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
Summary
Transferring a paradigm with a history of use in EEG experiments to an fMRI experiment is considered. It is demonstrated that manipulating the task demands in the visual oddball task resulted in different patterns of BOLD activation and illustrated how task design is crucial in fMRI experiments.
Abstract
As cognitive neuroscience methods develop, established experimental tasks are used with emerging brain imaging modalities. Here transferring a paradigm (the visual oddball task) with a long history of behavioral and electroencephalography (EEG) experiments to a functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiment is considered. The aims of this paper are to briefly describe fMRI and when its use is appropriate in cognitive neuroscience; illustrate how task design can influence the results of an fMRI experiment, particularly when that task is borrowed from another imaging modality; explain the practical aspects of performing an fMRI experiment. It is demonstrated that manipulating the task demands in the visual oddball task results in different patterns of blood oxygen level dependent (BOLD) activation. The nature of the fMRI BOLD measure means that many brain regions are found to be active in a particular task. Determining the functions of these areas of activation is very much dependent on task design and analysis. The complex nature of many fMRI tasks means that the details of the task and its requirements need careful consideration when interpreting data. The data show that this is particularly important in those tasks relying on a motor response as well as cognitive elements and that covert and overt responses should be considered where possible. Furthermore, the data show that transferring an EEG paradigm to an fMRI experiment needs careful consideration and it cannot be assumed that the same paradigm will work equally well across imaging modalities. It is therefore recommended that the design of an fMRI study is pilot tested behaviorally to establish the effects of interest and then pilot tested in the fMRI environment to ensure appropriate design, implementation and analysis for the effects of interest.
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。
Protocol
Representative Results
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?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Magnetom Tim Trio 3T 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 | 30inch 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 analysing fMRI data, for example SPM, AFNI and Brain Voyager |
References
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