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Attenzione visiva: indagine fMRI sul controllo attenzionale basato su oggetti

Overview

Fonte: Laboratori di Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel— University of Southern California

Il sistema visivo umano è incredibilmente sofisticato e in grado di elaborare grandi quantità di informazioni molto rapidamente. Tuttavia, la capacità del cervello di elaborare le informazioni non è una risorsa illimitata. L'attenzione, la capacità di elaborare selettivamente le informazioni che sono rilevanti per gli obiettivi attuali e di ignorare le informazioni che non lo sono, è quindi una parte essenziale della percezione visiva. Alcuni aspetti dell'attenzione sono automatici, mentre altri sono soggetti a controllo volontario e cosciente. In questo esperimento esploriamo i meccanismi di controllo attenzionale volontario o "top-down" sull'elaborazione visiva.

Questo esperimento sfrutta l'organizzazione ordinata della corteccia visiva per esaminare come l'attenzione dall'alto verso il basso può modulare selettivamente l'elaborazione degli stimoli visivi. Alcune regioni della corteccia visiva sembrano essere specializzate per l'elaborazione di elementi visivi specifici. In particolare, il lavoro di Kanwisher et al. 1 ha identificato un'area nel giro fusiforme del lobo temporale inferiore che è significativamente più attiva quando i soggetti visualizzano i volti rispetto a quando osservano altri oggetti comuni. Quest'area è diventata nota come Fusiform Face Area (FFA). Un'altra regione del cervello, nota come Parahippocampal Place Area (PPA), risponde fortemente alle case e ai luoghi, ma non ai volti. 2 Dato che sappiamo come queste regioni rispondono a specifici tipi di stimoli, la loro attività può essere ulteriormente esplorata per identificare una componente chiave dell'attenzione visivo-visiva.

Questo video mostra come utilizzare la fMRI per localizzare l'FFA e il PPA nel cervello, quindi esamina come il controllo attenzionale basato su oggetti modula l'attività in queste aree. L'uso di un localizzatore funzionale per limitare i successivi test di ipotesi è una tecnica potente nell'imaging funzionale. I partecipanti saranno sottoposti a risonanza magnetica funzionale mentre vengono presentati con un'immagine sovrapposta di un volto e una casa. Anche se sia un volto che una casa sono presentati in ogni stimolo, prevediamo che i modelli di attività nei loro FFA e PPA cambieranno in base a quale elemento viene curato. 3

Procedure

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1. Reclutamento dei partecipanti

  1. Recluta 20 partecipanti.
    1. I partecipanti dovrebbero essere destrimani e non avere una storia di disturbi neurologici o psicologici.
    2. I partecipanti dovrebbero avere una visione normale o corretta a normale per garantire che saranno in grado di vedere correttamente i segnali visivi.
    3. I partecipanti non dovrebbero avere metallo nel loro corpo. Questo è un importante requisito di sicurezza a causa dell'elevato campo magnetico coinvolto nella fMRI.
    4. I partecipanti non dovrebbero soffrire di claustrofobia, poiché la fMRI richiede di sdraiarsi nel piccolo spazio del foro dello scanner.

2. Procedure di pre-scansione

  1. Compila i documenti pre-scansione.
  2. Quando i partecipanti arrivano per la loro scansione fMRI, istruisci prima di compilare un modulo di schermo metallico per assicurarsi che non abbiano controindicazioni per la risonanza magnetica, un modulo di risultati incidentali che dà il consenso affinché la loro scansione sia esaminata da un radiologo e un modulo di consenso che dettaglia i rischi e i benefici dello studio.
  3. Prepara i partecipanti ad andare nello scanner rimuovendo tutto il metallo dal loro corpo, tra cui cinture, portafogli, telefoni, fermagli per capelli, monete e tutti i gioielli.

3. Fornire istruzioni per il partecipante.

  1. Dì al partecipante che nello scanner vedranno immagini di volti e case.
  2. Per le prime esecuzioni del localizzatore, istruisci i partecipanti che visualizzeranno passivamente volti e case.
  3. Spiega ai partecipanti che nelle esecuzioni del compito, vedranno un volto e una casa sovrapposti l'uno all'altro. Il loro compito sarà quello di prestare attenzione alla casa o al viso, come segue.
    1. Quando il compito inizia per la prima volta, verrà detto loro tramite istruzioni di testo se prestare attenzione alle case o ai volti.
    2. I partecipanti avranno quattro corse in cui vengono istruiti a prestare attenzione alle case e quattro corse in cui vengono istruiti a prestare attenzione ai volti.
      1. Il programma di face e house run sarà casuale per ogni soggetto.
  4. Sottolinea al partecipante l'importanza di mantenere la testa ferma per tutta la scansione.

4. Metti il partecipante nello scanner.

  1. Dare ai partecipanti tappi per le orecchie per proteggere le orecchie dal rumore dello scanner e dei telefoni auricolari da indossare in modo che possano sentire lo sperimentatore durante la scansione e farli sdraiare sul letto con la testa nella bobina.
  2. Dare al partecipante la palla di spremimento di emergenza e istruirlo a spremerlo in caso di emergenza durante la scansione.
  3. Utilizzare cuscinetti di schiuma per fissare la testa dei partecipanti nella bobina per evitare movimenti eccessivi durante la scansione e ricordare al partecipante che è molto importante rimanere il più fermo possibile durante la scansione, poiché anche i più piccoli movimenti offuscano le immagini.

5. Raccolta dei dati

  1. Raccogli una scansione anatomica ad alta risoluzione.
  2. Avviare la scansione funzionale.
    1. Sincronizzare l'inizio della presentazione dello stimolo con l'avvio dello scanner.
    2. Presenta le immagini tramite un laptop collegato a un proiettore. Il partecipante ha uno specchio sopra gli occhi, che riflette uno schermo sul retro del foro dello scanner.
    3. Presenta a ciascun partecipante due piste di localizzazione, in cui vedono passivamente blocchi di volti e case. Queste corse localizzatori vengono utilizzate per identificare l'FFA e il PPA in ogni singolo partecipante.
      1. Presenta ogni serie di volti e case in un blocco di 30 anni, con 20 s di fissazione tra i blocchi. Mostra ogni stimolo per 750 ms, seguito da un intervallo inter-stimolo di 250 ms, in cui sullo schermo è presente solo una croce di fissazione. Ripeti i blocchi in ordine alternato per ottenere cinque blocchi di volti e cinque blocchi di case.
    4. Presentare a ciascun partecipante otto esecuzioni funzionali del compito di attenzione.
      1. Inizia ogni corsa con un volto e una casa sovrapposti (Figura 1) al centro dello schermo e un'istruzione per iniziare occupando il viso o la casa. L'obiettivo di attenzione iniziale sarà casuale da una corsa all'altro.
      2. Ogni corsa conterrà 300 coppie di volti e case sovrapposti. Coppie di volti e case si ripetono tra una corsa e l'altro, ma non all'interno delle corse.
      3. Mostra ogni coppia di stimoli sovrapposta per un secondo. Ogni secondo, sostituisci la casa e il viso sovrapposti con una nuova casa e un nuovo volto sovrapposti.

Figure 1
Figura 1. Stimolo facciale e stimolo domestico sovrapposti insieme. Ogni stimolo presentato era un volto e una casa sovrapposti. Il partecipante è stato istruito a concentrarsi sul viso o sulla casa.

6. Procedure post-scansione

  1. Portare il partecipante fuori dallo scanner.
  2. Debriefing del partecipante.

7. Analisi dei dati

  1. Pre-elaborare i dati.
    1. Eseguite la correzione del movimento per ridurre gli artefatti di movimento.
    2. Eseguire il filtraggio temporale per rimuovere le derive del segnale.
    3. Fluidi i dati per aumentare il rapporto segnale-rumore.
  2. Modellare i dati per ogni partecipante.
    1. Creare un modello di quale dovrebbe essere la risposta emodinamica prevista per ogni condizione di attività (volti e case) nella scansione del localizzatore.
      1. Adatta i dati a questo modello, risultando in una mappa statistica, in cui il valore a ciascun voxel rappresenta la misura in cui quel voxel è stato coinvolto nella condizione di attività.
      2. Identificare i cluster per ciascun soggetto che corrispondono a FFA e PPA in base alle loro posizioni anatomiche. L'FFA includerà tutti i voxel contigui nel giro medio-fusiforme (che risponde significativamente più ai volti che alle case) e il PPA includeva tutti i voxel nel giro paraippocampale che rispondevano in modo più significativo alle case che ai volti. Per stabilire queste regioni di interesse, è stata utilizzata una soglia minima di significatività di p <10 -6 per ogni voxel.
    2. Usa le maschere FFA e PPA di ogni individuo come ROI per estrarre le attivazioni del segnale durante le quattro esecuzioni di messa a fuoco sui volti e le quattro corse di messa a fuoco sulle case.
      1. Quantificare il cambiamento percentuale del segnale per le condizioni di messa a fuoco del viso e di messa a fuoco della casa in FFA e PPA per ciascun soggetto.
  3. Eseguire un'analisi bidirezionale della varianza (ANOVA) sui valori di variazione percentuale del segnale per verificare le differenze tra le condizioni. I fattori in questo test sono il ROI (PPA vs. FFA) e l'attenzione (volti vs case).

Il controllo visivo dell'attenzione si riferisce al nostro stato deliberato di scelta a cosa prestare attenzione.

Se, ad esempio, l'obiettivo di un osservatore è quello di scegliere tutte le cipolle nella sua zuppa, allora potrebbe non notare la mosca che sta turbinando.

Anche se entrambi erano spazialmente coincidenti, l'elemento di messa a fuoco – le cipolle – si distingueva a causa dell'obiettivo dell'individuo. Questo è un esempio di controllo attenzionale basato su oggetti.

È interessante notare che il cervello – e la corteccia visiva, in particolare – possono elaborare gli oggetti separatamente. Ma è l'oggetto assistito che ottiene un'attivazione più forte nella sua area di elaborazione specializzata associata.

Utilizzando la risonanza magnetica funzionale, la fMRI e metodi originariamente sviluppati da Nancy Kanwisher e colleghi, questo video dimostra come individuare regioni cerebrali dedicate che elaborano particolari oggetti.

Studieremo anche come il controllo attenzionale modula l'attività neurale nelle stesse regioni utilizzando l'analisi basata su voxel e discuteremo anche di come l'allenamento di consapevolezza possa migliorare la capacità di controllare l'attenzione nel tempo.

In questo esperimento, i partecipanti si trovano in uno scanner fMRI e vengono mostrate immagini di volti e case in due diverse fasi: visione passiva e sovrapposta.

Durante la prima fase, viene chiesto loro di osservare semplicemente le immagini una alla volta in un design a blocchi, cioè vengono presentati un numero di volti seguiti da una sequenza di case. Questo tipo di visualizzazione serve a localizzare l'attività all'interno di specifiche regioni di interesse.

Ad esempio, l'area del viso fusiforme, l'FFA, ha dimostrato di essere più attiva quando gli individui vedono i volti rispetto ad altri oggetti comuni, mentre l'area del luogo paraippocampale, PPA in breve, risponde più fortemente alle case e ai luoghi piuttosto che ai volti.

Dato che queste regioni rispondono a specifici tipi di stimoli, i modelli di attività basata su voxel, o aree che rappresentano un certo livello di attivazione, dovrebbero cambiare, a seconda delle immagini mostrate.

Tali aspettative impostano la seconda fase, in cui vengono mostrate le immagini sovrapposte di un volto e di una casa. Nel corso di diverse prove, ai partecipanti viene chiesto di prestare attenzione a uno solo degli elementi alla volta e, pertanto, devono spostare la loro attenzione tra la casa o il viso.

In questo caso, la variabile dipendente è la quantità di attivazione registrata in condizioni di immagine, che può essere convertita nell'entità del cambiamento del segnale per osservare la variazione dell'attivazione dalla linea di base ai blocchi focalizzati sul viso e quelli centrati sulla casa.

Sebbene entrambe le immagini siano presentate in modo sovrapposto, si prevede che i modelli di attività nell'FFA e nel PPA del partecipante cambieranno, in base all'elemento specifico a cui hanno partecipato. Tali risultati evidenzierebbero il controllo attenzionale basato sugli oggetti.

Dopo aver reclutato i partecipanti per questo studio, salutarli in laboratorio e verificare che soddisfino i requisiti di sicurezza mentre compilano i moduli di consenso necessari. Si prega di fare riferimento a un altro progetto fMRI in questa raccolta per maggiori dettagli su come preparare le persone a entrare nella sala di scansione e nel foro di imaging.

Con il partecipante ora nello scanner, spiega le istruzioni per l'attività: Devono prima visualizzare passivamente un numero di immagini sullo schermo. Durante la seconda fase, le istruzioni di testo li spingeranno a prestare attenzione alla casa o al viso quando appaiono sovrapposti.

Seguendo queste indicazioni, iniziare il protocollo di scansione raccogliendo prima una scansione anatomica ad alta risoluzione.

Quindi, avviare la parte funzionale con due esecuzioni di localizzazione, in cui i partecipanti visualizzano passivamente le immagini in blocchi di 30 secondi. Ad esempio, nel primo segmento, visualizzare le facce, ciascuna per 750 ms, e una fissazione si incrocia in mezzo, durante un intervallo inter-stimolo, o ISI, di 250 ms.

Alla fine di ogni blocco, presentare la croce di fissazione per 20 s prima di alternare la serie di immagini, che ora dovrebbero essere case. Si noti che questa sequenza si ripete con immagini diverse cinque volte, per un totale di 10 blocchi in una corsa.

Quindi, procedere con otto esecuzioni funzionali dell'attività di controllo dell'attenzione. Durante questa fase, istruisci i partecipanti che si oppongono a partecipare tramite testo sullo schermo, quindi ciclizza un volto e una casa sovrapposti ogni secondo, con ogni corsa contenente 300 immagini sovrapposte.

Per concludere lo studio, portare il partecipante fuori dallo scanner e debriefing.

Per preelaborare i dati, eseguire la correzione del movimento per ridurre gli artefatti di movimento, il filtraggio temporale per rimuovere le derive del segnale e lo smoothing spaziale per aumentare il rapporto segnale-rumore.

Successivamente, creare un modello lineare generale basato su quale dovrebbe essere la risposta emodinamica prevista per ogni condizione di attività, facce o case, nella scansione del localizzatore.

Generare una mappa statistica adattando i dati a questo modello, in cui il valore in ogni voxel rappresenta la misura in cui è stato coinvolto nella condizione dell'attività.

In base alle regioni di interesse, identificare i cluster per ciascun soggetto con una soglia statistica minima per ogni voxel che ha risposto a volti o case.

In particolare, concentrati sull'FFA, nel giro medio-fusiforme, che risponde significativamente più ai volti che alle case, così come il PPA, che include tutti i voxel nel giro paraippocampale che risponde in modo più significativo alle case che ai volti.

Quindi, quantifica e rappresenta graficamente la percentuale di variazione del segnale per le condizioni focalizzate sul viso e sulla casa nell'FFA e nel PPA per ciascun soggetto.

Durante la fase di localizzazione, si noti che l'FFA bilaterale era più attiva quando i soggetti vedevano i volti rispetto alle case. Al contrario, il PPA era più attivo quando i soggetti osservavano le case rispetto ai volti.

Ora, dalle corse funzionali, usa la stessa misura - variazione percentuale del segnale - tracciata contro le regioni del cervello.

Quando il viso è stato curato, è stata riscontrata una maggiore attività nell'FFA, ma non nel PPA. Al contrario, quando la casa era focalizzata, si verificava un aumento dell'attività nel PPA ma non nell'FFA. Questi risultati indicano che l'attività neurale è modulata, a seconda di quale elemento viene curato.

Ora che hai familiarità con come utilizzare il neuroimaging funzionale per studiare il controllo attenzionale basato su oggetti, diamo un'occhiata a come i ricercatori studiano altri tipi di elaborazione attenzionale.

Oltre a concentrarsi sulle immagini visive statiche, i ricercatori sono anche interessati a come l'attività cerebrale viene modulata quando gli individui si occupano di oggetti in movimento, particolarmente rilevanti per il funzionamento di un veicolo motorizzato ed evitare incidenti.

Ad esempio, se al conducente viene detto di fare attenzione al movimento, come un cane che attraversa la strada, il movimento stesso catturerà la sua attenzione; tuttavia, potrebbero non ricordare altri dettagli identificativi sul cane. Dopotutto, è più importante evitare la tragedia che ricordare il colore della pelliccia.

Un'altra pratica, la consapevolezza, incorpora elementi chiave del cambiamento attenzionale, incoraggiando una concentrazione astuta lontano da pensieri più stressanti. Mentre si impegnano nella meditazione guidata da un istruttore, gli individui hanno dimostrato di migliorare la loro capacità di controllare l'attenzione, specialmente lontano da opinioni avverse.

Tuttavia, per le persone con disturbi d'ansia, incluso lo stress post-traumatico, il controllo dell'attenzione è più difficile. Cioè, sono prevenuti verso stimoli emotivamente negativi, come eventi tragici nelle notizie, piuttosto che storie neutrali.

Tale scarso controllo attenzionale li rende più vulnerabili agli effetti delle immagini minacciose, perpetuando situazioni che non riescono a togliersi dalla mente.

Hai appena visto il video di JoVE su come l'attenzione modula l'attività neurale. Ora dovresti avere una buona comprensione di come progettare e condurre un esperimento di controllo dell'attenzione usando il neuroimaging funzionale e, infine, come analizzare e interpretare specifici modelli di attività cerebrale relativi all'attenzione basata sugli oggetti.

Grazie per l'attenzione!

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Results

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Nelle scansioni localizzatori, l'FFA bilaterale era più attiva quando i soggetti guardavano i volti rispetto a quando guardavano le case. Al contrario, il PPA era più attivo quando i soggetti guardavano le case rispetto a quando guardavano i volti (Figura 2). Queste regioni, localizzate tramite le scansioni di progettazione a blocchi, sono state successivamente utilizzate come regioni di interesse per estrarre il segnale relativo allo spostamento dell'attenzione sui volti e sulle case durante le corse funzionali.

Figure 2
Figura 2. Localizzatore per la Fusiform Face Area (FFA) e la Parahippocampal Place Area (PPA). Esempio di localizzazione di un singolo soggetto dell'FFA durante i blocchi di visualizzazione dei volti e del PPA durante i blocchi di case di visualizzazione (in alto). Il segnale nell'FFA è stato aumentato durante i blocchi di facce ma non le case (blu), e il segnale nel PPA è stato aumentato durante i blocchi di case ma non le facce (verde).

Durante le corse funzionali, in cui i partecipanti hanno visto contemporaneamente un volto e una casa nel loro campo visivo diretto, l'attività nell'FFA e nel PPA è stata modulata in base all'oggetto a cui si stava frequentando. Quando l'attenzione era sul viso, c'era una maggiore attività nell'FFA, ma non nel PPA. Al contrario, quando l'attenzione era sulla casa, c'era una maggiore attività nel PPA ma non nell'FFA (Figura 3).

Figure 3
Figura 3. Attivazione nell'area facciale fusiforme (FFA) e nell'area del luogo paraippocampale (PPA) durante l'attività di commutazione dell'attenzione. Quando l'attenzione era sulla casa (verde), PPA ha mostrato una maggiore attivazione mentre FFA no. Al contrario, quando l'attenzione era sul viso (blu), FFA ha mostrato una maggiore attivazione mentre PPA no.

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L'uso di scansioni localizzatori è un potente strumento per il neuroimaging cognitivo e presenta alcuni vantaggi distinti rispetto all'imaging dell'intero cervello. Focalizzando un'ipotesi su un piccolo numero di posizioni specifiche che hanno proprietà di risposta note, possiamo generare previsioni molto specifiche con un alto potere statistico. Gli studi di neuroimaging voxel-wise dell'intero cervello devono controllare le decine di migliaia di test statistici eseguiti in ogni posizione del cervello, un processo che riduce il potere statistico. Inoltre, la definizione di queste regioni in base alle loro proprietà funzionali in ogni individuo riduce al minimo i problemi posti dalle differenze individuali nella neuroanatomia.

In questo esempio, ci siamo basati sulle risposte specifiche dello stimolo specializzato nelle sottoregioni della corteccia visiva per capire come un processo cognitivo più generale, l'attenzione dall'alto verso il basso, potrebbe influenzare i processi percettivi. Anche se lo stimolo sulla retina era lo stesso per ogni presentazione dell'oggetto, l'attività corticale variava in base allo stimolo a cui si partecipava. Ciò dimostra che l'attenzione dall'alto verso il basso ha il potenziale per raggiungere la corteccia sensoriale di basso livello per modulare il modo in cui le informazioni vengono elaborate. Una comprensione più completa di come l'attenzione modula l'attivazione nel cervello potrebbe portare a progressi nei trattamenti e negli interventi per i disturbi legati all'attenzione.

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References

  1. Kanwisher N.G, McDermott J, Chun M.M. (1997). The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception. J. Neurosci., 17, 4302-4311.
  2. Epstein, R., & Kanwisher, N. (1998). A cortical representation of the local visual environment. Nature, 392, 598-601.
  3. Serences, J. T., Schwarzbach, J., Courtney, S. M., Golay, X., & Yantis, S. (2004). Control of Object-based Attention in Human Cortex. Cerebral Cortex, 14, 1346-1357.

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