Correlare risposte comportamentali alla segnali fMRI di Human corteccia prefrontale: Esame Processi Cognitivi Utilizzando Task Analysis

Summary

L'obiettivo della nostra ricerca è quello di correlare il comportamento di attività cerebrale. Accurate misure comportamentali e le tecniche di imaging ci permettono di chiarire le relazioni cervello-comportamento.

Abstract

Lo scopo di questo lavoro è quello di descrivere i metodi come implementare una tecnica di neuroimaging per esaminare i processi cerebrali complementari, impegnate da due compiti simili. Comportamento dei partecipanti durante l'esecuzione compito in risonanza magnetica può essere quindi correlato alla attività cerebrale utilizzando il sangue ossigeno-dipendente dal livello del segnale. Si misurare il comportamento di poter ordinare prove corrette, dove il soggetto svolto il compito correttamente e quindi in grado di esaminare il cervello segnali relativi a correggere le prestazioni. Viceversa, se i soggetti non eseguire correttamente l'operazione, e questi studi sono inclusi nella stessa analisi con le prove corretti che introdurrebbe prove che erano non solo per il corretto funzionamento. Pertanto, in molti casi, questi errori possono essere usate poi per correlare poi a loro attività cerebrale. Descriviamo due compiti complementari che vengono utilizzati nel nostro laboratorio per esaminare il cervello durante la soppressione di una risposta automatica: il Stroop ¹ e anti-saccadi compiti. Ilparadigma di Stroop emotivo istruisce i partecipanti a riferire sia il sovrapposto emozionale 'parola' attraverso i volti affettive o le espressioni facciali degli 'del ^1,2 viso stimoli. Quando la parola e l'espressione del viso si riferiscono alle emozioni diverse, un conflitto tra ciò che deve essere detto e ciò che viene letto automaticamente si verifica. Il partecipante deve risolvere il conflitto tra due processi contemporaneamente concorrenti di lettura parola e espressione facciale. La nostra voglia di leggere una parola conduce ad una forte 'stimolo-risposta (SR)' le associazioni, di conseguenza l'inibizione di questi forte SR è difficile ed i partecipanti sono inclini a commettere errori. Il superamento di questo conflitto e dirigendo l'attenzione lontano dalla faccia o la parola richiede al soggetto di inibire i processi bottom up, che dirige in genere l'attenzione allo stimolo più saliente. Analogamente, nel compito anti-saccade ^3,4,5,6, dove viene utilizzato uno spunto istruzioni per dirigere l'attenzione solo ad una posizione stimolo periferico, ma poi la eymovimento e si rinvia alla posizione opposta specchio. Ancora una volta misuriamo il comportamento registrando i movimenti oculari dei partecipanti che consente la selezione delle risposte comportamentali corretti e negli studi di errore ⁷ che poi possono essere correlati all'attività cerebrale. Neuroimaging consente ora ai ricercatori di misurare diversi comportamenti corretti di prove ed errori che sono indicativi di diversi processi cognitivi e di individuare le diverse reti neurali coinvolti.

Protocol

1. Prima di entrare nella camera MRI

1. I partecipanti compilare un modulo di consenso che spiega tutti i rischi sperimentali (ad esempio pacemaker, claustrofobia, protesi metalliche, la probabilità di gravidanza, ecc), e dei benefici della loro partecipazione.
2. Tutti i partecipanti sono tenuti a compilare la sicurezza risonanza magnetica e questionario di screening (breve storia della medicina, precedenti procedure chirurgiche, ecc) I partecipanti con controindicazioni deve essere esclusa.

2. Panoramica delle attività e formazione

1. Fornire formazione sulle prestazioni Task anti-saccade.
   1. Fissazione verde indica una pro-saccade prova. Istruire partecipanti guardare al bersaglio che compare nella periferia dello schermo, un angolo visuale di 8-10 °.
   2. Il colore rosso indica la fissazione anti-saccade prova. Istruire i partecipanti a guardare al esatto opposto di target che compare nella periferia dello schermo, con un angolo di visuale di 8-10 ° (ad esempio per obiettivo giusto, cercare di maggioe sinistra).
2. Fornire una formazione sulle prestazioni dell'attività per la Stroop emotivo al di fuori dello scanner.
   1. Include 15 prove pratiche con diverse combinazioni di face-parola espressioni su un computer al di fuori dello scanner. Lo scopo della pratica è per i partecipanti di apprendere l'attività e ciò che si aspetta da loro in premendo il pulsante appropriato nello scanner MRI. Istruire i partecipanti su quali tasti vengono premuti per segnalare una felice espressione / parola neutra espressione / parola e di espressione triste / word. Inoltre, quando all'interno dello scanner, ricordare ai partecipanti che emozione ogni pulsante rappresenta.
   2. Parole descrittive che indicano le espressioni (Happy, Neutral, Sad) si sovrappongono le immagini di singole facce. Queste parole sono o congruenti o incongruenti con l'emozione rappresentata dalla faccia nella foto (figura 1). Inizia ogni scansione con istruzioni scritte sullo schermo ricordando ai partecipanti di entrambi i repOrt il "espressione del volto (felice, folle, triste)" o la "parola scritta (felice, folle, triste)" premendo il tasto corrispondente nel più breve tempo possibile.
   3. L'operazione viene visualizzata per 1 secondo, seguito da una croce fissazione, che i partecipanti fissato su di un altro 1 sec. La croce di fissaggio è seguita dagli stimoli Face per 250 millisecondi e poi seguite da l'immagine di risposta per 2 secondi. L'immagine risposta viene usato per dare ai partecipanti il ​​tempo di segnalare le loro risposte premendo il tasto appropriato. La seguente presentazione visiva della croce fissaggio inizia dopo la fine di questa immagine risposta. Ciascun partecipante ripete la scansione sperimentale in uno dei due gruppi di istruzioni (cioè faccia espressione O parola scritta). Tutti gli stimoli sono stati creati e presentati utilizzando Presentazione 12.1 ( www.neurobs.com ).

3. Scanner e di impostazione del monitoraggio Eye

1. Per bEgin la messa a punto dell'esperimento, avviare proiettando lo stimolo del computer come immagine focalizzata sullo schermo in MRI con un proiettore digitale.
2. I partecipanti sono invitati ad alzarsi dalla propria sedia nella sala di controllo e camminate nella stanza scanner. Tappi per le orecchie e / o cuffie vengono forniti e soggetti metterli nei loro canali orecchie.
   1. Il soggetto è in posizione supina con la posizione della testa al centro della bobina testa. Noi stabilizzare il corpo del partecipante e la posizione testa con cuscini o inserti in schiuma per renderli il più confortevole possibile, ma anche di aiutante nel limitare il loro movimento della testa in quanto il movimento della testa durante la scansione causa perdita di dati. Specialmente se il movimento della testa è maggiore di 1 mm in qualsiasi direzione.
   2. Far scorrere / posizionare la headcoil sopra la testa del partecipante e li hanno inclinare la testa più comoda possibile guardando dritto per visualizzare lo specchio che riflette sullo schermo del proiettore. Gli occhi devono essere il più vicino alla posizione primaria come pOSSIBILI ⁸ al fine di mantenere il comfort del partecipante sulla sessione di scansione, che può durare fino a due ore.
3. Chiedere al partecipante come la messa a fuoco dell'immagine proiettata è una volta che sono nello scanner. Se non è tagliente, regolare nuovamente l'obiettivo di migliorare l'immagine sullo schermo.
4. Il eyetracker è ora verificata mediante una calibrazione per assicurare che la fotocamera IRED è nella posizione corretta. Se la riflessione sulla cornea non è l'ideale o funziona correttamente, la fonte IRED deve essere regolata, o lo specchio che riflette la fonte IRED vicino alla posizione di testa del partecipante deve essere riallineato / regolato. Se la testa del partecipante è stata regolata, chiedere al soggetto se più padding / schiuma o cuscini sono necessarie per mantenere questa testa / corpo posizione. Durante la scansione del monitor e le posizioni oculari orizzontali e verticali dei partecipanti discografiche con un inseguitore a infrarossi occhio (cioè sensomotorio Instruments, Needham / Boston, MA) e correlare questi con il paradigma comportamentale when analizzando l'attività cerebrale. ^5,7

4. Procedure di scansione

1. Posizionare il contatto delle sfere di emergenza squeeze sull'addome del partecipante in mano sinistra e il joystick / tasto box nella mano destra. Posizionare una capsula di vitamina E sul lato destro vicino alla testa. Questo sarà visibile nelle scansioni anatomiche che faranno certo un errore non capovolgere le immagini da sinistra a destra. Sollevare e far scorrere il letto al centro della MRI.
2. Assicurarsi che tutti gli sperimentatori lasciare la stanza MRI e chiudere la porta alla MRI.
3. Comunicare con il partecipante attraverso il citofono nella sala di controllo e confermano che sono pronti a iniziare la scansione e sono il più confortevole possibile. Se non, regolare come necessario.
4. Ricorda il partecipante che i rumori nello scanner sarà forte e questo è normale.
   1. La prima scansione raccoglie alcune immagini cerebrali alcuni lungo la regione sagittale di poter localizzare / o prescrivere la esattaientation delle fette per i dati completi anatomici e funzionali. I partecipanti sono detto che questo scan possa durare alcuni minuti.
   2. Una volta che gli sperimentatori visualizzare i risultati della scansione localizzatore, si prescrivono una serie di sezioni anatomiche che coprono l'intero cervello. Nei nostri casi abbiamo tipicamente scansione assiale fette oblique che comprendono l'intero cervello (da 170 a 256 fette). Dite al partecipante che la scansione richiederà circa 6 a 10 minuti a seconda del numero prescritto di fette. In alcuni casi la scansione anatomica può essere fatta dopo le scansioni funzionali. Ci sono alcuni vantaggi di questi ultimi, di solito negli esperimenti lunghi soggetti sperimenteranno la fatica. Così, la scansione anatomica non ha bisogno di attenzione da parte dei soggetti in modo che possano chiudere gli occhi. Può essere utile fare queste scansioni al termine della sessione di imaging.
   3. Una volta che le scansioni anatomiche sono stati completati il ​​partecipante si ricorda delle istruzioni specifiche della scansione prossimo attraverso la comunicazione tramite il microfono/ Sistema di altoparlanti.
5. In questo esempio, uno pseudo-evento relativo al modello ^2, viene utilizzato per identificare le regioni cerebrali attivate dal compito Stroop emotivo ma qualsiasi sensoriale, percezione interna ⁹ o stimolo motore ¹⁰ potrebbe essere diretta all'uso quando necessario. Dopo questi vengono sottoposti a scansione poi ci istruire il soggetto che l'anti-saccade paradigma saranno esaminati il ​​prossimo. A seconda dei parametri di imaging scelti la scansione sarà vicino a 6 minuti. Troviamo che effettua la scansione più lunga di questa indurre soggetti ad addormentarsi.
6. La sessione di imaging totale richiede circa 60 a 120 di minuti, a seconda delle scansioni totale necessario per l'analisi.

5. Analisi fMRI

1. Analizzare i dati utilizzando BrainVoyager QX software (o qualsiasi altro pacchetto di analisi come AFNI o SPM).
2. Inizia sovrapponendo funzionali mappe di dati statistici su immagini anatomiche del cervello. Funzionalmente definire le aree cerebrali di interesse (ROE ') utilizzando il modello lineare generale (GLM), con predittori separato (cioè congruenti e incongruenti, l'istruzione e l'istruzione faccia parola, anti-saccade, pro-saccade) per ciascuna delle condizioni il compito durante i due tipi di scansioni ^2.
3. Esaminare l'intensità del segnale in tutte le regioni frontali attivati ​​dai contrasti GLM (cioè tutti incongruente rispetto a tutte congruente per produrre una mappa delle aree), calcolare il segnale BOLD standard in tutti i partecipanti e confrontare l'incongruente parola / espressione faccia con la parola congruente / affronta le espressioni per entrambe le condizioni ^2.
4. Correlare i tempi di reazione raccolte le prove che sono state utilizzate per i MLG, quindi correlare l'attività cerebrale attraverso ciascuno con i tempi di reazione proprie per i processi specifici ² come in figura 4.

6. Risultati rappresentativi

Dopo l'analisi mostriamo regioni cerebrali che correlano con l'eStroop motional e anti-saccadi attività registrate durante la scansione. I risultati del paradigma di Stroop emozionale ha mostrato un effetto di interazione tra tutti i tre fattori di espressione, l'istruzione, e la regione del cervello, ma non c'era effetto principale di espressione e di nessun effetto principale di istruzione ^2. Abbiamo scoperto che quando l'espressione del volto era incongruente alla parola sovrapposta emozionale, questa incongruenza prodotto da aver segnalato la parola scritta ha mostrato una maggiore intensità del segnale BOLD a sinistra IFG ² (Figura 2). L'intensità del segnale maggiore sulle espressioni incongruenti rispetto alle espressioni congruenti era statisticamente significativa, con felice congruente mostra la più grande differenza ^2.

Soprattutto, il RTS per le tre condizioni incongruenti testate (triste, felice e neutrale) ha predetto un segnale di maggiore BOLD entro IFG sinistra rispetto a tutte le condizioni congruenti (Figura 3). Per questo analisi abbiamo esaminato in modo specifico i tempi di reazione e condotto un'analisi di regressione per verificare se RT per le condizioni incongruenti e congruente erano predittivo dell'attività segnale BOLD in questa regione del cervello (Figura 3). Abbiamo trovato che i conti RT per l'81% della variazione dell'attività IFG sinistra quando riferire le espressioni parola di Felice, Neutro, Sad e nelle condizioni incongruenti e congruenti ^2. Higher RT è predittivo di un più ampio attivazione IFG sinistra, con la condizione incongruente triste cedendo il più grande RT rapporto segnale / intensità rispetto a tutte le condizioni di espressione di altri. Abbiamo analizzato le anti-saccadi paradigmi con metodi analoghi a quelli sopra per poter confrontare le due reti di attività. In questo esempio, abbiamo scoperto che vi era alcun segnale aumentato in IFG sinistra per l'anti-saccade rispetto al pro-saccade compito. Per maggiori dettagli, rimandiamo i lettori a Ford et al. (2007).

Figura 1. Un esempio di sperimentazione incongruenti (viso con una felice espressione sovrapposta dalla parola SAD). L'esperimento inizierà con il punto di fissaggio (1 secondo), procedendo per lo stimolo viso (250 ms) e l'immagine mascherata (2 secondi), che richiede una risposta pulsante del partecipante.

Figura 2. Tutti i volumi di fissaggio sono stati utilizzati come base di riferimento. Le barre di errore indicano l'errore standard della media (SEM). Espressioni incongruente (Happy, Neutral, Sad) ha dimostrato significativamente più grande cambiamento BOLD segnale rispetto alle espressioni congruenti ^2. L'immagine a sinistra mostra inserto giro frontale inferiore (IFG) che è stato funzionale localizzato utilizzando il contrasto descritto nella sezione 5.2 per il Stroop emotivo incongruente rispetto alla condizione congruente durante la partecipazione al set di istruzioni parola.

Figura 3. Durante l'istruzione "Partecipa a Word", incongruente-congruente contrasto ha mostrato una correlazione positiva tra RT e l'intensità del segnale BOLD. Questo grafico è una media di RT tutti e 10 i soggetti e il segnale BOLD in ciascuno dei sei condizioni. Le barre di errore indicano l'errore standard della media (SEM) ^2.

Figura 4. Due ripetizioni di ogni espressione sono stati esposti ai soggetti. Riga superiore è una rappresentazione schematica di una sequenza di prova da un blocco di prove. Sezione inferiore è una rappresentazione delle Due-Gamma funzione di risposta emodinamica (HRF), usato per scoprire le regioni del cervello coinvolte nelle espressioni facciali emotive.

Discussion

Identificare regioni del cervello si basa sulla creazione di un contrasto preciso tra le attività acquisite (cioè sia nel Stroop, l'emozione incongruente rispetto congruenti e l'espressione del viso, o anti-saccade contro pro-saccade) al fine di produrre una mappa di attivazione connesse alla mansione. Queste mappe funzionali possono essere più raffinata quando il comportamento viene raccolto nello scanner per rimuovere prove in cui il soggetto in errori. Tali errori possono essere rimossi e se ci fosse abbastanza numeri di errori rispetto mappe funzionali potrebbe essere fatto di questi ^3,4,5,6. La cosa più importante, in sede di esame i tempi di reazione per le attività di attività i Stroop incongruenti che hanno avuto tempi di reazione più lunghi ha avuto anche i segnali più alto in grassetto all'interno di corteccia frontale sinistra (IFG). Se non raccogliere questi dati comportamentali non avremmo questa nuova visione nella corteccia prefrontale ^2.

Questa tecnica permette la misurazione di modelli di attività in aree cerebrali associati a un particolare esserehaviors quali prove corrette ed errori ⁷ utilizzando le misure di pressione di un tasto ² o registrazioni movimento degli occhi. La sfida di utilizzare queste tecniche consiste nella correlazione precisa dei dati comportamentali che possono essere misurate nell'ordine di millisecondi, con i dati funzionali derivati ​​dal flusso ematico (segnale BOLD) che ha una risoluzione temporale di 4-5s (figura 4 ). Pertanto, per esaminare l'attività neurale associata con un particolare comportamento, il ritardo associato emodinamica devono essere presi in considerazione. Con stimoli rapidamente presentati, l'aumento del segnale BOLD si verifica nel corso della presentazione di diversi viso / word stimoli coppia. Al fine di esaminare l'effetto di congruenza (o di una particolare espressione del viso) dobbiamo superare questa disparità nella risoluzione temporale in sequenza presentando due del tipo stesso stimolo. Ciò è mostrato nella figura 4, dove i primi due stimoli sono due incongruenti-felice faccia presentazioni followed da due tristi incongruente neutro e due incongruenti. Così, un contrasto che si basa sul confronto tra la congruenza con incongruenza comprenderà un blocco di 6,5 s, abbastanza a lungo per catturare la risposta emodinamica.

Inoltre, il movimento dei partecipanti durante la scansione crea distorsioni nel campo magnetico e questo può produrre l'attivazione artificiale nei risultati oppure possono spostare attivazione funzionale sulla posizione anatomica corretta. Movimento eccessivo da parte dei soggetti, mentre nello scanner può essere visto dallo sperimentatore e soggetti possono essere ricordato di rimanere il più fermo possibile tra le scansioni. Ulteriore correzione per il movimento può essere eseguita in software posthoc, tuttavia movimento maggiore di pochi millimetri solitamente risulta in una scansione funzionale essere scartato. Qui non abbiamo trovato pressioni di tasti ha determinato un significativo spostamento del braccio e la testa, ma il movimento di soggetti durante le scansioni devono essere ben meditato per qualsiasi requirin paradigmag movimenti anche piccole.

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.