Yöntem makalesi

İnsan Prefrontal Korteks gelen fMRI Sinyallerine Davranışsal Tepkiler ilişkilendirilmesi: Görev Analizi Bilişsel Süreçler incelenmesi

12.3K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/3237

⸱

20 Haziran 2012

 ,  , 
1Department of Psychology, Centre for Vision Research, York University, 2Department of Biology, Centre for Vision Research, York University

Bu makalede

Düzeltme bildirimi

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Özet

Araştırmamızın amacı, beyin aktivitesini davranış korele etmektir. Doğru davranış önlemler ve görüntüleme teknikleri bize beyin-davranış ilişkileri aydınlatmak için izin verir.

Özet

Bu yöntemler yazının amacı iki benzer görevleri tarafından angaje tamamlayıcı beyin süreçleri incelemek için beyin görüntüleme tekniği nasıl uygulanacağı açıklamaktır. Bir fMRI tarayıcısında görev ifası sırasında katılımcılar 'davranışı daha sonra kan oksijen seviyesi bağımlı sinyal kullanarak beyin aktivitesi ile korele edilebilir. Biz bu konuda doğru görev yapılan ve daha sonra beyin performansını düzeltmek için ilgili sinyalleri test edebilmek nerede, doğru denemeler sıralamak edebilmek davranışı ölçmek. Konularda doğru görevi gerçekleştirmek yoktur ve bu çalışmaların doğru çalışmalar ile aynı analize dahil tersine eğer, biz doğru performans için sadece idi denemeler getirecek. Böylece, birçok durumda bu hataları sonra onlara beyin aktivitesini ilişkilendirmek için kendilerini kullanılabilir. Stroop 1 ve anti-sakkaddan görevleri: Biz bir otomatik yanıtların bastırılması sırasında beyin incelemek için laboratuarda kullanılan iki tamamlayıcı görevleri açıklar.duygusal stroop paradigma ya duygusal yüz ya da yüz uyaranlara 1,2 yüz 'ifadeleri' karşısında üst üste duygusal 'kelime' rapor katılımcılara bildirir. Kelime ve yüz ifadesi farklı duygular bakın, hangi arasında bir çatışma dedi ve ne otomatik olarak okunur oluşur gerekir. Katılımcı kelime okuma ve yüz ifadesi iki aynı anda rakip süreçler arasındaki ihtilafı çözmek için vardır. Bir kelime okumak Bizim dürtü güçlü 'uyaran-tepki (SR)' dernekleri yol açar; dolayısıyla inhibe bu güçlü SR en zor ve katılımcılar hataları yapmaya eğilimlidir. Bu çatışma aşmak ve yüz veya kelime dikkatini uzak yönlendiren konu genelde daha belirgin uyarıcı dikkat yönlendiren süreçler yukarıya inhibe gerektirir. Benzer şekilde, bir talimat işaret ey sonra periferik uyarıların konumu sadece dikkat yönlendirmek için kullanılan ancak anti-sakkaddan görev 3,4,5,6, içindee hareketi ayna ters konumda yapılır. Gene biz sonra beyin faaliyetleri ile korele edilebilir doğru ve hata denemeler içine davranışsal tepkilerin sıralama 7 sağlar katılımcıların göz hareketlerini kaydederek davranışı ölçmek. Şimdi Nörogörüntüleme araştırmacılar farklı bilişsel süreçleri işaret etmektedir ve içerdiği farklı sinir ağları tespit doğru ve çalışmaların farklı davranışları ölçmek için sağlar.

Protokol

1. MRG Oda girme önce

  1. Katılımcılar bütün deneysel riskler (örneğin kalp pili, klostrofobi, metalik implantlar, gebelik şansı, vb) ve onların katılımı yararları açıklayan bir rıza formu doldurunuz.
  2. Tüm katılımcılar MRG güvenlik ve tarama anketi (kısa öykü, cerrahi önceki prosedürler vb) kontrendikasyonlar Katılımcılar ekarte edilmelidir doldurmaları gerekmektedir.

2. Görev Bakış ve Eğitim

  1. Anti-sakkaddan üzerinde görev performansı konusunda eğitim verilmesi.
    1. Yeşil fiksasyon yanlısı bir sakkaddan deneme gösterir. 8-10 ° görsel bir açıyla, ekranın çevresinde görülen hedefe bakmak katılımcıların söyleyin.
    2. Kızıl fiksasyon bir anti-sakkaddan deneme gösterir. 8-10 ° (örneğin doğru hedef için görsel bir açıyla, ekranın çevresinde görünen hedef ayna karşısında bakmak katılımcı bilgilendirin, th için sabırsızlanıyoruze) bıraktı.
  2. Tarayıcı dışında duygusal Stroop için görev performansı konusunda eğitim verilmesi.
    1. Tarayıcı dışında bir bilgisayarda yüz kelime ifadeleri farklı kombinasyonları ile 15 pratik çalışmalarda bulunmaktadır. Katılımcıların görevi öğrenmek ve MRI tarayıcı uygun düğmeye basarak onları ne beklendiğini için uygulama amacı budur. Hangi düğmelerin mutlu bir ifade / sözcük, doğal bir ifade / kelime ve üzgün ifadesi / kelime raporlama basılırsa olarak katılımcıların söyleyin. Ayrıca, ne zaman tarayıcı içinde, her düğme temsil eden duygu katılımcılara hatırlatmak.
    2. Ifadeler (Sad, Doğal, Mutlu) gösteren Açıklayıcı kelimeler tek tek yüzleri fotoğraflarınız üzerinde üst üste. Bu sözler ya uyumlu veya resim (Şekil 1) yüz tasvir duygu ile uyuşmayan vardır. Rep birine katılımcıların hatırlatan ekranda bir yazılı talimat ile her tarama başlayınMümkün ilgili düğmeye hızlı bir şekilde basarak "FACE İFADE (üzgün, nötr, mutlu)" veya "YAZILI WORD (üzgün, nötr, mutlu)" ort.
    3. Talimat katılımcılar başka bir 1 saniye sabitlenmiş bir fiksasyon çapraz, ardından 1 saniye süreyle ekranda gösterilir. Fiksasyon çapraz 2 saniye yanıt görüntüyü izledi 250 milisaniye sonra sunulacak yüz uyaranlar tarafından takip edilir. Yanıt görüntü katılımcıların uygun düğmeye basarak verdikleri yanıtlara bildirmek için zaman vermek için kullanılır. Fiksasyon çapraz sonraki görsel sunum bu yanıtı görüntünün sonunda başlar. Her katılımcı iki komut grubu (yani yüz ifadesi VEYA yazılı kelime) birinde deneysel tarama tekrarlar. Tüm uyarılara oluşturulan ve Tanıtım 12.1 (kullanarak sunuldu www.neurobs.com ).

3. Tarayıcı ve Göz Takip Kurulumu

  1. BEğin deney kurmak, bir dijital projektör ile MRG ekrana odaklanmış bir görüntü olarak bilgisayar uyaran yansıtarak başlar.
  2. Katılımcılar kontrol odasında kendi sandalyeden kalkmak ve tarayıcı odaya girmesi istenir. Kulak tıkacı ve / veya kafa telefonları verilmektedir ve konuları kendi kulakları kanalları koyun.
    1. Konu başlığı bobininin merkezine baş pozisyonu ile sırtüstü yatıyor. Biz veri kaybı nedenleri tarama sırasında kafa hareketi beri baş hareketleri kısıtlayan onları mümkün olduğu kadar rahat değil, aynı zamanda yardımcısı yapmak için yastık ya da köpük ekler ile katılımcının vücut ve baş pozisyonu stabilize. Kafa hareketleri her yöne 1 mm daha büyüktür Hele.
    2. Katılımcının başının üzerine yerleştirin headcoil / kaydırın ve projektörün ekrana yansıtan ayna görmek için dosdoğru bakarken onların başkanı olarak rahatlıkla mümkün eğilme var. Gözleri p olarak birincil konuma olduğunca yakın olmalıiki saat kadar sürebilir tarama oturumu üzerinden katılımcının konforu sağlamak amacıyla 8 ossible.
  3. Onlar tarayıcıya bir kez yansıtılan görüntünün odağını nasıl katılımcı sorun. O keskin değilse, ekrandaki görüntüyü iyileştirmek için objektif yeniden ayarlayın.
  4. Eyetracker şimdi IRED kameraya doğru konumda olduğundan emin olmak için bir kalibrasyon ile test edilir. Kornea üzerinde yansıma ideal bir ya da düzgün çalışmıyor ise, IRED kaynak ayarlanması gerekir, ya da katılımcının baş pozisyonu yakın IRED kaynağı yansıtan ayna realigned / ayarlanması gerekir. Katılımcının kafasını ayarlandı ise daha doldurma / köpük veya yastık Bu kafa / vücut konumunu korumak için ihtiyaç halinde, konu isteyin. Monitör tarama ve kızılötesi göz izleme (yani Sensomotoric Instruments, Needham / Boston, MA) kullanarak kayıt katılımcıların yatay ve dikey göz pozisyonları sırasında ve davranışsal paradigma wh ile bu korelasyontr beyin aktivitesini analiz. 5,7

4. Tarama Yöntemleri

  1. Katılımcının kendi sol el de karın ve sağ elinde joystick / düğmesine kutusunda acil iletişim sıkmak topu yerleştirin. Kafa yakın sağ tarafında bir E vitamini kapsülü yerleştirin. Bu, belirli bir hata yapacak anatomik taramalarında görüntülenebilir olacaktır soldan sağa görüntüleri çevirmek olmaz. MR merkezi haline yatak kaldırın ve kaydırın.
  2. Deneyciler tüm MRG odayı terk edin ve MRG için kapıyı kapatın.
  3. Kontrol odasında interkom aracılığıyla katılımcı iletişim ve tarama başlamak için hazır ve mümkün olduğu kadar rahat olduğunu onaylayın. Eğer değilse, gerektiği gibi yeniden ayarlamak.
  4. Tarayıcıya sesleri yüksek olacak ve bu normal olduğunu katılımcı hatırlatın.
    1. İlk tarama lokalize / veya kesin reçete edebilmek için sagital bölge boyunca birkaç beyin görüntüleri toplartam anatomik ve fonksiyonel veri dilim ientation. Katılımcılar bu tarama birkaç dakika sürecektir anlatılıyor.
    2. Deneyciler Localizer tarama sonuçlarını görüntülemek sonra, biz tüm beyin kapağı anatomik dilim bir dizi reçete. Biz olgularımızda genellikle tüm beyin (170-256 dilim) kapsayacak eksenel eğik dilim tarayın. Bu tarama dilim reçete sayısına bağlı olarak 10 yaklaşık 6 dakika süreceğini katılımcı söyle. Bazı durumlarda anatomik tarama fonksiyonel taramalar sonra yapılabilir. İkincisi bazı avantajları vardır; genellikle uzun deneylerde deneklerin yorgunluk yaşayacaksınız. Onların gözlerini kapatabilir böylece Böylece, anatomik tarama bireyler tarafından hiç dikkat gerektirmektedir. Bu görüntüleme oturumun sonunda bu taramalar yapmak yararlı olabilir.
    3. Anatomik taramaları tamamlandıktan sonra katılımcı mikrofon üzerinden iletişim yoluyla yaklaşan Belirli tarama talimatları hatırlatılır/ Hoparlör sistemi.
  5. Bu örnekte, bir sözde olaya ilişkin tasarım 2 duygusal Stroop görevi aktive beyin bölgeleri tanımlamak için kullanılır, ancak gerektiğinde herhangi bir duyusal, iç algı 9 veya motor uyaran 10 kullanım için yönlendirilmiş olabilir. Bu tarandıktan sonra sonra biz anti-sakkaddan paradigma sonraki taranacak olacağı konusu talimat verir. Seçilen görüntüleme parametreleri bağlı tarama 6 dakika uzunluğunda yakın olacaktır. Biz bu uykuya konular neden daha uzun tarar bulabilirsiniz.
  6. Toplam görüntüleme aktif analizi için gerekli toplam taramalar bağlı olarak, 120 dakika için yaklaşık 60 alır.

5.. fMRI Analizi

  1. BrainVoyager QX yazılım (veya AFNI veya SPM gibi herhangi bir analiz paketi) kullanarak verileri analiz edin.
  2. Anatomik beyin görüntüleri üzerine işlevsel verilerin istatistiksel haritalar atma başlayın. Fonksiyonel (RO ilgi beyin bölgeleri tanımlamak) Taramaları 2 iki tip sırasında görev koşullarının her biri için ayrı belirleyiciler (yani uyumlu ve uyumsuz, yüz öğretim ve kelime öğretimi, anti-sakkaddan, pro-sakkaddan) ile, genel lineer model (GLM) kullanıyor.
  3. GLM karşıtlıkları tüm aktif frontal bölgelerde sinyal yoğunluğu (alanlarında haritası üretmek için tüm uyumlu karşın tüm uyuşmayan yani) inceleyin, tüm katılımcılar arasında standardize BOLD sinyal hesaplamak ve / uyumlu kelime ile uyuşmayan kelime / yüz ifadesi karşılaştırmak her iki durumda 2 için ifadeler ile karşı karşıyadır.
  4. GLMs için kullanıldı denemeler toplanan reaksiyon süreleri korelasyon, daha sonra, Şekil 4'teki gibi spesifik denemeler 2 için kendi reaksiyon süreleri ile birlikte her bir boyunca beyin aktivitesi ilişkilidir.

6. Temsilcisi Sonuçlar

Analizden sonra biz e ilişkili beyin bölgeleri göstermekdevinişsel stroop ve anti-sakkaddan tarama görevleri sırasında kaydedilmiş. Duygusal stroop paradigma sonuçlar, ifade, talimat ve beyin bölgesinin her üç faktör arasında bir etkileşim gösterdi, ancak ifade ve öğretim 2. maddesinin temel etkisi hiçbir temel etkisi yoktu. Biz yüz ifadesi üst üste duygusal kelime uyumsuz olduğu, yazılı kelime raporlama üretilen bu incongruency sol BAG 2 (Şekil 2) daha yüksek BOLD sinyal yoğunluğu gösterdi bulundu. Uyumlu ifadeler karşılaştırıldığında uyuşmayan ifadeler üzerinde büyük sinyal yoğunluğu uyumlu mutlu en büyük farkı 2 gösteren, istatistiksel olarak anlamlı bulunmuştur.

Test edilen üç uyumsuz koşullar (üzgün, mutlu ve nötr) için en önemlisi RTS tüm uyumlu koşullarda (Şekil 3) ile karşılaştırıldığında sol BAG içerisinde artan bir BOLD sinyal öngördü. Bu ana içinlizis biz özellikle tepki süreleri incelenmiş ve uyumsuz ve uyumlu koşulları için RT bu beyin bölgesi içinde BOLD sinyal aktivite (Şekil 3) prediktif olup olmadığını test etmek için regresyon analizi yapılmıştır. Biz bulduğu uyumsuz ve uyumlu koşulların 2 sırasında Mutlu, Nötr ve Sad kelime ifadeleri raporlama sol BAG aktivite varyasyonun% 81 RT hesapları. Yüksek RT tüm diğer ifade koşullarına göre büyük RT / sinyal yoğunluk oranı veren uyuşmayan üzücü koşulu ile, daha büyük sol BAG aktivasyon prediktif olduğunu. Bu aktivite, iki ağ karşılaştırma yapabilmek için yukarıdaki gibi benzer bir yöntem kullanılarak, anti-sakkaddan paradigma analiz edilmiştir. Bu örnekte, biz yanlısı sakkaddan görev karşılaştırıldığında anti-sakkaddan için sol BAG hiçbir sinyal artışı olduğunu saptadılar. Daha fazla bilgi için, Ford ve ark. (2007) okuyucular bakın.

figure-protocol-1 Şekil 1. Uyuşmayan bir deneme (SAD sözcüğü üst üste mutlu bir ifade ile yüz) bir örneği. Deney yüz uyaran (250 ms) ve katılımcının düğmesine yanıt gerektirir maskeli görüntü (2 saniye) tarafından geçmeden, fiksasyon nokta (1 saniye) ile başlayacaktır.

Şekil 2
Şekil 2. Tüm fiksasyon hacimleri temel olarak kullanılmıştır. Hata çubukları ortalama (SEM), standart hata anlamına gelir. Uyuşmayan ifadeler (Sad, Doğal, Mutlu) uyumlu ifadeler 2 ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha büyük BOLD sinyal değişikliği gösterdi. Ek modül işlevsel kelime komut seti katılmak sırasında uyumlu durum karşısında uyumsuz duygusal stroop için bölüm 5.2 'de kontrast tarif kullanılarak lokalize inferior frontal girus (BAG) sol gösterir.

"Şekil Şekil 3. "Word katılın" talimatı sırasında, uyumsuz-uyumlu kontrast RTS ve BOLD sinyal yoğunluğu arasında pozitif bir korelasyon gösterdi. Bu grafikte, tüm 10 deneklerin RTS ve altı koşulları her biri sırasında BOLD sinyalinin bir ortalamasıdır. Hata çubukları ortalama (SEM) 2 standart hata anlamına gelir.

Şekil 4
Şekil 4. Her ifade iki tekrarları konulara sergilendi. Üst satır çalışmaların bir blok bir deneme sekansı bir yapılandırmasının şematik bir resmidir. Alt bölümü duygusal yüz ifadelerinde yer alan beyin bölgeleri keşfetmek için kullanılan iki-Gamma hemodinamik tepki fonksiyonu (İHK) bir anlatımıdır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Görevle ilgili aktivasyon bir harita üretmek için; beyin bölgelerinin saptanması (veya anti-sakkaddan karşı pro-sakkaddan Stroop ya yani, uyuşmayan karşı uyumlu duygu ve yüz ifadesi) taranan görevler arasında doğru bir kontrast oluşturarak dayanır. Bu fonksiyonel haritalar davranış konusu hatalar yaptı denemeler kaldırmak için tarayıcı toplanan zaman daha rafine olabilir. Bu hataları kaldırılabilir ve fonksiyonel haritalarına daha hataları yeterli sayıda ise, bu 3,4,5,6 imal edilebilir. En önemlisi, uzun tepk...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Biz ifşa hiçbir şey yok.

Teşekkürler

JFXD, Sağlık, York Üniversitesi ve yazar Fakültesi'ne Ulusal Bilim ve Mühendislik Araştırma Konseyi (NSERC) tarafından finanse edilen SO Ontario Kumar Sorunu Araştırma Merkezi (OPGRC) tarafından Doktora fon vardır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Ekipman Adı Şirket
3 Tesla MR makinesi Siemens Magnetom Trio (Erlangen, Almanya)
iViewX Göz Takibi SensoMotoric Instruments, Inc
BrainVoyager QX yazılım Beyin Yenilik, Maastricht, Hollanda
Dört düğmesi Joystick Şu Tasarımlar, Inc, Philadelphia, PA, USA

Tablo 1. Özel Reaktifler ve Ekipmanları.

Kaynaklar

  1. Stroop, J. R. Studies of interference in serial verbal reactions. Journal of Experimental Psychology. 18, 643-662 (1935).
  2. Ovaysikia, S., Tahir, K. A., Chan, J. L., DeSouza, J. F. X. Word wins over face: emotional Stroop effect activates the frontal cortical network. Front Hum. Neurosci. 4, 234(2011).
  3. Hallett, P. E. Primary and secondary saccades to goals defined by instructions. Vision Res. 18, 1279-1296 (1978).
  4. Connolly, J. D., Goodale, M. A., DeSouza, J. F. X., Menon, R. S., Vilis, T. A comparison of frontoparietal fMRI activation during anti-saccades and anti-pointing. J. Neurophysiol. 84, 1645-1655 (2000).
  5. DeSouza, J. F. X., Menon, R. S., Everling, S. Preparatory set associated with pro-saccades and anti-saccades in humans investigated with event-related FMRI. J. Neurophysiol. 89, 1016-1023 (2003).
  6. Everling, S., DeSouza, J. F. X. Rule-dependent activity for prosaccades and antisaccades in the primate prefrontal cortex. J. Cogn. Neurosci. 17, 1483-1496 (2005).
  7. Ford, K. A., Goltz, H. C., Brown, M. R. G., Everling, S. Neural processes associated with antisaccade task performance investigated with event-related fMRI. J. Neurophysiol. 94, 429-440 (2005).
  8. DeSouza, J. F. X., Nicolle, D. A., Vilis, T. Task-dependent changes in the shape and thickness of Listing's plane. Vision Res. 37, 2271-2282 (1997).
  9. Hadjikhani, N. Mechanisms of migraine aura revealed by functional MRI in human visual cortex. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 4687-4692 (2001).
  10. DeSouza, J. F. X. Eye position signal modulates a human parietal pointing region during memory-guided movements. J. Neurosci. 20, 5835-5840 (2000).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Düzeltme


Formal Correction: Erratum: Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis
Posted by JoVE Editors on 8/03/2012. Citeable Link.

A correction was made to Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis. Joseph DeSouza and Laura Pynn middle initials were omitted at publication.

These have been corrected to:

Joseph F.X. DeSouza

Laura K. Pynn

Etiketler

fMRI AnaliziDavran sal KorelasyonStroop G reviAnti Sakkad G reviG z zlemeButon Basma Yan tlarnferior Frontal GyrusGLM KontrastlarReaksiyon S resi l m

İlgili makaleler