Исследование нейронных механизмов сознавая и не зная страха памяти с МРТ

Резюме

Методология для исследования нервных механизмов, которые поддерживают знают и не знают процессов памяти во время страха кондиционирования описано. Этот метод отслеживает уровень кислорода в крови зависимые (BOLD) функциональной магнитно-резонансной томографии, ответ проводимости кожи, и безусловных продолжительность стимула во время павловской кондиционирования страха для оценки нейронных коррелятов различных процессов памяти.

Аннотация

Pavlovian fear conditioning is often used in combination with functional magnetic resonance imaging (fMRI) in humans to investigate the neural substrates of associative learning ^1-5. In these studies, it is important to provide behavioral evidence of conditioning to verify that differences in brain activity are learning-related and correlated with human behavior.

Fear conditioning studies often monitor autonomic responses (e.g. skin conductance response; SCR) as an index of learning and memory ^6-8. In addition, other behavioral measures can provide valuable information about the learning process and/or other cognitive functions that influence conditioning. For example, the impact unconditioned stimulus (UCS) expectancies have on the expression of the conditioned response (CR) and unconditioned response (UCR) has been a topic of interest in several recent studies ^9-14. SCR and UCS expectancy measures have recently been used in conjunction with fMRI to investigate the neural substrates of aware and unaware fear learning and memory processes ¹⁵. Although these cognitive processes can be evaluated to some degree following the conditioning session, post-conditioning assessments cannot measure expectations on a trial-to-trial basis and are susceptible to interference and forgetting, as well as other factors that may distort results ^16,17 .

Monitoring autonomic and behavioral responses simultaneously with fMRI provides a mechanism by which the neural substrates that mediate complex relationships between cognitive processes and behavioral/autonomic responses can be assessed. However, monitoring autonomic and behavioral responses in the MRI environment poses a number of practical problems. Specifically, 1) standard behavioral and physiological monitoring equipment is constructed of ferrous material that cannot be safely used near the MRI scanner, 2) when this equipment is placed outside of the MRI scanning chamber, the cables projecting to the subject can carry RF noise that produces artifacts in brain images, 3) artifacts can be produced within the skin conductance signal by switching gradients during scanning, 4) the fMRI signal produced by the motor demands of behavioral responses may need to be distinguished from activity related to the cognitive processes of interest. Each of these issues can be resolved with modifications to the setup of physiological monitoring equipment and additional data analysis procedures. Here we present a methodology to simultaneously monitor autonomic and behavioral responses during fMRI, and demonstrate the use of these methods to investigate aware and unaware memory processes during fear conditioning.

протокол

1. Психофизиология

, Biopac Systems, Inc физиологические системы мониторинга (см. табл специального оборудования) не является стандартным оборудованием в большинстве объектов изображения. График 15-30 минут до прибытия участника установить физиологические мониторинга и другого оборудования, описанных в данном протоколе (рис. 1).

1. Подключите диспетчерской компьютерной операционной AcqKnowledge (Biopac Systems, Inc) физиологические программное обеспечение для мониторинга в Biopac MP150 (MP150WSW) с помощью стандартного Ethernet кроссовер кабель (CBLETH2).
2. Подключите Biopac Isolated Digital Interface (STP100C) на компьютер диспетчерской операционной презентации (нейробихевиоральная Systems, Inc; Олбани, штат Калифорния) программного обеспечения с использованием DB25 M / F ленточный кабель.
3. Подключите Biopac GSR усилителя (EDA-100C-МРТ) в РФ интерференционный фильтр (MRIRFIF) в диспетчерской с помощью экранированного кабеля-удлинителя (MECMRI-3).
4. Подключите ВЧ помех фильтром (MRIRFIF) в shieldeD кабель-удлинитель (MECMRI-1) в камере МРТ сканирование.
5. Подключите экранированный кабель расширения углеродного волокна проводов (LEAD 108), которые крепятся на радио полупрозрачные электроды (EL508). Примечание: Скручивание проводов в тугую спираль уменьшает артефакты в проводимости кожи данные, которые могут быть созданы в процессе сканирования.
6. Прикрепить радио полупрозрачные электроды (EL508) в дистальной фаланги среднего и безымянного пальцев левой руки участника.
7. В связи с характером оборудование для сканирования, МРТ температуры камеры комнате часто устанавливают ниже 21 ° C. Накройте участника с одеялом для поддержания температуры руку.

2. Поведенческих реакций (джойстик)

1. Подключите компьютер диспетчерской операционной презентации программного обеспечения (нейробихевиоральная Systems, Inc; Олбани, штат Калифорния), чтобы при р джойстика Interface Unit (текущий Designs, Inc; Филадельфии, штат Пенсильвания) с помощью USB-мини-кабеля.
2. Подключить волоконно-оптического кабеля в интерфейсный блок для р шithin диспетчерской, а затем передать кабеля через волновод в МРТ камеры.
3. Подключите волоконно-оптического кабеля к MR-совместимый джойстик.
4. Прямые участники разместить джойстик в удобном и легко добраться до позиции.

3. Стимул презентации

1. Подключите компьютер диспетчерской операционной презентации программного обеспечения для внешнего VGA и аудио порты IFIS-SA (Invivo корпорации, Орландо, Флорида) диспетчерской консоли (рис. 1).
2. Проверьте волоконно-оптических кабельных соединений между комнатой МФУ пульт управления и интерфейса МФУ периферийного оборудования в МРТ камеры, а также связей между периферийного оборудования интерфейса и Audio / Visual Display Unit.
3. Поместите аудио / видео индикации за голову катушки так, что участник может просмотреть монитор через зеркало крепится к голове катушку.
4. Подключите акустические окна интерфейса аудио / видео дисплее устройства к системе МФУ'S MR-совместимыми стерео наушники использованием виниловой трубки.
5. Калибровка объема звуковые раздражители использовании измеритель уровня звукового давления.

4. Экспериментальная процедура

1. Сообщите участникам, что 2 тона будут представлены несколько раз в течение исследования, и что объем тонов будет меняться выше и ниже их восприятия порога (рис. 2).
2. Прямые участники нажать на кнопку на джойстике окна сразу, услышав Ваш тон, то обновить их ожидания получения UCS с помощью джойстика для управления позицию рейтинга бар на 0 до 100 (рис. 3).
3. Попросите участников оценить их продолжительность UCS по непрерывной шкале от 0 до 100. Сообщите им, что рейтинг 0 указывают они уверены UCS не будут представлены, рейтинги из 50 указывают, что они не уверены в том UCS будут представлены, и рейтинги из 100 указывают, что они являются определенным UCS будут представлены. Прямая particip Муравьи использовать другие значения по шкале указать промежуточные ожидания. Тогда, позволяют участникам на практике с помощью джойстика, чтобы сделать рейтинг.
4. Ознакомить участников с кондиционером дифференциальных страх процедуры с использованием 2 тонн (700 и 1300 Гц, длительность 10 секунд, 20 ITI) в качестве условного раздражителя (CS) и громкий белого шума (100 дБ, 500 мс), как UCS.
5. Настоящее время 60 испытаний CS + (coterminating с UCS) и 60 испытаний CS-(представлен без UCS) в псевдослучайной порядок такой, что не более 2 испытаний одного и того же CS представлены последовательно.
6. Противовес тона, которые служат CS + и CS-во участников.
7. Модуляция объем CS + и CS-самостоятельно. Настройка CS объема на последующее судебное разбирательство с тем же CS. Снижение 5dB CS объема, если нажать кнопку производится (т.е. после восприниматься судом). Увеличение объема 5 дБ, если нажатие кнопки не производится (т.е. после незаметно судебное разбирательство).

ve_title "> 5. Процедура сканирования

1. Сбор стандартных высоком разрешении Т1-взвешенных структурных изображений (например, MPRAGE) в качестве анатомического ссылки для функциональных данных.
2. Сбор BOLD МРТ всего мозга во время процедуры кондиционирования. Тридцать шесть, 4мм толстыми ломтиками должна быть достаточной, чтобы покрыть мозга с относительно стандартными изображениями параметров (например, TR = 2000 мс, TE = 30 мс, FOV = 24 см, 64x64 матрица). Синхронизация МРТ с приобретением стимул презентации с использованием МРТ окно запуска.

6. SCR сбора данных и анализа

1. Примеры проводимости кожи при 2000 Гц, используя AcqKnowledge программного обеспечения и MR-совместимых Biopac физиологические системы мониторинга описаны в разделе 1.
2. Нанесите 1 Гц бесконечной импульсной характеристикой (IIR) низкочастотный цифровой фильтр для проводимости кожи данных для уменьшения искажений, создаваемых в ходе визуализации (см. Рисунок 4).
3. Resample данные проводимости кожи при 250 Гц.
4. Рассчитать SCRкак разница в уровне поверхности кожи проводимости от ответа к ответу начала пика.
5. SCR данные могут быть преобразованы квадратный корень, чтобы нормализовать распределение ответов амплитуды до статистического анализа.

7. UCS продолжительность сбора данных и анализа

1. Примеры (40 Гц) и рекорд продолжительности UCS данных с использованием презентации программного обеспечения.
2. Рассчитать продолжительность UCS как среднее (1s образца) ответ в течение последней секунды презентации CS.

8. Функциональная МРТ сбора данных и анализа

1. Полная стандартная предварительная обработка изображения мозга данных (например, срез времени коррекции, регистрации изображений, пространственное сглаживание) с использованием функциональной визуализации программного обеспечения для анализа пакетов (например, AFNI ^18).
2. Создайте стандартные неприятности (например, движение) и стимулов на основе регрессоров для воспринимается и незаметно испытания CS + и CS-, а также UCS.
3. Создание двигательной реакции на основе Rправочник формы волны, чтобы служить неприятность регрессора для учета двигательной активности, связанные с ответов нажатием кнопки.
   1. Создать палку функцию, которая кодирует сроки ответов нажатием кнопки.
   2. Размывание палку нажатием кнопки функция с канонической гемодинамической функции отклика (ФГП).
4. Создание двигательной реакции на основе опорного сигнала в качестве неприятность регрессора к ответственности за двигательную активность, связанных с джойстика ответов.
   1. Создать палку функцию, которая кодирует сроках изменения в наклоне (например, наклон абсолютное значение> 10) рейтингов UCS продолжительности.
   2. Размывание палка джойстика наклона функции с каноническим HRF.
5. Выполните первые анализы уровне с использованием всех стимулов основе и неприятности регрессоров.
6. Выполнение второго уровня повторных измерений ANOVA для выявления областей, в которых активация показывает основной эффект CS типа, основной эффект восприятия, илиCS типом X восприятия взаимодействия.

9. Представитель Результаты:

Методология представленные здесь обычно приводит к относительно высокой оценкой UCS продолжительность во время воспринимается CS + испытаний и низкие рейтинги во время воспринимается CS-испытания (рисунок 5) ^10,15,19. Такие результаты свидетельствуют участники осознают CS-UCS непредвиденных обстоятельств. На незаметно испытаний, рейтинги UCS продолжительность обычно остаются неизменными с предварительной оценкой CS. UCS ожиданий на эти незаметно CS + и CS-исследования обычно попадают около 50 указывает участники не уверены, является ли UCS будут представлены ^10,15,19 (рис. 5). Эта неспособность производить дифференциальные рейтинги UCS продолжительность незаметно для CS + и CS-указывает, что участники не в состоянии выразить свою осведомленность о чрезвычайных незаметно кондиционирования испытаний (рис. 6). В отличие от обучения соответствующие изменения в СКВ наблюдаются как во время воспринимается и незаметно кондиционирования TR риалы ^10,15,19. В частности, тиристоры были большими, чтобы восприниматься CS +, чем воспринимается CS-. Кроме того, большие тиристоры были продемонстрированы во время незаметно CS +, чем незаметно CS-испытания ^10,15,19 (рис. 6). Взятые вместе, эти поведенческие и вегетативные данные свидетельствуют о страхе кондиционирования с непредвиденные осведомленности о воспринимают испытания, и страх кондиционирования без осведомленности о чрезвычайных незаметно испытаний. Функционального исследования визуализации с использованием этой методики показало, обучение связанной гиппокампа активации на воспринимали, но не незаметно кондиционирования испытаний ¹⁵ (рис. 7). В отличие от дифференциального миндалины активность наблюдалась на обоих воспринимается и незаметно кондиционирования испытаний ^15. Эти данные согласуются с тем, что гиппокамп поддерживает процессы, связанные с резервного осознания, в то время как миндалина поддерживает CR выражения и без сознания.

/ 3083/3083fig1.jpg "ALT =" Рисунок 1 "/>
Рисунок 1. Диаграмма основного оборудования для презентаций стимула и поведенческими / психофизиологические ответ мониторинга. Презентация программное обеспечение используется для представления аудио-визуальные стимулы и монитор UCS продолжительность рейтинги осуществляется путем перемещения джойстика с правой рукой. AcqKnowledge программного обеспечения и оборудования Biopac используются для контроля проводимости кожи с левой рукой. Твердые (Biopac), одной пунктирной (МФУ Audio-Visual), и двойной пунктирной линией (волоконно-оптический джойстик) изображают кабелей для различных презентаций стимулом и ответом системы мониторинга. Черные стрелки указывают направление потока информации.

Рисунок 2. Условных раздражителей. Представьте CS + и CS-в порядке псевдослучайных такое, что не более 2 испытаний одного и того же CS представлены последовательно. Вар объем CS + и CS-самостоятельно. Если CS воспринимается (указано нажатие кнопки), снижение объема CS 5 дБ на последующее судебное разбирательство в тот же CS. Если CS будет незаметно (указано ни одной кнопки печати), повышение объема CS 5db на последующее судебное разбирательство с тем же CS.

Рисунок 3. UCS продолжительность рейтинговой шкале. Поручить участникам оценить свои ожидания представление UCS на 0 до 100. Рейтинги 0 указывают уверенностью UCS не будут представлены, рейтинги 100 указывают уверенностью UCS будут представлены, и рейтинги из 50 отражает неопределенность относительно того, UCS будут представлены. Промежуточные оценки должны быть использованы для обозначения градации продолжительности UCS.

Рисунок 4. Сравнение сырья и отфильтрованных данных проводимость кожи. а) Исходные данные проводимость кожи, собранные в ходе МРТ. б) данные проводимость кожи после приложенияери 1Гц IIR фильтр низких частот.

Рисунок 5. Рейтинги UCS продолжительности. -Участники обычно сообщают о высокой продолжительности UCS на воспринимали CS + испытаний и низкой продолжительностью от предполагаемой CS-испытания. UCS продолжительностью по незаметно CS + и CS-исследований не отличаются.

Рисунок 6. UCS продолжительности и SCR. Различия в продолжительности UCS, как правило, наблюдается на предполагаемые CS + и CS-исследований указывает участники осознают стимул непредвиденных обстоятельств. На незаметно испытаний, оценки ожидаемой продолжительности UCS как правило, не отличаются указывает участники не в состоянии выразить свои непредвиденные сознание. Напротив, различия в условных тиристоров, как правило, наблюдается на обеих воспринимается и незаметно испытаний кондиционирования. Такие результаты отражают узнал страх выражение с (т. е. оп воспринимается испытаний) и без него (т.е. на незаметно испытаний) непредвиденные сознание.

Рисунок 7. Функциональная МРТ гиппокампа и миндалины. Гиппокампа ответы, как правило, больше к + CS, чем CS-на воспринимали, но не незаметно кондиционирования испытаний. Дифференциальная миндалины ответы, как правило, наблюдается на обеих воспринимается и незаметно испытаний кондиционирования. Эти данные согласуются с тем, что гиппокамп поддерживает процессы, связанные с резервного осознания, в то время как миндалина поддерживает страх выражения и без сознания.

Обсуждение

Методология страх кондиционирования описано здесь служит средством для исследования нейронных механизмов знают и не знают страха процессов памяти. Этот метод использует преимущества одновременного мониторинга поведенческих, вегетативных и МРТ данных. Мониторинг поведенческих (нап...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Оборудование	Компания	Пункт номер
Комплексная функциональная система Imaging (МФУ-SA)	Invivo корпорации, Орландо, Флорида
Master Control Unit (находится в диспетчерской) Интерфейс периферийного оборудования (находится в камере МРТ) Audio / Visual Display Unit (находится в камере МРТ), включает в себя: 6,4 "(по диагонали) ЖК-экран видео 640 х 480 пикселей и 15 ° поле зрения акустического окна интерфейса обеспечивает пневматическая звук в режиме стерео MR-совместимыми стерео наушники
Физиологическая система мониторинга	Biopac Systems, Inc, Goleta
Данные Acquisitиона и системного анализа для Windows (MP150) Isolated Digital Interface (цифровой интерфейс) Гальваническая кожных реакций (GSR) Усилитель МРТ Кабельное / Filter System для преобразователей набор усилителей, включает в себя: МРТ кабель-удлинитель (палаты для фильтрации) Фильтр радиопомех МРТ кабель-удлинитель (GSR усилителя для фильтрации) Дополнительные компоненты: DB25 M / F ленточный кабель Одноразовые электроды radiotranslucent Углеродные волокна приводит		MP150WSW STP100C EDA100C-МРТ MECMRI-TRANS - MECMRI-1 - MRIRFIF - MECMRI-3 CBL110C EL508 LEAD108
ДЖОЙСТИК	Данной Designs, Inc, Philadelphia, PA
Наследие Джойстик		HH-JOY-4
Наследие при р интерфейса		ПФР-005