La correlación entre las respuestas de comportamiento a las señales de fMRI de la corteza prefrontal humana: estudio de determinados procesos cognitivos Uso del análisis de tareas

Summary

El objetivo de nuestra investigación es correlacionar el comportamiento de la actividad cerebral. Precisas medidas de comportamiento y técnicas de imagen nos permiten dilucidar las relaciones cerebro-conducta.

Abstract

El objetivo de este trabajo es describir los métodos de cómo poner en práctica una técnica de neuroimagen para examinar los procesos complementarios del cerebro que participan en dos tareas similares. Comportamiento de los participantes durante la ejecución de tareas en un escáner fMRI puede ser correlacionada con la actividad cerebral mediante la sangre-oxígeno-dependiente del nivel de señal. Nosotros medimos el comportamiento para poder ordenar los ensayos correctos, donde el sujeto realiza la tarea correctamente y luego ser capaz de examinar el cerebro las señales relacionadas con corregir el desempeño. Por el contrario, si los sujetos no realizar la tarea correctamente, y estos estudios se incluyen en el mismo análisis con los ensayos adecuados que se introducen los ensayos que eran no sólo para la correcta realización. Por lo tanto, en muchos casos, estos errores pueden ser utilizados de forma que a continuación se correlaciona la actividad cerebral a ellos. Se describen dos tareas complementarias que se usan en nuestro laboratorio para examinar el cerebro durante la supresión de una respuesta automática: el Stroop ¹ y las tareas de lucha contra la sacada. Laparadigma de Stroop emocional instruye a los participantes que informen bien de la superposición emocional "palabra" a través de los rostros afectivos o las expresiones faciales de los ^1,2 de la cara de los estímulos. Cuando la palabra y la expresión facial se refieren a diferentes emociones, un conflicto entre lo que debe decirse y se produce lo que se lee automáticamente. El participante tiene que resolver el conflicto entre dos procesos al mismo tiempo la competencia de la lectura de palabras y la expresión facial. Nuestro deseo de leer una palabra lleva a la gran "estímulo-respuesta (SR) las asociaciones, por lo que la inhibición de estos fuertes SR es difícil y los participantes son propensos a cometer errores. La superación de este conflicto y dirigir la atención lejos de la cara o la palabra requiere que el sujeto para inhibir los procesos de abajo hacia arriba que normalmente dirige la atención hacia el estímulo más saliente. De manera similar, en la tarea anti-saccade ^3,4,5,6, donde se utiliza una señal de instrucción para dirigir la atención sólo a una localización del estímulo periférico, pero entonces la eymovimiento electrónico se hace a la posición del espejo opuesto. Una vez más se mide el comportamiento mediante la grabación de los movimientos oculares de los participantes lo que permite la clasificación de las respuestas de comportamiento en los ensayos correctos y error ⁷ que puede ser correlacionada con la actividad cerebral. Neuroimagen ahora permite a los investigadores para medir los diferentes comportamientos de los ensayos correctos y errores que son indicativos de los diferentes procesos cognitivos e identificar las diferentes redes neuronales implicadas.

Protocol

1. Antes de entrar en la sala de resonancia magnética

1. Los participantes completan un formulario de consentimiento que explica todos los riesgos de experimentación (por ejemplo, marcapasos, claustrofobia, implantes metálicos, probabilidad de embarazo, etc), y los beneficios de su participación.
2. Todos los participantes están obligados a llenar la seguridad de la RMN y el cuestionario de tamizaje (breve historia clínica, los procedimientos quirúrgicos anteriores, etc) Los participantes con contraindicaciones deben ser excluidos.

2. Visión general de tareas y la formación

1. Proporcionar capacitación sobre el desempeño de tareas de lucha contra la sacada.
   1. El color verde indica la fijación de un juicio a favor de sacada. Instruya a los participantes para mirar hacia el blanco que aparece en la periferia de la pantalla, en un ángulo visual de 8-10 °.
   2. El color rojo indica la fijación de un juicio contra el movimiento sacádico. Instruir a los participantes a mirar hacia el espejo opuesto de la meta que aparece en la periferia de la pantalla, en un ángulo visual de 10.8 ° (por ejemplo, para la meta bien, mira a the izquierda).
2. Proporcionar capacitación sobre la ejecución de tareas para el Stroop emocional fuera del escáner.
   1. Incluye 15 ensayos de práctica con diferentes combinaciones de expresiones de la palabra cara en un equipo fuera del escáner. El propósito de la práctica es que los participantes de aprender la tarea y lo que se espera de ellos en pulsando el botón correspondiente en el escáner de resonancia magnética. Instruir a los participantes como a los que se presionan los botones para reportar una feliz expresión / palabra, expresión neutra palabra / y de expresión triste / palabra. Además, cuando en el interior del escáner, recordar a los participantes de los cuales la emoción de cada botón representa.
   2. Las palabras descriptivas que indican las expresiones (feliz, neutro, triste) se superponen a las imágenes de rostros individuales. Estas palabras son ya sea congruente o incongruente con la emoción representada por la cara en la imagen (Figura 1). Comience cada exploración con una instrucción por escrito en la pantalla recuerda a los participantes ya sea representante deORT "expresión de la cara (feliz, neutro, triste)" o "la palabra escrita (feliz, neutro, triste)" pulsando el botón correspondiente tan pronto como sea posible.
   3. La instrucción se muestra durante 1 segundo, seguido por una cruz de fijación, que los participantes fijado en otra para 1 s. La cruz de fijación es seguido por los estímulos presentados por la cara 250 milisegundos y luego seguido por la imagen de respuesta durante 2 segundos. La imagen de la respuesta se utiliza para dar a los participantes tiempo para informar de sus respuestas presionando el botón apropiado. La siguiente presentación visual de la cruz fijación comienza después del final de esta imagen respuesta. Cada participante repite la exploración experimental en uno de los dos grupos de instrucción (es decir, expresión cara O palabra escrita). Todos los estímulos fueron creados y presentados a través Presentación 12,1 ( www.neurobs.com ).

3. Escáner y el programa de instalación Eye Tracking

1. Para begin la puesta en marcha del experimento, comienza la proyección de la computadora como estímulo de una imagen enfocada en la pantalla en la RM con un proyector digital.
2. Los participantes deberán levantarse de su silla en la sala de control y entrar en la sala del escáner. Tapones para los oídos y / o auriculares, y se proporcionan los sujetos colocarlos en sus canales de los oídos.
   1. El paciente está en decúbito supino con la cabeza de su posición al centro de la bobina de la cabeza. Nos estabilizar el cuerpo del participante y la posición de la cabeza con almohadas o goma espuma para que sean lo más cómodo posible, sino también para ayudar en la restricción de su movimiento de la cabeza desde el movimiento de la cabeza durante la exploración provoca la pérdida de datos. Especialmente si el movimiento de la cabeza es mayor que 1 mm en cualquier dirección.
   2. Deslice / coloque el headcoil sobre la cabeza del participante y pídales que inclinar la cabeza lo más cómodamente posible, mientras que mirando hacia delante para ver el espejo que refleja la pantalla del proyector. Los ojos deben estar tan cerca de la posición primaria como posible ⁸ con el fin de mantener la comodidad de los participantes en la sesión de exploración que puede durar hasta dos horas.
3. Pregunta al participante cómo el foco de la imagen proyectada es una vez que están en el escáner. Si no es fuerte, volver a ajustar la lente para mejorar la imagen en la pantalla.
4. El Eyetracker está probado por medio de una calibración para asegurar que la cámara IRED está en la ubicación correcta. Si la reflexión sobre la córnea no es lo ideal, o funciona correctamente, la fuente de IRED se debe ajustar, o el espejo que refleja la fuente de IRED cerca de la posición de la cabeza del participante debe ser reajustado / ajustado. Si la cabeza del participante se ajustó, pedir al paciente si hay más de relleno / espuma o almohadas son necesarios para mantener esta posición de la cabeza / cuerpo. Durante la exploración del monitor y posiciones de los participantes de los registros de los ojos horizontales y verticales usando un rastreador de ojos infrarrojos (es decir, la función sensomotora Instruments, Needham / Boston, MA) y correlacionarlos con el paradigma del comportamiento when el análisis de la actividad cerebral. ^5,7

4. Procedimientos de exploración

1. Coloque la bola de compresión de contacto de emergencia en el abdomen de los participantes en su mano izquierda y el cuadro de mando / botón en la mano derecha. Colocar una cápsula de vitamina E en el lado derecho cerca de la cabeza. Esto se podrá ver en las imágenes anatómicas que se asegurará de un error que no le dará la vuelta las imágenes de izquierda a derecha. Levante y deslice la cama en el centro de la resonancia magnética.
2. Asegúrese de que todos los experimentadores salir de la sala de resonancia magnética y cierre la puerta a la resonancia magnética.
3. Comunicarse con el participante a través del intercomunicador en la sala de control y confirmar que están preparados para comenzar la exploración y son tan cómodos como sea posible. Si no, reajustar según sea necesario.
4. Recuerde a los participantes que los ruidos en el escáner será fuerte y esto es normal.
   1. La primera exploración recoge unos pocos imágenes del cerebro a lo largo de la región sagital a ser capaces de localizar / prescribir la exacta oientation de las rodajas para los datos completos anatómicas y funcionales. Los participantes se les dice esta exploración se llevará unos minutos.
   2. Una vez que los experimentadores ver los resultados de la exploración del localizador, que prescribe una serie de cortes anatómicos que cubren todo el cerebro. En nuestros casos, típicamente escanean axiales cortes oblicuos que abarcan todo el cerebro (170 a 256 rebanadas). Dígale a los participantes que esta exploración se llevará alrededor de 6 a 10 minutos dependiendo de la cantidad prescrita de las rebanadas. En algunos casos la exploración anatómica puede hacerse después de las exploraciones funcionales. Hay algunas ventajas de este último, por lo general en los experimentos de larga sujetos experimentan fatiga. Por lo tanto, la exploración anatómica no requiere atención por parte de los sujetos de manera que puede cerrar los ojos. Podría ser útil para hacer estas exploraciones al final de la sesión de imágenes.
   3. Una vez que los análisis anatómicos se han completado los participantes se acuerda de las instrucciones específicas de la exploración próximo través de la comunicación a través del micrófono/ Sistema de altavoces.
5. En este ejemplo, un pseudo relacionados con el evento de diseño ² se utiliza para identificar las regiones del cerebro activadas por la tarea de Stroop emocional pero cualquier percepción sensorial, interno ⁹ o estímulo del motor ¹⁰ puede ser dirigido para su uso cuando sea necesario. Después de éstos se analizan a continuación vamos a indicar al sujeto que el paradigma de la lucha contra la sacada serán analizados a continuación. Dependiendo de los parámetros de imagen elegido la exploración estará cerca de 6 minutos. Encontramos que escanea más de esto induzca a las personas conciliar el sueño.
6. La sesión de imágenes total toma aproximadamente 60 a 120 de minutos, dependiendo de las exploraciones totales necesarias para el análisis.

5. Análisis de resonancia magnética funcional

1. Analizar los datos utilizando el software BrainVoyager QX (o cualquier paquete de análisis tales como AFNI o SPM).
2. Comience por la superposición de mapas de datos estadísticos funcionales cerebrales en imágenes de anatomía. Funcionalmente definir las regiones cerebrales de interés (ROSe), utilizando el modelo lineal general (GLM), con predictores independientes (es decir, congruentes e incongruentes, la instrucción y la instrucción ante la palabra, anti-sacada, a favor de sacada) para cada una de las condiciones en la tarea durante los dos tipos de análisis ^2.
3. Examine la intensidad de la señal en todas las regiones activadas frontales de los contrastes GLM (es decir, todos contra todos congruentes incongruente para producir un mapa de las áreas), calcular la señal BOLD estándar para todos los participantes y comparar la incongruente palabra / expresión de la cara con la palabra congruentes / se enfrenta a las expresiones de ambos ² condiciones.
4. Correlacionar los tiempos de reacción obtenidos en los ensayos que se utilizaron para los GLM, y luego correlacionar la actividad cerebral a través de cada individuo con sus propios tiempos de reacción para las pruebas específicas de ² como en la Figura 4.

6. Los resultados representativos

Después del análisis se muestran las regiones del cerebro que se relacionan con el correoStroop promocional y las tareas de lucha contra la sacada registrado durante la exploración. Los resultados de la paradigma Stroop emocional mostró un efecto de interacción entre los tres factores de expresión, la instrucción, y la región del cerebro, pero no hubo un efecto principal de expresión y ningún efecto principal de la instrucción ^2. Hemos encontrado que cuando la expresión del rostro era incongruente con la palabra superpuesta emocional, esta incongruencia producida a partir de la presentación de informes de la palabra escrita mostraron una mayor intensidad de la señal BOLD en la izquierda IFG ² (Figura 2). La intensidad de la señal más grande en las expresiones incongruentes en comparación con las expresiones congruentes fue estadísticamente significativa, con feliz congruencia que muestra la mayor diferencia ^2.

Lo más importante es el RTS para las tres condiciones incongruentes probados (triste, feliz y neutro) predijo un aumento de la señal BOLD dentro de IFG la izquierda en comparación con todas las condiciones congruentes (Figura 3). Por esta analisis se examinaron específicamente los tiempos de reacción y llevó a cabo un análisis de regresión para comprobar si la temperatura ambiente durante las condiciones incongruentes y congruentes son predictivos de la actividad de la señal BOLD dentro de esta región del cerebro (Figura 3). Se encontró que el RT cifra representa el 81% de la variación en la actividad de la izquierda IFG en los informes de las expresiones verbales de Neutral feliz, y triste en las condiciones incongruentes y congruente ^2. Superior RT es un factor predictivo de mayor activación del IFG izquierda, con la condición incongruente triste dando mayor RT / señal de relación de intensidad en comparación con todas las condiciones de expresión de otros. Se analizaron los paradigmas anti-saccade utilizando métodos similares a los de arriba para poder comparar las dos redes de actividad. En este ejemplo, se encontró que no había señal de incremento en GBA izquierda para el anti-sacada en comparación con la tarea pro-sacada. Para más detalles, nos remitimos a los lectores a Ford et al. (2007).

Figura 1. Un ejemplo de un ensayo incongruente (la cara con una expresión feliz superpuesta por la palabra SAD). El experimento comenzará con el punto de fijación (1 segundo), procediendo por el estímulo cara (250 ms) y la imagen oculta (2 segundos), que requiere la respuesta del participante botón.

Figura 2. Todos los volúmenes de fijación se utiliza como línea de base. Las barras de error significan el error estándar de la media (SEM). Expresiones incongruentes (feliz, neutro, triste) mostró un cambio significativamente mayor en comparación con la señal BOLD expresiones congruentes ^2. El recuadro muestra la imagen a la izquierda giro frontal inferior (IFG), que fue localizado funcionalmente con el contraste describen en la sección 5.2 para el Stroop emocional incongruente frente a la condición de congruencia en la atención a la palabra conjunto de instrucciones.

Figura 3. Durante el "Asistir a la Palabra de" instrucción, incongruente-congruente contraste mostró una correlación positiva entre la RT y la intensidad de la señal BOLD. Este gráfico es un promedio de TR en los 10 sujetos y la señal BOLD durante cada una de las seis condiciones. Las barras de error significan el error estándar de la media (SEM) ^2.

Figura 4. Dos repeticiones de cada expresión se muestra a los sujetos. Fila superior es una ilustración esquemática de una secuencia de prueba a partir de un bloque de ensayos. La sección inferior es una representación de la función de respuesta de dos Gamma hemodinámica (HRF) que se utiliza para descubrir las regiones del cerebro implicadas en las expresiones faciales emocionales.

Discussion

La identificación de regiones del cerebro se basa en la creación de un contraste exacto entre las tareas escaneados (es decir, ya sea en el Stroop, emoción incongruente frente congruente y expresión facial; o anti-saccade frente pro saccade-) con el fin de producir un mapa de activación relacionado con la tarea. Estos mapas funcionales pueden ser más refinado cuando el comportamiento se recoge en el escáner para eliminar los ensayos en que el sujeto hechas errores. Estos errores se puede quitar y si había un número suficiente de errores que los mapas funcionales podría estar hecha de estos ^3,4,5,6. Más importante aún, al examinar los tiempos de reacción para las tareas de Stroop de tareas incongruentes que tenían mayor tiempo de reacción también tenía señales de alta BOLD en la corteza frontal izquierda (IFG). Si no se han recogido estos datos de comportamiento que no tendría esta nueva visión de la corteza prefrontal ^2.

Esta técnica permite la medición de los patrones de actividad en áreas del cerebro asociadas con un determinado serconductas tales como las pruebas correctas y el error ⁷ con medidas de ² pulsaciones de botón o grabaciones de los movimientos oculares. El reto de utilizar estas técnicas radica en la correlación exacta de los datos de comportamiento que se pueden medir en el orden de milisegundos, con los datos funcionales derivados de la sangre de flujo (señal BOLD) que tiene una resolución temporal de 4-5S (Figura 4 ). Por lo tanto, mirar a la actividad neuronal asociada con un comportamiento particular, el retardo asociado con la hemodinámica debe tenerse en cuenta. Con los estímulos presentados con rapidez, el aumento de la señal BOLD se produce en el transcurso de la presentación de varios estímulos par de cara / palabra. Con el fin de observar el efecto de congruencia (o de una expresión facial particular), debemos superar esta disparidad en la resolución temporal de forma secuencial la presentación de dos de los tipo de estímulo misma. Esto se muestra en la Figura 4, donde los dos primeros estímulos son dos incongruente-feliz cara presentaciones FOllowed por dos tristes incongruente neutro y dos incongruente. Por lo tanto, un contraste que se basa en la comparación de la congruencia con la incongruencia incluirá un bloque de 6,5 s, el tiempo suficiente para capturar la respuesta hemodinámica.

Además, el movimiento de los participantes durante la exploración crea las distorsiones en el campo magnético y esto puede producir la activación artificial en los resultados o pueden desplazar activación funcional en la localización anatómica incorrecta. El movimiento excesivo de los sujetos, mientras que en el escáner puede ser visto por el investigador y los sujetos se les puede recordar a permanecer lo más quieto posible entre las exploraciones. Además de corrección para el movimiento se puede realizar en el software de post hoc, sin embargo el movimiento más grande que unos pocos milímetros por lo general resulta en un análisis funcional de ser desechado. Aquí no encontramos las pulsaciones de botón como resultado un desplazamiento significativo del brazo y la cabeza, sin embargo el movimiento de los sujetos durante los análisis debe ser estudiado con detenimiento por cualquier requirin paradigmag incluso los pequeños movimientos.

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.