Samkjøre Behavioral Responses til fMRI Signaler fra Menneskelig prefrontal cortex: Undersøke kognitive prosesser Bruke Task Analysis

Summary

Målet med forskningen vår er å relatere atferd til hjernens aktivitet. Nøyaktig atferdsmessige tiltak og avbildningsteknikker tillate oss å belyse hjerne-atferd relasjoner.

Abstract

Målet med dette metoder papiret er å beskrive hvordan de skal iverksette en Bildediagnostiske teknikk for å undersøke komplementære hjerneprosesser engasjert av to lignende oppgaver. Deltakernes oppførsel under utføring av oppgaver i en fMRI skanner kan da være korrelert til hjernen aktiviteten ved hjelp av blod-oksygen-nivå-avhengige signal. Vi måler atferd for å kunne sortere riktige studier, der motivet utført oppgaven på riktig måte og da kunne undersøke hjernen signaler knyttet til rette ytelsen. Derimot, hvis fagene ikke utfører oppgaven på riktig måte, og disse studiene inngår i samme analyse med riktige prøvelser vi ville innføre forsøk som ikke var bare for riktig ytelse. Derfor, i mange tilfeller er disse feilene kan brukes selv til da korrelere hjerneaktiviteten til dem. Vi beskriver to komplementære oppgaver som brukes i vårt laboratorium for å undersøke hjernen under undertrykkelse av en automatisk respons: den Stroop ¹ og anti-saccade oppgaver. Detfølelsesmessig Stroop paradigme instruerer deltakerne enten rapportere lagt følelsesmessige "ordet" på tvers av de affektive ansikter eller ansikts 'uttrykk' i ansiktet stimuli ^1,2. Når ordet og ansiktsuttrykk viser til ulike følelser, må en konflikt mellom hva sies og hva som er automatisk lese oppstår. Deltakeren har for å løse konflikten mellom to samtidig konkurrerende prosesser av ord lesing og ansiktsuttrykk. Vår trang til å lese et ord fører til sterk »stimulus-respons (SR) 'assosiasjoner, derfor hemme disse sterke SR s er vanskelig og deltakerne er tilbøyelige til å gjøre feil. Overvinne denne konflikten og rette oppmerksomheten vekk fra ansiktet eller ordet krever underlagt hemme bottom up-prosesser som typisk retter oppmerksomheten mot mer fremtredende stimulus. Tilsvarende, i den anti-saccade ^3,4,5,6 oppgave, hvor en instruksjon cue brukes til å dirigere bare oppmerksomheten til en perifer stimulus sted, men da eye bevegelse er gjort til speilet motsatt posisjon. Nok en gang vi måle adferd ved å registrere de øyebevegelser av deltakere som tillater sortering av de atferdsmessige responser til riktige og feil prøvelser ⁷ som deretter kan bli korrelert til hjernens aktivitet. Bildediagnostiske nå tillater forskerne å måle forskjellige virkemåter for riktige og feil prøvelser som er anbefalt av ulike kognitive prosesser og finne de forskjellige nevrale nettverk involvert.

Protocol

1. Før du går inn på MR rom

1. Deltakerne fullføre et samtykkeskjema som forklarer alle de eksperimentelle risiko (f.eks pacemaker, klaustrofobi, metalliske implantater, sjansen for graviditet, etc), og fordelene ved sin deltakelse.
2. Alle deltakere må fylle ut MR sikkerhet og screening spørreskjema (kort sykehistorie, tidligere kirurgiske prosedyrer etc.) Deltakere med kontraindikasjoner må utelukkes.

2. Oppgave Oversikt og Opplæring

1. Gi opplæring på oppgaven ytelse på anti-saccade.
   1. Grønn fiksering indikerer en pro-saccade rettssaken. Be deltakerne om å se til målet vises i periferien av skjermen, på en visuell vinkel 8-10 °.
   2. Red fiksering indikerer en anti-saccade rettssaken. Be deltaker å se i speilet motsatte av målet vises i periferien av skjermen, på en visuell vinkel på 8-10 ° (f.eks riktige målet, se til the til venstre).
2. Gi opplæring i oppgave ytelse for den følelsesmessige Stroop utenfor skanneren.
   1. Inkluder 15 praksis forsøk med ulike kombinasjoner av ansikt-ord uttrykk på en datamaskin utenfor skanneren. Formålet med praksis er at deltakerne lærer oppgaven og hva som forventes av dem i å trykke på riktig knapp i MR skanner. Be deltakerne om hvilke knapper blir trykket for rapportering en lykkelig uttrykk / ord, nøytral uttrykk / ord og trist uttrykk / ord. Dessuten, når inne i skanneren, minne deltakerne om hvilke følelser hver knapp representerer.
   2. Beskrivende ord tyder uttrykkene (glad, nøytral, Sad) er lagt over bildene av individuelle ansikter. Disse ordene er enten sammenfallende eller incongruent med følelser avbildet i et ansikt i bildet (figur 1). Begynn hver skanning med en skriftlig instruksjon på skjermen minner deltakerne til enten report på "FACE uttrykket (glad, nøytral, trist)" eller "skrevne ord (glad, nøytral, trist)" ved å trykke på tilsvarende knapp så raskt som mulig.
   3. Undervisninga vises i 1 sekund, etterfulgt av en fiksering kors, som deltakerne fiksert på en annen 1 sek. Den fiksering korset etterfølges av ansiktet stimuli presentert for 250 millisekunder og deretter fulgt av responsen bildet i 2 sekunder. Responsen bildet brukes til å gi deltakerne tid til å rapportere sine svar ved å trykke på riktig knapp. Den neste visuell presentasjon av fiksering korset begynner etter utløpet av dette svaret bildet. Hver deltaker gjentar det eksperimentelle skanning i ett av de to instruksjon gruppene (dvs. ansikt uttrykk eller skrevne ord). Alle stimuli ble opprettet og presenteres ved hjelp av Presentation 12,1 ( www.neurobs.com ).

3. Scanner og Eye Tracking Setup

1. Til begin den satt opp av eksperimentet, start ved å projisere datamaskinen stimulans som et fokusert bilde på skjermen i MR med en digital projektor.
2. Deltakerne blir bedt om å komme opp fra sin stol i kontrollrommet og gå inn i skanneren rommet. Ørepropper og / eller hodet telefoner tilbys og fag plassere dem i ørene kanalene.
   1. Faget ligger på ryggen med hodet posisjon til midten av hodet spolen. Vi stabilisere deltaker kropp og hode posisjon med puter eller skumminnlegg å gjøre dem så komfortabelt som mulig, men også å aide i å begrense sine bevegelser av hodet siden hode bevegelse under skanning årsaker tap av data. Spesielt hvis hodet bevegelse er større enn 1 mm i alle retninger.
   2. Skyv / plasser headcoil over deltakerens hode og vippe dem har sitt hode så komfortabelt som mulig mens du ser rett frem å vise speil som reflekterer projektorens skjermen. Øynene skal være så nær primære posisjon som possible ⁸ for å opprettholde deltakerens komforten over skanning økten som kan vare opp til to timer.
3. Spør deltakeren hvordan fokuset på det projiserte bildet er når de er i skanneren. Hvis det ikke er skarp, etterjustere objektivet å forbedre bildet på skjermen.
4. Den eyetracker er nå testet ved hjelp av en kalibrering for å sikre at IRED kameraet er på riktig sted. Hvis refleksjon på hornhinnen er ikke ideelt eller fungerer, må IRED kilden justeres, eller speilet reflekterer IRED kilde nær deltakerens hode stilling må realigned / justeres. Hvis deltakerens hode ble justert, spør faget dersom mer padding / skum eller puter for å opprettholde denne hode / kropp posisjon. Under skanning overvåke og logge deltakernes horisontale og vertikale øye posisjoner ved hjelp av et infrarødt øye tracker (dvs. Sensomotoric Instruments, Needham / Boston, MA) og korrelerer disse med atferdsmessige paradigmet hvno analysere hjernens aktivitet. ^5,7

4. Scannere

1. Plasser nødtelefon klemme ball på deltakerens magen i sin venstre hånd og joystick / knappen boksen i høyre hånd. Plasser en vitamin E kapsel på høyre side nær hodet. Dette vil være synlig på de anatomiske skanner som gjør visst en feil, vil ikke snu bildene fra venstre til høyre. Løft og skyv seng til midten av MR.
2. Sikre alle forskere forlate MR rommet og lukk døra til MR.
3. Kommuniser med deltakeren gjennom intercom i kontrollrommet, og bekrefter at de er forberedt på å begynne skanning og er så behagelig som mulig. Hvis ikke, juster etter behov.
4. Minn deltakeren lydene i skanneren vil være høyt og dette er normalt.
   1. Den første skanningen samler noen hjerneceller bilder langs sagittal regionen for å kunne lokalisere / foreskrive den eksakte ellerientation av skivene for fulle anatomiske og funksjonelle data. Deltakerne blir fortalt denne skanningen vil ta noen minutter.
   2. Når forskere vise resultatene av localizer scan, foreskrive vi en serie anatomiske skiver som dekker hele hjernen. I våre tilfeller vanligvis skanner vi aksiale skrå skiver som omfatter hele hjernen (170 til 256 stykker). Fortell deltakeren denne skanningen vil ta ca 6-10 minutter avhengig av det foreskrevne antall skiver. I noen tilfeller anatomiske skanningen kan gjøres etter de funksjonelle skanninger. Det er noen fordeler av den sistnevnte, som regel i lange eksperimenter fag vil oppleve tretthet. Dermed må den anatomiske skanningen ingen oppmerksomhet av fagene slik at de kan lukke øynene. Det kan være nyttig å gjøre disse skanninger på slutten av bildebehandling økten.
   3. Når anatomiske skanninger fullføres deltakeren blir minnet på de spesifikke instruksjoner fra den kommende skanningen gjennom kommunikasjon via mikrofon/ Høyttalersystem.
5. I dette eksemplet er en pseudo event-related design ² brukes til å identifisere de områder av hjernen aktiveres av følelsesmessige Stroop oppgave, men noen sensorisk, intern oppfatning ⁹ eller motor stimulans ¹⁰ kan rettes til bruk ved behov. Etter disse er skannet så vi vil instruere emnet at anti-saccade paradigmet vil bli skannet neste. Avhengig imaging parametre valgt Scan vil være nær 6 minutter lang. Vi finner at søker lenger enn dette indusere fag for å sovne.
6. Den totale bildebehandling økten tar ca 60 til 120 av minutter, avhengig av den totale skanner som trengs for analysen.

5. fMRI Analyse

1. Analysere dataene ved hjelp BrainVoyager QX programvare (eller noen analyse pakke som AFNI eller SPM).
2. Begynn med superimposing funksjonelle data statistiske kartene inn på anatomiske hjernen bilder. Funksjonelt definere områder av hjernen av interesse (ROEr) med den generelle lineære modellen (GLM), med separate prediktorer (dvs. sammenfallende og incongruent, ansikt undervisning og ord instruksjon, anti-saccade, pro-saccade) for hvert av forholdene i oppgaven i løpet av de to typer søk ^2.
3. Undersøk signal intensitet i alle de aktiverte frontale regionene fra GLM kontrastene (dvs. all incongruent versus alle kongruente å produsere et kart over områder), beregne den standardiserte BOLD signalet over alle deltakerne og sammenligne incongruent ordet / ansikt uttrykk med sammenfallende ord / vender uttrykk for begge forhold ^2.
4. Correlate de reaksjonstid samlet på forsøkene som ble brukt for GLMs, så korrelerer hjernens aktivitet over hver enkelt med sine egne reaksjonstider for de spesifikke studiene ² som i figur 4.

6. Representative Resultater

Etter analysen viser vi hjerneområder som korrelerer med emotional Stroop og anti-saccade oppgaver registrert under skanning. Resultatene fra den emosjonelle Stroop paradigmet viste en interaksjonseffekt mellom alle tre faktorer i uttrykket, instruksjon, og hjernen regionen, men det var ingen viktigste effekten av uttrykk og ingen viktigste effekten av undervisning ^to. Vi fant at når uttrykket i ansiktet var incongruent til superimposed emosjonelle ord, dette incongruency produsert fra rapportering det skrevne ord viste høyere BOLD signal intensitet i venstre IFG ² (figur 2). Jo større signal intensitet på incongruent uttrykk i forhold til de kongruente uttrykkene var statistisk signifikant, med glade kongruent viser den største forskjellen ^2.

Viktigst RTS for de tre incongruent forholdene testet (trist, glad og nøytral) spådde en økt BOLD signal innenfor venstre IFG i forhold til alle de kongruente forhold (figur 3). For denne analysis vi undersøkte spesielt de reaksjonstider og gjennomført en regresjonsanalyse for å teste om RT for de incongruent og sammenfallende forholdene var prediktiv av Fet signal aktiviteten innenfor denne hjernen regionen (figur 3). Vi fant at RT står for 81% av variasjonen i venstre IFG aktivitet ved rapportering ordet uttrykk for Happy, Nøytral, og Sad under incongruent og sammenfallende forhold ^2. Høyere RT er forutsigbare for større venstre IFG aktivering, med incongruent triste tilstand som gir størst RT / signal intensitet forhold sammenlignet med alle andre uttrykk forhold. Vi analyserte anti-saccade paradigmer med lignende metoder som ovenfor for å kunne sammenligne de to nettverkene i aktivitet. I dette eksempelet fant vi at det var ingen økt signal i venstre IFG for anti-saccade sammenlignet med pro-saccade oppgave. For flere detaljer henviser vi leserne til Ford et al. (2007).

Figur 1. Et eksempel på en incongruent studie (ansikt med en lykkelig uttrykk lagt ved ordet SAD). Eksperimentet vil begynne med fiksering prikken (1 sekund), fortsetter med ansiktet stimulus (250 ms) og maskert bilde (2 sekunder) som krever deltakerens knappen respons.

Figur 2. Alle fiksering volumer ble brukt som grunnlinjen. Feilfelt betegne standardfeilen for gjennomsnittet (SEM). Incongruent uttrykk (glad, nøytral, Sad) viste signifikant større BOLD signal endring i forhold til kongruente uttrykk ^2. Det innfelte bildet viser igjen mindreverdig frontal gyrus (IFG) som ble funksjonelt lokalisert ved hjelp av kontrast beskrive i pkt. 5.2 for incongruent emosjonelle Stroop versus kongruent tilstand under ivareta ordet instruksjonssett.

Figur 3. Under "Ivareta Word" instruksjon, viste incongruent-kongruent kontrast en positiv korrelasjon mellom RTS og BOLD signal intensitet. Denne grafen er et gjennomsnitt av alle 10 fag 'RTS og BOLD signal i løpet av hver av de seks forholdene. Feilfelt betegne standardfeilen for gjennomsnittet (SEM) ^2.

Figur 4. To repetisjoner av hver uttrykk ble vist til fagene. Øverste raden er en skjematisk illustrasjon av en rettssak sekvens fra en blokk av prøvelser. Bunnseksjon er en skildring av to-Gamma hemodynamiske respons funksjon (HRF) som brukes til å oppdage områder av hjernen som er involvert i det emosjonelle ansikt uttrykk.

Discussion

Identifisere områder av hjernen er avhengig av å skape en nøyaktig kontrast mellom de oppgaver skannet (dvs. enten i Stroop, incongruent versus kongruent følelser og ansiktsuttrykk, eller anti-saccade versus pro-saccade) for å produsere et kart over aktivering relatert til oppgaven. Disse funksjonelle kartene kan være mer raffinert når atferd blir samlet inn i skanneren å fjerne studier der motivet er gjort feil. Disse feilene kan fjernes, og hvis det var nok antall feil enn funksjonelle kartene kan være laget av disse ^3,4,5,6. Viktigst, da undersøke reaksjonstider for de Stroop oppgave incongruent oppgaver som hadde lengre reaksjonstid hadde også høyere Fet signaler i venstre frontal cortex (IFG). Hvis vi ikke samle inn disse atferdsdata vi ikke ville ha denne nye innsikt i prefrontal cortex ^to.

Denne teknikken gir mulighet for måling av mønstre av aktivitet i hjernen områder knyttet til en bestemt værehaviors som riktige og feil forsøk ⁷ med tiltak av knappetrykk ² eller øyebevegelse opptak. Utfordringen med å bruke disse teknikkene ligger i nøyaktig korrelasjon av atferdsmessige data som kan måles i størrelsesorden millisekunder, med de funksjonelle data avledet fra blod-flow (BOLD signal) som har en temporal oppløsning på 4-5s (Figur 4 ). Derfor, for å se på nevral aktivitet knyttet til en bestemt atferd, må forsinkelsen forbundet med hemodynamikken tas hensyn til. Med raskt presentert stimuli, skjer økningen i BOLD signal i løpet av presentasjonen av flere ansikt / ordpar stimuli. For å se på effekten av kongruens (eller av en bestemt ansiktsuttrykk) må vi overvinne denne ulikheten i tidsmessige oppløsningen ved å sekvensielt presentere to av samme stimulus type. Dette er vist i figur 4, hvor de første to stimuli er to incongruent-glade ansikt presentasjoner FOllowed av to incongruent-nøytral og to-incongruent trist. Dermed vil en kontrast som er avhengig av å sammenligne kongruens med incongruence omfatte en 6.5s blokk, lenge nok til å fange den hemodynamiske respons.

I tillegg skaper bevegelse av deltakerne under skanning forvrengninger innenfor det magnetiske feltet, og dette kan produsere kunstig aktivering i resultatene eller kan fortrenge funksjonell aktivering på feil anatomisk lokalisering. Overdreven bevegelse av fag mens i skanneren kan ses av eksperimentator og fag kan bli minnet på å forbli så stille som mulig mellom skanninger. Ytterligere korreksjon for bevegelse kan utføres posthoc i programvare, men bevegelse er større enn noen få millimeter resulterer vanligvis i en funksjonell skanning de kastes. Her har vi ikke fant knappetrykk resulterte i en betydelig forskyvning av armen og hodet, men bevegelsen av fag i skanninger må gis en nøye vurdering for enhver paradigmet requiring selv små bevegelser.

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.