Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Behavior

Överföra Kognitiva uppgifter mellan hjärnavbildningsmetoder: Konsekvenser för Task Design och resultat Tolkning i fMRI studier

Published: September 22, 2014 doi: 10.3791/51793

Introduction

Som kognitiv neurovetenskap metoder utvecklas, är etablerade experimentella uppgifter som används med nya hjärnavbildningsmetoder. Detta är en logisk utveckling eftersom de flesta neuropsykologiska begrepp (t.ex. distinkt minne delkomponenter) har undersökts i beteende domänen och lämpliga experimentella uppgifter för sondering specifika funktioner har utvecklats och testats. Som ny teknik framkommer bevis för de neurala grunderna för dessa beteende observationer söks med de nya hjärnavbildningsmetoder. Även om det kan vara frestande att helt enkelt dra på väl studerade beteende uppgifter för imaging studier, flera viktiga varningar måste beaktas. En avgörande, men ofta försummas, är övervägande att använda den mest lämpliga bildteknik för att ytterligare undersöka beteende bevis. När det gäller kognitiv neurovetenskap och psykologi finns det många hjärnavbildningsmetoder som finns för att öka vår förståelse av det neurala activhet underliggande begreppen intresse; exempelvis elektroencefalografi (EEG), magnetencefalografi (MEG), transkraniell magnetisk stimulering (TMS), funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) och positronemissionstomografi (PET). Alla dessa metoder har sina fördelar, nackdelar och lämpliga program. Här överföra ett paradigm med en lång historia av beteendemässiga och EEG-experiment till en fMRI experiment betraktas. EEG har använts i årtionden för att undersöka neurala reaktioner i samband med perceptuella och kognitiva processer. Som sådan har många paradigm utvecklats för användning med denna metod och har utvecklats över tiden. Funktionell MRI är en teknik som vuxit fram på senare tid i kognitiv neurovetenskap och detta har lett till att vissa paradigm som utvecklats i EEG-forskning används i fMRI. För att bygga vidare på den kunskapsbas från EEG-experiment med de nya teknikerna är ett logiskt steg, men ändå några viktiga punkter kan försummas i överföringen. Den teknik are mycket olika och uppgifter måste utformas i enlighet därmed. Detta kräver kunskap om hur metoden fungerar och framför allt hur eventuella moduleringar av paradigm som används kommer att påverka de åtgärder som vidtagits. För ytterligare information om utformningen av fMRI experiment den intresserade läsaren hänvisas till följande länk http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Uppgift designen kommer att beaktas i samband med överföring av ett paradigm som utvecklats för EEG forskning till fMRI miljön. Syftet med denna uppsats är: i) att kortfattat beskriva fMRI och när sådan är lämplig i kognitiv neurovetenskap; ii) för att illustrera hur uppgiften design kan påverka resultatet av en fMRI experiment, särskilt när denna uppgift är lånad från en annan avbildning modalitet; och iii) att förklara de praktiska aspekterna av att utföra en fMRI experimentet.

Funktionell MRI är nu allmänt tillgänglig teknique och som sådan är en vanlig metod som används i kognitiv neurovetenskapen. För att göra ett beslut om huruvida tekniken är lämplig för en viss experiment fördelar och nackdelar med fMRI måste beaktas i förhållande till andra tillgängliga tekniker. En nackdel med metoden är att det inte är ett direkt mått på neural aktivitet, utan det är ett nödvändigt korrelat för neural aktivitet i det metabola svaret (syrekrav) faltas med hemodynamisk respons. Således dess temporala upplösningen är dålig i jämförelse med elektrofysiologi, till exempel, där den uppmätta elektriska signalen är närmare den underliggande neurala aktiviteten snarare än en metabolisk respons. EEG har en tidsupplösning i storleksordningen millisekunder jämfört med en upplösning i storleksordningen sekunder i fMRI. Emellertid är den största fördelen med fMRI att den rumsliga upplösningen i den teknik som är utmärkt. Dessutom är det icke-invasiv och därmed ämnen inte behöver inta substanser såsom contrast medel eller utsättas för strålning som skulle vara fallet i positronemissionstomografi (PET). Därför är fMRI en lämplig teknik för experiment som undersöker vilka delar av hjärnan är involverade i perception, kognition och beteende.

I denna uppsats den visuella kuf paradigm tas som ett exempel för att överföra en väletablerad EEG-uppgift att fMRI (se figur 1 för detaljer). Det bör noteras att de frågor som diskuterades skulle också kunna påverka resultat och tolkning av data när andra paradigm används och bör tekniskt beaktas vid utformningen av alla fMRI experiment. Den kuf paradigm används ofta inom psykologi och kognitiv neurovetenskap att bedöma uppmärksamhet och rikta detekteringsprestanda. Paradigm utvecklades i EEG-forskning, speciellt händelserelaterade potentialer (ERP), för att undersöka så kallade P300 komponent 1. Den P300 representerar mål upptäckt och framkallas vid erkännande aven sällan mål stimulans 1. Den P300 används i studier över ett antal kognitiva och kliniska domänerna 2 t.ex. patienter med schizofreni och deras anhöriga 3, storrökare 4 och den åldrande befolkningen 5. Med tanke på att kuf paradigm (och P300 framkallas av paradigm) är robust och är också moduleras av olika sjukdomstillstånd, överföring mellan olika avbildningsmetoder var oundvikligt.

Den utbredda aktivering ses i hjärnan under en oddball fMRI mätning är känd för att vara resultatet av multipla kognitiva funktioner, såsom visas genom talrika fMRI studier prob andra kognitiva begrepp. Denna utbredda arten av aktiveringsmönstret gör det svårt att avgöra vilka områden i hjärnan är mer (eller mindre) aktiva på grund av den särskilda uppgiften manipulationer eller gruppskillnader som försöksledaren är intresserad av. Närmare bestämt är det inte säkert att observerade skillnader i activation är relaterade till mål upptäckt själva, till uppmärksamhet relaterade processer, eller om de är relaterade till andra uppgiften kräver exempelvis pågående arbetsminnes processer eller processer relaterade till produktionen av en motor respons. Processen för att tilldela funktionen till den uppmätta aktiviteten är lättare i EEG-domänen där den kognitiva komponenten av intresse (måldetektering) mäts i tydligt cerebral svar på kuf uppgiften (P300). Ändå neuroforskare tendens att tolka sina resultat till förmån för sin egen hypotes och experiment, snarare än att sätta i försök att utesluta alternativa förklaringar. De flesta experiment kommer dock inte att kunna lösa dessa viktiga frågor i sig - scan tid är dyrt - det är därför vi argumenterar för noggrann planering och pilottestning av paradigm.

Förutom detta är svårt att fastställa en direkt koppling mellan hjärnregioner och kognitiva komponenter, vilken typ av kuf paradigm ocksåpresenterar andra möjliga metodfrågor när de överförs till fMRI. Till exempel är upptäckten av ett mål stimulans vanligen indikeras genom att trycka på en svarsknapp. Detta medger att försöksledaren att registrera den noggrannhet och hastighet av svaren men detta svar kan också inverka på fMRI BOLD svar för att rikta stimuli. Motorn åtgärder som krävs för knapp press påverkan på stimulus-låsta fMRI aktivering eftersom det händer bara ett par hundra millisekunder efter presentationen av målet stimulans. Detta kan också påverka tolkningen av denna aktivering, till exempel hjärnan är inblandade i förberedelserna för motor svaret kanske felaktigt antas vara inblandade i upptäckten av målet stimulans, och vice versa. Detta har lett till metodologiska förändringar som innebär att indirekta mått på måldetektering, inte förlitar sig på motorsvar, tas. Till exempel räknar målgrupp stimuli har föreslagits 6 som ett sätt att se till att individer upprätthålla attentipå på uppgiften; antalet försök missade kan ange hur ouppmärksam ett ämne var. Redovisning av antalet stimuli som görs i slutet av uppgiften innebär också att försöksledaren kan kontrollera om motivet utfört uppgiften på rätt sätt. Ett tredje alternativ är att använda en fullständigt passiv uppgift utformning där motivet ges inga instruktioner om hur man ska reagera och det nya i ett mål stimulans antas i sig framkalla en måldetektering liknande reaktion. Trots dessa versioner av uppgiften med samma typ av stimuli och grundläggande design, kommer aktiveringsschema som följer av varje variant av uppgiften att vara annorlunda eftersom de kognitiva och motoriska krav uppgifterna är olika 7,8. Till exempel kommer det att finnas arbeta minnesprocesser som är involverade i att räkna målgrupp stimuli t.ex., innehar det nuvarande antalet avsedda stimuli i åtanke, som inte kommer att krävas under passivt tittande. Här dessa 3 versioner av kuf uppgiften, passiva, räkna, ennd svara används för att visa hur noggrann uppgift utformning och genomförande kan redogöra för dessa förändringar i uppgiftskrav och möjliggöra lämplig tolkning av resultaten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

OBS: Studieprotokollet godkändes av den lokala mänskliga motiv Review Board vid RWTH Aachen University och genomfördes i enlighet med Helsingforsdeklarationen.

1. Task Design

  1. Välj en lämplig uppgift att undersöka den kognitiva / psykologiska konstruktion av intresse. Använd visuella kuf uppgiften (figur 1) för att mäta målgruppsvar upptäckt och effekterna av uppmärksamheten på mål detektering. Detta möjliggör undersökning av påverkan av uppgifts manipulationer på fMRI-data.
  2. Använd tre versioner av kuf uppgiften.
    1. Passiv version: Be motivet att observera visuella stimuli. Identifiera inte något svar.
    2. Silent räkna version: Be motivet att räkna målet stimuli. Denna uppgift kräver att rikta uppmärksamhet mot dessa stimuli och en diskriminerande process.
    3. Svara version: Be motivet att driva en svarsknapp på att se en target stimulus. Denna uppgift kräver uppmärksamhet, processer diskriminering, och urval / produktion av ett svar att rikta stimuli.
  3. Tänk på lämpligt antal prövningar som behövs i ett robust svar. Den signal-brusförhållandet i fMRI mätningar är relativt låg och kräver ett antal svar som medelvärdet för att undersöka effekterna av intresse 9. Detta beror på uppgiften och stimulans modalitet används. 200 försök används i denna uppgift, varav 40 är rikt prövningar tillräckliga för att framkalla en kraftig respons.
  4. Bestäm frekvens för den sekvens av stimuli. Tidpunkten för stimuli är avgörande i en fMRI-studie för behandling av presentationshastigheten 10. Tänk på hemodynamiska svaret-fördröjning mellan stimulus debut och den uppmätta hjärnsvar (Figur 2).
    1. Upprätthålla en balans mellan att leverera tillräckligt med stimuli i en rimlig tid och ge tillräcklig provtagning av de hemodynamiska response varje stimulus, inklusive återgång till baslinjen. Ladda ner, installera och köra optseq programvara. Kör optseq att optimalt fördela försöken över experimentet utifrån antal försök, stimulans varaktighet och scanningsparametrar (upprepning tid och antal volymer).
  5. Genomföra ordningen på stimuli (tidigare bestämts) i ett lämpligt program för att presentera paradigm till ämnet.
    1. Ange all information som är relevant för paradigm när det gäller typ av stimuli, timing och svar.
      OBS: Programmering detaljer presenteras inte här eftersom varje paradigm har olika krav liksom olika programpaket.
  6. Ställ in program som kommer att leverera den experimentella paradigm så att det börjar med en trigger från skannern. Detta möjliggör synkronisering av de förvärvade data och sekvensen av stimuli presenteras.

2 Inställning Experimentell Miljö

  1. Prepare skannerrummet. Anslut den nedre delen av korrekt huvudspole till skannern sängen. Placera rena skyddskåpor på skanner säng och kuddar.
  2. Använd en visningsenhet för att presentera den experimentella paradigm till ämnet och spela in svaren med hjälp av en handhållen enhet. Växla visningsenhet och en enhet handhållen "på".
  3. Starta programmet som kommer att leverera den experimentella paradigm och ge ett namn på loggfilen. Den loggfil innehåller information om tidpunkten för stimuli och av de svar som gjorts av ämnet. Använd denna information för att analysera data.
  4. Registrera ämnet i MR skanner databasen. Spela in data med hjälp av ett unikt ID-nummer. Förvara inte föremål namn med data för att garantera integriteten.
  5. Se till att MR-sekvenser som ska köras är installerat och klart. Använd följande sekvenser: a localizer skanna för att få försökspersonernas huvudposition inne i spolen, en EPI sekvens för functional bildbehandling och MPRAGE för en hög upplösning strukturell skanning.

3 Ämne Ankomst och Entré till scanner

  1. Screen ämnet för kontra med MRI före försöket (t.ex. under anställningsförfarandet).
    1. Ge MR säkerhetsinstruktioner innan du skannar. Genomför screening av patienter (av utbildad personal). Säkerpersonernas säkerhet. Se till att de inte har någon metall i kroppen, inte har enheter som pacemakers och inte uppfyller några andra uteslutningskriterier.
  2. Vid försöks ankomst kontrollera screening frågeformulär och bekräfta deras kompatibilitet innan du fortsätter.
  3. Förklara den experimentella proceduren till ämnet och erbjuder möjlighet att ställa frågor. Be motivet att underteckna medgivande och dataskydds former.
  4. Om försöket innebär komplexa uppgifter som kräver träning rekommenderas att ämnet utför en praxis springa före going i skannern.
  5. Se till att motivet är metallfri, utan mynt, bälte, klocka och smycken. När bekräftas, låt motivet i skannerrummet.
  6. Be motivet att sitta på skanner sängen bär öronproppar. De öronproppar som används här ger skydd mot buller från skannern under skanning och även göra det möjligt för utredaren att kommunicera direkt med ämnet från kontrollrummet. I vissa anläggningar hörlurar används för kommunikation med ämnet.
  7. Be motivet att ligga ner på skannerbädden. Erbjud ämnet en kudde att gå under knäna för att minska ryggsmärtor. Komforten för ämnet är viktigt för deras välbefinnande och datakvalitet. Rörelse till följd av obehag kommer att ha en negativ inverkan på bilddata och distraktion som orsakas av obehag kommer att påverka resultatet för uppgiften.
  8. Placera den övre delen av huvudet spolen över subjektets huvud och tillbaka kontakterna. Placera motivet217; huvud på lämpligt sätt i huvudet polen. Rikta den lilla markören på huvudet spole längs försökspersonernas ögonbrynen. Se till att motivet ligger rakt och bekvämt. Spolen ytan får inte röra ansiktet (t.ex. trycker på näsan).
  9. Säkra ämnet huvud med små kuddar för att minimera huvudrörelser under skanning. Huvudrörelser har negativa konsekvenser för kvaliteten på uppgifterna.
  10. Placera en spegel på toppen av huvudet spole för ämnet för att se den experimentella paradigm som visas på skärmen bakom. Se till att motivet kan se hela skärmen. Flytta monterad spegel enligt motivets position. Personer med glasögon måste bära MR-kompatibel glasögon. De flesta MRI forskningsanläggningar har kompatibla linser eller glasögon. I det här fallet, montera MR kompatibla objektiv på ramen som håller spegeln. Bestäm lämplig linsstyrkan innan ämnet kommer in i skannern rummet.
  11. Hand ämnet nödsamtal knapp to stoppa skann om det behövs. Se till att motivet vet var knappen är och att de lätt kan nå den.
  12. Flytta föremål till ingången av borrningen av skannern. Be motivet att blunda under denna procedur. Rikta ljuset med små märken på huvudet polen att fastställa rätt position.
  13. Flytta föremål i hålet på skannern tills skärmen visar "0 mm". Det innebär att chefen för motivet är på isocentret av skannern.
  14. Räck ämnet svarsanordningen.

4 Försöksförfarande

  1. Kontrollera om motivet kan höra försöksledaren via intercom och att ämnet är bekväma och redo att börja.
  2. Utför en localizer scan för att få positionen för ämnet huvud i skannern. Använd detta för att positionera synfältet för alla de återstående mätningarna för att bestämma de delar av hjärnan som skall mätas.
  3. Första perform en högupplöst strukturell skanning. Öppna MPRAGE sekvensen / program och placera synfältet. Säkerställ att hela ämnet huvud är inom synfältet. MP-RAGE parametrar: TR / TE = 2,250 / 3,03 msek, flip vinkel = 9 °, 176 sagittal skivor, FOV 256 x 256 mm, 64 x 64 matris, voxel storlek 1 x 1 x 1 mm).
  4. Låt motivet veta att skanningen ska starta och sedan börja mätningen.
  5. Utför funktionell MR-undersökning.
    1. Öppna EPI sekvens på skanner dator och rikta in synfältet för att täcka hela hjärnan. EPI Parametrar: 33 skivor, skiva tjocklek 3 mm, FOV 200 x 200 mm, 64 x 64 matris, repetitionstiden 2,000 ms, eko tid 30 msek, flip vinkel 79 °.
    2. Kör en enda volym provmätning. Se till att hela (eller så mycket som möjligt) av patientens hjärna är innesluten inom synfältet.
      OBS: Ämnen har olika former och storlekar av huvuden (och hjärnor). Följaktligen optimalt positionera områdetse för varje ämne.
    3. Kopiera fMRI sekvensen så att positione synfältet förblir densamma för nästa mätning. Ange antalet volymer som krävs för mätningen, 304 i det här fallet.
    4. Kontrollera att det program presentera paradigm väntar på en utlösare från skannern. Paradigm startar inte utan en trigger från skannern så att den kan lastas och inställd på att vänta.
    5. Informera motivet att försöket är på väg att starta. Starta mätningen.
    6. Kontrollera att programvaran presentera paradigm börjar vid lämplig tidpunkt (dvs. att den utlöses av skannern).
    7. Utför tre versioner av kuf uppgiften. Passiv, greve och svara.
    8. Tala till ämnet i mellan körningarna för att skapa trygghet. Se till deras komfort. Fråga om motivet tillstånd att fortsätta studien. Instruera föremål för den kommande uppgiften.
    9. Först köra de passiva condition att säkerställa verklig passivt tittande utan kunskap om att målet stimuli verkligen rikta stimuli. Motvikt ordningen på räkningen och svara villkor över ämnen för att förhindra ordningens effekter.

5. Slut på Experiment

  1. Informera motivet att experimentet är klart ange skannerrummet.
  2. Skjut föremål ur skannern.
  3. Ta bort huvudbatteriet och kuddar.
  4. Be motivet att sitta upp långsamt. När de är bekväma, kan motivet stå upp och lämna skannerrummet.
  5. Administrera alla enkäter / pappersarbete som måste slutföras efter försöket
  6. Debriefing ämnet: ge motivet med en förklaring om mål och syfte med studien, om det inte var fullt möjligt före experimentet och erbjuder möjlighet att ställa frågor

6. Data Analysis

  1. Använd ett programpaket som är lämplig för analyzing fMRI data. Utför grundnivå dataanalys för varje ämne och varje villkor för sig.
    OBS: Använd FMRIB Software Library (FSL) för fMRI dataanalys.
  2. Applicera standardförbehandlings åtgärder för att förbereda data för vidare analys.
    OBS: Applicera följande steg: rörelse korrigering, skiva timing korrigering, coregistration strukturella och funktionsdata, spatial utjämning, högpassfilter temporal filtrering, normalisering av individ i standard (t.ex. MNI) utrymme. Hitta en sammanfattning av dessa steg i fMRI läroböcker Huettel et al, (2008) 9 och Jezzard et al, (2001) 11. Särskild information om hur du utför förbehandlingssteg finns på hemsidan och i underlagen för varje enskild programpaketet.
  3. För den statistiska analysen specificera de ella tider och varaktigheter av alla händelser. Dessa kallas förklarande variabler (EVS) eller regressorerna.
  4. Ställ upp kontraster att bestämmavilka elbilar jämförs. För att identifiera BOLD aktivering specifik för detektion av mål-stimuli som inrättats följande kontrasten: target> icke-mål-stimuli.
    OBS: Du kan använda andra kontraster: target stimuli mot baslinjen; utanför målgruppen stimuli mot baslinjen; target stimuli> icke-mål stimuli; utanför målgruppen stimuli> target stimuli
  5. Utför den första nivån statistisk analys för varje ämne och varje villkor för sig. Utsignalen från den analys visar de aktiva hjärnregioner för var och en av de respektive kontrast.
  6. Jämför de tre villkoren med hjälp av en andra nivå eller gruppnivå, analyser. Använd utgången från den första nivån analysen som underlag för analysen gruppnivå.
    OBS: I det ursprungliga papperet 7 skillnaderna mellan förhållandena på målet> frekvent kontrast med hjälp av en Tredubblat Two-Group Skillnad designen genom följande kontraster: svara> passiva, räkna> passiva, svarar> count.Dessa kontraster avslöjar hjärnaktivitet i samband med variationen i kognitiva processer över de tre svars formerna.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Stimuleringen och analysmetod framkallade BOLD aktivering i hjärnan i samband med en visuell kuf uppgift. Målet> icke-mål kontrast visade ingen aktivering för passiva skick men avslöjade aktivering i både räkna och svara (Figur 3). De data som presenteras i Figur 3 är en kvalitativ jämförelse av räkningen och svara betingelser och visar hur aktiveringsmönster skulle se ut om varje version av uppgiften utfördes i isolering.

Huvud jämförelser av intresse var de mellan villkoren. Så, där hjärnan gör måldetektering relaterad aktivering skiljer när uppgiften kräver ändras? Figur 4 visar att det finns skillnader mellan villkoren. I motsats till kvalitativ bedömning av skillnaderna mellan greven och svara tillstånd beskriver ovan, denna jämförelse görs med t-test på hela hjärn uppgifter, showing de regioner där aktivering skiljer markant mellan villkor.

Data från den ursprungliga studien 7 visa skillnader i BOLD aktivering mellan greven och svara versioner av visuella kuf. Om det inte fanns uppgifter från båda villkoren för jämförelse aktiverings skulle tillskrivas "måldetektering" i båda villkoren. Dock aktivering observerats i mitten frontal gyrus (MFG) under svarar men inte räkna skick. Det faktum att MFG aktivering inte observerades i räkningen villkoret anger att det är relaterat till motor förberedelse och / eller motorsvar associerat med knapptryckning på svara tillståndet snarare än enbart till processerna målet upptäckt. I avsaknad av räkningen uppgift för jämförelse är det troligt att detta MFG aktivering skulle ha tillskrivits kognitiva processer i samband med uppgiften snarare än handling utförande. Likaså aktivering i den kompletterande MOTeller område (SMA) observerades under rösträkningen skick samt svara skick. Det finns inga svar som gjorts i räkningen skick, så det är osannolikt att SMA aktiveringen är relaterad till motor förberedelser, vilket tyder på att SMA spelar en roll i andra aspekter av uppgiften såsom uppmärksamhet på stimuli, detektion av mål stimuli, beslutar om att lämna ett svar och i så fall vilket svar att göra. Det är troligt att SMA aktivering skulle ha tolkats som att vara inblandade i motor förberedelse om det fanns bara en svarar version av uppgiften, vilket innebär att den roll som SMA i andra uppgiftsrelaterade processer skulle ha förbisetts. Detta belyser några potentiella fallgropar vid tolkning fMRI-data. Trots den uppgift som används här är relativt enkelt det innebär många perceptuella och kognitiva processer. Det kan vara svårt att skilja dessa kognitiva processer och deras underliggande neurala substrat. Utformningen av denna studie, vilket inom skanning bedömning of målet detekterings kontrasten följt av mellan scan jämförelse av villkoren är en robust konstruktion, men det är inte i stånd att skilja de möjliga roller SMA längre än att fastställa att det bidrar till andra än motoriska processer processer. Detta belyser behovet av noggrann experimentell design och analys i fMRI studier.

Figur 1
Figur 1 Den kuf paradigm innefattar granskning en rad stimuli (i detta fall cirklar), varav 80% är av en typ, "ofta", och 20% är av en annan typ "mål". Målgrupp stimuli framkallar ett mål detektionssvar på grund av den ringa antalet denna typ av stimulus. I detta dokument har 3 versioner av den uppgift som utförs. Den första är passiv som innebär passiv visning av stimuli (ingen response gjorts). Det andra är att räkna, det innebär att räkna antalet avsedda stimuli och rapportera den totala i slutet av experimentet. Den tredje är att svara, innebär detta att trycka på en knapp varje gång ett mål stimulus visas.

Figur 2
Figur 2 Den hemodynamiska svaret är leverans av blod till neuralt aktiva vävnader. Den hemodynamiska svaret i hjärnan stiger långsamt (jämfört med neural aktivitet) och toppar ca 5 sekunder efter stimulans. Svaret tar sedan ett antal sekunder (15-20) för att gå tillbaka till baslinjen. Figuren visar den kanoniska hemodynamiska svarsfunktion; Detta är en hypotetisk signal som svar på ett enda, kort noll varaktighet "stimulans, med signalen återvänder till baslinjen endast om stimulans inte längre kvarstår.

Figur 3
Figur 3 BOLD aktivering för målet> frekvent kontrast för räkning och svarsförhållanden. (Andra nivån N = 16 blandade effekter FLAME., Cluster-korrigerade tröskel Z = 2,3, p = 0,05). Denna figur och bildtext har ändrats från Warbrick et al, 2013 7.

Figur 4
Figur 4 Den vänstra delen av figuren visar BOLD aktivering för räkning villkoret mot den passiva tillståndet. Den högra delen av figuren visar svarar villkoret mot den passiva tillståndet. Alla data representerar målet> ofta lägre kontrast. Del A belyser aktivering i den kompletterande motorområdet (SMA). Del Bvisar den mellersta frontal gyrus (MFG) aktivering för svara enda villkoret. (Andra nivån blandade effekter FLAME. N = 16, Cluster-korrigerade tröskel Z = 2,3, p = 0,05) Denna figur och bildtext har ändrats från Warbrick et al, 2013 7.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi visar att manipulera uppgiften kräver i de visuella kuf uppgiftsresultat i olika mönster av BOLD aktivering i räkningen och svara villkor. De funktionella roller några av regionens inblandade i varje tillstånd skulle ha varit olämpligt tilldelade hade data från de tre versionerna av uppgiften inte varit tillgängliga för jämförelse. Denna tvetydighet i tolkning av data inte nödvändigtvis skulle ha varit fallet i EEG P300 fält där uppgiften har sitt ursprung, visar på behovet av särskild hänsyn vid överföring experimentella paradigm från en avbildning modalitet till en annan. Till exempel har många kognitiva processer (såsom uppmärksamhet och arbetsminnet) bidra till genereringen av P300 komponent men dessa är representerade av en enda elektrofysiologisk markör, i motsats till den utbredda aktivering ses i fMRI BOLD respons. Vidare P300 inte påverkas av motorsvar på samma sätt som fMRI data. Den temporala upplösningen av EEG uppgifter gör kognitiva och motoriska svar separeras i tid. Den typ av fMRI BOLD åtgärden innebär att många delar av hjärnan har visat sig vara aktiva samtidigt i en viss uppgift. Fastställande av funktionerna i dessa områden av aktivering är mycket beroende av uppgiften design och analys. Det rekommenderas därför att utformningen av en fMRI studie pilot testas beteendemässigt för att fastställa effekterna av intresse och sedan piloten testas i fMRI miljön för att säkerställa lämplig utformning, genomförande och analys av effekterna av intresse.

Förutom att styra tolkningen av data från oddball arbetsuppgifter som innebär en motorsvar resultaten från den ursprungliga undersökningen 7 visar att det är möjligt att utforma studier med den kuf uppgift att fokusera på specifika aspekter av måldetektering. Till exempel undersöker integrering av sinnesintryck för att producera rätt motor respons kunde görane använder svarar versionen av uppgiften. Räkningen versionen av uppgiften däremot skulle vara lämpligare för att undersöka processer i samband med beslutsfattandet, särskilt när ett motor svar inte behövs. I vissa populationer, t.ex. åldrande eller patienter med rörelsestörningar, produktion av en motorsvar kan påverkas av icke-uppgiftsrelaterade faktorer, i dessa fall räkna versionen av kuf uppgiften kan vara den mest lämpliga.

Uppgifterna ger inte bara bevis för hur hjärnaktiveringsmönster skiljer sig åt mellan versioner av kuf uppgiften, de visar också att med tanke på de delar av kognitiva / beteende uppgifter som används i fMRI experiment är avgörande om uppgifterna ska tolkas korrekt. Detta är särskilt viktigt i paradigm där det är möjligt att använda en öppen eller dold svar. Inklusive en motor gensvar ändrar de krav som uppgiften och aktivering som framkallades av den mOTOR svar kan påverka tolkningen av annat uppdrag relaterade aktivering. Frågor som detta bör beaktas vid anpassningen ett paradigm över olika avbildningsmetoder.

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).

Tags

Beteende fMRI uppgift utformning tolkning av data kognitiv neurovetenskap visuell kuf uppgift måldetektering
Överföra Kognitiva uppgifter mellan hjärnavbildningsmetoder: Konsekvenser för Task Design och resultat Tolkning i fMRI studier
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Warbrick, T., Reske, M., Shah, N. J. 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