نقل المهام المعرفية بين الدماغ التصوير الطرائق: الآثار المترتبة على تصميم العمل ونتائج التفسير في دراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي
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
مع تطور أساليب العلوم العصبية الإدراكية، وتستخدم المهام التجريبية التي أقيمت مع طرائق التصوير الدماغي الناشئة. هذا هو تطور منطقي لأن معظم مفاهيم العصبية (مثل الذاكرة متميزة-المكونات الفرعية) وقد تم التحقيق في المجال السلوكي والمهام التجريبية المناسبة لبحث وظائف محددة تم تطويرها واختبارها. والتكنولوجيا الجديدة تبرز الأدلة على الأسس العصبية من هذه الملاحظات السلوكية يسعى مع أساليب تصوير الدماغ الجديدة. في حين أنه قد يكون مغريا لرسم ببساطة على المهام السلوكية مدروسة للدراسات والتصوير، وعدة محاذير هامة يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار. واحدة حاسمة، على الرغم من كثير من الأحيان المهملة، والنظر هو استخدام تقنية التصوير الأنسب لتحقيق مزيد من الأدلة السلوكية. من حيث علم الأعصاب المعرفي وعلم النفس هناك العديد من طرق التصوير الدماغي المتاحة لتعزيز فهمنا للأكتيف العصبيإيتي المفاهيم الكامنة وراء المصالح؛ على سبيل المثال المخ (EEG)، الدماغ المغناطيسي (MEG)، والتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS)، والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET). كل من هذه الطرق لها مزاياها والعيوب والتطبيقات المناسبة. يعتبر هنا نقل نموذج مع تاريخ طويل من التجارب السلوكية وEEG لتجربة الرنين المغناطيسي الوظيفي. وقد استخدم EEG لعقود للتحقيق استجابات العصبية المرتبطة بالعمليات الإدراكية والمعرفية. على هذا النحو، تم وضع العديد من النماذج للاستخدام مع هذا الأسلوب، وتطورت مع مرور الوقت. وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي هو تقنية التي ظهرت مؤخرا في علم الأعصاب الإدراكي وأدى ذلك إلى بعض النماذج المتقدمة في مجال البحوث EEG المستخدمة في الرنين المغناطيسي الوظيفي. بناء على قاعدة المعرفة من التجارب EEG مع التقنيات الجديدة هو خطوة منطقية ولكن قد تكون مهملة رغم ذلك بعض النقاط الهامة في النقل. تقنيات لإعادة مختلفة جدا وتحتاج المهام لتكون مصممة وفقا لذلك. وهذا يتطلب معرفة كيفية عمل الطريقة، وعلى وجه الخصوص، كيف التحويرات المحتملة للنموذج تستخدم ستؤثر على التدابير المتخذة. لمزيد من المعلومات على تصميم تجارب الرنين المغناطيسي الوظيفي يتم توجيه القارئ المهتم إلى الرابط التالي http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency . وسينظر تصميم مهمة في سياق نقل نموذج المتقدمة للبحوث EEG للبيئة الرنين المغناطيسي الوظيفي. أهداف هذه الورقة هي: ط) لوصف فترة وجيزة الرنين المغناطيسي الوظيفي، وعندما استخدامها مناسب في علم الأعصاب الإدراكي. ب) لتوضيح كيفية تصميم المهمة يمكن أن تؤثر على نتائج تجربة الرنين المغناطيسي الوظيفي، وخاصة عندما يتم اقترضت هذه المهمة من طريقة التصوير آخر؛ والثالث) لشرح الجوانب العملية لأداء تجربة الرنين المغناطيسي الوظيفي.
وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي هو الآن على نطاق واسع ميتاليكومثل النظام العالمي هو أسلوب شائع يستخدم في علم الأعصاب الإدراكي. من أجل اتخاذ قرار بشأن ما إذا كان الأسلوب هو مناسبة لإجراء تجربة معينة يجب اعتبار مزايا ومساوئ الرنين المغناطيسي الوظيفي بالنسبة إلى غيرها من التقنيات المتاحة. عيوب هذه الطريقة أنه ليس مقياسا مباشرا من النشاط العصبي، بل هو القرين من النشاط العصبي في أن الاستجابة الأيضية (الحاجة للأكسجين) convolved مع استجابة الديناميكية الدموية. وبالتالي قرارها الزمني ضعيف بالمقارنة مع الكهربية، على سبيل المثال، حيث الإشارة الكهربائية قياس أقرب إلى النشاط العصبي الأساسي بدلا من الاستجابة الأيضية. EEG لديه القرار الزماني في النظام المللي ثانية مقارنة قرارا في ترتيب ثوان في الرنين المغناطيسي الوظيفي. ومع ذلك، فإن الميزة الرئيسية لالرنين المغناطيسي الوظيفي هو أن القرار المكاني للتقنية ممتازة. وعلاوة على ذلك، فمن موسع وبالتالي موضوعات لا يجب أن استيعاب المواد مثل التعاونيتعرض كلاء ntrast أو للإشعاع كما هو الحال في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET). ولذلك، الرنين المغناطيسي الوظيفي هو أسلوب مناسبة للتجارب التحقيق التي تشارك مناطق الدماغ في الإدراك، والإدراك، والسلوك.
في هذه الورقة يتم أخذ نموذج غريب الاطوار البصرية كمثال لنقل راسخة-EEG-مهمة لالرنين المغناطيسي الوظيفي (انظر الشكل 1 للحصول على التفاصيل). تجدر الإشارة إلى أن القضايا التي نوقشت ويمكن أيضا أن تؤثر على النتائج وتفسير البيانات عندما تستخدم نماذج أخرى، وينبغي أن تعتبر من الناحية الفنية في تصميم جميع تجارب الرنين المغناطيسي الوظيفي. كثيرا ما يستخدم نموذج غريب الاطوار في علم النفس وعلم الأعصاب المعرفي لتقييم الاهتمام واستهداف أداء الكشف. وقد تم تطوير النموذج في البحث EEG، وتحديدا إمكانيات الحدث ذات الصلة (نظم تخطيط موارد المؤسسات)، للتحقيق في ما يسمى عنصر P300 1. وP300 يمثل الكشف عن الهدف وأثارت على الاعترافهدف نادر التحفيز 1. يتم استخدام P300 في الدراسات في عدد من المجالات المعرفية والسريرية 2 على سبيل المثال، المرضى الذين يعانون من الفصام وأقاربهم 3، 4 المدخنين الشرهين وشيخوخة السكان 5. وبالنظر إلى أن نموذج غريب الاطوار (P300 والتي تسببها النموذج) هو قوي والتضمين أيضا الحالات المرضية المختلفة، ونقلها عبر طرائق التصوير المختلفة لا مفر منه.
تفعيل ينظر على نطاق واسع في الدماغ خلال قياس الرنين المغناطيسي الوظيفي غريب الاطوار هو معروف أن تكون نتيجة الوظائف المعرفية متعددة، كما يتضح من العديد من الدراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي سبر المفاهيم المعرفية الأخرى. هذا النوع على نطاق واسع لتفعيل نمط يجعل من الصعب تحديد أي مناطق الدماغ هي أكثر (أو أقل) نشطة بسبب التلاعب مهمة محددة أو الاختلافات المجموعة التي المجرب مهتمة على وجه التحديد، فإنه من غير المؤكد ما إذا كانت الاختلافات التي لوحظت في تشغيل إشاراتترتبط vation لاستهداف الكشف عن نفسها، إلى عمليات الاهتمام ذات الصلة، أو ما إذا كانت تتعلق مطالب مهمة أخرى مثل عمليات الذاكرة العاملة الجارية أو العمليات المتصلة إنتاج استجابة المحرك. عملية تعيين وظيفة لقياس النشاط أسهل في المجال EEG حيث يتم قياس المكون المعرفي للاهتمام (كشف الهدف) في استجابة الدماغ واضحة لهذه المهمة غريب الاطوار (P300). ومع ذلك، فإن علماء الأعصاب تميل إلى تفسير نتائجها لصالح الفرضية الخاصة والتجربة، بدلا من وضع في الجهود الرامية إلى استبعاد التفسيرات البديلة. معظم التجارب، ومع ذلك، لن تكون قادرة على حل هذه الأسئلة المهمة بطبيعتها – وقت الفحص مكلف – وهو ما يدفعنا إلى القول للتخطيط دقيق والاختبار التجريبي للنماذج.
إلى جانب هذه الصعوبة في إقامة صلة مباشرة بين مناطق الدماغ والمكونات المعرفية، وطبيعة نموذج غريب الاطوار أيضايعرض قضايا أخرى محتملة المنهجية عند نقله إلى الرنين المغناطيسي الوظيفي. على سبيل المثال، عادة ما أشارت الكشف عن التحفيز الهدف عن طريق الضغط على زر الرد. وهذا يسمح للمجرب لتسجيل الدقة وسرعة الاستجابة ولكن هذا الرد قد تؤثر أيضا على استجابة الرنين المغناطيسي الوظيفي جريئة لاستهداف المحفزات. العمل المحركات المطلوبة للتأثيرات اضغط على زر على غير الساحلية التحفيز تفعيل الرنين المغناطيسي الوظيفي نظرا لأنه يحدث لمجرد بضع مئات من ميلي ثانية بعد عرض الحوافز الهدف. هذا ويمكن أيضا أن تؤثر على تفسير التنشيط، لمناطق الدماغ سبيل المثال تشارك في التحضير للاستجابة المحرك قد خطأ يفترض أن تشارك في الكشف عن التحفيز الهدف، والعكس بالعكس. وقد أدى ذلك إلى التعديلات المنهجية حيث التدابير غير المباشرة للكشف الهدف، وليس الاعتماد على الاستجابات الحركية، تؤخذ. على سبيل المثال، عد المحفزات الهدف تم اقتراح 6 كوسيلة لجعل متأكد من المواضيع الحفاظ attentiعلى على المهمة؛ غاب عن عدد من التجارب يمكن أن تشير إلى مدى تفريط كان الموضوع. الإبلاغ عن عدد من المحفزات عدها في نهاية المهمة يعني أيضا أن المجرب يمكن أن تحقق ما إذا كان موضوع تنفيذ المهمة بشكل صحيح. البديل الثالث هو استخدام التصميم مهمة السلبي تماما حيث يتم إعطاء الموضوع أي تعليمات بشأن كيفية الرد وحداثة حافزا الهدف يفترض أن تثير في حد ذاتها هدفا مثل الكشف عن الاستجابة. على الرغم من هذه الإصدارات المهمة باستخدام نفس النوع من المحفزات والتصميم الأساسي، فإن نمط تفعيل الناتجة عن كل الاختلاف المهمة ستكون مختلفة لأن المطالب المعرفية والحركية للمهام مختلفة 7،8. على سبيل المثال، سيكون هناك عمليات الذاكرة العاملة المشاركة في عد المحفزات الهدف على سبيل المثال، عقد العدد الحالي من المحفزات الهدف في الاعتبار، والتي لن تكون هناك حاجة خلال عرض السلبي. هنا هذه الإصدارات 3 المهمة غريب الاطوار، السلبي، والعد، والثانية تستخدم الاستجابة لاظهار كيف حذرا تصميم وتنفيذ المهمة يمكن أن تمثل هذه التغييرات في متطلبات المهمة والسماح تفسير مناسب لنتائج.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتبين لنا أن التلاعب مهمة يطالب في نتائج مهمة غريب الاطوار البصرية في أنماط مختلفة من التنشيط جريئة في العد والاستجابة الظروف. كانت الأدوار الوظيفية لبعض المناطق المتورطين في كل حالة أن تم تعيينها بشكل غير لائق البيانات من الإصدارات الثلاثة المهمة لم تكن متاحة …
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).
