התאמת תגובות התנהגותיות לאותות-fMRI של קליפת המוח הקדם חזיתית האנושי: בחינת תהליכים קוגניטיביים באמצעות ניתוח משימה

Summary

מטרת המחקר שלנו היא לקשר בין התנהגות לפעילות המוח. אמצעים התנהגותיים מדויקות וטכניקות הדמיה מאפשר לנו להבהיר את המוח והתנהגות יחסים.

Abstract

מטרת נייר שיטות זה היא לתאר כיצד ליישם את טכניקת הדמייה לבחון תהליכים במוח משלימים העוסקים ידי שתי משימות דומות. התנהגות המשתתפים בעת ביצוע מטלה בתוך סורק fMRI אז יכול להיות מתואמים לפעילות מוחית באמצעות הדם בחמצן ברמת תלוי האות. אנו מודדים את התנהגות יוכלו למיין ניסויים הנכונים, שם הנושא ביצע את המשימה בצורה נכונה ולאחר מכן תוכל לבחון את המוח מאותת קשור לתקן את הביצועים. לעומת זאת, אם הנבדקים לא לבצע את המשימה כראוי, ניסויים אלה נכללו בניתוח אחד עם הניסויים הנכונים היינו מציגים את הניסויים שהיו לא רק על ביצועים נכונים. לכן, במקרים רבים שגיאות אלה עשויות לשמש את עצמם ואז לקשר בין הפעילות המוחית להם. אנו מתארים שני תפקידים משלימים המשמשים במעבדה שלנו לבחון את המוח במהלך דיכוי של עם תגובות אוטומטיות: שטרופ ¹ ואנטי saccade משימות.הפרדיגמה שטרופ רגשית מנחה את המשתתפים גם לדווח "המילה 'גבי רגשית על פני רגשיים או את הפנים של ביטויים' של ^1,2 פני גירויים. כאשר מילה הבעת פנים מתייחסים רגשות שונים, הסכסוך בין מה יש לומר ומה הוא לקריאה אוטומטית מתרחשת. המשתתף צריך לפתור את הסכסוך בין שני תהליכים בעת ובעונה אחת המתחרות של קריאת המילה הבעת פנים. הדחף שלנו כדי לקרוא את המילה מוביל חזק "בתגובה לגירוי (SR)" עמותות ולכן עיכוב של אלה חזק SR קשה המשתתפים נוטים לעשות טעויות. להתגבר על הסכסוך ולכוון את תשומת הלב מן הפנים או את המילה דורש בנושא לעכב תהליכים מלמטה למעלה אשר בדרך כלל מפנה את תשומת הלב לגירוי בולט יותר. באופן דומה, נגד saccade משימה ^3,4,5,6, שם קיו הוראה משמש להפנות את תשומת הלב רק למיקום הגירוי היקפי אבל אז איתנועת הדואר עשוי למצב את המראה ההפוכה. שוב אנו מודדים את התנהגות על ידי רישום תנועות העיניים של המשתתפים אשר מאפשר מיון של תגובות התנהגותיות לתוך הניסויים הנכונים וטעייה ⁷ אשר לאחר מכן יכול להיות מתואמים לפעילות המוח. הדמייה עכשיו מאפשר לחוקרים למדוד התנהגויות שונות של ניסויים הנכונות וטעייה המעידים על תהליכים קוגניטיביים שונים, לאתר את רשתות עצביות שונות המעורבים.

Protocol

1. לפני הכניסה לחדר ה-MRI

1. המשתתפים למלא טופס הסכמה להסביר את כל הסיכונים הניסוי (כגון קוצב לב קלאוסטרופוביה, שתלים מתכתיים, הסיכוי של ההריון, וכו '), והיתרונות של השתתפותם.
2. כל המשתתפים נדרשים למלא שאלון בטיחות MRI ו ההקרנה (היסטוריה רפואית קצרה, נהלים קודמים כירורגית וכו ') משתתפים עם התוויות נגד חייבים להיות שליליים.

2. המשימה סקירה כללית אימון

1. הדרכה בנושא הביצועים המשימה על אנטי saccade.
   1. קיבעון הירוק מציין המשפט תומכי saccade. להנחות את המשתתפים להתבונן אל המטרה המופיעה בשולי המסך, בזווית הראייה של 8-10 מעלות.
   2. קיבעון אדום מציין במשפט נגד saccade. להנחות את המשתתף להסתכל מול המראה של יעד להופיע בפריפריה של המסך, בזווית הראייה של 8-10 מעלות (למשל, על היעד הנכון, נראה הדואר משמאל).
2. הדרכה בנושא ביצועי משימה שטרופ רגשית מחוץ הסורק.
   1. כוללים 15 ניסויים בפועל עם שילובים שונים של הבעות פנים מילים במחשב מחוץ הסורק. מטרת התרגול היא עבור המשתתפים ללמוד את המשימה ומה מצופה מהם לחיצה על הכפתור המתאים בתוך סורק MRI. להנחות את המשתתפים בדבר אשר נלחץ על דיווח ביטוי המילה מאושר /, נייטרלי ביטוי / מילה וביטוי המילה עצוב /. בנוסף, כאשר בתוך סורק, מזכירים למשתתפים אשר רגש כל כפתור מייצג.
   2. מילים תיאוריות המעידים על ביטויים (שמח, ניטרלי, עצוב) הם מעל גבי תמונות של פרצופים בודדים. דברים אלה חופפים או תואמים הרגש המתואר על ידי פניה בתמונה (איור 1). בגין כל סריקה עם הוראה בכתב על המסך מזכירה את המשתתפים גם נציגצריך להופיע "הביטוי פנים (שמח, ניטרלי, עצוב)" או "המילה הכתובה (שמח, ניטרלי, עצוב)" על ידי לחיצה על הלחצן המתאים במהירות האפשרית.
   3. ההוראה מוצג עבור 2 1, ואחריו צלב קיבעון, אשר המשתתפים מקובע מעמד עוד 1 שניות. צלב קיבעון מלווה את הגירויים הפנים שהוצגו על 250 אלפיות השנייה ולאחר מכן ואחריו תמונה בתגובה ל -2 שניות. תמונה בתגובה משמש לתת למשתתפים זמן לדווח על התגובות שלהם על ידי לחיצה על הכפתור המתאים. מצגת ויזואלית הבא של הצלב קיבעון מתחיל לאחר סיום של תמונה זו תגובה. כל משתתף חוזר סריקה ניסיונית באחת משתי קבוצות הדרכה (כלומר הבעת פנים או המילה הכתובה). גירויים כל נוצרו והוצגו באמצעות מצגת 12.1 ( www.neurobs.com ).

3. סורק הגדרת מעקב עיניים

1. ל-Begin להגדיר את הניסוי, להתחיל להקרין את הגירוי המחשב כתמונה ממוקדת על המסך ב-MRI עם מקרן דיגיטלי.
2. המשתתפים מתבקשים לקום מהכיסא שלהם בחדר הבקרה וללכת לחדר של הסורק. אטמי אוזניים ו / או טלפונים ראש ניתנים ונושאים למקם אותם בתעלות האוזניים.
   1. הנושא נמצא פרקדן עם עמדת הראש למרכז הסליל הראש. אנחנו לייצב את הגוף של המשתתפים ואת המיקום הראש עם כריות או מוסיף קצף כדי להפוך אותם נוחים ככל האפשר, אלא גם עוזרו של הגבלת תנועתם של ראש בראש מאז ההצעה במהלך סריקה גורם לאובדן של נתונים. במיוחד אם את תנועת הראש עולה על 1 מ"מ לכל כיוון.
   2. החלק / מקום headcoil מעל לראשו של משתתף, יש להם להטות את הראש שלהם בצורה נוחה ככל האפשר תוך מבט קדימה כדי להציג את המראה המשקפת המסך של המקרן. העיניים צריך להיות קרוב למצב הראשוני כפי עמ 'ossible ⁸ על מנת לשמור על הנוחות של המשתתף באמצעות הפעלת סריקה אשר יכול להימשך עד שעתיים.
3. שאל את המשתתפים איך המיקוד של התמונה המוקרנת היא ברגע שהם נמצאים הסורק. אם זה לא חד, להתאים מחדש את העדשה כדי לשפר את התמונה על המסך.
4. Eyetracker נבדק כעת על ידי כיול על מנת להבטיח כי המצלמה IRED נמצא במקום הנכון. אם את ההשתקפות על הקרנית אינו אידיאלי או פועל כראוי, מקור IRED חייב להיות מותאם, או מראה המשקפת את מקור IRED ליד עמדת ראשו של משתתף יש מחדש למקומם / מותאם. אם ראשו של משתתף הותאם, שאל את הנושא אם ריפוד יותר / קצף או כריות יש צורך לשמור על מעמדה בראש / בגוף. במהלך סריקה צג אופקי ואנכי משתתפי שיא עמדות עיניים באמצעות גשש עין אינפרא אדום (כלומר Sensomotoric מכשירים, נידהם / בוסטון, MA) וגם לתאם אותם עם הפרדיגמה ש"ש התנהגותיen ניתוח פעילות מוחית. ^5,7

4. סריקה נהלים

1. מניחים את הכדור חירום קשר לסחוט על הבטן של המשתתף ביד שמאל ואת תיבת הג'ויסטיק / לחצן ביד ימין. מניחים כמוסה ויטמין E בצד ימין ליד הראש. זה יהיה זמין על סריקות אנטומיים אשר יהפכו את השגיאה מסוים לא להפוך את התמונות משמאל לימין. להעלות והחלק המיטה למרכז MRI.
2. ודא שכל הנסיינים לעזוב את החדר MRI ולסגור את הדלת MRI.
3. לתקשר עם המשתתף דרך האינטרקום בחדר הבקרה ולוודא כי הם מוכנים להתחיל סריקה והם נוחים ככל האפשר. אם לא, להתאים מחדש לפי הצורך.
4. הזכר משתתף כי רעשים הסורק יהיה חזק וזה נורמלי.
   1. סריקה 1 אוספת כמה תמונות מוח מעט יחד באזור sagittal להיות מסוגלים למקם / לקבוע במדויק אוientation של פרוסות עבור נתונים אנטומיים ותפקודיים מלא. המשתתפים מספרים סריקה זה ייקח כמה דקות.
   2. לאחר הנסיינים להציג את תוצאות הסריקה Localizer, אנו רושמים שורה של פרוסות אנטומיים שמכסים את המוח כולו. במקרים שלנו שאנחנו בדרך כלל סריקה פרוסות אלכסוניים צירית המקיפים את המוח כולו (170 עד 256 פרוסות). ספר המשתתף כי סריקה זה ייקח בערך 6 עד 10 דקות בהתאם למספר הקבוע של פרוסות. במקרים מסוימים סריקה אנטומי ניתן לעשות זאת לאחר סריקות תפקודיות. יש כמה יתרונות של האחרון, בדרך כלל בניסויים ארוכים נושאים יחוו עייפות. לכן, סריקה אנטומית צריך תשומת לב על ידי הנבדקים כדי שהם יוכלו לעצום את עיניהם. זה יכול להיות שימושי כדי לעשות את סריקות בסוף הפגישה הדמיה.
   3. לאחר סריקות אנטומיים הושלמו משתתף יש לזכור את הוראות ספציפיות של סריקה הקרובה באמצעות תקשורת דרך המיקרופון/ מערכת רמקולים.
5. בדוגמה זו, עיצוב פסאודו אירוע הקשור ² משמש לזיהוי של אזורים במוח המופעלים על ידי משימה שטרופ רגשית אבל כל תפיסה חושית, או גירוי פנימי ⁹ מנוע ¹⁰ עשוי להיות מופנה לשימוש בעת הצורך. אחרי אלה נסרקים אז נוכל להורות נושא הפרדיגמה נגד saccade ייסרקו הבא. בהתאם לפרמטרים שנבחרו הדמיה הסריקה תהיה קרובה 6 דקות. אנו מוצאים כי סורק יותר זה לגרום נושאים להירדם.
6. הפגישה הדמיה סך לוקח כ 60 עד 120 מתוך דקות, בהתאם סריקות הכל הדרושים לניתוח.

5. fMRI ניתוח

1. לנתח את הנתונים באמצעות BrainVoyager QX תוכנה (או כל חבילת ניתוח כגון AFNI או SPM).
2. בגין ידי superimposing תפקודית נתונים סטטיסטיים על גבי מפות מוח תמונות אנטומיות. מבחינה תפקודית להגדיר את אזורי המוח של עניין (ROהאם) באמצעות מודל ליניארי כללי (GLM), עם מנבאים נפרדים (כלומר חופף ו נראים לא מתאימים, הדרכה פנים והדרכה מילה, אנטי saccade, Pro-saccade) עבור כל אחד מהתנאים במשימה במהלך שני סוגים של סריקות ^2.
3. לבחון את עוצמת האות בכל האזורים הקדמיות מופעלים דרך ניגודים GLM (כלומר, כל נראים לא מתאימים מול כל חופף לייצר מפת אזורי), לחשב את האות BOLD סטנדרטית על פני כל המשתתפים והשווה את הביטוי נראים לא מתאימים מילה / פנים עם המילה חופף / פונה ביטויים עבור שני התנאים ^2.
4. לתאם את זמני התגובה שנאספו על הניסויים ששימשו GLMs, ואחר כך לקשר בין הפעילות המוחית על פני כל אדם עם זמני התגובה שלהם עבור ניסויים ספציפיים ² באיור 4.

6. נציג תוצאות

לאחר ניתוח אנו מראים אזורים במוח המתואמים עם דוארשטרופ motional ואנטי saccade משימות שנרשמו במהלך הסריקה. התוצאות של הפרדיגמה שטרופ רגשית הראו אפקט האינטראקציה בין שלושת הגורמים ביטוי, הדרכה, אזור במוח אך לא היה ההשפעה העיקרית של הביטוי אין כל השפעה העיקרי של ההוראה ^2. מצאנו כי כאשר הבעת פניו היתה נראים לא מתאימים למילה רגשית גבי, זה incongruency המופק הדיווח על המילה הכתובה הראה גבוה יותר עוצמת האות ב BOLD הממשלה העתידית שמאל ² (איור 2). עוצמת אות גדול יותר על ביטויים נראים לא מתאימים לעומת הביטויים חופף היה משמעותי מבחינה סטטיסטית, עם שמחה חופף מראה את ההבדל הגדול ^2.

והחשוב מכל RTS בשלושת התנאים נראים לא מתאימים שנבדקו (עצוב, שמח ונייטרלי) ניבא האות BOLD יותר בתוך הממשלה העתידית שמאל לעומת כל התנאים חופף (איור 3). לשם כך אנהתמוגה לנו במיוחד בדק את זמני התגובה וערכו ניתוח רגרסיה כדי לבדוק אם RT עבור התנאים נראים לא מתאימים ו חופף היו חזוי של פעילות איתות BOLD בתוך אזור זה במוח (איור 3). מצאנו כי RT מהווה 81% מן השונות בפעילות הממשלה העתידית שמאל כאשר דיווח על ביטויים של מילה טובה, ניטרלי, ועצוב בעת התנאים נראים לא מתאימים ו חופף ^2. גבוה RT הוא חזוי של הממשלה העתידית ההפעלה גדול יותר שמאלה, עם המצב העגום נראים לא מתאימים המניבים הגדול ביותר RT / אות יחס עוצמת לעומת כל התנאים ביטוי אחר. ניתחנו את האנטי saccade פרדיגמות בשיטות דומות לעיל כדי להיות מסוגלים להשוות את שתי רשתות של פעילות. בדוגמה זו, מצאנו כי לא היה כל אות מוגברת הממשלה העתידית שמאל אנטי saccade לעומת המשימה תומכי saccade. לפרטים נוספים, אנו מפנים את הקוראים פורד et al. (2007).

באיור 1. דוגמה למשפט נראים לא מתאימים (פנים עם הבעה של אושר גבי במילה SAD). הניסוי יתחיל עם נקודה קיבוע (1 2), ממשיך על ידי גירוי פנים (250 ms) ואת התמונה רעולי פנים (2 שניות) המחייב תגובה הכפתור של המשתתף.

איור 2. כרכים כל קיבוע שימשו כבסיס. ברים שגיאה מסמנים את סטיית התקן של הממוצע (SEM). ביטויים נראים לא מתאימים (שמח, ניטרלי, עצוב) הראה גדול יותר באופן משמעותי שינוי אות BOLD לעומת ביטויים חופף ^2. התמונה מראה הבלעה עזב gyrus חזיתית נחות (ממשלה עתידית) אשר מותאמת באופן פונקציונלי באמצעות הניגוד לתאר בסעיף 5.2 של שטרופ רגשית נראים לא מתאימים לעומת המצב חופף במהלך לטפל סט פקודות Word.

איור 3. במהלך ההוראה "השתתף ל-Word", נראים לא מתאימים, לעומת זאת בקנה הראו קשר חיובי בין RTS ועוצמת האות BOLD. גרף זה הוא ממוצע של RTS את כל 10 הנושאים של אות BOLD במהלך כל אחד מששת התנאים. ברים שגיאה מסמנים את סטיית התקן של הממוצע (SEM) ^2.

איור 4. שתי חזרות של ביטוי זה הוצגו בפני הנבדקים. השורה העליונה היא המחשה סכמטית של רצף המשפט מבלוק 1 של הניסויים. החלק התחתון הוא תיאור של פונקציה דו גמא בתגובה hemodynamic (HRF) משמש כדי לגלות אזורים במוח המעורבים הביטויים פנים רגשיות.

Discussion

זיהוי אזורי המוח מסתמך על יצירת ניגוד מדויק בין משימות סרוקים (כלומר שטרופ או כך, הרגש נראים לא מתאימים לעומת חופף ואת הבעת הפנים, או נגד saccade לעומת תומכי saccade) כדי לייצר מפה של הפעלת קשור למשימה. אלו מפות תפקודית יכול להיות מעודן יותר, כאשר התנהגות נאסף בתוך סורק להסיר ניסויים שבהם הנושא שנעשו שגיאות. שגיאות אלה ניתן להסיר אם יש מספר מספיק של טעויות מאשר מפות תפקודית יכול להתבצע אלה ^3,4,5,6. והכי חשוב, כאשר בוחנים את זמני התגובה עבור משימות משימות שטרופ נראים לא מתאימים כי היה זמן תגובה ארוך יותר גם אותות מודגש יותר של קליפת המוח הקדמית השמאלית (ממשלה עתידית). אם לא היינו לאסוף נתונים התנהגותיים לא היינו צריכים את זה תובנה חדשה קליפת המוח הקדם חזיתית ^2.

טכניקה זו מאפשרת מדידה של דפוסי הפעילות באזורים במוח הקשורים מסוים להיותhaviors כגון ניסויים הנכונות וטעייה ⁷ באמצעות מדדים של ² לוחץ על כפתור או תנועת הקלטות עיניים. האתגר של שימוש בטכניקות אלה טמון מתאם מדויק של הנתונים התנהגות אשר ניתן למדוד בסדר גודל של אלפיות השנייה, עם הנתונים תפקודית שמקורם בזרימת דם (האות BOLD) אשר בעל רזולוציה הזמני של 4-5S (איור 4 ). לכן, להסתכל על הפעילות העצבית הקשורה להתנהגות מסוימת, העיכוב קשור ופרמטרים המודינמיים יש לקחת בחשבון. עם גירויים שהוצגו במהירות, העלייה האות BOLD מתרחשת במהלך מצגת של הפנים / מילה גירויים כמה זוג. על מנת לראות את ההשפעה של התאמה (או הביטוי פנים בפרט) אנו חייבים להתגבר על הפער ברזולוציה הזמני על ידי הצגת 2 ברצף של סוג גירוי זהה. זה מוצג באיור 4, שם את שני הגירויים הם נראים לא מתאימים 2-Happy הפנים מצגות FOllowed ידי עצוב 2 נראים לא מתאימים נייטרלי ושני נראים לא מתאימים. לכן, בניגוד המסתמכת על השוואת החפיפה עם הניגוד הלא מתיישב יקיף גוש 6.5s, מספיק זמן כדי לתפוס את התגובה hemodynamic.

בנוסף, התנועה של המשתתפים במהלך סריקה יוצרת עיוותים בתוך השדה המגנטי וזה יכול לייצר ההפעלה מלאכותית בתוצאות או יכול לתפוס ההפעלה פונקציונלי על המיקום האנטומי שגוי. תנועה מופרזת על ידי נבדקים בעת בסורק ניתן לראות על ידי הנסיין ונושאים יכול להזכיר להישאר עדיין האפשרי בין סריקות. תיקון נוסף על תנועה ניתן לבצע posthoc בתוכנה, אולם תנועה גדול יותר ממספר מילימטרים בדרך כלל מעט תוצאות של בדיקת תפקודי להיות מושלך. כאן לא מצאנו לוחץ על כפתור הביא תזוזה משמעותית של הזרוע ועל הראש, לעומת זאת ההצעה של נושאים במהלך סריקות יש לתת שיקול דעת על requirin כל פרדיגמהג'תנועות קטנות אפילו.

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.