Функциональная магнитно-резонансная томография, связанная с событием

Функциональная магнитно-резонансная томография, связанная с событиями ( efMRI ), — это метод, используемый при магнитно-резонансной томографии медицинских пациентов.

ЭфМРТ используется для обнаружения изменений в гемодинамической реакции BOLD ( зависящей от уровня кислорода в крови ) на нервную активность в ответ на определенные события.

Описание

В методологии фМРТ обычно используются два разных способа представления стимулов. Одним из методов является блочное проектирование, в котором два или более различных условий чередуются для определения различий между двумя условиями, или в представление, происходящее между двумя условиями, может быть включен элемент управления. Напротив, проекты, связанные с событиями, не представлены в установленной последовательности; презентация рандомизирована , и время между стимулами может варьироваться.

efMRI пытается смоделировать изменение сигнала фМРТ в ответ на нервные события, связанные с поведенческими испытаниями. По словам Д'Эспозито, «фМРТ, связанная с событиями, потенциально может решить ряд вопросов когнитивной психологии с ранее недоступной степенью логического вывода и статистической мощности».

Каждое испытание может состоять из одного экспериментально контролируемого (например, предъявления слова или изображения) или опосредованного участником «события» (например, двигательной реакции). В каждом испытании есть ряд событий, таких как предъявление стимула , период задержки и реакция. Если эксперимент правильно поставлен и различные события рассчитаны правильно, efMRI позволяет человеку наблюдать различия в нейронной активности, связанной с каждым событием.

История

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) была наиболее часто используемым методом картирования мозга до разработки фМРТ. По сравнению с ПЭТ имеется ряд преимуществ. По словам Д'Эспозито, они включают в себя то, что фМРТ «не требует инъекции радиоизотопа участникам и в остальном является неинвазивной, имеет лучшее пространственное разрешение и лучшее временное разрешение».

В первых исследованиях МРТ использовалось использование «экзогенных парамагнитных индикаторов для картирования изменений объема мозговой крови ». что позволило оценить активность мозга в течение нескольких минут. Ситуация изменилась с двумя достижениями в области МРТ : к концу 1980-х годов скорость методов МРТ была увеличена до 1,5 Тесла , что обеспечило двухмерное изображение. Затем Детре, Корецкий и коллеги обнаружили эндогенные механизмы контрастирования, основанные на суммарной продольной намагниченности внутри органа, а «вторые механизмы основаны на изменениях магнитной восприимчивости, вызванных изменением чистого содержания дезоксигемоглобина в ткани ». который Осада Огава назвал ЖИРНЫМ контрастом.

Эти открытия послужили вдохновением для будущих достижений в области картирования мозга. Это позволило исследователям разрабатывать более сложные типы экспериментов, выходя за рамки наблюдения за эффектами отдельных типов испытаний. Когда была разработана фМРТ, одним из ее основных ограничений была невозможность рандомизировать исследования, но фМРТ, связанная с событиями, решила эту проблему. Когнитивное вычитание также было проблемой, которая пыталась соотнести когнитивно-поведенческие различия между задачами с активностью мозга путем объединения двух задач, которые, как предполагается, идеально подходят для каждого сенсорного, моторного и когнитивного процесса, кроме интересующего.

Затем стремление улучшить временное разрешение исследований фМРТ привело к разработке событийно-ориентированных проектов, которые, по мнению Петерсона, были унаследованы от исследований ERP в электрофизиологии , но было обнаружено, что это усреднение не очень хорошо применимо к исследованиям ERP. гемодинамический ответ , поскольку ответ от испытаний может перекрываться. В результате применялось случайное дрожание событий, что означало, что время повторения варьировалось и рандомизировалось для испытаний, чтобы гарантировать, что сигналы активации не перекрываются.

Гемодинамический ответ

Для функционирования нейронам требуется энергия, которая поступает с кровотоком. Хотя это и не до конца понятно, гемодинамический ответ коррелирует с активностью нейронов, то есть с увеличением уровня активности увеличивается количество крови, используемой нейронами. Для полного развития этой реакции требуется несколько секунд. Соответственно, фМРТ имеет ограниченное временное разрешение .

Гемодинамический ответ является основой контраста BOLD (зависит от уровня кислорода в крови) при фМРТ. Гемодинамическая реакция возникает в течение нескольких секунд после предъявления стимулов, но важно распределить события, чтобы гарантировать, что измеряемый ответ связан с событием, которое было представлено, а не с предыдущим событием. Представление стимулов в более быстрой последовательности позволяет экспериментаторам проводить больше испытаний и собирать больше данных, но это ограничено медленным течением гемодинамической реакции, которой обычно необходимо дать возможность вернуться к исходному уровню перед предъявлением другого стимула.

По словам Бурока, «по мере того, как частота представления увеличивается в схеме, связанной со случайными событиями, дисперсия сигнала увеличивается, тем самым увеличивая временную информацию и способность оценивать основную гемодинамическую реакцию».

Быстрая эфМРТ, связанная с событиями

При типичной эфМРТ после каждого исследования гемодинамический ответ может вернуться к исходному уровню. При быстрой фМРТ, связанной с событиями, исследования рандомизируются, а затем проводится деконволюция HRF. Чтобы это было возможно, необходимо использовать все возможные комбинации последовательностей испытаний, а интервалы между испытаниями колебаться так, чтобы время между испытаниями не всегда было одинаковым.

Преимущества

1. Возможность рандомизировать и смешивать различные типы событий, что гарантирует, что одно событие не будет подвержено влиянию других и не будет зависеть от когнитивного состояния человека, не позволяет обеспечить предсказуемость событий.
2. После эксперимента события можно разделить на категории в зависимости от поведения испытуемых.
3. Возникновение событий может определяться субъектом
4. Иногда дизайн заблокированного события невозможно применить к событию.
5. Рассмотрение стимулов, даже если они заблокированы, как отдельных событий потенциально может привести к созданию более точной модели.
6. Редкие события можно измерить.

Чи утверждает, что дизайн, связанный с событиями, дает ряд преимуществ в задачах, связанных с языком, включая возможность разделять правильные и неправильные ответы и показывать зависящие от задачи изменения во временных профилях ответов.

Недостатки

1. Более сложный дизайн и анализ.
2. Необходимо увеличить количество испытаний, поскольку МР-сигнал мал.
3. Некоторые события лучше блокировать.
4. Проблемы со временем: выборка (исправление: случайное дрожание, изменение времени предъявления стимулов, позволяет в конце рассчитать средний гемодинамический ответ).
5. Блокированные конструкции имеют более высокую статистическую мощность.
6. Легче выявлять артефакты, возникающие из-за нефизиологических флуктуаций сигнала.

Статистический анализ

В данных фМРТ предполагается, что существует линейная связь между нейронной стимуляцией и реакцией BOLD. Использование GLM позволяет получить среднее значение, отражающее средний гемодинамический ответ участников.

Статистическое параметрическое картирование используется для создания матрицы дизайна , которая включает в себя все различные формы ответов, возникающие во время события. Дополнительную информацию об этом см. в Friston (1997).

Приложения

• Визуальное прайминг и распознавание объектов
• Изучение различий между частями задачи.
• Изменения со временем
• Исследование памяти – рабочая память с использованием когнитивного вычитания
• Обман – правда от лжи
• Восприятие лица
• Имитация обучения
• Торможение
• Специфические реакции на стимул

Источники

• Бакнер М., Бурок М., Дейл А., Розен Б., Волдорф М. Рандомизированные экспериментальные планы, связанные с событиями, позволяют чрезвычайно быстро презентовать результаты с помощью функциональной МРТ. (1998) НейроРепорт. 19. 3735–3739.
• Бакнер, Р. ФМРТ, связанная с событиями, и гемодинамическая реакция. (1998). Картирование человеческого мозга. 6. 373–377.
• Бакнер Р., Дейл А., Розен Б. Функциональная МРТ, связанная с событиями: прошлое, настоящее и будущее. (1998). Учеб. Натл. акад. наук. США. 95. 773–780.
• Чи, М. Сионг, С., Венкатраман, В., Вестфаль, К. Сравнение блочных и связанных с событиями конструкций фМРТ в оценке эффекта частоты слов. (2003). Картирование человеческого мозга. 18 . 186–193.
• Дейл А., Фристон К., Хенсон Р., Джозефс О., Заран Э. Стохастические модели в фМРТ, связанной с событиями. (1999). НейроИмидж. 10. 607-6-19.
• Д'Эспозито М., Заран Э. и Агирре Г.К. (1999). Функциональная МРТ, связанная с событиями: последствия для когнитивной психологии. Психологический бюллетень, 125(1) . 155–164.
• Дубис, Дж. Петерсен, С. Блок-дизайн Mized / дизайн, связанный с событиями. (2011). НейроИмидж. doi 10.1016/j.neuroimage.2011.09.084.
• Фристон К., Джозефс О., Тернер Р. ФМРТ, связанная с событиями. (1997). Картирование человеческого мозга. 5. 243–248.
• Хенсон, Р. ФМРТ, связанная с событиями: введение, статистическое моделирование, оптимизация конструкции и примеры. Университетский колледж Лондона. Доклад будет представлен на 5-м Конгрессе Общества когнитивных нейронаук Японии .