Correlacionando as respostas comportamentais aos sinais de fMRI córtex pré-frontal humano: Examinando Processos Cognitivos Usando Análise de Tarefa

Summary

O objetivo da nossa pesquisa é correlacionar o comportamento de atividade cerebral. Precisas medidas comportamentais e técnicas de imagem permitem elucidar as relações cérebro-comportamento.

Abstract

O objetivo deste artigo é descrever métodos de como implementar uma técnica de neuroimagem para examinar os processos cerebrais envolvidos complementares por duas tarefas semelhantes. Comportamento dos participantes durante a realização da tarefa em um scanner fMRI pode ser correlacionada com a atividade do cérebro usando o sangue oxigênio-dependente do nível de sinal. Nós medimos o comportamento para poder classificar ensaios corretos, onde o participante realizou a tarefa corretamente e, em seguida, ser capaz de examinar o cérebro sinaliza relacionado para corrigir o desempenho. Inversamente, se os sujeitos não executar a tarefa correctamente, e estes ensaios estão incluídos na mesma análise com os ensaios correctas teríamos introduzir ensaios que eram não só para o desempenho correcto. Assim, em muitos casos, estes erros podem ser usados ​​se a correlacionar a actividade cerebral, em seguida, a eles. Descrevemos duas tarefas complementares que são utilizados no nosso laboratório para examinar o cérebro durante a supressão de uma resposta automática: a Stroop ¹ e anti-sacádicos tarefas. Oparadigma de Stroop emocional instrui os participantes, quer relatar o sobreposto "palavra" emocional através das faces afetivas ou as expressões faciais dos 'do ^1,2 estímulos rosto. Quando a palavra ea expressão facial se referem a diferentes emoções, um conflito entre o que deve ser dito eo que é lido automaticamente ocorre. O participante tem de resolver o conflito entre dois processos simultaneamente concorrentes de leitura de palavras e expressão facial. Nosso desejo de ler uma palavra leva a forte "estímulo-resposta (SR)" associações, daí inibir estes SR forte é difícil e os participantes são propensos a cometer erros. A superação desse conflito e dirigindo a atenção para longe do rosto ou a palavra requer o assunto para inibir a fundo os processos que normalmente direciona a atenção para o estímulo mais saliente. Do mesmo modo, na tarefa anti-saccade ^3,4,5,6, onde um taco de instruções é usado para dirigir a atenção apenas para um local de estímulo periférico, mas então o eymovimento e é preparado para a posição de espelho oposto. No entanto, mais uma vez, medir o comportamento gravando os movimentos dos olhos dos participantes que permite a classificação das respostas comportamentais em ensaios corretos e erro ^7, que então pode ser correlacionada com a atividade do cérebro. Neuroimagem agora permite aos pesquisadores medir comportamentos diferentes dos ensaios corretos e de erro que são indicativos de diferentes processos cognitivos e identificar as diferentes redes neurais envolvidas.

Protocol

1. Antes de entrar na sala de RM

1. Os participantes preencher um formulário de consentimento explicando todos os riscos experimental (GE marcapasso, claustrofobia, implantes metálicos, a chance de gravidez, etc), e os benefícios de sua participação.
2. Todos os participantes são obrigados a preencher a segurança MRI e questionário de triagem (breve histórico médico, os procedimentos anteriores cirúrgico etc) Participantes com contra-indicações devem ser excluídos.

2. Visão Geral da Tarefa e Formação

1. Fornecer treinamento sobre o desempenho de tarefas no anti-sacada.
   1. Fixação verde indica um estudo pró-sacada. Instruir os participantes a olhar para o alvo aparecendo na periferia da tela, com um ângulo visual de 8-10 °.
   2. Fixação vermelho indica um julgamento anti-sacada. Instrua participante a olhar para o espelho em frente do alvo aparecendo na periferia da tela, em um ângulo visual de 8-10 ° (por exemplo, para o alvo certo, olhar para the à esquerda).
2. Fornecer treinamento sobre o desempenho de tarefas para o Stroop emocional fora do scanner.
   1. Inclui 15 provas práticas com diferentes combinações de palavras-rosto expressões em um computador fora do scanner. O objetivo da prática é que os participantes aprendem a tarefa eo que é esperado deles em pressionar o botão apropriado no scanner de ressonância magnética. Instrua os participantes a respeito de qual botão for pressionado para relatar uma expressão feliz / palavra, expressão neutra palavra / expressão triste e / palavra. Além disso, quando dentro do scanner, lembrar aos participantes de que a emoção de cada botão representa.
   2. As palavras descritivas que indicam as expressões (feliz, Neutro, Sad) são sobrepostos sobre as imagens de faces individuais. Estas palavras são ou congruente ou incongruente com a emoção representada pelo rosto na imagem (Figura 1). Comece cada digitalização com uma instrução de escrita na tela lembrando os participantes, quer report a "expressão facial (feliz, neutro, triste)" ou a "palavra escrita (feliz, neutro, triste)" pressionando o botão correspondente o mais rapidamente possível.
   3. A instrução é apresentado durante 1 segundo, seguido por uma cruz de fixação, que os participantes fixada em 1 seg para uma outra. A cruz de fixação é seguido pelos estímulos de face apresentados por 250 milissegundos e, em seguida, seguido pela imagem resposta durante 2 segundos. A imagem de resposta é usado para dar aos participantes tempo para relatar as suas respostas ao pressionar o botão apropriado. A próxima apresentação visual da cruz fixação começa depois do fim desta imagem de resposta. Cada participante repete a verificação experimental em um dos dois grupos de instrução (isto é, expressão face ou palavra escrita). Todos os estímulos foram criados e apresentados utilizando Apresentação 12,1 ( www.neurobs.com ).

3. Scanner e configuração eye tracking

1. Para begin a criação do experimento, comece por projetar o estímulo computador como uma imagem focalizada na tela na RM com um projetor digital.
2. Os participantes são convidados a se levantar da sua cadeira na sala de controle e entra na sala de scanner. Earplugs e / ou fones de ouvido são fornecidos e assuntos colocá-los em seus canais ouvidos.
   1. O objecto reside supina com a sua posição de cabeça para o centro da bobina cabeça. Nós estabilizar o corpo do participante e posição da cabeça com travesseiros ou inserções de espuma para torná-los o mais confortável possível, mas também para auxiliar na restringindo o seu movimento da cabeça desde o movimento da cabeça durante a digitalização causas de perda de dados. Especialmente se o movimento da cabeça é maior do que 1 mm em qualquer direcção.
   2. Deslize / colocar o headcoil sobre a cabeça do participante e tê-los inclinar sua cabeça o mais confortavelmente possível, olhando para a frente para ver o espelho que reflete a tela do projetor. Os olhos devem estar o mais próximo para a posição primária como pOSSÍVEIS ^8, a fim de manter o conforto do participante sobre a sessão de digitalização que pode durar até duas horas.
3. Peça ao participante como o foco da imagem projetada é de uma vez eles estão no scanner. Se não é afiada, re-ajustar a lente para melhorar a imagem no ecrã.
4. O eyetracker está agora testada por meio de uma calibração para garantir que a câmara IRED está no local correcto. Se a reflexão sobre a córnea não é o ideal ou funcionando corretamente, a fonte IRED deve ser ajustada, ou o espelho que reflete a fonte IRED próximo da posição do participante cabeça deve ser realinhados / ajustado. Se a cabeça do participante foi ajustado, pergunte se o assunto mais padding / ou espuma travesseiros são necessários para manter esta posição da cabeça / corpo. Durante a verificação do monitor e posições dos participantes discográficas oculares horizontais e verticais usando um rastreador de olho infravermelho (ie Sensomotoric Instruments, Needham / Boston, MA) e correlacioná-los com o paradigma comportamental when analisar a atividade cerebral. ^5,7

4. Procedimentos de digitalização

1. Coloque a bola de emergência aperto contato no abdômen do participante em sua mão esquerda ea caixa de joystick / botão na mão direita. Colocar uma cápsula de vitamina E, no lado direito perto da cabeça. Isso vai ser visível nos exames anatômicos que farão um erro certo não vai virar as imagens da esquerda para a direita. Levante e faça deslizar a cama para o centro da ressonância magnética.
2. Verifique se todos os experimentadores deixar a sala de RM e fechar a porta para o MRI.
3. Comunique-se com o participante através do interfone na sala de controle e confirmar que eles estão preparados para começar a varredura e são tão confortáveis ​​quanto possível. Se não, reajustar, conforme necessário.
4. Relembre o participante que os ruídos do scanner será alto e isso é normal.
   1. A primeira verificação recolhe uma poucas imagens do cérebro ao longo da região sagital de ser capaz de localizar / prescrever o exacto ouientation das fatias para os dados completos anatómicas e funcional. Aos participantes é dito esta análise levará alguns minutos.
   2. Uma vez que os experimentadores ver os resultados da verificação do localizador, que prescrevem uma série de cortes anatômicos que cobrem todo o cérebro. Em nossos casos que normalmente varredura axial fatias oblíquas que abrangem todo o cérebro (170 a 256 fatias). Diga ao participante que este scan irá demorar cerca de 6 a 10 minutos dependendo do número prescrito de fatias. Em alguns casos a verificação anatómica pode ser feito após as verificações funcionais. Existem algumas vantagens de ser este, geralmente em experimentos de longa assuntos vai experimentar fadiga. Assim, a análise anatômica não precisa de atenção dos sujeitos para que eles possam fechar os olhos. Pode ser útil para fazer estas verificações no final da sessão de imagem.
   3. Uma vez scans anatômicas sejam concluídas o participante está lembrado das instruções específicas do scan próximo através da comunicação através do microfone/ Alto-falante do sistema.
5. Neste exemplo, um desenho de eventos relacionados com pseudo ² é utilizado para identificar as regiões do cérebro activadas pela tarefa de Stroop emocional, mas qualquer percepção sensorial, interna ⁹ ou motor estímulo ¹⁰ poderia ser dirigida para utilização quando necessário. Após estes são verificados, então vamos instruir o assunto que o paradigma anti-saccade será digitalizado seguinte. Dependendo dos parâmetros de imagem escolhidas a digitalização vai estar perto de 6 minutos de duração. Achamos que varre mais do que isso induzir indivíduos a adormecer.
6. A sessão de imagem total leva cerca de 60 a 120 de minutos, dependendo das verificações totais necessários para a análise.

5. Análise fMRI

1. Analisar os dados usando BrainVoyager QX software (ou qualquer pacote de análise, tais como AFNI ou SPM).
2. Comece por sobreposição de mapas funcionais dados estatísticos em imagens cerebrais anatômicas. Funcionalmente definir as regiões cerebrais de interesse (ROÉ), utilizando o modelo linear geral (GLM), com preditores independentes (ou seja, congruente e incongruente instrução, face e instrução palavra, anti-sacada, pró-sacada) para cada uma das condições da tarefa durante os dois tipos de exames ^2.
3. Examine a intensidade do sinal em todas as regiões ativadas frontais dos contrastes GLM (ou seja, todos contra todos congruentes incongruente para produzir um mapa de áreas), calcular o sinal BOLD padronizada em todos os participantes e comparar a expressão palavra / face incongruente com a palavra congruente / enfrenta expressões para ambas as ² condições.
4. Correlacionar os tempos de reacção recolhidos sobre os ensaios que foram utilizados para os MLG, em seguida, correlacionar a actividade cerebral através de cada indivíduo com os seus tempos de reacção próprias para os ensaios específicos ² como na Figura 4.

6. Os resultados representativos

Após a análise vamos mostrar regiões do cérebro que se relacionam com o e-stroop de promoção e anti-sacádicos tarefas gravado durante a digitalização. Os resultados do paradigma de Stroop emocional mostrou um efeito de interacção entre todos os três factores de expressão, instrução e região do cérebro, mas não houve efeito principal de expressão e de nenhum efeito principal da instrução ^2. Descobrimos que, quando a expressão da face foi incongruente à palavra sobreposta emocional, esta incongruência produzido a partir de relatar a palavra escrita mostrou uma maior intensidade de sinal BOLD no IFG esquerdo ² (Figura 2). A intensidade de sinal maior nas expressões incongruentes em comparação com as expressões congruentes foi estatisticamente significativa, com feliz congruente mostrando a maior diferença ^2.

O mais importante é o RTS para as três condições testadas incongruentes (triste, feliz e neutro) previu um sinal de aumento BOLD dentro IFG esquerda em comparação com todas as condições congruentes (Figura 3). Para este analise que especificamente examinados os tempos de reacção e conduzida uma análise de regressão para testar se RT para as condições incongruentes e congruente foram preditivos da actividade sinal BOLD dentro desta região do cérebro (Figura 3). Descobrimos que as contas RT para 81% da variação na atividade IFG esquerda ao relatar as expressões da palavra feliz, Neutral, e triste durante as condições incongruentes e congruentes ^2. Superior RT é preditiva de maior ativação IFG esquerda, com a condição incongruente triste ceder a razão maior intensidade RT / sinal em comparação com todas as condições de expressão outros. Foram analisados ​​os paradigmas anti-sacádicos utilizando métodos semelhantes como acima, para ser capaz de comparar as duas redes de actividade. Neste exemplo, verificou-se que não havia sinal aumentado em IFG esquerda para a anti-saccade em comparação com a tarefa pró-saccade. Para mais detalhes, consultar os leitores a Ford et al. (2007).

Figura 1. Um exemplo de um julgamento incongruente (rosto com uma expressão feliz sobreposta pela palavra SAD). A experiência vai começar com o ponto de fixação (1 segundo), prosseguindo pelo estímulo cara (250 ms) e a imagem mascarada (2 segundos), que requer uma resposta do participante botão.

Figura 2. Todos os volumes de fixação foram utilizados como a linha de base. As barras de erro significar o erro padrão da média (SEM). Expressões incongruente (feliz, Neutro, Sad) mostrou mudança de sinal BOLD significativamente maior em comparação com expressões congruentes ^2. A imagem ampliada mostra deixado giro frontal inferior (IFG), que foi funcionalmente localizados usando o contraste descrever em 5,2 ponto para o Stroop emocional incongruente contra a condição congruente durante a atender conjunto de instruções palavra.

Figura 3. Durante o "Atender a Palavra" de instruções, incongruente-congruentes de contraste mostrou uma correlação positiva entre a RTS e intensidade do sinal BOLD. Este gráfico é uma média de todas as 10 RTs sujeitos e sinal BOLD durante cada um dos seis condições. As barras de erro significar o erro padrão da média (SEM) ^2.

Figura 4. Duas repetições de cada expressão foi exibido para os sujeitos. Linha superior é uma ilustração esquemática de uma sequência de ensaio a partir de um bloco de ensaios. Seção inferior é uma representação da função de resposta de dois Gamma hemodinâmica (HRF) usado para descobrir regiões do cérebro envolvidas nas expressões faciais emocionais.

Discussion

Identificar regiões do cérebro consiste em criar um contraste exacta entre as tarefas digitalizados (isto é, em qualquer de Stroop a, emoção incongruente contra congruente e expressão facial; ou anti-saccade contra pró-saccade), a fim de produzir um mapa de activação relacionados com a tarefa. Estes mapas funcionais podem ser mais refinado quando o comportamento é coletado no scanner para remover ensaios em que o sujeito cometeu erros. Estes erros pode ser removido e, se houvesse números suficientes de erros do que os mapas funcionais podia ser feita de estes ^3,4,5,6. O mais importante, ao analisar os tempos de reação para as tarefas de Stroop tarefa incongruentes que tiveram maior tempo de reação também tinha sinais BOLD em maior córtex frontal esquerdo (IFG). Se não coletar esses dados comportamentais não teríamos essa nova visão no córtex pré-frontal ^2.

Esta técnica permite a medição de padrões de actividade em áreas do cérebro associadas com um determinado serhaviors tais como ensaios corretos e ⁷ de erro através de medidas de premir os botões ² ou gravações de movimento dos olhos. O desafio de utilizar estas técnicas encontra-se na correlação exacta dos dados de comportamento que podem ser medidos na ordem de milissegundos, com os dados funcionais derivados de fluxo sanguíneo (sinal BOLD), que tem uma resolução temporal de 4-5S (Figura 4 ). Portanto, a olhar para a actividade neural associada com um comportamento particular, o atraso associado com a hemodinâmica devem ser tidos em conta. Com estímulos rapidamente apresentados, o aumento do sinal BOLD ocorre ao longo da apresentação de vários estímulos face / palavra par. A fim de analisar o efeito da congruência (ou de uma expressão facial) temos que superar essa disparidade na resolução temporal sequencialmente, apresentando dois do tipo mesmo estímulo. Isto é mostrado na Figura 4, onde os dois primeiros dois estímulos são incongruente-feliz rosto apresentações followed por dois triste incongruente neutro e dois incongruente. Assim, um contraste que se baseia na comparação de congruência com incongruência irá abranger um bloco de 6.5s, tempo suficiente para capturar a resposta hemodinâmica.

Além disso, o movimento dos participantes durante a verificação cria distorções dentro do campo magnético e este pode produzir a activação artificial nos resultados ou pode deslocar activação funcional para a localização anatómica incorrecta. Movimentos excessivos pelos sujeitos, enquanto no scanner pode ser visto pelo experimentador e assuntos podem ser lembrados para permanecer o mais imóvel possível entre as varreduras. Correcção adicional para o movimento pode ser realizado posthoc no software, no entanto movimento maior do que alguns milímetros geralmente resulta em uma verificação funcional de ser descartado. Aqui não encontramos pressiona o botão resultou em um deslocamento significativo do braço e na cabeça, no entanto, o movimento dos sujeitos durante as pesquisas deve ser dada cuidadosa consideração para qualquer requirin paradigmag movimentos ainda pequenos.

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.