人間の前頭前野皮質からfMRI信号への行動応答の相関：タスク分析を用いた認知プロセスを調べる

Summary

私たちの研究の目的は、脳の活動にビヘイビアを関連付けることです。正確な行動の対策やイメージング技術は、私たちは脳と行動の関係を解明することができます。

Abstract

このメソッドは本稿の目的は2つの類似したタスクで従事して補完的な脳のプロセスを調べるためにニューロイメージング手法を実装する方法を記述することです。 fMRIのスキャナのタスクのパフォーマンス中に参加者の行動は、その後、血液酸素レベルに依存した信号を用いた脳活動に相関することができます。我々は、対象タスクが正しくしてパフォーマンスを修正するために関連する脳の信号を調べることができるように行われ、適切な試験を、並べ替えることができるように挙動を測定します。逆に、被験者は正確にタスクを実行しないと、これらの試験は、我々が唯一の正しいパフォーマンスを得るためにではなかった試験を導入すると、適切な試験と同じ分析に含まれています。したがって、多くの場合これらのエラーは、それらに脳の活動を関連付けるために自分自身を使用することができます。ストループ¹とアンチサッカードタスク：我々は、自動応答の抑制の間に脳を調べるために私たちのラボで使用される2つの相補的なタスクについて説明します。ザ感情的なストループパラダイムは、どちらの顔刺激^1,2の感情の顔や顔の表情"を越え重畳された感情的な"言葉"を報告し、参加者に指示します。言葉と表情が異なる感情を参照するときに、何の間に競合が言って、何を自動的に読み込まれますが発生しなければなりません。参加者は、単語の読みと表情の2つの同時競合するプロセス間の競合を解決する必要があります。ワードを読み出すために私たちの衝動が強い "刺激 - 反応（SR）組合につながる。したがって、これらを抑制する強力なSRのは困難であり、参加者はエラーを作成する傾向がある。この対立を克服し、顔や言葉から注目を離れて指示する対象は、通常より多くの顕著な刺激に注意を向けるプロセス、ボトムアップを抑制する必要があります。同様に、命令キューは、周辺刺激の位置が、その後EYにのみ注意を向けるために使用される抗サッケードタスク^3,4,5,6、で電子の動きはミラーと対向する位置に行われています。再び我々は、脳の活性に相関することができますし、正しいとエラー試験への行動応答⁷のソートを可能にする参加者の眼球運動を記録することによって動作を測定します。神経画像は現在の研究者が異なる認知過程の指標であると関連するさまざまな神経回路網を特定し、正しいとエラー試験の異なる動作を測定することができます。

Protocol

1。 MRI室に入る前に

1. 参加者はすべての実験のリスク（例えばペースメーカー、閉所恐怖症、金属インプラント、妊娠の可能性など）、および参加の利点を説明し同意書を完了します。
2. すべての参加者は、禁忌の参加者は除外する必要があります（簡単な病歴、手術前の手順等）MRIの安全性とスクリーニング質問票を記入する必要があります。

2。タスクの概要とトレーニング

1. アンチサッカードのタスクのパフォーマンスに関するトレーニングを提供しています。
   1. 緑色の固定は、プロサッカー裁判を示しています。 8月10日°の視野角で、画面の周囲に現れるターゲットに目を向けるよう参加者に指示します。
   2. 赤の固定は、アンチサッカードトライアルを示しています。画面の周囲に表示されるターゲットのミラーの反対側に目を向ける参加者に指示する、8-10°（例えば、右のターゲットに対しての視覚的な角度で、目に見えるe）は残しました。
2. スキャナ外部の感情的なストループのタスクのパフォーマンスに関するトレーニングを提供しています。
   1. スキャナ外部のコンピュータ上で顔ワード式のさまざまな組み合わせで15の練習試験が含まれています。参加者がタスクを学習し、MRIスキャナで適切なボタンを押すと、それらが期待されている何のために練習の目的である。どのボタンを幸せそうな表情/ワード、中立的な表現/ワードと悲しい表現/単語を報告するために押されてするよう参加者に指示します。さらに、時スキャナの内部に、各ボタンが表している感情の参加者を思い出させる。
   2. 式を（悲しい、ニュートラル、ハッピー）を示す説明的な言葉は、個々の顔の写真に重ねています。これらの言葉は絵の中の顔（ 図1）で示されている感情と一致するか一致しないのいずれかです。担当者のどちらかに参加者を思い出させて画面上で書かれた命令でそれぞれのスキャンを開始"表情（悲しい、中立、幸せ）"または可能な限り迅速に対応するボタンを押すことによって "書かれた単語を（悲しい、中立、幸せ）" ORT。
   3. 命令は、参加者が別の1秒間に執着固定クロス、続いて、1秒間に表示されます。固定クロスは2秒の応答画像に続いて、250ミリ秒のために提示顔刺激が続いている。応答イメージが参加者に適切なボタンを押すことによってその応答を報告する時間を与えるために使用されます。固定クロスの次の視覚的なプレゼンテーションでは、このレスポンス·イメージの終了後に開始されます。各参加者には、2つの命令グループ（すなわち、顔の表情OR書かれた言葉）のいずれかで実験的なスキャンを繰り返します。すべての刺激はプレゼンテーション12.1（使用して作成され、提示されたwww.neurobs.comを ）。

3。スキャナとアイトラッキングの設定

1. bへ実験のセットアップeginは、デジタルプロジェクターとMRIの画面上に焦点を当てたイメージとして、コンピュータの刺激を投影することで開始します。
2. 参加者は、制御室での椅子から立ち上がると、スキャナの部屋に入るように求められます。耳栓、および/または頭の電話が提供されており、被験者は自分の耳の運河に配置します。
   1. 対象は、ヘッドコイルの中心に彼らの頭の位置で仰臥位にある。我々は、データの原因の損失をスキャン中に頭部運動以来、頭の彼らの動きを制限することでそれらをできるだけ快適なだけでなく、側近にするために枕や発泡スチロールで参加者の身体と頭の位置を安定させる。頭部の動きが任意の方向に1ミリメートルよりも大きい場合は特に。
   2. スライド/参加者の頭の上headcoilを配置し、プロジェクターの画面を映す鏡を表示するには、まっすぐに見ながら、彼らができるだけ快適に頭を傾けています。目はpと次の位置に近いなければなりません2時間まで持続できるスキャンセッションを介して参加者の快適性を維持するための⁸ ossible。
3. 彼らはスキャナでは1回、投影画像の焦点はどのように参加者に依頼してください。それがシャープでない場合は、画面上のイメージを向上させるためにレンズを再調整します。
4. eyetrackerは現在、赤外カメラが正しい位置にあることを保証するためにキャリブレーションによってテストされています。角膜反射は理想的な、または正常に動作しない場合は、赤外LED光源を調整する必要があり、または参加者の頭の位置の近くに赤外LED光源を映す鏡は、再編/調整する必要があります。参加者の頭が調整された場合は、より多くのパディング/泡や枕は、このヘッド/ボディポジションを維持するために必要されている場合は、件名をお願いします。赤外線アイ·トラッカー（すなわちSensomotoricインスツルメンツ、ニーダム/ボストン、MA）を使用して、モニターと記録、参加者の水平方向および垂直方向の眼の位置をスキャン中に、行動パラダイムWHで、これらの相関関係本発明は、脳の活動を分析する^。5,7

4。スキャンの手順

1. 参加者の彼らの左手で腹部と右手のジョイスティック/ボタンボックスに緊急連絡スクイーズボールを置きます。頭の近くに右側にビタミンEのカプセルを配置します。これは、特定のエラーを行います解剖スキャンで表示できます左から右に画像を反転されません。 MRIの中心にベッドを上げて、スライドさせます。
2. 実験者のすべてがMRI余地を残していることを確認し、MRIへの扉を閉じます。
3. 制御室のインターホンを通じて、参加者と通信し、それらがスキャンを開始する準備をし、できるだけ快適になっていることを確認してください。されていない場合は、必要に応じて調整します。
4. スキャナのノイズが騒々しいとなり、これが正常であることを参加者に思い出させる。
   1. 最初のスキャンでは、ローカライズ/または正確を処方することができるように矢状領域に沿っていくつかの脳の画像を収集完全な解剖学的および機能的なデータのスライスのientation。参加者は、このスキャンには数分かかりますと言われています。
   2. 実験者がローカライザースキャンの結果を表示したら、我々は、脳全体をカバーする解剖学的スライスのシリーズを規定している。私たちの例では、一般的に脳​​全体（170から256スライス）を包含する軸方向の斜めのスライスをスキャンします。このスキャンではスライスの所定の数に応じて10から6分程度かかることが参加者に指示します。いくつかのケースでは解剖学的スキャン機能スキャンした後に行うことができます。後者のいくつかの利点がありますが、通常、長期の実験では被験者は疲労が発生します。彼らは目を閉じることがありますので、このように、解剖学的スキャンは、被験者が注意を必要としません。それは、イメージングセッションの終了時にこれらのスキャンを行うには役に立つかもしれません。
   3. 解剖学的スキャンが完了すると参加者がマイクを介して通信を介して今後のスキャンの具体的な指示を思い出している/スピーカーシステム。
5. この例では、擬似イベントに関連するデザイン^2は感情的なストループ課題によって活性化する脳の領域を識別するために使用されていますが、必要なときにすべての感覚、内部感覚⁹ま ​​たはモータの刺激^10が使用するために指示することができます。これらがスキャンされた後、我々は、アンチサッカードパラダイムは次の​​スキャンされている対象を指示します。選択された撮像パラメータに応じてスキャンが6分長いに近いでしょう。我々は、これは被験者が眠りに落ちるように誘導するより長いスキャンことがわかります。
6. 合計イメージングセッションでは、分析のために必要な合計のスキャンに応じて、約60から120分かかります。

5。 fMRIの解析

1. BrainVoyager QXソフトウェア（またはそのようなAFNIやSPMなどの解析パッケージ）を使用してデータを分析します。
2. 解剖学的脳画像の上に機能的なデータの統計マップを重ね合わせることから始めます。機能的に（RO興味のある脳の領域を定義する）スキャンの²つのタイプの間にタスクの条件ごとに個別の予測（つまり、一致すると一致しない、顔命令とワード命令、アンチサッカー、プロサッカード）と、一般線形モデル（GLM）を使用しています。
3. GLMの対比から、すべての活性化前頭部の信号強度（領域のマップを生成するすべての合同対一致しないすべてのつまり）を調べ、すべての参加者間で標準化されたBOLD信号を計算し、合同でワード/と一致しない単語/顔の発現を比較する両方の条件²の式に直面している。
4. GLMsのために使用された臨床試験で収集された反応時間を相互に関連付け、次に図4のような特定の試験²の自分の反応時間で、個々を越えて脳の活動を関連付けることができます。

6。代表的な結果

分析後、私たちは、電子と相関の脳領域を示す運動ストループとアンチサッカードのタスクは、スキャン中に記録されます。感情的なストループパラダイムの結果から、表現、命 ​​令、脳領域のすべての3つの要因間の相互作用の効果を示したが、表現と命令²のない主効果のない主な効果はありませんでした。私たちは、顔の表情が重畳された感情的な単語に一致しないたときに、書かれた単語を報告するから生成こ ​​のincongruencyは左IFG ^2（ 図2）より高いBOLD信号強度を示したことが分かった。合同式のと比較して一致しない式の大きな信号強度が一致する幸せが最大の違いは^2を示すとともに、統計的に有意であった。

最も重要なのはテストした3つの調和しない条件のためのRTSは、（悲しい幸せとニュートラル）は、すべての合同条件（ 図3）に比べて左のIFG内で増加したBOLD信号を予測した。このANAのために溶解は、我々は、特に反応時間を検討し、調和しないと一致する条件のRTは、この脳領域内のBOLD信号の動作（ 図3）の予測因子であったかどうかをテストするために回帰分析を行った。我々はニュートラル、ハッピーの単語表現を報告するとき、RTは左IFGの活動の変動の81％を占めることがわかった、と一致しないと合同条件²の間に悲しい。高いRTは、他のすべての式の条件に比べて最大RT /信号強度比が得られる調和しない悲しい状態で、大きな左IFG活性化の予測です。私たちは活動の2つのネットワークを比較することができるために、上記と同様の方法を用いて抗サッカーのパラダイムを分析した。この例では、プロサッカーのタスクに比べてアンチサッカードのため左のIFGには増加した信号がなかったことがわかった。詳細については、我々は、Ford ら（2007）に読者を参照してください。

図1。調和しない裁判（SADという言葉が重畳幸せそうな表情を持つ顔）の例を示します。実験では、顔刺激（250 ms）および参加者のボタンの応答を必要とマスク画像（2秒）で進んで、固定点（1秒）で始まります。

図2：すべての固定ボリュームは、ベースラインとして使用された。エラーバーは平均値（SEM）の標準誤差を示す。一致しない式では、（悲しい、ニュートラル、ハッピー）合同式の²に比較して有意に大きいBOLD信号の変化を示した。はめ込み画像は、機能的にコントラストがワード命令セットに出席中の合同条件に対して一致しない感情的なストループは、セクション5.2で説明し使用してローカライズされた左下前頭回（IFG）を示しています。

図3 "Wordに出席し"命令の間に、調和しない-合同コントラストは、RTSとBOLD信号強度との間に正の相関を示した。このグラフは、6つの条件のそれぞれの間に全10科目 "のRTとBOLD信号の平均値です。エラーバーは平均値（SEM）の²標準誤差を示す。

図は、4。各式の二つの繰り返しは被験者に表示されていました。一番上の行は、試験の1つのブロックからの試験シーケンスの概略図である。下部のセクションでは、感情的な表情の表現に関与する脳の領域を検出するために使用される2つのガンマ血行動態応答関数（HRF）の描写である。

Discussion

タスクに関連したアクティベーションの地図を生成するために、脳の領域を識別することは、スキャンタスク（または抗サッケード対プロサッカーストループ、一致しない対合同感情と表情のどちらかで、すなわち）との間の正確なコントラストを作成するに依存しています。動作が対象にエラーが発生した試験を削除するには、スキャナで収集されている場合、これらの機能のマップは、より洗練することができます。これらのエラーは、削除することができ、機能的なマップよりもエラーの十分な数があった場合は、これらの^3,4,5,6で作られる可能性があります。最も重要なのは、より長い反応時間を持っていたストループ課題一致しないタスクのために反応時間を調べるときにも左前頭皮質（IFG）で高いBOLD信号を持っていた。我々はこの行動データを収集しなかった場合我々は、前頭前野²に、この新しい洞察力を持っていません。

この手法は、ある特定の関連付けられている脳領域の活動のパターンの測定を可能にするそのようなボタンを押す²または眼球運動の記録の対策を使用して、正しいとエラー試験⁷とhaviors。これらの技術を使用しての挑戦は4-5S（ 図4の時間分解能を持っている血流（BOLD信号）から派生した機能的なデータで、ミリ秒のオーダーで測定することができる行動データの正確な相関関係にある。）したがって、特定の動作に関連付けられた神経活動を見て、血行動態に関連する遅延を考慮する必要があります。急速に提示刺激と、BOLD信号の上昇は、いくつかの顔/ワードペア刺激の提示の過程で発生します。合同の効果（または特定の表情）を見するために、私たちは順番に同じ刺激型の2つを提示することによって、時間分解能は、この格差を克服する必要があります。これは最初の2つの刺激が2調和しない、幸せそうな顔プレゼンテーションのfoあり、 図4に示されている2調和しない中立的な、二調和しない悲しいことllowed。したがって、不適合と合同の比較に依存してコントラストが血行動態応答をキャプチャするのに十分な長さ、6.5sブロックを包含します。

さらに、スキャン中に参加者の動きは、磁場内での歪みを作成し、この結果で人工的なアクティベーションを生成することができますまたは不正確な解剖学的位置に機能的な活性化を変位させることができます。実験者と被験者が見ることができますスキャナ中に被験者による過度の運動は、スキャンの間にはまだ可能な限り維持する連想することができます。運動の更なる補正は破棄され、機能スキャンの数ミリの通常の結果よりも大きいしかし、運動、ソフトウェアでposthoc行うことができます。ここでは、ボタンの押下を見つけられませんでしたが、腕や頭部の著しい変位をもたらした、しかし、スキャン中に被写体の動きは、どのパラダイムrequirinための慎重な配慮を与えなければならないグラムにも小さな動き。

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.