En metode for å undersøke Aldersrelaterte Forskjeller i Funksjonell Tilkobling av kognitiv kontroll Networks Associated med Dimensional Endre kort Sorter Ytelse

Summary

Denne videoen presenterer en metode for å undersøke aldersrelaterte endringer i funksjonell tilkobling av kognitive kontrollnettverk som driver med målrettede oppgaver / prosesser. Teknikken er basert på multi-variate analyse av fMRI data.

Abstract

Muligheten til å justere atferden til plutselige endringer i miljøet utvikler seg gradvis i barndommen og ungdomsårene. For eksempel, i den dimensjonsendringer kort Sortering oppgave, deltakerne bytte fra sortering av kort på en måte, slik som formen, for å sortere dem på en annen måte, for eksempel farge. Justering av atferd på denne måten exacts en liten forestilling kostnad, eller bryter kostnader, slik at svarene er vanligvis tregere og mer utsatt for feil på bryter studier der sortering regelendringer i forhold til gjenta forsøk der sorteringsregelen forblir den samme. Muligheten til å fleksibelt tilpasse atferden er ofte sagt å utvikle seg gradvis, delvis fordi atferds kostnader som svitsj koster vanligvis ned med økende alder. Hvorfor aspekter av høyere orden kognisjon, som for eksempel atferds fleksibilitet, utvikle det gradvis er fortsatt et åpent spørsmål. En hypotese er at disse endringene skjer i forbindelse med funksjonelle endringer i bred skala kognitiv kontroll nettverk. På dette synet,komplekse mentale operasjoner, som for eksempel veksling, innebærer raske interaksjoner mellom flere distribuerte hjernen regioner, inkludert de som oppdatering og vedlikeholde oppgave regler, reorientere oppmerksomhet, og velger atferd. Med utvikling, funksjonelle sammenhenger mellom disse regionene styrke, noe som fører til raskere og mer effektiv sjalteoperasjoner. Den aktuelle videoen beskriver en metode for å teste denne hypotesen gjennom innsamling og multivariat analyse av fMRI data fra deltakerne i ulike aldre.

Introduction

Evnen til å regulere atferd utvikles gradvis i barndommen og ungdomsårene (for gjennomgang, se Diamond ^1). I dimensjonsendringer kort Sortering oppgaven, for eksempel, deltakerne bytte fra sorterings kort på en måte, slik som formen, for å sortere dem på en annen måte, for eksempel farge ² (se figur 2). Switching exacts en liten forestilling kostnad, eller bryter kostnadene, slik at svarene er vanligvis tregere og mer utsatt for feil på bryter studier der sortering regelendringer som i forhold til å gjenta forsøk der sorteringsregelen forblir den samme ^tre. Størrelsen av disse kostnadene vanligvis blir mindre barn som blir eldre ^4, som illustrerer det faktum at kapasiteten for atferds regulering gjennomgår fortsatt utvikling tidlig i livet.

Fordi komplekse mentale operasjoner, som for eksempel veksling, innebærer raske samhandling mellom flere områder av hjernen ^fem, er det økende interesse for relativtng utvikling av høyere orden erkjennelse til endringer i funksjonelle organiseringen av bred skala kortikale nett ^6.

En fremgangsmåte for å undersøke utviklingsmessige forandring i bred skala nettverk er gjennom bruk av frø baserte funksjonelle tilkoblings analyse ^6,7. Det første trinnet i denne teknikken er å konsultere med tilgjengelig forskningslitteratur og definere a priori regioner av interesse, eller ROIs, som synes å være relevant for oppførsel i spørsmålet. Disse ROIs, eller noder, definere de grunnleggende skjelett av nettverket. Neste, lavfrekvente svingninger i aktivitet (eller T2 *-vektet signal intensitet) i disse ROIs er målt i 5 til 10 min mens deltakerne er i ro i en MR-skanner. Funksjonell tilkobling mellom to noder i nettverket blir deretter kvantifisert som korrelasjonen av sine respektive tids kurs. Noder som er sterkt knyttet funksjonelt bør ha lik, og dermed høyt korrelert, signaltid kurs. På den annen side bør noder som er svakt koblet funksjonelt ha ulik og dermed svakt korrelerte, signal tid kurs. For å fullføre en modell av nettverket, blir kantene (eller koblinger) trekkes mellom noder hvis tid kurs korrelerer over en gitt terskel. Tester for aldersrelaterte forskjellig funksjonell tilkobling innenfor et nett kan bli utført på hvilken som helst enkelt node-til-node-forbindelse, eller på topologien av hele settet med noder og kanter. Disse forskjellene i funksjonell tilkobling kan da være knyttet til tiltak av kognitiv ytelse samlet offline.

I dette papiret, er en annen tilnærming beskrevet som er basert på gruppe uavhengig komponent analyse av oppgavebaserte fMRI data ^åtte. Uavhengig komponent analyse (eller ICA) er en statistisk prosedyre for blindt å avsløre skjulte kilder som ligger til grunn et sett av observasjoner slik at de avslørte kilder er maksimalt uavhengig. Brukt til analyse av fMRI data, procedure forutsetter at hvert volum er en blanding av et endelig antall romlig-uavhengige kilder. Ved hjelp av en av en rekke forskjellige algoritmer, som for eksempel Infomax algoritmen, ICA anslår deretter en unmixing matrise, som når de anvendes på de opprinnelige dataene gir et sett med maksimalt uavhengige kilder, eller komponenter. Hver komponent kan betraktes som et nettverk, for så vidt som det består av et sett av voksler som deler en felles tidsforløp. Gruppe ICA er en bestemt type av ICA hvor et felles sett med gruppe-komponenter blir først beregnet ut fra et helt datasett, og deretter deltakerspesifikke sett av gruppe komponentene blir beregnet i et back-gjenoppbyggingstrinn. Når en hel datasettet er delt inn i et sett av komponenter, er neste skritt å forkaste artifactual komponenter som representerer støykilder, og identifisere teoretisk meningsfulle komponenter som samsvarer med nettverk av interesse. Dette kan oppnås enten ved modellering komponent tid kurs i sammenheng med en GLM til IDEntify nettverk som aktiverer en predikert måte, rommessig korrelering av komponenter med en mal av et nettverk av interesse, eller begge deler. Den resulterende sett av komponenter kan deretter sendes til en gruppe sammenligning for å teste for eventuelle aldersrelaterte forskjeller i funksjonelle tilkoblingsmuligheter innenfor teoretisk interessante nettverk ^7,9,10.

Studerer aldersrelaterte endringer i funksjonell tilkobling gjennom anvendelse av gruppen ICA til oppgavebaserte fMRI data har flere fordeler i forhold til anvendelsen av frø-baserte teknikker for å hvile-statlige fMRI data. Først, i motsetning til frø-baserte teknikker som fokuserer på et lite sett med a priori definert Rois, utnytter den aktuelle gruppen ICA tilnærming alle vokslene som utgjør en volumetrisk tidsserier. Dette reduserer mulighetene for skjevhet som nødvendigvis oppstår når en liten gruppe av frø er valgt a priori som regioner av interesse. For det andre, å anvende funksjonell tilkobling analyse (ICA-basert eller annet) til oppgave-snarere enn hvile-state fMRI data har fordelen av å la nettverksorganisasjon og nettverksfunksjon for å bli mer direkte forbundet. Hvis, for eksempel, å undersøke kognitive eller atferdsmessige implikasjoner av funksjonell tilkobling (for eksempel variasjon i DCCS ytelse) er en prioritet, er det viktig å vise at nettverket av interesse er knyttet til utførelsen av oppgaver. Med hvile-statlige protokoller, er dette svært vanskelig fordi forskeren har ingen oversikt over eventuelle kognitive, atferdsmessige eller affektive tilstander oppleves av deltakeren under datainnsamling. Det er derfor umulig å gi direkte bevis for at noen nettverk av interesse er relevant for utførelsen av oppgaver. Derimot, når det funksjonelle tilkoblings analyse, slik som ICA, påtrykkes oppgavedata, er det mulig å få bekreftet at nettverket av interesse er i det minste i forbindelse med utførelsen av en oppgave. Endelig er ICA mindre utsatt for den negative påvirkning av støy. Støykilder, slik som de som er forbundet with bevegelser i motivet og hjerterytmen, har unike spatio-temporal profiler. Derfor, i forbindelse med en gruppe ICA, er disse kilder isolert og tilordnet separate komponenter, slik at de resterende komponenter relativt fri for disse uønskede kilder til varians. Fordi frø-baserte analyser bruke rå tid kurs i beregningen av funksjonelle tilkoblingsmuligheter, og tid kurs er, per definisjon, blandinger av nevrofysiologiske signal og kunstig støy, gruppeforskjeller i funksjonelle tilkoblings estimater kan reflektere sann gruppeforskjeller i underliggende nevrofysiologi, gruppeforskjeller strukturen av støy, eller begge deler ^11..

Protocol

En. Få godkjent Arbeide med av mennesker 2. FMRI Data Acquisition Acquire fMRI data i henhold til prosedyrene som er egnet for små barn (se Raschle, et al. 12). Gjør alt for å begrense mulige aldersrelaterte forskjeller i oppgaver og i bevegelse, som disse forskjellene introdusere uønskede confounds som begrenser ens evne til å trekke slutninger om utviklingshemmede-relevante forskjeller i hjerneaktivitet og funksjonell tilkobling. Merk: I den aktuel…

Representative Results

Gruppe ICA, selv på en forholdsvis liten fmri datasett, returnerer et sett av komponenter som er sammenlignbare med de som ble observert i andre studier. Figur 4 er en overlagring av 5 slike komponenter og deres tilhørende tids kurs ublandede fra en prøve av 12 barn og 13 voksne , med ca 800 bind per deltaker. Som vist i figur 4, default mode, fronto-parietal kan cingulo-ien og visuell nett lett sees fra resultatene av denne spaltning. I tillegg, legge merke til hvor lett det er å s…

Discussion

Høyere orden mentale operasjoner, som for eksempel muligheten til å bytte sorteringsreglene, utvikler seg raskt gjennom hele barndommen og ungdomsårene. Fordi disse mentale operasjoner involverer samhandling mellom flere distribuerte områder av hjernen, er det økende interesse for å utforske forholdet mellom utviklingen av høyere orden kognisjon og aldersrelaterte endringer i organiseringen av bred skala kortikale nettverk. Vi presenterer en metode basert på gruppe uavhengig komponent analyse brukes til oppgaveb…

Materials

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