Korrelera beteendereaktioner på att fMRI Signaler från Human prefrontala cortex: Undersöka Kognitiva processer med hjälp av uppgiftsanalys

Summary

Målet med vår forskning är att korrelera beteende hjärnaktivitet. Noggranna beteendemässiga åtgärder och tekniker för att avbilda ger oss möjlighet att belysa hjärnan beteende relationer.

Abstract

Syftet med denna Methods papper är att beskriva hur man genomför en neuroimaging teknik för att undersöka kompletterande hjärnprocesser som anlitas av två liknande uppgifter. Deltagarnas beteende under uppgiften prestanda i en fMRI scanner kan sedan korreleras till hjärnaktivitet med hjälp av blod-syre-nivåberoende signal. Vi mäter beteendet att kunna sortera rätt rättegångar, där ämnet utförde uppgiften korrekt och sedan kunna undersöka hjärnans signaler relaterade till rätta prestanda. Omvänt, om ämnen som inte utför uppgiften på rätt sätt, och dessa studier ingår i samma analys med rätt försöken vi skulle inleda försöksverksamhet som inte bara var för korrekt resultat. Alltså i många fall kan dessa fel kan användas för sig själva för att sedan korrelera hjärnans aktivitet för dem. Vi beskriver två kompletterande uppgifter som används i vårt labb för att undersöka hjärnan under undertryckandet av ett system för automatisk svar: den Stroop ¹ och anti-saccade uppgifter. Denemotionell Stroop paradigm instruerar deltagarna att antingen rapportera överlagrade känslomässig "ord" över de affektiva ansikten eller ansiktsuttryck kallad konventionen uttrycken i ansiktet stimuli ^1,2. När ordet och ansiktsuttryck hänvisar till olika känslor, måste en konflikt mellan vad sägas och vad som automatiskt läsa inträffar. Deltagaren måste lösa konflikten mellan två samtidigt konkurrerande processer ord läsning och ansiktsuttryck. Vår lust att läsa ett ord leder till stark "stimulus-respons (SR)" föreningar, varför hämma dessa starka SR: s är svår och deltagarna är benägna att göra fel. Att övervinna denna konflikt och rikta uppmärksamheten bort från ansiktet eller ordet kräver att ämnet för att förhindra nedifrån och upp processer som vanligtvis riktar uppmärksamheten till de mer framträdande stimulans. Även i den anti-saccade ^3,4,5,6 uppgift, där en instruktion kö används för att rikta enbart uppmärksamheten på ett perifert stimulans plats men då EYe förflyttningen sker till spegeln motsatt position. Än en gång vi mäter beteende registrera ögonrörelser hos deltagarna som gör det möjligt för sortering av de beteendemässiga svaren på rätt och fel försök ^7, som sedan kan korreleras till hjärnans aktivitet. Neuroimaging nu möjligt för forskare att mäta olika beteenden rätt och fel studier som tyder på olika kognitiva processer och precisera de olika neurala nätverk som berörs.

Protocol

1. Innan de kommer till MR rummet

1. Deltagarna fylla i ett medgivande förklara alla de experimentella risker (t.ex. pacemaker och klaustrofobi, metalliska implantat, risk för graviditet, etc), och fördelarna med deras deltagande.
2. Alla deltagare måste fylla i MRI säkerhet och screening enkät (kort anamnes, tidigare kirurgiska ingrepp etc.) måste deltagarna med kontraindikationer uteslutas.

2. Uppgift Översikt och utbildning

1. Erbjuda utbildning på uppgiften prestanda på anti-saccade.
   1. Grönt fixering indikerar en pro-saccade rättegång. Instruera deltagarna att se till målet förekommer i periferin av skärmen, vid en visuell vinkel av 8-10 °.
   2. Red fixering indikerar en anti-saccade rättegång. Instruera deltagaren att se till spegeln motsatsen till målet visas i periferin av skärmen, vid en visuell vinkel på 8-10 ° (t.ex. för rätt målgrupp, se till the till vänster).
2. Erbjuda utbildning på uppgiften prestanda för den emotionella Stroop utanför skannern.
   1. Inkludera 15 praxis försök med olika kombinationer av ansikte ord uttryck på en dator utanför skannern. Syftet med praktiken är att deltagarna ska lära sig uppgiften och vad som förväntas av dem i trycka på lämplig knapp i magnetkamera. Instruera deltagarna om vilka knappar trycks för rapportering av en lycklig uttryck / ord, neutralt uttryck / ord och sorgset uttryck / ord. Dessutom, när insidan av scannern, påminner deltagarna som känslor varje knapp representerar.
   2. Beskrivande ord som anger uttryck (Glad, Neutral, Sad) överlagras över bilderna enskilda ansikten. Dessa ord är antingen kongruenta eller inkongruenta med känslor avbildas av ansiktet på bilden (Figur 1). Börja varje skanning med en skriftlig instruktion på skärmen påminna deltagarna att antingen report på "FACE uttryck (glad, neutral, ledsen)" eller "skrivna ordet (glad, neutral, ledsen)" genom att trycka på motsvarande knapp så snabbt som möjligt.
   3. Instruktionen visas i 1 sekund, följt av en fixering kors som deltagarna fixerad på i ytterligare 1 sek. Fixeringen korset följs av ansiktet stimuli presenteras för 250 millisekunder och sedan följt av svaret bilden i 2 sekunder. Svaret bilden används för att ge deltagarna tid att rapportera sina svar genom att trycka på lämplig knapp. Nästa visuell presentation av fixeringen korset börjar efter utgången av detta svar bilden. Varje deltagare upprepar den experimentella scan i en av de två instruktioner grupper (dvs. ansiktet uttryck eller skrivna ordet). Alla stimuli skapades och presenteras med hjälp Presentation 12,1 ( www.neurobs.com ).

3. Scanner och Eye Tracking Setup

1. Till begin inrättandet av experimentet, börja med att projicera datorn stimulans som en fokuserad bild på skärmen i MRI med en digital projektor.
2. Deltagarna uppmanas att gå upp från sin stol i kontrollrummet och gå in i skannern rummet. Öronproppar och / eller telefoner huvud tillhandahålls och ämnen placera dem i deras öron kanaler.
   1. Ämnet ligger i ryggläge med huvudet position till mitten av huvudet spolen. Vi stabilisera deltagarens kropp och huvud läge med kuddar eller inlägg skum att göra dem så bekvämt som möjligt men också för att aide för att begränsa sin rörelse av huvudet, eftersom huvudet rörelse under skanning orsakar förlust av data. Speciellt om huvudet rörelse är större än 1 mm i någon riktning.
   2. Skjut / placera headcoil över deltagarens huvud och få dem luta huvudet så bekvämt som möjligt samtidigt som du tittar rakt fram för att visa spegeln som speglar projektorns skärm. Ögonen ska vara så nära första position som possible ⁸ för att upprätthålla deltagarnas komfort under skanning session som kan vara upp till två timmar.
3. Fråga deltagaren hur fokus på den projicerade bilden är när de är i skannern. Om det inte är skarp, och justera linsen för att förbättra bilden på skärmen.
4. Den eyetracker nu testas med hjälp av en kalibrering för att säkerställa att IRED kameran är på rätt plats. Om reflektion på hornhinnan inte är ideal eller fungerar, måste IRED källan justeras eller spegeln speglar IRED källan nära deltagarens huvud position måste omgrupperas / justeras. Om deltagaren huvud justerades, fråga i ämnet om mer stoppning / skum eller kuddar behövs för att upprätthålla denna head / body position. Under skanning övervaka och spela in deltagarnas horisontella och vertikala positioner ögon via en IR öga tracker (dvs. SensoMotoric Instruments, Needham / Boston, MA) och korrelera dessa med beteendevetenskaplig paradigm when analys av hjärnans aktivitet. ^5,7

4. Skanna Förfaranden

1. Placera den akuta bollkontakt squeeze på deltagarens mage i sin vänstra hand och joysticken / knappen rutan i höger hand. Placera en vitamin E kapsel på den högra sidan nära huvudet. Detta kommer att vara synlig på de anatomiska skannar som gör vissa fel kommer inte att vända bilderna från vänster till höger. Höj och skjut sängen i mitten av MRT.
2. Se till att alla experimentatorerna lämnar MRI rummet och stäng dörren till MRT.
3. Kommunicera med deltagaren genom snabbtelefonen i kontrollrummet och bekräfta att de är beredda att börja skanning och är lika bekväm som möjligt. Om inte, justera efter behov.
4. Påminn deltagaren att ljud i skannern kommer att vara högt och detta är normalt.
   1. Den första scan samlar några hjärnan bilder längs sagittala regionen för att kunna lokalisera / föreskriva exakt ellerientation av skivorna för de fullständiga anatomiska och funktionella uppgifter. Deltagarna får veta den här analysen kommer att ta några minuter.
   2. När experimentatorerna visa resultatet av localizer scan, föreskriva vi en rad anatomiska skivor som täcker hela hjärnan. I våra fall har vi skannar normalt axiella sneda skivor som omfattar hela hjärnan (170 till 256 skivor). Tala om för deltagare som den här analysen kommer att ta omkring 6 till 10 minuter beroende på föreskrivet antal skivor. I vissa fall anatomiska skanningen kan göras efter de funktionella genomsökningar. Det finns vissa fördelar med den senare, vanligtvis i långa försök ämnen kommer att uppleva trötthet. Därför måste den anatomiska scan ingen uppmärksamhet från de ämnen så att de kan stänga sina ögon. Det kan vara lämpligt att utföra dessa avsökningar vid slutet av det bildgivande sessionen.
   3. När anatomiska genomsökningar avslutat deltagare påmind om specifika instruktioner från den kommande scan genom kommunikation via mikrofonen/ Högtalarsystem.
5. I detta exempel är en pseudo händelserelaterad konstruktion ² som används för att identifiera de hjärnregioner som aktiveras av det emotionella Stroop uppgift men någon sensorisk, inre uppfattningen ⁹ eller motor stimulus ¹⁰ kan riktas för användning när det behövs. Efter dessa skannas då kommer vi att instruera ämne som anti-saccade paradigm kommer att skannas härnäst. Beroende på de valda imaging parametrarna sökningen kommer att ligga nära 6 minuter lång. Vi finner att skannar längre än så förmå personer att somna.
6. Den totala bildbehandlingssessionen tar ungefär 60 till 120 minuter, beroende på de totala avsökningar som krävs för analys.

5. fMRI Analys

1. Analysera data med hjälp av BrainVoyager QX programvara (eller någon analys paket som AFNI eller SPM).
2. Börja med att överlagra funktionella data statistiska kartor på anatomiska hjärnan bilder. Funktionellt definiera hjärnan områden av intresse (ROÄr) användning av den allmänna linjära modellen (GLM), med separata prediktorer (dvs. kongruenta och inkongruenta, ansikte undervisning och ordet undervisning, anti-saccade, pro-saccade) för vart och ett av villkoren i uppgift under de två typerna av sökningar ^2.
3. Undersök signalintensiteten i alla aktiverade främre regioner från de GLM kontrasterna (dvs. alla inkongruenta mot alla kongruent för att producera en karta över områden), beräkna standardiserade BOLD signal över alla deltagare och jämföra inkongruenta ordet / ansiktsskydd uttryck med kongruenta ordet / möter uttryck för båda villkor ^2.
4. Korrelera reaktionstider samlats in om de prövningar som användes för GLMs, sedan korrelera hjärnans aktivitet över varje individ med sina egna reaktionstider för de särskilda prövningar ² som i figur 4.

6. Representativa resultat

Efter analysen visar vi delar av hjärnan som korrelerar med emotional Stroop och anti-saccade uppgifter som registrerats under skanning. Resultaten från den känslomässiga Stroop paradigm visade en interaktionseffekt mellan alla tre faktorerna uttryck, undervisning och hjärna region men det fanns ingen huvudeffekt av uttryck och ingen huvudsakliga effekten av undervisningen ^2. Vi fann att när uttrycket i ansiktet var inkongruenta till överlagrade känslomässiga ordet, visade denna incongruency produceras från att anmäla skrivna ordet högre BOLD signalintensitet i vänster IFG ² (figur 2). Den större signalstyrka på inkongruenta uttryck jämfört med de kongruenta uttrycken var statistiskt signifikant, med glad kongruent visar den största skillnaden ^2.

Viktigast RTS för de tre testade inkongruenta förhållande (ledsen, glad och neutral) förutspådde en ökad BOLD signal inom vänster IFG jämfört med alla kongruenta förhållande (Figur 3). För detta analys undersökte vi specifikt reaktionstider och genomfört en regressionsanalys för att testa om RT för inkongruenta och kongruent förhållandena var prediktiva för den djärve signalen verksamheten inom detta hjärnan region (Figur 3). Vi fann att RT står för 81% av variationen i vänster IFG aktivitet när rapporterar ordet uttryck för glad, neutral och Sad under inkongruenta och kongruent villkor ^2. Högre RT är prediktiva för större vänstra IFG aktivering, med inkongruenta sorgliga tillståndet ger den största RT / signalintensitet förhållandet jämfört med alla andra uttryck förhållanden. Vi analyserade anti-saccade paradigm som använder liknande metoder som ovan för att kunna jämföra de två nätverken av verksamhet. I det här exemplet, fann vi att det inte förelåg någon ökad signal i vänster IFG för anti-saccade jämfört med pro-saccade uppgift. För mer information hänvisar vi läsarna till Ford et al. (2007).

Figur 1. Ett exempel på en inkongruenta studien (ansikte med en glad uttryck överlagrad av ordet SAD). Experimentet börjar med upptagningen dot (1 sekund), fortsätter med ansiktet stimulus (250 ms) och maskerade bilden (2 sekunder) som kräver deltagarens knappen svar.

Figur 2. Alla fixering volymer användes som baslinjen. Felstaplar betecknar standardavvikelsen för medelvärdet (SEM). Inkongruenta uttryck (Happy, Neutral, Sad) visade betydligt större BOLD signal förändring jämfört med kongruenta uttryck ^2. Den infällda bilden visar till vänster underlägsna frontal gyrus (IFG) som funktionellt lokaliserades med hjälp av kontrasten beskriver i avsnitt 5,2 för inkongruenta känslomässiga Stroop kontra kongruenta tillståndet under sköta ordet instruktionsuppsättning.

Figur 3. Under "Delta till Word" instruktion visade inkongruenta-kongruenta kontrasten en positiv korrelation mellan RTS och BOLD signalstyrka. Denna graf är ett genomsnitt av alla 10 försökspersonernas RT och FET-signal under var och en av de sex villkor. Felstaplar betecknar standardavvikelsen för medelvärdet (SEM) ^2.

Figur 4. Två repetitioner av varje uttryck visades de ämnesområden. Övre raden är en schematisk illustration av en studie sekvens från ett block av försöken. Underdel är en skildring av två Gamma hemodynamiska svaret funktion (HRF) som används för att upptäcka hjärnan regioner som deltar i den känslomässiga ansikte uttryck.

Discussion

Identifiera hjärnan bygger på att skapa en korrekt kontrast mellan de uppgifter skannade (dvs antingen i Stroop, inkongruenta kontra kongruent känslor och ansiktsuttryck, eller anti-saccade kontra pro-saccade) för att producera en karta över aktivering i samband med uppgiften. Dessa funktionella kartor kan vara mer raffinerad då beteendet samlas i scannern för att ta bort prövningar där motivet gjort fel. Dessa fel kan tas bort och om det fanns tillräckligt antal fel än funktionella kartor kan göras av dessa ^3,4,5,6. Viktigast när de undersöker reaktionstider för inkongruenta Stroop uppgift uppgifter som hade längre reaktionstider också haft högre BOLD signaler i vänstra frontala cortex (IFG). Om vi inte samla in dessa beteendedata skulle vi inte ha denna nya insikt i prefrontala cortex ^2.

Denna teknik möjliggör mätning av mönster av aktivitet i hjärnan områden i samband med en viss varahaviors som rätt och fel prövningar ⁷ med hjälp av mått på knapptryckningar ² eller ögon inspelningar rörelser. Utmaningen att använda dessa tekniker ligger inom noggrann korrelation av de beteendedata som kan mätas i storleksordningen millisekunder, med de funktionella data som härrör från blod-flöde (FET-signal) som har en temporal upplösning av 4-5s (figur 4 ). Därför att titta på neural aktivitet associerad med ett visst beteende, måste fördröjningen i samband med hemodynamiken beaktas. Med de snabba presenterade stimuli sker ökningen i fet stil signalen under loppet av presentationen av flera ansikte / ord par stimuli. För att titta på effekten av kongruensen (eller av en särskild ansiktsuttryck) måste vi övervinna denna skillnad i tidsmässig genom att sekventiellt presentera två av samma stimulus typ. Detta visas i Figur 4, där de första två stimuli är två inkongruenta-happy ansikte presentationer followed av två inkongruenta-neutral och två inkongruenta ledsen. Således kommer en kontrast som bygger på en jämförelse kongruens med inkongruens omfatta en 6.5s block, tillräckligt länge för att fånga hemodynamiska svaret.

Dessutom skapar rörelse hos deltagarna under avsökning störningar i magnetfältet och detta kan alstra artificiellt aktivering i resultaten eller kan tränga funktionell aktivering på felaktig anatomisk position. Överdriven rörelse av individer medan i skannern kan ses av försöksledaren och ämnen kan bli påmind att vara så stilla som möjligt mellan skanningar. Ytterligare korrigering för rörelse kan utföras posthoc i mjukvara, dock rörelse större än några millimeter vanligtvis resulterar i en funktionell scan kasseras. Här har vi inte hittar knapptryckningar resulterade i en signifikant förskjutning av armen och huvudet, men rörelsen av ämnen under skanningar måste ges noggranna överväganden för varje paradigm requiring till och med små rörelser.

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.