Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Behavior

Overføre kognitive oppgaver mellom hjernebildediagnostikk: Konsekvenser for Task Design og tolking av resultatene i fMRI studier

doi: 10.3791/51793 Published: September 22, 2014

Introduction

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

Som kognitiv nevrovitenskap metoder utvikle, er etablert eksperimentelle oppgaver brukes med nye hjernen imaging modaliteter. Dette er en logisk progresjon siden de fleste nevropsykologiske begreper (f.eks distinkt minne sub-komponenter) er undersøkt i atferds domene og passende eksperimentelle oppgaver for sondering spesifikke funksjoner har blitt utviklet og testet. Som ny teknologi dukker opp bevis for de nevrale grunnlaget for disse atferdsobservasjoner er søkt med de nye hjerneavbildningsmetoder. Mens det kan være fristende å bare trekke på godt studert atferds oppgaver for imaging studier, flere viktige advarsler må tas i betraktning. En viktig, men ofte oversett, er betraktning bruken av det mest hensiktsmessige avbildningsteknikk for å undersøke den atferds bevis ytterligere. I form av kognitiv nevrovitenskap og psykologi er det mange hjernen imaging metoder tilgjengelig for å forbedre vår forståelse av nevral activligheten underliggende begreper av interesse; for eksempel elektroencefalografi (EEG), magnetoencefalografi (MEG), transkranial magnetisk stimulering (TMS), funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) og positronemisjonstomografi (PET). Alle disse fremgangsmåter har sine fordeler, ulemper og egnede anvendelser. Her overføre et paradigme med en lang historie av atferdsmessige og EEG eksperimenter til en fMRI-eksperiment er vurdert. EEG har vært brukt i flere tiår for å undersøke nevrale responser assosiert med perseptuelle og kognitive prosesser. Som sådan, har mange paradigmer er utviklet for bruk med denne metoden, og har utviklet seg over tid. Funksjonell MR er en teknikk som dukket opp mer nylig i kognitiv nevrovitenskap, og dette har ført til noen paradigmer utviklet i EEG forskning blir brukt i fMRI. Å bygge på kunnskapsgrunnlaget fra EEG eksperimenter med de nye teknikkene er et logisk skritt, men likevel noen viktige punkter kan bli neglisjert i overføringen. Teknikkene enre meget forskjellige og oppgaver må være utformet tilsvarende. Dette krever kjennskap til hvordan metoden fungerer og, spesielt, hvor eventuelle modulasjoner av paradigmet som benyttes vil påvirke de tiltak som treffes. For ytterligere informasjon om utformingen av fMRI eksperimenter den interesserte leser er rettet mot følgende link http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Task design vil bli vurdert i sammenheng med overføring av et paradigme utviklet for EEG forskning til fMRI-miljø. Målene med denne utredningen er: i) å kort beskrive fMRI og når bruken er hensiktsmessig i kognitiv nevrovitenskap; ii) for å illustrere hvordan oppgaven design kan påvirke resultatet av en fMRI-eksperiment, spesielt når den oppgaven er lånt fra en annen avbildningsfunksjonalitet; og iii) for å forklare de praktiske sidene ved å utføre en fMRI-eksperiment.

Funksjonell MR er nå en allment tilgjengelig technique og som sådan er en vanlig metode som brukes i kognitiv nevrovitenskap. For å ta en beslutning om hvorvidt teknikken er passende for en bestemt eksperiment fordeler og ulemper ved fMRI må vurderes i forhold til andre tilgjengelige teknikker. En ulempe ved fremgangsmåten er at det ikke er et direkte mål på nevral aktivitet, snarere er det en korrelat av nevral aktivitet ved at den metabolske respons (oksygenbehov) konvolvert med hemodynamisk respons. Således dens tidsmessig oppløsning er dårlig i forhold til elektrofysiologi, for eksempel, hvor den målte elektriske signal er nærmere til den underliggende nevral aktivitet snarere enn en metabolsk respons. EEG har en tidsmessig oppløsning i størrelsesorden millisekunder i forhold til et vedtak i størrelsesorden sekunder i fMRI. Men den viktigste fordelen med fMRI er at romlig oppløsning av teknikken er utmerket. Videre, det er ikke-invasiv og dermed fag ikke behøver å innta stoffer som kontrast midler eller bli utsatt for stråling som ville være tilfelle i positronemisjonstomografi (PET). Derfor er fMRI en egnet teknikk for eksperimenter som undersøker hvilke områder av hjernen er involvert i persepsjon, kognisjon og atferd.

I denne utredningen den visuelle underlig paradigmet er tatt som et eksempel for overføring av en veletablert EEG-oppgave å fMRI (se figur 1 for detaljer). Det bør bemerkes at problemene diskutert kan også påvirke resultatene og data tolkning når andre paradigmer blir brukt og bør bli betraktet i utformingen av alle fMRI eksperimenter. Underlig paradigmet er hyppig brukt i psykologi og kognitiv nevrovitenskap for å vurdere oppmerksomhet og måldeteksjon ytelse. Paradigmet ble utviklet i EEG forskning, spesielt hendelsesrelaterte potensialer (ERPS), for å undersøke den såkalte P300 komponent en. P300 representerer mål deteksjon og fremkalles ved resultatføring avet sjeldent mål stimulans en. P300 brukes i studier på tvers av en rekke kognitive og kliniske domener to f.eks pasienter med schizofreni og deres pårørende tre, tunge røykere 4 og den aldrende befolkningen fem. Gitt at den underlig paradigmet (og P300 fremkalt ved paradigmet) er robust og er også modulert av ulike sykdomstilstander, dens overføring på tvers av ulike bildediagnostikk var uunngåelig.

Den utstrakte aktivering sett i hjernen under en underlig MR-målingen er kjent for å være et resultat av flere kognitive funksjoner, som vist med tallrike studier fMRI sondering andre kognitive konsepter. Dette utbredt natur aktiveringsmønster gjør det vanskelig å avgjøre hvilke områder av hjernen er mer (eller mindre) aktiv på grunn av den spesifikke oppgaven manipulasjoner eller gruppeforskjeller som eksperimentator er interessert i. Nærmere bestemt er det ikke sikkert om de observerte forskjellene i aktisjon er relatert til målet deteksjon seg selv, for å oppmerksomhet relaterte prosesser, eller om de er knyttet til andre oppgavekrav, for eksempel kontinuerlige arbeidsminne prosesser eller prosesser som er relatert til produksjon av en motorisk respons. Prosessen med å tilordne funksjonen til den målte aktivitet er enklere i EEG-domenet hvor kognitive komponenten av interesse (måldeteksjon) måles i cerebral klart svar på den underlig oppgave (P300). Likevel, nevrologer har en tendens til å tolke sine funn i favør av sin egen hypotese og eksperiment, heller enn å sette i arbeidet med å utelukke alternative forklaringer. De fleste forsøkene, men vil ikke være i stand til å løse disse viktige spørsmålene iboende - skanningstiden er kostbart - det er derfor vi argumentere for grundig planlegging og pilottesting av paradigmer.

Foruten denne vanskeligheten i å etablere en direkte kobling mellom hjernen regioner og kognitive komponenter, natur underlig paradigmet ogsåpresenterer andre mulige metodiske problemer når de ble overført til fMRI. For eksempel, er påvisning av et mål stimulus vanligvis angitt ved å trykke på en svarknapp. Dette gjør at eksperimentator å registrere nøyaktigheten og hastigheten på svar, men dette svaret kan også ha innvirkning på fMRI BOLD respons å målrette stimuli. Motoren nødvendig handling du trykker på knappen virkninger på stimulus-låst fMRI aktivering gitt at det skjer bare noen få hundre millisekunder etter presentasjonen av målet stimulans. Dette kan også påvirke tolkningen av at aktivering, for eksempel områder av hjernen som er involvert i fremstilling av for motoren responsen kan feilaktig antas å være involvert i påvisning av target-stimulus, og vice versa. Dette har ført til metodiske endringer der indirekte mål på mål deteksjon, ikke stole på motoriske responser, er tatt. For eksempel å telle mål stimuli er foreslått 6 som en måte å sikre at fagene opprettholde attentipå på oppgaven; antall forsøk savnet kan indikere hvor uoppmerksom et emne var. Rapportering antall stimuli telles ved slutten av oppgaven innebærer også at experimenter kan kontrollere om emnet utført oppgaven fullstendig. Et tredje alternativ er å bruke et fullt passiv oppgave design der faget gis ingen instruksjoner om hvordan de skal reagere og nyheten av et mål stimulus antas å iboende lokke fram en måldeteksjon-lignende respons. Til tross for disse versjoner av oppgaven ved hjelp av samme type stimuli og grunnleggende konstruksjon, vil aktiveringsmønster som resulterer fra hver variant av oppgaven være forskjellig fordi de kognitive og motoriske krav oppgavene er forskjellige 7,8. For eksempel vil det være arbeidsminne prosesser involvert i å telle mål stimuli f.eks, holder dagens antall mål stimuli i tankene, som ikke vil være nødvendig under passiv visning. Her disse tre versjoner av underlig oppgave, passive, telle, ennd reagerer brukes til å vise hvor forsiktig oppgave design og implementering kan redegjøre for disse endringene i oppgavekrav og la hensiktsmessig tolkning av resultatene.

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

MERK: Studien protokollen ble godkjent av de lokale bilder av mennesker Fagfellerådsmedlemmer ved RWTH Aachen universitetet og ble gjennomført i henhold til Helsinkideklarasjonen.

1. Oppgave Design

  1. Velg en passende oppgave å undersøke kognitiv / psykologisk konstruksjon av interesse. Bruk visuelle underlig oppgave (figur 1) for å måle måldeteksjon svar og virkningene av oppmerksomhet på mål deteksjon. Dette gjør etterforskningen av påvirkning av oppgave manipulasjoner på fMRI data.
  2. Bruk tre versjoner av underlig oppgave.
    1. Passiv versjon: Spør lagt observere visuelle stimuli. Ikke oppdage eventuelle svar.
    2. Silent count versjon: Spør lagt telle målet stimuli. Denne oppgaven krever å rette oppmerksomheten mot disse stimuli og en diskriminerende prosess.
    3. Svare versjon: Spør faget å presse et svar-knapp når de får se en TAvr fokus stimulans. Denne oppgaven krever oppmerksomhet, diskriminerings prosesser, og seleksjon / produksjon av en reaksjon for å målrette stimuli.
  3. Tenk riktig antall forsøk som kreves for en robust respons. Signal-til-støy-forholdet i fMRI målinger er forholdsvis lav og krever en rekke reaksjoner som skal gjennomsnitt for å undersøke effektene av interesse 9. Dette avhenger av oppgaven og stimulans modalitet brukes. 200 forsøkene er brukt i denne oppgaven, 40 som er mål-forsøk er tilstrekkelig til å fremkalle en sterk respons.
  4. Bestem tidsberegningen for sekvensen av stimuli. Tidspunktet for stimuli er avgjørende i en fMRI-studie for vurdering av presentasjon rate 10. Vurdere hemodynamiske respons-forsinkelse mellom stimulus utbruddet og den målte hjernerespons (figur 2).
    1. Opprettholde en balanse mellom å levere tilstrekkelige stimuli i en rimelig tid og gi tilstrekkelig prøvetaking av de hemodynamiske response til hver stimulus, inkludert retur til utgangspunktet. Last ned, installere og kjøre optseq programvare. Kjør optseq å optimalt fordele studier ved eksperimentet basert på antall forsøk, stimulans varighet og skanningsparametere (repetisjon tid og antall bind).
  5. Implementere rekkefølgen av stimuli (tidligere bestemt) i et egnet program for å presentere paradigmet til emnet.
    1. Oppgi alle opplysninger som er relevante for paradigmet i form av type stimuli, timing og svar.
      MERK: Programmering detaljer er ikke presentert her fordi hver paradigmet vil ha ulike krav AS skal ulike programvarepakker.
  6. Sette opp programmet som vil levere den eksperimentelle paradigmet slik at det vil starte med en utløser fra skanneren. Dette tillater synkronisering av de ervervede data og sekvensen av stimuli presenteres.

2. Oppsett Experimental Miljø

  1. Prepare skanneren rommet. Koble den nederste delen av korrekt hodet spiral til skanneren. Plasser rene beskyttelsesdeksler på skanneren og puter.
  2. Bruk en skjermenhet for å presentere den eksperimentelle paradigmet til faget og registrere svarene ved hjelp av en håndholdt enhet. Slå skjermenheten og en håndholdt enhet "på".
  3. Start programvaren som vil levere den eksperimentelle paradigmet og gi et navn på loggfil. Loggfilen inneholder informasjon om tidspunktet for stimuli og av svarene gjort av faget. Bruk denne informasjonen til å analysere dataene.
  4. Sett inn motivet i MR skanner database. Rekord data ved hjelp av et unikt identifikasjonsnummer. Ikke oppbevar fagets navn med dataene for å garantere personvernet.
  5. Sørg for at MR sekvenser som skal kjøres er satt opp og klar. Bruk følgende sekvenser: en localizer skanne å få fagenes hode posisjon inne i coil, en EPI sekvens for functional bildebehandling og MPRAGE for en høy oppløsning strukturell scan.

3. Med forbehold Ankomst og Inngang til skanner

  1. Screen gjenstand for kontraindikasjoner med MRI før eksperimentet (f.eks, i løpet av rekrutteringen prosedyre).
    1. Gi MR sikkerhetsinstruksjonene før skanning. Utfør screening av deltakere (av opplært personell). Sikre fagenes sikkerhet. Sørg for at de har noe metall i kroppen, ikke ha enheter som pacemakere og ikke oppfyller eventuelle andre eksklusjonskriterier.
  2. Ved fagenes ankomst sjekke screening spørreskjemaet og bekrefte deres kompatibilitet før du fortsetter.
  3. Forklar den eksperimentelle prosedyren til faget og tilbyr muligheten til å stille spørsmål. Spør lagt under på samtykke og databeskyttelse former.
  4. Hvis eksperimentet involverer komplekse oppgaver som krever trening anbefales det at faget utfører en praksis kjøre før going i skanneren.
  5. Pass på at motivet er metallfrie, uten noen mynter, belte, klokke og smykker. Når bekreftet, la motivet i skannerrommet.
  6. Spør lagt sitte på skanneren iført ørepropper. Ørepluggene som brukes her gi beskyttelse mot støy fra skanneren under skanning og også tillate etterforsker for å kommunisere direkte med emnet fra kontrollrommet. I noen anlegg hodetelefoner brukes for kommunikasjon med faget.
  7. Spør faget å legge seg ned på skanneren. Tilby faget en pute å gå under knærne for å redusere ryggsmerter. Komforten av faget er viktig for deres trivsel og datakvalitet. Bevegelse som følge av ubehag vil ha en negativ innvirkning på forårsaket av ubehag vil påvirke ytelsen til oppgaven imaging data og distraksjon.
  8. Plasser den øverste delen av hodet spolen over motivets hode og koble dem til igjen. Plasser motivet217; hode hensiktsmessig i hodet spolen. Juster liten markør på hodet spiral langs fagenes øyenbrynene. Sørg for faget lyver rett og komfortabel. Spolen overflaten skal ikke berøre ansiktet (f.eks å trykke på nesen).
  9. Sikre emnet hode med små puter å minimere hodebevegelser under skanning. Hodebevegelser har negativ innvirkning på kvaliteten av dataene.
  10. Plasser et speil på toppen av hodet spole for emnet for å se den eksperimentelle paradigmet som vises på skjermen bak. Sørg for faget kan se hele skjermen. Flytt montert speil i henhold til motivets plassering. Fag med briller må bruke MR kompatibel briller. De fleste MR forskningsfasiliteter har kompatible linser eller briller. I dette tilfelle montere MR kompatible linser på en ramme som holder speilet. Bestem den riktige linsestyrke før emnet kommer inn i skannerrommet.
  11. Late faget et nødnummer knapp to stoppe skanningen hvis nødvendig. Sørg for at motivet vet hvor knappen er, og at de lett kan nå det.
  12. Flytt motivet til inngangen av boringen av skanneren. Spør lagt lukke øynene under denne prosedyren. Rett inn lett med de små merker på hode spolen for å etablere den korrekte posisjon.
  13. Beveg emnet inn i boringen av skanneren til displayet viser '0 mm'. Det betyr at leder av motivet er på isomidtpunktet av skanneren.
  14. Late emnet responsen enheten.

4. Forsøksprosedyre

  1. Sjekk om faget kan høre eksperimentator via intercom og at motivet er komfortabel og klar til å starte.
  2. Utfør en localizer scan for å få posisjonen til motivets hode i skanneren. Bruk av dette for å posisjonere synsfeltet til alle de resterende målinger for å bestemme de deler av hjernen som skal måles.
  3. Første perform en høy oppløsning strukturell scan. Åpne MPRAGE sekvens / program og plasser synsfelt. Sørg for at hele motivet hode er innenfor synsfeltet. MP-RAGE parametere: TR / TE = 2,250 / 3,03 msek, flip vinkel = 9 °, 176 sagittal skiver, FOV 256 x 256 mm, 64 x 64 matrise, voxel størrelse 1 x 1 x 1 mm).
  4. La motivet vite at skanningen vil starte og deretter begynne målingen.
  5. Utfør funksjonell MR-undersøkelse.
    1. Åpne EPI sekvens på skanner datamaskinen og justerer synsfelt til å dekke hele hjernen. EPI parametere: 33 skiver, skivetykkelse 3 mm, FOV 200 x 200 mm, 64 x 64 matrise, repetisjon tid 2000 msek, ekko tid 30 ms, flip vinkel 79 °.
    2. Kjør et enkelt volum test måling. Sørg for at hele (eller så mye som mulig) av fagets hjernen finnes innenfor synsfeltet.
      MERK: fag har forskjellige former og størrelser av hoder (og hjernen). Derfor optimalt posisjon innense for hvert fag.
    3. Kopier fMRI sekvens slik at posisjonert synsfeltet forblir den samme for neste måling. Angi antall volumer kreves for måling, 304 i dette tilfellet.
    4. Kontroller at programvaren presentere paradigmet venter på en trigger fra skanneren. Paradigmet vil ikke starte uten en utløser fra skanneren slik at den kan lastes inn og satt til å vente.
    5. Informer faget at forsøket er i ferd med å starte. Start målingen.
    6. Sjekk at programvaren presentere paradigmet starter på riktig tidspunkt (dvs. at det er utløst av skanneren).
    7. Utfør tre versjoner av underlig oppgave. Passiv, grev og svare.
    8. Snakk med faget i mellom går for å gi trygghet. Sikre deres komfort. Spør hvis motivet tillatelser til å fortsette med studien. Instruere gjenstand for den kommende oppgaven.
    9. Først kjøre de passive condition å sikre sann passiv visning uten kunnskap om at målet stimuli er faktisk målrette stimuli. Motvekt rekkefølgen av tellingen og svare forhold på tvers av fag for å hindre ordens effekter.

5. Slutt på Experiment

  1. Informer faget at forsøket er ferdig gå inn i skanneren rommet.
  2. Skyv et motiv ut fra skanneren.
  3. Fjern hodet spiral og puter.
  4. Spør lagt sitte opp sakte. Når de er komfortable, kan faget stå opp og la skanneren rommet.
  5. Administrere noen spørreskjemaer / papirarbeid som må være ferdig etter forsøket
  6. Debrief emnet: gi faget med en forklaring om de mål og hensikt med studien om ikke dette var fullt mulig før eksperimentet og tilbyr muligheten til å stille spørsmål

6. Data Analysis

  1. Bruk en programvarepakke som er egnet for analyzing fMRI data. Utføre første nivå data analyse for hvert emne og hver tilstand separat.
    MERK: Bruk FMRIB Software Library (FSL) for fMRI dataanalyse.
  2. Påfør standard forbehandling skritt for å forberede data for videre analyse.
    MERK: Bruk følgende trinn: motion korreksjon, slice timing korreksjon, coregistration av strukturelle og funksjonsdata, romlig glatting, highpass temp filtrering, normalisering av individ til standard (f.eks MNI) plass. Finn et sammendrag av disse trinnene i fMRI lærebøker Huettel et al, (2008) 9 og Jezzard et al, (2001) 11. Spesifikk informasjon om hvordan du utfører forbehandlingsteknikker skritt er tilgjengelig på nettstedet og i støttedokumentasjon for hver enkelt programvarepakke.
  3. For den statistiske analysen angir utbruddet ganger til og varigheten av alle hendelser. Disse kalles forklaringsvariabler (EVS), eller regressors.
  4. Sett opp kontraster for å fastslåsom elbiler er sammenlignet. Å identifisere BOLD aktivering spesifikk for påvisning av målet stimuli satt opp følgende kontrast: target> utenfor målgruppen stimuli.
    MERK: Du kan bruke andre kontraster: Målgruppe stimuli mot baseline; utenfor målgruppen stimuli mot baseline; målet stimuli> non-target stimuli; utenfor målgruppen stimuli> Mål stimuli
  5. Utfør første nivå statistisk analyse for hvert emne og hver tilstand separat. Utgangen fra analysen viser de aktive områder av hjernen for hver av de respektive kontrast.
  6. Sammenligne de tre forholdene som bruker et annet nivå, eller gruppenivå, analyser. Bruk utgangen fra det første nivået analyse som input for gruppen nivå analyse.
    MERK: I den opprinnelige papir 7 forskjellene mellom forholdene på målet> hyppig kontrast ved hjelp av en Tredobling To-Group Difference utforming som involverer følgende kontraster: svare> passiv, telle> passiv, svare> count.Disse kontrastene avsløre hjernens aktivitet knyttet til variasjon i kognitive prosesser på tvers av de tre svar modaliteter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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

Stimulering og analysemetode fremkalte BOLD aktivering i områder av hjernen er forbundet med en visuell underlig oppgave. Målet> ikke-target-kontrast viste ingen aktivering for den passive tilstand, men åpenbarte aktivering både i teller og reagerer (figur 3). De data som er presentert i figur 3 er en kvalitativ sammenligning av telleverdien og svare forhold og viser hvordan aktiveringsmønster ville se ut hvis hvert versjon av oppgaven ble utført i isolasjon.

De viktigste sammenligninger av interesse var de mellom forholdene. Så, hvor hjernen regioner gjør måldeteksjon relatert aktivering forskjellig når oppgaven krever endres? Figur 4 viser at det er forskjeller mellom forholdene. I motsetning til kvalitativ vurdering av forskjellene mellom tellingen og svare tilstand beskriver ovenfor, denne sammenligningen er gjort ved hjelp t-tester på hele hjernen data, showing regionene hvor aktivering betydelig forskjellig mellom forhold.

Dataene fra den opprinnelige studien 7 viser forskjeller i BOLD aktivering mellom tellingen og svare versjoner av den visuelle underlig. Hvis det ikke var data fra begge forholdene for sammenligning aktiverings ville bli tilskrevet "måldeteksjon 'i begge forhold. Imidlertid aktivering ble observert i de midterste frontpartiet gyrus (MFG) under reagerer, men ikke telletilstand. Det faktum at MFG aktivering ikke ble observert i telle tilstand angir at det er relatert til motor preparatet og / eller motorisk respons forbundet med knappen trykk i reagerer tilstand i stedet for rent til prosessene måldeteksjon. I fravær av tellingen oppgave for sammenligning er det sannsynlig at denne MFG aktivering ville ha blitt tilskrevet kognitive prosesser i forbindelse med oppgaven fremfor utførelsen handling. Tilsvarende aktivering i tilleggs MOTeller område (SMA) ble observert i løpet av tellingen tilstand samt reagerer tilstand. Det er ingen responser foretatt i telletilstand, slik at det er usannsynlig at SMA aktivering er relatert til motor preparatet, noe som tyder på at SMA spiller en rolle i andre aspekter av oppgaven, for eksempel hensyn til de stimuli, påvisning av mål-stimuli, bestemmer enten å foreta en respons, og i så fall hvilken reaksjon for å gjøre. Det er sannsynlig at SMA aktivering ville ha blitt tolket som å være involvert i motor forberedelse hvis det var bare en svarer versjon av oppgaven, noe som betyr at rollen som SMA i andre oppgaverelaterte prosesser ville ha blitt oversett. Dette fremhever noen potensielle fallgruver ved tolkning fMRI data. Til tross for den oppgaven brukt her være relativt enkle innebærer det mange perseptuelle og kognitive prosesser. Det kan være vanskelig å skille disse kognitive prosesser og deres underliggende neurale substrater. Utformingen av denne studien, slik at innen skanning vurdering of målet deteksjon kontrast, etterfulgt av mellom skanne sammenligning av forholdene er en robust konstruksjon, men den er ikke i stand til å skille de mulige roller SMA lenger enn til å etablere at den bidrar til andre prosesser enn motoriske prosesser. Dette understreker behovet for forsiktig eksperimentell design og analyse i fMRI studier.

Figur 1
Figur 1. Den underlig paradigme innebærer viser et rekke stimuli (i dette tilfellet sirkler), 80% av dette er av en type, 'hyppige', og 20% er av en annen type "mål". Blinken stimuli fremkalle et mål deteksjon respons på grunn av den infrequency av denne type stimulus. I denne utredningen ble det tre versjoner av oppgaven utføres. Den første er passive som innebærer passiv visning av stimuli (no response laget). Den andre er å telle, dette innebærer å telle antall mål-stimuli og rapportere det totale på slutten av eksperimentet. Den tredje er å svare, dette innebærer å trykke på en knapp hver gang et mål stimulus vises.

Figur 2
Figur 2. hemodynamiske respons er levering av blod til nevralt aktive vev. De hemodynamiske respons i hjernen stiger langsomt (i forhold til nevral aktivitet) og topper omtrent 5 sek etter stimulus. Responsen tar deretter et antall sekunder (15-20) for å gå tilbake til baseline. Figuren viser kanoniske hemodynamisk respons funksjon; Dette er en hypotetisk signal som reaksjon på en enkelt, kort 'null varighet' stimulus, med signalet kommer tilbake til grunnlinjen bare dersom stimulus ikke lenger løses.

Figur 3
Figur 3. BOLD aktivering for målet> hyppig kontrast for telling og responsforhold. (Andre nivå blandet-effekter flamme. N = 16, Cluster-korrigert terskel Z = 2.3, p = 0,05). Dette tallet og bildetekst har blitt forandret fra Warbrick et al, 2013 7.

Figur 4
Figur 4. Den venstre delen av figuren viser BOLD aktivering for telling tilstand mot den passive tilstand. Den høyre del av figuren viser den reagerer tilstand mot den passive tilstand. Alle data som representerer målet> hyppig lavere kontrast. Del A fremhever aktivering i tilleggsmotorområdet (SMA). Del Bviser den midterste frontal gyrus (MFG) aktivisering for den reagerer tilstand bare. (Andre nivå blandet-effekter flamme. N = 16, Cluster-korrigert terskel Z = 2.3, p = 0,05) Dette tallet og bildetekst har blitt forandret fra 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

Vi viser at manipulere oppgaven krever i de visuelle oddball oppgave resultater i ulike mønstre av BOLD aktivering i tellingen og svare forhold. De funksjonelle rollene noen av regionene innblandet i hver tilstand ville ha blitt feilaktig tildelt hadde data fra de tre versjonene av oppgaven ikke vært tilgjengelige for sammenligning. Denne tvetydigheten i data tolkning vil ikke nødvendigvis ha vært tilfelle i EEG P300 felt hvor oppgaven har sin opprinnelse, fremhever behovet for spesielle hensyn ved overføring eksperimentelle paradigmer fra en avbildningsfunksjonalitet til en annen. For eksempel, mange kognitive prosesser (så som oppmerksomhets og arbeidsminne) bidrar til generering av P300-komponenten, men disse er representert ved en enkelt elektrofysiologisk markør, i motsetning til den utstrakte aktivering sett i fmri BOLD respons. Videre P300 ikke blir påvirket av motoren respons på samme måte som fMRI data. Den tidsmessig oppløsning av EEG data tillater kognitive og motoriske reaksjoner å bli separert i tid. Naturen av fmri BOLD tiltak betyr at mange områder av hjernen er funnet å være aktive på samme tid i en bestemt oppgave. Bestemme funksjonene til disse områdene av aktivering er veldig mye avhengig av oppgaven design og analyse. Det anbefales derfor at utformingen av en fMRI-studie er pilot testet atferdsmessig å etablere effekten av interesse og deretter pilottestet i fMRI miljø for å sikre hensiktsmessig utforming, gjennomføring og analyse for virkningene av interesse.

I tillegg til å styre tolkningen av data fra underlig oppgaver som involverer en motorisk respons resultatene fra den opprinnelige studien 7 viser at det er mulig å utforme studier ved hjelp av den underlig oppgave å fokusere på bestemte sider av måldeteksjon. For eksempel undersøkte integrering av sanseinntrykk for å frembringe den riktige motorrespons kunne gjørene ved hjelp av reagerer versjon av oppgaven. Tellingen versjon av oppgaven på den annen side ville det være mer hensiktsmessig for å undersøke prosesser assosiert med beslutningsprosesser, spesielt når en motorisk respons ikke er nødvendig. I enkelte populasjoner, f.eks, aldring eller pasienter med bevegelsesforstyrrelser, produksjon av en motorisk respons kan bli påvirket av ikke-oppgaverelaterte faktorer, i disse tilfellene tellingen versjon av underlig oppgave kan være den mest hensiktsmessige.

Dataene gir ikke bare bevis for hvordan hjernen aktiveringsmønstre variere over versjoner av underlig oppgave, de også illustrere at vurderer elementer av kognitive / atferds oppgaver som brukes i fMRI eksperimenter er avgjørende for at data skal tolkes på riktig måte. Dette er spesielt viktig i paradigmer hvor det er mulig å bruke en åpen eller skjult respons. Inkludert en motorisk respons endrer kravene til oppgaven og aktivering fremkalt av motorinnstilling respons kan påvirke tolkningen av andre oppgaver relatert aktivering. Saker som dette bør vurderes når man tilpasser et paradigme på tvers av ulike bildediagnostikk.

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).
Overføre kognitive oppgaver mellom hjernebildediagnostikk: Konsekvenser for Task Design og tolking av resultatene i fMRI studier
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
simple hit counter