Соотнося поведенческих реакций на МРТ Сигналы от человека префронтальной коры: Изучение когнитивных процессов с помощью Task Analysis

Summary

Целью нашего исследования является соотнести поведение деятельности мозга. Точная поведенческие меры и методы визуализации позволяют нам выяснить мозга поведении отношения.

Abstract

Целью данной работы методов, чтобы описать, как реализовать нейровизуализации технику для изучения дополнительных процессов мозга занимаются два подобных задач. Поведение участников во время выполнения задач в МРТ сканера может быть соотнесена с мозгом деятельности с использованием крови кислородом зависит от уровня сигнала. Мы оцениваем поведение, чтобы иметь возможность отсортировать правильное испытаний, в которых субъект выполнил задачу правильно, а затем иметь возможность изучать мозг сигналы, связанные с правильным выполнением. И наоборот, если субъекты не выполняют задачу правильно, и эти исследования включены в тот же анализ с правильной испытаний мы представить испытаний, которые были не только для правильной работы. Таким образом, во многих случаях эти ошибки могут быть использованы сами, чтобы потом соотнести деятельность мозга им. Дается описание двух дополнительных задач, которые используются в нашей лаборатории для изучения мозга во время подавления автоматических ответов: Струпа ¹ и анти-саккады задач.эмоциональная парадигма Струпа инструктирует участников либо сообщить о наложенных эмоциональный "слово" по аффективным лица или лица "выражения" в лице ^1,2 раздражители. Когда слово и выражение лица относятся к разным эмоциям, конфликт между тем, что надо сказать и то, что происходит автоматически считывается. Участник должен разрешить конфликт между двумя одновременно конкурирующих процессов чтения слова и выражения лица. Наше желание зачитать слова приводит к сильному «стимул-реакция (SR) ассоциации, поэтому ингибирование этих сильных эсеров трудно и участники склонны делать ошибки. Преодоление этого конфликта и направлять внимание от лица, или слово требует тема для подавления снизу вверх процессов, которые обычно обращает внимание на более важных стимулов. Кроме того, в борьбе с саккады задачи ^3,4,5,6, где обучение кия используется только, чтобы направить внимание на периферическую место стимул, но то еэлектронного движения, внесенных в зеркало противоположную позицию. В очередной раз мы измеряем поведение записи движений глаз участников, который позволяет сортировать поведенческие реакции на правильную и ошибок испытаний ^7, которые затем могут быть соотнесены с мозговой деятельности. Сканирование мозга теперь позволяет исследователям измерять различные поведение правильное и ошибок испытаний, которые свидетельствуют о различных познавательных процессов и выявления различных нейронных сетей, вовлеченных.

Protocol

1. Перед входом в МРТ номеров

1. Участники заполнить форму согласия объяснить все экспериментальные риски (например, кардиостимуляторов, клаустрофобия, металлические имплантаты, вероятность наступления беременности и т.д.), и преимущества их участия.
2. Всем участникам необходимо заполнить МРТ безопасности и проверки вопросника (краткая история болезни, предыдущие хирургические вмешательства и т.д.) Участники при наличии противопоказаний, должны быть исключены.

2. Обзор задач и обучение

1. Обеспечить обучение на выполнении задачи по борьбе с саккады.
   1. Зеленый фиксации указывает на про-саккады суда. Попросите участников посмотреть на мишень появляется на периферии экрана, на угол зрения на 8-10 °.
   2. Красный фиксации указывает анти-саккады суда. Попросите участников посмотреть в зеркало напротив целевой появляются на периферии экрана, на углом зрения 8-10 ° (например, право цели, посмотрите на гоэлектронной слева).
2. Обеспечить обучение на выполнение задания для эмоционального Струпа вне сканера.
   1. Включает 15 исследований практики с различными комбинациями лицом слово выражений на компьютере вне сканера. Целью практики является для участников, чтобы узнать задачу и то, что от них ожидается в нажав соответствующую кнопку в магнитно-резонансной томографии. Попросите участников о том, какие нажатии кнопок отчетности счастливое выражение / слово, нейтральное выражение / слово и грустное выражение / слово. Кроме того, когда внутри сканера, напоминают участники которой эмоции каждая кнопка представляет.
   2. Описательные слова, указывающие выражения (Happy, нейтральный, Сад) которые накладываются на фотографии отдельных лиц. Эти слова являются либо конгруэнтно или несравнимы с эмоциями изображено лицо в картину (рис. 1). Начинайте каждое сканирование с письменным инструкциям на экране напоминает участникам либо представительОРТ "выражение лица (счастливый, нейтральный, грустно)" или "написанное слово (счастливый, нейтральный, грустно)", нажав на соответствующую кнопку как можно быстрее.
   3. Инструкция появится в течение 1 секунды, а затем фиксация крест, который участники зациклены на еще 1 сек. Фиксация крест сопровождается лицо стимулы представлены на 250 миллисекунд, а затем следует ответ изображений на 2 секунды. Ответ изображение используется, чтобы предоставить участникам время представить свои ответы, нажав на соответствующую кнопку. Следующий визуальное представление фиксации креста начинается после окончания этого ответа изображения. Каждый участник повторяет экспериментальной проверки в одной из двух групп инструкций (например, выражение лица или письменное слово). Все стимулы были созданы и представлены с использованием презентации 12.1 ( www.neurobs.com ).

3. Сканер и настройки отслеживания глаз

1. Для бЭгин создана эксперимента начать проектирование компьютера стимул как сфокусированное изображение на экране в МРТ с цифровым проектором.
2. Участникам предлагается встать со стула их в контрольной комнате и идите в комнату со сканером. Беруши и / или наушники предоставляются субъектам и поместить их в уши каналов.
   1. Предметом лежит спине с головой положение в центре головы катушку. Мы стабилизировать тело участника и положение головы с подушки или пены вставки, чтобы сделать их как можно более комфортабельным, но и помощник в ограничении их движения головы, так как движения головы при сканировании причины потери данных. Особенно, если глава движения больше чем на 1 мм в любом направлении.
   2. Авто / разместить headcoil над головой участника и их наклонять голову максимально удобно, глядя прямо, чтобы посмотреть в зеркало, которое отражает экран проектора. Глаза должны быть как можно ближе к основной позиции рossible ⁸ в целях поддержания комфорта участника на сканирование сессии, которая может длиться до двух часов.
3. Спросите у участников как в центре проецируемого изображения, когда они находятся в сканер. Если это не резкий, отрегулируйте линзы, чтобы улучшить изображение на экране.
4. Eyetracker сейчас тестируется при помощи калибровки для того, чтобы IRED камеру в нужном месте. Если отражение на роговице не является идеальным или работает неправильно, IRED источник должен быть отрегулирован, или зеркало, отражающее IRED источника вблизи головки участника должна быть перестроена / скорректированы. Если руководитель участника была скорректирована, спросите, если предметом более обивка / пены или подушки, необходимых для поддержания этой головы / положение тела. Во время сканирования монитора и запись участников горизонтальной и вертикальной позиции глаза с помощью инфракрасного слежения глаз (например, сенсомоторная инструменты, Needham / Бостон, Массачусетс) и соотносить их с поведенческой парадигмы белыйан анализа мозговой активности. ^5,7

4. Сканирование процедуры

1. Поместите сжатие экстренной связи мяч на живот участника в левой руке и джойстик / кнопка поле в правой руке. Поместите капсулы витамина Е с правой стороны возле головы. Это будет просматривать с помощью анатомических сканирования, которая сделает определенные ошибки не будет переворачивать изображение слева направо. Поднимите и сдвиньте кровать в центр МРТ.
2. Убедитесь, что все экспериментаторы оставить MRI комнаты и закрыть дверь на МРТ.
3. Связь с участником через интерком в контрольной комнате и убедитесь, что они готовы начать сканирование и максимально комфортным. Если нет, то корректировать по мере необходимости.
4. Напомним, что участник шумы в сканер будет громким, и это нормально.
   1. Первое сканирование собирает несколько изображений мозга вдоль сагиттальной области, чтобы иметь возможность локализовать / назначать точное илиientation срезов для полного анатомического и функционального данных. Участники говорят это сканирование займет несколько минут.
   2. Как только экспериментаторы просмотра результатов сканирования локализатор, зададим ряд анатомических кусочки, которые охватывают весь мозг. В нашем случае мы обычно осевого сканирования косых кусочков, которые охватывают весь мозг (170 256 кусочков). Скажите, что это участник сканирование займет около 6 до 10 минут в зависимости от установленного числа ломтиками. В некоторых случаях анатомического сканирования может быть сделано после функциональной проверки. Есть некоторые преимущества последнего, как правило, в долгих экспериментов субъекты будут испытывать усталость. Таким образом, анатомическое сканирование не требует внимания со стороны субъектов, чтобы они могли закрыть глаза. Было бы полезно, чтобы сделать эти сканы в конце визуализации сессии.
   3. После анатомических сканирование завершено участник напомнил конкретные инструкции предстоящей проверке посредством общения через микрофон/ Акустической системы.
5. В этом примере псевдо связанных с событиями дизайн ^{2 используется} для определения области мозга активируются эмоциональные задачи Струпа но любой сенсорный, внутреннее восприятие ⁹ или двигатель стимул ¹⁰ может быть направлена ​​для использования в случае необходимости. После этого будут отсканированы, то мы будем учить предмет, что анти-саккады парадигмы будут проверяться дальше. В зависимости от выбранных параметров изображения проверка будет около 6 минут. Мы считаем, что сканирует дольше, чем это вызывает субъектов заснуть.
6. Общая сессия изображения занимает примерно от 60 до 120 минут, в зависимости от общего сканирование, необходимых для анализа.

5. Анализ МРТ

1. Анализ данных с помощью программного обеспечения BrainVoyager QX (или любой анализ пакета, такие как AFNI или РП).
2. Начните с наложения функциональных данных статистических карт на анатомические изображения мозга. Функционально определить области мозга интерес (ROЛи) с использованием общей линейной модели (GLM), с отдельными предсказателей (т.е. конгруэнтны и несравнимы, лицо инструкции и инструкции слово, анти-саккады, про-саккады) для каждого из условий задачи в течение двух типов сканирования ^2.
3. Изучить интенсивность сигнала во всех активированных лобных областях с GLM контрастов (т.е. все несравнимы против всех сравнимых с производства карты местности), вычислить стандартизированный BOLD сигнал для всех участников и сравнить несравнимые слово / выражение лица с конгруэнтно слово / сталкивается с выражениями для условий ^2.
4. Корреляция время реакции собранных на испытаниях, которые были использованы для GLMs, а затем соотнести деятельность мозга через каждый со своим временем реакции для конкретного испытания ^2, как на рисунке 4.

6. Представитель Результаты

После анализа мы покажем, области мозга, которые коррелируют с электроннойдвигательной Струпа и анти-саккады задачи записаны во время сканирования. Результаты от эмоционального парадигмы Струпа показал эффект взаимодействия между всеми тремя факторами выражение, обучения и головного мозга, но не было основной эффект слова и не основной эффект обучения ^2. Мы обнаружили, что, когда выражение лица было несравнимы с наложенными эмоциональные слова, это несоответствие производства сообщать письменное слово показали более высокие BOLD интенсивность сигнала в левом IFG ² (рис. 2). Чем больше интенсивность сигнала на несравнимы выражения по сравнению с конгруэнтными выражения были статистически значимыми, со счастливым конгруэнтно показывает большая разница ^2.

Самое главное в РТС за три несравнимых условиях испытания (грустный, счастливый и нейтральный) предсказал повышение BOLD сигнала в левом IFG по сравнению со всеми конгруэнтно условиях (рис. 3). Для этого анализис мы специально рассмотрели реакции и провели регрессионный анализ для проверки РТ на несравнимы и конгруэнтно условия прогнозировать деятельность BOLD сигнал в этой области мозга (рис. 3). Мы обнаружили, что РТ составляет 81% изменение в левом деятельности ИФГ при представлении слово выражения днем, нейтральный, и сад при несравнимых и конгруэнтно условиях ^2. Высшее РТ является предиктором большей активации левой IFG, с несравнимы плачевном состоянии приносит наибольший RT / интенсивности сигнала соотношение по сравнению со всеми другими условиями выражения. Мы проанализировали анти-саккады парадигмы, используя подобные методы, как указано выше, чтобы иметь возможность сравнить два сетей деятельности. В этом примере мы обнаружили, что не было повышенного сигнала в левом IFG для анти-саккады по сравнению с про-саккады задачи. Для более подробной информации, мы отсылаем читателей к Форда и соавт. (2007).

Рисунок 1. Пример несравнимы суда (лицо со счастливым выражением накладываются слова SAD). Эксперимент начнется с фиксацией точки (1 секунда), исходя от лица стимула (250 мс) и маскируется изображения (2 секунды), который требует кнопка ответа участника.

Рисунок 2. Все фиксации объема были использованы в качестве базовых. Ошибка означает, бары стандартная ошибка среднего (SEM). Неконгруентно выражения (Happy, нейтральный, Сад) показала значительно больший BOLD изменения сигнала по сравнению с конгруэнтными выражения ^2. Вставка изображений показывает левой нижней лобной извилины (IFG), который был локализован использованием функционально отличие описать в разделе 5.2 несравнимы эмоциональный Струпа по сравнению с конгруэнтно при условии участия в слове набор инструкций.

Рисунок 3. Во время «Участие в слово" обучение, несравнимы-конгруэнтные отличие показали положительную корреляцию между РТС и смелые интенсивность сигнала. Этот график представляет собой среднее значение всех 10 субъектов РТС и BOLD сигнал во время каждого из шести условий. Ошибка означает, бары стандартная ошибка среднего (SEM) ^2.

Рисунок 4. Два повторений каждого выражения были представлены к предметам. Верхний ряд представляет собой схематическое изображение суд последовательность из одного блока испытаний. Нижняя часть представляет собой изображение двух гамма-гемодинамические функции отклика (ЧСС), используемый для обнаружения областей мозга, участвующих в эмоциональных выражений лица.

Discussion

Определение области мозга зависит от создания точной контраст между задачами проверки (т.е. либо в Штруп, несравнимы по сравнению с конгруэнтно эмоции и выражение лица, или анти-саккады по сравнению с про-саккады) с целью получения карты активации, связанные с этой задачей. Эти функциональные карты могут быть более изысканным, когда поведение, собранные в сканер для удаления исследований, где предметом сделанные ошибки. Эти ошибки могут быть удалены, и если там было достаточно, количество ошибок, чем функциональные карты могут быть изготовлены из этих ^3,4,5,6. Самое главное, при изучении реакции времена Струпа задача несравнимы задач, которые имели более раз реакция также была выше BOLD сигналы в левой лобной коры (IFG). Если бы мы не собираем данные о поведении этого мы не смогли бы это новый взгляд на префронтальной коре ^2.

Этот метод позволяет для измерения формы активности в областях мозга, связанных с определенным бытьhaviors таких как правильное и ошибки испытаний ^{7 с помощью} мер нажатие кнопки ² или записи движения глаз. Проблема с помощью этих методов состоит в точной корреляции поведенческих данных, которые могут быть измерены в том порядке, в миллисекундах, с функциональными данными, полученными из кровотока (BOLD сигнала), которая имеет временное разрешение на 4-5 (рис. 4 ). Поэтому, чтобы смотреть на нейронной активности, связанный с определенным поведением, задержка связана с гемодинамики должны быть приняты во внимание. С быстро представил стимулов, рост BOLD сигнала происходит в течение нескольких презентаций лицо / слово стимулы пары. Для того, чтобы посмотреть на эффект сравнения (или конкретного выражения лица), мы должны преодолеть этот разрыв в временное разрешение на последовательно представляет два однотипных стимулов. Это показано на рисунке 4, где первые два стимула два несравнимых-счастливое лицо презентации лllowed два несравнимых нейтральных и два несравнимых печально. Таким образом, контраст, который основан на сравнении сравнению с несоответствие будет включать в себя 6.5s блока, достаточно долго, чтобы захватить гемодинамического ответа.

Кроме того, движение участников во время сканирования, создает искажения в магнитном поле, и это может привести к искусственной активации результаты или может сместить функциональной активации на неверное место анатомические. Чрезмерное движение предметов в то время как сканер можно увидеть, экспериментатор и предметы могут быть напомнил остаются до сих пор, насколько это возможно сканирование. Дальнейшая коррекция движения может быть выполнена posthoc в программном обеспечении, но движение больше чем на несколько миллиметров, обычно приводит к функциональной проверки они будут удалены. Здесь мы не нашли нажатие кнопки приводит к значительному смещению руки и голову, однако движение предметов в ходе проверки должны быть внимательно рассмотрены в любой парадигме requirinг даже небольшие движения.

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.