Beyin Görüntüleme Yöntemlerinin Arasında Bilişsel Görevler aktarma: fMRI Çalışmaları Görev Tasarım Etkileri ve Sonuçları Yorumlama
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
Bilişsel Sinirbilim yöntemleri geliştirmek gibi, kurulan deneysel görevler gelişmekte olan beyin görüntüleme yöntemleri ile kullanılır. (Örneğin, farklı hafıza alt-bileşenler) davranışsal etki ve belirli Tarama işlevleri için uygun deneysel görevler araştırılmıştır en nöropsikolojik kavramlar geliştirilmiş ve test edilmiştir beri bu mantıklı bir ilerlemedir. Yeni teknoloji bu davranışsal gözlemler nöral temelleri kanıt ortaya çıktığı gibi yeni beyin görüntüleme yöntemleri ile aranır. Basitçe görüntüleme çalışmaları için iyi çalışılmış davranışsal görevleri çizmek için cazip olsa da, birçok önemli uyarılar dikkate alınmalıdır. Bir önemli, sık sık ihmal olsa da, göz başka davranışsal kanıt soruşturma için en uygun görüntüleme tekniğinin kullanılmasıdır. Bilişsel nörobilim ve psikoloji açısından nöral activ anlayışımızı geliştirmek için pek çok beyin görüntüleme yöntemleri vardırSığ ilgi kavramları altında yatan; örnek elektroensefalografi (EEG), manyetoensefalografi (MEG), transkranial manyetik stimülasyon (TMS), fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) ve pozitron emisyon tomografisi (PET). Tüm bu yöntemlerin avantajları, dezavantajları ve uygun uygulamalar var. İşte bir fMRI deneyi davranışsal ve EEG deneylerinde uzun bir geçmişi olan bir paradigma transfer olarak kabul edilir. EEG algısal ve bilişsel süreçleri ile ilişkili sinir yanıtları araştırmak için yıllardır kullanılmaktadır. Gibi birçok paradigmalar bu yöntem ile kullanılmak için geliştirilmiş olan ve zamanla gelişmiştir. Fonksiyonel MR bilişsel nörobilim daha son zamanlarda ortaya bir tekniktir ve bu fMRI kullanılan EEG araştırma içinde geliştirilen bazı paradigmalar yol açmıştır. Yeni teknikler EEG deneylerden bilgi tabanı üzerine inşa etmek mantıklı bir adım ama yine de bazı önemli noktalar transferi ihmal edilebilir. Tekniklerçok farklı re ve görevleri buna göre dizayn edilmesi gerekir. Bu yöntem özellikle, nasıl çalıştığını ve bilgi gerektirir, paradigmanın potansiyel modülasyonlarının alınan tedbirleri etkileyecektir kullanılır nasıl. FMRI deney tasarımı hakkında daha fazla bilgi için, ilgilenen okuyucu aşağıdaki linke yönlendirilir http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . Görev tasarım fMRI çevreye EEG araştırma için geliştirilen bir paradigma aktarılması bağlamında ele alınacaktır. Bu yazının amaçları şunlardır: i) kısaca fMRI tanımlamak ve kullanımı bilişsel nörobilim uygun olduğunda etmek; ii) görev tasarım bu görevi başka bir görüntüleme yöntemi ödünç özellikle bir fMRI deneyi, sonuçlarını etkileyebilir nasıl göstermek için; ve iii) fMRI deney gerçekleştirme pratik yönlerini açıklamak.
Fonksiyonel MR artık yaygın olarak kullanılabilir teknigi olduğunuique ve gibi bilişsel nörobilim kullanılan yaygın bir yöntemdir. Tekniği fMRI avantajları ve dezavantajları mevcut diğer tekniklere göre düşünülmesi gereken belirli bir deney için uygun olup olmadığı konusunda bir karar için. Yöntemin bir dezavantajı, bunun yerine hemodinamik yanıtın konvolüsyon bu metabolik yanıt (oksijen gereksinimi) nöral aktivitenin bir bağıntısı olduğunu gösterdi, bu nöral aktivitenin doğrudan bir ölçüsüdür olmadığıdır. Böylece zamansal çözünürlüğü ölçülen elektrik sinyali altta yatan nöronal aktivitenin yerine bir metabolik yanıtın daha yakın olan, örneğin, elektrofizyoloji kıyasla zayıftır. EEG fMRI saniye için bir çözünürlüğe göre milisaniye için bir zamansal çözünürlüğe sahip. Bununla birlikte, fonksiyonel MR ana avantajı tekniğin uzaysal çözünürlüğü çok iyi olmasıdır. Ayrıca, invaziv olmayan ve bu nedenle konular gibi eş gibi maddeler yutmayın gerekmezntrast maddeleri veya pozitron emisyon tomografisi (PET) durumda olurdu gibi radyasyona maruz kalmak. Bu nedenle, beyin bölgelerinde FMRI algılama, biliş ve davranışı ile ilgili olan araştıran deneyler için uygun bir yöntemdir.
Bu yazıda görsel acayip paradigma fMRI (ayrıntılar için bakınız Şekil 1) için köklü bir EEG-görevin transferi için bir örnek olarak alınır. Bu sorunlar için diğer paradigmaları kullanıldığında aynı zamanda sonuç ve veri yorumlama etkileyebilir tartışılan ve teknik olarak, tüm fonksiyonel manyetik rezonans deney tasarımında dikkat edilmesi gerektiği not edilmelidir. Tuhaf paradigma sık sık dikkat değerlendirmek ve algılama performansı hedef psikoloji ve bilişsel nörobilim kullanılır. Paradigma, özellikle, EEG araştırma geliştirilen olaya ilişkin potansiyeller (ERP), sözde P300 bileşeni 1 araştırılması için. P300 hedef tespiti temsil ve tanınması üzerine ortaya çıkarmasanadir bir hedef 1 uyaran. P300 şizofreni ve akrabaları 3, ağır sigara içenlerde 4 ve yaşlanan nüfus 5 ile bilişsel ve klinik etki 2, örneğin hasta bir dizi genelinde çalışmalarda kullanılmaktadır. Acayip paradigma (ve paradigma tarafından ortaya P300) sağlam ve farklı hastalık devletler tarafından modüle olduğu göz önüne alındığında, farklı görüntüleme yöntemleri karşısında onun transferi kaçınılmaz oldu.
Diğer bilişsel kavramları çok sayıda tarama FMRI araştırmanın gösterdiği gibi tuhaf bir fonksiyonel manyetik rezonans ölçümü sırasında beyin görülen yaygın aktivasyonu, çok kognitif fonksiyonların sonucu olduğu bilinmektedir. Aktivasyon desen Bu yaygın doğası zor beyin bölgeleri deneyci ilgi olmasından dolayı belirli bir görev manipülasyonlar veya grup farklılıklarına fazla aktif (veya daha az) hangi belirlemek için yapar. Özellikle, bu AÇTI gözlemlenen farklılıkların olup olmadığı belli değilaktifleştirilmiş ara dikkat ilgili işlemlere, algılama kendisini hedef ile ilgili olup olmadığı veya bu tür bir motor yan üretimine ilişkin devam eden çalışma hafıza işlemleri veya işlemler gibi diğer görev talep ilişkilidir. Ölçülen etkinlik için fonksiyon verme işlemi ilgi (hedef tespiti) bilişsel bileşeni tuhaf görev (P300) açık serebral tepki olarak ölçülür EEG etki daha kolaydır. Bununla birlikte, sinirbilimciler yerine alternatif açıklamalar ekarte etmek için çaba koyarak daha, kendi hipotez ve deney lehine bulgularını yorumlama eğiliminde. Çoğu deneyler, ancak, doğal olarak bu önemli soruları çözmek mümkün olmayacaktır – tarama zamanı pahalı – biz ayrıntılı planlama ve paradigmaların pilot testleri için iddia neden olduğu.
Beyin bölgeleri ve bilişsel bileşenleri arasında doğrudan bir bağlantı, aynı zamanda tuhaf paradigmanın doğasını kurarak, bu zorluğunun yanı sırafMRI aktarılıyor olası diğer metodolojik konular sunuyor. Örneğin, bir hedef uyaranın tespiti, genellikle bir yanıt tuşu ile gösterilir. Bu deneyci yanıtların doğruluğunu ve hızını kaydetmek için ancak bu uyaranlara yanıt da hedef FMRI KALIN yanıtı etkileyebilir sağlar. Uyarıcı-kilitli fMRI aktivasyon üzerindeki düğmeye basın etkileri için gerekli motor aksiyon sadece birkaç yüz milisaniye hedef uyaranın sunumunda sonra olur olduğunu verilmiştir. Bu örnek, aynı şekilde beyin ve motor tepkilerine hazırlanmasında yer alan bölgelerde yanlış hedef uyaran saptanmasında etkili olduğu varsayılan olabilir için, aktif hale getirme yorumlanması etkileyebilir ve benzeri. Bu motor yanıtların güvenerek değil, hedef tespiti dolaylı önlemler, alınır, bu sayede metodolojik değişiklikler yol açmıştır. Örneğin, hedef sayım uyarıcılar emin denekler Attenti korumak için bir yol olarak 6 önerilmiştirgörev üzerinde; çalışmaların sayısı bir konu nasıl dikkatsiz gösterebilir kaçırdı. Görevin sonunda sayılmıştır uyaranların sayısını Raporlama de deneyci özne doğru görevi yerine kontrol anlamına gelir. Üçüncü bir alternatif konusu doğal hedef tespit benzeri bir yanıt ortaya çıkarmak için kabul edilir tepki ile ilgili bir talimat ve bir hedef uyaran yenilik verilen bir tam pasif görev tasarım kullanmaktır. Görevlerin bilişsel ve motor talepler 7,8 farklı olduğundan uyaranlara ve temel tasarım aynı türünü kullanarak görevin bu sürümler rağmen, görevin her varyasyon sonucunda aktivasyon paterni farklı olacaktır. Örneğin, pasif görüntüleme sırasında gerekli olmayacak akılda hedef uyarana geçerli sayısını tutan, örneğin hedef uyaranlara sayma katılan bellek süreçlerini, çalışma olacak. Pasif tuhaf görevin İşte bu 3 sürümleri, saymak, birnd yanıt görev gereksinimleri bu değişiklikler için hesap ve sonuçların uygun yorumlanmasına izin nasıl dikkatli görev tasarım ve uygulama göstermek için kullanılır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biz görevi manipüle sayımı BOLD aktivasyon farklı desen görsel acayip görev sonuçlarında talep ve koşullara cevap olduğunu göstermektedir. Uygunsuz atanmış olurdu her durumda sorumlu bölgelerin bazı fonksiyonel rolleri karşılaştırma için mevcut olmamıştır görevin üç sürümleri veri vardı. Veri yorumlama Bu belirsizlik mutlaka görevin başka bir görüntüleme yöntemi deneysel paradigmalar aktarırken özel olarak değerlendirilmesi için gereğinin altını, kökeni vard?…
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
- Squires, N. K., Squires, K. C., Hillyard, S. A. Two varieties of long-latency positive waves evoked by unpredictable auditory stimuli in man. Electroencephalography and clinical neurophysiology. 38, 387-401 (1975).
- Polich, J., Criado, J. R. Neuropsychology and neuropharmacology of P3a and P3b. International journal of psychophysiology : official journal of the International Organization of Psychophysiology. 60, 172-185 (2006).
- Turetsky, B. I., et al. Neurophysiological endophenotypes of schizophrenia: the viability of selected candidate measures. Schizophrenia bulletin. 33, 69-94 (2007).
- Mobascher, A., et al. The P300 event-related potential and smoking–a population-based case-control study. International journal of psychophysiology : official journal of the International Organization of Psychophysiology. 77, 166-175 (2010).
- Li, L., Gratton, C., Fabiani, M., Knight, R. T. Age-related frontoparietal changes during the control of bottom-up and top-down attention: an ERP study. Neurobiology of aging. 34, 477-488 (2013).
- Kirino, E., Belger, A., Goldman-Rakic, P., McCarthy, G. Prefrontal activation evoked by infrequent target and novel stimuli in a visual target detection task: An event-related functional magnetic resonance imaging study. Journal of Neuroscience. 20, 6612-6618 (2000).
- Warbrick, T., Reske, M., Shah, N. J. Do EEG paradigms work in fMRI? Varying task demands in the visual oddball paradigm: Implications for task design and results interpretation. Neuroimage. 77, 177-185 (2013).
- Warbrick, T., Arrubla, J., Boers, F., Neuner, I., Shah, N. J. Attention to Detail: Why Considering Task Demands Is Essential for Single-Trial Analysis of BOLD Correlates of the Visual P1 and N1. J Cogn Neurosci. 26, 529-542 (2014).
- Huettel, S. A., Song, A. W., McCarthy, G. . Functional magnetic resonance imaging. , (2008).
- Miezin, F. M., Maccotta, L., Ollinger, J. M., Petersen, S. E., Buckner, R. L. Characterizing the hemodynamic response: effects of presentation rate, sampling procedure, and the possibility of ordering brain activity based on relative timing. Neuroimage. 11, 735-759 (2000).
- Jezzard, P., Matthews, P. M., Smith, S. . Functional Magnetic Resonance Imaging: An Introduction to Methods. , (2001).
