Die Messung der neurophysiologischen Signale zu ignorieren und Teilnahme an Prozesse in Aufmerksamkeitssteuerung

Zusammenfassung

Attention control comprises enhancement of target signals and attenuation of distractor signals. We describe an approach to measure separately but concurrently, the neurophysiology of attending and ignoring in sustained intermodal attention, utilizing a passive control condition during which neither process is continuously engaged.

Zusammenfassung

Attention control is the ability to selectively attend to some sensory signals while ignoring others. This ability is thought to involve two processes: enhancement of sensory signals that are to be attended and the attenuation of sensory signals that are to be ignored. The overall strength of attentional modulation is often measured by comparing the amplitude of a sensory neural response to an external input when attended versus when ignored. This method is robust for detecting attentional modulation, but precludes the ability to assess the separate dynamics of attending and ignoring processes. Here, we describe methodology to measure independently the neurophysiological signals of attending and ignoring using the intermodal attention task (IMAT). This task, when combined with electroencephalography, isolates neurophysiological sensory responses in auditory and visual modalities, when either attending or ignoring, with respect to a passive control. As a result, independent dynamics of attending and of a ignoring can be assessed in either modality. Our results using this task indicate that the timing and cortical sources of attending and ignoring effects differ, as do their contributions to the attention modulation effect, pointing to unique neural trajectories and demonstrating sample utility of measuring them separately.

Einleitung

Aufmerksamkeitssteuerführungen Verhalten indem wir die neuralen und kognitiven Ressourcen Richtung Auswahleingangssignale, während der Zugriff auf andere Signale, die auf einer bestimmten Verhaltens Ziel ^1. Zum Beispiel, wenn ein Buch zu lesen, die visuellen Signale, die dem Buch sind die Zielsignale verstärkt werden, während andere sensorische Signale - wie der TV in den nächsten Raum - sind Distraktor Signale gedämpft werden. Aufnahmen in menschlichen und nicht-menschlichen Primaten ^1-4 zeigen, dass neuronale Reaktionen in sensorischen Kortex für besuchte Targets relativ zu ignoriert Distraktoren während der selektiven Aufmerksamkeit verstärkt, was anzeigt, dass die Stärke der Sinneseindrücke im Gehirn in Abhängigkeit davon, ob modulierte sie werden als Ziele oder Distraktoren ^5-7 eingestuft. Wir bezeichnen diese Differenz in der Signalstärke bei der Teilnahme an gegen ignoriert wie die Aufmerksamkeit Modulationseffekt.

Von zunehmendem Interesse istdie Frage, ob und wie die neuronalen Prozesse der Teilnahme tragen zur Aufmerksamkeitssteuerung und seine Wertminderungen, getrennt von den neuronalen Prozesse zu ignorieren. Es wird immer deutlicher, dass die Fähigkeit, Ablenkungen zu ignorieren, kann unabhängig von unserer Fähigkeit, Ziele zu besuchen beeinträchtigt werden. Zum Beispiel kann der Distraktor-Unterdrückung mit erhöhter Aufgabe Last ^8, kognitiven Alterns ⁹ und Schlafentzug ¹⁰ beeinträchtigt werden, ohne eine Abnahme in Zielverbesserung. Es ist derzeit nicht bekannt, ob ein Dekrement in Zielverbesserung kann auch ohne ein Defizit in Distraktor Unterdrückung vorhanden sind. Vielleicht noch wichtiger ist, es nicht behoben wird, ob entweder Defizite behandelnden bzw. zu ignorieren, aber nicht beide, können neuropsychiatrischen Zuständen, bei denen die Aufmerksamkeit Steuerung beeinträchtigt aufzuklären. Als solches ist es wertvoll, um besser zu verstehen, ob die Teilnahme und das Ignorieren entstehen aus trennbaren kortikalen Bahnen, ob und wie sie in neuronalen Dynamik unterscheiden. Durch das Messen und die Teilnahme anignorieren Prozesse getrennt, können solche Fragen angesprochen werden.

Hier beschreiben wir Methoden, um die neurophysiologischen Signale für die Teilnahme an und ignorierte separat zu messen, aber gleichzeitig, in anhaltende Aufmerksamkeit. Dieser Ansatz stützt sich auf die Aufmerksamkeit Modulationseffekt: die Differenz in der Amplitude eines neuronalen Sinnesantwort, wenn das Individuum behandelnden oder Ignorieren in dieser sensorischen Strom Reize. Die Aufmerksamkeit Modulationseffekt ist ein leistungsfähiges Werkzeug zum Erfassen Aufmerksamkeit Modulation über sensorische Signale, aber es hat die Fähigkeit, die einzelnen Dynamik der Teilnahme und Ignorieren Prozesse beurteilen ausschließt. Nämlich ein Unterschied in der neuronalen sensorischen Reaktionen bei der Teilnahme oder Ignorieren könnte entstehen, weil der Prozess der Aufmerksamkeit verbessert sensorischen Zielsignale oder weil ignorieren dämpft sensorischen Distraktor Signale oder beides. Um zwischen diesen Alternativen zu testen, wird die Verwendung eines zusätzlichen Steuerbedingung vorsehen, in dem eine quantifiziert den strength sensorischer Eingänge an ihrem natürlichen Grundlinie, wenn sie weder besucht noch ignoriert. Das ist ähnlich wie eine belebte Straße voller Autos zu Fuß nach unten, aber weder aktiv beobachten (zB für ein Taxi) noch aktiv (zB nicht-Taxi Autos und Busse) die vorbeifahrenden Autos zu ignorieren. Durch Auswertung sensorischen Signalen, die besucht werden oder ignoriert wird, relativ zu einem passiven Referenzzustand, der Größe und der Zeitpunkt der Teilnahme und Ignorieren Prozesse getrennt quantifiziert werden.

Effektive Nutzung von solchen passiven Steuer in Mess Teilnahme und ignorieren Prozesse wurden bereits in Studien der vorausschauenden Aufmerksamkeit ^11-13 und Gedächtnis-Aufmerksamkeit Wechselwirkungen ^9,10,14-17 gemeldet. Hier beschreiben wir die Verwendung dieser Vorgehensweise im Zusammenhang mit der anhaltende Aufmerksamkeit, in einem nicht-cued, kontinuierliche, intermodale (dh auditiv-visuell) Aufmerksamkeit Aufgabe (IMAT) ^18. In anderen Worten, geeignete zum Studium der laufenden Rath ist dieses Verfahrener ist als vorbereitende Steuerungsprozesse, so dass für die Verfolgung dieser Vorgänge über die Zeit. Diese Methode quantifiziert auch Kontrollprozesse, die sensorischen Reaktionen auf verschiedene Sinnesmodalitäten (dh gegenüber auditiven visuellen) zu modulieren, wodurch die Konzentration auf Prozesse, die nicht innerhalb einer bestimmten sensorischen oder Inhalte Domäne spezialisiert sind. Im Gegensatz zu früheren funktionellen Magnetresonanztomographie untersucht ^15,19,20, diese Methode Tracks besuchen und ignorieren Prozesse mit zeitaufgelösten neurophysiologischen Signale (Elektroenzephalogramm, EEG), wodurch Millisekundenauflösung auf die zeitlichen Verläufe der Teilnahme an und ignorierte Prozesse. Unsere repräsentative Ergebnisse zeigen die Verwendung der Technik der Identifizierung direkten Beweis für trennbare kortikalen Quellen und zeitliche Dynamik der neuronalen Prozesse der Teilnahme und Ignorieren und besonderen Beitrag zur Kenntnis Modulationseffekt.

Protokoll

HINWEIS: Dieses Studienprotokoll wurde in Übereinstimmung mit den von der Untersuchungs Review Board an der University of California Los Angeles genehmigt ethische Leitlinien entwickelt.

1. Herstellung von auditiven und visuellen Stimuli

1. Der Einsatz von Software, in der visuelle Bilder erzeugt werden können, erstellen Sie zwei Graustufensinuskurve Gitter, etwa 5,7 Zoll im Durchmesser und von einer beliebigen Frequenz (beispielsweise 1,36 Zyklen / Grad der Sichtwinkel). Die Bilder werden über eine Dauer von 100 ms auf dem Bildschirm.
   1. Kippen Sie eines der Gitter etwa 10 visuelle Grad nach rechts von der mittleren, und kippen Sie das andere Gitter die gleiche Menge auf der linken Seite des Gitters.
   2. Stellen Sie sicher, dass der Grad der Neigung ist ausreichend, um die Teilnehmer zu einer Linksneigung von einem rechten Neigung, ohne sich auf zu raten zu unterscheiden.
2. Der Einsatz von Software, in der auditiven Töne erzeugt werden können, erstellen Sie zwei reine Töne von 100 ms Dauer.
   1. Make einer der Töne einer höheren Tonlage und die andere aus einem unteren Spielfeld. Zum Beispiel kann eine Teilung 750 Hz und die andere 900 Hz betragen.
   2. Wie bei den visuellen Reizen, sicherzustellen, dass die Töne sind deutlich genug, so dass die Teilnehmer können zwischen ihnen zu unterscheiden, ohne sich auf zu raten.

2. Programmierung der Stimuluspräsentation

1. Verwenden von Präsentationssoftware, erstellen Sie die Computercode, der die Präsentation der auditiven und visuellen Stimuli während des Experiments zu kontrollieren wird.
   1. Wählen Sie zuerst die Anzahl der Reize präsentiert werden. Vorliegenden mindestens 150 von jedem der visuellen und auditiven Reizen pro Versuchsbedingung, um sicherzustellen, daß es genügend Wiederholungen für eine zuverlässige neurophysiologische Antwort.
   2. Vorhanden visuelle Reize zentral auf einem grauen Hintergrund, mit dem Teilnehmer sitzen an einem angenehmen Abstand. Präsentieren Sie die auditive Reize über die Lautsprecher auf beiden Seiten des Geröll positioniertn.
      Hinweis: Für die visuelle Reize empfehlen wir einen grauen Hintergrund, mit RGB-Werte im Mittelpunkt (128.128.128) zwischen reinem Weiß (255,255,255) und reines Schwarz (0,0,0), mit der weißen und schwarzen in Erzeugung der Sinuskurve verwendet Reize. Dies gewährleistet, dass die mittlere Helligkeit des Hintergrundes und Stimulus vergleichbar, und der Kontrast zwischen einem beliebigen Punkt in dem Stimulus und dem Hintergrund konstant ist.
   3. Für jede der auditiven und visuellen Reizen, unabhängig wählen Sie das Timing für die Reize.
      Anmerkung: Dies verhindert, dass die Teilnehmer aus Antizipation Stimuli basierend auf zeitlichen Beziehungen zwischen den beiden Strömen.
   4. Verwenden Sie ein Inter-Stimulus-Intervall (ISIS) von ca. 1 sec zwischen aufeinanderfolgenden Vorträgen von Reizen aus der gleichen Modalität. Langsamer ISIs wird die Aufgabe anspruchsvoller an Wachsamkeit zu machen, kann schneller ISIs es unmöglich für die Teilnehmer, ihre Antworten in der Zeit zu machen.
   5. Variieren Sie die genaue ISI zufällig in einem Bereich, wie beispielsweise 0,7 bis 2 sec, ummachen die Reize unvorhersehbare den Teilnehmern verhindert neuronalen Antworten mit Vorfreude verbunden.
   6. Da grenzüber modal Wechselwirkungen können aus gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig auftreten dargebotenen Stimuli ^21,22, halten Sie die ISI zwischen Reizen aus zwei verschiedenen Ströme auf nicht weniger als 300 ms.
2. Stellen Sie sicher, dass die auditive und visuelle Reize scheinen den Teilnehmern auftreten verschachtelt, aber nie gemeinsam auftreten.
3. Schließlich teilen sich die Reize in Segmente von fünfundzwanzig. Diese Segmente werden von einer der drei zufällig ausgewählten Aufgabeninstruktionen, die im nächsten Abschnitt beschrieben vorausgehen.

3. Aufgabenanweisung

1. Richten Sie die Teilnehmer auf die Aufgabe vor dem Sammeln neurophysiologischen Maßnahmen der Hirnaktivität.
   1. Weisen Sie die Teilnehmer zur Teilnahme und auf den Gehör Töne und die visuelle Reize zu ignorieren, wenn der Befehl "Listen". Legen Sie diese Anweisung both durch akustische und visuelle Mittel.
   2. Weisen Sie zwei Tasten für die Teilnehmer, Reaktionen auf jeden Ton zu machen. Zum Beispiel: "drücken Sie die linke Pfeiltaste, wenn der Ton ist hoch und Pfeil nach rechts, wenn der Ton ist niedrig", wenn der Befehl "Listen".
   3. In ähnlicher Weise anweisen Teilnehmer zur Teilnahme und auf die visuelle Gitter und die auditive Reize zu ignorieren, wenn der Befehl "Suchen".
   4. Weisen Sie zwei Tasten für die Teilnehmer Antworten auf die optische Gitter zu machen. Zum Beispiel: "drücken Sie die linke Pfeiltaste, wenn das Gitter nach links und Pfeil nach rechts gekippt wird, wenn das Gitter nach links geneigt".
      1. Verwenden Sie die gleichen zwei Tasten für visuelle Reize wie für auditive Reize, die Interferenz zwischen den Modalitäten und daher die Notwendigkeit, die Aufmerksamkeit Kontrollmechanismen einsetzen zu verbessern.
   5. Schließlich instruieren die Teilnehmer keine Antworten zu machen, wenn der Befehl "passiv", aber dafür sorgen, dassTeilnehmer die Augen offen halten und sich auf dem Bildschirm.
2. Während der gesamten Aufgabe Sitzung wechseln Sie den Anweisungen für "Hören" und "Look" zwischen den Segmenten, um eine zuvor besuchte Modalität irrelevant zu wechseln, so dass es ein potenter Distraktor.
3. Erinnern Sie die Teilnehmer, ihre Augen auf die Mitte des Bildschirms, oder einen kleinen Punkt oder Fadenkreuz an der Position des visuellen Stimulus präsentiert fixiert zu halten und ihre Augen während des gesamten Versuchs offen zu halten.
4. Erstellen Sie in acht to 10 Sekunden Pausen zwischen den Segmenten zu Auswirkungen von Müdigkeit zu mildern, dass die Teilnehmer, ihre Augen ruhen, sowie mehr 1-2 min Pausen alle 6-8 min.
5. Schließlich bieten jedem Teilnehmer mit viel Praxis, um sicherzustellen, dass sie die Aufgabe richtig durchführen. Es kann von Vorteil sein, vor allem für Teilnehmer, die Aufmerksamkeit Schwierigkeiten haben, die visuellen und auditiven Aufgaben mit der besuchten Strom in i vorgestellt zu übensolation, ohne die gleichzeitige Darstellung des Distraktors Strom.

4. Neurophysiologische Data Collection

1. Sobald die Teilnehmer mit der Aufgabe vertraut sind, beginnen Sammlung von neurophysiologischen Reaktionen auf besucht und ignoriert Signale während der IMAT.
2. Bereiten Sie die Elektroenzephalographie (EEG) Kappe und einem Kontrollgerät gemäß den Anweisungen des Herstellers und in Übereinstimmung mit den geltenden Methoden und Standards für die Veröffentlichung EEG Forschungs ^26,27.
   Hinweis: Wichtig EEG Aufnahmeparameter für EEG-Aufzeichnung während der IMAT, dass Benutzer angegeben werden, sind: (a) Abtastrate von 128-1,024 Hz, um den Niederfrequenz von ERP-Signale zu erfassen; (B) Wechselstrom (AC) um die Aufnahme zu langsame Drift zu minimieren; (C) Netto mit Abtastung der gesamten Kopfhaut und mit mindestens 64 Sensoren, wenn Source Imaging Analysen durchgeführt werden sollen.
3. Übernehmen Sie die Kappe, um den Teilnehmer der Kopfhaut und überprüfen Signalimpedanz undQualität zu jedem der Sensoren. Achten Sie besonders auf, sicherzustellen, dass Impedanzen der Aufzeichnungselektroden sind einheitlich und im Bereich vom Hersteller empfohlen.
   Hinweis: Zu diesem Zeitpunkt werden keine zusätzlichen physiologischen Messeinrichtungen auch wolle er nicht-neuronalen physiologischen Signalen wie Atmung oder Puls sammeln hinzuzufügen.
4. Synchronisieren Sie die neurophysiologischen Aufnahmen mit dem Stimuluspräsentationssoftware und neurophysiologischen Aufnahmesoftware gemäß den Anweisungen des Herstellers.
5. Notieren Sie die neurophysiologische Signale, während die Teilnehmer übernimmt die Aufgabe, sicherzustellen, dass die Aufnahme-Software verfügt über eine präzise Aufzeichnung der Zeitsteuerung jeder Reiz und Reaktion zur nachfolgenden Analyse.

5. Offline-Datenanalyse

1. Bereiten Sie die neurophysiologischen Daten für die statistische Analyse unter Verwendung von Analyse-Software.
2. Entfernen Sie zuerst nicht-neuronalen Signalkomponenten, die Variabilität in die neurophy beitragenphysiologischen Aufnahmen der Hirnaktivität.
   1. Ist ein Hochpassfilter von 0,1-1 Hz, um eine langsame Drifts, wie sie durch Änderungen in der Impedanz des Sensors zu beseitigen.
   2. Verwenden eines Tiefpassfilters von 30-50 Hz zu hoch durch elektrisches Rauschen eingeführt Frequenzkomponenten zu entfernen.
   3. Identifizieren Sie Sensoren, die unzuverlässige Daten zeigen, und verstehen Sie diese oder zu interpolieren, die Signale.
   4. Identifizierung und Beseitigung großer selten Rauschkomponenten wie Muskel Artefakt aus Kiefer Kontraktion oder Bewegungen der Stirn, und systematischen, nicht-neuronalen Beiträge wie Augenbewegungen.
      Anmerkung: Typische Algorithmen zur Entfernung nicht-neuralen Komponenten zählen unabhängige Komponentenanalyse und Regressions sowie iterative Algorithmen auf der Grundlage expliziter Auswahlkriterien (beispielsweise Spannungsänderungen, die den Schwellenwert überschreiten). Folgen Sie Richtlinien der verfügbaren Analyse-Software, und gehen Sie gemäß den aktuellen Standards für die EEG Forschungs ^26,27.
3. Sobald großen nicht-neuralen Komponenten der neurophysiologischen Daten entfernt worden sind, erneut Referenz die Daten an jeder Elektrode durch Subtrahieren von jedem Sensor den Mittelwert über alle anderen Sensoren oder den Mittelwert über linke und rechte Mastoid Kanälen.
   Anmerkung: Dieser Schritt re-exprimiert die Wirkungen an jedem Sensor in Bezug auf eine neutrale Referenz, von der angenommen wird, auf Null neuronale Signale enthalten.
   Hinweis: Immer karger Elektrode Montagen kann keine ausreichende Probenahme, die Annahmen dieser Technik ^26,27 erfüllen. Im letzteren Fall kann der Mittelwert der linken und rechten Mastoid eine genauere Referenz.
4. Weiter Extrakt zeitlichen Epochen von ca. 1 sec jeden Gehör Umgebung und jedem visuellen Ereignis gezeigt. Fügen Sie 100 ms vor dem Beginn des Stimulus als Baseline-Intervall nach dem Beginn des Stimulus dienen und mindestens 600 msec.
5. Der Mittelwert der Daten aus allen Epochen, die in der gleichen Bedingung fallen - besuchte, ignoriert und passiv wahrgenommenen Reize &# 8212; zur Berechnung der durchschnittliche evozierte Reaktion Potential oder "ERP". Ziehen Sie den Mittelwert der Daten in der Pre-Stimulus Baseline erneut drücken die ERP-Amplituden als Änderungen in Bezug auf die Pre-Stimulus-Signal.
6. Um den Zeitverlauf der Teilnahme an Prozesse zu identifizieren, zu vergleichen, die Amplitude und Timing sowie räumliche Verteilung der ERP-Antwort nach besuchte Reize, gegen die während der passiven Zustand.
7. Um den Zeitverlauf der ignorieren zu identifizieren, zu vergleichen, die Amplitude und Timing sowie räumliche Verteilung der ERP-Antwort nach ignoriert Reize, gegen die während der passiven Zustand.

Ergebnisse

Die IMAT-Protokoll bereits verwendet wurde, um die einzigartige Beiträge für die Teilnahme an und ignorierte Prozesse, Reaktionsgeschwindigkeit während anhaltende Aufmerksamkeit ¹⁸ zu identifizieren. In dieser Studie untersuchten wir 35 gesunde Rechtshänder Personen (22 weiblich, Alter: x = 21,0, σ = 5,4), durch die Psychologie Abteilung unterliegen Pool an der University of California, Los Angeles rekrutiert. Alle Teilnehmer mit schriftlicher vor der Teilnahme an der Studie informierte Zustimmung. Repr?...

Diskussion

Prozesse, um die Teilnahme an und ignorierte in Aufmerksamkeitssteuerung Zusammenhang kann es sich um verschiedene Nervenbahnen und Zeitverläufe. Daher ist es von Nutzen, diese Vorgänge getrennt zu messen. Die IMAT ist ein Werkzeug, mit dem kann man neurophysiologischen Signale für die Teilnahme an und separat zu ignorieren zu erfassen, aber gleichzeitig, in anhaltende Aufmerksamkeit. Die kritischen Schritte umfassen die Messung der sensorischen neurophysiologischen Reaktionen, wenn der Teilnehmer ist auch dabei, zu ...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
NetStation Software	Electrical Geodesic, Inc.	version 4.5.1	Alternate recording software may be used.
Matlab Software	The MathWorks, Inc.	7.10.0 (R2010a)	Alternate analysis and presentation software may be used.
PsychToolbox Software	http://psychtoolbox.org/	v3.0.8 (2010-03-06)	Open-source software. Alternate stimulus presentation software may be used.
Netstation Amplifier	Electrical Geodesic, Inc.	300	Alternate amplifier may be used.
EEG Net	Electrical Geodesic, Inc.	HCGSN130	Alternate EEG cap may be used.
Saline-Based Electrolyte (Potassium Chloride)	Electrical Geodesic, Inc.	n/a	Electrolyte used in soaking of net for this high-impedance EEG system. Alternate electrolyte mediate can be used.