Trasferimento di compiti cognitivi Tra Brain Imaging Modalità: Implicazioni per attività di disegno e interpretazione dei risultati in studi fMRI

Summary

Transferring a paradigm with a history of use in EEG experiments to an fMRI experiment is considered. It is demonstrated that manipulating the task demands in the visual oddball task resulted in different patterns of BOLD activation and illustrated how task design is crucial in fMRI experiments.

Abstract

As cognitive neuroscience methods develop, established experimental tasks are used with emerging brain imaging modalities. Here transferring a paradigm (the visual oddball task) with a long history of behavioral and electroencephalography (EEG) experiments to a functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiment is considered. The aims of this paper are to briefly describe fMRI and when its use is appropriate in cognitive neuroscience; illustrate how task design can influence the results of an fMRI experiment, particularly when that task is borrowed from another imaging modality; explain the practical aspects of performing an fMRI experiment. It is demonstrated that manipulating the task demands in the visual oddball task results in different patterns of blood oxygen level dependent (BOLD) activation. The nature of the fMRI BOLD measure means that many brain regions are found to be active in a particular task. Determining the functions of these areas of activation is very much dependent on task design and analysis. The complex nature of many fMRI tasks means that the details of the task and its requirements need careful consideration when interpreting data. The data show that this is particularly important in those tasks relying on a motor response as well as cognitive elements and that covert and overt responses should be considered where possible. Furthermore, the data show that transferring an EEG paradigm to an fMRI experiment needs careful consideration and it cannot be assumed that the same paradigm will work equally well across imaging modalities. It is therefore recommended that the design of an fMRI study is pilot tested behaviorally to establish the effects of interest and then pilot tested in the fMRI environment to ensure appropriate design, implementation and analysis for the effects of interest.

Introduction

Come metodi di neuroscienze cognitive si sviluppano, le attività sperimentali stabilite vengono utilizzati con emergenti modalità di imaging cerebrale. Si tratta di una progressione logica dal momento che la maggior parte delle nozioni neuropsicologiche (ad esempio, la memoria distinta sub-componenti) sono stati studiati nel dominio comportamentale e appropriate attività sperimentali per sondare le funzioni specifiche sono stati sviluppati e testati. Come nuova tecnologia emerge prove per le basi neurali di queste osservazioni comportamentali si chiede con i nuovi metodi di imaging cerebrale. Mentre può essere tentati di attingere semplicemente sui compiti comportamentali ben studiati per studi di imaging, alcuni avvertimenti importanti devono essere prese in considerazione. Una fondamentale, anche se spesso trascurato, che è l'uso della tecnica di imaging più appropriata per sondare ulteriormente le prove comportamentale. In termini di neuroscienze cognitive e della psicologia ci sono molti metodi di imaging cerebrale a disposizione per migliorare la nostra comprensione del activ neuralelità sottostanti concetti di interesse; per esempio elettroencefalografia (EEG), la magnetoencefalografia (MEG), la stimolazione magnetica transcranica (TMS), la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e la tomografia ad emissione di positroni (PET). Tutti questi metodi hanno i loro vantaggi, gli svantaggi e le applicazioni appropriate. Qui il trasferimento di un paradigma con una lunga storia di esperimenti comportamentali e di EEG ad un esperimento fMRI è considerato. EEG è stato utilizzato per decenni per indagare le risposte neurali connessi con i processi percettivi e cognitivi. Come tale, molti paradigmi sono stati sviluppati per l'utilizzo con questo metodo e si sono evoluti nel tempo. La risonanza magnetica funzionale è una tecnica che è emerso più recentemente in neuroscienze cognitive e questo ha portato ad alcuni paradigmi sviluppati nella ricerca EEG essere utilizzati in fMRI. Per costruire sulla base di conoscenze da esperimenti EEG con le nuove tecniche è un passo logico, ma comunque alcuni punti importanti può essere trascurata nel trasferimento. La tecniche di unre molto diverso e le attività devono essere progettati di conseguenza. Questo richiede la conoscenza di come funziona il metodo e, in particolare, come potenziali modulazioni del paradigma utilizzato influenzerà le misure adottate. Per ulteriori informazioni sulla progettazione di esperimenti fMRI il lettore interessato è diretta al seguente link http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Progettazione Task sarà considerata nel contesto di trasferimento di un paradigma sviluppato per la ricerca EEG per l'ambiente fMRI. Gli obiettivi di questo lavoro sono: i) descrivere brevemente fMRI e quando il suo uso è appropriato in neuroscienze cognitive; ii) per illustrare come il design compito può influenzare i risultati di un esperimento fMRI, in particolare quando tale attività è presa in prestito da un'altra modalità di imaging; e iii) per spiegare gli aspetti pratici di esecuzione di un esperimento fMRI.

La risonanza magnetica funzionale è ormai una tecn ampiamente disponibileiQue e come tale è un metodo comune utilizzato in neuroscienze cognitive. Al fine di prendere una decisione se la tecnica è appropriato per un particolare esperimento i vantaggi e gli svantaggi di fMRI devono essere considerati in relazione ad altre tecniche disponibili. Uno svantaggio del metodo è che non è una misura diretta dell'attività neurale, piuttosto è un correlato dell'attività neurale dal fatto che la risposta metabolica (requisito ossigeno) convoluta con la risposta emodinamica. Così la sua risoluzione temporale è povero in confronto a elettrofisiologia, per esempio, dove il segnale elettrico misurato è più vicino alla attività neurale sottostante piuttosto che una risposta metabolica. EEG ha una risoluzione temporale dell'ordine di millisecondi rispetto ad una risoluzione dell'ordine di secondi in fMRI. Tuttavia, il vantaggio principale della fMRI è che la risoluzione spaziale della tecnica è eccellente. Inoltre, è non invasiva e quindi soggetti non devono ingerire sostanze come coagenti ntrast o essere esposti a radiazioni, come sarebbe il caso in tomografia ad emissione di positroni (PET). Pertanto, fMRI è una tecnica adatta per esperimenti di quali regioni del cervello sono coinvolte nella percezione, cognizione e comportamento.

In questo lavoro il paradigma oddball visivo è preso come esempio per il trasferimento di un EEG-task consolidata di fMRI (vedere la Figura 1 per i dettagli). Va notato che le questioni discusse potrebbe anche influenzare i risultati e l'interpretazione dei dati quando vengono utilizzati altri paradigmi e dovrebbe tecnicamente essere considerati nella progettazione di tutti gli esperimenti fMRI. Il paradigma oddball è spesso usato in psicologia e neuroscienze cognitive per valutare l'attenzione e indirizzare prestazioni di rilevamento. Il paradigma è stato sviluppato nella ricerca EEG, in particolare potenziali evento correlati (ERP), per indagare la cosiddetta componente P300 ^1. Il P300 rappresenta il rilevamento di target ed è suscitato dal riconoscimento diun obiettivo frequente stimolo ^1. Il P300 è usato in studi in un certo numero di domini cognitivi e clinici ² ad esempio, i pazienti con schizofrenia e loro parenti ^3, forti fumatori ⁴ e l'invecchiamento della popolazione ^5. Dato che il paradigma oddball (e il P300 suscitato dal paradigma) è robusto ed è anche modulata da diversi stati di malattia, il suo trasferimento tra le varie modalità di imaging era inevitabile.

L'attivazione diffusa visto nel cervello durante una misurazione stravagante fMRI è conosciuto per essere il risultato di molteplici funzioni cognitive, come dimostrato da numerosi studi fMRI sondare altri concetti cognitivi. Questa natura diffusa del modello di attivazione rende difficile determinare quali regioni cerebrali sono più (o meno) attiva a causa delle manipolazioni di attività specifici o differenze di gruppo che lo sperimentatore è interessato a. In particolare, non è certo se le differenze osservate in actizione sono legati alla rilevazione stessa destinazione, per i processi di attenzione correlati, o se sono legati ad altre richieste del compito, come i processi di memoria di lavoro in corso o processi relativi alla produzione di una risposta motoria. Il processo di funzione assegnazione alle attività misurata è più facile nel dominio EEG in cui la componente cognitiva di interesse (rilevamento di target) è misurata in chiaro risposta cerebrale al compito stravagante (P300). Tuttavia, neuroscienziati tendono a interpretare i loro risultati a favore della loro ipotesi e sperimentazione, piuttosto che mettere nello sforzo per escludere spiegazioni alternative. La maggior parte degli esperimenti, tuttavia, non saranno in grado di risolvere queste importanti questioni intrinsecamente – tempo di scansione è costoso – è per questo che sosteniamo per la pianificazione accurata e test pilota di paradigmi.

Oltre a questa difficoltà nello stabilire un legame diretto tra le regioni del cervello e le componenti cognitive, la natura del paradigma oddball anchepresenta altri problemi metodologici possibili quando viene trasferito a fMRI. Per esempio, il rilevamento di uno stimolo bersaglio è solitamente indicata premendo un pulsante di risposta. In questo modo lo sperimentatore per registrare la precisione e la velocità di risposta, ma questa risposta può anche avere un impatto sulla risposta BOLD fMRI agli stimoli bersaglio. L'azione del motore necessaria per gli impatti Premere il pulsante sul stimolo-locked attivazione fMRI dato che succede solo a poche centinaia di millisecondi dopo la presentazione dello stimolo bersaglio. Questo può anche influenzare l'interpretazione di tale attivazione, per esempio, le regioni cerebrali coinvolte nella preparazione per la risposta del motore potrebbe erroneamente supporre di essere coinvolti nella rilevazione dello stimolo bersaglio, e viceversa. Ciò ha portato a modifiche metodologiche per cui, sono adottate misure indirette di rilevamento di target, non basandosi sulle risposte motorie. Ad esempio, contando stimoli bersaglio è stato proposto ^{il 6} come un modo per assicurarsi che i soggetti mantengono attentisul sul compito; il numero di prove perso può indicare come distratto un soggetto era. Segnalazione il numero di stimoli contati alla fine del compito significa anche che lo sperimentatore può verificare se il soggetto ha eseguito l'operazione correttamente. Una terza alternativa è quella di utilizzare un disegno un'attività completamente passiva in cui il soggetto è dato istruzioni su come rispondere e la novità di uno stimolo target è costituita suscitare di per sé una risposta di rilevazione simile a bersaglio. Nonostante queste versioni del compito utilizzando lo stesso tipo di stimoli e di progettazione di base, il pattern di attivazione derivante da ogni variazione del compito sarà diverso, perché le esigenze cognitive e motorie dei compiti sono diversi ^7,8. Ad esempio, ci saranno processi di memoria di lavoro coinvolti nel conteggio stimoli bersaglio ad esempio, tenendo il numero attuale di stimoli bersaglio in mente, che non saranno necessari durante la visione passiva. Qui questi 3 versioni del compito stravagante, passivi, contare, unnd rispondono vengono utilizzati per dimostrare come un'attenta progettazione delle applicazioni e l'attuazione può spiegare questi cambiamenti nei requisiti delle attività e consentire l'interpretazione appropriata dei risultati.

Protocol

NOTA: Il protocollo di studio è stato approvato dai soggetti umani locali recensione di società presso la RWTH Aachen University ed è stata effettuata in conformità con la Dichiarazione di Helsinki. 1 Task design Scegliere un compito appropriato per indagare la / costrutto psicologico cognitivo di interesse. Utilizzare il compito stravagante visiva (Figura 1) per misurare le risposte di rilevazione target e gli effetti dell'attenzione sul rilevamento di ta…

Representative Results

Il metodo di stimolazione e di analisi ha suscitato l'attivazione BOLD nelle regioni del cervello associate a un compito oddball visivo. Il target> contrasto non bersaglio non ha rivelato di attivazione per la condizione passiva, ma ha rivelato di attivazione sia nel conteggio e rispondere (Figura 3). I dati presentati in Figura 3 è un confronto qualitativo del conteggio e rispondono condizioni e mostra come gli schemi di attivazione sarebbero se ogni versione del compito è sta…

Discussion

Mostriamo che manipolando il compito esige nei visive risultati dell'attività stravaganti in diversi pattern di attivazione BOLD nel conteggio e rispondere condizioni. I ruoli funzionali di alcune delle regioni implicate in ogni condizione sarebbe stata impropriamente assegnati avevano dati delle tre versioni del compito non è stato disponibile per il confronto. Questa ambiguità di interpretazione dei dati non sarebbe stato necessariamente il caso nel campo EEG P300 dove l'attività ha la su…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Magnetom Tim Trio 3T MRI scanner	Siemens Medical Solutions, Erlangen, Germany
Presentation version 14.8	Neurobehavioural system, Albany, CA, USA
Lumitouch device	Photon Control Inc, Burnaby, BC, Canada		This device is no longer produced by the manufacturer. Alternative MR compatible response devices are available
TFT display	Apple, Cupertino, CA, USA	30inch cinema display	The screen was custom modified in-house to be MR compatible. However, a number of MR compatible screens are available on the market
optseq		surfer.nmr.mgh.harvard.edu/optseq	program for determining optimal stimulus timing for rapid event related designs
FMRIB software library (FSL)	FMRIB, Oxford	http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/	Other software tools are available for analysing fMRI data, for example SPM, AFNI and Brain Voyager