Het overbrengen van cognitieve taken tussen Brain beeldvorming: implicaties voor de taak een ontwerp en Interpretatie van resultaten in fMRI Studies

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

Cognitieve neurowetenschappen methoden te ontwikkelen, zijn gevestigd experimentele taken gebruikt met opkomende brain imaging modaliteiten. Dit is een logische ontwikkeling aangezien de meeste neuropsychologische concepten (bijvoorbeeld verschillende geheugen subcomponenten) zijn onderzocht in de gedrags domein en geschikte experimentele taken sonderen specifieke functies ontwikkeld en getest. Als nieuwe technologie ontstaat bewijs voor de neurale onderbouwing van deze gedragsobservaties wordt gezocht bij de nieuwe brain imaging methoden. Hoewel het misschien verleidelijk om gewoon gebruik maken van goed bestudeerde gedragstaken voor imaging studies, een aantal belangrijke kanttekeningen in aanmerking te worden genomen. Een cruciaal, maar vaak verwaarloosd overweging is het gebruik van de meest geschikte beeldvormingstechniek de gedrags bewijsstukken verder onderzoeken. In termen van de cognitieve neurowetenschap en psychologie zijn er veel brain imaging methoden beschikbaar zijn voor ons begrip van de neurale activ verbeterenteit onderliggende concepten van belang; bijvoorbeeld elektro-encefalogram (EEG), magneto (MEG), transcraniële magnetische stimulatie (TMS), functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) en positron emissie tomografie (PET). Al deze methoden hebben hun voordelen, nadelen en geschikte toepassingen. Hier het overbrengen van een paradigma met een lange geschiedenis van gedrags-en EEG-experimenten aan een fMRI experiment wordt beschouwd. EEG is gebruikt voor decennia om neurale reacties geassocieerd met perceptuele en cognitieve processen te onderzoeken. Als zodanig zijn veel paradigma ontwikkeld voor gebruik met deze methode en mettertijd gegroeid. Functionele MRI is een techniek die meer recent in de cognitieve neurowetenschappen gekomen en dit heeft geleid tot een aantal paradigma's ontwikkeld in het EEG onderzoek wordt gebruikt in fMRI. Voort te bouwen op de kennis van het EEG-experimenten met de nieuwe technieken is een logische stap, maar toch een aantal belangrijke punten kan worden verwaarloosd in de overdracht. De technieken eenweer heel anders en taken moeten dienovereenkomstig worden ontworpen. Dit vereist kennis van hoe de methode werkt en, in het bijzonder, hoe potentiële modulaties van het paradigma gebruikt zullen de genomen maatregelen beïnvloeden. Voor meer informatie over het ontwerp van fMRI experimenten de geïnteresseerde lezer wordt doorverwezen naar de volgende link http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Taak ontwerp zal worden bezien in het kader van de overdracht van een paradigma ontwikkeld voor EEG onderzoek naar de fMRI-omgeving. De doelstellingen van dit document zijn: i) een korte uiteenzetting fMRI en wanneer het gebruik daarvan geschikt is in de cognitieve neurowetenschappen; ii) om te illustreren hoe de taak het ontwerp van de resultaten van een fMRI experiment, in het bijzonder wanneer die taak is geleend van andere beeldvormende modaliteit kunnen beïnvloeden; en iii) de praktische aspecten van het uitvoeren van een fMRI experiment verklaren.

Functionele MRI is nu een grote schaal beschikbaar technique en als zodanig is een veel voorkomende methode die wordt gebruikt in de cognitieve neurowetenschappen. Om een ​​beslissing te nemen over de vraag of de techniek geschikt is voor een bepaald experiment de voordelen en nadelen van fMRI moet worden beschouwd in relatie tot andere beschikbare technieken. Een nadeel van de methode is dat het niet een directe maat van neurale activiteit, het is eerder een correlaat van neurale activiteit in de metabole respons (zuurstofbehoefte) geconvolueerd met de hemodynamische respons. Aldus zijn tijdelijke resolutie slecht in vergelijking met elektrofysiologie, bijvoorbeeld wanneer de gemeten elektrische signaal dichter bij de onderliggende neurale activiteit in plaats van een metabole respons. EEG een tijdsresolutie in de orde van milliseconden vergeleken met een resolutie in de orde van seconden fMRI. Echter, het belangrijkste voordeel van fMRI is dat de ruimtelijke resolutie van de techniek is uitstekend. Bovendien is noninvasive en derhalve onderwerpen geen stoffen als co innemenntrast middelen of wordt blootgesteld aan straling zoals het geval in positron emissie tomografie (PET) is. Daarom fMRI is een geschikte techniek voor experimenten die hersengebieden die zijn betrokken bij perceptie, cognitie en gedrag.

In dit artikel worden de visuele excentrieke paradigma wordt genomen als een voorbeeld voor de overdracht van een gevestigde EEG-taak om fMRI (zie Figuur 1 voor details). Opgemerkt wordt dat de besproken kan ook uitslagen en interpretatie van gegevens beïnvloeden wanneer andere paradigma worden gebruikt en moeten technisch gezien in het ontwerp van alle fMRI experimenten. De excentrieke paradigma wordt vaak gebruikt in de psychologie en cognitieve neurowetenschap om aandacht te beoordelen en te richten op detectie prestaties. Het paradigma werd ontwikkeld EEG onderzoek, specifiek event related potentials (ERP), onderzoeken van de zogenaamde P300 component ^1. De P300 vertegenwoordigt doeldetectie en wordt opgewekt bij herkenning vanniet frequent doelwit stimulus ^1. De P300 wordt gebruikt in studies over een aantal cognitieve en klinische domeinen ² bijvoorbeeld patiënten met schizofrenie en hun familieleden ^3, zware rokers ⁴ en de vergrijzing van de bevolking ^5. Gezien het feit dat de excentrieke paradigma (en de P300 uitgelokt door het paradigma) is robuust en wordt ook gemoduleerd door verschillende ziektebeelden, de overdracht tussen verschillende beeldvormende modaliteiten was onvermijdelijk.

De wijdverspreide activatie gezien in de hersenen tijdens een excentriek fMRI meting waarover de resultaten van meerdere cognitieve functies, zoals blijkt uit talrijke studies fMRI aftasten andere cognitieve concepten. Deze algemene aard van de activatie patroon maakt het moeilijk om te bepalen welke hersengebieden meer (of minder) gezien wegens de specifieke taak manipulaties of groepsverschillen dat de onderzoeker is geïnteresseerd. Concreet is het niet zeker of waargenomen verschillen in activatie zijn aan detectie zich richten, aandacht gerelateerde processen, of dat ze gerelateerd zijn aan andere haar eisen zoals vast werkgeheugen processen of werkwijzen voor de productie van een motorische respons. Het proces van het geven functie om de gemeten activiteit gemakkelijker in het EEG domein waarin de cognitieve component plaats (target detectie) wordt gemeten in duidelijke cerebrale reactie op de excentrieke taak (P300). Toch neurowetenschappers hebben de neiging om hun bevindingen te interpreteren in het voordeel van hun eigen hypothese en experiment, in plaats van de invoering van de inspanning uit te sluiten alternatieve verklaringen. De meeste experimenten, zal echter niet in staat zijn om inherent oplossen van deze belangrijke vragen – scantijd is kostbaar – en dat is de reden waarom we pleiten voor een grondige planning en pilot-testen van paradigma's.

Naast dit probleem in de oprichting van een direct verband tussen hersengebieden en cognitieve componenten, de aard van de excentrieke paradigma ookpresenteert andere mogelijke methodologische problemen bij het overladen naar fMRI. Bijvoorbeeld, wordt de detectie van een doelwit stimulus meestal aangeduid door op een antwoord toets. Hierdoor kan de onderzoeker om de nauwkeurigheid en de snelheid van de reacties op te nemen, maar deze reactie kan ook van invloed zijn op de fMRI BOLD respons op stimuli te richten. De motor actie nodig is voor de druk op de knop effecten op-stimulus opgesloten fMRI activering gezien het feit dat het gebeurt slechts een paar honderd milliseconden na de presentatie van de stimulus. Dit kan ook invloed hebben op de interpretatie van die activering, bijvoorbeeld hersengebieden die betrokken zijn bij de voorbereiding van de motorische respons zou ten onrechte worden verondersteld betrokken te zijn bij het opsporen van de stimulus, en vice versa. Dit heeft geleid tot methodologische aanpassingen waardoor indirecte maatregelen van target detectie, niet met een beroep op de motorische respons, worden genomen. Bijvoorbeeld, het tellen doel stimuli is voorgesteld ⁶ als een manier om ervoor te zorgen dat onderwerpen behouden attentiop de taak; het aantal proeven gemist kan aangeven hoe onoplettend een onderwerp was. Rapportage het aantal stimuli geteld aan het einde van de taak betekent ook dat de experimentator kan controleren of het onderwerp uitgevoerd voor het correct. Een derde alternatief is om een ​​volledig passieve taak ontwerp waar het onderwerp wordt gegeven geen instructies over hoe om te reageren en de nieuwheid van een stimulus wordt aangenomen dat inherent ontlokken een doel detectie-achtige reactie te gebruiken. Ondanks deze versies van de taak met dezelfde soort stimuli en basisontwerp, zal de activatie patroon als gevolg van een variatie van de taak verschillend zijn vanwege de cognitieve en motorische eisen van de taken verschillend ^7,8. Zo zullen er werkgeheugen processen voor het tellen doel stimuli bijvoorbeeld, die het huidige aantal gerichte stimuli in gedachten, die tijdens passieve-bediening nodig. Hier worden deze 3 uitvoeringen van de excentriek taak passief, telling, eennd reageren worden gebruikt om te tonen hoe voorzichtig taak ontwerp en implementatie kan verklaren deze veranderingen in taakvereisten en laat correcte interpretatie van de resultaten.

Protocol

OPMERKING: Het studieprotocol werd goedgekeurd door de lokale Human onderwerpen Review Board aan de RWTH Aachen University en werd uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki uitgevoerd. 1 Opdracht Ontwerp Kies een geschikte taak om de cognitieve / psychische constructie van belang te onderzoeken. Gebruik de visuele excentrieke taak (Figuur 1) tot target detectie reacties en de effecten van aandacht doeldetectie meten. Dit maakt onderzoek naar de …

Representative Results

Het stimuleren en analysemethode ontlokte BOLD activatie in hersengebieden die geassocieerd met een visuele excentrieke taak. Het doel> non-target contrast liet geen activering voor de passieve toestand waren, maar wees activering in zowel de graaf en reageren (figuur 3). De in figuur 3 gegevens een kwalitatieve vergelijking van de graaf en reageren omstandigheden en laat zien hoe de activering patronen zouden, als elke versie van de opdracht werd uitgevoerd in isolement. <p clas…

Discussion

We laten zien dat het manipuleren van de taak vraagt ​​in de visuele excentrieke taak resulteert in verschillende patronen van BOLD activering in de graaf en reageren voorwaarden. De functionele rol van sommige die betrokken zijn bij elke conditie zou behoren zijn toegewezen had gegevens van de drie versies van de taak niet verkrijgbaar waren vergeleken. Deze dubbelzinnigheid in data interpretatie zou niet noodzakelijkerwijs het geval is in het EEG P300 veld waar de taak heeft zijn oorsprong, met d…

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