Visuelle Aufmerksamkeit: fMRI Untersuchung der objektbasierten Aufmerksamkeitskontrolle

Quelle: Laboratorien der Jonas T. Kaplan und der Sarah I. Gimbel-Universität von Südkalifornien

Das menschliche visuelle System ist unglaublich anspruchsvoll und sehr schnell große Mengen an Informationen verarbeiten kann. Das Gehirn die Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten ist jedoch keine unbegrenzte Ressource. Aufmerksamkeit, die Fähigkeit, gezielt Informationen zu verarbeiten, das ist relevant für aktuelle Ziele und um Informationen zu ignorieren, die nicht, ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil der visuellen Wahrnehmung. Einige Aspekte der Aufmerksamkeit sind automatisch, während andere freiwillige und bewusste Kontrolle unterliegen. In diesem Experiment untersuchen wir die Mechanismen der freiwilligen oder "Top-Down" Aufmerksamkeitskontrolle auf visuellen Verarbeitung.

Dieses Experiment nutzt, die die ordnungsgemäße Organisation des visuellen Kortex zu prüfen, wie Top-Down-Aufmerksamkeit selektiv kann modulieren die Verarbeitung visueller Reize. Bestimmte Regionen des visuellen Kortex erscheinen, spezialisiert für die Verarbeitung von bestimmten visuellen Elementen. Insbesondere die Arbeit von Kanwisher Et Al. ¹ hat eine Fläche im Gyrus des Temporallappens minderwertig identifiziert, die deutlich mehr aktiv ist, wenn Themen anzeigen Gesichter im Vergleich zu, wenn sie andere gemeinsame Objekte zu beobachten. Diesem Bereich gekommen, als die spindelförmig Gesicht (FFA) bekannt sein. Einer anderen Region des Gehirns, bekannt als der Parahippocampal Place Bereich (PPA), reagiert stark auf Häuser und Orte, aber nicht auf Flächen. ² angesichts der Tatsache, dass wir wissen, wie diese Regionen auf bestimmte Reize reagieren, kann ihre Tätigkeit weiter erforscht werden um eine Schlüsselkomponente des Vision-visuelle Aufmerksamkeit zu identifizieren.

Dieses Video zeigt, wie fMRI verwenden, um die FFA und PPA im Gehirn zu lokalisieren und dann untersucht, wie objektbasierte Aufmerksamkeitskontrolle moduliert Aktivität in diesen Bereichen. Die Verwendung von eine funktionale Localizer, nachfolgende Hypothesentests einzuschränken ist eine leistungsfähige Technik in der funktionellen Bildgebung. Teilnehmer werden funktionelle MRI unterziehen, während präsentiert mit einem überlagerten Bild ein Gesicht und ein Haus. Obwohl ein Gesicht und ein Haus in jeder Reiz präsentiert werden, erwarten wir, dass Muster von Aktivitäten in ihrem FFA und PPA ändert basierend auf welches Element, betreut wird. ³

1. Teilnehmer Rekrutierung

1. 20 Teilnehmer zu rekrutieren.
   1. Teilnehmer sollten Rechtshänder und haben keine Geschichte der neurologische oder psychische Störungen.
   2. Teilnehmer müssen normal oder korrigiert-zu-normale Vision um sicherzustellen, dass sie in der Lage, die visuelle Hinweise richtig zu sehen sein werden.
   3. Teilnehmer sollten nicht Metall in ihrem Körper haben. Dies ist eine wichtige Voraussetzung aufgrund des hohen Magnetfeldes fMRI beteiligt.
   4. Teilnehmer sollten nicht unter Klaustrophobie leiden, da die fMRT erfordert liegen in dem kleinen Raum des Scanners trug.

2. Pre-Scan-Verfahren

1. Prescan Schreibarbeit.
2. Wenn die Teilnehmer ihre fMRI-Scans kommen, weisen Sie sie zum ersten füllen ein Metallsieb Form, um sicherzustellen, dass sie keine Kontraindikationen zur MRT haben, eine zufällige Ergebnisse Formular Zustimmung für ihre Scan von einem Radiologen betrachtet werden, und eine Einverständniserklärung über die Risiken und Vorteile der Studie.
3. Bereiten Sie die Teilnehmer in den Scanner zu gehen, indem Sie ihren Körper, einschließlich Gürtel, Brieftaschen, Handys, Haarspangen, Münzen und Schmuck aus Metall entfernen.

3. Geben Sie Anweisungen für die Teilnehmer.

1. Sagen Sie des Teilnehmers, dass in den Scanner sie Bilder von Gesichtern und Häuser sehen.
2. Weisen Sie für die anfängliche Localizer Läufe Teilnehmer, dass sie passiv Gesichter und Häuser betrachten werden.
3. Erklären Sie den Teilnehmern, die in der Aufgabe ausgeführt wird, sie ein Gesicht und ein Haus überlagert auf einander zu sehen. Ihre Aufgabe wird sein, entweder das Haus oder das Gesicht wie folgt achten.
   1. Wenn die Aufgabe zuerst beginnt, werden sie über Textanweisungen ob Häuser oder Flächen achten mitgeteilt.
   2. Die Teilnehmer haben vier Läufe, wo sie angewiesen sind, achten, Häuser, und vier Abfahrten, wo sie aufgefordert werden, auf Gesichter zu achten.
      1. Der Zeitplan für die Gesichts- und Haus läuft wird zufällig für jedes Fach sein.
4. Betonen Sie die Teilnehmer halten ihren Kopf während des Scans.

4. Legen Sie den Teilnehmer in den Scanner.

1. Geben Sie die Teilnehmer Ohrstöpsel schützen ihre Ohren vor dem Lärm der Scanner und Ohr Handys zu tragen, so dass sie den Experimentator während des Scans hören, und Sie liegen auf dem Bett mit ihrem Kopf in der Spule.
2. Geben Sie die Teilnehmer den Notfall Squeeze-Ball und weisen sie es im Notfall während des Scans zu quetschen.
3. Einsatz-Schaumstoff-Pads, die Teilnehmer zu sichern den Kopf in der Spule zu vermeiden übermäßige Bewegung während des Scans, und erinnern die Teilnehmer, dass es sehr wichtig, während des Scans als auch die kleinsten Bewegungsunschärfe möglichst ruhig bleiben die Bilder.

5. Datenerhebung

1. Einen hochauflösende anatomische Scan zu sammeln.
2. Starten Sie den Scanvorgang funktionsfähig.
   1. Beginn der Reizdarbietung mit dem Start des Scanners zu synchronisieren.
   2. Vorliegenden Bilder über einen Laptop an einen Projektor angeschlossen. Der Teilnehmer hat einen Spiegel über ihre Augen reflektiert, dass ein Bildschirm auf der Rückseite des Scanners langweilen.
   3. Jeder Teilnehmer mit zwei Localizer läuft, in denen sie passiv Blöcke von Gesichtern und Häuser sehen zu präsentieren. Diese Localizer Läufe werden verwendet, um die FFA und PPA in jedes einzelnen Teilnehmers zu ermitteln.
      1. Präsentieren Sie jeden Satz von Gesichtern und Häuser in einem 30-s-Block mit 20 s Fixierung zwischen den Blöcken. Zeigen Sie jeden Anreiz für 750 ms, gefolgt von ein 250 ms inter-Stimulus-Intervall, in der nur eine Fixierung Kreuz auf dem Bildschirm vorhanden ist. Wiederholen Sie die Blöcke in abwechselnder Reihenfolge fünf Blocks von Gesichtern und fünf Blocks von Häusern zu erhalten.
   4. Jeder Teilnehmer mit acht funktionellen Durchläufe der Aufmerksamkeit Aufgabe zu präsentieren.
      1. Beginnen Sie jeweils mit einem überlagerten Gesicht und Haus (Abbildung 1) in der Mitte des Bildschirms und eine Anweisung, durch die Teilnahme an entweder das Gesicht beginnen oder das Haus laufen. Das anfängliche Aufmerksamkeit Ziel werden zufällig von Ausführung zu Ausführung.
      2. Jeder Lauf wird 300 Paare von überlagerten Gesichter und Häuser enthalten. Paare von Gesichtern und Häuser werden zwischen den Läufen, aber nicht innerhalb läuft wiederholt.
      3. Zeigen Sie jedes Paar von überlagerten Reiz für eine Sekunde. Ersetzen Sie jede Sekunde die überlagerten Haus und das Gesicht mit einem überlagerten Neubau und Gesicht.

Abbildung 1: Gesicht-Reiz und Haus Reiz überlagert zusammen. Jeder Reiz präsentiert wurde eine überlagerte Gesicht und Haus. Der Teilnehmer wurde angewiesen, sich auf das Gesicht oder das Haus.

6. Post-Scan-Verfahren

1. Bringen Sie den Teilnehmer aus dem Scanner.
2. Nachbesprechung des Teilnehmers.

7. die Datenanalyse

1. Vorverarbeitung der Daten.
   1. Führen Sie Bewegungskorrektur um Bewegungsartefakte zu reduzieren.
   2. Zeitliche Filterung um Signal Drifts zu entfernen.
   3. Glätten Sie die Daten, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.
2. Modellieren Sie die Daten für jeden Teilnehmer.
   1. Erstellen Sie ein Modell dessen, was die erwartete hämodynamische Antwort für jede Aufgabe-Bedingung (Gesichter und Häuser) in der Localizer-Scan.
      1. Passen Sie die Daten zu diesem Modell, was zu einer statistischen Karte, wobei der Wert bei jedem Voxel das Ausmaß darstellt, das die Aufgabe Zustand das Voxel beteiligt war.
      2. Identifizieren Sie die Cluster für jedes Fach, die FFA und PPA basierend auf ihren anatomischen Positionen entsprechen. Die FFA gehören alle zusammenhängenden Voxel im der Mitte-Gyrus (welche reagiert deutlich mehr zu stellt sich als Häuser) und der PPA enthalten alle Voxel in der Parahippocampal Gyrus, der deutlich mehr Häuser als an Gesichter reagiert hat. Zu diesen Regionen von Interesse, eine minimale Signifikanzschwelle von p < 10^-6 für jedes Voxel verwendet wurde.
   2. Verwenden Sie jeden einzelnen FFA und PPA Masken als einen ROI Signal Aktivierungen während der vier Fokus auf Gesichter und die vier Fokus auf Häuser läuft zu extrahieren.
      1. Prozentuale Signaländerung für Gesicht- und Haus-Fokus Bedingungen im FFA und PPA für jedes Fach zu quantifizieren.
3. Führen Sie einen bidirektionalen Varianzanalyse (ANOVA) Prozent Signal ändern Sie Werte für Unterschiede unter den Bedingungen zu testen. Die Faktoren in diesem Test sind ROI (PPA vs. FFA) und Aufmerksamkeit (Gesichter vs. Häuser).

In den Localizer-Scans bilaterale FFA waren aktiver, wenn Themen anzeigen wurden Gesichter als wenn sie Häuser angesehen haben. Im Gegensatz dazu war die PPA aktiver beim Themen anzeigen wurden Häuser, als wenn sie Gesichter (Abbildung 2) angesehen haben. Diese Regionen lokalisiert über die Blockdesign Scans, dienten später als Regionen von Interesse Signal im Zusammenhang mit verlagert die Aufmerksamkeit auf Flächen und Häuser während der funktionalen läuft zu extrahieren.

Abbildung 2. Localizer fusiformis Gesichtsbereich (FFA) und die Parahippocampal Place (PPA). Beispiel für ein einzelnes Thema Lokalisierung der EFV während Blöcke Gesichter und der PPA zu betrachten, während Blöcke Häuser (oben) zu betrachten. Signal in der FFA wurde erhöht, während Blöcke der Gesichter aber nicht Häuser (blau) und Signal im PARTG wurde erhöht, während Blöcke der Häuser aber nicht Gesicht (grün).

Bei funktionellen läuft, wo Teilnehmer gleichzeitig ein Gesicht und ein Haus in ihrer direkten Sichtfeld sahen, war Tätigkeit im FFA und PPA moduliert basierend auf welches Element betreut wurde. Als Aufmerksamkeit auf dem Gesicht war, gab es erhöhter Aktivität in der FFA, aber nicht die PPA. Im Gegensatz dazu als Aufmerksamkeit des Hauses war, gab es erhöhter Aktivität in der PPA aber nicht die FFA (Abbildung 3).

Abbildung 3. Aktivierung der spindelförmig Gesicht Bereich (FFA) und der Parahippocampal Place Bereich (PPA) während Aufmerksamkeit-switching Aufgabe. Als Aufmerksamkeit des Hauses (grün) war, zeigte PPA erhöhte Aktivierung während FFA nicht. Umgekehrt, wenn konzentrierte sich auf das Gesicht (blau), FFA zeigte erhöhte Aktivierung während PPA nicht.

Die Verwendung der Localizer Scans ist ein leistungsfähiges Werkzeug für kognitive Neuroimaging und hat einige deutliche Vorteile gegenüber Bildgebung des gesamten Gehirns. Durch die Fokussierung einer Hypothese auf eine kleine Anzahl von bestimmten Orten, die Antwortverhalten bekannt haben, können wir ganz konkrete Vorhersagen mit hohen statistische Energie erzeugen. Ganze Gehirn müssen Neuroimaging Studien Voxel-Weise steuern, für Zehntausende von statistischen Tests durchgeführt an jedem Ort im Gehirn, ein Prozess, der statistische Aussagekraft reduziert. Definition dieser Regionen aufgrund ihrer funktionellen Eigenschaften in jedem einzelnen minimiert auch die Probleme, die durch individuelle Unterschiede in der Neuroanatomie.

In diesem Beispiel haben wir auf die spezialisierten Reiz-spezifische Reaktionen in den Teilregionen des visuellen Kortex zu verstehen, wie ein allgemeiner kognitiver Prozess, Top-Down-Aufmerksamkeit, Wahrnehmungs-Prozesse beeinflussen könnte. Obwohl der Reiz auf die Netzhaut für jedes Element Präsentation gleich war, variierte kortikale Aktivität basierend auf welchen Reiz betreut wurde. Dies zeigt, dass Top-Down-Aufmerksamkeit hat das Potenzial, zu erreichen in Low-Level-sensorischen Kortex zu modulieren, wie Informationen verarbeitet werden. Fortschritte in der Behandlungen und Eingriffe für Aufmerksamkeit Erkrankungen könnte ein umfassenderes Verständnis der wie Aufmerksamkeit Aktivierung im Gehirn moduliert.

1. Kanwisher N.G, McDermott J, Chun M.M. (1997). The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception. J. Neurosci., 17, 4302-4311.
2. Epstein, R., & Kanwisher, N. (1998). A cortical representation of the local visual environment. Nature, 392, 598-601.
3. Serences, J. T., Schwarzbach, J., Courtney, S. M., Golay, X., & Yantis, S. (2004). Control of Object-based Attention in Human Cortex. Cerebral Cortex, 14, 1346-1357.