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Behavior

Trasferimento di compiti cognitivi Tra Brain Imaging Modalità: Implicazioni per attività di disegno e interpretazione dei risultati in studi fMRI

doi: 10.3791/51793 Published: September 22, 2014

Introduction

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Come metodi di neuroscienze cognitive si sviluppano, le attività sperimentali stabilite vengono utilizzati con emergenti modalità di imaging cerebrale. Si tratta di una progressione logica dal momento che la maggior parte delle nozioni neuropsicologiche (ad esempio, la memoria distinta sub-componenti) sono stati studiati nel dominio comportamentale e appropriate attività sperimentali per sondare le funzioni specifiche sono stati sviluppati e testati. Come nuova tecnologia emerge prove per le basi neurali di queste osservazioni comportamentali si chiede con i nuovi metodi di imaging cerebrale. Mentre può essere tentati di attingere semplicemente sui compiti comportamentali ben studiati per studi di imaging, alcuni avvertimenti importanti devono essere prese in considerazione. Una fondamentale, anche se spesso trascurato, che è l'uso della tecnica di imaging più appropriata per sondare ulteriormente le prove comportamentale. In termini di neuroscienze cognitive e della psicologia ci sono molti metodi di imaging cerebrale a disposizione per migliorare la nostra comprensione del activ neuralelità sottostanti concetti di interesse; per esempio elettroencefalografia (EEG), la magnetoencefalografia (MEG), la stimolazione magnetica transcranica (TMS), la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e la tomografia ad emissione di positroni (PET). Tutti questi metodi hanno i loro vantaggi, gli svantaggi e le applicazioni appropriate. Qui il trasferimento di un paradigma con una lunga storia di esperimenti comportamentali e di EEG ad un esperimento fMRI è considerato. EEG è stato utilizzato per decenni per indagare le risposte neurali connessi con i processi percettivi e cognitivi. Come tale, molti paradigmi sono stati sviluppati per l'utilizzo con questo metodo e si sono evoluti nel tempo. La risonanza magnetica funzionale è una tecnica che è emerso più recentemente in neuroscienze cognitive e questo ha portato ad alcuni paradigmi sviluppati nella ricerca EEG essere utilizzati in fMRI. Per costruire sulla base di conoscenze da esperimenti EEG con le nuove tecniche è un passo logico, ma comunque alcuni punti importanti può essere trascurata nel trasferimento. La tecniche di unre molto diverso e le attività devono essere progettati di conseguenza. Questo richiede la conoscenza di come funziona il metodo e, in particolare, come potenziali modulazioni del paradigma utilizzato influenzerà le misure adottate. Per ulteriori informazioni sulla progettazione di esperimenti fMRI il lettore interessato è diretta al seguente link http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Progettazione Task sarà considerata nel contesto di trasferimento di un paradigma sviluppato per la ricerca EEG per l'ambiente fMRI. Gli obiettivi di questo lavoro sono: i) descrivere brevemente fMRI e quando il suo uso è appropriato in neuroscienze cognitive; ii) per illustrare come il design compito può influenzare i risultati di un esperimento fMRI, in particolare quando tale attività è presa in prestito da un'altra modalità di imaging; e iii) per spiegare gli aspetti pratici di esecuzione di un esperimento fMRI.

La risonanza magnetica funzionale è ormai una tecn ampiamente disponibileiQue e come tale è un metodo comune utilizzato in neuroscienze cognitive. Al fine di prendere una decisione se la tecnica è appropriato per un particolare esperimento i vantaggi e gli svantaggi di fMRI devono essere considerati in relazione ad altre tecniche disponibili. Uno svantaggio del metodo è che non è una misura diretta dell'attività neurale, piuttosto è un correlato dell'attività neurale dal fatto che la risposta metabolica (requisito ossigeno) convoluta con la risposta emodinamica. Così la sua risoluzione temporale è povero in confronto a elettrofisiologia, per esempio, dove il segnale elettrico misurato è più vicino alla attività neurale sottostante piuttosto che una risposta metabolica. EEG ha una risoluzione temporale dell'ordine di millisecondi rispetto ad una risoluzione dell'ordine di secondi in fMRI. Tuttavia, il vantaggio principale della fMRI è che la risoluzione spaziale della tecnica è eccellente. Inoltre, è non invasiva e quindi soggetti non devono ingerire sostanze come coagenti ntrast o essere esposti a radiazioni, come sarebbe il caso in tomografia ad emissione di positroni (PET). Pertanto, fMRI è una tecnica adatta per esperimenti di quali regioni del cervello sono coinvolte nella percezione, cognizione e comportamento.

In questo lavoro il paradigma oddball visivo è preso come esempio per il trasferimento di un EEG-task consolidata di fMRI (vedere la Figura 1 per i dettagli). Va notato che le questioni discusse potrebbe anche influenzare i risultati e l'interpretazione dei dati quando vengono utilizzati altri paradigmi e dovrebbe tecnicamente essere considerati nella progettazione di tutti gli esperimenti fMRI. Il paradigma oddball è spesso usato in psicologia e neuroscienze cognitive per valutare l'attenzione e indirizzare prestazioni di rilevamento. Il paradigma è stato sviluppato nella ricerca EEG, in particolare potenziali evento correlati (ERP), per indagare la cosiddetta componente P300 1. Il P300 rappresenta il rilevamento di target ed è suscitato dal riconoscimento diun obiettivo frequente stimolo 1. Il P300 è usato in studi in un certo numero di domini cognitivi e clinici 2 ad esempio, i pazienti con schizofrenia e loro parenti 3, forti fumatori 4 e l'invecchiamento della popolazione 5. Dato che il paradigma oddball (e il P300 suscitato dal paradigma) è robusto ed è anche modulata da diversi stati di malattia, il suo trasferimento tra le varie modalità di imaging era inevitabile.

L'attivazione diffusa visto nel cervello durante una misurazione stravagante fMRI è conosciuto per essere il risultato di molteplici funzioni cognitive, come dimostrato da numerosi studi fMRI sondare altri concetti cognitivi. Questa natura diffusa del modello di attivazione rende difficile determinare quali regioni cerebrali sono più (o meno) attiva a causa delle manipolazioni di attività specifici o differenze di gruppo che lo sperimentatore è interessato a. In particolare, non è certo se le differenze osservate in actizione sono legati alla rilevazione stessa destinazione, per i processi di attenzione correlati, o se sono legati ad altre richieste del compito, come i processi di memoria di lavoro in corso o processi relativi alla produzione di una risposta motoria. Il processo di funzione assegnazione alle attività misurata è più facile nel dominio EEG in cui la componente cognitiva di interesse (rilevamento di target) è misurata in chiaro risposta cerebrale al compito stravagante (P300). Tuttavia, neuroscienziati tendono a interpretare i loro risultati a favore della loro ipotesi e sperimentazione, piuttosto che mettere nello sforzo per escludere spiegazioni alternative. La maggior parte degli esperimenti, tuttavia, non saranno in grado di risolvere queste importanti questioni intrinsecamente - tempo di scansione è costoso - è per questo che sosteniamo per la pianificazione accurata e test pilota di paradigmi.

Oltre a questa difficoltà nello stabilire un legame diretto tra le regioni del cervello e le componenti cognitive, la natura del paradigma oddball anchepresenta altri problemi metodologici possibili quando viene trasferito a fMRI. Per esempio, il rilevamento di uno stimolo bersaglio è solitamente indicata premendo un pulsante di risposta. In questo modo lo sperimentatore per registrare la precisione e la velocità di risposta, ma questa risposta può anche avere un impatto sulla risposta BOLD fMRI agli stimoli bersaglio. L'azione del motore necessaria per gli impatti Premere il pulsante sul stimolo-locked attivazione fMRI dato che succede solo a poche centinaia di millisecondi dopo la presentazione dello stimolo bersaglio. Questo può anche influenzare l'interpretazione di tale attivazione, per esempio, le regioni cerebrali coinvolte nella preparazione per la risposta del motore potrebbe erroneamente supporre di essere coinvolti nella rilevazione dello stimolo bersaglio, e viceversa. Ciò ha portato a modifiche metodologiche per cui, sono adottate misure indirette di rilevamento di target, non basandosi sulle risposte motorie. Ad esempio, contando stimoli bersaglio è stato proposto il 6 come un modo per assicurarsi che i soggetti mantengono attentisul sul compito; il numero di prove perso può indicare come distratto un soggetto era. Segnalazione il numero di stimoli contati alla fine del compito significa anche che lo sperimentatore può verificare se il soggetto ha eseguito l'operazione correttamente. Una terza alternativa è quella di utilizzare un disegno un'attività completamente passiva in cui il soggetto è dato istruzioni su come rispondere e la novità di uno stimolo target è costituita suscitare di per sé una risposta di rilevazione simile a bersaglio. Nonostante queste versioni del compito utilizzando lo stesso tipo di stimoli e di progettazione di base, il pattern di attivazione derivante da ogni variazione del compito sarà diverso, perché le esigenze cognitive e motorie dei compiti sono diversi 7,8. Ad esempio, ci saranno processi di memoria di lavoro coinvolti nel conteggio stimoli bersaglio ad esempio, tenendo il numero attuale di stimoli bersaglio in mente, che non saranno necessari durante la visione passiva. Qui questi 3 versioni del compito stravagante, passivi, contare, unnd rispondono vengono utilizzati per dimostrare come un'attenta progettazione delle applicazioni e l'attuazione può spiegare questi cambiamenti nei requisiti delle attività e consentire l'interpretazione appropriata dei risultati.

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Protocol

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NOTA: Il protocollo di studio è stato approvato dai soggetti umani locali recensione di società presso la RWTH Aachen University ed è stata effettuata in conformità con la Dichiarazione di Helsinki.

1 Task design

  1. Scegliere un compito appropriato per indagare la / costrutto psicologico cognitivo di interesse. Utilizzare il compito stravagante visiva (Figura 1) per misurare le risposte di rilevazione target e gli effetti dell'attenzione sul rilevamento di target. Questo permette di indagine l'influenza di manipolazioni attività sui dati fMRI.
  2. Utilizzare tre versioni del compito stravagante.
    1. Versione passiva: Chiedere al soggetto di osservare stimoli visivi. Non rilevare alcuna risposta.
    2. Versione conteggio Silenzioso: Chiedere al soggetto di contare gli stimoli target. Questo compito richiede dirigere l'attenzione verso questi stimoli e di un processo di discriminazione.
    3. Rispondere versione: Chiedere al soggetto di premere un pulsante di risposta dopo aver visto un tastimolo rget. Questo compito richiede attenzione, processi di discriminazione, e la selezione / produzione di una risposta a stimoli bersaglio.
  3. Si consideri il numero appropriato di prove necessarie per una risposta forte. Il rapporto segnale-rumore nelle misure fMRI è relativamente basso e richiede un numero di risposte da media, al fine di studiare gli effetti di interesse 9. Questo dipende dal compito e stimolo modalità utilizzata. 200 prove sono utilizzati in questo compito, di cui 40 sono prove sufficienti obiettivo di suscitare una risposta forte.
  4. Determinare i tempi per la sequenza di stimoli. I tempi di stimoli è fondamentale in uno studio fMRI per l'esame del tasso di presentazione 10. Si consideri la risposta emodinamica ritardo tra stimolo insorgenza e la risposta cerebrale misurata (Figura 2).
    1. Mantenere un equilibrio tra offrendo stimoli sufficienti in un ragionevole lasso di tempo e permettere di campionamento sufficiente delle res emodinamiciponse ad ogni stimolo, compreso il ritorno alla linea di base. Scaricare, installare ed eseguire il software optseq. Optseq Correte a distribuire in modo ottimale i processi attraverso l'esperimento in base al numero di prove, la durata dello stimolo e parametri di scansione (tempo di ripetizione e il numero di volumi).
  5. Implementare l'ordine di stimoli (precedentemente determinato) in un programma adatto per presentare il paradigma al soggetto.
    1. Specificare tutte le informazioni pertinenti al paradigma in termini di tipo di stimoli, i tempi e le risposte.
      NOTA: Programmazione dettagli non vengono presentate qui perché ogni paradigma avrà esigenze diverse come volontà pacchetti software differenti.
  6. Impostare il programma che porterà il paradigma sperimentale in modo che inizierà con un trigger dallo scanner. Questo consente la sincronizzazione dei dati acquisiti e la sequenza di stimoli presentati.

2 Configurazione dell'ambiente sperimentale

  1. Prepare la stanza dello scanner. Collegare la parte inferiore della bobina di testa corretto dello scanner. Posizionare i coperchi protettivi puliti sul letto scanner e cuscini.
  2. Utilizzare un dispositivo di visualizzazione per presentare il paradigma sperimentale per il soggetto e registrare le risposte utilizzando un dispositivo tenuto in mano. Accendere il dispositivo di visualizzazione e un dispositivo tenuto in mano "a".
  3. Avviare il software che consegnerà il paradigma sperimentale e fornire un nome per il file di log. Il file di log contiene informazioni circa la tempistica degli stimoli e delle risposte da parte del soggetto. Utilizzare queste informazioni per analizzare i dati.
  4. Registrare il soggetto nel database scanner MR. Registrare i dati utilizzando un numero di identificazione unico. Non conservare il nome del soggetto con i dati per garantire la privacy.
  5. Assicurarsi che le sequenze RM da eseguire vengono allestiti e pronti. Utilizzare le seguenti sequenze: un localizzatore scansione per ottenere la posizione della testa del soggetto all'interno della bobina, una sequenza EPI per il fuimmagini nctional e MPRAGE per una scansione strutturale alta risoluzione.

3 Oggetto Arrivo e ingresso al SCANNER

  1. Schermo oggetto di controindicazioni con risonanza magnetica prima dell'esperimento (ad esempio, durante la procedura di assunzione).
    1. Fornire istruzioni di sicurezza MR prima della scansione. Eseguire lo screening dei soggetti (da personale qualificato). Garantire la sicurezza dei soggetti. Assicurarsi che non hanno metallo nel loro corpo, non hanno dispositivi come pacemaker e non soddisfare altri criteri di esclusione.
  2. All'arrivo soggetti verificare il questionario di screening e confermare la loro compatibilità prima di procedere.
  3. Spiegare la procedura sperimentale per il soggetto e offrono la possibilità di porre domande. Chiedere al soggetto di firmare i moduli di consenso e protezione dei dati.
  4. Se l'esperimento comporta compiti complessi che richiedono la formazione si raccomanda che il soggetto esegue una pratica eseguire prima di grecandosi nello scanner.
  5. Assicurarsi che il soggetto è in metallo libera, senza monete, cinture, orologi e gioielli. Una volta confermata, lasciare che il soggetto nella stanza dello scanner.
  6. Chiedere al soggetto di sedersi sul letto scanner indossare tappi per le orecchie. I tappi per le orecchie usati qui forniscono una protezione contro il rumore dallo scanner durante la scansione e consentono anche l'investigatore di comunicare direttamente con il soggetto dalla sala di controllo. In alcune strutture cuffie sono utilizzati per la comunicazione con il soggetto.
  7. Chiedere al soggetto di sdraiarsi sul letto dello scanner. Offrire il soggetto un cuscino di andare sotto le ginocchia per ridurre il mal di schiena. Il comfort del soggetto è importante per il loro benessere e la qualità dei dati. Movimento derivanti dal disagio avrà un impatto negativo sui dati di imaging e distrazione causate da disagio influenzerà le prestazioni del compito.
  8. Posizionare la parte superiore della bobina testa sopra la testa del soggetto e collegare i connettori. Posizionare il soggetto217; s testa in modo appropriato nella bobina testa. Allineare la piccola marcatore sulla bobina testa lungo le sopracciglia dei soggetti. Assicurarsi che il soggetto è sdraiato dritto e confortevole. La superficie della bobina non deve toccare il viso (ad esempio, premendo sul naso).
  9. Fissare la testa del soggetto con piccoli cuscini per ridurre al minimo i movimenti della testa durante la scansione. Spostamento testa hanno un impatto negativo sulla qualità dei dati.
  10. Mettere uno specchio sulla parte superiore della bobina testa per il soggetto di vedere il paradigma sperimentale visualizzata sullo schermo dietro. Assicurarsi che il soggetto può vedere l'intero schermo. Spostare lo specchio montato in base alla posizione del soggetto. I soggetti con occhiali devono indossare occhiali MR compatibile. La maggior parte delle strutture di ricerca MRI hanno lenti o occhiali compatibili. In questo caso, montare obiettivi compatibili MR sul telaio che contiene lo specchio. Determinare la forza lente appropriata prima che il soggetto entra nella stanza dello scanner.
  11. Consegnare il soggetto di emergenza pulsante di chiamata to interrompere la scansione, se necessario. Accertarsi che il soggetto sa dove il pulsante è e che possono facilmente raggiungere.
  12. Spostare il soggetto verso l'ingresso del foro dello scanner. Chiedere al soggetto di chiudere gli occhi durante questa procedura. Allineate la luce con i piccoli segni sulla bobina testa per stabilire la posizione corretta.
  13. Spostare il soggetto nel foro dello scanner fino a quando sul display compare '0 mm'. Ciò significa che la testa del soggetto è all'isocentro dello scanner.
  14. Consegnare il soggetto il dispositivo di risposta.

Procedura 4 Sperimentale

  1. Controllare se il soggetto può sentire lo sperimentatore tramite l'interfono e che il soggetto è comodo e pronto per iniziare.
  2. Eseguire una scansione localizzatore per ottenere la posizione della testa del soggetto nello scanner. Utilizzare questo per posizionare il campo di vista di tutte le misurazioni rimanenti per determinare le parti del cervello da misurare.
  3. Primo peffettuare la giusta una scansione strutturale alta risoluzione. Aprire il MPRAGE sequenza / programma e posizionare il campo di vista. Assicurarsi che la testa di tutto il soggetto è all'interno del campo di vista. Parametri MP-RAGE: TR / TE = 2.250 / 3.03 msec, flip angle = 9 °, 176 fette sagittali, FOV 256 x 256 mm, 64 x 64 matrice, dimensioni voxel 1 x 1 x 1 mm).
  4. Lasciate che il soggetto sa che la scansione si avvia e poi iniziare la misurazione.
  5. Eseguire la scansione di risonanza magnetica funzionale.
    1. Aprire la sequenza EPI sul computer scanner e allineare il campo di vista per coprire l'intero cervello. Parametri EPI: 33 fette, spessore fetta a 3 mm, FOV 200 x 200 mm, 64 x 64 matrice, tempo di ripetizione di 2.000 msec, eco di 30 msec, flip angle 79 °.
    2. Eseguire una singola misurazione di test di volume. Assicurarsi che tutta (o il più possibile) del cervello del soggetto è contenuto all'interno del campo di vista.
      NOTA: I soggetti hanno diverse forme e dimensioni delle teste (e cervelli). Quindi, posizionare in modo ottimale il campo divisualizzare per ogni soggetto.
    3. Copiare la sequenza fMRI modo che il campo visivo posizionato rimane la stessa per la misurazione successiva. Inserire il numero di volumi necessari per la misura, 304 in questo caso.
    4. Assicurarsi che il software che presenta il paradigma è in attesa di un trigger dallo scanner. Il paradigma non si avvia senza un trigger dallo scanner in modo che possa essere caricato e impostato aspettare.
    5. Informare il soggetto che l'esperimento sta per iniziare. Avviare la misurazione.
    6. Verificare che il software presenta il paradigma inizia al momento opportuno (cioè che viene attivato dallo scanner).
    7. Eseguire tre versioni del compito stravagante. Passivo, conte e rispondere.
    8. Parla con il soggetto in mezzo corre per fornire rassicurazione. Garantire la loro comodità. Chiedere se i permessi soggette a continuare con lo studio. Istruire il tema del compito imminente.
    9. Prima eseguire il c passivoondition per garantire vera visione passiva, senza sapere che gli stimoli target sono infatti bersaglio stimoli. Controbilanciare l'ordine del conte e rispondere condizioni attraverso soggetti per prevenire gli effetti di ordine.

5 Fine della Experiment

  1. Informare il soggetto che l'esperimento è finito entrare nella stanza dello scanner.
  2. Far scorrere il tema di scanner.
  3. Rimuovere la bobina testa e cuscini.
  4. Chiedere al soggetto di sedersi lentamente. Una volta che sono comodi, il soggetto può alzarsi e lasciare la stanza dello scanner.
  5. Somministrare ogni questionari / lavoro di ufficio che ha bisogno di essere completato dopo l'esperimento
  6. Debrief il soggetto: fornire al soggetto una spiegazione circa le finalità e scopo dello studio, se questo non era del tutto possibile prima dell'esperimento e offrono la possibilità di porre domande

Analisi 6. Dati

  1. Utilizzare un pacchetto software che è adatto per analyzing dati fMRI. Eseguire prima analisi dei dati di livello per ogni soggetto e per ogni condizione separatamente.
    NOTA: Utilizzare il Software Library FMRIB (FSL) per l'analisi dei dati fMRI.
  2. Applicare misure di pre-elaborazione standard per preparare i dati per ulteriori analisi.
    NOTA: Applicare le seguenti fasi: movimento di correzione, correzione fetta di temporizzazione, coregistrazione dei dati strutturali e funzionali, smoothing spaziale, passa-alto filtro temporale, normalizzazione dell'individuo nello spazio standard (ad esempio, MNI). Trovare una sintesi di questi passi in fMRI libri di testo Huettel et al, (2008) 9 e Jezzard et al, (2001) 11. Informazioni specifiche su come eseguire i passaggi di pre-elaborazione è disponibile sul sito web e nella documentazione di supporto per ogni singolo pacchetto software.
  3. Per l'analisi statistica specificare i tempi di inizio e la durata di tutti gli eventi. Questi sono chiamati variabili esplicative (SVE), o regressori.
  4. Impostare contrasti per determinarequali sono confrontati i veicoli elettrici. Per identificare l'attivazione BOLD specifica per il rilevamento di stimoli bersaglio istituito il seguente contrasto: stimoli target> non-bersaglio.
    NOTA: In alternativa utilizzare altri contrasti: stimoli bersaglio contro la linea di base; stimoli non bersaglio contro la linea di base; stimoli bersaglio> stimoli non bersaglio; stimoli non-target> stimoli bersaglio
  5. Eseguire la prima analisi statistica di livello per ogni soggetto e per ogni condizione separatamente. L'output dell'analisi mostra le regioni cerebrali attive per ciascuna delle rispettive contrasto.
  6. Confronta le tre condizioni utilizzando un secondo livello, o di livello di gruppo, analisi. Utilizzare l'uscita del primo livello di analisi come ingresso per l'analisi livello di gruppo.
    NOTA: Nel documento originale 7 le differenze tra le condizioni sul target> contrasto frequente usando un disegno differenza Two-Gruppo triplicata coinvolge i seguenti contrasti: rispondere> passiva, contare> passiva, rispondere> conteggio.Questi contrasti rivelano l'attività cerebrale associata alla variazione di processi cognitivi attraverso le tre modalità di risposta.

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Representative Results

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Il metodo di stimolazione e di analisi ha suscitato l'attivazione BOLD nelle regioni del cervello associate a un compito oddball visivo. Il target> contrasto non bersaglio non ha rivelato di attivazione per la condizione passiva, ma ha rivelato di attivazione sia nel conteggio e rispondere (Figura 3). I dati presentati in Figura 3 è un confronto qualitativo del conteggio e rispondono condizioni e mostra come gli schemi di attivazione sarebbero se ogni versione del compito è stata eseguita in isolamento.

I principali comparazioni di interesse sono stati quelli tra le condizioni. Così, in quali regioni del cervello fa il rilevamento di target di attivazione relative differenze quando le richieste del compito sono cambiati? Figura 4 mostra che ci sono differenze tra le condizioni. In contrasto con la valutazione qualitativa delle differenze tra il conte e rispondere condizione di descrivere in precedenza, questo confronto viene fatto usando t-test su dati di tutto il cervello, showing le regioni in cui attivazione differisce significativamente tra le condizioni.

I dati originali di studio 7 differenze mostrano di attivazione BOLD tra il conte e rispondono versioni del oddball visivo. Se non ci fosse i dati da entrambe le condizioni per il confronto l'attivazione sarebbe stata attribuita a 'rilevamento di target' in entrambe le condizioni. Tuttavia, l'attivazione è stata osservata nel giro frontale medio (MFG) durante il rispondere, ma non la condizione di conteggio. Il fatto che l'attivazione MFG non è stata osservata nella condizione conteggio indica che è legato alla preparazione del motore e / o risposta motoria associata al pulsante pressa nella condizione rispondono piuttosto che puramente ai processi di rilevamento bersaglio. In assenza del compito conteggio per il confronto è probabile che questa attivazione MFG sarebbe stato attribuito ai processi cognitivi associati al compito piuttosto che l'esecuzione dell'azione. Allo stesso modo, l'attivazione in mot supplementareo area (SMA) è stata osservata durante la condizione di conteggio e la condizione risponde. Non ci sono risposte fornite nella condizione di conteggio, quindi è improbabile che l'attivazione SMA è legata alla preparazione motoria, suggerendo che la SMA ha un ruolo in altri aspetti del compito, come l'attenzione agli stimoli, il rilevamento di stimoli bersaglio, decidendo se a dare una risposta e, in caso affermativo, che risposta a fare. E 'probabile che l'attivazione SMA sarebbe stato interpretato come persona implicata nella preparazione del motore se ci fosse solo una versione rispondere del compito, il che significa che il ruolo della SMA in altri processi relativi alle attività sarebbe stato trascurato. Questo mette in evidenza alcuni potenziali insidie ​​quando si interpretano i dati fMRI. Nonostante il compito usata qui è relativamente semplice coinvolge molti processi percettivi e cognitivi. Può essere difficile distinguere questi processi cognitivi e dei loro substrati neurali sottostanti. Il disegno di questo studio, permettendo entro scansione valutazione of il contrasto rilevamento bersaglio seguito da confronto tra scansione delle condizioni è un disegno robusto, ma non è in grado di differenziare i possibili ruoli della SMA oltre che stabilisce che contribuisce a processi diversi processi motori. Ciò evidenzia la necessità di un attento disegno sperimentale e di analisi negli studi fMRI.

Figura 1
Figura 1 Il paradigma oddball comporta la visualizzazione di una serie di stimoli (in questo caso cerchi), l'80% dei quali sono di un tipo, 'frequente', e il 20% sono di tipo diverso 'target'. Gli stimoli bersaglio suscitano un bersaglio risposta rilevamento a causa della scarsa frequenza di questo tipo di stimolo. In questo lavoro, sono stati eseguiti 3 versioni del compito. Il primo è passivo che coinvolge visione passiva degli stimoli (senza response fatto). Il secondo è contare, ciò comporta contando il numero di stimoli bersaglio e segnalato la totale alla fine dell'esperimento. Il terzo è rispondere, si tratta di premere un pulsante ogni volta che viene visualizzato uno stimolo bersaglio.

Figura 2
Figura 2 La risposta emodinamica è la consegna di sangue ai tessuti neuro attivi. La risposta emodinamica nel cervello aumenta lentamente (rispetto all'attività neurale) e picchi di circa 5 secondi dopo uno stimolo. La risposta prende poi un certo numero di secondi (15-20) per tornare alla linea di base. La figura mostra la funzione di risposta emodinamica canonica; questo è un segnale ipotetica in risposta ad un singolo, breve 'durata nulla' stimolo, con il segnale di ritorno alla linea di base solo se lo stimolo non esiste più.

Figura 3
Figura 3 di attivazione BOLD per il target> frequente contrasto per le condizioni di conteggio e di risposta. (Secondo livello miste effetti FIAMMA. N = 16, Cluster-corretto soglia Z = 2.3, p = 0,05). Questa figura e la didascalia sono stati modificati da Warbrick et al, 2013 7.

Figura 4
Figura 4 La parte sinistra della figura mostra di attivazione BOLD per la condizione conteggio contro la condizione passiva. La parte destra della figura mostra la condizione di rispondere contro la condizione passiva. Tutti i dati rappresentano il target> frequente contrasto di livello inferiore. Parte A evidenzia l'attivazione nell'area motoria supplementare (SMA). Parte Bmostra l'attivazione mezzo giro frontale (MFG) solo per la condizione di rispondere. (Secondo livello miste effetti FIAMMA. N = 16, Cluster-corretto soglia Z = 2.3, p = 0.05) Questa figura e la didascalia sono stati modificati da Warbrick et al, 2013 7.

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Discussion

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Mostriamo che manipolando il compito esige nei visive risultati dell'attività stravaganti in diversi pattern di attivazione BOLD nel conteggio e rispondere condizioni. I ruoli funzionali di alcune delle regioni implicate in ogni condizione sarebbe stata impropriamente assegnati avevano dati delle tre versioni del compito non è stato disponibile per il confronto. Questa ambiguità di interpretazione dei dati non sarebbe stato necessariamente il caso nel campo EEG P300 dove l'attività ha la sua origine, evidenziando la necessità di particolare attenzione durante il trasferimento paradigmi sperimentali da una modalità di imaging a un altro. Ad esempio, molti processi cognitivi (quali l'attenzione e la memoria di lavoro) contribuiscono alla generazione della componente P300 ma essi sono rappresentati da un singolo marker elettrofisiologico, in contrasto con l'attivazione diffusa visto nella risposta BOLD fMRI. Inoltre il P300 non è influenzato dalla risposta motoria nello stesso modo come fDati MRI. La risoluzione temporale dei dati EEG permette cognitive e motorie risposte per essere separati nel tempo. La natura della misura BOLD fMRI significa che molte regioni del cervello si trovano ad essere attivi contemporaneamente in un particolare compito. Determinare le funzioni di queste aree di attivazione è molto dipendente dalla progettazione delle applicazioni e analisi. Si raccomanda pertanto che il progetto di uno studio fMRI è pilota testato comportamentale per stabilire gli effetti di interesse e poi pilota testato in ambiente fMRI per garantire un'adeguata progettazione, realizzazione e analisi per gli effetti di interesse.

Oltre a guidare l'interpretazione dei dati di attività stravaganti che comportano una risposta motoria i risultati dello studio originale 7 mostrano che è possibile progettare studi con il compito stravagante di concentrarsi su aspetti specifici di rilevazione bersaglio. Ad esempio indagare l'integrazione di input sensoriali per produrre la risposta corretta motore potrebbe farene utilizzando la versione rispondere del compito. La versione conteggio del compito d'altra parte sarebbe più appropriato per i processi associati al processo decisionale indagare, in particolare quando non è richiesta una risposta motoria. In alcune popolazioni, ad esempio, l'invecchiamento o pazienti con disturbi del movimento, la produzione di una risposta motoria potrebbe essere influenzato da fattori non correlate all'attività, in questi casi la versione conteggio del compito stravagante potrebbe essere la più appropriata.

I dati forniscono non solo le prove per come pattern di attivazione cerebrali differiscono tra le versioni del compito stravagante, che illustrano anche che, considerando gli elementi di compiti comportamentali / cognitivi utilizzati negli esperimenti fMRI è cruciale se i dati devono essere interpretati in modo appropriato. Ciò è particolarmente importante in paradigmi in cui è possibile utilizzare una risposta palese o occulta. Compresa una risposta motoria cambia le esigenze del compito e l'attivazione indotte dal motore risposta può influenzare l'interpretazione di altri compiti connessi attivazione. Questioni come questa dovrebbero essere considerati quando si adegua un paradigma attraverso diverse modalità di imaging.

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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.

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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).
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Trasferimento di compiti cognitivi Tra Brain Imaging Modalità: Implicazioni per attività di disegno e interpretazione dei risultati in studi fMRI
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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).

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