표준 오류를냅니다.

그림 4
그림은 4. 각 표현의 두 반복이 과목을 표시했다. 끝줄는 재판에서 한 블록에서 시험 순서의 개략도 그림입니다. 하단 부분은 정서적 얼굴 표정과 관련된 뇌 영역을 발견하는 데 사용되는 두 감마 hemodynamic 응답 함수 (HRF)의 묘사이다.

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Discussion

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작업과 관련된 정품 인증의지도를 생성하기 위해, 뇌의 영역을 파악하면 (또는 안티 saccade 대 프로 saccade Stroop 중의 즉, 부적당한 대 합동 감정과 얼굴 표정) 스캔 작업 사이의 정확한 대조를 생성에 의존합니다. 이러한 기능적지도 문제는 피사체가 오류를 만들어 실험을 제거하려면 스캐너에서 수집되었을 때 더 세련된 될 수 있습니다. 이러한 오류를 제거할 수 있으며 기능적인지도보다는 에러의 충분한 숫자가있다면 이러한 3,4,5,6로 만들어진 수 있습니다. 가장 중요한 이상 반응 시간을 가지고 stroop 작업 부적당한 작업 반응 시간을 검사하는 경우에도 왼쪽 전두엽 피질 (IFG)의 높은 굵은 신호를했다. 우리가이 행동 데이터를 수집하지 않으면 우리는 전두엽 피질이에이 새로운 통찰력을 가지고 있지 것입니다.

이 기술이 특정과 관련된 뇌 영역의 활동 패턴 측정을 허용이러한 버튼 프레스 2 또는 안구 운동 레코딩의 대책을 사용하여 정확하고 오류가 시련 7과 haviors. 이러한 기술을 사용의 도전은 4 기들의 시간적 해상도를 가지고 혈액 흐름 (굵은 신호)에서 파생된 기능 데이터 (그림 4와 함께, 밀리초의 순서로 측정할 수 행동적 데이터의 정확한 상관 관계에있다 ). 따라서, 특정 행동과 연관된 신경 활동 보는, 혈류 역학과 관련된 지연이 고려되어야합니다. 급속하게 제시 자극으로 굵은 신호의 상승은 여러 얼굴 / 단어 쌍 자극의 프레 젠 테이션의 과정을 통해 발생합니다. 적합성의 효과 (또는 특정 얼굴 표정의)보고하기 위해 우리는 순차적으로 동일한 자극 유형 중 두 가지를 제시하여 시간적 해상도에서이 차이를 극복합니다. 이것은 처음 두 자극이 두 부적당한 - 행복한 얼굴 프레 젠 테이션을 구경가 그림 4에 나와 있습니다이 부적당한 중립과 두 부적당한 슬픔으로 llowed. 따라서 incongruence과 적합성 비교에 의존 대조 hemodynamic 응답을 캡처할 충분히, 6.5s 블록을 망라합니다.

또한 스캔하는 동안 참가자의 움직임이 자기장 내에서 왜곡을 생성하고이 결과에서 인공 활성화를 생성하거나 잘못된 해부 학적 위치에 기능성 인증을 치환 수 있습니다. 스캐너에서 잠시 주제에 의한 과도한 운동은 실험자에 의해 볼 수 있으며 과목은 스캔 사이가 여전히 가능한 한 유지하는 생각나게 할 수 있습니다. 움직임에 대한 보정은 무시되고 기능적 검사에 보통 몇 mm 결과보다는 다만 운동 크고, 소프트웨어에 posthoc 수행할 수 있습니다. 여기서 우리는 버튼 프레스는 팔과 머리 상당한 변위 결과 그러나 스캔하는 동안 대상의 움직임이 어떠한 패러다임 requirin에 대한 신중한 검토를 부여해야 찾지 못했어요g 심지어 작은 움직임.

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Disclosures

우리는 공개 할게 없다.

Acknowledgments

JFXD, 건강, 요크 대학과 저자의 연구에 대한 국립 과학 및 공학 연구 협의회 (NSERC)의 재정 지원은 SO 온타리오 문제 도박 연구 센터 (OPGRC)에서 박사 학위 기금 있습니다.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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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

인간의 전두엽 피질에서 fMRI 신호에 행동 응답을 연관 : 작업 분석을 사용하여인지 과정을 검토
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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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