העברת משימות קוגניטיביות בין שיטות הדמיה מוחית: השלכות על המשימה עיצוב ותוצאות פרשנות בfMRI לימודים

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

כשיטות מדעי מוח הקוגניטיביים לפתח, משימות ניסיוניות שהוקמו משמשות עם שיטות הדמיה המוח מתפתחות. זוהי התקדמות הגיונית מכיוון שרוב המושגים נוירופסיכולוגיים (למשל, תת רכיבי זיכרון שונה) נחקרו בתחום ההתנהגותי ומשימות ניסוי מתאימות לבדיקת פונקציות ספציפיות פותחו ונבדקו. ככל שטכנולוגיה חדשה עולה ראיות ליסודות העצביים של תצפיות התנהגותיות אלה הוא ביקש עם שיטות ההדמיה של המוח החדשות. למרות שזה עשוי להיות מפתה פשוט לצייר על משימות התנהגותיות למדו היטב לבדיקות הדמיה, כמה אזהרות חשובות צריכה להילקח בחשבון. אחת מכריע, אם כי מוזנח לעתים קרובות, השיקול הוא השימוש בטכניקת ההדמיה המתאימה ביותר לחקור את הראיות התנהגותיות נוסף. במונחים של מדעי מוח ופסיכולוגיה קוגניטיבית יש שיטות הדמיה מוחית רבות זמינות כדי לשפר את ההבנה של Activ העצבי שלנוity בסיס מושגים של עניין; למשל electroencephalography (EEG), מגנט (MEG), גירוי מגנטי transcranial (TMS), הדמיית תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) וטומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET). כל השיטות האלה יש את היתרונות שלהם, חסרונות ויישומים מתאימים. הנה העברת הפרדיגמה עם היסטוריה של ניסויים התנהגותיים וEEG ארוך לניסוי fMRI נחשבת. EEG היה בשימוש כבר עשרות שנים כדי לחקור תגובות עצביות הקשורים בתהליכים תפיסתיים וקוגניטיבית. ככזה, פרדיגמות רבות פותחו לשימוש בשיטה זו והתפתחו לאורך זמן. MRI התפקודי הוא טכניקה שיצאה לאחרונה גם במדעי המוח הקוגניטיביים וזה הוביל לכמה פרדיגמות שפותחו במחקר EEG בשימוש בfMRI. לבנות על בסיס הידע מניסויי EEG עם הטכניקות החדשות הוא צעד הגיוני, אבל בכל זאת כמה נקודות חשובות עלולות להיות מוזנחות בהעברה. הטכניקותמחדש שונה מאוד ומשימות צריכים להיות מתוכננות בהתאם. זה דורש ידע של איך השיטה עובדת, ובפרט, כיצד אפנון פוטנציאל של הפרדיגמה משמש ישפיע על הצעדים שננקטו. למידע נוסף על העיצוב של ניסויי fMRI הקורא המעוניין מופנה לקישור הבא http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency. עיצוב משימה ייחשב בהקשר של העברת פרדיגמה שפותחה עבור מחקר EEG לסביבת fMRI. מטרותיו של מאמר זה הן: א) כדי לתאר בקצרה fMRI וכאשר השימוש בו הוא מתאים במדעי המוח הקוגניטיביים; ii) כדי להמחיש כיצד עיצוב משימה יכול להשפיע על התוצאות של ניסוי fMRI, במיוחד כאשר המשימה שהושאלה משיטת הדמיה אחרת; וiii) כדי להסביר את ההיבטים המעשיים של ביצוע ניסוי fMRI.

MRI התפקודי הוא עכשיו techn זמין באופן נרחבique וכגון הוא שיטה נפוצה בשימוש במדעי המוח הקוגניטיביים. על מנת לקבל החלטה באשר לשאלה האם הטכניקה מתאימה לניסוי מסוים את היתרונות וחסרונות של fMRI יש לקחת בחשבון ביחס לטכניקות זמינות אחרות. חסרון של השיטה הוא שזה לא מדד ישיר של פעילות עצבית, אלא הוא לתאם פעילות עצבית שבתגובה המטבולית (דרישת חמצן) ומפותל עם תגובת haemodynamic. כך ההחלטה הזמנית שלה היא עניה בהשוואה לאלקטרופיזיולוגיה, למשל, שבו האות החשמלית שנמדדה היא קרובה יותר לפעילות העצבית הבסיסית ולא תגובה המטבולית. יש EEG רזולוציה זמנית בצו של אלפיות השניה בהשוואה להחלטה בצו של שניות בfMRI. עם זאת, היתרון העיקרי של fMRI הוא שהרזולוציה מרחבית של הטכניקה היא מצוינת. יתר על כן, זה לא פולשנית, ולכן נושאים לא צריך לבלוע חומרים כמו שיתוףסוכנים או ntrast להיות חשופים לקרינה כיהיה המקרה בטומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET). לכן, fMRI הוא טכניקה מתאימה לניסוי חקירה שאזורים במוח מעורבים בתפיסה, קוגניציה, והתנהגות.

במאמר זה את הפרדיגמה המוזרה החזותית נלקחה כדוגמא להעברת EEG-משימה מבוססת היטב לfMRI (ראה איור 1 לפרטים נוספים). יש לציין כי הנושאים שנדונו גם יכולים להשפיע על תוצאות ונתונים לפרשנות כאשר פרדיגמות אחרות משמשות וצריכים מבחינה טכנית להיחשב בעיצוב של כל ניסויי fMRI. הפרדיגמה המוזרה משמשת לעתים קרובות בפסיכולוגיה ומדעי מוח הקוגניטיביים להעריך את תשומת לב ולמקד את ביצועי זיהוי. הפרדיגמה פותחה במחקר EEG, במיוחד פוטנציאלי אירוע קשור (ERPs), לחקירת רכיב P300 שנקרא ^1. P300 מייצג איתור היעד, והוא הושר בעת ההכרה שליעד נדיר גירוי ^1. P300 משמש במחקרים על פני מספר תחומים קוגניטיביים וקליניים ² לדוגמא, חולים עם סכיזופרניה וקרוביהם ^3, מעשנים כבדים ⁴ והזדקנות האוכלוסייה ^5. בהתחשב בכך שהפרדיגמה המוזרה (וP300 שהושרו על ידי הפרדיגמה) הוא חזקה וגם הוא מווסתת על ידי מצבי מחלה שונים, העברתו על פני שיטות הדמיה שונות הייתה בלתי נמנעת.

ההפעלה הנרחבת ראתה במוח בזמן מדידת fMRI מוזר ידועה להיות התוצאה של תפקודים קוגניטיביים מרובים, כפי שמוצג על ידי מחקרי fMRI רבים חיטוט מושגים קוגניטיביים אחרים. טבע נרחב זה של דפוס ההפעלה עושה את זה קשה לקבוע איזה אזורים במוח יותר (או פחות) פעילים בשל מניפולציות משימה הספציפיות או הבדלים בין קבוצות שהנסיין הוא מעוניין. באופן ספציפי, זה לא בטוח שהבדלים שנצפו בactivation קשורים לגילוי המטרה עצמה, לתהליכי תשומת לב בנושא, או אם הם קשורים לדרישות משימה אחרות כגון תהליכים מתמשכים עובדים זיכרון או תהליכים הקשורים לייצור של תגובה מוטורית. התהליך של הקצאת פונקציה לפעילות הנמדדת הוא קל יותר בתחום שבו EEG המרכיב הקוגניטיבי של עניין (גילוי מטרה) נמדד בתגובה מוחית ברורה למשימה המוזרה (P300). עם זאת, מדעני מוח נוטים לפרש את הממצאים שלהם לטובת ההשערה שלהם ולהתנסות, ולא לשים במאמץ כדי לשלול הסברים חלופיים. רוב הניסויים, עם זאת, לא יוכלו לפתור את השאלות חשובות אלה מטבעם – זמן סריקה הוא יקר – וזו הסיבה שאנו טוענים לתכנון יסודי ובדיקות פיילוט של פרדיגמות.

חוץ מזה קושי זה בהקמת קשר ישיר בין אזורים במוח ומרכיבים קוגניטיביים, הטבע של הפרדיגמה המוזרה גםמציג בעיות מתודולוגיות אפשריות אחרות, כאשר מועבר לfMRI. לדוגמא, זיהוי של גירוי יעד מצויינים בדרך כלל על ידי לחיצה על כפתור תגובה. זה מאפשר הניסוי כדי להקליט את הדיוק ומהירות של תגובות אבל התגובה הזאת עשויה גם להשפיע על תגובת BOLD fMRI למקד גירויים. פעולת המנוע נדרשת להשפעות לחצו על לחצן הפעלה בfMRI-נעול גירוי נתון שזה קורה רק כמה מאה אלפיות שנייה אחרי הצגת גירוי המטרה. זה יכול גם להשפיע על פרשנות של הפעלה ש, לאזורי דוגמא המוח המעורבים בהכנה לתגובה המוטורית עשויים שלא בצדק להניח להיות מעורבים בזיהוי של גירוי המטרה, ולהפך. זה הוביל לשינויים מתודולוגיים לפי אמצעים עקיפים של גילוי המטרה, לא להסתמך על תגובות מנוע, נלקחים. לדוגמא, ספירת גירויי היעד הוצעה ⁶ כדרך להפוך את נושאים בטוחים לשמור attentiבמשימה; מספר הניסויים שלא נענו יכול לציין כיצד קשוב נושא היה. דיווח מספר הגירויים נספרו בסוף המשימה גם אומר שהנסיין יכול לבדוק אם הנושא ביצע את המשימה בצורה נכונה. חלופה שלישית היא להשתמש בעיצוב משימה פסיבי באופן מלא שבו הנושא הוא לא ניתנו הוראות על איך להגיב ואת החידוש של גירוי מטרת הנחה הוא לעורר תגובה כמו זיהוי יעד מיסודו. למרות גרסאות של המשימה תוך שימוש באותו הסוג של גירויים ועיצוב בסיסי אלה, דפוס ההפעלה כתוצאה מכל וריאציה של המשימה יהיה שונה בגלל הדרישות קוגניטיביות ומוטוריות של המשימות שונות ^7,8. לדוגמא, לא יהיו עובדים תהליכי זיכרון מעורבים בספירת גירויי יעד למשל, מחזיק את המספר הנוכחי של גירויי יעד במוח, שלא יידרשו בזמן צפייה פסיבית. הנה אלה 3 גרסאות של המשימה המוזרה, פסיביות, לספור,nd להגיב משמש כדי להראות עד כמה זהיר עיצוב משימה ויישום יכול להסביר את השינויים הללו בדרישות משימה ולאפשר פרשנות ראויה של התוצאות.

Protocol

הערה: פרוטוקול המחקר אושר על ידי בני אדם, המקומיים מועצה לביקורת באוניברסיטה אאכן RWTH ובוצע בהתאם להצהרת הלסינקי. 1 משימה עיצוב בחר משימה מתאימה כדי לחקור את המבנה הקוגניטיבי / הפסי…

Representative Results

שיטת הגירוי והניתוח שהושרו על הפעלת BOLD באזורי מוח הקשורים למשימה מוזרה חזותית. היעד> ניגוד אינו יעד עולה כי אין הפעלה למצב הפסיבי אבל עשה לחשוף הפעלה בשתי הספירה ולהגיב (איור 3). הנתונים מוצגים באיור 3 הוא השוואה איכותית של הספירה ולהגיב תנאים ומראה…

Discussion

אנו מראים כי המניפולציה של המשימה דורשת בתוצאות חזותיות המוזרה המשימה בדפוסי הפעלת BOLD שונים בספירה ולהגיב תנאים. היו לי התפקידים הפונקציונליים של חלק מהאזורים מעורבים בכל מצב היה שהוקצו באופן בלתי הולם נתונים משלוש הגרסאות של המשימה לא היו זמינות להשוואה. עמימ…

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