Übertragen kognitiven Aufgaben zwischen Gehirnbildgebende Verfahren: Implikationen für die Aufgabengestaltung und Ergebnisse Interpretation in fMRT-Studien

Introduction

Wie kognitiven Neurowissenschaften Methoden zu entwickeln, festgestellt werden experimentelle Aufgaben mit aufstrebenden Gehirn bildgebenden Modalitäten verwendet. Dies ist eine logische Folge, da die meisten neuro Konzepte (zum Beispiel unterschiedliche Speicherunterkomponenten) sind in der Verhaltens Domäne und entsprechenden experimentellen Arbeiten zur Sondierung spezifische Funktionen untersucht, entwickelt und getestet. Als neue Technologie entsteht die Beweise für die neuronalen Grundlagen dieser Verhaltensbeobachtungen mit den neuen bildgebenden Methoden gesucht. Zwar mag es verlockend, einfach zu ziehen auf gut untersuchten Verhaltens Aufgaben für bildgebende Studien, haben mehrere wichtige Einschränkungen berücksichtigt werden. Ein wesentlicher, wenn auch häufig vernachlässigt, ist die Berücksichtigung der Verwendung des am besten geeigneten Bilderzeugungstechnik zu weiteren Sonde die Verhaltenshinweise. In Bezug auf die kognitiven Neurowissenschaften und der Psychologie gibt es viele bildgebende Verfahren zur Verfügung, um unser Verständnis des neuronalen aktiv verbessernkeit zugrunde liegenden Konzepte von Interesse; zum Beispiel der Elektroenzephalographie (EEG), Magnetenzephalographie (MEG), transkranielle Magnetstimulation (TMS), die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Alle diese Methoden haben ihre Vorteile, Nachteile und entsprechende Anwendungen. Hier die Übertragung eines Paradigma mit einer langen Geschichte von Verhaltens-und EEG-Experimente zu einem fMRI-Experiment betrachtet. EEG ist seit Jahrzehnten eingesetzt, um neuronale Reaktionen mit Wahrnehmungs und kognitive Prozesse verbunden zu untersuchen. Als solche haben viele Paradigmen für die Verwendung mit diesem Verfahren entwickelt und im Laufe der Zeit entwickelt. Funktionelle MRT ist eine Technik, die in jüngerer Zeit in den kognitiven Neurowissenschaften entstanden und dies hat zu einigen Paradigmen in der EEG-Forschung entwickelt, die in fMRI eingesetzt geführt. Um die Wissensbasis von EEG-Experimente mit den neuen Techniken zu bauen, ist ein logischer Schritt, aber dennoch einige wichtige Punkte können in der Übertragung vernachlässigt werden. Die Techniken einsind sehr unterschiedlich und Aufgaben müssen entsprechend ausgelegt sein. Dies erfordert Wissen, wie die Methode funktioniert und insbesondere, wie potenzielle Modulationen des Paradigmas verwendet werden die Maßnahmen zu beeinflussen. Für weitere Informationen über das Design von fMRI-Experimente der interessierte Leser auf den folgenden Link gerichtet http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Aufgabe Design wird im Rahmen der Übertragung eines Paradigma für EEG-Forschung für die fMRI-Umgebung entwickelt betrachtet werden. Die Ziele dieser Arbeit sind: i) kurz beschreiben, fMRI und wenn ein Einsatz Sinn in den kognitiven Neurowissenschaften ist; ii) zu veranschaulichen, wie Aufgabengestaltung können die Ergebnisse eines Experiments fMRI, insbesondere wenn diese Aufgaben von einem anderen bildgebenden Verfahren entlehnt beeinflussen; und iii) die praktischen Aspekte der Durchführung einer fMRI-Experiment erklären.

Funktionelle MRT ist heute ein weithin verfügbar techniQue und als solche ist ein übliches Verfahren in den kognitiven Neurowissenschaften eingesetzt. Um eine Entscheidung zu treffen, ob die Technik für ein bestimmtes Experiment die Vorteile und Nachteile der fMRT müssen im Verhältnis zu anderen verfügbaren Techniken berücksichtigt werden angemessen zu machen. Ein Nachteil des Verfahrens ist, dass es nicht ein direktes Maß für die neuronale Aktivität, sondern es ist ein Korrelat der neuronalen Aktivität in dem die Stoffwechselreaktion (Sauerstoffbedarf) der hämodynamischen Antwort gefaltet. Somit ihre zeitliche Auflösung ist schlecht im Vergleich zu Elektrophysiologie, zum Beispiel, wenn der gemessene elektrische Signal näher an der zugrunde liegenden Nervenaktivität statt einer Stoffwechselreaktion ist. EEG hat eine zeitliche Auflösung in der Größenordnung von Millisekunden im Vergleich zu einer Auflösung in der Größenordnung von Sekunden in fMRI. Jedoch ist der Hauptvorteil der fMRI, dass die räumliche Auflösung der Technik ist hervorragend. Ferner ist es nicht invasiv und somit Fächer nicht zu Substanzen wie CO aufnehmenntrast Mittel oder Strahlung, wie es in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) der Fall sein, ausgesetzt werden. Daher ist eine geeignete Technik fMRI für Experimente untersuchen, welche Hirnregionen sind in der Wahrnehmung, Kognition und Verhalten beteiligt.

In diesem Papier die visuelle oddball Paradigma wird als Beispiel für die Übertragung von einem gut etablierten EEG-fMRI Aufgabe (siehe Abbildung 1 für Details) übernommen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Probleme diskutiert auch beeinflussen Ergebnisse und Interpretation der Daten, wenn andere Paradigmen verwendet werden und sollte technisch in der Gestaltung aller fMRI Experimente angesehen werden können. Die oddball Paradigma wird häufig in der Psychologie und den kognitiven Neurowissenschaften verwendet werden, um Aufmerksamkeit zu beurteilen und Zielerkennungsleistung. Das Paradigma wurde in der EEG-Forschung entwickelt, die speziell ereigniskorrelierten Potenziale (EKP), für die Untersuchung der so genannten P300-Komponente ^1. Die P300 stellt Zielerkennung und wird bei Erkennung ausgelösteine seltene Zielreiz ^1. Die P300 ist in Studien in einer Reihe von kognitiven und klinischen Bereichen ² zB Patienten mit Schizophrenie und deren Angehörige ^3, starke Raucher ⁴ und der Alterung der Bevölkerung ⁵ verwendet. Da die oddball Paradigma (und der P300 durch das Paradigma hervorgerufen) ist robust und wird auch von verschiedenen Krankheitszuständen moduliert und ihre Übertragung in verschiedenen bildgebenden Verfahren war unvermeidlich.

Die weit verbreitete Aktivierung im Gehirn während einer fMRT-Messung oddball gesehen ist bekannt, dass das Ergebnis von mehreren kognitiven Funktionen sein, wie zahlreiche fMRT-Studien Sondieren anderen kognitiven Konzepte gezeigt. Diese weit verbreitete Art der Aktivierungsmuster macht es schwierig, festzustellen, welche Hirnregionen sind mehr (oder weniger) aktiv aufgrund der spezifischen Aufgabe Manipulationen oder Gruppenunterschiede, dass der Experimentator interessiert ist. Insbesondere ist es nicht sicher, ob die beobachteten Unterschiede in der Activation sind verwandt, um den Nachweis selbst zielen, um die Aufmerksamkeit bezogenen Prozesse, oder ob sie auf andere Aufgabenanforderungen, wie laufende Prozesse oder Arbeitsgedächtnis, die zur Herstellung eines Kraft Antwort Zusammenhang stehen. Der Prozess der Zuordnung von Funktion der gemessenen Aktivität ist einfacher in der EEG-Domäne, in der kognitive Komponente von Interesse (Zielerfassung) in klare Antwort auf die zerebrale oddball Aufgabe (P300) gemessen. Dennoch neigen Neurowissenschaftler, ihre Ergebnisse zu Gunsten der eigenen Hypothese und Experiment interpretieren, sondern als das Bemühen um auszuschließen, alternative Erklärungen. Die meisten Experimente, jedoch nicht in der Lage, diese wichtigen Fragen von Natur aus zu lösen - Scanzeit ist teuer - das ist, warum wir streiten für eine gründliche Planung und Pilottests von Paradigmen.

Neben dieser Schwierigkeit, eine direkte Verbindung zwischen Hirnregionen und kognitive Komponenten, die Art der oddball Paradigma auchstellt andere mögliche methodische Fragen, wenn sie auf fMRI übertragen. Beispielsweise wird die Erfassung eines Ziel Stimulus gewöhnlich durch Drücken einer Antworttaste angezeigt. Dies ermöglicht es dem Experimentator, die Genauigkeit und die Geschwindigkeit der Reaktionen aufzunehmen, aber diese Reaktion kann auch auf der BOLD fMRI Reaktion auf Stimuli beeinflussen zielen. Der Motor Aktion für die Taste drücken Auswirkungen auf Reiz-gesperrt fMRI-Aktivierung erforderlich gegeben, dass es nur ein paar hundert Millisekunden nach der Präsentation des Zielreiz passiert. Dies kann auch beeinflussen Auslegung dieser Aktivierung, beispielsweise Hirnregionen bei der Vorbereitung für die Motorreaktion beteiligt sein könnten fälschlicherweise angenommen, dass bei der Detektion der Ziel Stimulus beteiligt ist, und umgekehrt. Dies hat zu methodischen Änderungen, wobei indirekte Maßnahmen der Zielerkennung, nicht auf motorische Reaktionen angewiesen, getroffen werden geführt. Zum Beispiel zählen Zielreize wurde als ein Weg, um sicherzustellen, dass Themen halten attenti vorgeschlagen ⁶auf die Aufgabe; die Anzahl der Versuche verpasst hat, kann angeben, wie unaufmerksam ein Thema war. Die Berichterstattung über die Anzahl der Reize am Ende der Aufgabe gezählt bedeutet auch, dass der Experimentator kann prüfen, ob das Thema richtig durchgeführt die Aufgabe. Eine dritte Alternative ist, um eine vollständig passive Aufgabe Design, bei dem das Motiv keine Anleitung, wie zu reagieren und die Neuheit eines Zielreiz gegeben wird angenommen, dass von Natur aus zu entlocken ein Zielerfassungsartige Reaktion zu verwenden. Trotz dieser Versionen der Aufgabe mit der gleichen Art von Stimuli und Grundkonstruktion wird das Aktivierungsmuster von jeder Schwankung der Aufgabe ergebenden unterschiedlich sein, weil die kognitiven und motorischen Anforderungen der verschiedenen Aufgaben ^7,8 sind. Zum Beispiel wird es in Arbeits Zählen Zielreize zB, die aktuelle Anzahl der Zielreize im Auge beteiligt Gedächtnisprozesse, die während der passiven Betrachtung nicht erforderlich wird. Hier sind diese 3 Versionen des oddball Aufgabe, passiv, zu zählen, einnd reagieren werden verwendet, um zu zeigen, wie vorsichtig Aufgabe Design und Implementierung kann für diese Änderungen in der Aufgabenanforderungen Rechnung tragen und entsprechende Interpretation der Ergebnisse.

Protocol

HINWEIS: Das Studienprotokoll wurde von der lokalen Human Subjects Review Board an der RWTH Aachen genehmigt und wurde in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt.

1. Aufgabengestaltung

1. Wählen Sie eine geeignete Aufgabe, die kognitiven / psychologisches Konstrukt von Interesse zu untersuchen. Verwenden Sie die visuelle oddball Aufgabe (Abbildung 1), um die Zielerkennung Antworten und die Auswirkungen der Aufmerksamkeit auf Zielerkennung zu messen. Dies ermöglicht Untersuchung des Einflusses der Aufgabe Manipulationen fMRI Daten.
2. Verwenden Sie drei Versionen des oddball Aufgabe.
   1. Passive Version: Fragen Sie das Thema auf visuelle Reize zu beobachten. Keine Antwort nicht erkennen.
   2. Silent-Version Zahl: Bitten Sie das Motiv, um die Zielreize zählen. Diese Aufgabe erfordert die Aufmerksamkeit gegenüber diesen Reizen und einem anspruchsvollen Prozess.
   3. Reagieren Version: Fragen Sie das Thema, um eine Antwort auf Taste drücken sehen eine target Reiz. Diese Aufgabe erfordert Aufmerksamkeit, Diskriminierung Prozesse und Auswahl / Herstellung einer Reaktion auf Reize Ziel.
3. Betrachten Sie die entsprechende Anzahl der Versuche für eine robuste Reaktion erforderlich. Das Signal-Rausch-Verhältnis im fMRI-Messungen ist relativ gering und erfordert eine Reihe von Reaktionen auf, um die Auswirkungen von Zins ⁹ untersuchen gemittelt werden. Dies hängt von der Aufgabe und Stimulus Modalität verwendet. 200 Studien werden in dieser Aufgabe eingesetzt, davon 40 Ziel Studien ausreichend, um eine robuste Reaktion hervorzurufen.
4. Bestimmen der Zeitpunkte für die Folge von Reizen. Der Zeitpunkt der Reize ist entscheidend in einer fMRT-Studie zur Prüfung der Präsentationsrate ^10. Betrachten Sie die hämodynamischen Antwort-Verzögerung zwischen Reizbeginn und der gemessenen Hirnantwort (Abbildung 2).
   1. Achten Sie auf eine ausreichende Balance zwischen Bereitstellung Reize in einer angemessenen Höhe der Zeit, und wenn genügend Probenahme der hämodynamischen resPonse jedem Reiz, einschließlich der Rückkehr zum Ausgangswert. Herunterladen, installieren und ausführen optseq Software. Führen optseq optimal Verteilung der Studien auf der Basis von Versuch Anzahl der Versuche, Reizdauer und Scanparameter (Wiederholungszeit und Anzahl der Bände).
5. Implementieren Sie die Reihenfolge der Reize (vorher festgelegt) in einem geeigneten Programm für die Präsentation der Paradigma zum Thema.
   1. Geben Sie alle für den Paradigmenwechsel in Bezug auf die Art der Reize, Timing und Antworten Informationen.
      Hinweis: Die Programmierung Details sind hier nicht dargestellt, da jedes Paradigma wird unterschiedliche Anforderungen werden verschiedene Software-Pakete haben.
6. Richten Sie das Programm, das die experimentelle Paradigma liefern wird, so dass es mit einem Trigger aus dem Scanner zu starten. Dies ermöglicht eine Synchronisation der erfassten Daten und der Abfolge von Reizen präsentiert.

2. Richten Sie Experimentelle Umwelt

1. Prepare den Scanner Raum. Verbinden Sie den unteren Teil des richtigen Kopfspule an das Scanner-Bett. Legen Sie saubere Schutzabdeckungen auf der Scanner-Bett und Kissen.
2. Verwenden Sie ein Anzeigegerät, das experimentelle Paradigma auf das Thema präsentieren und notieren Sie die Antworten mit einem Handheld-Gerät. Schalten Sie das Anzeigegerät und ein Handgerät "on".
3. Starten Sie die Software, die das experimentelle Paradigma liefern wird und einen Namen für die Protokolldatei. Die Protokolldatei enthält Informationen über den Zeitpunkt der Reize und der Antworten durch den Gegenstand gemacht. Verwenden Sie diese Informationen für die Analyse der Daten.
4. Registrieren Sie das Thema in der MR-Scanner-Datenbank. Aufzeichnungsdaten unter Verwendung einer eindeutigen Identifikationsnummer. Sie Name Subjekts nicht zusammen mit den Daten, die Privatsphäre zu garantieren.
5. Stellen Sie sicher, dass die MR-Sequenzen zu laufen sind und bereit gesetzt werden. Verwenden Sie die folgenden Sequenzen: a Localizer zu scannen, um die Themen "Kopfposition innerhalb der Spule, einer EPI-Sequenz für die fu erhaltennctional Bildgebung und MPRAGE für eine hochauflösende Struktur Scan.

3. Vorbehaltlich Anreise und Eintritt zum Scanner

1. Bildschirm das Thema für Kontraindikationen mit der MRT vor dem Experiment (zB während des Einstellungsverfahrens).
   1. Bieten MR Sicherheitsanweisungen vor dem Scannen. Screening von Themen (durch geschultes Personal). Sorgen für Sicherheit Probanden. Stellen Sie sicher, sie haben keine Metall in ihrem Körper, nicht Geräte wie Herzschrittmacher und alle anderen Ausschlusskriterien nicht erfüllen.
2. Nach der Ankunft Probanden überprüfen Sie die Screening-Fragebogen aus und bestätigen Sie ihre Kompatibilität bevor Sie fortfahren.
3. Erklären Sie die Versuchsdurchführung mit dem Thema und bieten die Möglichkeit, Fragen zu stellen. Fragen Sie die Zustimmung und die Datenschutzformen zu unterzeichnen.
4. Wenn das Experiment mit komplexen Aufgaben erfordern Training wird empfohlen, dass das Thema führt eine Praxis führen vor der going in den Scanner.
5. Stellen Sie sicher, dass das Thema metallfrei, ohne Münzen, Gürtel, Uhren und Schmuck. Nach der Bestätigung, lassen Sie das Thema in der Scannerraum.
6. Bitten Sie das Motiv, um den Scanner Bett trägt Ohrstöpsel sitzen. Die hier verwendeten Ohrstöpsel bieten Schutz gegen den Lärm aus dem Scanner während des Scannens und erlauben auch die Ermittler, um direkt mit dem Thema von der Warte aus zu kommunizieren. In einigen Einrichtungen werden für die Kommunikation mit dem Thema Kopfhörern verwendet.
7. Bitten Sie das Motiv, auf das Scanner-Bett hinlegen. Bieten dem Thema ein Kissen unter die Knie gehen, um Rückenschmerzen zu reduzieren. Der Komfort des Themas ist wichtig für ihr Wohlbefinden und die Datenqualität. Bewegung von Beschwerden hervorgehen, haben einen negativen Einfluss auf die Bilddaten und Ablenkung durch Beschwerden verursacht die Ausführung der Aufgabe beeinflussen.
8. Legen Sie den oberen Teil der Kopfspule über den Kopf des Patienten und stecken Sie die Anschlüsse. Positionieren Sie das Motiv217; Kopf in geeigneter Weise in die Kopfspule. Bringen Sie die kleine Markierung auf der Kopfspule entlang der Probanden Augenbrauen. Stellen Sie sicher, das Thema ist gerade und bequem liegt. Die Spule Oberfläche sollte nicht berühren das Gesicht (zB Druck auf die Nase).
9. Sichern Kopf der Person mit kleinen Kissen Kopfbewegungen während des Scanvorgangs zu minimieren. Kopfbewegungen haben negative Auswirkungen auf die Qualität der Daten.
10. Stellen Sie einen Spiegel auf der Oberseite der Kopfspule für das Thema, um das experimentelle Paradigma auf dem Bildschirm hinter angezeigt werden. Stellen Sie sicher, das Thema kann den ganzen Bildschirm zu sehen. Bewegen Sie den Spiegel montiert nach Position des Motivs. Themen mit Brille muss MR-kompatible Brille tragen. Die meisten MRT-Forschungseinrichtungen haben kompatiblen Objektiven oder Schutzbrille. In diesem Fall Halterung MR-kompatible Objektive auf dem Rahmen, der den Spiegel hält. Ermitteln Sie die passende Linsenstärke bevor das Thema in den Untersuchungsraum.
11. Die Hand des Gegenstand einen Notruf-Taste to bei Bedarf den Scan zu stoppen. Stellen Sie sicher, das Thema weiß, wo der Knopf ist und dass sie leicht zu erreichen ist.
12. Motiv nach dem Eingang der Bohrung des Scanners. Bitten Sie das Motiv, um ihre Augen während dieses Vorgangs zu schließen. Richten Sie das Licht mit den kleinen Markierungen auf der Kopfspule, um die richtige Position zu etablieren.
13. Verschieben Sie das Motiv in die Bohrung des Scanners, bis im Display "0 mm". Dies bedeutet, dass der Kopf des Subjekts im Isozentrum des Scanners.
14. Die Hand des Thema der Antwort-Gerät.

4. Versuchsdurchführung

1. Überprüfen Sie, ob das Subjekt den Experimentator über die Gegensprechanlage und, dass das Thema ist bequem und bereit zu starten hören.
2. Führen Sie einen Scan Localizer, um die Position des Kopfes des Subjekts in den Scanner zu erhalten. Wird verwendet, um das Sichtfeld von allen verbleibenden Messungen zu positionieren, um zu bestimmen, die Teile des Gehirns, gemessen werden.
3. Erste perform eine hohe Auflösung Struktur Scan. Öffnen Sie die Sequenz MPRAGE / Programm und positionieren Sie das Sichtfeld. Stellen Sie sicher, der Kopf des gesamten Motivs ist im Blickfeld. MP-RAGE-Parameter: TR / TE = 2.250 / 3,03 ms, Flipwinkel = 9 °, 176 sagittal, FOV 256 x 256 mm, 64 x 64 Matrix, Voxelgröße 1 x 1 x 1 mm).
4. Lassen Sie das Thema wissen, dass der Scan wird gestartet und dann beginnen die Messung.
5. Führen funktionelle MRT-Untersuchung.
   1. Öffnen Sie die EPI-Sequenz auf dem Scanner-Computer, und richten Sie das Sichtfeld auf das gesamte Gehirn zu decken. EPI-Parameter: 33 Scheiben, Schichtdicke 3 mm, FOV 200 x 200 mm, 64 x 64 Matrix, Wiederholungszeit 2.000 ms, Echozeit 30 ms, Flip-Winkel 79 °.
   2. Führen Sie einen einzigen Band Testmessung. Sicherstellen, dass die gesamte (oder so weit wie möglich) des Gehirns des Patienten innerhalb des Sichtfeldes enthalten.
      HINWEIS: Die Gegenstände haben unterschiedliche Formen und Größen von Köpfen (und Hirn). Daher optimal positionieren Sie den Bereich dersehen für jedes Thema.
   3. Kopieren Sie die fMRI-Sequenz, so dass das Sichtfeld positioniert bleibt für die nächste Messung. Geben Sie die Nummer für die Messung, 304 in diesem Fall erforderlich Bände.
   4. Stellen Sie sicher, dass die Software präsentiert das Paradigma wartet auf einen Trigger vom Scanner. Das Paradigma wird nicht ohne einen Abzug aus dem Scanner zu starten, so kann er geladen und eingestellt zu warten.
   5. Informieren Sie das Thema, dass das Experiment ist zu starten. Starten Sie die Messung.
   6. Überprüfen Sie, dass die Software präsentiert das Paradigma startet zum richtigen Zeitpunkt (dh, dass es durch den Scanner ausgelöst).
   7. Führen Sie drei Versionen des oddball Aufgabe. Passive, Graf und reagieren.
   8. Sprechen Sie das Thema in zwischen den Läufen ein Sicherheitsgefühl entstehen. Stellen Sie sicher, ihren Komfort. Fragen Sie, ob sich das Motiv erlaubt es, mit der Studie weiter. Weisen Sie den Gegenstand der kommenden Aufgabe.
   9. Laufen zunächst die passive condition auf true passive Betrachtung ohne Wissen, dass die Zielreize in der Tat gezielt Reize zu gewährleisten. Gegengewicht zu den Auftrag des Grafen und reagieren Bedingungen über Themen, um Effekte zu verhindern.

5. Ende der Experiment

1. Informieren Sie das Thema, dass das Experiment geben Sie den Scanner-Raum abgeschlossen.
2. Schieben Sie das Thema aus der Scanner.
3. Kopfspule entfernen und Kissen.
4. Bitten Sie das Motiv, langsam zu sitzen. Sobald sie bequem sind, kann das Subjekt, aufzustehen und den Scanner Raum verlassen.
5. Verwalten Sie keine Fragebögen / Schreibarbeit, die nach dem Experiment abgeschlossen werden muss,
6. Besprechen Sie das Thema: stellen das Thema mit einer Erklärung über die Ziele und den Zweck der Studie, wenn diese nicht in vollem Umfang möglich vor dem Experiment und bieten die Möglichkeit, Fragen zu stellen

6. Datenanalyse

1. Verwenden Sie ein Softwarepaket, das für analyzi istng fMRI-Daten. Führen ersten Ebene der Datenanalyse für jedes Fach und jede Bedingung separat.
   HINWEIS: Verwenden Sie die FMRIB Software Library (FSL) für fMRI-Daten-Analyse.
2. Standard gelten Vorverarbeitung Schritte, um die Daten für die weitere Analyse vorzubereiten.
   HINWEIS: Wenden Sie die folgenden Schritte aus: Bewegungskorrektur, Scheibe Zeitkorrektur, Koregistrierung von strukturellen und Funktionsdaten, räumliche Glättung, Hochpass zeitliche Filterung, die Normalisierung der einzelnen in Standard-(zB MNI) Raum. Finden Sie eine Zusammenfassung dieser Schritte in fMRI Lehrbücher Huettel et al, (2008) ⁹ und Jezzard et al, (2001) ^11. Spezifische Informationen zur Vorverarbeitung Schritte durchzuführen, ist auf der Website und in der Begleitdokumentation für jeden einzelnen Software-Paket zur Verfügung.
3. Für die statistische Analyse geben die Zeiten Beginn und Dauer aller Ereignisse. Diese sind erklärende Variablen (EVS), oder Regressoren genannt.
4. Einzurichten, um zu bestimmen Kontrastedenen Elektrofahrzeuge werden verglichen. Ziel> Nicht-Zielreize: Um die BOLD-Aktivierung spezifischen Nachweis von Zielreize das folgende Kontrast eingestellt zu identifizieren.
   HINWEIS: Verwenden Sie optional andere Gegensätze: Zielreize gegen Grundlinie; Nicht-Zielreize gegen Grundlinie; Zielreize> Nicht-Zielreize; Nicht-Zielreize> Zielreize
5. Führen Sie die erste Ebene der statistischen Analyse für jedes Fach und jede Bedingung separat. Der Output der Analyse zeigt die aktiven Hirnregionen für jede der jeweiligen Kontrast.
6. Vergleichen Sie die drei Bedingungen mit einer zweiten Ebene oder Konzernebene analysiert. Verwenden Sie die Ausgabe der ersten Ebene Analyse als Input für die Konzernebene Analyse.
   HINWEIS: In der Originalarbeit ⁷ die Unterschiede zwischen Bedingungen auf dem Ziel> häufige Kontrast mit einer Verdreifachung Zwei-Gruppen-Difference-Design, das die folgenden Gegensätze: reagieren> passiv, zählen> passiv, reagieren> count.Diese Gegensätze zeigen die Hirnaktivität mit der Variation in der kognitiven Prozesse in den drei Antwortmodalitäten verbunden.

Representative Results

Die Stimulation und Analyse-Methode ausgelöst BOLD-Aktivierung in Hirnregionen mit einer visuellen oddball Aufgabe verbunden. Die Ziel> Nicht-Ziel-Kontrast ergab keine Aktivierung für den passiven Zustand aber offenbaren Aktivierung sowohl in der Zählung und reagieren (Abbildung 3). Die in Abbildung 3 dargestellten Daten ist ein qualitativer Vergleich des Grafen und reagieren Bedingungen und zeigt, wie die Aktivierungsmuster aussehen würde, wenn jede Version der Aufgabe wurde in Isolation durchgeführt.

Die wichtigsten Vergleiche von Interesse waren die zwischen den Bedingungen. Ja, in welchen Hirnregionen tut Zielerfassungsbezogene Aktivierung unterscheiden, wenn die Aufgabenanforderungen geändert? Abbildung 4 zeigt, dass es Unterschiede zwischen den Bedingungen. Im Gegensatz zu der qualitativen Bewertung der Unterschiede zwischen dem Zählwert und reagieren Zustand oben beschrieben, wird dieser Vergleich mit t-Tests auf Gesamt-Hirn-Daten durchgeführt, showing die Regionen, in denen zwischen den Bedingungen der Aktivierung deutlich unterscheidet.

Die Daten aus der ursprünglichen Studie ⁷ zeigen Unterschiede in der BOLD-Aktivierung zwischen dem Grafen und reagieren Versionen der visuellen oddball. Wenn da nicht Daten aus beiden Bedingungen für die Aktivierung Vergleich würde zu "Zielerfassung" in beiden Bedingungen zugeschrieben werden. Allerdings wurde der Aktivierung in den mittleren frontalen Gyrus (MFG) während der reagieren, aber nicht die Zählung Zustand beobachtet. Die Tatsache, dass MFG Aktivierung wurde nicht in die Zählung Zustand beobachtet wird, dass sie an den Motor Zubereitung und / oder motorische Reaktion mit der Tastendruck in dem Zustand reagieren, anstatt lediglich auf das Zielerfassungsverfahren verbunden verwandt. In Abwesenheit der Zählung Aufgabe Vergleich ist es wahrscheinlich, dass diese MFG Aktivierung würde kognitive Prozesse mit der Aufgabe, anstatt Aktionsausführung verbunden zurückzuführen sind. Ebenso Aktivierung in der Zusatz motoder Bereich (SMA) wurde während der Zählerstand sowie die reagieren Zustand beobachtet. Es gibt keine Reaktionen in der Zählerstand vorgenommen, so ist es unwahrscheinlich, dass der SMA-Aktivierung ist mit der Motor Vorbereitung, was darauf hindeutet, dass die SMA eine Rolle bei anderen Aspekten der Aufgabe wie die Aufmerksamkeit auf die Stimuli, Nachweis von Ziel-Stimuli, Entscheiden ob eine Antwort zu machen und wenn ja, welche Antwort zu machen. Es ist wahrscheinlich, dass SMA-Aktivierung würde als in Motor Vorbereitung beteiligt, wenn es nur eine Reaktion Version der Aufgabe, was bedeutet, dass die Rolle der SMA in anderen aufgabenbezogenen Prozesse würden übersehen worden interpretiert worden. Dies unterstreicht einige potenzielle Fallstricke bei der Interpretation fMRI-Daten. Trotz der Aufgabe verwendet hier relativ einfach es ist mit vielen Wahrnehmungs und kognitive Prozesse. Es kann schwierig sein, diese kognitiven Prozesse und deren zugrunde liegenden neuronalen Substrate unterscheiden. Das Design dieser Studie, so dass innerhalb von Scan-o Beurteilungf die Zielerfassung, gefolgt von Kontrast zwischen Scan Vergleich der Bedingungen ist eine robuste Konstruktion, aber es ist nicht möglich, die möglichen Rollen des SMA als weitere Feststellung, dass auch andere als motorische Prozesse Prozesse trägt unterscheiden. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer sorgfältigen experimentellen Design und Analyse in fMRT-Studien.

Abbildung 1. Die oddball Paradigma beinhaltet Betrachtung eine Reihe von Reizen (in diesem Fall Kreise), 80% davon sind von einer Art, 'häufig', und 20% sind anderer Art "Ziel". Die Zielreize rufen eine Ziel Nachweisreaktion aufgrund der Seltenheit dieser Art von Reiz. In dieser Arbeit wurden 3 Varianten der Aufgabe durchgeführt wird. Die erste ist die passive passive Betrachtung der Reize (r beinhaltet keineesponse gemacht). Das zweite ist, zu zählen, dies beinhaltet das Zählen der Anzahl der Zielreize und die Berichterstattung über die Gesamt am Ende des Experiments. Die dritte ist zu reagieren, dies beinhaltet Knopfdruck jedes Mal ein Zielreiz wird angezeigt.

Bild 2. Die hämodynamische Antwort ist die Lieferung von Blut neural aktiven Geweben. Die hämodynamischen Antwort im Gehirn steigt langsam (im Vergleich zu neuronaler Aktivität) und Peaks etwa 5 sec nach einer Anregung. Die Antwort erfolgt dann eine Anzahl von Sekunden (15-20) bis zur Grundlinie zurück. Die Abbildung zeigt den kanonischen hämodynamischen Antwortfunktion; Dies ist eine hypothetische Signal in Reaktion auf eine einzelne, kurze "Nullzeit" Stimulus, mit dem Signal der Rückkehr auf die Grundlinie, wenn der Reiz nicht mehr besteht.

Abbildung 3. BOLD-Aktivierung für die Ziel> häufige Kontrast für die Zählung und Reaktionsbedingungen. (Second-Level-Mixed-Effects-Flamme. N = 16, Cluster-korrigierten Schwellenwert Z = 2,3, p = 0,05). Diese Zahl und die Beschriftung wurden von Warbrick et al, 2013 ⁷ modifiziert.

Abbildung 4. Der linke Teil der Abbildung zeigt BOLD-Aktivierung für die Zählung Zustand gegen den passiven Zustand. Im rechten Teil der Abbildung zeigt den Zustand reagieren gegen den passiven Zustand. Alle Daten stellen die Ziel> Viel unteren Ebene Kontrast. Teil A hebt Aktivierung in der Zusatzmotor Bereich (SMA). Teil Bzeigt die mittleren frontalen Gyrus (MFG) Aktivierung nur für die reagieren Zustand. (Second-Level-Mixed-Effects-Flamme. N = 16, Cluster-korrigierten Schwellenwert Z = 2,3, p = 0,05) Diese Zahl und die Beschriftung wurden von Warbrick et al, 2013 ⁷ modifiziert.

Discussion

Wir zeigen, dass die Manipulation der Aufgabe erfordert in der bild oddball Aufgabenergebnisse in verschiedenen Mustern von BOLD-Aktivierung in der Zählung und reagieren Bedingungen. Die funktionellen Rollen von einigen der Regionen in jedem Zustand gebracht worden wäre unangemessen zugewiesen hatte Daten aus den drei Varianten der Aufgabe zum Vergleich zur Verfügung nicht. Diese Mehrdeutigkeit in die Interpretation der Daten nicht unbedingt gewesen im EEG P300 Bereich, in dem die Aufgabe hat ihren Ursprung, die die Notwendigkeit für spezielle Berücksichtigung bei der Übertragung von experimentellen Paradigmen von einem bildgebenden Verfahren zu einem anderen der Fall gewesen. Zum Beispiel sind viele kognitive Prozesse (wie Aufmerksamkeit und Arbeitsspeicher) tragen zur Erzeugung des P300-Komponente, aber diese werden durch einen einzigen elektro Marker dargestellt, im Gegensatz zu der weitverbreitete Aktivierung des BOLD fMRI Reaktion gesehen. Darüber hinaus sind die P300 nicht durch die Motorreaktion auf die gleiche Weise wie f beeinflusstMRT-Daten. Die zeitliche Auflösung der EEG-Daten können kognitiven und motorischen Reaktionen in der Zeit getrennt werden. Die Art der fMRT BOLD Maßnahme bedeutet, dass viele Hirnregionen gefunden werden gleichzeitig in eine bestimmte Aufgabe, aktiv zu sein. Bestimmen der Funktionen dieser Bereiche der Aktivierung ist sehr stark abhängig von Aufgabengestaltung und Analyse. Es wird daher empfohlen, dass die Gestaltung einer fMRT Studie Pilotverhaltens getestet, um die Auswirkungen von Interesse zu ermitteln und dann Pilot in der fMRT-Umgebung getestet, um geeignete Konzeption, Durchführung und Analyse der Effekte von Interesse zu gewährleisten.

Neben der Führung der Interpretation der Daten von oddball Aufgaben mit einer motorischen Reaktion die Erkenntnisse aus der ursprünglichen Studie ⁷ zeigen, dass es möglich ist, mit Hilfe der Studien oddball Aufgabe, sich auf bestimmte Aspekte der Zielerfassung konzentrieren zu entwerfen. Zum Beispiel untersucht die Integration von sensorischen Input, um die richtige Antwort zu erzeugen Motor tun könntene mit dem reagieren Version der Aufgabe. Die Zählung Version der Aufgabe auf der anderen Seite würde mehr für die Untersuchung von Prozessen der Entscheidungsfindung verbunden angemessen sein, insbesondere wenn eine motorische Reaktion ist nicht erforderlich. In einigen Populationen, beispielsweise Alterung oder Patienten mit Bewegungsstörungen, die Herstellung eines Motorreaktion kann durch nicht-aufgabenbezogenen Faktoren beeinflusst werden, in diesen Fällen der Zählwert Version des Oddball vielleicht am besten geeignet.

Die Daten Beweise dafür, wie Gehirnaktivierungsmuster unterscheiden sich in Versionen des oddball Aufgabe bieten nicht nur, sie zeigen auch, dass unter Berücksichtigung der Elemente der kognitiven / Verhaltens Aufgaben in fMRI-Experimente verwendet wird, ist von entscheidender Bedeutung, wenn die Daten entsprechend zu interpretieren. Dies ist besonders wichtig in Paradigmen, wo es möglich ist, eine offene oder verdeckte Reaktion zu verwenden. Einen Motor Antwort ändert die Forderungen der Aufgabe und Aktivierung durch das m hervorgerufenotor Antwort kann die Interpretation der anderen aufgabenbezogenen Aktivierung beeinflussen. Fragen wie diese sollte bei der Anpassung eines Paradigmas in verschiedenen bildgebenden Verfahren werden.

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.