Transferencia de tareas cognitivas entre el cerebro de imágenes Modalidades: implicaciones para el diseño de tareas y resultados de interpretación en los estudios de resonancia magnética funcional

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

Con el desarrollo de métodos de la neurociencia cognitiva, tareas experimentales establecidos se utilizan con las nuevas modalidades de imagen cerebral. Esto es una progresión lógica desde la mayoría de los conceptos neuropsicológicos (por ejemplo, sub-componentes de memoria distinta) han sido investigados en el dominio del comportamiento y tareas experimentales apropiadas para sondear funciones específicas han sido desarrolladas y probadas. Como nueva tecnología emerge evidencia de las bases neurales de estas observaciones de comportamiento que se busca con los nuevos métodos de imágenes cerebrales. Aunque puede ser tentador simplemente dibujar en las tareas de comportamiento bien estudiados por los estudios de imagen, varias advertencias importantes tienen que ser tomadas en cuenta. Una fundamental, aunque descuidado con frecuencia, la consideración es el uso de la técnica de imagen más adecuada para investigar más la evidencia de comportamiento. En términos de la neurociencia cognitiva y la psicología que hay muchos métodos de imágenes cerebrales disponibles para mejorar nuestra comprensión de la activ neuraldad que subyace a los conceptos de interés; por ejemplo, la electroencefalografía (EEG), la magnetoencefalografía (MEG), la estimulación magnética transcraneal (TMS), imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) y la tomografía por emisión de positrones (PET). Todos estos métodos tienen sus ventajas, desventajas y aplicaciones apropiadas. Aquí la transferencia de un paradigma con una larga historia de experimentos de comportamiento y EEG a un experimento fMRI se considera. EEG se ha utilizado durante décadas para investigar las respuestas neuronales asociados con los procesos perceptivos y cognitivos. Como tal, muchos paradigmas se han desarrollado para su uso con este método y han evolucionado con el tiempo. La RM funcional es una técnica que surgió más recientemente en neurociencia cognitiva y esto ha llevado a algunos paradigmas desarrollados en la investigación de EEG que se utilizan en fMRI. Para construir sobre la base de conocimientos a partir de experimentos de EEG con las nuevas técnicas es un paso lógico, pero sin embargo algunos puntos importantes puede ser descuidado en la transferencia. La técnicas de unre muy diferente y las tareas deben ser diseñadas en consecuencia. Esto requiere el conocimiento de cómo funciona el método y, en particular, cómo potenciales modulaciones del paradigma utilizan influirán las medidas adoptadas. Para más información sobre el diseño de experimentos de resonancia magnética funcional el lector interesado se dirige al siguiente enlace http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Diseño de la tarea se considera en el contexto de la transferencia de un paradigma desarrollado para la investigación EEG para el medio ambiente fMRI. Los objetivos de este trabajo son: i) describir brevemente fMRI y cuando su uso sea apropiado en la neurociencia cognitiva; ii) para ilustrar cómo el diseño de tareas puede influir en los resultados de un experimento de resonancia magnética funcional, sobre todo cuando dicha tarea se tomó prestado de otra modalidad de imagen; y iii) para explicar los aspectos prácticos de la realización de un experimento fMRI.

La RM funcional es ahora un tecn ampliamente disponibleique y como tal es un método común utilizado en la neurociencia cognitiva. Con el fin de tomar una decisión en cuanto a si la técnica es apropiado para un experimento particular las ventajas y desventajas de fMRI deben considerarse en relación con otras técnicas disponibles. Una desventaja del método es que no es una medida directa de la actividad neural, sino que es un correlato de la actividad neuronal en que la respuesta metabólica (necesidad de oxígeno) convolucionada con la respuesta hemodinámica. Así pues, su resolución temporal es pobre en comparación con la electrofisiología, por ejemplo, donde la señal eléctrica medida está más cerca de la actividad neural subyacente en lugar de una respuesta metabólica. EEG tiene una resolución temporal en el orden de milisegundos en comparación con una resolución en el orden de segundos en fMRI. Sin embargo, la principal ventaja de fMRI es que la resolución espacial de la técnica es excelente. Por otra parte, no es invasiva y por lo tanto sujetos no tienen que ingerir sustancias tales como coagentes ntrast o estar expuestos a la radiación, como sería el caso de la tomografía por emisión de positrones (PET). Por lo tanto, fMRI es una técnica adecuada para experimentos que investigan qué regiones del cerebro están involucradas en la percepción, la cognición y el comportamiento.

En este trabajo el paradigma oddball visual se toma como un ejemplo para la transferencia de un EEG-tarea bien establecida para fMRI (ver Figura 1 para más detalles). Cabe señalar que los temas discutidos también podría influir en los resultados y la interpretación de datos cuando se utilizan otros paradigmas y técnicamente deben ser considerados en el diseño de todos los experimentos de resonancia magnética funcional. El paradigma oddball se utiliza con frecuencia en la psicología y la neurociencia cognitiva para evaluar la atención y orientar el desempeño de detección. El paradigma fue desarrollado en la investigación EEG, específicamente potenciales relacionados con eventos (ERPs), para la investigación de la llamada componente P300 ^1. El P300 representa la detección de blancos y se produce a partir del reconocimiento deun objetivo poco frecuente estímulo ^1. El P300 se utiliza en los estudios a través de una serie de dominios cognitivos y clínicos ² por ejemplo, los pacientes con esquizofrenia y sus familiares ^3, los grandes fumadores ⁴ y el envejecimiento de la población ^5. Teniendo en cuenta que el paradigma bicho raro (y el P300 provocada por el paradigma) es robusto y también es modulada por diferentes estados de la enfermedad, su transferencia a través de diferentes modalidades de imagen era inevitable.

La activación generalizada visto en el cerebro durante una medición fMRI excéntrico es conocido por ser el resultado de múltiples funciones cognitivas, como se muestra por numerosos estudios de resonancia magnética funcional de sondeo otros conceptos cognitivos. Este carácter generalizado del patrón de activación hace que sea difícil determinar qué regiones del cerebro son más (o menos) activo debido a las manipulaciones de tareas específicas o las diferencias de grupo que el experimentador está interesado en. Específicamente, no está claro si las diferencias observadas en la activación están relacionados con la detección en sí apuntar, a los procesos de atención relacionados, o si están relacionados con otras demandas de la tarea, tales como los procesos de memoria de trabajo en curso o procesos relacionados con la producción de una respuesta motora. El proceso de asignación de función a la actividad medida es más fácil en el dominio EEG donde el componente cognitivo de interés (detección de blancos) se mide en clara respuesta cerebral a la tarea excéntrico (P300). Sin embargo, los neurocientíficos tienden a interpretar sus resultados en favor de su propia hipótesis y experimento, en lugar de poner en el esfuerzo para descartar explicaciones alternativas. La mayoría de los experimentos, sin embargo, no serán capaces de resolver estas preguntas importantes inherentemente – tiempo de exploración es costoso – es por eso que abogamos por una planificación minuciosa y pruebas piloto de los paradigmas.

Además de esta dificultad en el establecimiento de una relación directa entre las regiones del cerebro y los componentes cognitivos, la naturaleza del paradigma oddball tambiénpresenta otras cuestiones metodológicas posibles cuando de ser trasladado a la fMRI. Por ejemplo, la detección de un estímulo objetivo se indica normalmente pulsando un botón de respuesta. Esto permite que el experimentador para grabar la precisión y velocidad de las respuestas pero esta respuesta también puede repercutir en la respuesta BOLD fMRI para apuntar estímulos. La acción motriz necesaria para los impactos botón de prensa sobre la activación fMRI estímulo-bloqueado dado que pasa a sólo unos pocos cientos de milisegundos después de la presentación del estímulo objetivo. Esto también puede influir en la interpretación de que la activación, por ejemplo, las regiones del cerebro implicadas en la preparación para la respuesta del motor podría ser asumido erróneamente estar involucrado en la detección del estímulo objetivo, y viceversa. Esto ha dado lugar a modificaciones metodológicas mediante el cual, se toman las medidas indirectas de detección de objetivos, no dependen de las respuestas motoras. Por ejemplo, contando los estímulos objetivo se ha propuesto ⁶ como una manera para que los sujetos mantienen seguros attentien la tarea; el número de ensayos se perdió pueden indicar cómo desatento era un tema. Informar sobre el número de estímulos contadas al final de la tarea también significa que el experimentador puede comprobar si el sujeto lleva a cabo la tarea correctamente. Una tercera alternativa es utilizar un diseño de tareas totalmente pasiva donde el sujeto se da ninguna instrucción sobre cómo responder y la novedad de un estímulo objetivo se supone que es inherentemente provocar una respuesta de detección-como objetivo. A pesar de estas versiones de la tarea utilizando el mismo tipo de estímulos y diseño básico, el patrón de activación resultante de cada variación de la tarea será diferente porque las demandas cognitivas y motoras de las tareas son diferentes ^7,8. Por ejemplo, habrá procesos de memoria que participan en el conteo de destino estímulos por ejemplo, sostiene que el número actual de estímulos objetivo en mente, que no se generarán con la observación pasiva de trabajo. Aquí estas 3 versiones de la tarea oddball, pasivos, contar, unand responden se utilizan para mostrar qué tan cuidadoso diseño de las tareas y la aplicación puede dar cuenta de estos cambios en los requisitos de la tarea y permitir una interpretación adecuada de los resultados.

Protocol

NOTA: El protocolo del estudio fue aprobado por la Junta de Revisión de Sujetos Humanos locales en la Universidad RWTH de Aachen y se llevó a cabo de conformidad con la Declaración de Helsinki. 1. Diseño de tareas Elija una tarea apropiada para investigar el constructo cognitivo / psicológico de interés. Utilice la tarea oddball visual (Figura 1) para medir las respuestas de detección perseguidas, y los efectos de la atención en la detección de objetivos….

Representative Results

El método de estimulación y análisis provocó la activación BOLD en las regiones del cerebro asociadas con una tarea oddball visual. El objetivo> contraste no objetivo no reveló la activación de la condición pasiva pero sí reveló la activación tanto en el conteo y responden (Figura 3). Los datos presentados en la Figura 3 es una comparación cualitativa de la cuenta y responden condiciones y muestra cómo los patrones de activación resultarían si cada versión de la tarea…

Discussion

Se demuestra que la manipulación de la tarea exige en los resultados de la tarea oddball visuales en diferentes patrones de activación BOLD en la cuenta y responder condiciones. Los roles funcionales de algunas de las regiones implicadas en cada condición de que han sido asignados indebidamente tenían datos de las tres versiones de la tarea no ha estado disponible para la comparación. Esta ambigüedad en la interpretación de datos no habría sido necesariamente el caso en el campo EEG P300 donde …

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