脳イメージングモダリティ間で転送認知タスク：fMRIの研究の作業の設計と結果の解釈のための含意

要約

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.

要約

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.

概要

認知神経科学の方法を開発したように、確立された実験のタスクは、新興の脳の画像診断法で使用されます。 （ 例えば 、別個のメモリ·サブコンポーネント）は、行動ドメインおよび特定の機能をプロービングするための適切な実験タスクで研究されてきた大部分の神経心理学的概念が開発され、テストされたので、これは論理的な進行です。新技術は、これらの行動観察の神経基盤の証拠を明らかになるように新しい脳イメージング法と求められている。それは単にイメージング研究のためによく研究された行動タスクに描画したくてもよいが、いくつかの重要な注意事項を考慮しなければならない。一つは、重要な、しばしば無視も、考慮は、さらに行動の証拠を探索するために最も適切な画像化技術を使用することである。認知神経科学と心理学の面では、神経ACTIVの理解を強化するために利用可能な多くの脳イメージングの方法があります興味の概念を根底にITY。例えば、脳波（EEG）、脳磁図（MEG）、経頭蓋磁気刺激（TMS）、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）及び陽電子放出断層撮影法（PET）である。これらの方法はすべて、それぞれの利点、欠点および適切な用途を有する。ここでのfMRI実験に行動および脳波実験の長い歴史を持つパラダイムを転送することが考えられる。脳波は、知覚や認知過程に関連した神経応答を調査するために何十年も使用されてきた。このように、多くのパラダイムは、この方法で使用するために開発されており、時間をかけて発展してきた。機能的MRIは、認知神経科学におけるより最近出現した技術であり、これはfMRIのに使用されるEEG研究で開発されたいくつかのパラダイムをもたらした。新しい技術を用いて脳波実験から知識ベースの上に構築するには、論理的なステップであるが、それにもかかわらず、いくつかの重要な点は、伝達では無視してもよい。技術aを非常に異なるとタスク再応じて設計される必要がある。これは、メソッドの動作と、特に、どのように使用されるパラダイムの潜在的な変調が講じた措置に影響を与える方法の知識が必要になります。 fMRIの実験計画の詳細について興味のある読者は、次のリンクを対象とするhttp://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/DesignEfficiency 。タスク設計は、fMRIの環境にEEG研究のために開発パラダイムを転送する文脈で考慮される。この論文の目的は以下のとおりです。ⅰ）簡潔のfMRIを記述し、その使用は、認知神経科学のが適切な場合する。 ⅱ）タスクのデザインは、そのタスクを他の画像モダリティから借りている場合は特に、fMRIの実験の結果に影響を与えることができる方法を説明するため;及びiii）のfMRI実験を実施する実用的な側面を説明する。

機能的MRIは現在、広く利用可能な？と思ったらですのiQueとして、認知神経科学で使用される一般的な方法である。技術は、fMRIの利点と欠点は、他の利用可能な技術に関連して考慮されなければならない特定の実験のために適切であるかどうかの決定を行うためである。この方法の欠点は、代謝反応（酸素要求）は血行動態応答で畳み込まという点で、むしろそれは神経活動の相関であり、それは神経活動の直接的な尺度ではないということである。したがって、その時間分解能は、測定された電気信号は、基礎となる神経活動ではなく、代謝反応に近い、例えば、例えば、電気生理学と比較して劣る。脳波は、fMRIの中で秒程度の解像度と比較して、ミリ秒のオーダーの時間分解能を持っています。しかし、fMRIの主な利点は、技術の空間分解能が優れていることがある。また、非侵襲的であるため、被験者は、共のような物質を摂取する必要はありませんntrast剤または陽電子放出断層撮影（PET）における場合のように放射線にさらされる。したがって、fMRIの脳領域が知覚、認知および行動に関与している調査する実験に適した技術である。

本論文では、視覚的変わり者パラダイムは、fMRIの（詳細については図1を参照）に十分に確立された脳波タスクを転送するための例に挙げている。これは、問題が他のパラダイムを使用した場合も結果およびデータの解釈に影響を与える可能性が議論され、技術的に全てのfMRI実験の設計において考慮されるべきであることに留意すべきである。オドボールパラダイムは、頻繁に注意を評価し、検出性能を標的とする心理、認知神経科学で使用されている。パラダイムは具体的には、脳波の研究で開発された事象関連電位（ERP）、いわゆるP300成分^1を調査するため。 P300は、標的検出を表し、の認識に誘発されるまれなターゲットは^1を刺激。 P300は、統合失調症とその親族^3、ヘビースモーカー⁴高齢化⁵での認知と臨床ドメイン² 例 、患者数全体での研究に使用されている。変わり者パラダイム（およびパラダイムによって誘発されるP300）は堅牢であり、また、異なる疾患状態によって変調されることを考えると、異なる撮像モダリティ間での移動は避けられなかった。

他の認知概念をプロービング多数のfMRIの研究によって示されているよう型破りのfMRI測定時の脳で見られる広範な活性化は、複数の認知機能の結果であることが知られている。活性化パターンのこの広範な性質は、それが困難な脳領域は実験者が興味あることに起因特定のタスク操作やグループの差異にアクティブ以上（または以下）であるかを決定することができます。具体的には、ACTIにおいて観察された差異どう定かではないvationは注目関連プロセスを、検出自体を標的とするように関連しているのか、それともそれらは、モータの応答の生成に関連する進行中の作業メモリプロセスまたはプロセスなどの他のタスクの要求に関連している。測定された活性に関数を割り当てる処理は、関心（ターゲット検出）の認知的成分はオドボール課題（P300）への明確な脳応答して測定された脳波ドメインに容易になります。それにもかかわらず、神経科学者ではなく別の説明を除外するための努力を入れても、自分の仮説と実験を支持してその結果を解釈する傾向がある。ほとんどの実験は、しかし、本質的にこ​​れらの重要な質問を解決することはできません - スキャン時間は高価である - 私たちはパラダイムの徹底した計画とパイロットテストのために主張している理由である。

脳領域と認知の構成要素間の直接リンク、また変わり者パラダイムの本質を確立する上で、この困難に加えてfMRIのに転送されたときに、他の可能な方法論的な問題を提示します。例えば、標的刺激の検出は、通常、応答ボタンを押すことによって示される。これは、実験者が応答の精度と速度を記録するが、この応答はまた、刺激を標的とするためにfMRIのBOLD応答に影響を与える可能性があることができる。刺激 - ロックされたfMRIの活性化にボタン押下の影響のために必要なモータ動作は、それだけで数百ミリ秒のターゲット刺激の提示後に起こること与えられた。運動反応の準備に関与例の脳領域が誤って標的刺激を検出し、その逆も同様に関与していると仮定されるかもしれないために、これはまた、その活性化の解釈に影響を与えることができる。これは、モータの応答に依存しない目標検出の間接的な対策が、取られることにより、方法論的な変更をもたらした。例えば、標的刺激をカウントすることを確認被験者がattentiを維持するようにする方法として^6が提案されているタスク上の上。試行回数は、被験者がいかに不注意示すことができます逃した。タスクの終了時にカウントされた刺激の数を報告することも実験者は被験者が正しくタスクを実行したかどうかを確認することができることを意味する。第三の選択肢は、被験者が本質的に目標検出のような応答を誘発するために想定される応答する方法には、命令および標的刺激の新規性を与えられていない、完全に受動的なタスクの設計を使用することである。タスクの認知およびモーター需要が^7,8異なるため刺激および基本設計の同じタイプを使用してタスクのこれらのバージョンにもかかわらず、タスクの各変動による活性化パターンが異なります。例えば、受動的視聴時に必要とされることはありません念頭に置いてターゲット刺激の現在の数を保持して、 例えば 、標的刺激を数えるに関わる記憶過程を、作業があるでしょう。パッシブオドボール課題の以下は、これらの3つのバージョン、、カウント、ND 応答は、タスクの要求でこれらの変化を考慮し、結果の適切な解釈を可能にする方法を慎重にタスクの設計と実装を示すために使用されている。

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プロトコル

注：研究プロトコルは、アーヘン工科大学で地元のヒト対象審査委員会によって承認され、ヘルシンキ宣言に従って実施した。

1。作業の設計

1. 興味のある認知/心理的構築物を調査するために、適切なタスクを選択してください。目標検出応答と目標検出に対する注意の効果を測定するために、視覚的オドボール課題（ 図1）を使用します。これはfMRIのデータ上のタスク操作の影響を調査することができます。
2. オドボール課題は3つのバージョンを使用してください。
   1. パッシブバージョン：視覚刺激を観察する対象を確認して下さい。どんな応答を検出しないでください。
   2. サイレントカウントバージョン：ターゲット刺激をカウントする対象を確認して下さい。このタスクは、これらの刺激と判別処理に向けて注意を向ける必要があります。
   3. バージョンを応答 ：taのを見てすると応答ボタンを押して、被写体を掲載目標刺激。このタスクは、注意、識別プロセス、および選択/刺激を標的とする応答の生成を必要とする。
3. 堅牢な応答に必要試行適切な数を考慮してください。 fMRIの測定における信号対雑音比が比較的低く、関心⁹の効果を調べるために平均化される応答の数を必要とする。これは使用するタスクと刺激モダリティに依存します。 200試験では、堅牢な応答を誘発するのに十分な目標裁判である40そのうち、この作業で使用されている。
4. 刺激のシーケンスのタイミングを決定します。刺激のタイミングが提示率¹⁰を考慮するためのfMRIの研究で非常に重要です。刺激開始と測定された脳の反応（ 図2）との間の血行動態応答遅れを考慮してください。
   1. 妥当な時間内に十分な刺激を提供するとのバランスを維持し、血行動態解像度の十分なサンプリングを可能にするベースラインへの復帰を含め、それぞれの刺激にponse。 、optseqソフトウェアをダウンロードしインストールして実行。最適試行回数、刺激持続時間及び走査パラメータ（繰り返し時間とボリュームの数）に基づいて、実験間で比較試験を配布するoptseqを実行します。
5. 被験者にパラダイムを提示するための適切なプログラムでの刺激（以前に決定される）の順序を実装します。
   1. 刺激は、タイミングと応答の種類の面でパラダイムに関連するすべての情報を指定します。
      注：各パラダイムは意志異なるソフトウェア·パッケージなどの異なる要件を持つことになりますので、プログラミングの詳細はここに提示されていません。
6. それは、スキャナからのトリガで開始されますように、実験的なパラダイムを提供するプログラムをセットアップします。これは、取得したデータと提示刺激のシーケンスの同期を可能にする。

2セットアップ実験環境

1. Prはスキャナ室をepare。スキャナベッドに正しいヘッドコイルの底部に接続します。スキャナベッド、クッションにきれいな保護カバーを置きます。
2. 被験者に、実験パラダイムを提示し、ハンドヘルドデバイスを使用して応答を記録するための表示装置を使用する。表示装置と「オン」ハンドヘルドデバイスを切り替えます。
3. 実験的なパラダイムを提供し、ログファイルの名前を提供するソフトウェアを起動します。ログファイルは、刺激の被写体による応答のタイミングに関する情報が含まれています。この情報は、データを分析するために使用する。
4. MRスキャナデータベースに件名を登録します。固有の識別番号を使用して、レコードデータ。プライバシーを保証するためのデータと、被験者の名前を保管しないでください。
5. 実行されるMR配列がセットアップして準備ができていることを確認します。以下の配列を使用します。ローカライザーは、コイルの内側に被験者の頭部位置を取得するためにスキャンし、EPIシーケンスのfuのために高解像度の構造スキャンのnctionalイメージングおよびMPRAGE。

スキャナーの3科目到着とエントランス

1. （募集の手順の間に、 例えば ）は、実験の前にMRIと禁忌の対象を選別。
   1. スキャン前のMR安全指示を提供します。 （訓練を受けた者による）の被験者のスクリーニングを行います。被験者の安全性を確認してください。彼らはペースメーカーのような装置を持っていない、自分の体には金属を持たず、他の除外基準を満たしていないことを確認してください。
2. 被験者の到着時にスクリーニング質問票をチェックして、先に進む前に、それらの互換性を確認。
3. 被験者に実験手順を説明し、質問をする機会を提供しています。同意とデータ保護のフォームに署名するサブジェクト情報を確認して下さい。
4. 実験は訓練を必要とする複雑なタスクが含まれている場合には、被験者が前gの実行練習を実行することをお勧めしますスキャナでoing。
5. 被験者はいずれのコイン、ベルト、時計·宝飾ことなく、自由な金属であることを確認してください。確認されると、スキャナ室に件名をしましょう​​。
6. 耳栓を着用してスキャナベッドの上に座るために対象情報を確認して下さい。ここで使用される耳栓は、走査中にスキャナからのノイズに対する保護を提供し、また研究者が制御室から被写体と直接通信することを可能にする。一部の施設ではヘッドフォンは対象との通信に使用されている。
7. スキャナベッドに横にサブジェクト情報を確認して下さい。サブジェクトに背中の痛みを軽減する膝の下に行くためにクッションを提供。被検者の快適さは彼らの幸福とデータ品質のために重要である。不快感から生じる運動は、タスクのパフォーマンスに影響を与える不快感に起因するイメージングデータと気晴らしにマイナスの影響を与えることになる。
8. 被検者の頭の上にヘッドコイルの上部を配置し、コネクタに差し込みます。主題を置き217;適切に頭部コイル内の頭。被験者の眉毛に沿ってヘッドコイルに小さなマーカを合わせます。被写体が真っ直ぐで快適な嘘をついていることを確認してください。コイル表面は、顔（ 例えば 、鼻を押す）には触れないようにしてください。
9. スキャン中に頭の動きを最小限に抑えるために、小さなクッションと被験者の頭部を固定します。頭の動きは、データの品質に負の影響を与える。
10. 背後の画面に表示された実験パラダイムを参照するには対象のための頭部コイルの上に鏡を置きます。被写体が画面全体を見ることができることを確認してください。被検者の位置に応じて取り付けられたミラーを移動します。眼鏡をかけた被験者は、MR互換メガネを着用しなければならない。ほとんどのMRI研究施設は、互換性のあるレンズやゴーグルを持っています。この場合、ミラーを保持しているフレーム上のMR対応レンズをマウントします。被験者がスキャナ室に入る前に、適切なレンズ強度を決定します。
11. ハンド主題緊急呼び出しボタントン必要に応じてOスキャンを停止します。被験者はボタンがどこに知っていて、彼らは簡単に到達できるようにしてください。
12. スキャナのボアの入口に対象を移動します。この手順の間に目を閉じるようにサブジェクト情報を確認して下さい。正しい位置を確立するために、ヘッドコイルの小さなマークの光を合わせます。
13. 表示が「0ミリメートル」を読み取るまでスキャナのボアに対象を移動します。これは、被験者の頭部は、スキャナのアイソセンタにあることを意味する。
14. サブジェクトに応答装置を手渡す。

4。実験手順

1. 被写体がインターホンを介して、被験者が快適で開始する準備が整っていることを実験者を聞くことができるかどうかをチェックします。
2. スキャナ内の被検者の頭部の位置を取得するためにローカライザースキャンを実行します。測定対象の脳の部分を決定するために、残りの測定値の全ての視野を配置するために使用します。
3. 最初のP高解像度の構造スキャンをerform。 MPRAGEシーケンス/プログラムを開いて、視野を置きます。全体被験者の頭部が視野内にあることを確認してください。 MP-RAGEパラメータ：TR / TE = 2,250 / 3.03ミリ、= 9°フリップ角、176矢状スライス、FOV 256×256ミリメートル、64×64マトリックス、ボクセルサイズ1×1×1ミリメートル）。
4. 被写体がスキャンを開始してから測定を開始することを知ってみましょう。
5. 機能的MRIスキャンを実行します。
   1. スキャナコンピュータ上のEPIシーケンスを開き、脳全体をカバーするために視野を合わせます。 EPIパラメータ：33スライス、スライス厚3ミリメートル、FOV 200×200ミリメートル、64×64マトリックス、繰り返し時間2000ミリ秒、エコー時間30ミリ秒、フリップ角79°。
   2. 単一ボリュームのテスト測定を実行します。被験者の脳の全体（または可能な限り）は、視野の中に含まれていることを確認します。
      注：被験者は頭（脳）の異なる形状およびサイズ​​がある。したがって、最適のフィールドを配置する各被験者のためのビュー。
   3. ビューの位置付けフィールドは、次の測定のために同じままであるようにfMRIのシーケンスをコピーします。この場合の測定、304のために必要なボリュームの数を入力します。
   4. パラダイムを提示するソフトウェアは、スキャナからのトリガを待っていることを確認してください。それがロードされ、待つように設定することができるようなパラダイムは、スキャナからのトリガーなしで起動しません。
   5. 実験を開始しようとしている対象を通知します。測定を開始します。
   6. パラダイムを提示するソフトウェアが（それはスキャナによってトリガーされるIE）適切な時期に開始することを確認してください。
   7. 、 パッシブ 。オドボール課題は3つのバージョンを実行して、 カウントし、 応答します 。
   8. 安心を提供するための実行間に被験者に話す。彼らの快適さを確認してください。被験者が研究を継続することを可能にするかどうかを尋ね。今後のタスクの件名を指示します。
   9. 第1の受動 Cを実行onditionは、ターゲット刺激が実際に刺激をターゲットとしている知識がなくても、真の受動的視聴を確保する。数の順序を相殺し、次の効果を防​​ぐために、被験者全体の状態を応答します。

実験5。終了

1. 実験はスキャナ室に入る終了したことを主題に通知します。
2. スキャナから対象をスライドさせます。
3. ヘッドコイルやクッションを取り外します。
4. ゆっくり座ってサブジェクト情報を確認して下さい。彼らが快適であるならば、対象は立ち上がって、スキャナ室を残すことができます。
5. 実験後に完了する必要があるすべてのアンケート/事務処理を管理する
6. 件名報告会：これは実験の前に、完全に不可能であった場合は、研究の目的と目的についての説明で対象を提供し、質問をする機会を提供する

6。データ解析

1. analyziするのに適しているソフトウェアパッケージを使用して、ngのfMRIのデータ。各被験者と個別に各条件の最初のレベルのデータ解析を行います。
   注：fMRIのデータ分析にFMRIBソフトウェアライブラリ（FSL）を使用します。
2. さらなる分析のためにデータを準備するための標準的な前処理ステップを適用する。
   注：モーション補正、スライスタイミング補正、構造的および機能データのcoregistration、空間スムージング、ハイパス時間フィルタリング、標準（ 例えば 、MNI）空間に個人の正常化：次の手順を適用します。 fMRIの中でこれらのステップの概要を検索Huettel ら ^{、（2008）9}とJezzard ら ^{、（2001）11}教科書。前処理ステップを実行する方法について具体的な情報は、ウェブサイト上で、各個人のソフトウェア·パッケージのサポート資料に記載されています。
3. 統計分析のために、すべてのイベントの開始時間と継続時間を指定します。これらは、説明変数（電気自動車）、または説明変数と呼ばれる。
4. 判断するためにコントラストを設定しますその電気自動車が比較される。目標>非標的刺激：次のコントラストを設定し、ターゲット刺激の検出に特異的なBOLD活性化を同定するために、。
   注：必要に応じて他のコントラストを使用します。ベースラインとターゲット刺激を;ベースラインに対する非標的刺激;ターゲット刺激>非標的刺激;非標的刺激>ターゲット刺激
5. 各被験者と個別に各条件で最初のレベルの統計分析を実施する。分析の出力は、それぞれのコントラストの各アクティブ脳領域を示している。
6. 3本の第2レベルを使用して条件、またはグループレベルを比較し、分析します。グループレベルの分析のための入力として最初のレベルの分析の出力を使用してください。
   注：以下のコントラストを伴う3倍に2群の違いのデザインを使用して、ターゲット>頻繁なコントラストに条件間の元の用紙⁷の違い：カウント>、受動>の対応カウント>パッシブ、応答します。これらのコントラストは3応答モダリティ間で認知過程の変化に関連した脳活動を明らかにした。

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結果

刺激および分析方法は、視覚的オドボール課題に関連した脳領域におけるBOLD活性化を誘発した。目標>非標的コントラストがパッシブ状態のための活性化を明らかにしなかったが、数と応答します（ 図3）の両方で活性化を明らかにしました。 図3に示されたデータは、カウントの定性的な比較で、条件に応答して、タスクの各バージョンが孤立して実行された場合...

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ディスカッション

私たちは、 数にBOLD活性化の異なるパターン視覚オドボール課題結果のタスクの要求を操作し、条件に応答することを示している。不適切に割り当てられたであろうそれぞれの条件に関与した領域のうちのいくつかの機能的役割は、比較のために利用できなかったタスクは3つのバージョンからのデータを持っていた。データ解釈のこの曖昧さは、必ずしもタスクを別の画像モダ?...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Magnetom Tim Trio 3 T 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	30 inch 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 analyzing fMRI data, for example SPM, AFNI and Brain Voyager.