En metod för utredning Åldersrelaterade Skillnader i Funktionell Connectivity av kognitiv kontroll Networks associerad med Dimensional Change Card Sort Performance

Summary

Denna video presenterar en metod för att behandla åldersrelaterade förändringar i funktionell uppkoppling av kognitiva kontrollnätverk som arbetar med riktade uppgifter / processer. Tekniken baseras på multivariat analys av fMRI data.

Abstract

Förmågan att anpassa beteendet för plötsliga förändringar i miljön utvecklas gradvis under barndomen och tonåren. Till exempel i den Dimensional Change Card Sort uppgift, deltagare byta från att sortera korten ett sätt, till exempel form, för att sortera dem på olika sätt, till exempel färg. Justera beteende på detta sätt utkräver en liten prestanda kostnad, eller switch kostnad, så att svaren är oftast långsammare och mer felbenägen på switch prövningar där sorteringsregeländringar jämfört upprepa prövningar där sorteringsregeln förblir detsamma. Förmågan att flexibelt anpassa beteendet sägs ofta att utvecklas successivt, delvis på grund beteende kostnader såsom växelkostnaderna minskar normalt med stigande ålder. Varför aspekter av högre ordningens kognition, exempelvis beteende flexibilitet, utvecklas så småningom är en öppen fråga. En hypotes är att dessa förändringar förekommer i samband med funktionella förändringar i bred skala kognitiva kontrollnätverk. På denna uppfattning,komplexa mentala funktioner, såsom omkoppling, innebära snabba interaktioner mellan flera distribuerade hjärnregioner, inklusive de som uppdatera och underhålla uppgiftsregler, omorientera uppmärksamhet och väljer beteenden. Med utveckling, funktionella kopplingar mellan dessa områden stärkas, vilket leder till snabbare och effektivare omkopplingar. Den aktuella videon och beskriver en metod för att testa denna hypotes genom insamling och multivariat analys av fMRI data från deltagare i olika åldrar.

Introduction

Förmågan att reglera beteendet utvecklas gradvis under barndomen och ungdomsåren (för översikt se Diamond ^1). I Dimensional Change Card Sort uppgift, till exempel deltagare byta från att sortera korten ett sätt, till exempel form, för att sortera dem på olika sätt, till exempel färg ² (se figur 2). Omkoppling utkräver en liten prestanda kostnad, eller switch kostnad, så att svaren är oftast långsammare och mer felbenägen på switch prövningar där sorteringsregeländringar jämfört upprepa prövningar där sorteringsregeln förblir den samma ^3. Storleken på dessa kostnader blir oftast mindre när barnen blir äldre ^4, illustrerar det faktum att kapaciteten för beteendereglering genomgår fortsatt utveckling tidigt i livet.

Eftersom komplexa mentala funktioner, såsom omkoppling, innebära snabba interaktioner mellan flera hjärnregioner ^5, det finns ett växande intresse för relating utvecklingen av högre ordningens kognition på förändringar i den funktionella organisation bred skala kortikala nätverk ^6.

Ett tillvägagångssätt för att utreda utvecklings förändring i bred skala nätverk är genom användning av utsäde-baserade funktionsanalys anslutning ^6,7. Det första steget i denna teknik är att samråda med tillgängliga forskningslitteratur och definiera a priori regioner av intresse, eller ROI, som verkar vara relevanta för beteendet i fråga. Dessa ROI, eller noder, definiera den grundläggande skelettet av nätverket. Därefter lågfrekventa svängningar i verksamheten (eller T2 *-viktade signalstyrkan) i dessa ROI mäts i 5 till 10 minuter medan deltagarna är i vila i en magnetkamera. Funktionell anslutning mellan två noder i nätverket är sedan kvantifieras som korrelationen av deras respektive tidsförlopp. Noder som är starkt kopplade funktionellt bör ha liknande, och därmed starkt korrelerade, signaltidsförlopp. Å andra sidan bör noder som svagt är anslutna funktionellt ha olika och därmed svagt korrelerade, signaltidsförlopp. För att slutföra en modell av nätet, är kanterna (eller länkar) dras mellan noder vars tid kurser korrelerar över en vald tröskel. Tester för åldersrelaterade skillnader i funktionell uppkoppling inom ett nätverk kan även genomföras med en enda nod-till-nod-anslutning, eller på topologi av hela uppsättningen av noder och kanter. Dessa skillnader i funktionell uppkoppling kan sedan relateras till åtgärder av kognitiv förmåga som samlats offline.

I denna skrift, är ett annat tillvägagångssätt beskrivs som bygger på grupp oberoende komponent analys av uppgiftsbaserade fMRI data ^8. Oberoende komponentanalys (eller ICA) är ett statistiskt förfarande för blint avslöja dolda källor som ligger bakom en rad observationer så att de uppenbarade källorna är maximalt oberoende. Tillämpat på analysen av fMRI data, pÖRFARANDE förutsätter att varje volym är en blandning av ett ändligt antal rumsligt oberoende källor. Med hjälp av en av en mängd olika algoritmer, såsom Infomax algoritm ICA beräknar sedan en unmixing matris, som när den tillämpas på den ursprungliga informationen ger en uppsättning av maximalt oberoende källor, eller komponenter. Varje komponent kan ses som ett nätverk, i den mån den består av en uppsättning voxlar som delar en gemensam tidsförlopp. Koncernen ICA är en viss typ av ICA, där en gemensam uppsättning grupp komponenter först beräknas från en hel uppsättning data, och sedan deltagare specifika uppsättningar av gruppkomponenterna beräknas i en back-rekonstruktion steg. När en hel uppsättning data bryts ned i en uppsättning komponenter, är nästa steg att göra sig artefaktuella komponenter som representerar bullerkällor, och identifiera teoretiskt meningsfulla komponenter som motsvarar med nätverk av intresse. Detta kan uppnås antingen genom modellering komponenttidsförlopp i samband med en GLM till IDEntify nätverk som aktiverar på ett förutsagt sätt, rumsligt korrelera komponenter med en mall av ett nätverk av intresse, eller båda. Den resulterande uppsättning komponenter kan sedan lämnas till en jämförelsegrupp för att testa eventuella åldersrelaterade skillnader i funktionell uppkoppling inom teoretiskt intressanta nätverk ^7,9,10.

Studera åldersrelaterade förändringar i funktionell uppkoppling genom tillämpning av grupp ICA att uppgiftsbaserade fMRI uppgifterna har flera fördelar jämfört med tillämpningen av utsädesbaserade tekniker för att vila-state fMRI-data. Först, till skillnad från frö-baserade tekniker som fokuserar på en liten uppsättning på förhand definierade ROI, utnyttjar den aktuella gruppen ICA synsätt alla voxlar som omfattar en volyme tidsserier. Detta minskar möjligheterna för förspänning som med nödvändighet uppkommer när en liten grupp av frön väljs ut på förhand som regioner av intresse. För det andra, att tillämpa funktionsanalys anslutning (ICA-baserade eller på annat sätt) till uppgift-snarare än vila-state fMRI uppgifter har den fördelen att organisationens nätverk och nätverksfunktion som mer direkt samband. Om, till exempel, att undersöka de kognitiva och beteendemässiga konsekvenser av funktionell anslutning (t.ex. variation i DCCS prestanda) är en prioritet, är det viktigt att visa att det nätverk av intresse är förknippad med uppgiften prestanda. Med vila-state-protokoll, är det mycket svårt, eftersom forskaren har inga uppgifter om eventuella kognitiva, beteendemässiga eller affektiva tillstånd som upplevs av deltagaren under datainsamling. Det är därför omöjligt att ge direkta bevis för att alla nätverk av intresse är relevant för uppgiften prestanda. Däremot, när funktionell connectivity analys, till exempel ICA, tillämpas på uppgiften-data är det möjligt att bekräfta att det nätverk av intresse åtminstone i samband med utförandet av en uppgift. Slutligen är ICA mindre utsatt för den skadliga påverkan av buller. Bullerkällor, såsom de som förknippas with motivrörelser och hjärtrytmen, har unika spatio-temporala profiler. Därför, i samband med en grupp ICA är dessa källor isoleras och tilldelas till separata komponenter, vilket lämnar återstående komponenterna relativt fria från dessa ovälkomna källor av varians. Eftersom utsäde baserade analyser använder rå tidsförlopp vid uppskattningen av funktionella anslutningsmöjligheter, och tidsförlopp är, per definition, blandningar av neurofysiologisk signal och artefaktuella brus, gruppskillnader i funktionella anslutnings uppskattningar kan återspegla verkliga gruppskillnader i underliggande neurofysiologi, gruppskillnader strukturen hos brus, eller båda ^11.

Protocol

1. Få godkännande för att arbeta med mänskliga ämnen 2. FMRI Datainsamling Förvärva fMRI uppgifter enligt förfaranden som lämpar sig för små barn (se Raschle, et al. 12). Gör allt för att begränsa eventuella åldersrelaterade skillnader i uppgift prestanda och rörelse, eftersom dessa skillnader införa oönskade blandar ihop som begränsar ens förmåga att dra slutsatser om utvecklings-relevanta skillnader i hjärnaktivering och funktionella anslu…

Representative Results

Koncernen ICA, även på en relativt liten fMRI datamängd, kommer tillbaka en uppsättning komponenter som är jämförbara med dem som observerats i andra studier. Figur 4 är en överlagring av 5 sådana komponenter och tillhörande tidsförlopp oblandade från ett urval av 12 barn och 13 vuxna , med ca 800 volymer per deltagare. Såsom visas i figur 4, standardläge, fronto-parietal kan cingulo-öar, och visuell nätverk lätt ses från resultaten av denna sönderdelning. Vad bra, m…

Discussion

Högre ordningens mentala operationer, till exempel förmågan att växla sorteringsregler, utvecklas snabbt under hela uppväxten. Eftersom dessa mentala operationer involverar interaktioner mellan flera distribuerade hjärnregioner, det finns ett växande intresse för att undersöka sambandet mellan utvecklingen av högre ordningens kognition och åldersrelaterade förändringar i organisationen av en bred skala kortikala nätverk. Vi presenterar en metod som bygger på grupp oberoende komponent analys tillämpas på…

Materials

Name of equipment	Company	Catalog Number	Comments (optional)
SPM8	The MathWorks, Inc.	R2013a