2012년 10월 24일
우리는 자기 공명 영상 (MRI)에 의해 캡처 해부학 적 정보와 결합 마그네토와 electroencephalography (멕 / EEG)은, 청각주의와 관련된 대뇌 피질의 네트워크의 역학을 매핑 사용합니다.
본 절차의 전반적인 목표는 서로 다른 인간 인지 상태의 기저에 있는 피질 역학을 매핑하는 것입니다. 이는 먼저 피험자가 행동 과제를 수행하는 동안 뇌자도 및 뇌파 데이터(요약하여 MEG 및 EEG)를 캡처함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 관련 MRI 시퀀스를 사용하여 해부학적 데이터를 획득하는 것입니다.
다음으로 MEG 및 EEG의 센서 위치와 해부학적 정보 사이의 공간적 대응 관계를 설정하기 위해 공동 등록(co-registration)을 수행합니다. 마지막 단계는 역영상 접근법(inverse imaging approach)을 사용하여 개인의 뇌 활동을 피질 공간에 매핑하는 것입니다. 최종적으로, 공통 표면 기반 좌표계를 바탕으로 한 통계적 추론을 통해 서로 다른 인지 상태를 구분 짓는 유의미한 시공간적 패턴을 발견합니다.
시연자는 Eric Lawson과 Ross Maddox입니다. 제 실험실의 박사후 연구원분들을 위해, 피험자의 구조적 MR 영상을 획득하는 것으로 이 프로토콜을 시작하십시오. 먼저, magnetization prepared rapid gradient echo(MP rage) 또는 이와 유사한 시퀀스를 사용하여 구조적 MR 스캔을 수행하십시오.
EEG 데이터를 역영상 분석(inverse imaging analysis)에 사용할 경우, 이 시퀀스는 사용되는 특정 스캔 해상도와 영상 프로토콜에 따라 5분에서 10분 정도 소요될 수 있습니다. 또한, 두 번의 fast low angle shot 또는 flash MRI 스캔을 수행하십시오. 이러한 flash 시퀀스는 표준 MP rage 시퀀스와는 다른 조직 대조도를 제공합니다.
영상 촬영이 완료되면, MNE 및 FreeSurfer 소프트웨어를 사용하여 MP rage 및 flash 영상으로부터 피부, 외두개 및 내두개 표면을 재구성합니다. 그런 다음 MEG 실험 전에 이러한 표면을 사용하여 3층 경계 요소 모델(boundary element model, BEM)을 생성합니다. 먼저 청각 및 시각 잠복기를 테스트하여 타이밍의 무결성을 확인하십시오.
화면에 부착된 마이크와 포토 DDE를 사용하고, 이후 관찰 가능한 지터(jitter)가 없는지 확인하십시오. 이를 위해 프레젠테이션 프로젝터를 기본 해상도로 설정해야 할 수도 있습니다. 다음으로, 전극 도표 및 기준 전극 준비와 피험자의 기준점(fiduciary landmarks), 머리 위치 표시 코일 및 EEG 전극의 디지털화에 관한 자세한 내용은 luital의 이전 비디오 논문을 참조하여 기록을 위한 피험자 준비를 수행하십시오.
피험자가 MEG 측정 헤드 위치에 편안하게 앉은 후, 헤드 위치 표시기 또는 HPI 코일을 사용하여 위치를 확인하고, 기록을 시작하며 청각 및 시각 자극 제시를 시작합니다. HPI 측정은 연속적으로도 수행할 수 있음을 유의하십시오. 피험자는 시청각 행동 과제를 수행하는 동안 광학 버튼 박스를 통해 청각 및 시각 자극에 반응해야 합니다.
여기서 피험자는 시각적 단서에 의해 지정된 반시야에서 시작된 바퀴 살과 숫자를 보고합니다. 때때로 피험자는 시행 중간에 반대측 반시야로 주의를 전환하도록 시각적 프롬프트를 받습니다. 청각적 주의 전환을 연구하기 위해, 자극 제시를 수행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 사용할 수 있습니다.
본 실험에서는 auditory stimulus presentation(청각 자극 제시) 및 트리거 스탬핑을 위해 Tucker Davis Technologies RZ six를 사용하고, visual stimulus presentation(시각 자극 제시)을 위해 psych toolbox를 사용하며, 두 장치 모두 matlab로 제어합니다. 데이터 처리를 시작하려면 여기 보이는 것처럼 MNE 소프트웨어를 사용하여 EEG 데이터를 구조적 MR에 공등록(coregister)합니다. 먼저 피험자의 재구성된 MRI 머리 모델에 디지타이저 데이터를 로드하십시오. 다음으로, 공등록 프로세스를 시작하기 위해 기준점(fiduciary landmarks)을 선택한 후, 자동 정렬 절차를 사용하여 좌표 변환을 완료합니다.
그 다음, 소스 공간 내 각 다이폴의 위치를 각 센서의 위치와 연관시킵니다. 기록된 머리 위치 표시기 데이터를 결합하여 3층 경계 요소 모델을 이용한 순방향 해(forward solution)를 계산함으로써 데이터의 신호 대 잡음비를 더욱 높입니다. 채널의 스파이킹으로 인해 비정상적으로 높은 진폭 신호가 포함된 에포크(epoch)를 제거하는 것과 같은 시간 영역 아티팩트 제거를 적용합니다.
또한 50 또는 60 Hz 전원 주파수에서의 밴드 노치 필터링과 같은 주파수 영역 아티팩트 제거를 적용하십시오. 신호 공간 투사(signal space projection) 또는 신호 공간 분리(signal space separation)와 같은 다른 노이즈 감소 기술을 사용하여 주변 환경 자기장 오염이나 눈 깜빡임 및 심장 아티팩트와 관련된 원치 않는 생리적 신호로부터 공간 자기장 패턴을 투사하거나 분리하십시오. 이제 각 실험 조건에 대해 소스 공간의 각 다이폴 위치에서의 시간에 따른 현재 추정치인 분포 다이폴 추정치의 뇌 영상을 생성하십시오. 실험 설계의 시간적 특성에 따라, 겹치지 않는 시간 창을 사용하여 현재 추정치를 평균함으로써 데이터를 시간적으로 빈닝(binning)하여 분석 모프(analysis morph)를 계속할 수 있습니다.
개별 피험자의 피질 자라 패턴(sical jarral patterns)을 최적으로 정렬하는 표면 기반 좌표계를 사용하여, 이전에 생성된 각 피험자의 뇌 영상을 공통의 피질 공간으로 투영합니다. 이를 통해 피험자 간의 피질 활성도를 비교하거나 평균화할 수 있습니다. 관심 영역(ROI) 접근법을 사용하기 위해, 예를 들어 자동 구획화 알고리즘을 통해 해부학적으로 ROI를 정의하거나, 안구 운동 영역을 식별하기 위한 go/no-go task와 같은 기능적 국소화 과제를 기록하여 기능적으로 정의할 수 있습니다. 분석은 또한 사용된 실험 패러다임에 적합한 특정 관심 시간대로 더 제한될 수 있으며, 예를 들어 소리 자극의 시작 직전과 직후의 시간대로 제한할 수 있습니다.
위에서 설명한 행동 패러다임을 사용하여 시계열 분석과 관련된 다른 통계적 추론 또한 수행할 수 있습니다. 여기서는 비모수적 시공간 클러스터링 절차를 사용한 대표적인 결과가 제시되어 있습니다. 개별 피험자가 표준 과제와 비교하여 재지향 과제를 수행할 때 우측 전두안구영역이 유의미한 것으로 나타났습니다.
ROI 접근법을 사용하여 우측 전두안구영역의 시간 경과를 두 조건 간에 유의미한 차이가 나타나는 시간대와 함께 보여줍니다. 이 영상을 시청한 후, 여러분은 서로 다른 행동 과제에서 피질 역동성을 매핑하기 위해 M-E-G-E-E-G와 MRI를 사용하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 적절한 통계적 접근법을 적용함으로써 인지 상태를 구분 짓는 다양한 시공간적 패턴을 발견할 수 있습니다.
시청해 주셔서 감사드리며, 실험에 좋은 결과가 있기를 바랍니다.
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본 연구는 청각 주의와 관련된 피질 역학을 조사하기 위해 자기 뇌전도(MEG) 및 뇌전도(EEG)와 자기공명영상(MRI)을 활용합니다. 이러한 기술의 통합은 인지 과제 중 뇌 활동의 종합적인 매핑을 가능하게 합니다.
Mapping cortical dynamics with MEG/EEG and MRI enables high-temporal-resolution investigation of cognitive states relevant to neuropsychiatric target validation. This approach supports mechanistic de-risking by linking distributed neural activity to behavioral phenotypes in disease-relevant systems. It provides predictive confidence for target engagement assays by identifying spatiotemporal biomarkers of cognitive dysfunction.
The method integrates into discovery biology through hypothesis testing of cortical networks, advances to screening via reproducible neurophysiological readouts, and supports translational research via group-level statistical inference in a common cortical space.