Перенос познавательных задач между мозгом визуализации методах: последствия для дизайна целевой и интерпретации результатов в МРТ исследований

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

Как когнитивные методы нейронаук развивать, установленные экспериментальные задачи используются с новыми методами визуализации мозга. Это является логическим продолжением, так как большинство нейропсихологические понятия (например, отличается памяти субкомпонентов) были исследованы в поведенческой области и соответствующих экспериментальных задач для зондирования определенные функции были разработаны и испытаны. Поскольку новая технология выходит доказательств для нейронных основ этих поведенческих наблюдений ищется с новыми методами визуализации мозга. Хотя это может быть заманчиво просто нарисовать на хорошо изученных поведенческие задачи для визуальных исследований, несколько важных предостережений должны быть приняты во внимание. Одним из важнейших, хотя часто пренебрегают, фактором является использование наиболее подходящего метода визуализации для дальнейшего исследовать поведенческие доказательства. С точки зрения когнитивной неврологии и психологии существует много методов визуализации головного мозга, доступные для повышения нашего понимания нейронной Activность, лежащая в основе концепции интерес; например электроэнцефалографии (ЭЭГ), магнитоэнцефалографии (МЭГ), транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Все эти методы имеют свои преимущества, недостатки и соответствующие приложения. Здесь передаче парадигму с долгой историей поведенческих и ЭЭГ экспериментов в эксперименте МРТ считается. ЭЭГ была использована в течение многих десятилетий, чтобы исследовать ответы нейронных связанные с восприятия и познавательных процессов. Таким образом, многие парадигмы были разработаны для использования с этим методом и со временем претерпевают изменения. Функциональная МРТ является метод, который появился совсем недавно в когнитивной нейронауки, и это привело к некоторым парадигм, разработанных в исследовании ЭЭГ используются в фМРТ. Чтобы построить на базе знаний от экспериментов ЭЭГ с новыми методами является логичным шагом, но, тем не менее некоторые важные моменты, можно пренебречь в передаче. Методывновь очень разные, и задачи должны быть разработаны соответствующим образом. Это требует знаний о том, как работает метод и, в частности, как потенциальные модуляции парадигмы используется повлияет принятые меры. Для получения дополнительной информации о проектировании МРТ экспериментов заинтересованный читатель относится к следующей ссылке http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Дизайн Целевая будет рассматриваться в контексте передачи парадигму разработанный для исследования ЭЭГ в окружающую среду МРТ. Целями данной работы являются: я) кратко описать фМРТ и когда его использование уместно в когнитивной неврологии; II), чтобы показать, как дизайн задача может повлиять на результаты эксперимента МРТ, особенно, когда эта задача заимствован из другого изображения модальности; и в) объяснить практические аспекты проведения экспериментов фМРТ.

Функциональная МРТ теперь широко доступны техничIQUE и как таковой является распространенным методом, используемым в когнитивной нейронауки. Для того, чтобы принять решение относительно того, является ли метод подходит для конкретного эксперимента преимущества и недостатки МРТ необходимо учитывать по отношению к другим имеющимся методам. Недостатком метода является то, что это не является прямой мерой нейронной активности, а это коррелят нейронной активности в этом метаболический ответ (потребности в кислороде) свернут с гемодинамики ответ. Таким образом, его временное разрешение бедна по сравнению с электрофизиологических, например, если измеренное электрический сигнал ближе к базовой нейронной активности, а не метаболической реакции. ЭЭГ имеет временное разрешение в порядка миллисекунд по сравнению с разрешением в порядке секунд в фМРТ. Однако главное преимущество МРТ является то, что пространственное разрешение метода является превосходным. Кроме того, он является неинвазивным и, таким образом, испытуемые не должны поглощать вещества, такие как COntrast агенты или подвергаться воздействию радиации, как было бы в случае, в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Поэтому, МРТ является подходящим методом для экспериментов по исследованию которой области мозга участвуют в восприятии, познания и поведения.

В данной работе визуальный чудаком парадигма в качестве примера для передачи устоявшейся ЭЭГ-задачи в фМРТ (рисунок 1 для деталей). Следует отметить, что вопросы обсуждались также может повлиять на результаты и интерпретацию данных, когда другие парадигмы используются и должны технически рассматривать в оформлении всех экспериментах МРТ. Чудак парадигма часто используется в психологии и когнитивной нейронауки оценить внимание и целевой эффективности обнаружения. Парадигма была разработана в исследованиях ЭЭГ, специально событий, связанных потенциалов (ССП), для исследования так называемого компонента P300 ^1. P300 представляет обнаружение целей и вызвали после признаниянечастый целевой стимул ^1. P300 используется в исследованиях по ряду когнитивных и клинических областях ² например, пациентов с шизофренией и их родственников ^3, заядлых курильщиков ⁴ и стареющего населения ^5. Учитывая, что чудак парадигма (и P300 вызванное парадигмы) является надежной и также модулируется различными болезненными состояниями, передача ее в разных методов визуализации было неизбежно.

Широкое активации видно в головном мозге в течение чудаком измерения МРТ, как известно, результатом нескольких когнитивных функций, как показано на многочисленных исследований МРТ зондирующих другие когнитивные концепции. Этот широко распространенный характер узора активации делает его трудно определить, какие области мозга более (или менее) активно в силу специфических манипуляций групп или групповых различий, что экспериментатор заинтересована в. Частности, он не уверен, является ли наблюдаемые различия в Actiканцами связаны с целевой сам обнаружение, чтобы внимания процессов, связанных, или же они связаны с другими требованиями задач, таких как текущие процессы, работающих памяти или процессов, связанных с производством в двигательной реакции. Процесс присвоения функцию измеренной активности легче в области, где ЭЭГ когнитивный компонент интерес (обнаружения цели) измеряется в открытом головного ответ на чудаком задачи (P300). Тем не менее, неврологи склонны интерпретировать свои выводы в пользу своей гипотезы и эксперимента, а не положить в усилиях, чтобы исключить альтернативные объяснения. Большинство экспериментов, однако, не сможет решить эти важные вопросы по своей сути – время сканирования является дорогостоящим – и именно поэтому мы считаем, для тщательного планирования и пилотного тестирования парадигм.

Кроме этого затруднения в установлении прямой связи между регионами головного мозга и когнитивных компонентов, характер чудаком парадигмы такжепредставлены другие возможные методологические вопросы при переходе на МРТ. Например, обнаружение целевого стимула обычно указывается при нажатии на кнопку ответа. Это позволяет экспериментатор записать точность и скорость ответов, но этот ответ может также повлиять на мощной поддержки МРТ целевой стимулы. Двигатель действий не требуется для воздействия кнопку пресс на стимула автоподстройки МРТ активации учитывая, что это происходит всего несколько сотен миллисекунд после презентации целевой стимул. Это может также повлиять толкование этого активации, для регионов примером мозга, участвующими в подготовке к двигательной реакции может ошибочно предположить, участвуют в обнаружении целевого стимула, и наоборот. Это привело к методологическим модификаций которой, принимаются косвенные меры обнаружения целей, не полагаясь на двигательных реакций. Например, считая целевых стимулов было предложено ⁶ в качестве сил убеждаться, что субъекты поддерживать Attentiна на задаче; число испытаний пропустили может указать, как невнимательный тема была. Отчетный количество подсчитанных стимулов в конце задачи также означает, что экспериментатор может проверить предметом выполняется ли задача правильно. Третий вариант заключается в использовании полностью пассивная дизайн задач, где субъект не дается никаких инструкций о том, как реагировать и новизну целевой стимул предполагается изначально вызывают обнаружения, как ответ целевой. Несмотря на эти версии задачи, используя тот же тип стимулов и базовой конструкции, модели активации в результате каждого варианта задачи будет отличаться, потому что когнитивные и моторные требования задач различны ^7,8. Например, там будет работать процессы памяти, участвующих в подсчете целевые стимулы например, проведение текущего количества целевых стимулов в виду, что не будет необходимых при пассивном просмотра. Здесь эти 3 версии чудаком задачи, пассивные, рассчитывать,й реагировать используются, чтобы показать, насколько тщательно проектирование и внедрение задача может отвечать за эти изменения в требованиях задач и позволяют соответствующую интерпретацию результатов.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол исследования был одобрен местным прав субъектов апелляционной комиссии при Аахена университета и проводилось в соответствии с Хельсинкской декларацией. 1 Дизайн Целевая Выберите подходящий задачу исследовать когнитивные / психологический ?…

Representative Results

Метод стимуляции и анализ вызвал BOLD активации в областях мозга, связанных с визуальным чудаком задачи. Цель> нецелевых контраст не выявлено активацию для пассивного состояния, но сделал выявить активацию как в подсчете и отвечать (рисунок 3). Данные, представленные на рис…

Discussion

Мы покажем, что манипулирование задачу требует в изобразительном странных результатах выполнения задачи в разных форм СМЕЛЕЙШИЕ активации в подсчете и отвечать условиям. Функциональные роли некоторых регионах, участвующих в каждом состоянии были бы неуместно, назначенные ?…

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