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要約

この実験では、解剖学的に制約がある脳磁図 (ひらやままどか) メソッドを使用して、急性アルコール中毒の関数として認知的コントロールの婚約中脳振動ダイナミクスと長距離の機能の同調性を調べます。

要約

意思は分散、主に前頭葉の脳領域の動的な相互作用に依存しています。機能磁気共鳴イメージ投射 (fMRI) の研究から広範な証拠は、前方の帯状 (ACC) と外側前頭前皮質 (latPFC) がヒトの認知制御必須ノードであることを示します。しかし、その限られた時空間解像度のため fMRI できません正確に反映タイミングとその推定の相互作用の性質。本研究に「脳映画」の形で構造 MRI で一時的に正確な脳磁図 (MEG) 信号の分散の震源のモデル化を組み合わせた: (1) 認知制御に関与する大脳皮質領域の見積もり (「場所」)、(2) の特徴彼らの一時的な順序 (「いつ」)、および (3) リアルタイムで神経の相互作用振動ダイナミクスを定量化します。ストループ干渉は統合と応答の準備中に ACC、latPFC の認知要求に持続的な感度に続く競合検出中に ACC のイベント関連シータ (4-7 Hz) の力に関連付けられていた。位相同期の解析では、紛争を誘発するちぐはぐな試験中の増加神経同期シータ バンドを示すこれらの地域の co-oscillatory の相互作用を明らかにしました。これらの結果は、シータは長距離同期認知制御中にトップダウンの影響を統合するために必要な基本的なことを確認します。メグは、それに薬理学的操作に敏感な fMRI とは対照的に適した血管作動性神経の活動を直接、混同を反映しています。本研究では、健康社会酒飲みは被験者内デザインの適度なアルコール量とプラセボを与えられました。急性中毒は、ACC とアルコールがヒトの認知制御神経同期に有害であることを確認 latPFC のストループ競合と共同振動するシータ力を減衰します。それは欠乏自制、強迫的な飲酒への貢献可能性があります目的指向行動を妨げます。合計では、このメソッドが認知処理中にリアルタイムの相互作用への洞察力を提供することができ、関連するニューラル ネットワークを介した薬理学の課題に選択的な感度を特徴付けることができます。

概要

本研究の全体的な目標は、急性アルコール中毒による脳振動ダイナミクスと認知制御中長距離の機能統合の時空間的変化の影響を調べることです。採用のマルチ モーダル イメージング手法を組み合わせた脳磁図 (MEG) と構造の磁気共鳴画像 (MRI) とインタラクティブ システムのレベルの時間精度の高い意思決定の神経基盤に洞察力を提供します。

柔軟な動作は、コンテキストの要求の変化に適応し、さまざまなタスクと要件の意図と目標に一致して戦略的に切り替えることが可能になります。目標に関連するが非習慣性のアクションを支持して自動応答を抑制する能力は、認知制御の重要な側面です。広範な証拠を示唆ことそれは群主に前頭皮質ネットワークは、この対話型ネットワーク1,2,3,4の中央ノードと前帯状皮質 (ACC)。ACC と外側の前頭皮質の間豊富な解剖学的接続はよく説明5,6、認知制御、反応選択の間にこれらの地域の間の通信の機能特性実行が不十分な理解します。

理論7、8を監視非常に影響力の競合は、認知制御が内側と外側前頭前皮質の動的な相互作用から起こることを提案します。このアカウントには、ACC が競合する表現の間の競合を監視し、応答制御を実装し、パフォーマンスを最適化する外側前頭前皮質 (latPFC) を行っていますが写っています。ただし、このアカウントは主に血液酸素化レベル依存 (BOLD) 信号を用いた機能的 MRI (fMRI) 研究に基づいています。FMRI 大胆な信号は優れた空間マッピング ツール、神経血管結合を介した地域の循環動態の変動を反映するため、その時間の分解能が制限されます。その結果、BOLD 信号変化は多く遅い時間の尺度 (単位は秒) 基になる (単位はミリ秒) ニューラル イベント9より展開します。また、大胆な信号はアルコールの血管作動性効果10に敏感で、急性アルコール中毒の研究に適さなくなる神経の変化の大きさを正確に表さない可能性があります。内側と外側の前頭皮質、一時的に正確な方法で神経のイベントを記録する方法によって調べられるアルコール中毒の必要性への感度のため、推定される相互作用。メグは優れた時間分解能を以来、それは直接シナプス電流を反映しています。ここ採用解剖学的に制約のあるメグ (ひらやままどか) 方法を組み合わせたマルチ モーダル アプローチ分散構造 MRI と MEG 信号の震源のモデル化です。どこの競合・飲料関連脳律動変化が発生していると理解する、時系列(」と「)かかわる神経のコンポーネントの推定が可能です。

意思決定は認知制御に関するニーズの高まりに対処するため動的に従事している分散の脳領域との相互作用に依存しています。2 つの皮質間長距離同期イベント関連の変更を推定する 1 つの方法は、その共同振動11,12のインデックスとして結合の段階を計算します。本研究では、ACC と latPFC の co-oscillatory の相互作用を調べることにより理論を監視競合の基本的な教義をテストする位相同期解析が適用されます。シータ範囲 (4-7 Hz) の神経振動認知制御に関連付けられている、基本的な機構をトップダウン認知処理13,14に必要な長距離同期をサポートとして提案されています。 15,16。彼らは、前頭前野で作業の難易度の関数として生成され、急性アルコール中毒17,18,19,20によって減衰は大きく。

長期のアルコールの過剰摂取は、特に影響を受ける21,22である前頭前野の回路と認知障害の範囲に関連付けられます。急性アルコール中毒は、増加が困難、あいまいさ、または応答の非互換性17,23,24を誘発するこれらの条件の下で認知制御に有害です。意思決定に影響を与える、アルコール目標指向行動を妨げる可能性、貧しい自制心と増加を飲んで、可能性があります、トラフィック、または仕事関連危険25,26,27 にまた貢献するかもしれない.本研究は、シータ バンドと時間分解能が優れた主エグゼクティブ エリアとの同調性の振動の活動を測定するのにひらやままどかのアプローチを使用します。シータ活動と ACC と、latPFC との間の共同の振動に及ぼすアルコールはストループ干渉課題によって誘発される競合の関数として検討しました。我々 は、認知が高まるの大きい機能同期に関連付けられ、そのアルコール性不全内側と外側前頭前皮質の同期的活動の根底にある認知的制御における障害仮説します。

プロトコル

この実験的なプロトコルは、カリフォルニア大学サンディエゴ校で人間の被験者保護委員会によって承認されています。

1. 被験者

  1. 右利き成人健常者を採用、その同意を得る、包含/除外基準にそれらの画面します。
    注:この研究では、20 の若い、健康な個人 (平均 ± 標準偏差 [SD] 年齢 = 25.3 ± 4.4 歳) など 8 人の女性は、決して治療を受けてまたは逮捕薬物またはアルコール関連の犯罪は、いいえを報告した、適度に飲む人募集されました。煙も違法な物質、精神神経疾患または、現在健康上の問題の歴史を持っていない人で、薬を使用しない人短いミシガン州アルコール依存症スクリーニング テスト28日アルコール依存症に関連する症状は無料、ないです。強磁性体の内部のオブジェクト、またはインプラント。

2. 実験的なデザイン

  1. 3 メグ セッション (飲料入門セッションおよび相殺の方法でアルコールとプラセボが投与される 2 つの実験的飲料セッション)、および 1 つ構造 MRI スキャンを含む 4 回、各参加者をスキャンします。
    注:この被験者内デザインで参加者はアルコールとプラセボの両方のセッションに参加することによって、独自のコントロールとして機能します。このデザインは、誤差分散を削減しの脳の解剖学、行動、アルコール代謝で個々 の変動の影響を最小限に抑えることによって統計的検出力を高めます。

3. 収集するメグをスキャンします。

  1. 習熟セッションを実行します。
    1. 初期導入セッション中に管理アンケート参加者の医療の歴史、自分の飲酒パターンとアルコール依存症に関連する症状28,29、家族の歴史の重大度に関する詳細情報を取得するにはアルコール依存症の30と衝動性31,32を含む性格。
    2. 以下の手順でプロトコルに従うメグ スキャナーの初期録音を行う説明 3.2、3.3、および 3.5。すべての飲料を提供しません。タスクを説明し、練習バージョンできるように参加者の事前に精通を取得を実行します。
      注:実験的状況に馴化は、状況による覚醒33、それによりその後アルコールとそのディメンションのプラセボ セッションを等化の潜在的な影響を最小化する目的を果たします。
  2. アルコール/プラセボ実験的セッションを実行します。
    注:    投与の飲料を除いてアルコールとプラセボのセッション中に同じ実験手順に従います。最初にアルコール飲料を投与することによって相殺する飲み物オーダーの半分の参加者とランダムな順序で半数にプラセボ。
    1. メグ ラボに到着時にスキャナーで参加者を置くと可能な磁化のチャンネルをチェック簡単なテスト スキャンを実行します。自分の体重を測定します。電子飲酒とそれらを画面します。48 h のアルコールから、実験前に 3 h のための食品からの棄権を要件への準拠についてのクエリします。
    2. すべての参加者から多剤テスト パネルの尿サンプルを収集し、任意の薬物の陽性反応を除きます。さらに、尿で妊娠の女性参加者をチェック テストし、テスト陽性または彼らは彼らが妊娠しているかもしれないと思われるかどうかを除きます。
    3. アルコールを飲む前に標準化されたスケール34と実験中に 2 つの追加の機会 - 昇順肢 (~ 15 自分の瞬間的な感情や状態の評価に尋ねる参加者の主観的な効果の動的変更を評価します。飲料を消費した後の分) と下行脚記録メグ後息のアルコール濃度曲線 (BrAC)。
    4. 録音の前にタスクを参加者に理解できるように刺激呈示ソフトウェアのラップトップ上ストループ課題の実践実行を管理します。
      注:ストループ課題のこのバージョンは、読書とカラー ネーミング (図 1) を組み合わせたものです。合同条件は、一致するフォントの色 (すなわち、「緑」は緑色で印刷された単語) で印刷される色単語 (赤、緑、青、黄色など) で構成されます。ちぐはぐな状態で色の言葉は、その意味 (すなわち、「緑」は黄色で印刷された単語) と一致しない色で印刷されます。ボタンの色、または、灰色、word18,23の意味に対応するボタンを押すことで、単語が書き込まれるときに単語を書いたときに、フォントの色に対応する 4 つのボタンのいずれかを参加者に求めます。
  3. メグ/脳波記録を準備します。
    注:    前出版物35,36,37に MEG データ集録の詳細が記載されています。
    1. 参加者の頭の上脳波キャップまたは個々 の脳波電極を置き、すべてのインピー ダンスが 5 kΩ の下にあることを確認します。
    2. 各耳の後ろと額のいずれかの側に頭の位置インジケーター (HPI) コイルを取り付けます。
      注:この手順は、Neuromag システムに固有です。
    3. 頭骨を含む基準点と 2 つの耳介前点、HPI コイル、脳波電極の位置の位置をデジタル化し、多数の頭の形の輪郭を描く追加ポイント (200 ~) を取得します。解剖 MRI 画像 (図 2) と共同登録のためこの情報を使用します。
  4. 飲料を管理します。
    1. 各参加者の性別と体重 (男性用、女性用 0.55 g/kg アルコール 0.60 g/kg アルコール)、に基づいてと冷えたオレンジ ジュース (25 %v/v)、プレミアム品質のウォッカを混合することによってアルコール飲料の準備の 0.0638ブラチ島をターゲットします。プラセボ飲料としてウォッカ swabbed リムをガラスのオレンジ ジュースの同じボリュームを添えます。約 10 分で飲料を消費する参加者を求めます。
    2. 記録室に入るまで、飲んだ後 ~ 15 分と 5 分に、始まる飲酒と参加者のブラチ島を確認します。電子機器は、シールド ルームでは使用できません、使用アルコール、サリバテスト唾液が飽和し、読み出しを提供するレセプタクルに挿入する綿棒から成っています。
  5. メグ/脳波データを取得します。
    1. 快適にスキャナーで参加者の位置。前頭前野の活動は特別な関心のため、参加者が、彼/彼女の頭がヘルメットの上部に接触し、前面に揃えられて配置されているを確認します。
      注:頭の位置は、センサーと脳ソース39間の距離のキューブと磁場勾配を減少させるための重要な方法で活動推定を及ぼします。
    2. HPI コイルと電極のすべてをスキャナーの彼らのそれぞれの入力に接続します。応答パッドの位置を取りそろえたボタンを押すことができます。フォントが明確に参加者の前で投影画面上で見やすいことを確かめます。
    3. コンソールの部屋に戻って、インターホンが正常に機能していることを確認します。点滅を最小限に抑えるなど話によって引き起こされる頭部の動きの動きを避けるために、参加者を思い出させます。代わりに応答ボタンを押して質問に返信する参加者に指示します。
    4. 刺激と応答のすべてのトリガーが正しく記録されることを確認します。成果物のすべてのチャンネルを確認し、スキャナーのヘッドの位置を測定します。
    5. データ集録を開始してタスクを開始します。目を休ませる ~2.5 毎分休憩を与えます。タスクの完了時にデータを保存し、記録室から参加者をエスコートします。
    6. 参加者には、スキャナーが終了して、機器のノイズの測定として空の部屋からのデータの約 2 分を取得します。
    7. 評定作業の難易度、彼らは瞬間的な気分や感情34、感じたどの酔うあすかの飲料のコンテンツを参加者を求めます。

4. 画像の取得・構造 MRI の皮質の再構成

  1. 各参加者の高分解能解剖 MRI スキャンを取得し、なソフトウェア40,41,42各参加者の皮質表面を再構築します。
  2. 分割された構造 MRI 画像から派生した内側頭蓋骨表面を使用して、ボリュームの指揮者は、各個人の脳解剖学43と一貫性のある前方のソリューション モデルを提供するために使用の境界要素モデルを生成するには,44。

5. 脳磁図データ解析

注:各参加者の再構成の皮質表面を使用して大脳皮質のリボン40,45,46推定を制約する、解剖学的に制約のあるメグ アプローチを使用してデータを分析します。解析ストリームはフィールドト リップ47、EEGLab48、MNE49など公開されているパッケージの依存関係を持つカスタム関数に依存します。

  1. データ前処理中に寛容なバンドパス フィルターを使用 (例えば、0.1 - 100 Hz) とパディングの各端の間隔を含むセグメントに刺激発症に関してエポック データ (後 800 ms に-300 にわたる興味の間隔の 1100 ms-600 など、余白の除去)。
  2. 目視によるアーチファクトと閾値に基づく除去をした試験と同様、騒々しいとフラットのチャンネルを削除します。独立成分解析48を使用して、瞬目とハートビートの成果物を削除します。不正な応答試験を排除します。
  3. Morlet ウェーブレット (図 3)47シータ周波数帯 (4-7 Hz) に 1 Hz 単位で各試験の複雑なパワー スペクトルを計算するを適用します。追加可能なアイテムを削除します。空部屋のデータからノイズの共分散を計算します。
  4. 共同 MRI 画像の 3次元 (3 D) ヘッド デジタル化情報 (図 2) を使用して、MEG データを登録します。
    1. MRIlab モジュールを開きます。
    2. ファイルを選択 |オープン |被写体の構造 MRI を選択。
    3. ファイルを選択 |インポート |ディジタイザ データ |生 data.fif ファイルを選択 |作るポイント。
    4. ウィンドウを選択 |ランドマーク |基準のランドマークを調整meg と MRI の共同登録が受け入れられるまで。
    5. ファイルを選択 |保存。
  5. シータ ソース電力と位相スペクトルの動的な統計に基づくマッピング アプローチ18,50の感受性は、正規化された見積もりを計算します。% 信号変更イベント関連シータ電源を表現ベースラインを基準として。
  6. 平均の皮質表現51に各参加者の見積もりをモーフィングによるイベント関連シータ ソース電力の平均値のグループを作成します。
  7. 溝の見積もり (図 4) の可視性を高めるために膨脹させた平均表面の推定を視覚化します。
    1. MNE ソフトウェアを開きます。
    2. ファイルを選択 |表面を読み込む |負荷水増しグループ平均な皮質表面。
    3. ファイルを選択 |オーバーレイの管理 |Stc を読み込む |グループ平均データを読み込む |使用可能なオーバーレイから読み込むファイルを選択します。
    4. その他として選択オーバーレイ タイプ。
    5. カラー スケールのしきい値を調整する |表示。
    6. 脳映画を表示し、領域および最高の活性化によって特徴付けられるタイム ・ ウィンドウを識別することによって処理の時空間的段階を確認します。
  8. 公平な関心 (ROIs) 最も顕著な電源と皮質の場所を組み込む全体的にグループ平均推定値に基づいて領域を作成します。時間コース各対象、条件、および投資収益率 (図 5) を計算します。
  9. 統計的に得られたシータ ソース電源見積もりを提出します。
    1. 各 ROI 時間コースから興味の時間窓を抽出し、分散分析 (ANOVA) 飲料 (アルコール, プラセボ) と試用版の種類 (不調和、ちぐはぐな) として主題要素内を実行します。ノンパラ メトリックのクラスター ベースの順列テスト52を使用して、同様に位相ロック値 (PLV) としてイベント関連シータ電源の飲料との条件比較を調べます。
  10. PLV12を計算することによって ACC の主な活性化巣と、latPFC 間の長距離同期タスクに関連変化を推定します。ベースラインを基準として変化率 PLV を表現します。
    注:PLV は複数の試験 2 つ・ ロワ間の位相角の一貫性の指標としてのそれを測定する彼らは共同リアルタイム (映画 1)、特定の周波数で振動する程度。
  11. ROI メグ活動推定、行動のパフォーマンス、および観察の結果の解釈を通知するアンケート得点の指標間の相関関係を計算します。

結果

行動の結果は、精度が低かったため、応答時間最長ちぐはぐな試験 (図 6) に、ストループ課題が応答干渉を正常に操作を示します。アルコール中毒は精度を下げたが、反応時間18に影響しなかった。

ひらやままどかアプローチで明らかにシータ周波数帯における活動の時空間的シー...

ディスカッション

マルチ モーダル イメージング本研究で使用されるメソッドには、各参加者の構造 MRI から派生した逆推定値の空間的制約と時間的正確な提案と MEG 信号の分散ソース モデルが装備されています。ひらやままどかのアプローチは、振動ダイナミクスの時空間的段階とヒトの認知制御長距離の統合への洞察力を提供するためにこれらの手法の長所を組み合わせたものです。このメソッドなど他の...

開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

この作品は、健康の国民の協会 (R01 AA016624) によってサポートされています。彼女の重要な貢献のため博士三社ジャンニコバチェビッチに感謝しております。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Elekta NeuromagElektaMagnetoencephalography system
1.5 T GE EXCITE HGGeneral ElectricMagnetic Resonance Imaging scanner
Gold Cup ElectrodesOpenBCIElectroencephalography electrodes for optional simultaneous EEG recording
Prep Check Impedance MeterGeneral DevicesCheck electrode impedances
HPI CoilsElektaHead position indicator coils for co-registration
AlcotestDraegerBreathalyzer
Fiber Optic Response PadCurrent Designs, IncMEG-compatible response pad
Grey Goose VodkaBacardiVodka is used during the alcohol session
Orange JuiceNakedOrange juice is used as the beverage during the placebo session as well as mixed with vodka during the alcohol session
Discover Drug Test CardAmerican Screening CorpMulti-screen drug test
QED Saliva Alcohol TestOraSure TechnologiesSaliva alcohol test
Urine Hcg Test StripsJoylivePregnancy test
Short Michigan Alcohol Screening TestSelzer et al., 1975Alcoholism screening questionnaire
Zuckerman Sensation Seeking ScaleZuckerman, 1971Questionnaire: disinhibitory, novelty-seeking, and socialization traits
Eysenck Impulsivity InventoryEysenck & Eysenck, 1978Questionnaire: impulsivity traits
Eysenck Personality QuestionnaireEysenck & Eysenck, 1975Questionnaire: personality traits
Biphasic Alcohol Effects Scale Martin et al., 1993Questionnaire: subjective experience of the effects of alcohol

参考文献

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