In dit artikel wordt beschreven hoe u een experiment instellen dat het mogelijk maakt om invloeden op bronniveau te detecteren op object perceptie met behulp van magnetoencephalography (MEG). Het omvat stimulus-materiaal, experimenteel ontwerp, MEG-opname en gegevensanalyse.
Pre-stimulus oscillerende hersenactiviteit beïnvloedt aanstaande perceptie. De kenmerken van deze pre-stimulus activiteit kunnen voorspellen of een nabije drempel stimulans zal worden waargenomen of niet wordt waargenomen, maar kunnen ze ook voorspellen welke van de twee concurrerende stimuli met verschillende perceptuele inhoud wordt waargenomen? Ambigue visuele stimuli, die op een van de twee mogelijke manieren tegelijk te zien zijn, zijn bij uitstek geschikt om deze vraag te onderzoeken. Magnetoencephalography (MEG) is een neurofysiologische meettechniek die magnetische signalen registreert die worden uitgezonden als gevolg van hersenactiviteit. De temporele resolutie van MEG van de milliseconde zorgt voor een karakterisering van oscillerende hersentoestanden van slechts 1 seconde van de vastgelegde gegevens. Het presenteren van een leeg scherm rond 1 seconde voorafgaand aan de ambigue stimulus begin biedt daarom een tijdvenster waarin men kan onderzoeken of de pre-stimulus oscillatoire activiteit de inhoud van de aankomende waarneming biasen, zoals aangegeven door de deelnemers ‘ Rapporten. De ruimtelijke resolutie van MEG is niet uitstekend, maar voldoende om bronnen van hersenactiviteit op de centimeter schaal te lokaliseren. Bron reconstructie van MEG activiteit maakt vervolgens het testen van hypotheses over de oscillerende activiteit van specifieke regio’s van belang, evenals de tijd-en frequentie-opgeloste connectiviteit tussen regio’s van belang. Het beschreven protocol zorgt voor een beter begrip van de invloed van spontane, voortdurende hersenactiviteit op visuele waarneming.
Hersenen toestanden voorafgaande stimuli presentatie invloed op de manier waarop prikkels worden waargenomen, evenals de neurale reacties geassocieerd met perceptie1,2,3,4. Bijvoorbeeld, wanneer een stimulus wordt gepresenteerd met een intensiteit dicht bij perceptuele drempel (near-Threshold), pre-stimulus neurale oscillerende macht, fase, en connectiviteit kan beïnvloeden of de aanstaande stimulans zal worden waargenomen of niet waargenomen5 ,6,7,8,9,10. Deze pre-stimulus signalen kunnen ook invloed hebben op andere aspecten van perceptie, zoals perceptuele object inhoud.
Het presenteren van mensen met een dubbelzinnig beeld dat op een van de twee manieren kan worden geïnterpreteerd, is een ideale manier om object perceptie11te probe. Dit is omdat de subjectieve inhoud van perceptie kan een van de twee voorwerpen, terwijl de eigenlijke stimulans onveranderd blijft. Men kan daarom de verschillen in de opgenomen hersen signalen beoordelen tussen de onderzoeken waarop mensen meldden dat men de ene of de andere mogelijke interpretatie van de stimulus waarneemt. Gezien de rapporten, kan men ook onderzoeken of er verschillen in de hersentoestanden waren voorafgaand aan het begin van de stimulus.
Magnetoencephalography (MEG) is een functionele neuroimaging-techniek die magnetische velden registreert die worden geproduceerd door elektrische stromingen in de hersenen. Terwijl bloed-oxygenatie niveau afhankelijke (vette) Reacties oplossen op een tijdschaal van seconden, MEG biedt milliseconde resolutie en daarom onderzoeken hersenen mechanismen die optreden op zeer snelle tijdschema’s. Een verwant voordeel van MEG is dat het karakteriseren van hersentoestanden mogelijk maakt van korte perioden van vastgelegde gegevens, wat betekent dat experimentele proeven zo kunnen worden verkort dat veel proeven in een experimentele sessie passen. Verder maakt MEG frequentie-domein analyses mogelijk die oscillatoire activiteit kunnen ontdekken.
Naast de hoge temporele resolutie, biedt MEG een goede ruimtelijke resolutie. Met bron reconstructie technieken12kan men gegevens op Sensorniveau projecteren naar de bron ruimte. Dit maakt het dan mogelijk om hypotheses te testen over de activiteit van specifieke belangengebieden. Tot slot, terwijl signalen in sensor ruimte sterk gecorreleerd zijn en daarom de connectiviteit tussen sensoren niet nauwkeurig kan worden beoordeeld, maakt bron reconstructie het mogelijk om de connectiviteit tussen regio’s van belang te beoordelen, omdat het de correlaties tussen bron signalen13. Deze schattingen van de connectiviteit kunnen worden opgelost in zowel de tijd en frequentie domeinen.
Gezien deze voordelen is MEG bij uitstek geschikt voor het onderzoeken van pre-stimulus effecten op de perceptie van het object in bepaalde gebieden van belang. In dit verslag zullen we illustreren hoe we een dergelijk experiment en de opzet van de overname van MEG kunnen ontwerpen, en hoe we de bron reconstructie kunnen toepassen en de oscillatoire activiteit en connectiviteit moeten beoordelen.
Het presenteren van een unieke stimulans die kan worden geïnterpreteerd als meer dan één object na verloop van tijd, maar als slechts één object op een bepaald moment, maakt het mogelijk voor het onderzoeken van pre-stimulus effecten op de perceptie van het object. Op deze manier is men in staat om pre-stimulus hersentoestanden te relateren aan subjectieve rapporten van de waargenomen objecten. In een laboratoriumomgeving bieden dubbelzinnige beelden die op twee manieren kunnen worden geïnterpreteerd, zoals de vaas-illusie van Rubin, een optimale behuizing die eenvoudige contrasten van hersenactiviteit tussen twee proef typen mogelijk maakt: die waargenomen op één manier (bijv. ‘ gezicht ‘ ) en die op de andere manier worden waargenomen (bv. “vaas”).
Het kort presenteren van deze stimuli (< 200 MS) zorgt ervoor dat mensen een van de twee mogelijke interpretaties van de stimulus op een bepaald proces zien en vervolgens rapporteren. Contra balanceren (willekeurig afwisselend) tussen de zwarte vaas/witte gezichten en witte vaas/zwarte gezichten versies van de stimulans tussen deelnemers vermindert de invloed van low-level stimulus functies bij de daaropvolgende analyse. Het presenteren van een masker onmiddellijk na de stimulus voorkomt dat na-beelden te vormen en vertekenende deelnemers reacties. Omdat het analyseren van de periode na het begin van de stimulus is niet van belang, geen matching tussen lage frequentie kenmerken van de stimulus en masker is vereist. Ten slotte voorkomt dat de reactie knoppen tussen deelnemers (bijv. links voor de vaas, rechts voor het gezicht of omgekeerd) voorkomen dat de activiteit door de motor voorbereiding in de contrasten wordt meegenomen.
Gezien de milliseconde resolutie van MEG, is een pre-stimulus interval van zo kort als 1 s voldoende om maatregelen zoals spectrale kracht en connectiviteit te schatten. Gezien de korte duur van elke resulterende proef, een groot aantal proeven kan worden ondergebracht in een experimentele sessie, zorgen voor een hoge signaal-ruis verhouding bij het gemiddelde van MEG signalen over proeven.
Er is aangetoond dat specifieke categorie gevoelige gebieden die van belang zijn, actief zijn tijdens object perceptie24,25. Bijvoorbeeld, FFA wordt algemeen gemeld te worden betrokken bij face perceptie22. Om te onderzoeken van de effecten van gemeten activiteit die voortvloeien uit specifieke bronnen, kan men de bron-reconstrueren MEG gegevens. Om de connectiviteit tussen bronnen te onderzoeken, is bron reconstructie noodzakelijk. Om de analyse van brongegevens te vergemakkelijken, kunnen gegevens op bronniveau van één proefversie worden weergegeven door ‘ virtuele sensoren ‘. Als u de gegevens op deze manier weergeeft, u de brongegevens van één proefversie op exact dezelfde manier analyseren in de bron ruimte en de sensor ruimte (met behulp van dezelfde analysefuncties, bijvoorbeeld met behulp van de Fieldtrip-werkset). Dit maakt het dan mogelijk om hypotheses te testen over de activiteit van specifieke belangengebieden op een eenvoudige manier.
Terwijl de pre-stimulus oscillatoire macht is aangetoond dat het beïnvloeden van stimulus detectie in de buurt van perceptuele drempel (waargenomen versus niet waargenomen), of het beïnvloedt de inhoud van wat wordt gezien is minder bekend. Hier hebben we in contrast met pre-stimulus oscillerende macht in FFA tussen proeven waarop mensen gemeld gezicht VS vaas, en vond geen statistische verschillen. We hebben vervolgens getest of de connectiviteit tussen v1 en FFA het aanstaande perceptuele rapport beïnvloedt, en ontdekte dat face Trials werden voorafgegaan door verbeterde connectiviteit tussen v1 en FFA in het Alfa frequentiebereik rond 700 MS vóór het begin van de stimulus. Dat we geen effect in alpha-vermogen, maar in de connectiviteit in de alpha-band vonden, suggereert dat terwijl pre-stimulus alpha macht stimulus detectie kan beïnvloeden7,8, het hoeft niet noodzakelijkerwijs beïnvloeden object categorisatie. Onze resultaten tonen daarom aan dat voor een vollediger begrip van de oscillerende dynamiek voorafgaand aan de perceptie van het object en hun daaropvolgende invloed op de perceptie van het object, simpelweg het analyseren van oscillatoire kracht in de regio’s van belang is niet voldoende. Er moet veeleer rekening worden gehouden met de connectiviteit tussen de belangen regio’s, aangezien de aanhoudende fluctuaties in de sterkte van deze verbindingen de daaropvolgende perceptie18kunnen vooroordelen. Tot slot, ondanks de minder optimale ruimtelijke resolutie van MEG, toont ons protocol aan dat men in staat is om regio’s van belang duidelijk te identificeren en hun relaties te onderzoeken. MEG kan de elektro-encefalografie vervangen (EEG) omdat het een superieure ruimtelijke resolutie biedt en de functie MRI kan vervangen omdat het een superieure temporele resolutie biedt. Daarom is MEG in combinatie met bron reconstructie bij uitstek geschikt om snelle en gelokaliseerde neurale processen te onderzoeken.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gesteund door FWF Oostenrijkse wetenschaps Fonds, Imaging the Mind: connectiviteit en hogere cognitieve functie, W 1233-G17 (naar E.R.) en Europese Onderzoeksraad Grant WIN2CON, ERC StG 283404 (to N.W.). De auteurs willen graag de steun van Nadia Müller-Voggel, Nicholas peatfield en Manfred seifter erkennen voor bijdragen aan dit protocol.
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 |