En metode til undersøgelse Aldersrelaterede Forskelle i Funktionel Connectivity af kognitiv kontrol Networks associeret med Dimensional Change Card Sorter Ydelse

Summary

Denne video præsenterer en metode til at undersøge aldersrelaterede ændringer i funktionel konnektivitet af kognitive kontrol netværk engageret af målrettede opgaver / processer. Teknikken er baseret på multi-variate analyse af fMRI data.

Abstract

Evnen til at tilpasse adfærd til pludselige ændringer i miljøet udvikler sig gradvist i barndommen og ungdommen. For eksempel i Dimensional Change Card Sorter opgave, deltagerne skifte fra sortering kortene én måde, som form, at sortere dem på en anden måde, såsom farve. Justering adfærd på denne måde exacts en lille præstation omkostninger, eller skifte omkostninger, således at svarene er typisk langsommere og mere fejlbehæftet på switch forsøg, hvor ændringer sorteringsregel sammenlignet at gentage forsøg, hvor sortering regel forbliver den samme. Evnen til fleksibelt at tilpasse adfærd er ofte siges at udvikle sig gradvist, delvis fordi adfærdsmæssige omkostninger såsom switch omkostningerne typisk falder med stigende alder. Hvorfor aspekter af højere orden kognition, såsom adfærdsmæssige fleksibilitet, udvikle sig, så efterhånden er et åbent spørgsmål. En hypotese er, at disse ændringer sker i forbindelse med funktionelle ændringer i bred skala kognitiv kontrol netværk. På dette synspunkt,komplekse mentale operationer, såsom switching, involvere hurtige vekselvirkninger mellem flere distribuerede områder af hjernen, herunder dem, opdatere og vedligeholde opgave regler nyorientere opmærksomhed og vælge adfærd. Med udvikling, funktionelle forbindelser mellem disse regioner styrker, hvilket fører til hurtigere og mere effektiv og frakoblinger. Den aktuelle video beskriver en metode til at teste denne hypotese gennem indsamling og multivariate analyse af fMRI data fra deltagere i forskellige aldre.

Introduction

Evnen til at regulere adfærd udvikler sig gradvist i barndommen og ungdommen (for gennemgang, se Diamond ^1). I Dimensional Change Card Sorter opgave, for eksempel, deltagerne skifte fra sortering kortene én måde, som form, at sortere dem på en anden måde, såsom farve ² (se figur 2). Switching exacts en lille præstation omkostninger, eller skifte omkostninger, således at svarene er typisk langsommere og mere fejlbehæftet på switch forsøg, hvor ændringer sorteringsregel sammenlignet at gentage forsøg, hvor sortering regel forbliver den samme ^3. Størrelsen af disse omkostninger typisk får mindre som børnene bliver ældre ^4, der illustrerer, at kapaciteten for adfærdsregulering undergår fortsat udvikling tidligt i livet.

Fordi komplekse mentale operationer, såsom switching, involvere hurtige samspil mellem flere områder af hjernen ^5, er der voksende interesse i relating udviklingen af højere orden kognition til ændringer i den funktionelle organisation bred skala kortikale netværk ^6.

En metode til at undersøge udviklingsmæssige ændringer i bred skala netværk er gennem brug af frø-baserede funktionel konnektivitet analyse ^6,7. Det første skridt i denne teknik er at rådføre sig med tilgængelige forskningslitteratur og definere a priori regioner af interesse, eller ROIs, der synes at være relevante for den pågældende adfærd. Disse ROI'er eller knudepunkter, definerer grundskelet af netværket. Dernæst lavfrekvente svingninger i aktiviteten (eller T2 *-vægtede signal intensitet) i disse ROIs måles i 5 til 10 minutter, mens deltagerne er i hvile i en MR-scanner. Funktionel konnektivitet mellem to knudepunkter i nettet derefter kvantificeres som korrelationen mellem deres respektive tidsforløb. Nodes, der er stærkt forbundet funktionelt bør have ens, og derfor stærkt korreleret, signaltidsforløb. På den anden side bør noder, der er svagt forbundet funktionelt have forskellig og dermed svagt korreleret, signalerer tidsforløbet. For at fuldføre en model af netværket, kanter (eller links) trukket mellem knudepunkter, hvis tid kurser korrelerer over en valgt tærskel. Kan gennemføres test for aldersbetingede forskelle i funktionel konnektivitet inden for et netværk på en enkelt node-til-node-forbindelse, eller om topologi af det samlede sæt af knuder og kanter. Disse forskelle i funktionelle tilslutningsmuligheder kan derefter relateret til foranstaltninger af kognitiv præstation indsamlet offline.

I dette papir, er en anden fremgangsmåde, der er beskrevet, der er baseret på gruppearbejde uafhængig komponent analyse af task-baserede fMRI data ^8. Komponent analyse (eller ICA) er en statistisk procedure for blindt at afsløre skjulte kilder bag et sæt observationer sådan, at de åbenbarede kilder er maksimalt uafhængige. Bruges til analyse af fMRI data pROCEDURE antager, at hver enhed er en blanding af et begrænset antal rumligt uafhængige kilder. Ved hjælp af en af ​​en række forskellige algoritmer, såsom Infomax algoritme ICA derefter estimerer en unmixing matrix, som når de anvendes til de oprindelige data giver et sæt af maksimalt uafhængige kilder eller komponenter. Hver komponent kan opfattes som et netværk, for så vidt som det består af et sæt voxels, der deler en fælles tidsforløb. Group ICA er en særlig form for ICA, hvor et fælles sæt af tilknyttede komponenter først estimeret ud fra et helt datasæt, og derefter deltager-specifikke sæt af gruppens komponenter beregnes på en back-rekonstruktion trin. Når en hel datasæt nedbrydes til et sæt af komponenter, er det næste skridt er at kassere kunstig komponenter, der repræsenterer støjkilder og identificere teoretisk meningsfulde komponenter, der svarer til netværk af interesse. Dette kan opnås enten ved modellering komponent tidsforløb i forbindelse med en GLM til IDEntify netværk, der aktiverer på en forudsagt måde, rumligt korrelerende komponenter med en skabelon af et netværk af interesse, eller begge dele. Den resulterende sæt af komponenter kan så blive forelagt for en gruppe sammenligning at teste for eventuelle aldersrelaterede forskelle i funktionel konnektivitet i teoretisk interessante netværk ^7,9,10.

Studere aldersrelaterede ændringer i funktionel konnektivitet gennem anvendelse af gruppen ICA til task-baseret fMRI data har flere fordele i forhold til anvendelse af frø-baserede teknikker til at hvile-state fMRI data. Først, i modsætning til frø-baserede teknikker, der fokuserer på et lille sæt af a priori definerede ROIs, den aktuelle gruppe ICA tilgang udnytter alle voxel omfatter en række volumetrisk tid. Dette mindsker mulighederne for bias, som nødvendigvis opstår, når en lille gruppe af frø udvælges a priori som områder af interesse. For det andet, at anvende funktionel konnektivitet analyse (ICA-baseret eller på anden måde) til opgave-snarere end at hvile-state fMRI data har den fordel, at nettet organisation og netværk funktion, der skal mere direkte forbundet. Hvis, for eksempel, er en prioritet at undersøge de kognitive eller adfærdsmæssige konsekvenser af funktionel konnektivitet (såsom variation i DCCS ydeevne), er det vigtigt at vise, at netværket af interesse er forbundet med opgaveløsningen. Med hvile-state-protokoller, er det meget vanskeligt, fordi forskeren ikke har nogen registrering af eventuelle kognitive, adfærdsmæssige eller affektive tilstande opleves af deltageren under dataopsamling. Det er derfor umuligt at give direkte bevis for, at ethvert net af interesse er relevant for opgaveløsningen. Derimod når funktionel konnektivitet analyse, som ICA, der anvendes til opgaven-data, er det muligt at bekræfte, at netværket af interesse på mindst er forbundet med udførelsen af ​​en opgave. Endelig ICA er mindre udsat for den negative påvirkning af støj. Støjkilder, såsom dem forbundet with emne bevægelse og hjerterytmen, har unikke spatio-temporale profiler. Derfor, i forbindelse med en gruppe ICA, disse kilder isoleres og tildeles særskilte komponenter, forlader resterende komponenter relativt fri for disse uønskede kilder varians. Fordi frø-baserede analyser anvender rå tidsforløb i estimering af funktionelle tilslutningsmuligheder, og tidsforløb er, per definition, blandinger af neurofysiologiske signal og kunstig støj, gruppe forskelle i funktionelle tilslutningsmuligheder skøn kan afspejle sande gruppe forskelle i den underliggende neurofysiologi, gruppe forskelle i strukturen af støj eller begge ^11.

Protocol

1.. Få godkendt Arbejde med personmotiver 2.. FMRI Data Acquisition Anskaf fMRI data efter procedurer egnet til små børn (se Raschle, et al. 12). Gøre alt for at begrænse eventuelle aldersrelaterede forskelle i opgavevaretagelsen og bevægelse, da disse forskelle introducere uønskede confounds der begrænser ens evne til at drage slutninger om udviklingsmæssigt relevante forskelle i hjernens aktivering og funktionelle tilslutningsmuligheder. Bemærk…

Representative Results

Group ICA, selv på en forholdsvis lille fMRI datasæt, vil vende tilbage et sæt af komponenter svarende til dem observeret i andre studier. Figur 4 er en sammenlægning af 5 sådanne komponenter og deres tilknyttede tidsforløb ublandede fra en prøve af 12 børn og 13 voksne med ca 800 volumener per deltager. Som vist i figur 4, standardtilstand, fronto-parietal kan cingulo-ø, og visuel netværk let ses fra resultaterne af denne nedbrydning. Samt, mærke hvor let det er at skelne bl…

Discussion

Højere ordens mentale operationer, såsom muligheden for at skifte sortering regler udvikler sig hurtigt igennem hele barndommen og ungdomsårene. Fordi disse mentale operationer omfatte vekselvirkninger mellem flere distribuerede områder af hjernen, der er stigende interesse i at udforske forholdet mellem udviklingen af ​​højere orden kognition og aldersrelaterede ændringer i organiseringen af ​​en bred skala kortikale netværk. Vi præsenterer en metode baseret på gruppe uafhængig komponent analyse anven…

Materials

Name of equipment	Company	Catalog Number	Comments (optional)
SPM8	The MathWorks, Inc.	R2013a