Behavior

传输认知任务的脑成像方法：对任务的设计和结果判读的功能磁共振成像研究

Published: September 22, 2014 doi: 10.3791/51793

Tracy Warbrick¹, Martina Reske², N. Jon Shah¹

¹Medical Imaging Physics (INM-4), Institute of Neuroscience and Medicine, Research Centre Jülich GmbH, ²Computational and Systems Neuroscience (INM-6), Institute of Neuroscience and Medicine, Research Centre Jülich GmbH

Introduction

随着认知神经科学的方法培养，建立了实验任务用于新兴的脑成像方式。这是一个合乎逻辑的发展，因为大多数的神经心理学的概念（比如，不同的内存子组件）已经在行为领域，用于探测特定功能的相应实验任务，考察了开发和测试。随着新技术的出现证明了这些行为观察的神经基础是寻求与新的脑成像方法。虽然它可能是很有诱惑力的简单地划上充分研究行为的任务，影像学检查，几个重要的注意事项都必须考虑到。一个关键的，虽然经常被忽视的，考虑的是使用最合适的成像技术的进一步探查行为的证据。在认知神经科学和心理学方面有许多可用于增强我们的神经ACTIV了解脑成像方法潜在性利益的概念;例如脑电图（EEG），脑磁图（MEG），经颅磁刺激（TMS），功能性磁共振成像（fMRI）技术和正电子发射断层扫描（PET）。所有这些方法都有各自的优点，缺点和相应的应用程序。在这里，与转让行为和脑电图实验悠久的历史范式到功能磁共振成像实验被认为是。脑电图已经使用了几十年，调查与感知和认知过程有关的神经反应。正因为如此，许多范例已开发了利用该方法的使用和随着时间而演变。功能性磁共振成像是，在认知神经科学最近出现的技术，这导致了脑电图研究开发了一些范式的fMRI被使用。要建立从脑电实验基础知识与新技术是一个合乎逻辑的步骤，但仍然一些重要的点可能在转会忽视。该技术的重新非常不同和任务需要相应地设计。这需要怎样的方法的工作原理，特别是知识的范例的潜力调制如何用来将影响而采取的措施。有关的磁共振成像实验设计的进一步信息，有兴趣的读者可以直接下面的链接http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency 。任务的设计将在传输的脑电图研究功能磁共振成像环境中开发范式的背景下考虑。本文的目的是：i）简要描述了功能磁共振成像，当它的使用是恰当的认知神经科学; II）来说明任务的设计是如何影响的功能磁共振成像实验中，特别是当该任务从其他成像方式借来的结果;及iii）解释执行功能磁共振成像实验中的实际问题。

功能性磁共振成像是现在广泛使用的技术部历史神游，因此在认知神经科学中使用的常用方法。为了做出决定，以该技术是否是适合于特定实验的fMRI的优点和缺点，必须在相对于其它可用的技术来考虑。该方法的缺点是，它不直接测量神经活动的，而它是在代谢反应（氧需求）的神经活动的一个相关卷积的血液动力学反应。因此，其时间分辨率较差相比，电生理，例如，在所测量的电信号更靠近底层的神经活动，而非代谢反应。脑电图在毫秒相比，在功能磁共振成像秒级的分辨率量级的时间分辨率。然而，功能磁共振成像的主要优点是该技术的空间分辨率是非常好的。此外，它是无创的，因此受试者不必摄取诸如共物质ntrast剂或暴露于辐射如将在正电子发射断层扫描（PET）的情况。因此，功能性磁振造影是一种合适的技术进行实验研究的脑区参与感知，认知和行为。

在本文中，视觉古怪的范式被作为一个完善的脑电图任务的功能性磁振造影（ 见图1说明）转移的例子。应当指出的问题的讨论，当其他范例中使用也可以影响结果和数据解释，并应在技术上所有功能磁共振成像实验的设计考虑。在古怪的范式常用于心理学和认知神经科学评估的关注和目标探测性能。该模式是在脑电图的研究开发，特别是事件相关电位（ERPs），调查所谓的P300成分^1。 P300的代表目标探测和识别后，是引起一个罕见的靶刺激^1。 P300的用于研究在多个认知和临床领域² 如精神分裂症患者及其亲属^3，重度吸烟者⁴及人口老龄化^5。鉴于古怪的范式（和由范例诱发的P300）是健壮的，并且还调制由不同的疾病状态，其在不同的成像方式转移是不可避免的。

的广泛激活一个古怪的fMRI测量期间出现在大脑是已知的多重认知功能的结果，如由许多fMRI研究探查其它认知概念。在激活模式的这种普遍的性质使得难以确定哪个脑区是更多（或更少）活性是由于特定任务操作或一组不同的试验者的爱好，具体地说，它是不能肯定是否在的ACTi观察到的差异VATION都与目标检测本身，以关注相关的处理，或是否涉及到其他的任务要求，例如生产相关的马达响应的持续工作记忆过程或过程。分配功能，以所测量的活性的方法，是在关注（目标检测）的认知成分测定中的古怪的任务（P300）明确脑响应脑电图域容易。然而，神经科学家倾向于解释他们的发现有利于自己的假说和实验，而不是把在努力排除其他解释。大多数实验，但是，将无法固有解决这些重要的问题 - 扫描时间是昂贵的 - 这就是为什么我们主张全面规划和范式的试验测试。

除了这种困难在建立古怪范例的性质也大脑区域和认知成分之间的直接链接，当被转移到功能性磁振造影提出其他可能的方法问题。例如，目标刺激的检测通过按下一个按钮响应通常表示。这允许实验者记录响应的精度和速度，但这个反应也可能影响对fMRI的BOLD响应对目标的刺激。所需的刺激锁定功能磁共振成像激活按钮按下影响电机的动作因为它只有几百毫秒的目标刺激呈现后的情况。这也影响到了激活的解释，对参与准备运动反应的例子大脑区域可能会错误地假定为参与了目标刺激的检测，反之亦然。这导致了方法的修订，从而目标检测的间接措施，而不是依靠运动反应，也不能拍摄。例如，计算目标刺激已经提出⁶的一种方式，以确保受试者保持attenti上的任务;试验次数错过可以表明一个主题是如何不留神了。报告刺激在任务结束时计数的数目也意味着实验者可以检查是否对象正确执行的任务。第三种方法是使用一个完全被动的任务设计，其中的主题是就如何应对没有说明和目标刺激的新颖之处在于假定本身引出一个目标检测样反应。尽管这些版本使用相同类型的刺激和基本设计的任务，在任务的每个变体产生的激活模式将是不同的，因为任务的认知和运动的要求是不同的^7,8。例如，将有工作涉及计数靶刺激，例如 ，拿在心里的目标刺激目前有多少记忆过程，不会在被动的观看需要。在这里，这3个版本的古怪任务的， 被动的，算一个第二响应用于显示如何小心任务的设计和实现可以说明这些变化中的任务要求，并允许结果的适当解释。

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Protocol

备注：本研究方案经当地人类受试者审查委员会在亚琛工业大学进行了符合赫尔辛基宣言。

1，任务设计

选择一个合适的任务，探讨感兴趣的认知/心理结构。使用可视古怪的任务（ 图1）来测量目标的探测响应和关注的目标检测的影响。这使得任务操作对fMRI数据的影响进行调查。
使用三个版本的古怪任务。
1. 被动版本：让拍摄对象，观察视觉刺激。未检测到任何回应。
2. 默数版本：让拍摄对象计数靶刺激。此任务需要将注意力集中对这些刺激和鉴别的过程。
3. 回应版本：让拍摄对象时看到TA按下一个按钮响应rget刺激。此任务需要注意，歧视流程，并选择/生产的响应为目标的刺激。
考虑所需的强有力的反应试验的适当数量。该信号在fMRI的测量噪声比是比较低的，并且需要在为了研究兴趣⁹的影响被平均的一些反应。这取决于所使用的任务和刺激模式。 200次试验中使用这项任务，其中40项为目标的试验足以引发强有力的反应。
确定的定时对刺激的序列。刺激的时机是在功能磁共振成像研究审议呈现率¹⁰至关重要。考虑刺激发病和所测量的脑反应（ 图2）之间的血液动力学响应延迟。
1. 维护提供足够的刺激之间的平衡在一段合理的时间，让血液动力学水库有足够的采样ponse每个刺激物，包括返回到基线。下载，安装和运行optseq软件。运行optseq最优地分布于多个基于试验中，刺激持续时间和扫描参数（重复时间和卷数）的数量的实验的试验。
实施刺激（预先确定的）在一个合适的程序的顺序呈现的范例给受试者。
1. 指定相关的刺激，定时和响应类型方面的范例的所有信息。
  注：编程细节，这里就不介绍了，因为每个模式都会有不同的要求，将不同的软件包。
建立该程序，将提供实验范例，这样它会开始从扫描仪的触发。这使得所获得的数据和刺激的呈现序列的同步。

2，设置实验环境

公关epare扫描仪的房间。的正确磁头线圈的底部部分连接到扫描仪床。放在扫描器床和垫子清洁保护盖。
使用的显示装置呈现的实验范例给受试者，并记录使用的手持设备的响应。切换显示装置和“上”的手持设备。
开始，将提供的实验范式，并提供日志文件名称的软件。日志文件包含有关由被摄体作出响应的刺激的定时和信息。利用这些信息进行分析的数据。
注册在MR扫描仪的数据库对象。采用了独特的识别号码记录数据。不要存放对象的名称与数据，以保证私密性。
确保MRI序列来运行设置和准备。使用以下序列：a定位扫描，以获得受试者的线圈，一个EPI序列阜内头部位置nctional成像和MPRAGE的高分辨率结构扫描。

3，除交通与入口中扫描器

筛选前的实验（例如，招募过程期间）的MRI禁忌的主题。
1. 扫描前主席提供安全指示。执行对象的筛选（由经过培训的人员）。确保受试者的安全。确保他们在自己的身体没有金属，没有设备，如心脏起搏器，不符合任何其他排除标准。
当受测者到达检查筛选问卷，并继续之前确认其相容性。
解释了实验过程的主体和提供机会提问。让拍摄对象签署同意和数据保护形式。
如果实验是需要训练的复杂任务，建议的主题进行练习练习之前，克卷板机在扫描仪。
确保主体是金属的，无任何硬币，皮带，手表和珠宝。一旦确认，让扫描仪中的房间的主题。
让拍摄对象坐在扫描仪床上戴着耳塞。这里所用的耳塞提供保护，防止从扫描期间扫描仪的噪声，也允许研究者直接与从控制室主体进行通信。在一些设备的耳机被用于与课题交流。
让拍摄对象躺在扫描仪床上。提供主题的坐垫下的膝盖去减轻背部疼痛。该课题的舒适性是他们的福祉和数据质量的重要。移动距离导致的不适会对引起的不适感会影响任务的性能的摄像数据和分心产生负面影响。
将头线圈的顶部覆盖主体的头部和插上插头。定位主题217的头部适当地在头部线圈。对准头部线圈沿受试者的眉毛上的小标志。确保拍摄对象直接躺在舒适。盘管表面不应接触面（例如，按在鼻子上）。
确保拍摄对象的头部有小软垫，在扫描过程中尽量减少头部运动。头部运动对数据的质量产生负面影响。
放置在头部线圈的顶部上的反射镜为主体看后面显示在屏幕上的实验范式。确保受试者可以看到整个画面。根据拍摄对象的位置移动安装镜子。戴眼镜者必须穿先生兼容眼镜。大多数的MRI研究机构有兼容镜头或护目镜。在这种情况下，安装了保持镜的框架上MR兼容的镜头。确定合适的镜片强度的主题进入扫描室前。
手头的主题紧急呼叫按钮to如果需要停止扫描。确保受知道哪里的按钮，他们可以很容易地达到目标。
移动受到扫描仪的中心孔的入口。让拍摄对象在此过程中闭上双眼。对准光与头部线圈上的小的标记，以建立正确的位置。
将主体插入扫描仪的孔，直到屏幕显示“0毫米”。这意味着，被检体的头部是在扫描仪的等角点。
的议题的反应设备。

4，实验方法

检查主体可以通过对讲机与该主题是舒适，可以开始听到实验者。
执行定位扫描，从而获得目标的头在扫描仪的位置。使用此定位的视图中的所有剩余的测量的领域中，以确定被测量的脑的部分。
第一Perform高分辨率结构扫描。打开MPRAGE顺序/程序和放置的视野。确保在整个受验者的头部是在视野内。 MP-RAGE参数：TR / TE = 2,250 / 3.03毫秒，翻转角= 11°，176矢状切片，FOV 256×256毫米，64×64的矩阵，像素大小为1×1×1毫米）。
让受试者知道，扫描开始，然后开始测量。
进行功能性磁共振成像扫描。
1. 打开扫描仪的计算机上的EPI序列和对齐的视场，以覆盖整个大脑。 EPI参数：33切片，切片厚度为3毫米，视场200 x 200毫米，64×64的矩阵，重复时间2000毫秒，回波时间30毫秒，翻转角79°。
2. 跑单量的测试测量。确保被检者的脑的整体（或尽可能）包含在视野内。
  注：学科有不同的形状和头（和大脑）的大小。因此，最佳定位领域查看每个题目。
3. 复制功能磁共振成像序列，这样的观点被定位的领域保持不变，为下一次测量。输入所需的测量中，304在此情况下的卷数。
4. 请确保该软件呈现范式正在等待来自扫描仪的触发。该范例将不会启动，而不脱离扫描器的触发，因此它可以被加载，并设置为等待。
5. 告知该实验即将开始的主题。开始测量。
6. 检查该软件呈现范例开始在适当的时间（即，它是由扫描仪触发）。
7. 执行三个版本的古怪的任务。被动，计数，并作出回应 。
8. 说话之间运行，以提供保证的问题。确保其舒适性。问这个问题允许继续进行研究。指示即将到来的任务的主题。
9. 首先运行被动 çondition，以确保真正的被动观看没有知识的目标刺激确实靶刺激。平衡计的秩序和应对跨学科的条件，以防止负面效应。

5，结束实验

告知该实验结束后进入扫描仪的房间的主题。
滑动受了扫描仪。
除去头线圈和靠垫。
让拍摄对象慢慢地坐起来。一旦他们很舒服，这个问题可以站起来，离开了扫描仪的房间。
管理任何问卷/文书工作，需要实验后完成
汇报对象：提供有关这项研究的目标和目的解释这个问题，如果这不是完全有可能在实验前，并提供机会提问

6，数据分析

使用一个软件包，适用于analyzi吴fMRI数据。对每一主题，并分别各条件第一级的数据分析。
注：使用FMRIB软件库（FSL）的功能磁共振数据分析。
适用标准预处理步骤来准备数据进行进一步的分析。
注：应用以下步骤：运动校正，片定时校正，结构和功能数据，空间平滑，高通时间滤波器的配准，正常化个体的成标准（例如，N1）的空间。查找的功能磁共振成像这些步骤总结教材胡特尔等人（2008年^）9 Jezzard 等人 ^{（2001）11。}在网站上，并为每个软件包的支持文件中是如何执行的预处理步骤，具体的信息。
用于统计分析指定的所有事件的起效时间和持续时间。这些被称为解释性变量（电动车），或者回归量。
成立了对比，以确定该电动车辆进行了比较。要确定具体的检测设置以下的对比目标刺激的BOLD激活：目标>非目标刺激。
注：可以选择使用其他的对比：对基准目标刺激;非目标刺激对基线;目标刺激>非目标刺激;非目标刺激>目标刺激
对每一学科并单独每个条件的第一级进行统计分析。该分析的输出结果显示活性的大脑区域的每个的相应的对比度。
比较使用的是第二个层次的三个条件，还是集团层面，分析。使用第一层次的分析的输出作为其输入为群组层级的分析。
注：在原来的纸⁷上的目标状态之间的差异>频繁的对比使用三倍双组差设计包括以下对比：回应>被动，计数>被动的，回应>计数。这些对比揭示了在跨越三个响应模式的认知过程的变异有关的脑活动。

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Representative Results

刺激与分析方法引起与视觉古怪的任务相关的脑区BOLD激活。目标>非目标对比度显示没有激活的被动状态，但确实表明活化在两个计数和响应（ 图3）。在图3中给出的数据是计数的定性比较和应对情况，并说明了如何激活模式会看，如果孤立地进行每一个版本的任务。

主要感兴趣的比较是那些条件之间。所以，在这种大脑区域确实当任务需求改变目标检测与活化不同？图4示出了有条件之间的差异。在对比的计数之间的差的质量评估和响应条件如上所述，使用于整个大脑数据的t检验该比较完成时，舒克，其中激活条件之间显著不同的地区。

从大胆的激活次数的最初的研究⁷显示不同的数据，并作出回应的视觉古怪的版本。当然，如果没有数据，从二者的比较条件的激活将被归因于“目标检测”在这两个条件。然而，活化中观察到响应，但不计条件期间的额中回（MFG）。该MFG激活未在计数状态中观察到的事实表明，它与电机制备和/或运动反应的响应条件，而不是纯粹的目标检测处理的按钮按压相关联。在不存在用于比较计数的任务很可能这个MFG活化将已被归因于与该任务，而不是动作的执行有关的认知过程。同样地，激活在补充电机或面积（SMA）中的计数条件，以及响应状态中观察到。没有响应的计数条件制成，所以这是不可能的SMA活化涉及电机制备，这表明平均起着如注意刺激，检测目标刺激，决定在任务中的其他方面的作用是否作出回应，如果这样的回应之作。它是可能的SMA激活将被解释为涉及电机制备是否有任务只有响应的版本，也就是说，在SMA中其它任务相关的过程中的作用将被忽略。这解释fMRI数据时，重点介绍了一些潜在的隐患。尽管这里使用的是相对简单的任务，它涉及到许多感知和认知的过程。它可以是难以区分这些认知过程及其潜在的神经基质。这项研究的设计，让内扫描评估ØF表示目标检测对比度后跟之间的条件下扫描的比较是一个坚固的设计，但它是不能够区分在SMA中的可能作用进一步比建立，它有助于比电机过程等过程。这突出表明，需要仔细的实验设计和分析功能磁共振成像研究。

图1中古怪范例涉及观看一系列的刺激（在本例中的圆），其中80％的是一种类型的，'频繁'，并且20％是一种不同类型的“目标”的。目标刺激引起的靶由于这种类型的刺激的次数并不频繁检测响应。在本文中，3个版本的任务被执行。第一种是被动涉及被动观看的刺激（没有Response制造）。第二个是计数，这涉及到计算目标刺激的数量和总的实验结束报告。三是回应，这涉及到每个显示的目标刺激时按下按钮。

图2。血流动力学反应是血液neurally积极组织中传递。在大脑中的血流动力学反应缓慢上升（相较于神经活动）和高峰的刺激后约5秒。的响应，那么需要的秒数（15-20）回到基线。该图显示了典型的血流动力学响应函数;这是在回应一个单一的，短期的“零时间”刺激一个假设性的信号，该信号返回到基线只有当刺激不再存在。

图3 BOLD活化为目标>频繁的对比度为计数和响应条件（第二级混合效应火焰。N = 16，群集校正的阈值Z = 2.3，p值= 0.05）。这个数字和标题已经修改，从Warbrick 等人，2013 ^7。

图4该图的左侧部分示出的BOLD激活对被动状态的计数状态。该图的右侧部分示出了对被动状态的响应状态。所有数据表示目标>频繁较低水平的对比。 A部分突出在辅助运动区（SMA）的激活。 B部分显示额中回（MFG）活化只响应状态。（第二级混合效应的火焰。N = 16，集群校正阈值Z = 2.3，P = 0.05），这一数字和标题已经修改，从Warbrick 等人，2013年^7。

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Discussion

我们发现，操纵任务要求在不同的BOLD激活模式的视觉古怪的任务结果的数量和条件作出响应 。有些牵连的每个条件的地区会被不恰当地分配的职能作用已经从任务没有可供比较的三个版本的数据。这种含糊不清的解释数据不一定会一直在脑电图P300场里的任务有它的起源，传输实验范式从一个成像模态到另一个时，强调需要特殊考虑的情况。例如，许多认知过程（例如注意力和工作记忆）向P300成分的产生，但这些都用一个电标识来表示，与此相反的广泛激活看出，在fMRI BOLD反应。此外，P300不被以相同的方式为f的运动反应的影响MRI数据。脑电图数据的时间分辨率，可以让认知能力和运动反应的时间分开。功能磁共振成像BOLD测量的性质意味着许多脑区域被发现是活性的同时在一个特定的任务。确定激活这些区域的功能是非常依赖于任务设计和分析。因此，建议一个fMRI研究的设计是导频测试行为上建立所关心的效果，并在磁共振成像环境中，然后导频进行测试，以确保适当的设计，实现和分析感兴趣的效果。

除了引导从涉及的电机响应从原始研究⁷的结果古怪的任务数据的解释表明，它可以设计使用古怪的任务集中在目标检测的特定方面的研究。例如调查感官输入，以产生正确的运动反应的整合，可以做NE使用任务的响应的版本。另一方面任务的计数版本会更适合于研究与决策相关的进程，特别是当不需要运动反应。在某些人群中，如老化或患者的运动障碍，生产电动机的响应可能会影响非工作相关的因素，在这些情况下，古怪的任务的计数版本可能是最合适的。

该数据不仅提供证据脑激活模式跨越古怪的任务的版本如何不同，它们也说明了考虑在fMRI的实验中使用的认知/行为任务中的元素是至关重要的，如果数据是要进行适当的解释。这是范例，其中它有可能使用一个或明或暗的反应尤为重要。包括运动反应改变任务和激活的米引发的需求OTOR反应可以影响其他任务的激活相关的解释。像这样的问题，应该适应在不同的成像方式的范例时予以考虑。

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Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Magnetom Tim Trio 3 T MRI scanner	Siemens Medical Solutions, Erlangen, Germany
Presentation version 14.8	Neurobehavioural system, Albany, CA, USA
Lumitouch device	Photon Control Inc, Burnaby, BC, Canada		This device is no longer produced by the manufacturer. Alternative MR compatible response devices are available.
TFT display	Apple, Cupertino, CA, USA	30 inch cinema display	The screen was custom modified in-house to be MR compatible. However, a number of MR compatible screens are available on the market.
Optseq		surfer.nmr.mgh.harvard.edu/optseq	program for determining optimal stimulus timing for rapid event related designs
FMRIB software library (FSL)	FMRIB, Oxford	http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/	Other software tools are available for analyzing fMRI data, for example SPM, AFNI and Brain Voyager.