Функциональная магнитно-резонансная томография, связанная с событием - Event-related functional magnetic resonance imaging

Функциональная магнитно-резонансная томография (efMRI), связанная с событием, - это метод, используемый в магнитно-резонансной томографии медицинских пациентов.

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

Описание

В методологии фМРТ обычно используются два разных способа предъявления стимулов. Один из методов - это блочная конструкция, в которой два или более различных условия чередуются для определения различий между двумя условиями, или в представление может быть включено управление, происходящее между двумя условиями. Напротив, дизайн, связанный с событиями, не представлен в установленной последовательности; представление является случайным, и время между стимулами может варьироваться.

efMRI пытается смоделировать изменение сигнала fMRI в ответ на нейронные события, связанные с поведенческими испытаниями. По словам Д'Эспозито, «связанная с событием фМРТ может решить ряд вопросов когнитивной психологии со степенью логической и статистической мощности, недоступной ранее».

Каждое испытание может состоять из одного экспериментально контролируемого (например, представление слова или изображения) или опосредованного участником «события» (например, двигательной реакции). В каждом испытании есть ряд событий, таких как предъявление стимула , период задержки и ответ. Если эксперимент правильно настроен 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 появления фМРТ. Есть ряд преимуществ по сравнению с ПЭТ. По словам Д'Эспозито, они включают, что фМРТ «не требует инъекции радиоизотопа участникам и в остальном неинвазивна, имеет лучшее пространственное разрешение и лучшее временное разрешение».

В первых МРТ-исследованиях использовались «экзогенные парамагнитные индикаторы для картирования изменений в объеме церебральной крови », что позволяло оценивать активность мозга в течение нескольких минут. Это изменилось с двумя достижениями в области МРТ : к концу 1980-х годов скорость методов МРТ была увеличена до 1,5 Тесла , что позволило получить двумерное изображение. Затем Детре, Корецкий и его коллеги обнаружили механизмы эндогенного контраста, основанные на чистой продольной намагниченности внутри органа, а «второй - на изменениях магнитной восприимчивости, вызванных изменением чистого содержания дезоксигемоглобина в тканях », который был помечен жирным шрифтом. контраст Осады Огава.

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 испытания, но фМРТ, связанная с событием, устранила эту проблему. Когнитивное вычитание также было проблемой, которая пыталась связать 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 к улучшению временного разрешения исследований фМРТ привело к разработке схем, связанных с событиями, которые, по словам Петерсона, унаследованы от исследований ERP в электрофизиологии , но было обнаружено, что это усреднение не очень хорошо применимо к гемодинамический ответ, потому что результаты испытаний могут перекрываться. В результате было применено 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 от кровотока. Хотя это до конца не изучено, гемодинамический ответ коррелирует с активностью нейронов, то есть по мере увеличения 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 для жирного (зависимого от уровня кислорода в крови) контраста в фМРТ. Гемодинамический ответ происходит в течение нескольких секунд после предъявленных стимулов, но важно разнести события, чтобы гарантировать, что измеряемая реакция связана с представленным событием, а не с предшествующим событием. Представление стимулов в более быстрой последовательности позволяет экспериментаторам проводить больше испытаний и собирать больше данных, но это ограничивается медленным течением гемодинамической реакции, которой, как правило, необходимо позволить вернуться к исходному уровню до предъявления 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 лежащий в основе гемодинамический ответ».

Экспресс-связанная с событием efMRI

В типичной efMRI после каждого испытания гемодинамический ответ может вернуться к исходному уровню. При быстрой фМРТ, связанной с событием, испытания рандомизируются, а HRF впоследствии деконволюционирует. Для того, чтобы это было возможно, необходимо использовать все возможные комбинации пробных последовательностей, а интервалы между испытаниями должны быть нестабильными, чтобы время между испытаниями не всегда было одинаковым.

Преимущества efMRI

  1. Возможность рандомизировать и смешивать различные типы событий, которая гарантирует, что одно событие не зависит от других и не зависит от когнитивного состояния человека, не позволяет предсказуемости событий.
  2. События могут быть организованы по категориям после эксперимента на основе поведения испытуемых.
  3. Возникновение событий может определять субъект
  4. Иногда дизайн заблокированного события нельзя применить к событию.
  5. Обработка стимулов, даже если они заблокированы, как отдельных событий, потенциально может привести к более точной модели.
  6. Редкие события можно измерить.

Чи утверждает, что дизайн, связанный с событиями, обеспечивает ряд преимуществ в задачах, связанных с языком, в том числе возможность разделять правильные и неправильные ответы и показывать зависимые от задачи вариации во временных профилях ответов.

Недостатки efMRI

  1. Более сложный дизайн и анализ.
  2. Необходимо увеличить количество испытаний, так как сигнал MR невелик.
  3. Некоторые события лучше заблокировать.
  4. Проблемы с синхронизацией: выборка (исправление: случайное дрожание, изменение времени предъявления стимулов, позволяет в конце рассчитать средний гемодинамический ответ).
  5. Заблокированные конструкции обладают более высокой статистической мощностью.
  6. Легче идентифицировать артефакты, возникающие из-за нефизиологических колебаний сигнала.,.

статистический анализ

В данных фМРТ предполагается, что существует линейная взаимосвязь между нервной стимуляцией и ЖИРНОЙ реакцией. Использование GLM позволяет разработать среднее значение для представления средней гемодинамической реакции участников.

Статистическое параметрическое сопоставление используется для создания матрицы дизайна , которая включает в себя все различные формы отклика, полученные во время события. Для получения дополнительной информации см. Friston (1997).

Приложения

  • Визуальное праймирование 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
  • Имитационное обучение
  • Торможение
  • Специфические реакции на стимулы

Рекомендации

Источники

  • Buckner, M., Burock, M., Dale, A., Rosen, B., Woldorff, M. Рандомизированные экспериментальные схемы, связанные с событиями, обеспечивают чрезвычайно высокую частоту проявления с помощью функциональной МРТ. (1998) NeuroReport. 19. 3735-3739.
  • Бакнер, Р. ФМРТ, связанная с событием, и гемодинамический ответ. (1998). Картирование человеческого мозга. 6. 373–377.
  • Бакнер, Р., Дейл, А., Розен, Б. Функциональная МРТ, связанная с событиями: прошлое, настоящее и будущее. (1998). Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 95. 773-780.
  • Чи, М. Сионг, С., Венкатраман, В., Вестфаль, К. Сравнение блочных и связанных с событиями конструкций фМРТ при оценке частотно-словного эффекта. (2003). Картирование человеческого мозга. 18 . 186-193.
  • Дейл, А., Фристон, К., Хенсон, Р., Джозефс, О., Заран, Э. Стохастические конструкции в событийно-связанной фМРТ. (1999). NeuroImage. 10. 607-6-19.
  • Д'Эспозито, М., Заран, Э., и Агирре, Г.К. (1999). Функциональная МРТ, связанная с событием: значение для когнитивной психологии. Психологический бюллетень, 125 (1) . 155-164.
  • Дубис, Дж. Петерсен, С. Mized блочный / событийный дизайн. (2011). NeuroImage. 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 событием: введение, статистическое моделирование, оптимизация дизайна и примеры. Университетский колледж Лондона. Доклад будет представлен на 5-м Конгрессе Общества когнитивной неврологии Японии .