Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Behavior

Overførsel af kognitive opgaver Mellem Brain afbildningsmodaliteter: Betydning for Task Design og resultater tolkning i fMRI studier

doi: 10.3791/51793 Published: September 22, 2014

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Som kognitiv neurovidenskab metoder udvikler sig, er etableret eksperimentelle opgaver bruges med nye hjerne billeddiagnostiske metoder. Dette er en logisk progression, da de fleste neuropsykologiske begreber (f.eks tydelig hukommelse delkomponenter) er blevet undersøgt i adfærdsmæssige domæne og passende eksperimentelle opgaver for sondering specifikke funktioner er blevet udviklet og testet. Som ny teknologi opstår dokumentation for de neurale fundament for disse adfærdsmæssige observationer søges med de nye hjerne billeddiagnostiske metoder. Selv om det kan være fristende blot at trække på velundersøgte adfærdsmæssige opgaver billeddiagnostiske undersøgelser, skal der tages hensyn til flere vigtige forbehold. En af de afgørende, men ofte overset, overvejelse er brugen af ​​den mest hensigtsmæssige imaging teknik til yderligere at undersøge den adfærdsmæssige beviser. Med hensyn til kognitiv neurovidenskab og psykologi er der mange hjerne billeddiagnostiske metoder til rådighed til at øge vores forståelse af den neurale activity underliggende koncepter af interesse; for eksempel elektroencefalografi (EEG), magnetoencephalography (MEG), transkraniel magnetisk stimulation (TMS), funktionel magnetisk resonans (fMRI) og positronemissionstomografi (PET). Alle disse metoder har deres fordele, ulemper og passende applikationer. Her overføre et paradigme med en lang historie af adfærdsmæssige og EEG-eksperimenter på en fMRI eksperiment overvejes. EEG har været anvendt i årtier for at undersøge neurale responser associeret med perceptuelle og kognitive processer. Som sådan er der udviklet mange paradigmer til brug med denne metode, og har udviklet sig over tid. Funktionel MRI er en teknik, der for nylig opstod i kognitiv neurovidenskab og dette har ført til nogle paradigmer udviklet i EEG forskning bliver brugt i fMRI. At bygge på den viden base, EEG forsøg med de nye teknikker er et logisk skridt, men ikke desto mindre nogle vigtige punkter, kan undlades i overførslen. De teknikker enre meget forskellige og opgaver der skal udformes i overensstemmelse hermed. Det kræver viden om, hvordan metoden fungerer, og navnlig, hvordan potentielle modulationer paradigmet anvendes, vil påvirke de trufne foranstaltninger. For yderligere oplysninger om udformningen af fMRI eksperimenter den interesserede læser er rettet til følgende link http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Opgave design vil blive overvejet i forbindelse med overførsel af et paradigme udviklet til EEG forskning til fMRI miljøet. Det er formålet med dette papir er: i) til kort at beskrive fMRI og når dens anvendelse er hensigtsmæssig i kognitiv neurovidenskab; ii) at illustrere, hvordan opgave design kan påvirke resultatet af en fMRI eksperiment, især når denne opgave er lånt fra et andet afbildningsmodalitet; og iii) at forklare de praktiske aspekter af at udføre en fMRI eksperiment.

Funktionel MRI er nu en alment tilgængelig technique og som sådan er en fælles metode, der anvendes i kognitiv neurovidenskab. For at gøre en beslutning om, hvorvidt teknikken er passende for et bestemt eksperiment fordele og ulemper ved fMRI skal ses i forhold til andre tilgængelige teknikker. En ulempe ved metoden er, at det ikke er et direkte mål for neurale aktivitet, det er snarere et korrelat for neurale aktivitet i at den metaboliske respons (iltbehov) foldet med hæmodynamisk respons. Således dens tidsmæssige opløsning er dårlig i forhold til elektrofysiologi, for eksempel, hvor den målte elektriske signal er tættere på den underliggende neurale aktivitet snarere end en metabolisk respons. EEG har en tidsmæssig opløsning i størrelsesordenen millisekunder sammenlignet med en opløsning i størrelsesordenen sekunder i fMRI. Den største fordel ved fMRI er imidlertid, at den rumlige opløsning af teknikken er fremragende. Endvidere er invasiv og dermed emner behøver ikke at indtage stoffer, såsom contrast midler eller blive udsat for stråling, som det ville være tilfældet i positronemissionstomografi (PET). Derfor fMRI er en egnet teknik til eksperimenter at undersøge, hvilke områder af hjernen er involveret i perception, kognition og adfærd.

I dette papir det visuelle særling paradigme tages som et eksempel til overførsel af et veletableret EEG-opgave til fMRI (se figur 1 for detaljer). Det skal bemærkes, at de spørgsmål, der drøftes også kunne påvirke resultaterne og fortolkningen af ​​data, når der anvendes andre paradigmer og bør teknisk overvejes i udformningen af ​​alle fMRI eksperimenter. Den særling paradigme bliver flittigt brugt i psykologi og kognitiv neurovidenskab til at vurdere opmærksomhed og måldetektering ydeevne. Paradigmet blev udviklet i EEG forskning, specielt event relaterede potentialer (ERP systemer), for at undersøge den såkaldte P300 komponent 1. P300 repræsenterer måldetektering og fremkaldes ved anerkendelse afen sjælden mål stimulus 1. P300 bruges i studier på tværs af en række kognitive og kliniske domæner 2 fx patienter med skizofreni og deres pårørende 3, storrygere 4 og den aldrende befolkning. 5 Da den særling paradigme (og P300 fremkaldt af paradigmet) er robust og er også moduleres af forskellige sygdomstilstande, overførsel på tværs af forskellige billeddiagnostiske metoder var uundgåelig.

Den udbredte aktivering ses i hjernen under en oddball fMRI måling er kendt for at være resultatet af flere kognitive funktioner, som det fremgår af talrige fMRI undersøgelser sondering andre kognitive begreber. Denne udbredte karakter af aktiveringen mønster gør det vanskeligt at afgøre, hvilke områder af hjernen er mere (eller mindre) aktive på grund af den specifikke opgave manipulationer eller gruppebilleder forskelle, forsøgslederen er interesseret i. Konkret er det ikke sikkert, om observerede forskelle i aktition er relateret til måldetektering selv, at opmærksomhed relaterede processer, eller om de er relateret til andre opgave krav om fx igangværende arbejder hukommelse processer eller processer i forbindelse med produktion af en motor respons. Processen med at tildele funktionen til den målte aktivitet er lettere i EEG domæne, hvor den kognitive komponent af interesse (måldetektering) måles i klar cerebral reaktion på den særling opgave (P300). Alligevel neuroforskere tilbøjelige til at fortolke deres resultater til fordel for deres egen hypotese og eksperiment, snarere end at lægge i bestræbelserne på at udelukke alternative forklaringer. De fleste eksperimenter vil dog ikke være i stand til at løse disse vigtige spørgsmål i sagens natur - scan tid er dyrt - hvilket er grunden til at vi argumenterer for grundig planlægning og pilottest af paradigmer.

Udover denne vanskelighed ved at etablere en direkte forbindelse mellem de områder af hjernen og kognitive komponenter, arten af ​​den særling paradigme ogsåpræsenterer andre mulige metodologiske spørgsmål, når de overføres til fMRI. For eksempel er påvisningen af ​​et mål stimulus normalt ses ved at trykke på en knap respons. Dette tillader forsøgslederen at registrere nøjagtigheden og hastigheden af ​​svar, men denne respons kan også have indvirkning på fMRI BOLD reaktion at målrette stimuli. Motoren nødvendige foranstaltninger for effekterne knap pressen om stimulus-låst fMRI aktivering, da det sker blot et par hundrede millisekunder efter præsentationen af ​​målet stimulus. Dette kan også påvirke fortolkning af denne aktivering, for eksempel områder af hjernen er involveret i forberedelserne til motorisk reaktion måske fejlagtigt antages at være involveret i afsløring af målet stimulus, og omvendt. Dette har ført til metodologiske ændringer, hvorved indirekte foranstaltninger til afsløring mål, ikke er afhængige af motoriske reaktioner, der bliver truffet. For eksempel har tælle target stimuli blevet foreslået 6 som en måde til at sikre fag vedligeholde Attentipå på opgaven; Antallet af forsøg savnet kan angive, hvor uopmærksom et emne var. Rapportering af antallet af stimuli optalt ved afslutningen af ​​opgaven betyder også, at forsøgslederen kan kontrollere, om emnet udført den opgave korrekt. Et tredje alternativ er at bruge en fuldt passiv opgave design, hvor emnet er givet ingen instruktioner om, hvordan man skal reagere, og det nye i et mål stimulus antages at sagens natur fremkalde en måldetektering-lignende reaktion. Trods disse versioner af opgaven ved hjælp af den samme type af stimuli og grundlæggende design, vil aktiveringen mønster følger hver variation af opgaven være anderledes, fordi de kognitive og motoriske krav opgaverne er forskellige 7,8. For eksempel vil der være arbejde hukommelse der er involveret i at tælle target stimuli fx, holde det nuværende antal af mål stimuli i tankerne processer, der ikke vil blive påkrævet under passiv visning. Her disse 3 versioner af særling opgave, passive, tælle, ennd reagere bruges til at vise, hvordan omhyggelig opgave design og implementering kan redegøre for disse ændringer i task krav og tillade passende fortolkning af resultaterne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

BEMÆRK: Undersøgelsen protokol blev godkendt af de lokale personmotiver Review Board ved RWTH Aachen Universitet og blev udført i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen.

1. Opgave Design

  1. Vælg en passende opgave at undersøge den kognitive / psykologiske konstruktion af interesse. Brug det visuelle særling opgave (Figur 1) for at måle måldetektering responser og virkningerne af opmærksomhed på opdagelse målet. Dette tillader undersøgelse af den indflydelse, task manipulationer på fMRI data.
  2. Brug tre versioner af særling opgave.
    1. Passiv version: Spørg underlagt observere visuelle stimuli. Må ikke registrere nogen reaktion.
    2. Silent tæller version: Spørg forbehold tælle target stimuli. Denne opgave kræver at rette opmærksomheden mod disse stimuli og en diskriminerende proces.
    3. Reager version: Spørg genstand til at skubbe en knap svar ved at se en target stimulus. Denne opgave kræver opmærksomhed, processer diskrimination og udvælgelse / produktion af et svar til at målrette stimuli.
  3. Overvej det passende antal forsøg, der er nødvendige for en robust svar. Signalet støjforhold i fMRI målinger er relativt lav og kræver en række svar som middelværdi for at undersøge virkningerne af interesse 9. Dette afhænger af opgaven og stimulus modalitet anvendes. 200 forsøg anvendes i denne opgave, hvoraf 40 er målrettede forsøg er tilstrækkelige til at fremkalde en stærk reaktion.
  4. Bestem tidsplanerne for rækkefølgen af ​​stimuli. Timingen af stimuli er afgørende i en fMRI undersøgelse til behandling af præsentation på 10. Overvej hæmodynamiske respons-forsinkelse mellem stimulus debut og den målte hjernens respons (figur 2).
    1. Opretholde en balance mellem at levere tilstrækkelige stimuli i en rimelig tid og give tilstrækkelig prøvetagning af de hæmodynamiske resreaktionstider til hver stimulus, herunder tilbagevenden til baseline. Hent, installere og køre optseq software. Kør optseq optimalt distribuere forsøgene på tværs forsøget baseret på antallet af forsøg, stimulus varighed og scanningsparametre (gentagelse og antallet af enheder).
  5. Efterkomme kendelse afsagt af stimuli (tidligere bestemt) i et egnet program til at præsentere paradigmet til motivet.
    1. Angiv alle relevante oplysninger om paradigme i form af type af stimuli, timing og svar.
      BEMÆRK: Programmering detaljer præsenteres ikke her, fordi hver paradigme vil have forskellige krav, som det vil forskellige softwarepakker.
  6. Opsæt det program, der vil levere den eksperimentelle paradigme, så det vil begynde med en udløser fra scanneren. Dette tillader synkronisering af de indsamlede data, og sekvensen af ​​stimuli fremlagt.

2. Opsætning Eksperimentel Miljø

  1. Prepare scanneren rum. Tilslut den nederste del af korrekt hoved spole til scanneren sengen. Placer rene beskyttelsesafdækninger på scannerens sengen og puder.
  2. Brug en skærm for at præsentere eksperimentelle paradigme til emnet og registrere svarene ved hjælp af en håndholdt enhed. Skift skærm og en håndholdt enhed "på".
  3. Start softwaren, der vil levere den eksperimentelle paradigme og give et navn til logfilen. Logfilen indeholder oplysninger om timingen af ​​stimuli, og af besvarelserne fra emnet. Brug disse oplysninger til at analysere dataene.
  4. Registrer motivet i MR-skanner databasen. Optag data ved hjælp af et unikt identifikationsnummer. Må ikke opbevares fagets navn med de data for at sikre privatlivets fred.
  5. Sørg for, at MR-sekvenser, der skal køres er sat op og klar. Brug følgende sekvenser: en Localizer scanning for at få de emner 'hoved position inde i spolen, et EPI sekvens for functional billedbehandling og MPRAGE til en høj opløsning strukturel scanning.

3. Medmindre Ankomst og Indgang til scanneren

  1. Screen emne for kontraindikationer med MR inden forsøget (fx under ansættelsesproceduren).
    1. Giv MR sikkerhedsinstruktioner før scanning. Udfør screening af emner (af uddannet personale). Sikre forsøgspersonernes sikkerhed. Sørg for, at de har ingen metal i deres krop, ikke har enheder som pacemakere og ikke opfylder andre udelukkelseskriterier.
  2. Ved emner ankomst kontrollere screening spørgeskema og bekræfte deres kompatibilitet, før du fortsætter.
  3. Forklar den eksperimentelle procedure til emnet og give mulighed for at stille spørgsmål. Spørg motivet til at underskrive samtykke og databeskyttelse former.
  4. Hvis forsøget involverer komplekse opgaver, der kræver træning anbefales det, at emnet udfører en praksis køre forud for going i scanneren.
  5. Sørg for, at emnet er metal gratis, uden nogen mønter, bælte, ur og smykker. Når dette er bekræftet, lad emnet i scanneren rummet.
  6. Spørg motivet til at sidde på scannerens sengen iført ørepropper. Ørepropper her anvendte yde beskyttelse mod støj fra scanneren under scanningen, og også give investigator at kommunikere direkte med emnet fra kontrolrummet. I nogle faciliteter hovedtelefonerne bruges til kommunikation med emnet.
  7. Spørg patienten ligge nedad på scannerens sengen. Tilbyd emnet en pude til at gå under knæene for at reducere rygsmerter. Komforten af ​​emnet er vigtigt for deres trivsel og datakvalitet. Bevægelse som følge af ubehag vil have en negativ indvirkning på de billeddannende data og distraktion forårsaget af ubehag vil påvirke udførelsen af ​​opgaven.
  8. Placer den øverste del af hovedet spole over motivet hoved og tilslutte stikkene. Placer motivet217 og hoved hensigtsmæssigt i hovedet spole. Juster lille markør på hovedet spolen langs forsøgspersonernes øjenbryn. Sørg for, at emnet ligger lige og komfortable. Spolen overflade må ikke røre ansigtet (fx trykker på næsen).
  9. Fastgør emnet hoved med små puder til at minimere hovedbevægelser under scanningen. Hovedbevægelser har negativ indvirkning på kvaliteten af ​​dataene.
  10. Placer et spejl på toppen af ​​hovedet spolen for emnet at se den eksperimentelle paradigme vises på skærmen bag. Sørg for, at emnet kan se hele skærmen. Flyt monterede spejl ifølge motivets position. Personer med briller skal bære MR kompatible briller. De fleste MRI forskningsfaciliteter har kompatible linser eller briller. I dette tilfælde mount MR kompatible objektiver på rammen, der holder spejlet. Bestemme den passende linse styrke før emnet ind i scanneren rum.
  11. Hand emnet et nødopkald knap to standse scanningen, hvis det kræves. Sørg for, at motivet ved, hvor knappen er, og at de kan nemt nå det.
  12. Flyt motivet til indgangen af ​​boringen af ​​scanneren. Spørg emnet at lukke øjnene i løbet af denne procedure. Juster lys med de små mærker på hovedet spole til at etablere den korrekte position.
  13. Flyt motivet ind i boringen i scanneren, indtil displayet viser '0 mm «. Det betyder, at lederen af ​​emnet er i isocenter af scanneren.
  14. Ræk emnet svaret enhed.

4. Forsøgsfremgangsmåde

  1. Kontroller, om emnet kan høre forsøgslederen via samtaleanlægget, og at emnet er komfortable og klar til start.
  2. Udfør en Localizer scanning for at få motivets placering hoved i scanneren. Brug denne til at placere synsfeltet af alle de øvrige målinger for at bestemme de dele af hjernen, der skal måles.
  3. Første pForetag en høj opløsning strukturel scanning. Åbn MPRAGE sekvens / program og placere synsfeltet. Sikre hele emnet hoved er inden for synsfeltet. MP-RAGE parametre: TR / TE = 2.250 / 3,03 msek flipvinkel = 9 °, 176 sagittale skiver, FOV 256 x 256 mm, 64 x 64 matrix, voxelstørrelsen 1 x 1 x 1 mm).
  4. Lad emnet ved, at scanningen vil starte og derefter begynde målingen.
  5. Udfør funktionel MR-scanning.
    1. Åbn EPI sekvens på scannerens computeren og justere synsfeltet til at dække hele hjernen. EPI parametre: 33 skiver, skive tykkelse 3 mm, FOV 200 x 200 mm, 64 x 64 matrix, gentagelse tid 2.000 msek ekkotid 30 msek, flipvinkel 79 °.
    2. Kør en enkelt volumen test måling. Sørg for at hele (eller så meget som muligt) af individets hjerne er indeholdt i synsfeltet.
      BEMÆRK: Individer har forskellige former og størrelser af hoveder (og hjerner). Derfor optimalt placere inden forse for hvert emne.
    3. Kopier fMRI sekvens så positioneret synsfelt forbliver den samme for den næste måling. Indtast det antal liter, der er nødvendige for målingen, 304 i dette tilfælde.
    4. Sørg for, at softwaren præsentere paradigmet venter på en udløser fra scanneren. Paradigmet vil ikke starte uden en trigger fra scanneren, så den kan lastes og sat til at vente.
    5. Informer emne, at forsøget er ved at starte. Start målingen.
    6. Kontroller, at softwaren præsentere paradigme begynder på et passende tidspunkt (dvs. at den er udløst af scanneren).
    7. Udfør tre versioner af særling opgave. Passiv, Grev og svare.
    8. Tal til emnet i mellem kørsler at skabe tryghed. Sørg for deres komfort. Spørg, hvis de er omfattet af tilladelser til at fortsætte med studiet. Instruer emnet for den kommende opgave.
    9. Først køre de passive Cetingelse at sikre ægte passiv visning uden viden, at målet stimuli faktisk målrette stimuli. Modvægt rækkefølgen af ​​optællingen og svare vilkår på tværs af fag for at forhindre ordens virkninger.

5. forsøgets afslutning

  1. Informer emnet, at forsøget er afsluttet indtaste scanneren værelse.
  2. Skub emnet ud af scanneren.
  3. Fjern hoved spole og puder.
  4. Spørg motivet til at sidde op langsomt. Når de er komfortable, kan emnet stå op og forlade scanneren værelse.
  5. Administrere enhver spørgeskemaer / papirarbejde, der skal udfyldes efter forsøget
  6. Afhøre emnet: give emnet med en forklaring om formålet med og genstanden for undersøgelsen, hvis det ikke var muligt fuldt ud inden forsøget og give mulighed for at stille spørgsmål

6. Dataanalyse

  1. Brug en software-pakke, der er egnet til analyzing fMRI data. Udfør første niveau dataanalyse for hvert fag og hver betingelse separat.
    BEMÆRK: Brug FMRIB Software Library (FSL) til fMRI dataanalyse.
  2. Anvend standard forbehandling skridt til at forberede data til yderligere analyse.
    BEMÆRK: Anvend følgende trin: bevægelse korrektion, skive tidstagerkorrektion, coregistration af strukturelle og funktionsdata, rumlig udjævning, Highpass tidsmæssig filtrering, normalisering af individ i standard (f.eks MNI) plads. Finde en oversigt over disse trin i fMRI lærebøger Huettel et al (2008) 9 og Jezzard et al (2001) 11. Specifikke oplysninger om, hvordan du udfører forbehandling skridt er tilgængelig på hjemmesiden og i den tilhørende dokumentation for hvert enkelt softwarepakke.
  3. Til den statistiske analyse specificere Starten tider og varigheder af alle hændelser. Disse kaldes forklarende variable (EVS) eller regressorer.
  4. Opsæt kontraster til at bestemmesom elbiler sammenlignes. At identificere den BOLD aktivering specifik for påvisning af target stimuli oprettet følgende kontrast: target> uden for målgruppen stimuli.
    BEMÆRK: Eventuelt bruge andre kontraster: target stimuli mod baseline; uden for målgruppen stimuli mod baseline; target stimuli> uden for målgruppen stimuli; uden for målgruppen stimuli> target stimuli
  5. Udfør den første statistiske analyse for hver emne, og hver betingelse separat. Udgangen af ​​analysen viser de aktive områder af hjernen for hver af de respektive kontrast.
  6. Sammenlign de tre betingelser ved hjælp af et andet niveau eller koncernniveau analyser. Brug produktionen af ​​det første niveau analyse som input til analyse gruppe niveau.
    BEMÆRK: I den oprindelige papir 7 forskelle mellem forholdene på mål> hyppige kontrast ved hjælp af en Tredoblet To Gruppe Forskel design involverer følgende kontraster: reagere> passiv, tælle> passiv, reagerer> tæller.Disse kontraster afslører hjernens aktivitet forbundet med variationen i kognitive processer på tværs af de tre svar modaliteter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Stimulering og analysemetode fremkaldte BOLD aktivering i hjerneregioner associeret med en visuel særling opgave. Målet> non-target kontrast afslørede ingen aktivering for passiv tilstand, men afslørede aktivering i både tæller og reagere (Figur 3). Dataene præsenteret i figur 3 er en kvalitativ sammenligning af optællingen og svare forhold og viser, hvordan aktiveringsmønstre ville se ud, hvis hver version af opgaven blev udført i isolation.

De vigtigste sammenligninger af interesse var dem mellem betingelserne. Så hvor hjerneregioner gør måldetektering relateret aktivering adskiller når opgaven krav ændret? Figur 4 viser, at der er forskelle mellem de betingelser. I modsætning til den kvalitative vurdering af forskellene mellem tæller og svare tilstand beskrevet ovenfor, denne sammenligning sker ved hjælp t-test på hele hjernen data showing de regioner, hvor aktiveringen signifikant forskellig vilkår.

Dataene fra de oprindelige studie 7 viser forskelle i BOLD aktivering mellem tæller og reagere versioner af visuelle særling. Hvis der ikke var data fra begge betingelser til sammenligning aktiveringen skulle tilskrives 'target afsløring' i begge forhold. Men aktivering blev observeret i de midterste frontal gyrus (MFG) under reagere, men ikke tælle tilstand. Det faktum, at MFG aktivering ikke blev observeret i optællingen betingelse angiver, at det er relateret til forberedelse motor og / eller motorisk reaktion associeret med tryk på en knap i reagere tilstand snarere end rent afsløring mål processer. I mangel af optællingen opgave til sammenligning er det sandsynligt, at denne MFG aktivering ville have været tilskrevet kognitive processer, der er forbundet med den opgave snarere end handling udførelse. Tilsvarende aktivering i supplerende againsteller område (SMA) blev observeret under Grevens tilstand samt reagere tilstand. Der er ingen svar foretaget i optællingen tilstand, så det er usandsynligt, at SMA-aktivering er relateret til forberedelse motor, hvilket tyder på, at SMA spiller en rolle i andre aspekter af opgaven, såsom opmærksomhed på de stimuli, afsløring af target stimuli, beslutter om at udforme et svar, og i givet fald hvilke svar at gøre. Det er sandsynligt, at SMA-aktivering ville være blevet fortolket som værende involveret i forberedelsen motoren, hvis der kun var en reagere version af opgaven, hvilket betyder, at den rolle, SMA i andre opgave processer ville være blevet overset. Dette fremhæver nogle potentielle faldgruber, når fMRI data tolkning. Trods opgave anvendt her er forholdsvis enkel det involverer mange perceptuelle og kognitive processer. Det kan være svært at skelne mellem disse kognitive processer og deres underliggende neurale substrater. Udformningen af ​​denne undersøgelse gør det muligt inden for scanning vurdering of måldetektering kontrast efterfulgt af mellem scanning sammenligning af betingelserne er en robust konstruktion, men det er ikke i stand til at skelne mellem de mulige roller SMA videre end at fastslå, at det bidrager til andre end motoriske processer processer. Dette understreger behovet for nøje eksperimentel design og analyse i fMRI studier.

Figur 1
Figur 1. Den særling paradigme er baseret på undersøgelse af en række stimuli (i dette tilfælde cirkler), hvoraf 80% er af en type, 'hyppige', og 20% er af en anden type 'mål'. Målgruppen stimuli fremkalde et mål påvisning respons på grund af sjældenheden af ​​denne type af stimulus. I dette papir, blev der 3 versioner af opgaven udføres. Den første er passiv der involverer passiv visning af stimuli (Response lavet). Den anden er noget, dette indebærer at tælle antallet af mål stimuli og rapportering totale ved slutningen af eksperimentet. Den tredje er at reagere, dette indebærer at trykke på en knap, hver gang et mål stimulus vises.

Figur 2
Figur 2. hæmodynamisk respons er levering af blod til neuralt aktive væv. Den hæmodynamisk respons i hjernen stiger langsomt (i forhold til neural aktivitet) og topper omtrent 5 sek efter en stimulus. Svaret tager derefter et antal sekunder (15-20) for at vende tilbage til baseline. Figuren viser den kanoniske hæmodynamiske respons funktion; dette er en hypotetisk signal som svar på en enkelt, kort nul varighed 'stimulus, med signalet vender tilbage til basislinien, hvis stimulus ikke længere fortsætter.

Figur 3
Figur 3. BOLD aktivering for målet> hyppige kontrast til tælling og respons forhold. (Andet niveau N blandede effekter flamme. = 16, Cluster-korrigeret tærskel Z = 2,3, p = 0,05). Dette tal og billedtekst er blevet ændret fra Warbrick m.fl. 2013 7.

Figur 4
Figur 4. Den venstre del af figuren viser BOLD aktivering til tælling tilstand mod passiv tilstand. Den højre del af figuren viser reagere tilstand mod passiv tilstand. Alle data repræsenterer målet> hyppige lavere niveau kontrast. Del A fremhæver aktivering i supplerende motorområdet (SMA). Del Bviser den midterste frontal gyrus (MFG) aktivering for reagerer kun tilstand. (Andet niveau blandede effekter flamme. N = 16, Cluster-korrigeret tærskel Z = 2,3, p = 0,05) Dette tal og billedtekst er blevet ændret fra Warbrick m.fl. 2013 7.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Vi viser, at manipulere opgaven kræver i de visuelle særling task resultater i forskellige mønstre af BOLD aktivering i optællingen og svare betingelser. De funktionelle roller nogle af de regioner, der er impliceret i hver tilstand ville have været uhensigtsmæssigt tildelt havde data fra de tre versioner af opgaven ikke været til rådighed for sammenligning. Denne tvetydighed i fortolkningen af ​​data ikke nødvendigvis ville have været tilfældet i EEG P300 felt, hvor opgaven har sin oprindelse, hvilket understreger behovet for særlige hensyn, når der overføres eksperimentelle paradigmer fra en afbildningsmodalitet til en anden. For eksempel har mange kognitive processer (såsom opmærksomhed og arbejdshukommelse) bidrager til dannelsen af ​​P300 komponent, men disse er repræsenteret ved et enkelt elektrofysiologisk markering, i modsætning til den udbredte aktivering ses i fMRI BOLD respons. Endvidere P300 er ikke påvirket af motorisk reaktion på samme måde som fMRI data. Den tidsmæssige opløsning af EEG-data tillader kognitive og motoriske reaktioner at være adskilt i tid. Arten af ​​fMRI BOLD foranstaltning betyder, at mange områder i hjernen har vist sig at være aktive på samme tid i en bestemt opgave. Fastlæggelse af de funktioner af disse områder af aktivering er meget afhængig af opgaven design og analyse. Det anbefales derfor, at udformningen af ​​en fMRI undersøgelse pilot testet adfærdsmæssigt at fastslå følgerne af interesse og derefter pilot afprøvet i fMRI miljø for at sikre passende design, implementering og analyse af effekterne af interesse.

Ud over at vejlede om fortolkningen af data fra særling opgaver, der involverer en motorisk reaktion resultaterne fra den oprindelige undersøgelse 7 viser, at det er muligt at designe undersøgelser, hvor særling opgave at fokusere på bestemte aspekter af måldetektering. For eksempel undersøger integration af sensorisk input til det korrekte motorisk reaktion kunne gørene ved hjælp af reagere version af opgaven. Greven udgave af opgaven på den anden side ville være mere passende for at undersøge processer i forbindelse med beslutningstagning, især når en motorisk reaktion er ikke nødvendig. I nogle populationer, f.eks ældning eller patienter med bevægelsesforstyrrelser, produktion af en motorisk reaktion kan påvirkes af ikke-task faktorer i disse tilfælde optællingen version af den særling opgave kan være den mest hensigtsmæssige.

De data, ikke kun give evidens for, hvordan hjernens aktivering mønstre varierer tværs versioner af særling opgave, de også illustrerer, at i betragtning af de elementer af kognitive / adfærdsmæssige opgaver, der anvendes i fMRI eksperimenter er afgørende, hvis de data, der skal fortolkes korrekt. Dette er især vigtigt i paradigmer, hvor det er muligt at anvende en åbenlys eller skjult respons. Herunder en motorisk reaktion ændrer krav opgaven og aktivering fremkaldt af mOTOR reaktion kan påvirke fortolkningen af ​​andre opgaver relateret aktivering. Spørgsmål som dette bør overvejes, når tilpasning paradigme på tværs af forskellige billeddiagnostiske metoder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Squires, N. K., Squires, K. C., Hillyard, S. A. Two varieties of long-latency positive waves evoked by unpredictable auditory stimuli in man. Electroencephalography and clinical neurophysiology. 38, 387-401 (1975).
  2. Polich, J., Criado, J. R. Neuropsychology and neuropharmacology of P3a and P3b. International journal of psychophysiology : official journal of the International Organization of Psychophysiology. 60, 172-185 (2006).
  3. Turetsky, B. I., et al. Neurophysiological endophenotypes of schizophrenia: the viability of selected candidate measures. Schizophrenia bulletin. 33, 69-94 (2007).
  4. Mobascher, A., et al. The P300 event-related potential and smoking--a population-based case-control study. International journal of psychophysiology : official journal of the International Organization of Psychophysiology. 77, 166-175 (2010).
  5. Li, L., Gratton, C., Fabiani, M., Knight, R. T. Age-related frontoparietal changes during the control of bottom-up and top-down attention: an ERP study. Neurobiology of aging. 34, 477-488 (2013).
  6. Kirino, E., Belger, A., Goldman-Rakic, P., McCarthy, G. Prefrontal activation evoked by infrequent target and novel stimuli in a visual target detection task: An event-related functional magnetic resonance imaging study. Journal of Neuroscience. 20, 6612-6618 (2000).
  7. Warbrick, T., Reske, M., Shah, N. J. Do EEG paradigms work in fMRI? Varying task demands in the visual oddball paradigm: Implications for task design and results interpretation. Neuroimage. 77, 177-185 (2013).
  8. Warbrick, T., Arrubla, J., Boers, F., Neuner, I., Shah, N. J. Attention to Detail: Why Considering Task Demands Is Essential for Single-Trial Analysis of BOLD Correlates of the Visual P1 and N1. J Cogn Neurosci. 26, 529-542 (2014).
  9. Huettel, S. A., Song, A. W., McCarthy, G. Functional magnetic resonance imaging. 2nd, Sinauer Associates. (2008).
  10. Miezin, F. M., Maccotta, L., Ollinger, J. M., Petersen, S. E., Buckner, R. L. Characterizing the hemodynamic response: effects of presentation rate, sampling procedure, and the possibility of ordering brain activity based on relative timing. Neuroimage. 11, 735-759 (2000).
  11. Jezzard, P., Matthews, P. M., Smith, S. Functional Magnetic Resonance Imaging: An Introduction to Methods. Oxford University Press. (2001).
Overførsel af kognitive opgaver Mellem Brain afbildningsmodaliteter: Betydning for Task Design og resultater tolkning i fMRI studier
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Warbrick, T., Reske, M., Shah, N. J. Transferring Cognitive Tasks Between Brain Imaging Modalities: Implications for Task Design and Results Interpretation in fMRI Studies. J. Vis. Exp. (91), e51793, doi:10.3791/51793 (2014).More

Warbrick, T., Reske, M., Shah, N. J. Transferring Cognitive Tasks Between Brain Imaging Modalities: Implications for Task Design and Results Interpretation in fMRI Studies. J. Vis. Exp. (91), e51793, doi:10.3791/51793 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter