探索皮质注意力系统使用功能磁共振成像在连续性能测试

文摘

功能性磁共振成像(fMRI)在8个健康受试者进行识别定位、体积大小,程度上激活的大脑区域参与血氧等级相关(粗体显示)响应在康纳斯的性能的连续性能测试(CPT)。一个广泛的大脑网络中被激活的任务包括额叶、颞叶与枕叶皮质和小脑。更多激活集群的体积范围和大小是位于正确的前扣带皮层(ACC)。激活的动态趋势分析所确定的地区在整个持续时间的持续注意测试中,我们发现一个进步减少大胆的反应可能由于习惯的影响没有任何恶化的表现。观察到的大脑网络是一致的与现有模型的视觉对象处理和注意力控制功能磁共振成像研究,可能作为基础临床与神经缺陷的人群在康纳斯的CPT的性能。

1。介绍

持续关注被定义为能够保持高警戒水平很长一段时间,允许主题演讲的罕见的和不可预测的事件做出反应。最广泛使用的神经心理测试研究持续注意是康纳斯的连续性能测试(CPT) [1]。康纳斯的CPT来源于最初的CPT Rosvold [2),开发评估警惕。Rosvold CPT,刺激视觉化的是信一次,在一个固定的反应率和主题的任务是每当出现字母代表目标刺激和抑制响应当其他字母出现。这封信被选为目标刺激通常是X和Rosenov测试因此,也被称为“X-CPT。”

一些神经心理学测试来自X-CPT和所有这些都是基于基本范式的系列演讲目标和不属预定目标的刺激和主题的任务是应对罕见的视觉目标刺激或抑制反应。

康纳斯的CPT,也被称为“not-X-CPT”,目标刺激的字母X Rosvold的测试,但是课题的任务是应对不属预定目标的刺激和抑制反应目标刺激(3]。虽然康纳斯CPT旨在评估关注;已经表明,任务的性能依赖于不同的电机,感官和认知功能(例如,维护任务指令,视觉感知的刺激,目标识别,和手动响应)(4]。

出于这个原因,异常表现在临床人口可能是由于CPT主要注意力不集中或损害神经系统所从事的任务。因此,最重要的是识别和定位的大脑区域形成了神经网络在健康受试者CPT激活,以便更好地理解性能赤字之间的关系和发展或获得临床人群的大脑网络中断5]。

我们工作的首要目标是研究涉及的脑区神经网络在康纳斯CPT范式,通过使用功能性磁共振成像(fMRI),以确定不同导致任务绩效来自不同的大脑区域。

另一个开放问题的调查皮质注意力系统理解大脑反应的时间趋势在磁共振扫描仪的CPT任务执行系统。因此,这项工作的第二个目标是研究如何进行功能磁共振成像在脑区激活在康纳斯的性能的CPT任务,发展在整个持续注意测试的持续时间。

2。材料和方法

2.1。主题

八个右撇子健康成人志愿者参与了这项研究,7人是男性,1是女性平均年龄为18.8岁(SD 2.9)。参与者招募员工和学生工作中“Ospedale马焦雷亲自,米兰,意大利”的实验。

所有的受试者正常视觉和他们没有神经或精神疾病的历史。

2.2。连续性能测试(CPT)

本研究中使用的任务是古典康纳的CPT测试。它由26个字母,英文字母,依次以随机的顺序呈现,眼珠转动系统上使用的主题在fMRI扫描过程。关于测试给出的指令在测试前通过一个耳机系统。受试者被要求按响应按钮的右手食指尽快当以外的任何字母X出现(“走”事件)和停止响应字母X时显示(“禁入”事件)。信提出了interstimulus间隔(ISI)的1或2 s和在屏幕上停留了250毫秒(刺激持续时间)。注意任务是10分钟长,总共有450个字母。初始基线持续2分钟和最后一个恢复期持续2分钟也被记录下来。在基线和复苏,毫无意义的图像(面向不同的几何线条)科目。

CPT测试与软件实现”的演讲中,0.81版本,建立“(神经行为系统)。包“演示”能够产生刺激和同步的磁共振扫描器(mripulse功能)。此外,它可以获得一个日志文件与刺激的发病时间和响应时间的主题。日志文件的信息允许计算遗漏错误的数量和委员会的错误。一个遗漏错误承诺只要主题不回应不属预定目标的刺激;委员会错误承诺只要他给一个目标刺激的回应。

2.3。数据采集

进行了核磁共振扫描到一个1.5 T扫描仪(Eclipse Marconi-Philips系统)的介入神经放射学诊断和,Ospedale马焦雷亲自,IRCCS,米兰,意大利,使用标准头线圈。功能性核磁共振图像获得的echo-planar成像(EPI)序列使用轴向取向(TE = 60毫秒,TR = 3秒,翻转角度= 90°)。大部分的大脑由26片(平行于直线连接前和后连合CA和CP)获得平面分辨率64×64和3.97毫米3.97毫米4毫米压。在康纳斯的CPT fMRI数据收集在一个运行的290张照片。第十册(30秒)丢弃从以下分析,允许将达到稳定状态。因此使用了280卷:卷从11到50(2分钟)是第一个休息时间,从51到250卷(10分钟)活动时间,数量从251年到290年的第二次休息时间(2分钟)。测试的持续时间大约是14分钟。

2.4。数据分析

功能磁共振成像数据预处理
功能磁共振成像图像运动修正空间平滑和10毫米10毫米10毫米半宽度高斯内核使用SPM8b软件包(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/)。功能磁共振成像图像被空间归一化的神经解剖学的atlas Talairach和Tournoux(12参数仿射方法和使用加权模板映像)。

第一层分析
在第一阶段的功能磁共振成像数据分析每个参与者使用质量单变量方法分析了基于一般线性模型(GLM)理论在SPM8b中实现。

第一级分析使用一个街区设计的五个解释变量(长度2分钟40图片体积)用于模型的响应在时间的CPT的任务是执行的主体。解释变量是由卷积SPM规范血液动力学的响应函数(HRF) [6)和五个箱式车2分钟时间的函数,以这样一种方式覆盖整个持续注意测试的持续时间(10分钟)。

运动校正结果的参数图像调整也包含在第一级设计矩阵,作为unwanted-effect解释变量,从而消除残余运动构件(7]。

整个组解释变量建模感兴趣的效果和副作用形成第一级设计矩阵然后安装在每个主题参与实验的图像数据。回归系数的估计后,推理有关对比他们的估计进行使用——学生的统计。一组一级对比指定每一对比,包括一个特定感兴趣的回归量的重量和重量的0其他解释变量。这个结果在五为每个参与者形成鲜明对比。

二级分析
在第二阶段的分析,对比图像获得单一subject-level被包括进第二个层面设计矩阵来计算受试单向方差分析(方差分析)。

第二个层次设计矩阵是由定义一个单一因素五水平(每个级别对应一个两分钟的时间块)。因此,每个水平的方差分析设计包括第一级的对比图像所有参与者相对于一个特定的时间块。

在单向方差分析设计,我们计算的学生以及获得五个统计地图,每个块2分钟一个。的空间在地图所以获得阈值的意义P=没有多重比较和校正措施P= . 05与错误发现率修正。

感兴趣区域(roi)被定义为集群的相邻像素点t上面统计阈值。

为了研究规模和程度上激活的大脑区域发展CPT任务在执行,我们测量的体积ROI确定每个时间块2分钟,平均在主题的空间意味着时间的体素在每个课程的ROI。

3所示。结果

表1说明了fMRI激活在第一次2分钟CPT的任务。与任务绩效相关联的大脑区域位于扣带回、颞叶与枕叶皮质区域和小脑。大胆的扣带皮层激活是几乎完全位于前段和最大的大脑活动,体积的大胆的反应程度和大小(集群中的t统计量的最大值),位于正确的前扣带皮层(ACC)。

在图1它如何fMRI显示激活的发展在五个时间块:与第一块相比,第二块(2 - 4分钟)和第三块(4 - 6分钟)的注意力测试我们观察到逐步减少的体积大小的激活区域和大胆回应。第四块(6 - 8分钟),相反,越来越大脑活动的观察和第五块(8 - 10分钟),有一个新的减少。

图2代表了时间的大胆的响应在ACC ROI在整个期间fMRI收购包括基线期之前的开始关注任务,在执行测试,最后一个任务后恢复期(2分钟)。

在图2我们可以观察到的初始增加大胆信号后开始测试(41卷),随后减少直到第一万零六十卷,新增加的第四块期间(160 - 200卷)和减少第五块和最后的恢复时期(201 - 280卷)。

的其他领域,论文中没有显示,但我们观察到类似的时间趋势的功能磁共振成像测试期间的反应。

图3说明了在测试中演化的犯下的错误对象的数量。平均在每个时间块,我们错误的数量在每个时间间隔2分钟,然后我们平均每个块的结果在健康受试者的人口。我们认为的总数量计算错误,错误的总和。

在康纳斯CPT测试以来,主体的任务是抑制反应一旦出现字母X代表目标刺激的反应(“禁入事件”)和任何字母出现时”事件,“遗漏错误被定义为缺乏应对“Go-event”和欧盟委员会错误被定义为应对“闲人免进的事件。”

根据图中所示的图形3我们可以观察到错误的数量仍然大幅改变如果我们比较第一个块(0 - 2分钟)和第二个(2 - 4分钟),而错误数量的增加显著地在第三块(4 - 6分钟)和第四块更轻微的方式(6 - 8分钟),然后它会减少在过去时间块(8 - 10分钟)。犯下的错误是最多的在第三段测试,符合之前的临床文献[8)和康纳斯的C-CPT-II标准(9受试者),据报道下降注意力表现在中间康纳斯的CPT测试。

4所示。讨论

在这项研究中我们确定了网络的激活脑区在一群健康受试者使用fMRI持续注意力的任务。这个网络包括额叶、颞枕叶和岛地区和小脑。最大的集群额叶的激活被发现,尤其是在前扣带回皮层(ACC)。ACC注意力处理过程中起着重要的作用,调节目标选择(即。集中注意力)(10],运动反应选择[11)、错误检测和性能监控(12,13]。

激活左枕叶和颞叶皮层是位于腹侧视觉通路和参与视觉字母识别在先前的研究报告(14]。对岛叶皮质的激活不是记录在先前的研究并没有解释。

小脑激活确认发现的关注研究结果由(15),它已被证明的偏侧性的活动区域的左侧小脑。

结果相对大胆的信号的时间趋势在持续刺激显示最初的增加在fMRI激活的第一部分测试和随后的减少,可以用理论来解释长期刺激(16),习惯化现象研究中经常遇到的持续关注(17,18]。

被广泛接受的文学,大脑活动与区域脑血流量的增加(rCBF)不匹配的比例增加耗氧量或脑氧代谢率()[19,20.]。结果不匹配,增强rCBF要求超过了大脑活动增强氧消耗导致的初始减少deoxy-Hb因此越来越大胆的信号刺激的发病后几秒钟内(21,22]。

因此,大胆的初始上升信号显示在我们的研究结果是由rCBF这种瞬态显著解耦和解释。

最初的增加后,我们观察到在缓慢减少激活,直到达到基线。这种减少可以解释为由于恢复脑之间的平衡流和大胆的氧化代谢,减少信号可以部分解释为恢复脑流之间的耦合反应和代谢需求16]。

到达后的进一步降低基线不是记录在文学,但可以解释的基础上遇到的习惯化效应,被广泛研究的持续关注。

现象以来的习惯,大脑逐渐自动化任务的实施,逐步减少了精力充沛的请求。这种代谢需求减少导致血液流动的迅速恢复基础水平没有立即平行的复苏的氧代谢率慢得多。这将导致一个“负面”解偶联CBF和CMRO之间₂这就可以解释我们的发现。“负面”解偶联的存在已经在先前的研究提出为了解释大脑的减少血红蛋白氧化基准面以下结束后立即刺激(16,23]。

“负面”重新挂钩,可能是预防新增加的大脑活动中断的习惯化现象,是由于反应减少行为表现的主题。

特别是,功能磁共振成像的光增加反应观察在接下来的最后一块(6 - 8分钟)其次是氧化程度的减少测试的最后一块(8 - 10分钟)可能是有关立即前(4 - 6分钟)减少研究对象的行为表现导致越来越的数字的错误,我们观察到在第三块(4 - 6分钟)。

在行为层面上,可以认为,由于错误的数量的增加,被试作出努力限制错误的数量,以改善他们的表现。这导致越来越的脑活动,反过来,导致大脑氧化的初始上升源于流的初始解耦和代谢需求和减少重新挂钩的推导后血流动力学和代谢请求的响应。

任务停止进一步降低后的信号被发现在我们的数据后跟一个氧化水平的上升。这是按照结果显示在[16,23],可以解释为瞬态脱氧作用造成的“负面”解偶联的脑流和减少之间的耗氧量。

大胆的复苏信号的不完备后最初可能可以减少由于短促的时间间隔(2分钟)在任务后的记录。这个断言是由近红外光谱(NIRS)研究的持续注意记录完全恢复的基底大脑氧化水平约8分钟考试结束后,即恢复时间长于,典型的运动和纯粹的视觉刺激24]。

5。结论

本研究的目的是确定持续注意任务时的脑激活模式在一群健康的主题。它还试图研究血液动力学的激活脑区参与fMRI应对持续关注任务,发展在整个测试持续时间和了解大脑的激活和行为表现之间的关系。

使用神经成像功能磁共振成像方法我们发现了一个复杂的大脑区域网络参与持续注意力的任务。激活是一致的与现有模型的视觉对象处理和注意力控制和临床文献获得的结果与其他神经成像技术。

时间分析的进步减少粗体显示响应在CPT任务的习惯化效应,越来越激活可能在下半年的测试与性能的恶化,发生在中间的测试。

这项工作可以是一个起点为未来调查的变更相关的脑网络的动态行为模式和在临床神经缺陷的人口。激活的特定模式和行为赤字之间的关系可以帮助我们识别行为或药理干预的目标。

引用

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