Correleren Behavioral Reacties op fMRI-signalen van de Mens prefrontale cortex: Het onderzoeken van cognitieve processen met behulp van Task Analyse

Summary

Het doel van ons onderzoek is om gedrag te correleren met hersenactiviteit. Nauwkeurige gedragsmaatregelen en beeldvormende technieken stellen ons in staat de hersenen-gedrag relaties toe te lichten.

Abstract

Het doel van deze methoden papier is te beschrijven hoe een neuro-imaging techniek om complementaire hersenprocessen die door twee vergelijkbare taken te onderzoeken uit te voeren. Deelnemers 'gedrag tijdens de taakuitvoering bij een fMRI-scanner kan dan worden gecorreleerd met de hersenactiviteit met behulp van de bloed-zuurstof-niveau-afhankelijke signaal. Wij meten gedrag kunnen correct proeven sorteren en waarbij het uitgevoerde proces juist en kunnen onderzoeken de hersenen signalen met betrekking tot prestaties corrigeren. Omgekeerd, als onderwerpen niet correct uitvoeren van de taak, en deze proeven zijn opgenomen in dezelfde analyse met de juiste proeven we zouden introduceren onderzoek dat niet alleen voor de juiste prestaties. Zo in veel gevallen deze fouten worden gebruikt zich hersenactiviteit dan correleren aan hen. We beschrijven twee complementaire taken die worden gebruikt in ons lab naar de hersenen te onderzoeken tijdens de onderdrukking van een automatische reacties: de Stroop ¹ en anti-saccade taken. Deemotionele Stroop paradigma instrueert de deelnemers om een verslag van de gesuperponeerde emotionele 'woord' in de affectieve gezichten of de gezichtsuitdrukking 'uitingen' van het gezicht stimuli ^1,2. Als het woord en de gezichtsuitdrukking hebben betrekking op verschillende emoties, moet er een conflict tussen wat wordt gezegd en wat wordt automatisch gelezen optreedt. De deelnemer moet het oplossen van het conflict tussen twee gelijktijdig concurrerende processen van het lezen en de gezichtsuitdrukking. Onze drang om te lezen uit een woord leidt tot een sterke 'stimulus-respons (SR) verenigingen, vandaar dat het remmen van deze sterke SR is moeilijk en de deelnemers zijn gevoelig voor het maken van fouten. Het overwinnen van dit conflict en het leiden de aandacht af van het gezicht of het woord vereist dat het onderwerp naar onderkant remmen up processen die meestal de aandacht richt op de meer opvallende stimulus. Ook in de anti-saccade taak ^3,4,5,6, waar een instructie cue wordt alleen gebruikt om aandacht te richten op een perifere stimulus locatie dan maar de eye beweging naar de spiegel tegenovergestelde positie bedoeld. Opnieuw meten we het gedrag door de registratie van de oogbewegingen van de deelnemers die het mogelijk maakt voor het sorteren van de gedragsreacties in de juiste en opstaan ​​proeven ^7, die vervolgens kunnen worden gecorreleerd aan hersenactiviteit. Neuroimaging nu stelt onderzoekers in staat om te meten verschillende gedragingen van de juiste en opstaan ​​onderzoeken die een indicatie geven van de verschillende cognitieve processen en lokaliseren van de verschillende betrokken neurale netwerken.

Protocol

1. Voor het invoeren van de MRI-kamer

1. Deelnemers vullen een toestemmingsformulier waarin alle experimentele risico's (bv. pacemaker, claustrofobie, metalen implantaten, kans op zwangerschap, enz.), en de voordelen van hun deelname.
2. Alle deelnemers zijn verplicht in te vullen van de MRI-veiligheid en screening vragenlijst (korte medische geschiedenis, eerdere chirurgische ingrepen etc.) Deelnemers met contra-indicaties moet worden uitgesloten.

2. Taak Overzicht en Training

1. Zorg voor training op de taakuitvoering op anti-saccade.
   1. Green fixatie geeft aan een pro-saccade trial. Opdracht deelnemers te kijken naar het doel die in de omtrek van het scherm een ​​gezichtshoek van 8-10 °.
   2. Red fixatie geeft aan een anti-saccade trial. Instrueer deelnemer te kijken naar de spiegel tegenovergestelde van de doelstelling die in de periferie van het scherm, op een visuele hoek van 8-10 ° (bijv. voor juiste doelgroep, kijken naar ee links).
2. Zorg voor training op de taakuitvoering voor de emotionele Stroop buiten de scanner.
   1. Inclusief 15 de praktijk onderzoeken met verschillende combinaties van face-woord uitdrukkingen op een computer buiten de scanner. Het doel van de praktijk is voor de deelnemers om de taak te leren en wat van hen wordt verwacht in op de juiste knop in de MRI-scanner. Instrueer de deelnemers over welke toetsen worden ingedrukt voor het melden van een gelukkige uitdrukking / woord, neutrale uitdrukking / woord en droevige uitdrukking / woord. Bovendien, wanneer in de scanner, herinneren aan de deelnemers van welke emotie elke knop vertegenwoordigt.
   2. Beschrijvende woorden met vermelding van de uitdrukkingen (Happy, Neutraal, Sad) worden over elkaar heen de foto's van de individuele gezichten. Deze woorden zijn ofwel congruent of incongruent met de emotie afgebeeld door het gezicht in de foto (figuur 1). Begin elke scannen met een schriftelijke instructie op het scherm eraan te herinneren de deelnemers aan een report het "gezicht expressie (gelukkig, neutraal, verdrietig)" of de "GESCHREVEN WOORD (gelukkig, neutraal, verdrietig)" door op de overeenkomstige knop zo snel mogelijk.
   3. De instructie wordt gedurende 1 seconde, gevolgd door fixatie kruis, dat de deelnemers gefixeerd nog 1 sec. De fixatie kruis wordt gevolgd door het gezicht stimuli voor 250 milliseconden en gevolgd door de reactie beeld 2 seconden. De reactie afbeelding wordt gebruikt om de deelnemers de tijd om hun antwoorden melden door op de juiste knop te drukken. De volgende visuele weergave van de fixatie kruis begint na afloop van deze reactie beeld. Elke deelnemer herhaalt de experimentele scan in een van de twee groepen instructie (dwz mondelinge uitdrukking of geschreven woord). Alle stimuli werden gemaakt en gepresenteerd met behulp van Presentation 12.1 ( www.neurobs.com ).

3. Scanner en Eye Tracking Setup

1. Om bOftewel, in het opzetten van het experiment, te beginnen door het projecteren van de computer stimulus als een scherp beeld op het scherm in de MRI met een digitale projector.
2. De deelnemers wordt gevraagd om op te staan ​​uit hun stoel in de controle kamer en in de scanner kamer lopen. Oordoppen en / of hoofd telefoons zijn voorzien en onderwerpen plaats ze in hun oren grachten.
   1. Het onderwerp ligt liggende hun hoofdpositie het midden van het vel spoel. We stabiliseren deelnemer het lichaam en de positie van het hoofd met kussens of schuim inzetstukken om ze zo comfortabel mogelijk te maken, maar ook om te helpen bij het beperken van hun beweging van het hoofd, omdat het hoofd beweging tijdens het scannen leidt tot verlies van gegevens. Vooral als de kop beweging groter is dan 1 mm in elke richting.
   2. Schuif / plaats de headcoil over het hoofd van de deelnemer en hebben ze schuin hun hoofd zo comfortabel mogelijk terwijl u recht vooruit naar de spiegel dat de projector het scherm reflecteert weer te geven. De ogen moeten zo dicht mogelijk bij de primaire functie als pOGELIJKE ⁸ om de deelnemer het comfort te behouden tijdens de scan sessie, die kan duren tot twee uur.
3. Vraag de deelnemers hoe de focus van het geprojecteerde beeld is zodra ze in de scanner. Als het niet scherp, past u de lens om het beeld op het scherm te verbeteren.
4. De eyetracker nu getest door middel van een kalibratie dat de IRED camera op de juiste plaats. Als de reflectie op het hoornvlies is niet ideaal of goed werkt, moet de IRED bron worden aangepast, of de spiegel als gevolg van de IRED bron bij het hoofd van de deelnemer de positie moet worden aangepast / aangepast. Als de deelnemer het hoofd werd aangepast, vraag het onderwerp als er meer vulling / schuim of kussens nodig zijn om deze het hoofd / lichaam positie te behouden. Tijdens het scannen en neem deelnemers horizontale en verticale ogen posities met behulp van een infrarood oog tracker (dat wil zeggen sensomotorische Instruments, Needham / Boston, MA) en correleren deze met de gedrags-paradigma when het analyseren van hersenactiviteit. ^5,7

4. Scanprocedures

1. Plaats de contactpersoon voor noodgevallen squeeze bal op de buik van de deelnemer in hun linker hand en de joystick / button box aan de rechterkant de hand. Plaats een vitamine E capsule rechts nabij de kop. Dit zal zichtbaar zijn op de anatomische scans die bepaalde een fout zal maken zullen draait niet om de beelden van links naar rechts. Omhoog en het bed schuif in het midden van de MRI.
2. Zorg ervoor dat alle van de onderzoekers laat de MRI-kamer en sluit de deur naar de MRI.
3. Communiceer met de deelnemer via de intercom in de controlekamer en bevestigen dat zij bereid zijn om het scannen te beginnen en zo comfortabel mogelijk te maken. Zo niet, dan bijstellen als dat nodig is.
4. Herinner de deelnemer die de geluiden in de scanner zal luid zijn en dit is normaal.
   1. De eerste scan verzamelt een paar hersenen beelden langs de sagittale regio om te kunnen lokaliseren / schrijven de exacte ofientation van de schijfjes voor de volledige anatomische en functionele gegevens. De deelnemers krijgen te horen deze scan zal een paar minuten duren.
   2. Zodra de onderzoekers bekijken de resultaten van de localizer scan, we schrijven een reeks van anatomische plakken dat de hele hersenen te dekken. In ons geval hebben we meestal te scannen axiale schuine plakjes dat de gehele hersenen (170 tot 256 plakjes) omvatten. Vertel de deelnemer die deze scan zal ongeveer 6 tot 10 minuten, afhankelijk van het voorgeschreven aantal segmenten te nemen. In sommige gevallen kan de anatomische scan kan worden uitgevoerd na de functionele scans. Er zijn een aantal voordelen van de laatste, meestal in lange experimenten onderwerpen zullen ervaren vermoeidheid. Zo is de anatomische scan heeft geen aandacht van de onderwerpen zodat ze kunnen hun ogen sluiten. Het kan nuttig zijn om deze scans bij het einde van de beeldvormende zitting.
   3. Zodra anatomische scans voltooid zijn van de deelnemer wordt herinnerd aan de specifieke instructies van de komende scan door middel van communicatie via de microfoon/ Luidsprekersysteem.
5. In dit voorbeeld wordt een pseudo event ^bestu-2 gebruikt om de hersenen geactiveerd door de emotionele stroop taak vast maar elke sensorische inwendige waarneming ⁹ of motor stimulus ¹⁰ kan worden geleid voor gebruik nodig. Na deze worden gescand dan zullen we instrueren het onderwerp dat de anti-saccade paradigma zal vervolgens worden gescand. Afhankelijk van de gekozen afbeeldingsparameters de scan dicht 6 minuten. We vinden dat scant meer dan dit leiden tot onderwerpen in slaap te vallen.
6. De totale opnamesessie is ongeveer 60 tot 120 minuten, afhankelijk van de totale scans nodig voor de analyse.

5. fMRI-analyse

1. Analyseer de gegevens met behulp van BrainVoyager QX-software (of een analyse pakket zoals AFNI of SPM).
2. Begin door superpositie van functionele gegevens statistische kaarten op anatomische hersenen beelden. Functioneel bepalen de gebieden van de hersenen van belang (ROIs) met behulp van de algemene lineaire model (GLM), met afzonderlijke voorspellers (dat wil zeggen congruent en incongruent, contactonderwijs en woord instructie, anti-saccade, pro-saccade) voor elk van de voorwaarden in de taak tijdens de twee soorten scans ^2.
3. Onderzoek de intensiteit van het signaal in alle geactiveerde frontale gebieden van de GLM contrasten (dat wil zeggen alle incongruente versus alle congruent aan een kaart van gebieden te produceren), berekenen van de gestandaardiseerde BOLD signaal over alle deelnemers en vergelijk de incongruent woord / het gezicht expressie met de congruent woord / geconfronteerd met uitingen voor zowel de voorwaarden ^2.
4. Correleren reactietijden verzameld de proeven die werden gebruikt voor de GLMs dan correleert hersenactiviteit in elk hun eigen reactietijden specifieke proeven ² als in figuur 4.

6. Representatieve resultaten

Na de analyse laten we zien hersengebieden die correleren met de eMotional Stroop en anti-saccade taken opgenomen tijdens het scannen. De resultaten van de emotionele Stroop paradigma toonde een interactie-effect tussen de drie factoren van meningsuiting, instructie, en de hersenen regio, maar er was geen hoofdeffect van meningsuiting en geen hoofdeffect van instructie ^2. We vonden dat wanneer de uitdrukking van het gezicht was incongruent aan de bovenzijde emotionele woord, deze incongruentie uit de rapportage van de geschreven woord hogere BOLD signaal intensiteit in de linker IFG ² (figuur 2) liet zien. De grotere intensiteit van het signaal op de incongruente uitingen ten opzichte van de congruente uitdrukkingen was statistisch significant, met vrolijke congruent met het grootste verschil ^2.

Het belangrijkste is de RTS voor de drie geteste incongruent voorwaarden (droevig, blij en neutraal) voorspelde een verhoogde BOLD signaal in links IFG in vergelijking met alle congruente omstandigheden (figuur 3). Voor deze analysis we specifiek gekeken naar de reactietijden en voerde een regressie-analyse om te testen of RT voor de incongruente en congruente omstandigheden waren voorspellende waarde voor de BOLD-signaal activiteit binnen dit hersengebied (figuur 3). Wij vonden dat RT is goed voor 81% van de variatie in linker IFG-activiteit bij het ​​rapporteren van het woord uitingen van Happy, Neutraal, en Sad tijdens de incongruente en congruente voorwaarden ^2. Hogere RT voorspellend is voor grotere linker IFG activering, met de incongruente trieste toestand waardoor de grootste RT / intensiteit van het signaal ratio vergeleken met alle andere uitdrukking omstandigheden. We hebben de anti-saccade paradigma met soortgelijke methoden als hierboven kunnen beide netwerken activiteit vergeleken. In dit voorbeeld hebben we vastgesteld dat er geen verhoogde signaal in de linker IFG voor de anti-saccade in vergelijking met de pro-saccade taak. Voor meer details verwijzen we de lezer naar Ford et al.. (2007).

Figuur 1. Een voorbeeld van een incongruente trial (gezicht met een gelukkige uitdrukking gesuperponeerd door het woord SAD). Het experiment zal beginnen met de fixatie dot (1 seconde), gaan door het gezicht stimulus (250 ms) en de gemaskeerd beeld (2 seconden) waarin de deelnemer de knop reactie vraagt.

Figuur 2. Alle fixatie volumes werden gebruikt als uitgangspunt. Foutbalken betekenen de standaardfout van het gemiddelde (SEM). Incongruente uitdrukkingen (Happy, Neutraal, Sad) toonde aanzienlijk groter BOLD signaal verandering ten opzichte van congruente uitdrukkingen ^2. De inzet beeld toont linker inferieure frontale gyrus (IFG), die functioneel was gelokaliseerd met behulp van het contrast beschrijven in paragraaf 5.2 voor de incongruente emotionele Stroop ten opzichte van de congruente conditie tijdens de bij te wonen om een ​​woord instructieset.

Figuur 3. Tijdens de "Woon naar Word" instructie, incongruent-congruent contrast vertoonden een positieve correlatie tussen de RTS en BOLD intensiteit van het signaal. Deze grafiek is een gemiddelde van alle 10 proefpersonen RTS en BOLD signaal tijdens elk van de zes voorwaarden. Foutbalken betekenen de standaardfout van het gemiddelde (SEM) ^2.

Figuur 4. Twee herhalingen van elke expressie werden getoond aan de proefpersonen. Top rij een schematische weergave van een proces sequentie van een blok van de proeven. Onderste gedeelte is een afbeelding van de Twee-Gamma hemodynamische respons functie (HRF) gebruikt om de hersengebieden die betrokken zijn bij de emotionele gezichtsuitdrukkingen te ontdekken.

Discussion

Het identificeren van gebieden van de hersenen is gebaseerd op het creëren van een nauwkeurig contrast tussen de taken gescand (dat wil zeggen in ofwel de Stroop, incongruent versus congruent emotie en gelaatsuitdrukking, of anti-saccade versus pro-saccade) om een ​​kaart van de activering betrekking tot de te produceren. Deze functionele kaarten kunnen meer verfijnde wanneer het gedrag wordt verzameld in de scanner bij rechtszittingen waarbij het onderwerp gemaakte fouten te verwijderen. Deze fouten kunnen worden verwijderd en als er genoeg nummers van fouten dan de functionele kaarten kunnen worden gemaakt van deze ^3,4,5,6. Het belangrijkste is dat bij het onderzoek van de reactie tijden voor de Stroop taak incongruent taken die langere reactietijden had ook een hogere BOLD signalen in de linker frontale cortex (IFG). Als we niet verzamelen deze gedrags-gegevens zouden we niet over deze nieuwe inzicht in de prefrontale cortex ^2.

Deze techniek maakt het meten van patronen van hersengebieden bij een bepaalde tehaviors zoals de juiste en opstaan ​​proeven ⁷ met behulp van maatregelen van drukken op een knop ² of oogbeweging opnames. De uitdaging om deze technieken ligt in het juiste correlatie van het gedrag gegevens kan worden gemeten in de volgorde van milliseconden, met de functie uit bloed-stroom (BOLD signaal) dat een temporele resolutie van 4-5s (figuur 4 ). Daarom kijken neurale activiteit die bepaald gedrag, moet de vertraging verbonden hemodynamica worden gehouden. Door de snel gepresenteerde stimuli, de stijging van de BOLD-signaal komt in de loop van de presentatie van een aantal gezicht / woordpaar stimuli. Om te kijken naar het effect van congruentie (of van een bepaalde gezichtsuitdrukking) moeten we overwinnen dit verschil in temporele resolutie door achtereenvolgens het presenteren van twee van hetzelfde type stimulus. Dit is in figuur 4, waarbij de eerste twee stimuli twee incongruente-lachend gezicht presentaties followed door twee incongruente-neutraal en twee-incongruent verdrietig. Zo zal een contrast dat is gebaseerd op het vergelijken van congruentie met incongruentie omvatten een 6.5s blok, lang genoeg om de hemodynamische respons vast te leggen.

Bovendien, beweging van de deelnemers tijdens het scannen tot verstoringen in het magnetisch veld en dit kan produceren kunstmatige activering in de resultaten of kan functionele activering verdringen op de verkeerde anatomische locatie. Overmatige beweging door de onderwerpen, terwijl in de scanner kan worden gezien door de experimentator en de onderwerpen kunnen worden herinnerd te blijven zo stil mogelijk tussen de scans. Verdere correctie voor beweging kan worden uitgevoerd posthoc in software echter beweging groter dan enkele millimeters meestal een functionele scan wordt verwijderd. Hier vonden we geen knop drukt resulteerde in een significante verplaatsing van de arm en hoofd, maar de beweging van de proefpersonen tijdens de scans moeten worden overwogen voor een paradigma requiring zelfs kleine bewegingen.

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.