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Behavior

Transferencia de tareas cognitivas entre el cerebro de imágenes Modalidades: implicaciones para el diseño de tareas y resultados de interpretación en los estudios de resonancia magnética funcional

doi: 10.3791/51793 Published: September 22, 2014

Introduction

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Con el desarrollo de métodos de la neurociencia cognitiva, tareas experimentales establecidos se utilizan con las nuevas modalidades de imagen cerebral. Esto es una progresión lógica desde la mayoría de los conceptos neuropsicológicos (por ejemplo, sub-componentes de memoria distinta) han sido investigados en el dominio del comportamiento y tareas experimentales apropiadas para sondear funciones específicas han sido desarrolladas y probadas. Como nueva tecnología emerge evidencia de las bases neurales de estas observaciones de comportamiento que se busca con los nuevos métodos de imágenes cerebrales. Aunque puede ser tentador simplemente dibujar en las tareas de comportamiento bien estudiados por los estudios de imagen, varias advertencias importantes tienen que ser tomadas en cuenta. Una fundamental, aunque descuidado con frecuencia, la consideración es el uso de la técnica de imagen más adecuada para investigar más la evidencia de comportamiento. En términos de la neurociencia cognitiva y la psicología que hay muchos métodos de imágenes cerebrales disponibles para mejorar nuestra comprensión de la activ neuraldad que subyace a los conceptos de interés; por ejemplo, la electroencefalografía (EEG), la magnetoencefalografía (MEG), la estimulación magnética transcraneal (TMS), imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) y la tomografía por emisión de positrones (PET). Todos estos métodos tienen sus ventajas, desventajas y aplicaciones apropiadas. Aquí la transferencia de un paradigma con una larga historia de experimentos de comportamiento y EEG a un experimento fMRI se considera. EEG se ha utilizado durante décadas para investigar las respuestas neuronales asociados con los procesos perceptivos y cognitivos. Como tal, muchos paradigmas se han desarrollado para su uso con este método y han evolucionado con el tiempo. La RM funcional es una técnica que surgió más recientemente en neurociencia cognitiva y esto ha llevado a algunos paradigmas desarrollados en la investigación de EEG que se utilizan en fMRI. Para construir sobre la base de conocimientos a partir de experimentos de EEG con las nuevas técnicas es un paso lógico, pero sin embargo algunos puntos importantes puede ser descuidado en la transferencia. La técnicas de unre muy diferente y las tareas deben ser diseñadas en consecuencia. Esto requiere el conocimiento de cómo funciona el método y, en particular, cómo potenciales modulaciones del paradigma utilizan influirán las medidas adoptadas. Para más información sobre el diseño de experimentos de resonancia magnética funcional el lector interesado se dirige al siguiente enlace http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Diseño de la tarea se considera en el contexto de la transferencia de un paradigma desarrollado para la investigación EEG para el medio ambiente fMRI. Los objetivos de este trabajo son: i) describir brevemente fMRI y cuando su uso sea apropiado en la neurociencia cognitiva; ii) para ilustrar cómo el diseño de tareas puede influir en los resultados de un experimento de resonancia magnética funcional, sobre todo cuando dicha tarea se tomó prestado de otra modalidad de imagen; y iii) para explicar los aspectos prácticos de la realización de un experimento fMRI.

La RM funcional es ahora un tecn ampliamente disponibleique y como tal es un método común utilizado en la neurociencia cognitiva. Con el fin de tomar una decisión en cuanto a si la técnica es apropiado para un experimento particular las ventajas y desventajas de fMRI deben considerarse en relación con otras técnicas disponibles. Una desventaja del método es que no es una medida directa de la actividad neural, sino que es un correlato de la actividad neuronal en que la respuesta metabólica (necesidad de oxígeno) convolucionada con la respuesta hemodinámica. Así pues, su resolución temporal es pobre en comparación con la electrofisiología, por ejemplo, donde la señal eléctrica medida está más cerca de la actividad neural subyacente en lugar de una respuesta metabólica. EEG tiene una resolución temporal en el orden de milisegundos en comparación con una resolución en el orden de segundos en fMRI. Sin embargo, la principal ventaja de fMRI es que la resolución espacial de la técnica es excelente. Por otra parte, no es invasiva y por lo tanto sujetos no tienen que ingerir sustancias tales como coagentes ntrast o estar expuestos a la radiación, como sería el caso de la tomografía por emisión de positrones (PET). Por lo tanto, fMRI es una técnica adecuada para experimentos que investigan qué regiones del cerebro están involucradas en la percepción, la cognición y el comportamiento.

En este trabajo el paradigma oddball visual se toma como un ejemplo para la transferencia de un EEG-tarea bien establecida para fMRI (ver Figura 1 para más detalles). Cabe señalar que los temas discutidos también podría influir en los resultados y la interpretación de datos cuando se utilizan otros paradigmas y técnicamente deben ser considerados en el diseño de todos los experimentos de resonancia magnética funcional. El paradigma oddball se utiliza con frecuencia en la psicología y la neurociencia cognitiva para evaluar la atención y orientar el desempeño de detección. El paradigma fue desarrollado en la investigación EEG, específicamente potenciales relacionados con eventos (ERPs), para la investigación de la llamada componente P300 1. El P300 representa la detección de blancos y se produce a partir del reconocimiento deun objetivo poco frecuente estímulo 1. El P300 se utiliza en los estudios a través de una serie de dominios cognitivos y clínicos 2 por ejemplo, los pacientes con esquizofrenia y sus familiares 3, los grandes fumadores 4 y el envejecimiento de la población 5. Teniendo en cuenta que el paradigma bicho raro (y el P300 provocada por el paradigma) es robusto y también es modulada por diferentes estados de la enfermedad, su transferencia a través de diferentes modalidades de imagen era inevitable.

La activación generalizada visto en el cerebro durante una medición fMRI excéntrico es conocido por ser el resultado de múltiples funciones cognitivas, como se muestra por numerosos estudios de resonancia magnética funcional de sondeo otros conceptos cognitivos. Este carácter generalizado del patrón de activación hace que sea difícil determinar qué regiones del cerebro son más (o menos) activo debido a las manipulaciones de tareas específicas o las diferencias de grupo que el experimentador está interesado en. Específicamente, no está claro si las diferencias observadas en la activación están relacionados con la detección en sí apuntar, a los procesos de atención relacionados, o si están relacionados con otras demandas de la tarea, tales como los procesos de memoria de trabajo en curso o procesos relacionados con la producción de una respuesta motora. El proceso de asignación de función a la actividad medida es más fácil en el dominio EEG donde el componente cognitivo de interés (detección de blancos) se mide en clara respuesta cerebral a la tarea excéntrico (P300). Sin embargo, los neurocientíficos tienden a interpretar sus resultados en favor de su propia hipótesis y experimento, en lugar de poner en el esfuerzo para descartar explicaciones alternativas. La mayoría de los experimentos, sin embargo, no serán capaces de resolver estas preguntas importantes inherentemente - tiempo de exploración es costoso - es por eso que abogamos por una planificación minuciosa y pruebas piloto de los paradigmas.

Además de esta dificultad en el establecimiento de una relación directa entre las regiones del cerebro y los componentes cognitivos, la naturaleza del paradigma oddball tambiénpresenta otras cuestiones metodológicas posibles cuando de ser trasladado a la fMRI. Por ejemplo, la detección de un estímulo objetivo se indica normalmente pulsando un botón de respuesta. Esto permite que el experimentador para grabar la precisión y velocidad de las respuestas pero esta respuesta también puede repercutir en la respuesta BOLD fMRI para apuntar estímulos. La acción motriz necesaria para los impactos botón de prensa sobre la activación fMRI estímulo-bloqueado dado que pasa a sólo unos pocos cientos de milisegundos después de la presentación del estímulo objetivo. Esto también puede influir en la interpretación de que la activación, por ejemplo, las regiones del cerebro implicadas en la preparación para la respuesta del motor podría ser asumido erróneamente estar involucrado en la detección del estímulo objetivo, y viceversa. Esto ha dado lugar a modificaciones metodológicas mediante el cual, se toman las medidas indirectas de detección de objetivos, no dependen de las respuestas motoras. Por ejemplo, contando los estímulos objetivo se ha propuesto 6 como una manera para que los sujetos mantienen seguros attentien la tarea; el número de ensayos se perdió pueden indicar cómo desatento era un tema. Informar sobre el número de estímulos contadas al final de la tarea también significa que el experimentador puede comprobar si el sujeto lleva a cabo la tarea correctamente. Una tercera alternativa es utilizar un diseño de tareas totalmente pasiva donde el sujeto se da ninguna instrucción sobre cómo responder y la novedad de un estímulo objetivo se supone que es inherentemente provocar una respuesta de detección-como objetivo. A pesar de estas versiones de la tarea utilizando el mismo tipo de estímulos y diseño básico, el patrón de activación resultante de cada variación de la tarea será diferente porque las demandas cognitivas y motoras de las tareas son diferentes 7,8. Por ejemplo, habrá procesos de memoria que participan en el conteo de destino estímulos por ejemplo, sostiene que el número actual de estímulos objetivo en mente, que no se generarán con la observación pasiva de trabajo. Aquí estas 3 versiones de la tarea oddball, pasivos, contar, unand responden se utilizan para mostrar qué tan cuidadoso diseño de las tareas y la aplicación puede dar cuenta de estos cambios en los requisitos de la tarea y permitir una interpretación adecuada de los resultados.

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Protocol

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NOTA: El protocolo del estudio fue aprobado por la Junta de Revisión de Sujetos Humanos locales en la Universidad RWTH de Aachen y se llevó a cabo de conformidad con la Declaración de Helsinki.

1. Diseño de tareas

  1. Elija una tarea apropiada para investigar el constructo cognitivo / psicológico de interés. Utilice la tarea oddball visual (Figura 1) para medir las respuestas de detección perseguidas, y los efectos de la atención en la detección de objetivos. Esto permite la investigación de la influencia de la tarea manipulaciones en los datos de resonancia magnética funcional.
  2. Utilice tres versiones de la tarea bicho raro.
    1. Versión pasiva: Pida al sujeto para observar los estímulos visuales. No detectar cualquier respuesta.
    2. Versión conteo silencioso: Pida al sujeto que contar los estímulos diana. Esta tarea requiere dirigir la atención hacia estos estímulos y un proceso exigente.
    3. Responda versión: Pida al sujeto que apretar un botón la respuesta al ver a toestímulo rget. Esta tarea requiere de atención, procesos de discriminación, y la selección / producción de una respuesta a los estímulos objetivo.
  3. Considere el número adecuado de ensayos necesarios para una respuesta contundente. La relación señal-ruido en las mediciones de resonancia magnética funcional es relativamente bajo y requiere una serie de respuestas que se promedió con el fin de investigar los efectos de interés 9. Esto depende de la modalidad de tarea y el estímulo utilizado. 200 ensayos se utilizan en esta tarea, de los cuales 40 son ensayos de destino suficientes para provocar una respuesta contundente.
  4. Determinar los tiempos para la secuencia de estímulos. El momento de los estímulos es crucial en un estudio de resonancia magnética funcional para la consideración de la tasa de presentación de 10. Considere la hemodinámica respuesta de retraso entre el inicio del estímulo y la respuesta cerebral medido (Figura 2).
    1. Mantener un equilibrio entre la entrega de estímulos suficientes en un plazo razonable de tiempo y permitir el muestreo suficiente de los res hemodinámicosPONSE a cada estímulo, incluyendo el retorno a la línea de base. Descargar, instalar y ejecutar software optseq. Optseq Corre a distribuir de manera óptima las pruebas en todo el experimento basado en el número de ensayos, la duración del estímulo y parámetros de análisis (tiempo de repetición y el número de volúmenes).
  5. Implementar el orden de los estímulos (determinado previamente) en un programa adecuado para presentar el paradigma del sujeto.
    1. Especifique toda la información relevante para el paradigma en términos de tipo de estímulos, el calendario y las respuestas.
      NOTA: La programación de detalles no se presenta aquí porque cada paradigma tiene diferentes necesidades como Will diferentes paquetes de software.
  6. Configure el programa que entregará el paradigma experimental de modo que se iniciará con un disparador desde el escáner. Esto permite la sincronización de los datos adquiridos y la secuencia de estímulos presentados.

2. Configuración Experimental Ambiente

  1. Prepare la sala de escáner. Conecte la parte inferior de la bobina correcta de la cabeza a la superficie del escáner. Coloque cubiertas protectoras limpias en la cama del escáner y cojines.
  2. Utilice un dispositivo de visualización para presentar el paradigma experimental de la materia y registrar las respuestas utilizando un dispositivo de mano. Encienda el dispositivo de visualización y un dispositivo de mano "en".
  3. Inicie el software que va a entregar el paradigma experimental y proporcionar un nombre para el archivo de registro. El archivo de registro contiene información sobre el calendario de los estímulos y de las respuestas dadas por el sujeto. Utilice esta información para el análisis de los datos.
  4. Registrar el tema en la base de datos de escáner de RM. Registro de datos utilizando un número de identificación único. No guarde el nombre del tema con los datos para garantizar la privacidad.
  5. Asegúrese de que las secuencias de RM que se ejecutan están configurados y listos. Use las siguientes secuencias: un localizador escanear para obtener posición de la cabeza de los sujetos dentro de la bobina, una secuencia EPI para el fuimágenes nctional y MPRAGE para una exploración estructural de alta resolución.

3. Asunto Entrada Llegada y escáner

  1. Pantalla del sujeto para contraindicaciones con MRI antes del experimento (por ejemplo, durante el proceso de selección).
    1. Proporcionar instrucciones de seguridad MR antes de escanear. Lleve a cabo el cribado de sujetos (por personal capacitado). Garantizar la seguridad de los sujetos. Asegúrese de que no tienen ninguna de metal en su cuerpo, no tienen dispositivos tales como marcapasos y no cumplir con cualquier otro criterio de exclusión.
  2. A la llegada de los sujetos comprobar el cuestionario de selección y confirme la compatibilidad antes de proceder.
  3. Explicar el procedimiento experimental para el tema y ofrecer la oportunidad de hacer preguntas. Pida al sujeto que firmar los formularios de consentimiento y de protección de datos.
  4. Si el experimento implica tareas complejas que requieren una formación, se recomienda que el sujeto realiza una práctica de gestión antes de la gue va en el escáner.
  5. Asegúrese de que el sujeto es libre de metal, sin ningún tipo de monedas, cinturón, reloj y joyas. Una vez confirmado, dejar el tema en la sala del escáner.
  6. Pida al sujeto que sentarse en la superficie del escáner usando tapones para los oídos. Los tapones para los oídos usados ​​aquí proporcionan protección contra el ruido del escáner durante el escaneado y también permiten que el investigador se comunique directamente con el tema desde la sala de control. En algunas instalaciones se utilizan auriculares para la comunicación con el sujeto.
  7. Pida al sujeto que se acueste en la superficie del escáner. Presente el tema un colchón para pasar por debajo de las rodillas para reducir el dolor de espalda. La comodidad de la asignatura es importante para su bienestar y calidad de los datos. Movimiento resultante de las molestias tendrá un impacto negativo en los datos de imagen y la distracción causada por el malestar influirá en el desempeño de la tarea.
  8. Coloque la parte superior de la bobina de la cabeza sobre la cabeza del sujeto y enchufar los conectores. Sitúe el sujeto217; s cabeza apropiadamente en la bobina de la cabeza. Alinear el pequeño marcador en la bobina de cabeza a lo largo de las cejas de los sujetos. Asegúrese de que el sujeto está mintiendo recta y cómoda. La superficie de la bobina no debe tocar la cara (por ejemplo, al pulsar en la nariz).
  9. Fije la cabeza del sujeto con pequeños cojines para minimizar movimientos de la cabeza durante la exploración. Movimientos de la cabeza tienen un impacto negativo en la calidad de los datos.
  10. Colocar un espejo en la parte superior de la bobina de la cabeza para el sujeto para ver el paradigma experimental que se muestra en la pantalla detrás. Asegúrese de que el sujeto puede ver toda la pantalla. Mueva el espejo montado de acuerdo a la posición del sujeto. Los sujetos con gafas deben llevar gafas compatibles MR. La mayoría de las instalaciones de investigación de MRI tienen lentes o gafas compatibles. En este caso, montar lentes compatibles de RM en el marco que sostiene el espejo. Determine la fuerza de la lente apropiada ante el sujeto entra en la sala del escáner.
  11. Reparta el tema un botón de llamada de emergencia to detener la búsqueda si es necesario. Asegúrese de que el sujeto sabe donde está el botón y que fácilmente pueden llegar a ella.
  12. Mueva el motivo a la entrada del orificio del escáner. Pida al sujeto que cierren los ojos durante este procedimiento. Alinear la luz con las pequeñas marcas en la bobina de cabeza para establecer la posición correcta.
  13. Mueva el objeto en el orificio del escáner hasta que la pantalla muestre "0 mm". Esto significa que la cabeza del sujeto está en el isocentro del escáner.
  14. Reparta el tema del dispositivo de respuesta.

Procedimiento Experimental 4.

  1. Compruebe si el sujeto puede oír el experimentador a través del intercomunicador y que el sujeto es cómodo y listo para empezar.
  2. Realizar un análisis del localizador para obtener la posición de la cabeza del sujeto en el escáner. Use esto para posicionar el campo de visión de todas las mediciones restantes para determinar las partes del cerebro a medir.
  3. Primera perform un análisis estructural de alta resolución. Abra la secuencia de programa / MPRAGE y colocar el campo de visión. Asegúrese de cabeza de todo el objeto está dentro del campo de visión. Parámetros MP-RAGE: TR / TE = 2.250 / 3,03 ms, ángulo flip = 9 °, 176 rebanadas sagital, FOV 256 x 256 mm, 64 x 64 matriz, tamaño de voxel 1 x 1 x 1 mm).
  4. Deje que el sujeto sabe que la exploración se iniciará y luego comenzar la medición.
  5. Realizar un examen de resonancia magnética funcional.
    1. Abra la secuencia de EPI en el equipo de escáner y alinear el campo de visión para cubrir todo el cerebro. Parámetros del PAI: 33 rebanadas, grosor de corte de 3 mm, FOV 200 x 200 mm, 64 x 64 matriz, tiempo de repetición 2000 ms, tiempo de eco de 30 ms, ángulo flip 79 °.
    2. Ejecutar una medición única prueba de volumen. Asegúrese de que el todo (o lo más posible) del cerebro del sujeto está contenido dentro del campo de visión.
      NOTA: Los sujetos tienen diferentes formas y tamaños de cabezas (y cerebros). Por lo tanto, de manera óptima colocar el campo dever para cada sujeto.
    3. Copiar la secuencia fMRI para que el campo posicionado de vista sigue siendo el mismo para la siguiente medición. Introduce el número de volúmenes requeridos para la medición, 304 en este caso.
    4. Asegúrese de que el software de la presentación del paradigma está esperando un disparo desde el escáner. El paradigma no se iniciará sin un desencadenante del escáner para que pueda ser cargado y que esperar.
    5. Informar al objeto de que el experimento está a punto de comenzar. Inicie la medición.
    6. Compruebe que el software de la presentación del paradigma comienza en el momento adecuado (es decir, que se desencadena por el escáner).
    7. Haz tres versiones de la tarea bicho raro. Pasiva, el conde y responder.
    8. Hable con el tema entre carreras para tranquilizarlo. Garantizar su comodidad. Pregunte si los permisos están sujetos a continuar con el estudio. Instruir al tema de la próxima tarea.
    9. En primer lugar ejecutar el c pasivaondition para asegurar la verdadera visión pasiva y sin conocimiento de que los estímulos diana son de hecho dirigen estímulos. Contrarrestar el orden del conde y responder condiciones a través de temas para evitar los efectos de orden.

5. Fin del Experimento

  1. Informar al objeto de que el experimento se terminó entrar en la sala del escáner.
  2. Deslice el tema de escáner.
  3. Retirar la bobina cabeza y cojines.
  4. Pida al sujeto que sentarse despacio. Una vez que se sientan cómodos, el sujeto puede ponerse de pie y salir de la sala del escáner.
  5. Administrar cualquier cuestionarios / papeleo que necesita ser completado después del experimento
  6. Dé cuenta de la asignatura: proporcionar al sujeto con una explicación sobre los objetivos y la finalidad del estudio si esto no era totalmente posible antes del experimento y ofrecer la oportunidad de hacer preguntas

Análisis 6. Datos

  1. Use un paquete de software que es adecuado para analyzidatos ng fMRI. Realizar análisis de datos de primer nivel para cada tema y cada condición por separado.
    NOTA: Utilice la Biblioteca de Software FMRIB (FSL) para el análisis de datos fMRI.
  2. Aplicar medidas estándar de procesamiento previo para preparar los datos para su posterior análisis.
    NOTA: Aplicar los siguientes pasos: corrección de movimiento, rebanada de temporización de corrección, coregistration de datos estructurales y de función, suavizado espacial, filtrado temporal de paso alto, de normalización del individuo en el espacio estándar (por ejemplo, MNI). Encuentra un resumen de estos pasos en fMRI libros de texto Huettel et al, (2008) 9 y Jezzard et al, (2001) 11. La información específica sobre la forma de realizar los pasos de preprocesamiento está disponible en la página web y en la documentación de apoyo para cada paquete de software correspondiente.
  3. Para el análisis estadístico especificar los tiempos de inicio y duración de todos los eventos. Estos se denominan variables explicativas (EVs), o regresores.
  4. Establecer contrastes para determinarel cual se comparan los vehículos eléctricos. Para identificar la activación BOLD específico para la detección de estímulos objetivo establecer el siguiente contraste: estímulos target> no objetivo.
    NOTA: utilizar Opcionalmente otros contrastes: blanco estímulos contra la línea de base; no son objeto de los estímulos contra la línea de base; objetivo estímulos> estímulos no diana; estímulos que no son objeto> estímulos diana
  5. Lleve a cabo el primer análisis estadístico de nivel para cada tema y cada condición por separado. El resultado del análisis muestra las regiones cerebrales activas para cada uno de los respectivos contraste.
  6. Compara las tres condiciones utilizando un segundo nivel, o nivel de grupo, analiza. Utilice la salida del análisis de primer nivel como la entrada para el análisis a nivel de grupo.
    NOTA: En el trabajo original de 7 de las diferencias entre las condiciones en el destino> frecuente contraste usando un diseño de diferencia de dos Grupo triplicó la participación de los siguientes contrastes: responder> pasiva, cuente> pasiva, responder> count.Estos contrastes revelan actividad cerebral asociada con la variación en los procesos cognitivos a través de las tres modalidades de respuesta.

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Representative Results

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El método de estimulación y análisis provocó la activación BOLD en las regiones del cerebro asociadas con una tarea oddball visual. El objetivo> contraste no objetivo no reveló la activación de la condición pasiva pero sí reveló la activación tanto en el conteo y responden (Figura 3). Los datos presentados en la Figura 3 es una comparación cualitativa de la cuenta y responden condiciones y muestra cómo los patrones de activación resultarían si cada versión de la tarea se realizó en aislamiento.

Las principales comparaciones de interés fueron las que existen entre las condiciones. Así, en el que las regiones del cerebro relacionadas con la activación hace la detección de objetivos difieren cuando se cambian las demandas de la tarea? Figura 4 muestra que hay diferencias entre las condiciones. En contraste con la evaluación cualitativa de las diferencias entre el recuento y responder condición describe anteriormente, esta comparación se realiza mediante pruebas t sobre los datos de todo el cerebro, showing las regiones en las que la activación difiere significativamente entre las condiciones.

Los datos del estudio 7 muestra diferencias originales en la activación BOLD entre el conteo y responden versiones del bicho raro visual. Si no había datos de ambas condiciones para la comparación de la activación se atribuiría a 'detección de blancos' en ambas condiciones. Sin embargo, la activación se observó en la circunvolución frontal media (MFG) durante la responden, pero no la condición de recuento. El hecho de que la activación MFG no se observó en la condición de recuento indica que está relacionada con la preparación del motor y / o la respuesta del motor asociado con el botón de prensa en la condición de responder en lugar de puramente a los procesos de detección de objetivo. En ausencia de la tarea de recuento para la comparación es probable que esta activación MFG habría sido atribuida a los procesos cognitivos asociados con la tarea en lugar de ejecución de la acción. Del mismo modo, la activación en el mot complementariao se observó zona (SMA) durante la condición de recuento así como la condición de responder. No hay respuestas hechas en la condición de recuento, por lo que es poco probable que la activación SMA está relacionada con la preparación de motor, lo que sugiere que el SMA desempeña un papel en otros aspectos de la tarea como la atención a los estímulos, la detección de estímulos objetivo, decidir si se debe dar una respuesta y si es así que la respuesta para hacer. Es probable que la activación SMA habría sido interpretado como implicada en la preparación del motor si sólo había una versión responden de la tarea, lo que significa que el papel de la SMA en otros procesos relacionados con tareas habría sido pasado por alto. Esto pone de relieve algunas de las dificultades potenciales en la interpretación de datos de la fMRI. A pesar de la tarea utilizada aquí es relativamente simple que implica muchos procesos perceptivos y cognitivos. Puede ser difícil diferenciar estos procesos cognitivos y sus sustratos neuronales subyacentes. El diseño de este estudio, lo que permite dentro de exploración o evaluaciónf el contraste detección de blancos seguido de comparación entre el escaneo de las condiciones es un diseño robusto, pero no es capaz de diferenciar las posibles funciones de la SMA más allá estableciendo que contribuye a procesos distintos de procesos motores. Esto pone de relieve la necesidad de un cuidadoso diseño experimental y el análisis en los estudios de resonancia magnética funcional.

Figura 1
Figura 1 El paradigma oddball basa en el examen de una serie de estímulos (en este caso los círculos), el 80% de los cuales son de un tipo, 'frecuente', y el 20% son de tipo 'target' diferente. Los estímulos diana provocan un objetivo respuesta de detección debido a la poca frecuencia de este tipo de estímulo. En este trabajo, se realizaron 3 versiones de la tarea. La primera es pasiva que implica la visualización pasiva de los estímulos (sin respuesta hecho). El segundo es contar, este consiste en contar el número de estímulos diana y presentación de informes el total al final del experimento. La tercera es responder, esta consiste en presionar un botón cada vez que aparece un estímulo objetivo.

Figura 2
Figura 2. La respuesta hemodinámica es la entrega de la sangre a los tejidos neuralmente activas. La respuesta hemodinámica en el cerebro aumenta lentamente (en comparación con la actividad neuronal) y los picos aproximadamente 5 segundos después de un estímulo. La respuesta entonces toma un número de segundos (15-20) para volver a la línea de base. La figura muestra la función de respuesta hemodinámica canónica; esto es una señal hipotética en la respuesta a una sola, a corto 'duración cero "estímulo, con la señal de retorno a la línea base sólo si ya no es el estímulo persiste.

Figura 3
Figura 3. activación BOLD para el destino> contraste frecuente para las condiciones de recuento y de respuesta. (Segundo nivel de efectos mixtos LLAMA. N = 16, Cluster-corregido umbral Z = 2.3, p = 0.05). Esta figura y la leyenda han sido modificados desde Warbrick et al, 2013 7.

Figura 4
Figura 4. La parte izquierda de la figura muestra la activación BOLD para la condición recuento en contra de la condición pasiva. La parte derecha de la figura muestra la condición responden en contra de la condición pasiva. Todos los datos representan el target> contraste nivel inferior frecuente. Parte A destaca la activación en el área motora suplementaria (SMA). Parte Bmuestra la activación de la circunvolución frontal media (MFG) para la condición responden solamente. (FLAME segundo nivel de efectos mixtos. N = 16, Cluster-corregido umbral Z = 2.3, p = 0.05) Esta figura y rubro se han modificado desde Warbrick et al, 2013 7.

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Discussion

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Se demuestra que la manipulación de la tarea exige en los resultados de la tarea oddball visuales en diferentes patrones de activación BOLD en la cuenta y responder condiciones. Los roles funcionales de algunas de las regiones implicadas en cada condición de que han sido asignados indebidamente tenían datos de las tres versiones de la tarea no ha estado disponible para la comparación. Esta ambigüedad en la interpretación de datos no habría sido necesariamente el caso en el campo EEG P300 donde la tarea tiene su origen, destacando la necesidad de una consideración especial cuando se transfiere paradigmas experimentales de una técnica de imagen a otra. Por ejemplo, muchos procesos cognitivos (como la atención y la memoria de trabajo) contribuyen a la generación del componente P300 pero éstos están representados por un único marcador electrofisiológico, en contraste con la activación generalizada visto en la respuesta BOLD fMRI. Además, el P300 no está influenciada por la respuesta del motor de la misma manera como fRM datos. La resolución temporal de los datos de EEG permite respuestas cognitivas y motoras para ser separados en el tiempo. La naturaleza de la medida BOLD fMRI significa que muchas regiones del cerebro se encuentran para estar activos al mismo tiempo en una tarea en particular. La determinación de las funciones de estas áreas de activación es muy dependiente tanto en el diseño de tareas y análisis. Por ello se recomienda que el diseño de un estudio de resonancia magnética funcional se prueba piloto de comportamiento para establecer los efectos de su interés y luego una prueba piloto en el entorno de resonancia magnética funcional para asegurar un diseño adecuado, la ejecución y el análisis de los efectos de interés.

Además de guiar la interpretación de los datos de las tareas del bicho raro que implican una respuesta motora los hallazgos del estudio original 7 muestran que es posible diseñar estudios que utilizan la tarea oddball para centrarse en aspectos específicos de detección de objetivos. Por ejemplo investigar la integración de la información sensorial para producir la respuesta correcta del motor podría hacerne el uso de la versión responden de la tarea. La versión de la cuenta de la tarea por el contrario sería más apropiado para la investigación de los procesos asociados a la toma de decisiones, especialmente cuando no se requiere una respuesta motora. En algunas poblaciones, por ejemplo, el envejecimiento o los pacientes con trastornos del movimiento, la producción de una respuesta motora puede verse afectada por factores no relacionados con el trabajo, en estos casos la versión recuento de la tarea oddball podría ser la más adecuada.

Los datos no sólo proporcionan evidencia de cómo los patrones de activación cerebral difieren entre versiones de la tarea bicho raro, que ilustran también que considerar los elementos de tareas conductuales / cognitivas utilizadas en experimentos de resonancia magnética funcional es crucial si los datos se han de interpretar de manera apropiada. Esto es particularmente importante en paradigmas en los que es posible utilizar una respuesta abierta o encubierta. La inclusión de una respuesta motora cambia las exigencias de la tarea y la activación provocados por el motor respuesta puede influir en la interpretación de otra tarea relacionada con la activación. Temas como este deben ser considerados cuando se adapta un paradigma a través de diferentes modalidades de imágenes.

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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.

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).
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Transferencia de tareas cognitivas entre el cerebro de imágenes Modalidades: implicaciones para el diseño de tareas y resultados de interpretación en los estudios de resonancia magnética funcional
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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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