本文介绍如何设置一个实验,允许使用磁脑成像 (MEG) 检测刺激前源级对物体感知的影响。它涵盖了刺激材料、实验设计、MEG 记录和数据分析。
刺激前振荡脑活动影响即将到来的感知。这种刺激前活动的特征可以预测是否感知到接近阈值的刺激,但它们能否预测两种具有不同感知内容的相互竞争的刺激中哪一种被感知?模棱两可的视觉刺激,一次可以用两种可能的方式之一看到,非常适合研究这个问题。磁脑学(MEG)是一种神经生理学测量技术,用于记录大脑活动发出的磁信号。MEG 的毫秒时间分辨率允许从记录数据 1 秒对振荡脑状态进行表征。因此,在模棱两可的刺激出现前1秒左右呈现一个空屏幕,为人们提供了一个时间窗口,在时间上,人们可以调查刺激前振荡活动是否偏差了即将出现感知的内容,正如参与者所指示的。报告。MEG的空间分辨率不是极好的,但足以在厘米尺度上对大脑活动的来源进行局部设置。然后,MEG 活动的源重建允许测试有关特定感兴趣区域的振荡活动的假设,以及感兴趣区域之间的时间和频率解析连接。所述协议有助于更好地了解自发的、持续的大脑活动对视觉感知的影响。
大脑状态之前的刺激表达影响刺激的感知方式,以及与感知1,2,3,4相关的神经反应。例如,当刺激的强度接近感知阈值(接近阈值)时,刺激前神经振荡力、相位和连通性会影响即将发生的刺激是否会被感知到 5 ,6,7,8,9,10 。这些刺激前信号也可能影响感知的其他方面,如感知对象内容。
向人们展示一个模棱两可的图像,可以通过两种方式之一来解释,这是探索物体感知11的理想方法。这是因为感知的主观内容可以是两个对象之一,而实际刺激保持不变。因此,人们可以评估在试验中记录的大脑信号的差异,而人们报告在试验中感知一种与对刺激的另一种可能的解释。鉴于这些报告,人们还可以调查在刺激开始之前大脑状态是否有任何差异。
磁脑学(MEG)是一种功能性神经成像技术,用于记录大脑中电流产生的磁场。当血氧水平依赖 (BOLD) 响应在秒级解析时,MEG 提供毫秒分辨率,因此允许调查在非常快的时间尺度发生的大脑机制。MEG的一个相关优点是,它允许从短时间的记录数据中描述大脑状态,这意味着可以缩短实验试验,使许多试验适合实验。此外,MEG 允许进行频域分析,从而发现振荡活动。
除了高时间分辨率外,MEG 还提供了良好的空间分辨率。使用源重建技术12,可以将传感器级数据投影到源空间。这样就可以测试有关特定感兴趣区域活动的假设。最后,虽然传感器空间中的信号高度相关,因此无法准确评估传感器之间的连接,但源重建允许评估感兴趣区域之间的连通性,因为它减少了源信号13之间的相关性。这些连接估计值可以在时间和频率域中解决。
鉴于这些优势,MEG 非常适合研究特定感兴趣区域对对象感知的预刺激效应。在本报告中,我们将说明如何设计这样的实验和MEG采集设置,以及如何应用源重建和评估振荡活动和连接性。
呈现一个独特的刺激,可以随着时间的推移被解释为多个对象,但在任何给定时间只作为一个对象,允许调查刺激前对对象感知的影响。通过这种方式,人们可以将刺激前的大脑状态与感知物体的主观报告联系起来。在实验室环境中,可以用两种方式之一(如鲁宾花瓶错觉)来解释的模棱两可的图像提供了一个最佳案例,允许在两种试验类型之间直接对比大脑活动:一种感知方式(例如,”面部”))和那些感知相反的方式(例如,”花瓶”)。
简要地提出这些刺激(<200 ms)可确保人们看到并随后报告给定试验中刺激的两种可能解释之一。在参与者之间的黑色花瓶/白色脸和白色花瓶/黑色面的刺激版本之间的平衡(随机交替)减少了低水平刺激特征对后续分析的影响。刺激后立即提出掩膜可防止后图像形成和偏袒参与者的反应。由于分析刺激开始后的周期不感兴趣,因此不需要刺激和掩膜的低频特征进行匹配。最后,在参与者之间交替响应按钮(例如,左为花瓶,右侧为面部,反之亦然)可防止由于电机准备而将活动分解到对比度中。
给定 MEG 的毫秒分辨率,刺激前间隔短至 1 秒足以估计频谱功率和连通性等度量值。鉴于每次试验的持续时间较短,大量的试验可以适应实验环节,从而在试验中平均MEG信号时,确保高信噪比。
在物体感知24、25期间,特定对类别敏感的区域已被证明是活跃的。例如,FFA被广泛报道参与面部感知22。为了调查来自特定来源的测量活动的影响,可以源重建 MEG 数据。要调查源之间的连通性,需要重新进行源重建。为了便于源数据分析,单试验源级数据可以由”虚拟传感器”表示。以这种方式表示数据,可以完全以完全相同的方式在源空间和传感器空间(即使用相同的分析功能,例如使用现场访问工具箱)分析单试验源数据。这样,就可以以直截了当的方式测试有关特定感兴趣区域活动的假设。
虽然刺激前振荡能力已被证明会影响接近感知阈值的刺激检测(感知与未感知),但它是否影响所看到内容的内容则不太为人所知。在这里,我们对比了FFA中人们报告面对面与花瓶的试验之间的预刺激振荡能力,没有发现统计差异。随后,我们测试了 V1 和 FFA 之间的连接是否影响即将发布的感知报告,并发现在刺激发生之前,在 Alpha 频率范围内,V1 和 FFA 之间的连接增强,在刺激发生之前,人脸试验得到了增强。我们发现α功率没有影响,而是在阿尔法波段的连接性,这表明,虽然刺激前α功率可能会影响刺激检测7,8,它不一定影响对象分类。因此,我们的结果表明,要更全面地了解物体感知前的振荡动力学及其对物体感知的后续影响,仅仅分析感兴趣区域的振荡力是不够的。相反,必须考虑感兴趣区域之间的连通性,因为这些连接强度的持续波动会偏袒后续的感知18。最后,尽管MEG的空间分辨率不够理想,但我们的协议表明,人们能够清楚地识别感兴趣的区域并调查它们之间的关系。MEG 可以取代脑电图 (EEG),因为它具有卓越的空间分辨率,并且可以取代功能 MRI,因为它具有卓越的时间分辨率。因此,MEG 与源重建相结合非常适合研究快速和本地化的神经过程。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了FWF奥地利科学基金、思维成像:连接和更高的认知功能、W 1233-G17(到E.R.)和欧洲研究理事会格兰特WIN2CON、ERC StG 283404(到N.W.)的支持。作者要感谢纳迪亚·穆勒-沃格尔、尼古拉斯·佩特菲尔德和曼弗雷德·塞夫特对该协议的贡献的支持。
Data analysis sowftware | Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN | NM23321N | Elekta standard data analysis software including MaxFilter release 2.2 |
Data analysis workstation | Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN | NM20998N | MEG recoding PC and software |
Head position coil kit | Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN | NM23880N | 5 Head Position Indicator (HPI) coils |
Neuromag TRIUX | Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN | NM23900N | 306-channel magnetoencephalograph system |
Polhemus Fastrak 3D | Polhemus, VT, USA | 3D head digitization system | |
PROPixx | VPixx Technologies Inc., QC, CANADA | VPX-PRO-5001C | Projector and data acquisition system |
RESPONSEPixx | VPixx Technologies Inc., QC, CANADA | VPX-ACC-4910 | MEG-compatible response collection handheld control pad system |
Screen | VPixx Technologies Inc., QC, CANADA | VPX-ACC-5180 | MEG-compatible rear projection screen with frame and stand |
VacuumSchmelze AK-3 | VacuumSchmelze GmbH & Co. KG, Hanau, GERMANY | NM23122N | Two-layer magnetically-shielded room |
Software | Version | ||
Fieldtrip | Open Source | FTP-181005 | fieldtriptoolbox.org |
Matlab | MathWorks, MA, USA | R2018b | mathworks.com/products/matlab |
Psychophysics Toolbox | Open Source | PTB-3.0.13 | psychtoolbox.org |