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Atenção Visual: fMRI Investigação do Controle Acionário Baseado em Objeto

Overview

Fonte: Laboratórios de Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel - Universidade do Sul da Califórnia

O sistema visual humano é incrivelmente sofisticado e capaz de processar grandes quantidades de informações muito rapidamente. No entanto, a capacidade do cérebro de processar informações não é um recurso ilimitado. Atenção, a capacidade de processar seletivamente informações relevantes para os objetivos atuais e ignorar informações que não são, é, portanto, uma parte essencial da percepção visual. Alguns aspectos da atenção são automáticos, enquanto outros estão sujeitos a controle voluntário e consciente. Neste experimento exploramos os mecanismos do controle atencional voluntário, ou "de cima para baixo" no processamento visual.

Este experimento aproveita a organização ordenada do córtex visual para examinar como a atenção de cima para baixo pode modular seletivamente o processamento de estímulos visuais. Certas regiões do córtex visual parecem ser especializadas para o processamento de itens visuais específicos. Especificamente, trabalho de Kanwisher et al. 1 identificou uma área no giro fusiforme do lobo temporal inferior que é significativamente mais ativa quando os sujeitos vêem rostos em comparação com quando observam outros objetos comuns. Esta área passou a ser conhecida como área de rosto fusiforme (FFA). Outra região cerebral, conhecida como Área de Lugar Parahippocampal (PPA), responde fortemente a casas e lugares, mas não aos rostos. 2 Dado que sabemos como essas regiões respondem a tipos específicos de estímulos, sua atividade pode ser ainda mais explorada para identificar um componente-chave da atenção visual-visão.

Este vídeo mostra como usar o fMRI para localização da FFA e do PPA no cérebro e, em seguida, examina como o controle de atenção baseado em objetos modula a atividade nessas áreas. O uso de um localizador funcional para restringir o teste de hipóteses subsequentes é uma técnica poderosa em imagens funcionais. Os participantes serão submetidos a ressonância magnética funcional enquanto são apresentados com uma imagem sobreposta de um rosto e uma casa. Embora tanto um rosto quanto uma casa sejam apresentados em cada estímulo, prevemos que os padrões de atividade em sua FFA e PPA mudarão com base em qual item está sendo atendido. 3

Procedure

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1. Recrutamento de participantes

  1. Recrute 20 participantes.
    1. Os participantes devem ser destros e não ter histórico de distúrbios neurológicos ou psicológicos.
    2. Os participantes devem ter uma visão normal ou corrigida para o normal para garantir que eles possam ver as pistas visuais corretamente.
    3. Os participantes não devem ter metal em seu corpo. Este é um importante requisito de segurança devido ao alto campo magnético envolvido na ressonância magnética.
    4. Os participantes não devem sofrer de claustrofobia, uma vez que o fMRI requer estar no pequeno espaço do furo do scanner.

2. Procedimentos de pré-digitalização

  1. Preencha a papelada pré-digitalizada.
  2. Quando os participantes entrarem para a varredura de ressonância magnética, instrua-os a primeiro preencher um formulário de tela metálica para garantir que não tenham contraindicações para ressonância magnética, um formulário de achados incidentais que dá consentimento para que seu exame seja examinado por um radiologista e um formulário de consentimento detalhando os riscos e benefícios do estudo.
  3. Prepare os participantes para ir ao scanner removendo todo o metal de seu corpo, incluindo cintos, carteiras, telefones, grampos de cabelo, moedas e todas as joias.

3. Forneça instruções para o participante.

  1. Diga ao participante que no scanner, eles verão imagens de rostos e casas.
  2. Para as corridas iniciais do localizador, instrua os participantes que eles irão visualizar passivamente rostos e casas.
  3. Explique aos participantes que na tarefa corre, eles verão um rosto e uma casa sobrepostos uns aos outros. Sua tarefa será prestar atenção na casa ou no rosto, da seguinte forma.
    1. Quando a tarefa começar, eles serão informados por meio de instruções de texto se devem prestar atenção em casas ou rostos.
    2. Os participantes terão quatro corridas onde são instruídos a prestar atenção às casas, e quatro corridas onde são instruídos a prestar atenção aos rostos.
      1. O cronograma de corridas presenciais e domésticas será aleatório para cada assunto.
  4. Estresse para o participante a importância de manter a cabeça parada durante todo o exame.

4. Coloque o participante no scanner.

  1. Dê aos participantes protetores de ouvido para proteger seus ouvidos do ruído do scanner e dos fones de ouvido para que eles possam ouvir o experimentador durante a varredura, e tê-los deitados na cama com a cabeça na bobina.
  2. Dê ao participante a bola de aperto de emergência e instrua-os a espremê-la em caso de emergência durante a varredura.
  3. Use almofadas de espuma para fixar a cabeça dos participantes na bobina para evitar o excesso de movimento durante a varredura, e lembre ao participante que é muito importante ficar o mais quieto possível durante a varredura, pois até mesmo os menores movimentos desfocam as imagens.

5. Coleta de dados

  1. Colete uma varredura anatômica de alta resolução.
  2. Comece a digitalização funcional.
    1. Sincronize o início da apresentação de estímulos com o início do scanner.
    2. Apresentar imagens através de um laptop conectado a um projetor. O participante tem um espelho acima dos olhos, refletindo uma tela na parte de trás do furo do scanner.
    3. Presenteie cada participante com duas corridas de localizador, nas quais eles passivamente vêem blocos de rostos e casas. Essas corridas de localizador são usadas para identificar a FFA e o PPA em cada participante.
      1. Apresente cada conjunto de rostos e casas em um bloco de 30 s, com 20 s de fixação entre blocos. Mostre cada estímulo para 750 ms, seguido de um intervalo inter-estímulo de 250 ms, no qual apenas uma cruz de fixação está presente na tela. Repita blocos em ordem alternada para obter cinco blocos de rostos e cinco blocos de casas.
    4. Apresente cada participante com oito corridas funcionais da tarefa de atenção.
      1. Comece cada corrida com um rosto e uma casa sobrepostos (Figura 1) no centro da tela, e uma instrução para começar atendendo ao rosto ou à casa. O alvo inicial de atenção será aleatório de correr para correr.
      2. Cada corrida conterá 300 pares de rostos e casas sobrepostas. Pares de rostos e casas são repetidos entre corridas, mas não dentro de corridas.
      3. Mostre cada par de estímulos sobrepostos por um segundo. A cada segundo, substitua a casa e o rosto sobrepostos por uma nova casa e rosto sobrepostos.

Figure 1
Figura 1. Enfrentar estímulos e estímulos domésticos sobrepostos em conjunto. Cada estímulo apresentado era um rosto e uma casa sobrepostos. O participante foi instruído a se concentrar no rosto ou na casa.

6. Procedimentos pós-varredura

  1. Tire o participante do scanner.
  2. Interrogue o participante.

7. Análise de dados

  1. Pré-processo os dados.
    1. Execute a correção de movimento para reduzir os artefatos de movimento.
    2. Realize a filtragem temporal para remover derivas de sinal.
    3. Suavize os dados para aumentar a relação sinal-ruído.
  2. Modele os dados para cada participante.
    1. Crie um modelo do que a resposta hemodinâmica esperada deve ser para cada condição de tarefa (faces e casas) no escaneamento do localizador.
      1. Encaixar os dados a este modelo, resultando em um mapa estatístico, onde o valor em cada voxel representa até que ponto esse voxel estava envolvido na condição de tarefa.
      2. Identifique os clusters para cada sujeito que corresponda à FFA e PPA com base em seus locais anatômicos. A FFA incluirá todos os voxels contíguos no giro de fusiforme médio (que responde significativamente mais aos rostos do que às casas) e o PPA incluiu todos os voxels no giro parahiptocampal que respondeu mais significativamente às casas do que aos rostos. Para estabelecer essas regiões de interesse, utilizou-se um limiar mínimo de significância de p < 10-6 para cada voxel.
    2. Use as máscaras FFA e PPA de cada indivíduo como um ROI para extrair ativações de sinal durante as quatro corridas de foco-em-faces e as quatro corridas de foco em casas.
      1. Quantifique a mudança percentual de sinal para condições de foco facial e foco doméstico em FFA e PPA para cada assunto.
  3. Realize uma análise bidirecional de variância (ANOVA) sobre valores de mudança de sinal percentual para testar diferenças entre as condições. Os fatores neste teste são ROI (PPA vs. FFA) e atenção (faces vs. casas).

O controle visual de atenção refere-se ao nosso estado deliberado de escolher o que prestar atenção.

Se, por exemplo, o objetivo de um observador é pegar todas as cebolas em sua sopa, então ele pode não notar a mosca que está girando sobre.

Embora ambos fossem espacialmente coincidências, o item de foco — as cebolas — se destacou por causa do objetivo do indivíduo. Este é um exemplo de controle de atenção baseado em objetos.

Curiosamente, o cérebro — e o córtex visual, em particular — podem processar os objetos separadamente. Mas é o objeto atendido que ganha uma ativação mais forte em sua área de processamento especializado associada.

Usando ressonância magnética funcional, ressonância magnética e métodos originalmente desenvolvidos por Nancy Kanwisher e colegas, este vídeo demonstra como localizar regiões cerebrais dedicadas que processam objetos específicos.

Também investigaremos como o controle atencioso modula a atividade neural nas mesmas regiões usando análise baseada em voxel, e até mesmo discutiremos como o treinamento de atenção plena pode aumentar a capacidade de controlar a atenção ao longo do tempo.

Neste experimento, os participantes encontram-se em um scanner de ressonância magnética e são mostradas imagens de rostos e casas em duas fases diferentes: visualização passiva e sobreposição.

Durante a primeira fase, eles são solicitados a simplesmente observar imagens uma de cada vez em um projeto de bloco, ou seja, uma série de rostos são apresentados seguidos por uma sequência de casas. Esse tipo de visualização serve para localização de atividades dentro de regiões específicas de interesse.

Por exemplo, a área de rosto fusiforme, a FFA, tem se mostrado mais ativa quando os indivíduos veem rostos em comparação com outros objetos comuns, enquanto a área do lugar parahippocampal, PPA, para abreviar, responde mais fortemente a casas e lugares do que a rostos.

Dado que essas regiões respondem a tipos específicos de estímulos, espera-se que os padrões de atividade baseada em voxel — ou áreas que representam algum nível de ativação — mudem, dependendo das imagens mostradas.

Tais expectativas configuram a segunda fase, onde imagens sobrepostas de um rosto e uma casa são mostradas. Ao longo de vários ensaios, os participantes devem prestar atenção a apenas um dos itens de cada vez e, portanto, devem mudar seu foco entre a casa ou o rosto.

Neste caso, a variável dependente é a quantidade de ativação registrada entre as condições da imagem, que pode ser convertida na magnitude da mudança de sinal para observar a variação da ativação da linha de base para blocos voltados para o rosto e aqueles centrados na casa.

Embora ambas as imagens sejam apresentadas de forma sobreposta, prevê-se que os padrões de atividade na FFA e no PPA do participante mudarão, com base no item específico a que atenderam. Tais resultados destacariam o controle de atenção baseado em objetos.

Após o recrutamento dos participantes para este estudo, cumpria-os em laboratório e verifique se eles atendem aos requisitos de segurança à medida que completam os formulários de consentimento necessários. Consulte outro projeto de ressonância magnética nesta coleção para obter mais detalhes sobre como preparar indivíduos para entrar na sala de digitalização e furo de imagem.

Com o participante agora no scanner, explique as instruções da tarefa: Primeiro devem visualizar passivamente uma série de imagens na tela. Durante a segunda fase, as instruções de texto os levarão a prestar atenção na casa ou no rosto quando eles aparecerem sobrepostos.

Seguindo essas instruções, inicie o protocolo de digitalização coletando primeiro uma varredura anatômica de alta resolução.

Em seguida, inicie a porção funcional com duas corridas de localizador, onde os participantes visualizam passivamente imagens em blocos de 30 segundos. Por exemplo, no primeiro segmento, display faces, cada um por 750 ms, e uma fixação cruz no meio, durante um intervalo inter-estímulo, ou ISI, de 250 ms.

No final de cada bloco, apresente a cruz de fixação para os 20 anos antes de alternar a série de imagens, que agora devem ser casas. Observe que esta sequência se repete com diferentes imagens cinco vezes, para um total de 10 blocos dentro de uma corrida.

Em seguida, prossiga com oito corridas funcionais da tarefa de controle a atenção. Durante esta fase, instrua os participantes a qual objeto participar via texto na tela e, em seguida, pedale um rosto e casa sobrepostos a cada segundo, com cada execução contendo 300 imagens sobrepostas.

Para concluir o estudo, tire o participante do scanner e interrogá-los.

Para pré-processador dos dados, execute a correção de movimento para reduzir artefatos de movimento, filtragem temporal para remover derivas de sinal e suavização espacial para aumentar a relação sinal-ruído.

Posteriormente, crie um modelo linear geral baseado no que a resposta hemodinâmica esperada deve ser para cada condição de tarefa, seja faces ou casas, na varredura do localizador.

Gere um mapa estatístico encaixando os dados a este modelo, onde o valor em cada voxel representa até que ponto ele estava envolvido na condição de tarefa.

Com base nas regiões de interesse, identifique clusters para cada sujeito com um limiar estatístico mínimo para cada voxel que respondesse tanto a rostos quanto a casas.

Especificamente, concentre-se na FFA, no giro fusiforme médio, que responde significativamente mais aos rostos do que às casas, bem como ao PPA, que inclui todos os voxels no giro parahippocampal que responde mais significativamente às casas do que aos rostos.

Em seguida, quantifique e grafe a porcentagem de mudança de sinal para condições focadas no rosto e na casa na FFA e PPA para cada assunto.

Durante a fase de localização, observe que a FFA bilateral foi mais ativa quando os sujeitos viram rostos em comparação com as casas. Por outro lado, o PPA foi mais ativo quando os sujeitos observaram casas em comparação com rostos.

Agora, a partir das corridas funcionais, use a mesma medida — mudança de sinal por cento — traçada contra as regiões cerebrais.

Quando o rosto foi atendido, o aumento da atividade foi encontrado na FFA, mas não no PPA. Por outro lado, quando a casa estava focada, o aumento da atividade ocorreu no PPA, mas não na FFA. Esses achados indicam que a atividade neural é modulada, dependendo de qual item está sendo atendido.

Agora que você está familiarizado com como usar neuroimagem funcional para estudar controle a atenção baseado em objetos, vamos ver como os pesquisadores estudam outros tipos de processamento acionário.

Além de se concentrar em imagens visuais estáticas, os pesquisadores também estão interessados em como a atividade cerebral é modulada quando os indivíduos atendem a objetos em movimento — especialmente relevantes para operar um veículo motorizado e evitar acidentes.

Por exemplo, se o motorista for orientado a olhar para o movimento — como um cão atravessando a rua — o movimento em si capturará sua atenção; no entanto, eles podem não se lembrar de outros detalhes de identificação sobre o canino. Afinal, é mais importante evitar tragédias do que lembrar a cor da pele.

Outra prática, a atenção plena, incorpora elementos-chave da troca de atenção, incentivando o foco astuto longe de pensamentos mais estressantes. Ao se envolver em meditação liderada por instrutores, os indivíduos têm sido mostrados para melhorar sua capacidade de controlar a atenção, especialmente longe de visões adversas.

No entanto, para indivíduos com transtornos de ansiedade, incluindo estresse pós-traumático, o controle da atenção é mais difícil. Ou seja, eles são tendenciosos em relação a estímulos emocionalmente negativos, como eventos trágicos nas notícias, em vez de histórias neutras.

Tal controle de atenção os torna mais vulneráveis aos efeitos de imagens ameaçadoras — perpetuando situações que eles não parecem sair de suas mentes.

Você acabou de assistir ao vídeo do JoVE sobre como a atenção modula a atividade neural. Agora você deve ter uma boa compreensão de como projetar e conduzir um experimento de controle de atenção usando neuroimagem funcional, e finalmente como analisar e interpretar padrões específicos de atividade cerebral relacionados à atenção baseada em objetos.

Obrigado por assistir!

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Results

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Nos exames localizadores, a FFA bilateral era mais ativa quando os sujeitos estavam vendo rostos do que quando estavam vendo casas. Por outro lado, o PPA era mais ativo quando os sujeitos estavam visualizando casas do que quando estavam vendo rostos(Figura 2). Essas regiões, localizadas através das varreduras de projeto de bloco, foram posteriormente utilizadas como regiões de interesse para extrair sinal relacionado à mudança de atenção para rostos e casas durante as corridas funcionais.

Figure 2
Figura 2. Localizador para a Área Facial Fusiform (FFA) e a Área de Lugar Parahippocampal (PPA). Exemplo de uma única localização de assunto da FFA durante blocos de visualização de rostos e o PPA durante blocos de casas de visualização (topo). O sinal na FFA foi aumentado durante blocos de rostos, mas não casas (azul), e o sinal no PPA foi aumentado durante blocos de casas, mas não rostos (verdes).

Durante as corridas funcionais, onde os participantes simultaneamente viam um rosto e uma casa em seu campo visual direto, a atividade na FFA e PPA era modulada com base em qual item estava sendo atendido. Quando a atenção estava no rosto, houve aumento da atividade na FFA, mas não no PPA. Por outro lado, quando a atenção estava na casa, houve aumento da atividade no PPA, mas não na FFA (Figura 3).

Figure 3
Figura 3. Ativação na Área facial Fusiform (FFA) e na Área de Lugar Parahippocampal (PPA) durante a tarefa de comutação de atenção. Quando a atenção estava na casa (verde), o PPA mostrou maior ativação enquanto a FFA não. Reverso, quando o foco estava no rosto (azul), a FFA mostrou maior ativação enquanto o PPA não.

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Applications and Summary

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O uso de escaneamentos localizadores é uma ferramenta poderosa para neuroimagem cognitiva e tem algumas vantagens distintas sobre a imagem do cérebro inteiro. Ao focar uma hipótese em um pequeno número de locais específicos que têm propriedades de resposta conhecidas, podemos gerar previsões muito específicas com alto poder estatístico. Estudos de neuroimagem em termos de voxel devem controlar as dezenas de milhares de testes estatísticos realizados em todos os locais do cérebro, um processo que reduz o poder estatístico. Além disso, definir essas regiões com base em suas propriedades funcionais em cada indivíduo minimiza os problemas colocados pelas diferenças individuais na neuroanatomia.

Neste exemplo, baseamos nas respostas especializadas de estímulos específicos em sub-regiões do córtex visual para entender como um processo cognitivo mais geral, atenção de cima para baixo, poderia influenciar processos perceptivos. Embora o estímulo na retina tenha sido o mesmo para cada apresentação do item, a atividade cortical variou com base em qual estímulo estava sendo atendido. Isso demonstra que a atenção de cima para baixo tem o potencial de chegar ao córtex sensorial de baixo nível para modular a forma como as informações são processadas. Uma compreensão mais completa de como a atenção modula a ativação no cérebro pode levar a avanços em tratamentos e intervenções para distúrbios relacionados à atenção.

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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.

Transcript

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