脳イメージングモダリティ間で転送認知タスク：fMRIの研究の作業の設計と結果の解釈のための含意
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
認知神経科学の方法を開発したように、確立された実験のタスクは、新興の脳の画像診断法で使用されます。 （ 例えば 、別個のメモリ·サブコンポーネント）は、行動ドメインおよび特定の機能をプロービングするための適切な実験タスクで研究されてきた大部分の神経心理学的概念が開発され、テストされたので、これは論理的な進行です。新技術は、これらの行動観察の神経基盤の証拠を明らかになるように新しい脳イメージング法と求められている。それは単にイメージング研究のためによく研究された行動タスクに描画したくてもよいが、いくつかの重要な注意事項を考慮しなければならない。一つは、重要な、しばしば無視も、考慮は、さらに行動の証拠を探索するために最も適切な画像化技術を使用することである。認知神経科学と心理学の面では、神経ACTIVの理解を強化するために利用可能な多くの脳イメージングの方法があります興味の概念を根底にITY。例えば、脳波（EEG）、脳磁図（MEG）、経頭蓋磁気刺激（TMS）、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）及び陽電子放出断層撮影法（PET）である。これらの方法はすべて、それぞれの利点、欠点および適切な用途を有する。ここでのfMRI実験に行動および脳波実験の長い歴史を持つパラダイムを転送することが考えられる。脳波は、知覚や認知過程に関連した神経応答を調査するために何十年も使用されてきた。このように、多くのパラダイムは、この方法で使用するために開発されており、時間をかけて発展してきた。機能的MRIは、認知神経科学におけるより最近出現した技術であり、これはfMRIのに使用されるEEG研究で開発されたいくつかのパラダイムをもたらした。新しい技術を用いて脳波実験から知識ベースの上に構築するには、論理的なステップであるが、それにもかかわらず、いくつかの重要な点は、伝達では無視してもよい。技術aを非常に異なるとタスク再応じて設計される必要がある。これは、メソッドの動作と、特に、どのように使用されるパラダイムの潜在的な変調が講じた措置に影響を与える方法の知識が必要になります。 fMRIの実験計画の詳細について興味のある読者は、次のリンクを対象とするhttp://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency 。タスク設計は、fMRIの環境にEEG研究のために開発パラダイムを転送する文脈で考慮される。この論文の目的は以下のとおりです。ⅰ）簡潔のfMRIを記述し、その使用は、認知神経科学のが適切な場合する。 ⅱ）タスクのデザインは、そのタスクを他の画像モダリティから借りている場合は特に、fMRIの実験の結果に影響を与えることができる方法を説明するため;及びiii）のfMRI実験を実施する実用的な側面を説明する。
機能的MRIは現在、広く利用可能な？と思ったらですのiQueとして、認知神経科学で使用される一般的な方法である。技術は、fMRIの利点と欠点は、他の利用可能な技術に関連して考慮されなければならない特定の実験のために適切であるかどうかの決定を行うためである。この方法の欠点は、代謝反応（酸素要求）は血行動態応答で畳み込まという点で、むしろそれは神経活動の相関であり、それは神経活動の直接的な尺度ではないということである。したがって、その時間分解能は、測定された電気信号は、基礎となる神経活動ではなく、代謝反応に近い、例えば、例えば、電気生理学と比較して劣る。脳波は、fMRIの中で秒程度の解像度と比較して、ミリ秒のオーダーの時間分解能を持っています。しかし、fMRIの主な利点は、技術の空間分解能が優れていることがある。また、非侵襲的であるため、被験者は、共のような物質を摂取する必要はありませんntrast剤または陽電子放出断層撮影（PET）における場合のように放射線にさらされる。したがって、fMRIの脳領域が知覚、認知および行動に関与している調査する実験に適した技術である。
本論文では、視覚的変わり者パラダイムは、fMRIの（詳細については図1を参照）に十分に確立された脳波タスクを転送するための例に挙げている。これは、問題が他のパラダイムを使用した場合も結果およびデータの解釈に影響を与える可能性が議論され、技術的に全てのfMRI実験の設計において考慮されるべきであることに留意すべきである。オドボールパラダイムは、頻繁に注意を評価し、検出性能を標的とする心理、認知神経科学で使用されている。パラダイムは具体的には、脳波の研究で開発された事象関連電位（ERP）、いわゆるP300成分1を調査するため。 P300は、標的検出を表し、の認識に誘発されるまれなターゲットは1を刺激。 P300は、統合失調症とその親族3、ヘビースモーカー4高齢化5での認知と臨床ドメイン2 例 、患者数全体での研究に使用されている。変わり者パラダイム（およびパラダイムによって誘発されるP300）は堅牢であり、また、異なる疾患状態によって変調されることを考えると、異なる撮像モダリティ間での移動は避けられなかった。
他の認知概念をプロービング多数のfMRIの研究によって示されているよう型破りのfMRI測定時の脳で見られる広範な活性化は、複数の認知機能の結果であることが知られている。活性化パターンのこの広範な性質は、それが困難な脳領域は実験者が興味あることに起因特定のタスク操作やグループの差異にアクティブ以上（または以下）であるかを決定することができます。具体的には、ACTIにおいて観察された差異どう定かではないvationは注目関連プロセスを、検出自体を標的とするように関連しているのか、それともそれらは、モータの応答の生成に関連する進行中の作業メモリプロセスまたはプロセスなどの他のタスクの要求に関連している。測定された活性に関数を割り当てる処理は、関心（ターゲット検出）の認知的成分はオドボール課題（P300）への明確な脳応答して測定された脳波ドメインに容易になります。それにもかかわらず、神経科学者ではなく別の説明を除外するための努力を入れても、自分の仮説と実験を支持してその結果を解釈する傾向がある。ほとんどの実験は、しかし、本質的にこれらの重要な質問を解決することはできません – スキャン時間は高価である – 私たちはパラダイムの徹底した計画とパイロットテストのために主張している理由である。
脳領域と認知の構成要素間の直接リンク、また変わり者パラダイムの本質を確立する上で、この困難に加えてfMRIのに転送されたときに、他の可能な方法論的な問題を提示します。例えば、標的刺激の検出は、通常、応答ボタンを押すことによって示される。これは、実験者が応答の精度と速度を記録するが、この応答はまた、刺激を標的とするためにfMRIのBOLD応答に影響を与える可能性があることができる。刺激 – ロックされたfMRIの活性化にボタン押下の影響のために必要なモータ動作は、それだけで数百ミリ秒のターゲット刺激の提示後に起こること与えられた。運動反応の準備に関与例の脳領域が誤って標的刺激を検出し、その逆も同様に関与していると仮定されるかもしれないために、これはまた、その活性化の解釈に影響を与えることができる。これは、モータの応答に依存しない目標検出の間接的な対策が、取られることにより、方法論的な変更をもたらした。例えば、標的刺激をカウントすることを確認被験者がattentiを維持するようにする方法として6が提案されているタスク上の上。試行回数は、被験者がいかに不注意示すことができます逃した。タスクの終了時にカウントされた刺激の数を報告することも実験者は被験者が正しくタスクを実行したかどうかを確認することができることを意味する。第三の選択肢は、被験者が本質的に目標検出のような応答を誘発するために想定される応答する方法には、命令および標的刺激の新規性を与えられていない、完全に受動的なタスクの設計を使用することである。タスクの認知およびモーター需要が7,8異なるため刺激および基本設計の同じタイプを使用してタスクのこれらのバージョンにもかかわらず、タスクの各変動による活性化パターンが異なります。例えば、受動的視聴時に必要とされることはありません念頭に置いてターゲット刺激の現在の数を保持して、 例えば 、標的刺激を数えるに関わる記憶過程を、作業があるでしょう。パッシブオドボール課題の以下は、これらの3つのバージョン、、カウント、ND 応答は、タスクの要求でこれらの変化を考慮し、結果の適切な解釈を可能にする方法を慎重にタスクの設計と実装を示すために使用されている。
Protocol
Representative Results
Discussion
私たちは、 数にBOLD活性化の異なるパターン視覚オドボール課題結果のタスクの要求を操作し、条件に応答することを示している。不適切に割り当てられたであろうそれぞれの条件に関与した領域のうちのいくつかの機能的役割は、比較のために利用できなかったタスクは3つのバージョンからのデータを持っていた。データ解釈のこの曖昧さは、必ずしもタスクを別の画像モダ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
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 |
References
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