Indagare i meccanismi neurali della memoria Paura Aware e inconsapevoli con fMRI

Riepilogo

Una metodologia per studiare i meccanismi neurali che supportano i processi di memoria consapevole e inconsapevole durante il condizionamento alla paura è descritto. Questo metodo controlla il livello di ossigeno nel sangue dipendente (BOLD), la risonanza magnetica funzionale, la risposta di conduttanza cutanea, e la speranza di stimolo incondizionato durante il condizionamento pavloviano paura per valutare i correlati neurali dei processi di memoria distinti.

Abstract

Condizionamento pavloviano la paura è spesso usato in combinazione con la risonanza magnetica funzionale (fMRI) negli esseri umani per studiare i substrati neurali di apprendimento associativo ^1-5. In questi studi, è importante fornire la prova del comportamento di condizionamento per verificare che le differenze nell'attività cerebrale di apprendimento sono legate e correlate con il comportamento umano.

Studi condizionamento alla paura spesso monitorare le risposte autonomiche (es. risposta di conduttanza cutanea; SCR) come indice di apprendimento e memoria ^6-8. Inoltre, altre misure comportamentali in grado di fornire preziose informazioni circa il processo di apprendimento e / o di altre funzioni cognitive che influenzano condizionata. Ad esempio, l'impatto stimolo incondizionato (UCS) aspettative sono l'espressione della risposta condizionata (CR) e la risposta incondizionata (UCR) è stato un argomento di interesse in diversi studi recenti ^9-14. SCR e le misure di aspettativa di UCS sono state recentemente utilizzate in combinazione con la fMRI per studiare i substrati neurali di apprendimento paura consapevoli e inconsapevoli e processi di memoria ^15. Anche se questi processi cognitivi possono essere valutate in una certa misura a seguito della sessione condizionata, post-condizionamento valutazioni non possono misurare le aspettative di uno studio-to-trial titolo e sono soggetti a interferenze e dimenticando, così come altri fattori che possono alterare i risultati ^16,17 .

Monitoraggio delle risposte autonomiche e comportamentali in contemporanea con fMRI fornisce un meccanismo attraverso il quale i substrati neurali che mediano le relazioni complesse tra processi cognitivi e le risposte comportamentali / autonomo può essere valutata. Tuttavia, il monitoraggio delle risposte autonomiche e comportamentali in ambiente MRI pone una serie di problemi pratici. In particolare, 1) dotazione di serie il controllo comportamentali e fisiologiche siano costruite con materiale ferroso che non può essere tranquillamente utilizzato in prossimità dello scanner MRI, 2) quando l'apparecchio è collocato al di fuori della camera di risonanza magnetica, i cavi proiettando al soggetto può portare disturbi RF che produce artefatti nelle immagini cerebrali, 3) artefatti può essere prodotta entro il segnale di conduttanza cutanea passando gradienti durante la scansione, 4) il segnale fMRI prodotta dalle esigenze motore di risposte comportamentali può avere bisogno di essere distinti da attività relative ai processi cognitivi di interesse . Ognuno di questi problemi possono essere risolti con modifiche alla configurazione di apparecchiature di monitoraggio fisiologico e ulteriori procedure di analisi dei dati. Qui vi presentiamo una metodologia per monitorare simultaneamente le risposte autonomiche e comportamentali durante la fMRI, e dimostrare l'uso di questi metodi per indagare i processi di memoria consapevole e inconsapevole durante il condizionamento alla paura.

Protocollo

1. Psicofisiologia

Il Biopac Systems, sistema di monitoraggio fisiologico Inc. (vedi Tabella di attrezzature specifiche) non è standard attrezzature in strutture più immagini. Calendario 15-30 minuti prima dell'arrivo dei partecipanti per impostare il monitoraggio fisiologico e altre apparecchiature descritte in questo protocollo (Figura 1).

1. Collegare una sala di controllo operativo del computer AcqKnowledge (Biopac Systems, Inc.), software di monitoraggio fisiologico alla MP150 Biopac (MP150WSW) utilizzando un cavo crossover Ethernet standard (CBLETH2).
2. Collegare il Biopac isolata Digital Interface (STP100C) per una presentazione di controllo operativo sala computer (sistemi neurocomportamentali, Inc; Albany, CA) software utilizzando un DB25 M / F cavo a nastro.
3. Collegare il Biopac GSR amplificatore (EDA-100C-MRI) per l'interferenza RF filtro (MRIRFIF) all'interno della sala di controllo con un cavo schermato estensione (MECMRI-3).
4. Collegare il filtro interferenze RF (MRIRFIF) ad un cavo di estensione schermato (MECMRI-1) all'interno della camera di scansione MRI.
5. Collegare il cavo schermato estensione per portare i cavi in ​​fibra di carbonio (LEAD 108) che si attaccano agli elettrodi Radio traslucido (EL508). Nota: La torsione del conduce in una spirale stretta riduce gli artefatti nei dati conduttanza della pelle che possono essere creati durante la scansione.
6. Collegare gli elettrodi Radio traslucido (EL508) alla falange distale del dito medio e l'anulare della mano sinistra del partecipante.
7. A causa della natura di scansione attrezzature, risonanza magnetica temperatura ambiente della camera sono spesso al di sotto 21 ° C. Coprire il partecipante con una coperta per mantenere la temperatura a mano.

2. Le risposte comportamentali (joystick)

1. Collegare una sala di controllo del computer del software operativo di presentazione (Sistemi neurocomportamentali, Inc; Albany, California) per il joystick Interface Unit fORP (disegni attuali, Inc, Philadelphia, PA) utilizzando un cavo mini-USB.
2. Collegare un cavo in fibra ottica per l'unità di interfaccia fORP all'interno della sala di controllo, quindi passare il cavo attraverso una guida d'onda nella camera di risonanza magnetica.
3. Collegare il cavo in fibra ottica per la MR-compatibile joystick.
4. Ai partecipanti di posizionare il joystick in una posizione comoda e facilmente raggiungibile.

3. Presentazione stimolo

1. Collegare una sala di controllo del computer software operativo Presentazione alla porte esterne VGA e audio del IFIS-SA (Invivo Corp., Orlando, FL) consolle di controllo camera (Figura 1).
2. Controllare le connessioni in fibra ottica tra la console sala di controllo IFIS e l'interfaccia IFIS Unità periferica all'interno della camera di risonanza magnetica, così come i collegamenti tra l'Unità e la Peripheral Interface Audio / Visual Display Unit.
3. Posizionare l'Audio / Visual Display Unit dietro la testa-coil in modo che il partecipante può visualizzare sul monitor attraverso uno specchio attaccato alla testa-coil.
4. Collegare cassa acustica interfaccia Audio / Visual Display Unit per cuffie stereo del sistema IFIS MR-compatibili che utilizzano tubi in vinile.
5. Calibrare il volume di stimoli uditivi utilizzando un fonometro di pressione.

4. Procedura sperimentale

1. Informare i partecipanti che 2 toni saranno presentati più volte nel corso dello studio, e che il volume dei toni varia sopra e sotto la loro soglia percettiva (Figura 2).
2. I partecipanti diretti a spingere un pulsante sulla scatola joystick immediatamente dopo aver sentito sia il segnale, quindi di aggiornare le loro aspettative di ricevere l'UCS muovendo il joystick per controllare la posizione di una barra di voto su una scala da 0 a 100 (Figura 3).
3. Istruire i partecipanti a valutare la loro aspettativa di UCS su una scala continua da 0 a 100. Informarli che i rating pari a 0 indicano che sono certo l'UCS non saranno presentate, le valutazioni di 50 indicano che sono incerti se il sistema UCS sarà presentato, e le valutazioni di 100 indicano che sono certo l'UCS saranno presentati. Ai partecipanti di utilizzare altri valori sulla scala per indicare aspettative intermedi. Poi, permettere ai partecipanti di praticare utilizzando il joystick per fare valutazioni.
4. Esporre i partecipanti ad una procedura di condizionamento differenziale paura con 2 toni (700 e 1300 Hz; durata 10s, 20s ITI) come stimolo condizionato (CS) e un forte rumore bianco (100dB, 500ms) come l'UCS.
5. Presenti 60 studi del + CS (coterminating con l'UCS) e 60 prove del CS-(presentata senza il UCS) in un ordine pseudo tali che non più di 2 studi dello stesso CS sono presentati consecutivamente.
6. Controbilanciare i toni che servono come il CS + e CS-tra i partecipanti.
7. Modulare il volume del CS + e CS-indipendente. Regolare il volume CS sul successivo processo con lo stesso CS. Diminuire il volume CS 5dB se pressione di un pulsante è fatto (cioè di un processo percepita). Aumentare il volume se 5dB pressione di un pulsante non è fatto (cioè a seguito di un processo impercettibile).

ve_title "> 5. Procedura di scansione

1. Standard di raccogliere immagini ad alta risoluzione strutturale pesate in T1 (ad esempio MPRAGE) che funga da riferimento per i dati anatomo funzionale.
2. Raccogliere fMRI BOLD del cervello durante tutta la procedura di condizionamento. Trentasei, 4mm fette spesse dovrebbe essere sufficiente a coprire il cervello con i parametri di imaging relativamente standard (ad esempio TR = 2000 ms, TE = 30ms, FOV = 24cm, matrice 64x64). Sincronizzare l'acquisizione fMRI con presentazione dello stimolo utilizzando una scatola fMRI grilletto.

6. SCR acquisizione dati e analisi

1. Esempio di conduttanza cutanea a 2.000 Hz utilizzando AcqKnowledge software e la MR-compatibile sistema di monitoraggio fisiologico Biopac descritto nella sezione 1.
2. Applicare un 1 Hz Infinite Impulse Response (IIR), filtro passa-basso digitale ai dati conduttanza della pelle per ridurre gli artefatti prodotti durante l'imaging (vedi Figura 4).
3. Ricampionare i dati conduttanza cutanea a 250 Hz.
4. Calcolare SCR come la differenza di livello di conduttanza cutanea dall'insorgenza risposta al picco di risposta.
5. Dati SCR può essere trasformato radice quadrata di normalizzare la distribuzione delle ampiezze di risposta prima dell'analisi statistica.

7. UCS Aspettativa di Acquisizione Dati e analisi

1. Campione (40 Hz) e registrare i dati aspettativa UCS utilizzando il software di presentazione.
2. Calcolare l'aspettativa di UCS come media (campione 1s) risposta durante l'ultimo secondo di presentazione CS.

8. Risonanza magnetica funzionale l'acquisizione dei dati e analisi

1. Pre-elaborazione di serie completa dei dati di imaging cerebrale (ad esempio fetta di correzione tempi, registrazione delle immagini, smoothing spaziale) utilizzando un pacchetto di analisi funzionale software di imaging (ad esempio AFNI ^18).
2. Creare fastidio standard (ad esempio il movimento) e di stimolo a base di regressori per prove percepiti e non percepiti del CS + e CS-, così come l'UCS.
3. Creare una risposta basata motore della forma d'onda di riferimento per servire come regressore fastidio per tenere conto di attività motoria legati alle risposte pressione del pulsante.
   1. Creare una funzione bastone che codifica per i tempi di risposta premere il pulsante.
   2. Condensa la funzione premere il pulsante bastone con la funzione canonica risposta emodinamica (HRF).
4. Crea risposta basata motore della forma d'onda di riferimento per servire come regressore fastidio per tenere conto di attività motoria legati alle risposte joystick.
   1. Creare una funzione bastone che codifica per la tempistica delle variazioni di pendenza (pendenza es. valore assoluto> 10) dei rating aspettativa di UCS.
   2. Condensa la pendenza funzione joystick rimanere con il HRF canonica.
5. Eseguire le analisi di primo livello con tutti i regressori stimolo-based e fastidio.
6. Eseguire un secondo livello, misure ripetute ANOVA per identificare regioni in cui l'attivazione mostra un effetto principale del CS tipo, un effetto principale della percezione, o di un tipo di percezione CS X interazione.

9. Rappresentante dei risultati:

La metodologia qui presentata in genere si traduce in valutazioni relativamente alta aspettativa di UCS durante percepito CS + prove e le valutazioni basse durante percepito CS-trial (Figura 5) ^10,15,19. Tali risultati indicano partecipanti sono consapevoli di CS-UCS contingenze. Sulle prove inosservato, l'aspettativa di rating UCS di solito restano invariate rispetto pre-CS rating. Aspettative UCS su questi inosservata CS + e CS-prove in genere rientrano vicino 50 partecipanti indicando è certi che l'UCS sarà presentato ^10,15,19 (Figura 5). Questa incapacità di produrre differenziali voti aspettativa di UCS al inosservati CS + e CS-indica che i partecipanti non sono in grado di esprimere la loro consapevolezza di contingenza sulle sperimentazioni condizionata inosservati (Figura 6). Al contrario, l'apprendimento modifiche relative a SCR sono stati osservati durante gli studi sia condizionata percepiti e non percepiti ^10,15,19. In particolare, SCR erano più grandi al percepita CS + rispetto al percepito CS-. Allo stesso modo, grandi SCR sono stati dimostrati durante inosservati CS + di quanto non percepito CS-trial ^10,15,19 (Figura 6). Presi insieme, questi dati comportamentali e autonomiche dimostrare condizionamento alla paura con la consapevolezza di contingenza sulle sperimentazioni percepito e condizionamento alla paura, senza la consapevolezza di contingenza sulle sperimentazioni inosservato. La ricerca di imaging funzionale utilizzando questa metodologia ha dimostrato di apprendimento legate all'attivazione dell'ippocampo sul percepito, ma non inosservati prove condizionata ¹⁵ (Figura 7). Al contrario, differenziale l'attività dell'amigdala è stata osservata in entrambi gli studi condizionata percepiti e non percepiti ^15. Questi risultati sono coerenti con la visione che l'ippocampo supporta i processi legati alla consapevolezza di contingenza, mentre l'amigdala supporta espressione CR con e senza consapevolezza.

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Figura 1. Schema di attrezzature di base per la presentazione dello stimolo e monitoraggio risposta comportamentale / psicofisiologiche. Software di presentazione viene utilizzato per presentare stimoli audio-visivi e monitorare le valutazioni aspettativa UCS fatto muovendo un joystick con la mano destra. AcqKnowledge Biopac software e le attrezzature sono utilizzati per monitorare la conduttanza della pelle dalla mano sinistra. Solido (Biopac), singolo linee tratteggiate (IFIS Audio-Visual), e doppia tratteggiata (fibra ottica joystick) raffigurano i cavi per la presentazione stimolo distinte e sistemi di monitoraggio della risposta. Frecce nere indicano la direzione del flusso di informazioni.

Figura 2. Stimoli condizionati. Presentare il CS + e CS-in un ordine pseudo tali che non più di 2 studi dello stesso CS sono presentati consecutivamente. Variare il volume del CS + e CS-indipendente. Se un CS è percepita (indicato da un pulsante), diminuire il volume CS 5dB sul processo successivo dello stesso CS. Se un CS è inosservato (indicato da non premere il pulsante), aumentare il volume CS 5db sul processo successivo con lo stesso CS.

Figura 3. Scala aspettativa UCS valutazione. Istruire i partecipanti a valutare la loro aspettativa di presentazione UCS su una scala da 0 a 100. Valutazioni di 0 indicano certezza l'UCS non saranno presentate, le valutazioni di 100 indicare certezza l'UCS sarà presentato, e valutazioni di 50 riflettono l'incertezza sul fatto che l'UCS saranno presentati. Valutazioni intermedie deve essere usato per indicare gradazioni nella speranza di UCS.

Figura 4. Confronto dei dati grezzi e filtrati pelle conduttanza. a) dati grezzi conduttanza cutanea raccolti durante fMRI. b) i dati di conduttanza della pelle dopo l'applicazione di un filtro passa-1Hz IIR basso.

Figura 5. Rating aspettativa di UCS. -I partecipanti genere segnalano alte aspettative UCS su percepita CS + prove e le aspettative basse sulla percezione CS-prove. Aspettative UCS su inosservata CS + e CS-prove non differiscono.

Figura 6. Aspettativa di UCS e SCR. Le differenze nell'aspettativa di UCS sono tipicamente osservati su percepita CS + e CS-prove che indicano i partecipanti sono consapevoli delle contingenze stimolo. Sulle prove inosservato, l'aspettativa di rating UCS tipicamente non differiscono indicando i partecipanti sono in grado di esprimere la loro consapevolezza di contingenza. Al contrario, le differenze di SCR condizionata si osservano di solito su entrambi i processi di condizionamento percepiti e non percepiti. Questi risultati riflettono la paura appreso con espressione (cioè sulle sperimentazioni percepita) e senza (cioè sulle sperimentazioni non percepiti) la consapevolezza di contingenza.

Figura 7. Risonanza magnetica funzionale l'ippocampo e l'amigdala. Le risposte dell'ippocampo sono generalmente più grandi al + CS di CS-on percepito, ma non inosservati prove condizionata. Differenziale risposte amigdala si osservano di solito in entrambi gli studi condizionata percepiti e non percepiti. Questi risultati sono coerenti con la visione che l'ippocampo supporta i processi legati alla consapevolezza di contingenza, mentre l'amigdala supporta espressione paura con e senza consapevolezza.

Discussione

La metodologia di condizionamento alla paura qui descritto fornisce un mezzo per indagare i meccanismi neurali dei processi paura consapevoli e inconsapevoli della memoria. Questo metodo sfrutta il monitoraggio simultaneo di dati comportamentali, autonomo e fMRI. Monitoraggio risposte comportamentali (ad esempio l'aspettativa di UCS) e autonomo (cioè SCR) è un componente fondamentale di questo metodo. L'aspettativa di UCS fornisce un mezzo per valutare la consapevolezza di contingenza, mentre SCR fornisce un i...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Attrezzatura	Azienda	Numero
Sistema Integrato di imaging funzionale (IFIS-SA)	Invivo Corp., Orlando, FL
Maestro unità di controllo (che si trova nella sala di controllo) Interfaccia unità periferica (che si trova nella camera di risonanza magnetica) Audio / Visual Display Unit (che si trova nella camera di risonanza magnetica), include: 6,4 "(diagonale) LCD screen video 640 x 480 di risoluzione e campo di 15 ° di vista interfaccia di cassa acustica pneumatico offre un suono in stereo MR-compatibile cuffie stereo
SISTEMA DI MONITORAGGIO FISIOLOGICA	Biopac Systems, Inc., Goleta, CA
Sistema di acquisizione dati e analisi per Windows (MP150) Isolato Digital Interface (interfaccia digitale) Risposta galvanica della pelle (GSR) Amplificatore MRI cavo / System Filter per impostare Trasduttore Amplificatore, comprende: Cavo di estensione RM (Camera di filtro) Filtro di interferenza RF Risonanza magnetica del cavo di estensione (amplificatore GSR per filtrare) Componenti aggiuntivi: DB25 M / F del cavo a nastro Elettrodi monouso radiotrasparente In fibra di carbonio porta		MP150WSW STP100C EDA100C-MRI MECMRI-TRANS - MECMRI-1 - MRIRFIF - MECMRI-3 CBL110C EL508 LEAD108
JOYSTICK	Design attuale, Inc., Philadelphia, PA
Legacy Joystick		HH-JOY-4
Legacy fORP interfaccia		FIU-005