Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Behavior

Het overbrengen van cognitieve taken tussen Brain beeldvorming: implicaties voor de taak een ontwerp en Interpretatie van resultaten in fMRI Studies

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

Cognitieve neurowetenschappen methoden te ontwikkelen, zijn gevestigd experimentele taken gebruikt met opkomende brain imaging modaliteiten. Dit is een logische ontwikkeling aangezien de meeste neuropsychologische concepten (bijvoorbeeld verschillende geheugen subcomponenten) zijn onderzocht in de gedrags domein en geschikte experimentele taken sonderen specifieke functies ontwikkeld en getest. Als nieuwe technologie ontstaat bewijs voor de neurale onderbouwing van deze gedragsobservaties wordt gezocht bij de nieuwe brain imaging methoden. Hoewel het misschien verleidelijk om gewoon gebruik maken van goed bestudeerde gedragstaken voor imaging studies, een aantal belangrijke kanttekeningen in aanmerking te worden genomen. Een cruciaal, maar vaak verwaarloosd overweging is het gebruik van de meest geschikte beeldvormingstechniek de gedrags bewijsstukken verder onderzoeken. In termen van de cognitieve neurowetenschap en psychologie zijn er veel brain imaging methoden beschikbaar zijn voor ons begrip van de neurale activ verbeterenteit onderliggende concepten van belang; bijvoorbeeld elektro-encefalogram (EEG), magneto (MEG), transcraniële magnetische stimulatie (TMS), functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) en positron emissie tomografie (PET). Al deze methoden hebben hun voordelen, nadelen en geschikte toepassingen. Hier het overbrengen van een paradigma met een lange geschiedenis van gedrags-en EEG-experimenten aan een fMRI experiment wordt beschouwd. EEG is gebruikt voor decennia om neurale reacties geassocieerd met perceptuele en cognitieve processen te onderzoeken. Als zodanig zijn veel paradigma ontwikkeld voor gebruik met deze methode en mettertijd gegroeid. Functionele MRI is een techniek die meer recent in de cognitieve neurowetenschappen gekomen en dit heeft geleid tot een aantal paradigma's ontwikkeld in het EEG onderzoek wordt gebruikt in fMRI. Voort te bouwen op de kennis van het EEG-experimenten met de nieuwe technieken is een logische stap, maar toch een aantal belangrijke punten kan worden verwaarloosd in de overdracht. De technieken eenweer heel anders en taken moeten dienovereenkomstig worden ontworpen. Dit vereist kennis van hoe de methode werkt en, in het bijzonder, hoe potentiële modulaties van het paradigma gebruikt zullen de genomen maatregelen beïnvloeden. Voor meer informatie over het ontwerp van fMRI experimenten de geïnteresseerde lezer wordt doorverwezen naar de volgende link http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Taak ontwerp zal worden bezien in het kader van de overdracht van een paradigma ontwikkeld voor EEG onderzoek naar de fMRI-omgeving. De doelstellingen van dit document zijn: i) een korte uiteenzetting fMRI en wanneer het gebruik daarvan geschikt is in de cognitieve neurowetenschappen; ii) om te illustreren hoe de taak het ontwerp van de resultaten van een fMRI experiment, in het bijzonder wanneer die taak is geleend van andere beeldvormende modaliteit kunnen beïnvloeden; en iii) de praktische aspecten van het uitvoeren van een fMRI experiment verklaren.

Functionele MRI is nu een grote schaal beschikbaar technique en als zodanig is een veel voorkomende methode die wordt gebruikt in de cognitieve neurowetenschappen. Om een ​​beslissing te nemen over de vraag of de techniek geschikt is voor een bepaald experiment de voordelen en nadelen van fMRI moet worden beschouwd in relatie tot andere beschikbare technieken. Een nadeel van de methode is dat het niet een directe maat van neurale activiteit, het is eerder een correlaat van neurale activiteit in de metabole respons (zuurstofbehoefte) geconvolueerd met de hemodynamische respons. Aldus zijn tijdelijke resolutie slecht in vergelijking met elektrofysiologie, bijvoorbeeld wanneer de gemeten elektrische signaal dichter bij de onderliggende neurale activiteit in plaats van een metabole respons. EEG een tijdsresolutie in de orde van milliseconden vergeleken met een resolutie in de orde van seconden fMRI. Echter, het belangrijkste voordeel van fMRI is dat de ruimtelijke resolutie van de techniek is uitstekend. Bovendien is noninvasive en derhalve onderwerpen geen stoffen als co innemenntrast middelen of wordt blootgesteld aan straling zoals het geval in positron emissie tomografie (PET) is. Daarom fMRI is een geschikte techniek voor experimenten die hersengebieden die zijn betrokken bij perceptie, cognitie en gedrag.

In dit artikel worden de visuele excentrieke paradigma wordt genomen als een voorbeeld voor de overdracht van een gevestigde EEG-taak om fMRI (zie Figuur 1 voor details). Opgemerkt wordt dat de besproken kan ook uitslagen en interpretatie van gegevens beïnvloeden wanneer andere paradigma worden gebruikt en moeten technisch gezien in het ontwerp van alle fMRI experimenten. De excentrieke paradigma wordt vaak gebruikt in de psychologie en cognitieve neurowetenschap om aandacht te beoordelen en te richten op detectie prestaties. Het paradigma werd ontwikkeld EEG onderzoek, specifiek event related potentials (ERP), onderzoeken van de zogenaamde P300 component 1. De P300 vertegenwoordigt doeldetectie en wordt opgewekt bij herkenning vanniet frequent doelwit stimulus 1. De P300 wordt gebruikt in studies over een aantal cognitieve en klinische domeinen 2 bijvoorbeeld patiënten met schizofrenie en hun familieleden 3, zware rokers 4 en de vergrijzing van de bevolking 5. Gezien het feit dat de excentrieke paradigma (en de P300 uitgelokt door het paradigma) is robuust en wordt ook gemoduleerd door verschillende ziektebeelden, de overdracht tussen verschillende beeldvormende modaliteiten was onvermijdelijk.

De wijdverspreide activatie gezien in de hersenen tijdens een excentriek fMRI meting waarover de resultaten van meerdere cognitieve functies, zoals blijkt uit talrijke studies fMRI aftasten andere cognitieve concepten. Deze algemene aard van de activatie patroon maakt het moeilijk om te bepalen welke hersengebieden meer (of minder) gezien wegens de specifieke taak manipulaties of groepsverschillen dat de onderzoeker is geïnteresseerd. Concreet is het niet zeker of waargenomen verschillen in activatie zijn aan detectie zich richten, aandacht gerelateerde processen, of dat ze gerelateerd zijn aan andere haar eisen zoals vast werkgeheugen processen of werkwijzen voor de productie van een motorische respons. Het proces van het geven functie om de gemeten activiteit gemakkelijker in het EEG domein waarin de cognitieve component plaats (target detectie) wordt gemeten in duidelijke cerebrale reactie op de excentrieke taak (P300). Toch neurowetenschappers hebben de neiging om hun bevindingen te interpreteren in het voordeel van hun eigen hypothese en experiment, in plaats van de invoering van de inspanning uit te sluiten alternatieve verklaringen. De meeste experimenten, zal echter niet in staat zijn om inherent oplossen van deze belangrijke vragen - scantijd is kostbaar - en dat is de reden waarom we pleiten voor een grondige planning en pilot-testen van paradigma's.

Naast dit probleem in de oprichting van een direct verband tussen hersengebieden en cognitieve componenten, de aard van de excentrieke paradigma ookpresenteert andere mogelijke methodologische problemen bij het overladen naar fMRI. Bijvoorbeeld, wordt de detectie van een doelwit stimulus meestal aangeduid door op een antwoord toets. Hierdoor kan de onderzoeker om de nauwkeurigheid en de snelheid van de reacties op te nemen, maar deze reactie kan ook van invloed zijn op de fMRI BOLD respons op stimuli te richten. De motor actie nodig is voor de druk op de knop effecten op-stimulus opgesloten fMRI activering gezien het feit dat het gebeurt slechts een paar honderd milliseconden na de presentatie van de stimulus. Dit kan ook invloed hebben op de interpretatie van die activering, bijvoorbeeld hersengebieden die betrokken zijn bij de voorbereiding van de motorische respons zou ten onrechte worden verondersteld betrokken te zijn bij het opsporen van de stimulus, en vice versa. Dit heeft geleid tot methodologische aanpassingen waardoor indirecte maatregelen van target detectie, niet met een beroep op de motorische respons, worden genomen. Bijvoorbeeld, het tellen doel stimuli is voorgesteld 6 als een manier om ervoor te zorgen dat onderwerpen behouden attentiop de taak; het aantal proeven gemist kan aangeven hoe onoplettend een onderwerp was. Rapportage het aantal stimuli geteld aan het einde van de taak betekent ook dat de experimentator kan controleren of het onderwerp uitgevoerd voor het correct. Een derde alternatief is om een ​​volledig passieve taak ontwerp waar het onderwerp wordt gegeven geen instructies over hoe om te reageren en de nieuwheid van een stimulus wordt aangenomen dat inherent ontlokken een doel detectie-achtige reactie te gebruiken. Ondanks deze versies van de taak met dezelfde soort stimuli en basisontwerp, zal de activatie patroon als gevolg van een variatie van de taak verschillend zijn vanwege de cognitieve en motorische eisen van de taken verschillend 7,8. Zo zullen er werkgeheugen processen voor het tellen doel stimuli bijvoorbeeld, die het huidige aantal gerichte stimuli in gedachten, die tijdens passieve-bediening nodig. Hier worden deze 3 uitvoeringen van de excentriek taak passief, telling, eennd reageren worden gebruikt om te tonen hoe voorzichtig taak ontwerp en implementatie kan verklaren deze veranderingen in taakvereisten en laat correcte interpretatie van de resultaten.

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

OPMERKING: Het studieprotocol werd goedgekeurd door de lokale Human onderwerpen Review Board aan de RWTH Aachen University en werd uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki uitgevoerd.

1 Opdracht Ontwerp

  1. Kies een geschikte taak om de cognitieve / psychische constructie van belang te onderzoeken. Gebruik de visuele excentrieke taak (Figuur 1) tot target detectie reacties en de effecten van aandacht doeldetectie meten. Dit maakt onderzoek naar de invloed van de taak manipulaties op fMRI data.
  2. Gebruik drie versies van de excentrieke taak.
    1. Passieve versie: Vraag het aan een visuele prikkels te observeren. Gebruik geen reactie niet detecteren.
    2. Silent telling versie: Vraag het onderwerp naar het doel stimuli tellen. Deze taak vereist de leiding van de aandacht naar deze prikkels en een discriminerende proces.
    3. Reageren versie: Vraag het onderwerp aan te dringen een reactie knop bij het ​​zien van een target stimulus. Deze taak vereist aandacht, discriminatie processen, en de selectie / productie van een respons op stimuli te richten.
  3. Beschouw het juiste aantal pogingen nodig om een ​​robuuste reactie. De signaal-ruisverhouding in fMRI metingen relatief laag en vereist een aantal reacties worden gemiddeld om de effecten plaats 9 onderzoeken. Dit is afhankelijk van de taak en stimulans modaliteit gebruikt. 200 studies worden in deze taak, waarvan er 40 doelwit proeven voldoende om een ​​robuuste reactie uit te lokken.
  4. Bepaal de tijden voor de reeks stimuli. De timing van de stimuli is cruciaal in een fMRI-studie voor de behandeling van de presentatie tarief 10. Denk aan de hemodynamische respons-vertraging tussen stimulus onset en de gemeten hersenen respons (figuur 2).
    1. Handhaven van een balans tussen het leveren van voldoende prikkels in een redelijke hoeveelheid tijd en laat voldoende bemonstering van de hemodynamische resPonse aan elke stimulus, met inbegrip van de terugkeer naar de basislijn. Downloaden, installeren en uitvoeren optseq software. Ren optseq optimaal verdelen van de proeven over het experiment op basis van het aantal proeven, stimulus duur en beeldopbouw (herhaling tijd en het aantal volumes).
  5. Implementeren van de volgorde van de stimuli (vooraf vastgestelde) in een geschikt programma voor de presentatie van het paradigma van het onderwerp.
    1. Geef hier al de informatie aan het paradigma in termen van type stimuli, timing en reacties relevant.
      OPMERKING: Programmeren details worden hier niet gepresenteerd omdat elk paradigma verschillende eisen wil verschillende softwarepakketten zal hebben.
  6. Opzetten van het programma dat de experimentele paradigma zal leveren, zodat het zal beginnen met een trekker uit de scanner. Hierdoor kan synchronisatie van de verkregen gegevens en de sequentie van stimuli.

2 Setup experimentele omgeving

  1. Prepare de scanner kamer. Sluit het onderste deel van correct hoofdspoel de scanner bed. Leg schone beschermkappen op de scanner bed en kussens.
  2. Gebruik een beeldscherm aan de experimentele paradigma te presenteren aan het onderwerp en noteren de met behulp van een draagbare apparaat. Schakel het beeldscherm en een draagbare apparaat "op".
  3. Start de software die de experimentele paradigma zal leveren en een naam voor het logbestand. Het logbestand bevat informatie over de timing van de stimuli en de antwoorden van de onderwerp. Gebruik deze informatie voor het analyseren van de data.
  4. Registreer het onderwerp in de MR-scanner database. Opname van gegevens met behulp van een uniek identificatienummer. Heeft de naam onderwerp niet bewaren met de gegevens om de privacy te garanderen.
  5. Zorg ervoor dat de MR sequenties worden uitgevoerd zijn en klaar te stellen. Gebruik de volgende sequenties: een localizer scannen naar positie van het hoofd van de proefpersonen in de spoel, een EPI-sequentie voor de fu te verkrijgennctional beeldvorming en MPRAGE voor een hoge resolutie structurele scan.

3 Onderwerp Aankomst en Toegang tot Scanner

  1. Scherm het onderwerp contra MRI voorafgaand aan het experiment (bijvoorbeeld tijdens de aanwervingsprocedure).
    1. Bieden MR veiligheidsinstructies voordat u gaat scannen. Voeren screening van de patiënten (door getraind personeel). Zorg voor veiligheid onderwerpen '. Zorg ervoor dat ze geen metalen in hun lichaam, denk apparaten zoals pacemakers hebben en niet aan een andere uitsluitingscriteria.
  2. Bij aankomst onderwerpen 'check de screening vragenlijst en bevestigen hun compatibiliteit voordat u verder gaat.
  3. Verklaren de experimentele procedure om het onderwerp en de mogelijkheid bieden om vragen te stellen. Vraag het onder voorbehoud van toestemming en gegevensbescherming vormen tekenen.
  4. Als het experiment gaat gepaard met complexe taken die training is het aanbevolen dat het onderwerp voert een praktijk voeren voorafgaand aan de going in de scanner.
  5. Zorg ervoor dat het onderwerp is van metaal vrij, zonder enige munten, riem, horloge en sieraden. Eenmaal bevestigd, laat het onderwerp in de scanner kamer.
  6. Vraag het onderwerp te zitten op de scanner bed dragen van oordoppen. De oordopjes die hier gebruikt bieden bescherming tegen het lawaai van de scanner tijdens het scannen en laten ook de onderzoeker om rechtstreeks te communiceren met het onderwerp van de controlekamer. In sommige faciliteiten hoofdtelefoon wordt gebruikt voor de communicatie met het onderwerp.
  7. Vraag het onderwerp te gaan liggen op de scanner bed. Bieden het onderwerp een kussen te gaan onder de knieën om rugpijn te verminderen. Het comfort van het onderwerp is belangrijk voor hun welzijn en datakwaliteit. Verkeer die voortvloeien uit ongemak zal een negatieve invloed hebben op de beeldvorming van gegevens en afleiding veroorzaakt door ongemak zal de uitvoering van de taak beïnvloeden.
  8. Plaats het bovenste deel van het hoofd spoel over het hoofd van de patiënt en sluit de connectors. Plaats het onderwerp217; s hoofd adequaat in het hoofd spoel. Lijn de kleine markering op het hoofd spoel langs de wenkbrauwen van de proefpersonen. Zorg ervoor dat het onderwerp is recht en comfortabel liggen. De oppervlaktespoel mag het gezicht raakt (bijvoorbeeld drukken op de neus).
  9. Zet het hoofd van de proefpersoon met kussentjes onderlinge te minimaliseren tijdens het scannen. Hoofdbewegingen hebben een negatieve invloed op de kwaliteit van de gegevens.
  10. Plaats een spiegel boven het hoofd spoel voor de onder de experimentele paradigma op het scherm erachter. Controleer of het onderwerp kan het hele scherm te zien. Beweeg de gemonteerde spiegel afhankelijk van de positie van het onderwerp. Onderwerpen met een bril moet MR compatibel brillen dragen. De meeste MRI onderzoeksfaciliteiten hebben compatibele lenzen of bril. In dit geval zet MR compatibele lenzen op het frame dat de spiegel bevat. Bepaal de juiste lenssterkte voor het onderwerp het scannerruimte.
  11. Geef het onderwerp van een belknop nood to stop de scan indien nodig. Zorg ervoor dat het onderwerp weet waar de knop en ze kunnen gemakkelijk.
  12. Verplaats het onderwerp naar de ingang van de boring van de scanner. Vraag het onderwerp om hun ogen te sluiten tijdens deze procedure. Lijn het licht met de kleine vlekken op het hoofd spoel op de juiste positie te bepalen.
  13. Verplaats het onderwerp in de boring van de scanner, totdat de tekst "0 mm '. Dit betekent dat de kop van het onderwerp is bovenaan isocentrum van de scanner.
  14. Geef het onderwerp het antwoord apparaat.

4 Experimentele procedure

  1. Controleer of het onderwerp de experimentator via de intercom en dat het onderwerp is comfortabel en klaar om te beginnen kan horen.
  2. Voer een localizer scan om de positie van het hoofd van de patiënt in de scanner. Gebruik dit om het gezichtsveld van alle overige metingen positioneren bepalen de delen van de hersenen te meten.
  3. Eerste perform een ​​hoge resolutie structurele scan. Open de MPRAGE sequence / programma en plaatst het gezichtsveld. Zorgen voor het hoofd van het hele onderwerp is binnen het gezichtsveld. MP-RAGE parameters: TR / TE = 2.250 / 3,03 msec, kantelhoek = 9 °, 176 sagittale plakken, FOV 256 x 256 mm, 64 x 64 matrix voxel 1 x 1 x 1 mm).
  4. Laat het onderwerp weten dat de scan zal beginnen en dan beginnen de meting.
  5. Voeren functionele MRI-scan.
    1. Open de EPI volgorde op de scanner computer en lijn het gezichtsveld aan de gehele hersenen te dekken. EPI parameters: 33 segmenten, slice dikte 3 mm, FOV 200 x 200 mm, 64 x 64 matrix herhalingstijd 2000 msec, echotijd 30 ms, flip hoek 79 °.
    2. Voer een enkel volume-test meet. Zorg ervoor dat het geheel (of zoveel mogelijk) van de hersenen van de patiënt bevat in het gezichtsveld.
      OPMERKING: onderwerpen hebben verschillende vormen en maten van de hoofden (en hersens). Derhalve optimaal positioneren het gebied vanweer te geven voor elk onderwerp.
    3. Kopieer de fMRI volgorde zodat de geplaatste gezichtsveld blijft hetzelfde voor de volgende meting. Voer het aantal volumes die nodig zijn voor de meting, 304 in dit geval.
    4. Zorg ervoor dat de software die de presentatie van de paradigma wordt voor een trigger van de scanner te wachten. Het paradigma start niet zonder trekker uit de scanner zodat het kan worden geladen en ingesteld om te wachten.
    5. Informeer het onderwerp dat het experiment van start gaat. Start de meting.
    6. Controleer of de software de presentatie van het paradigma begint op het juiste moment (dat wil zeggen dat het wordt veroorzaakt door de scanner).
    7. Voeren drie versies van de excentrieke taak. Passief, graaf, en reageren.
    8. Spreek met het onderwerp in tussen runs een vertrouwenwekkende. Zorgen voor hun comfort. Vraag of het onderwerp toelaat om verder te gaan met de studie. Instrueer het onderwerp van de komende opdracht.
    9. Start eerst de passieve condition om waar passieve kijkervaring te garanderen, zonder de kennis dat het doel stimuli inderdaad richten op stimuli. Tegenwicht aan de orde van de graaf en reageren voorwaarden over onderwerpen om effecten te voorkomen.

5 Einde van Experiment

  1. Informeer het onderwerp dat het experiment is afgerond gaan de scanner kamer.
  2. Schuif het onderwerp uit van de scanner.
  3. Verwijder hoofdspoel en kussens.
  4. Vraag het onderwerp langzaam zitten. Zodra ze zijn comfortabel, kan het onderwerp staan ​​en laat de scanner kamer.
  5. Dien elk vragenlijsten / papierwerk dat moet worden voltooid na het experiment
  6. Debrief het onderwerp: geef het onderwerp met een toelichting over de doelstellingen en het doel van het onderzoek, indien dit niet volledig mogelijk voorafgaand aan het experiment en bieden de mogelijkheid om vragen te stellen

6 Data Analysis

  1. Gebruik een software pakket dat geschikt is voor analyzing fMRI data. Voeren eerste level data-analyse voor elk onderwerp en elke voorwaarde afzonderlijk.
    OPMERKING: Gebruik de FMRIB Software Library (FSL) voor fMRI data-analyse.
  2. Breng standaard preprocessing stappen om de gegevens voor te bereiden voor verdere analyse.
    OPMERKING: Pas de volgende stappen: beweging correctie, slice timing correctie, coregistration van structurele en functie van gegevens, ruimtelijke smoothing, highpass filtering, normalisering van de individu in standaard (bijvoorbeeld MNI) ruimte. Een samenvatting van deze stappen in fMRI schoolboeken Huettel et al, (2008) 9 en Jezzard et al, (2001) 11. Specifieke informatie over het preprocessing stappen uit te voeren is beschikbaar op de website en in de ondersteunende documentatie voor elk afzonderlijk softwarepakket.
  3. Voor de statistische analyse te geven van de begin tijd en duur van alle gebeurtenissen. Deze worden aangeduid als verklarende variabelen (EV's), of regressoren.
  4. Opgezet contrasten te bepalendie EV's worden vergeleken. Doel> non-target stimuli: bij de BOLD activering specifiek voor de detectie van target stimuli het opzetten van de volgende contrast identificeren.
    OPMERKING: Gebruik eventueel andere contrasten: target stimuli tegen uitgangssituatie; non-target stimuli tegen de uitgangssituatie; doel stimuli> non-target stimuli; non-target stimuli> doel stimuli
  5. Voer de eerste niveau statistische analyse voor elk onderwerp en elke toestand afzonderlijk. Het resultaat van de analyse toont de actieve hersengebieden voor elk van de respectieve contrast.
  6. Vergelijk de drie voorwaarden het gebruik van een tweede niveau of groepsniveau, analyseert. Met de uitgang van het eerste niveau analyse als input voor het groepsniveau analyse.
    OPMERKING: In de originele papieren 7 de verschillen tussen condities op het doel> frequente contrast met een Verdrievoudigd Twee-Group Verschil ontwerp met betrekking tot de volgende tegenstellingen: reageren> passieve, tellen> passieve, reageren> telling.Deze contrasten onthullen hersenactiviteit geassocieerd met de variatie in de cognitieve processen in de drie respons modaliteiten.

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

Het stimuleren en analysemethode ontlokte BOLD activatie in hersengebieden die geassocieerd met een visuele excentrieke taak. Het doel> non-target contrast liet geen activering voor de passieve toestand waren, maar wees activering in zowel de graaf en reageren (figuur 3). De in figuur 3 gegevens een kwalitatieve vergelijking van de graaf en reageren omstandigheden en laat zien hoe de activering patronen zouden, als elke versie van de opdracht werd uitgevoerd in isolement.

De belangrijkste vergelijkingen plaats waren die tussen de voorwaarden. Dus, waarbij hersengebieden doet target detectie gerelateerd activatie afwijken wanneer de taakeisen veranderd? Figuur 4 toont dat er verschillen tussen de condities. In tegenstelling tot de kwalitatieve beoordeling van de verschillen tussen de graaf en reageren staat boven beschreven, deze vergelijking wordt uitgevoerd onder toepassing van t-tests voor geheel hersendata, showing van de regio's waar de activering aanzienlijk verschilt tussen de condities.

De gegevens uit de oorspronkelijke studie 7 tonen de verschillen in BOLD activering tussen de graaf en reageren versies van de visuele excentrieke. Als er geen gegevens van beide voorwaarden ter vergelijking de activering worden toegeschreven aan 'target detectie in beide condities. Echter, werd activering waargenomen in het midden frontale gyrus (MFG) tijdens het reageren maar niet de telling toestand. Dat MFG activering werd waargenomen in de telling voorwaarde geeft aan dat het gerelateerd is aan de motor opgesteld en / of motorische respons verband met de druk op de knop in de toestand reageren in plaats van alleen de doeldetectie processen. Aangezien de telling taak voor vergelijking is het waarschijnlijk dat deze MFG activatie zou zijn toegeschreven aan cognitieve processen geassocieerd met de opdracht dan tot uitvoering optreden. Evenzo activatie in de aanvullende motof gebied (SMA) werd waargenomen tijdens de telling toestand en de toestand reageren. Er zijn geen reacties in de telling toestand, dus is het onwaarschijnlijk dat de SMA activering gerelateerd aan motor bereiding, wat suggereert dat de SMA speelt een rol bij andere aspecten van de taak zoals aandacht aan de stimuli, detectie van target stimuli, de beslissing of om een ​​reactie te maken en zo ja welke reactie maken. Het is waarschijnlijk dat SMA activering zou zijn geïnterpreteerd als zijnde betrokken bij motorische voorbereiding als er slechts een reageren versie van de taak, wat betekent dat de rol van de SMA in andere taak-gerelateerde processen zou zijn over het hoofd gezien. Dit wijst op een aantal mogelijke valkuilen bij het interpreteren van fMRI data. Ondanks de taak die hier gebruikt zijn relatief eenvoudig het gaat om vele perceptuele en cognitieve processen. Het kan moeilijk zijn deze cognitieve processen en hun onderliggende neurale substraten differentiëren. Het ontwerp van deze studie, waardoor binnen scan beoordeling of the target detectie contrast tussen scan gevolgd door vergelijking van de omstandigheden een robuust ontwerp, maar het is niet in staat de mogelijke rollen van het SMA differentiëren verder dan wordt vastgesteld dat het bijdraagt ​​aan zonder motor processen processen. Dit benadrukt de noodzaak van een zorgvuldige experimentele ontwerp en de analyse in fMRI studies.

Figuur 1
Figuur 1 De excentrieke paradigma het onderzoek van een reeks stimuli (in dit geval cirkels), 80% van die van een type, frequent ', en 20% van een ander type' target '. Het doelwit stimuli wekken doelwit detectierespons vanwege de zeldzaamheid van dit type stimulus. In deze paper, werden 3 versies van de uitgevoerde taak. De eerste passieve waarin passieve weergave van de stimuli (R omvatesponse gemaakt). De tweede is mee gaat het tellen van het aantal gerichte stimuli en melden van de totale aan het eind van het experiment. De derde is reageren, gaat het een druk op de knop elke keer als een stimulus wordt weergegeven.

Figuur 2
Figuur 2 De hemodynamische respons is de levering van bloed naar neuraal actieve weefsels. De hemodynamische respons in de hersenen stijgt langzaam (in vergelijking met neurale activiteit) en de pieken ongeveer 5 sec na een stimulus. De respons neemt vervolgens een aantal seconden (15-20) om terug te keren naar de uitgangssituatie. De figuur toont de canonieke hemodynamische respons functie; Dit is een hypothetisch in responsie op een enkel, kort 'zero duration stimulus, het signaal terug naar de basislijn indien de stimulus niet langer aanhoudt.

Figuur 3
Figuur 3 BOLD activering voor het doel> frequente contrast voor de telling en de reactie omstandigheden. (Tweede niveau mixed-effects VLAM. N = 16,-Cluster gecorrigeerd drempel Z = 2.3, p = 0.05). Dit cijfer en de titel zijn gewijzigd vanaf Warbrick et al, 2013 7.

Figuur 4
Figuur 4 Het linker deel van de figuur toont BOLD activering voor de telling toestand tegen de passieve toestand. Het rechter deel van de figuur toont het reageren toestand tegen de passieve toestand. Alle gegevens vertegenwoordigen de doelgroep> frequente lager contrast. Deel A benadrukt activering in de aanvullende motorische gebied (SMA). Deel Btoont de middelste frontale gyrus (MFG) activering voor alleen het reageren conditie. (Het tweede niveau mixed-effects VLAM. N = 16,-Cluster gecorrigeerd drempel Z = 2.3, p = 0.05) Dit cijfer en het bijschrift zijn gewijzigd vanaf Warbrick et al, 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

We laten zien dat het manipuleren van de taak vraagt ​​in de visuele excentrieke taak resulteert in verschillende patronen van BOLD activering in de graaf en reageren voorwaarden. De functionele rol van sommige die betrokken zijn bij elke conditie zou behoren zijn toegewezen had gegevens van de drie versies van de taak niet verkrijgbaar waren vergeleken. Deze dubbelzinnigheid in data interpretatie zou niet noodzakelijkerwijs het geval is in het EEG P300 veld waar de taak heeft zijn oorsprong, met de nadruk op de noodzaak van speciale aandacht bij het overbrengen van experimentele paradigma's van de ene modaliteit naar de andere zijn geweest. Bijvoorbeeld, veel cognitieve processen (zoals aandacht en werkgeheugen) tot het ontstaan ​​van de P300 component maar deze worden door een enkele elektrofysiologische marker, in tegenstelling tot de wijdverbreide activatie gezien in de fMRI BOLD respons. Verder is de P300 wordt niet beïnvloed door de motorische respons op dezelfde wijze als fMRI gegevens. De temporele resolutie van de EEG-gegevens maakt het mogelijk de cognitieve en motorische reacties in de tijd te worden gescheiden. De aard van de fMRI BOLD maatregel betekent dat veel hersengebieden blijken actief te zijn tegelijkertijd in een bepaalde taak. Het bepalen van de functies van deze gebieden van activatie is sterk afhankelijk taak ontwerp en analyse. Het wordt daarom aanbevolen dat het ontwerp van een fMRI studie wordt piloot gedragsmatig onderzocht om de effecten van belang vast te stellen en vervolgens piloot getest in de fMRI omgeving passend ontwerp, de uitvoering en de analyse van de effecten van belang te waarborgen.

Naast het geleiden van de interpretatie van gegevens uit excentrieke werkzaamheden uitvoert motorische reactie van de bevindingen uit de oorspronkelijke studie 7 tonen dat het mogelijk is studies op de excentriek taak om zich op specifieke aspecten van doeldetectie ontwerpen. Bijvoorbeeld onderzoekt de integratie van sensorische input naar de juiste motor respons kon doenne reageren met de versie van de taak. De telling versie van de taak anderzijds zou geschikter voor onderzoeken processen die samenhangen met de besluitvorming zijn, met name wanneer de motor respons niet vereist. In sommige populaties, bijvoorbeeld veroudering of patiënten met bewegingsstoornissen, de productie van een motorische respons wordt beïnvloed door niet-task factoren, in deze gevallen de telling versie van de excentrieke taak het meest passend is.

De gegevens bewijs voor hoe hersenactiviteit patronen verschillen tussen versies van de excentrieke taak bieden niet alleen, ze illustreren ook dat gezien de elementen van cognitieve / gedragsmatige taken gebruikt in fMRI experimenten is van cruciaal belang als de gegevens op passende wijze worden geïnterpreteerd. Dit is vooral belangrijk paradigma waar het mogelijk is om een ​​openlijke of verborgen reactie gebruiken. Inclusief motorische reactie verandert de eisen van de taak en activering opgewekt door de motor respons kan de interpretatie van andere taakgerelateerde activering beïnvloeden. Kwesties zoals deze moet worden beschouwd als het aanpassen van een paradigma over verschillende beeldvormende modaliteiten.

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).
Het overbrengen van cognitieve taken tussen Brain beeldvorming: implicaties voor de taak een ontwerp en Interpretatie van resultaten in fMRI Studies
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