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

Summary

Transferring a paradigm with a history of use in EEG experiments to an fMRI experiment is considered. It is demonstrated that manipulating the task demands in the visual oddball task resulted in different patterns of BOLD activation and illustrated how task design is crucial in fMRI experiments.

Abstract

As cognitive neuroscience methods develop, established experimental tasks are used with emerging brain imaging modalities. Here transferring a paradigm (the visual oddball task) with a long history of behavioral and electroencephalography (EEG) experiments to a functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiment is considered. The aims of this paper are to briefly describe fMRI and when its use is appropriate in cognitive neuroscience; illustrate how task design can influence the results of an fMRI experiment, particularly when that task is borrowed from another imaging modality; explain the practical aspects of performing an fMRI experiment. It is demonstrated that manipulating the task demands in the visual oddball task results in different patterns of blood oxygen level dependent (BOLD) activation. The nature of the fMRI BOLD measure means that many brain regions are found to be active in a particular task. Determining the functions of these areas of activation is very much dependent on task design and analysis. The complex nature of many fMRI tasks means that the details of the task and its requirements need careful consideration when interpreting data. The data show that this is particularly important in those tasks relying on a motor response as well as cognitive elements and that covert and overt responses should be considered where possible. Furthermore, the data show that transferring an EEG paradigm to an fMRI experiment needs careful consideration and it cannot be assumed that the same paradigm will work equally well across imaging modalities. It is therefore recommended that the design of an fMRI study is pilot tested behaviorally to establish the effects of interest and then pilot tested in the fMRI environment to ensure appropriate design, implementation and analysis for the effects of interest.

Introduction

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.

Protocol

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 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…

Representative Results

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. <p class="jove…

Discussion

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…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Magnetom Tim Trio 3T MRI scanner	Siemens Medical Solutions, Erlangen, Germany
Presentation version 14.8	Neurobehavioural system, Albany, CA, USA
Lumitouch device	Photon Control Inc, Burnaby, BC, Canada		This device is no longer produced by the manufacturer. Alternative MR compatible response devices are available
TFT display	Apple, Cupertino, CA, USA	30inch cinema display	The screen was custom modified in-house to be MR compatible. However, a number of MR compatible screens are available on the market
optseq		surfer.nmr.mgh.harvard.edu/optseq	program for determining optimal stimulus timing for rapid event related designs
FMRIB software library (FSL)	FMRIB, Oxford	http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/	Other software tools are available for analysing fMRI data, for example SPM, AFNI and Brain Voyager