Transfert de tâches cognitives entre le cerveau modalités d'imagerie: Implications pour la conception des tâches et l'interprétation des résultats dans les études IRMf

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

Comme les méthodes des neurosciences cognitives se développent, les tâches expérimentales établies sont utilisés avec nouvelles modalités d'imagerie cérébrale. Il s'agit d'une progression logique puisque la plupart des concepts neuropsychologiques (par exemple, la mémoire distinct sous-composants) ont été étudiés dans le domaine du comportement et des tâches expérimentales appropriées pour sonder fonctions spécifiques ont été développés et testés. Comme la nouvelle technologie émerge preuves pour les fondements neuronaux de ces observations comportementales est recherché avec les nouvelles méthodes d'imagerie cérébrale. Bien qu'il puisse être tentant de tirer simplement sur des tâches comportementales bien étudiés pour les études d'imagerie, plusieurs mises en garde importantes doivent être prises en compte. Cruciale, mais souvent négligée, compte est l'utilisation de la technique d'imagerie la plus appropriée pour explorer davantage la preuve de comportement. En termes de neuroscience cognitive et la psychologie, il existe de nombreuses méthodes d'imagerie cérébrale disponibles pour améliorer notre compréhension de l'activ neuroneslité qui sous-tend les concepts d'intérêt; par exemple l'électroencéphalographie (EEG), la magnétoencéphalographie (MEG), la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et la tomographie par émission de positons (TEP). Toutes ces méthodes ont leurs avantages, les inconvénients et les applications appropriées. Voici le transfert d'un paradigme avec une longue histoire d'expériences comportementales et électroencéphalographiques à une expérience IRMf est considéré. EEG a été utilisé pendant des décennies pour étudier les réponses des neurones associés aux processus perceptifs et cognitifs. En tant que tel, de nombreux paradigmes ont été développés pour être utilisés avec cette méthode et ont évolué au fil du temps. L'IRM fonctionnelle est une technique qui a émergé plus récemment en neurosciences cognitives, ce qui a conduit à certains paradigmes développés dans la recherche EEG utilisées dans l'IRMf. Pour construire sur la base de connaissances à partir d'expériences EEG avec les nouvelles techniques est une étape logique mais néanmoins quelques points importants peuvent être négligés dans le transfert. L'techniques unere très différente et les tâches doivent être conçus en conséquence. Cela suppose une connaissance de la façon dont la méthode fonctionne et, en particulier, la façon dont les modulations possibles du paradigme utilisé influenceront les mesures prises. Pour plus d'informations sur la conception des expériences IRMf le lecteur intéressé est dirigé vers le lien suivant http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . conception des tâches sera considérée dans le contexte de transfert d'un paradigme développé pour la recherche EEG à l'environnement IRMf. Les objectifs de cette étude sont les suivants: i) de décrire brièvement l'IRMf et lorsque son utilisation est appropriée dans les neurosciences cognitives; ii) pour illustrer la façon dont la conception de la tâche peut influencer les résultats d'une expérience d'IRMf, en particulier lorsque cette tâche est emprunté à une autre modalité d'imagerie; et iii) d'expliquer les aspects pratiques de la réalisation d'une expérience IRMf.

L'IRM fonctionnelle est maintenant largement disponible technique et en tant que telle est une méthode couramment utilisée en neurosciences cognitives. Afin de prendre une décision quant à savoir si la technique est appropriée pour une expérience notamment les avantages et les inconvénients de l'IRMf doivent être considérés par rapport aux autres techniques disponibles. Un inconvénient de la méthode est qu'elle n'est pas une mesure directe de l'activité neuronale, il s'agit plutôt d'une corrélation de l'activité neuronale en ce que la réponse métabolique (besoin en oxygène) convoluée avec la réponse hémodynamique. Ainsi, la résolution temporelle est faible par rapport à l'électrophysiologie, par exemple, où le signal électrique mesuré est plus proche de l'activité neurale sous-jacente plutôt que d'une réponse métabolique. EEG présente une résolution temporelle de l'ordre de quelques millisecondes par rapport à une résolution de l'ordre de quelques secondes à IRMf. Cependant, le principal avantage de l'IRMf est que la résolution spatiale de la technique est excellente. En outre, il est non invasive et donc sujets n'ont pas à ingérer des substances telles que la coopérationagents ntrast ou être exposés à des rayonnements comme ce serait le cas en tomographie par émission de positons (TEP). Par conséquent, l'IRMf est une technique appropriée pour les expériences de l'enquête que les régions du cerveau sont impliquées dans la perception, la cognition et le comportement.

Dans ce document, le paradigme excentrique visuel est considéré comme un exemple pour le transfert d'un EEG-tâche bien établie à l'IRMf (voir la figure 1 pour plus de détails). Il convient de noter que les questions discutées pourraient également influer sur les résultats et l'interprétation des données lorsque d'autres paradigmes sont utilisés et doivent être techniquement considérées dans la conception de toutes les expériences IRMf. Le paradigme excentrique est fréquemment utilisée en psychologie et en neurosciences cognitives pour évaluer l'attention et de cibler les performances de détection. Le paradigme a été développé dans la recherche EEG, spécifiquement liés à un événement potentiels (ERP), pour étudier la composante dite P300 ^1. Le P300 représente la détection de la cible et est provoquée lors de la reconnaissance d'un stimulus cible rare ^1. Le P300 est utilisé dans les études sur un certain nombre de domaines cognitifs et cliniques ² par exemple, les patients atteints de schizophrénie et leurs parents ^{3, 4} gros fumeurs et le vieillissement de la population ^5. Étant donné que le paradigme excentrique (et le P300 induite par le paradigme) est robuste et est également modulée par différents états pathologiques, son transfert à travers différentes modalités d'imagerie était inévitable.

L'activation généralisée vu dans le cerveau lors d'une mesure IRMf excentrique est connu pour être le résultat de plusieurs fonctions cognitives, comme le montrent les nombreuses études IRMf sondage d'autres concepts cognitifs. Ce caractère généralisé du modèle d'activation, il est difficile de déterminer quelles régions du cerveau sont plus (ou moins) actif en raison des manipulations de tâches spécifiques ou des différences entre les groupes que l'expérimentateur qui l'intéresse. Plus précisément, il n'est pas certain que les différences observées dans les activation sont liés à la détection de cibles lui-même, pour les processus d'attention liés, ou si elles sont liées à d'autres exigences de la tâche telles que les processus en cours de mémoire de travail ou les processus liés à la production d'une réponse motrice. Le processus de la fonction attribuer à l'activité mesurée est plus facile dans le domaine EEG où la composante cognitive de l'intérêt (détection de la cible) est mesurée en réponse cérébrale clairement à la tâche excentrique (P300). Néanmoins, les neuroscientifiques ont tendance à interpréter leurs résultats en faveur de leur propre hypothèse et l'expérience, plutôt que de mettre dans l'effort pour écarter d'autres explications. La plupart des expériences, cependant, ne seront pas en mesure de résoudre ces questions importantes en soi – le temps de cycle est coûteux – ce qui explique pourquoi nous plaidons pour une planification minutieuse et des essais pilotes de paradigmes.

Outre cette difficulté à établir un lien direct entre les régions du cerveau et des composantes cognitives, la nature du paradigme excentrique aussiprésente d'autres questions méthodologiques possibles lors de son transbordement d'IRMf. Par exemple, la détection d'un stimulus cible est généralement indiqué en appuyant sur un bouton de réponse. Cela permet à l'expérimentateur d'enregistrer la précision et la rapidité des réponses, mais cette réponse peut également avoir une incidence sur la réponse IRMf BOLD à des stimuli cibles. L'action du moteur nécessaire pour les impacts bouton de presse sur l'activation IRMf stimulus verrouillage étant donné qu'il se trouve à quelques centaines de millisecondes après la présentation du stimulus cible. Cela peut également influer sur l'interprétation de cette activation, par exemple les régions du cerveau impliquées dans la préparation de la réponse du moteur pourraient à tort supposé être impliqué dans la détection du stimulus cible, et vice versa. Cela a conduit à des modifications méthodologiques lequel des mesures indirectes de détection de cible, pas en s'appuyant sur les réponses motrices, sont prises. Par exemple, compter stimuli cibles a été proposé ⁶ comme un moyen de s'assurer que les sujets maintiennent attentisur la tâche; le nombre d'essais raté peut indiquer comment inattentif un sujet était. Indiquant le nombre de stimuli comptés à la fin de la tâche signifie également que l'expérimentateur peut vérifier si le sujet a effectué la tâche correctement. Une troisième solution consiste à utiliser une conception de la tâche entièrement passive où le sujet est donné aucune instruction sur la façon de répondre et la nouveauté d'un stimulus cible est supposée provoquer en soi une réponse de détection comme cible. En dépit de ces versions de la tâche en utilisant le même type de stimuli et de la conception de base, le modèle d'activation résultant de chaque variation de la tâche sera différente parce que les exigences cognitives et motrices des tâches sont différentes ^7,8. Par exemple, il y aura de travail des processus de mémoire impliqués dans le comptage des stimuli cibles par exemple, en maintenant le nombre actuel de stimuli cibles à l'esprit, qui ne seront pas nécessaires pendant le visionnement passif. Voici ces 3 versions de la tâche excentrique, passifs, compter, une répondre sont utilisés pour montrer comment la conception et la mise en œuvre de la tâche minutieuse peut tenir compte de ces changements dans les exigences de la tâche et permettre une interprétation appropriée des résultats.

Protocol

REMARQUE: Le protocole de l'étude a été approuvée par les sujets humains locaux du Conseil d'examen à l'université RWTH Aachen et a été réalisée en conformité avec la Déclaration d'Helsinki. 1 Groupe de Conception Choisissez une tâche appropriée pour enquêter sur la construction cognitive / psychologique d'intérêt. Utilisez la tâche excentrique visuelle (Figure 1) pour mesurer les réponses de détection de cibles et les effet…

Representative Results

La méthode de stimulation et d'analyse a suscité activation BOLD dans les régions du cerveau associées à une tâche visuelle excentrique. La cible> contraste non-cible n'a révélé aucune activation de l'état passif, mais fait apparaître activation à la fois le nombre et répondre (Figure 3). Les données présentées dans la figure 3 est une comparaison qualitative du comte et répondent conditions et montre comment les modèles d'activation seraient regarde…

Discussion

Nous montrons que la manipulation de la tâche exige dans les résultats de la tâche excentriques visuels dans différents schémas d'activation BOLD dans le comptage et répondre conditions. Les rôles fonctionnels de certaines des régions impliquées dans chaque condition aurait été inappropriée affectés avaient données des trois versions de la tâche pas été disponibles pour la comparaison. Cette ambiguïté dans l'interprétation des données n'aurait pas nécessairement été …

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