ФГБУН Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Лаборатория психофизиологии

Соколов П.А., Ушаков В.Л., Верхлютов В.М.

Проблемы статистического анализа данных фМРТ при просмотре и воображении видеосюжетов

Москва 2015

Задача работы:

• Выявить статистически достоверную активацию корковых структур, в том числе и структур, содержащих систему зеркальных нейронов, в предложенных условиях эксперимента.

Материалы и методы Задачи эксперимента фМРТ

Видеосюжеты:

1. Прыжок с парашютом (незнакомый) 2. Лекция (знакомый)

Выборка:

21 здоровый доброволец (13 муж., 8 жен, 23 ± 5 лет) – студенты и преподаватели ВУЗА 0

фон

30

задача Блоковая парадигма (фон + задача): задача задача фон фон

60 90 120 150 180 время, сек

№ задания 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Материалы и методы Задания эксперимента

фон точка фиксации точка фиксации точка фиксации точка фиксации просмотр видео лекции просмотр видео прыжка просмотр видео лекции точка фиксации точка фиксации задача представить прыжок представить лекцию просмотр видео прыжка просмотр видео лекции просмотр видео прыжка представить прыжок представить лекцию представить/припомнить прыжок представить/припомнить лекцию пиктограмма

Материалы и методы Получение и анализ фМРТ-данных

PHILIPS ACHIEVA, Голландия НИИ неотложной детской хирургии и травматологии, Москва

 B=3.0 Тл  dB\dl=80 мТл\м

Анализ фМРТ-данных:



SPM 8

- первичная обработка фМРТ-данных - статистическое параметрическое картирование (t-test)

Импульсная последовательность

 FE-EPI  TR=3000 мсек  TE=35 мсек  ST=4 мм (толщина среза)  MX=100x100 (матрица)  PX=1,8х1,8 мм (пиксел) 

Воксель: 1,8х1,8х4 мм (V≈13мм 3 )



CARET

- построение трехмерных поверхностей и плоских проекций коры головного с возможностью картирования (распределение Т-критерия)

2.5

t

1 2 3

Результаты.

Анализ групповых статистических параметрических карт (SPM 8).

Предмет анализа – количество активированных вокселей серого вещества, уровень BOLD-сигнала от которых с высоким уровнем достоверности совпадает (фон).

с модельным BOLD-сигналом: повышается во второй части каждого блока парадигмы (задача) по отношению к первой части 4

-2.5

5 6 Уровни анализа: • по всей коре головного мозга • по передним и задним отделам коры • по условно объединенным структурам с коррекцией множественных сравнений 7 8 9

t = 2.5, p uncor = 0.01

Относительная активация передних и задних отделов коры

Поля по Бродману: Передние отделы - 1,3,4,6,8,9,10,11,13,23,24,25,31,32,33,43,44,45,46,47 Задние отделы - 2,5,7,17,18,19,20,21,22,27,28,29,30,34,35,36,37,38,39,40,41,42 Доверительный интервал : передние ±3.4%, задние ±2.4%, T-критерий, * - р<0.05

Вывод:

При просмотре видео преобладает активация задних отделов коры, тогда как воображение связано с большей активацией передних отделов коры.

Анализ условно объединенных структур с коррекцией множественных сравнений

Условно выделенные блоки (по данным литературы).

1. СЗН (поля 39, 40, 44, 45 по Бродману) 2. Моторный блок (поля 4, 6 по Бродману) 3. Когнитивный блок (поля 8, 9, 10 по Бродману) 4. Сенсорный блок (зрительные поля 17, 18 по Бродману)

5. Перцептивный блок (поля 5, 7, 19, 20, 21, 37 по Бродману)

Анализ условно объединенных структур с коррекцией множественных сравнений

Относительная активация структур мозга, объединенных сравнений.

выполнением определенной функции, в зависимости от задания с учетом множественных * - p<0.05 и выше (F = 4.08, df = 40).

Пороговый уровень объема активации структур - 3 %

Выводы:

1. При просмотре активность зеркальных, перцептивных и моторных систем преобладала на неизвестный видеосюжет «прыжок», а при воображении ― на известный видеосюжет «лекция» 2. Корковые структуры, с которыми связывают когнитивные функции, более активны при воображении сюжетов, чем при их просмотре.

3. Сенсорные и перцептивные отделы коры активны при воображении сюжетов.

t

Количество вокселей

ПРОБЛЕМА Величина эффекта (β) 2,5 (p=0,01) 2,49 2,51 возможное отсутствие значимых различий у «пограничных» вокселей №1 №2 №1 №2 ОБОСНОВАНИЕ Оценка количества «пограничных» вокселей для каждого задания относительно количества «активированных» вокселей (t > 2.5) n погран 1 < t < 4 : < 7% < 14 % (1000/70000) n актив

Построение карт на основании прямых сравнений Задания: №3 – просмотр прыжка №4 – просмотр лекции №8 – воображение/припоминание прыжка №9 – воображение/припоминание лекции Контрастный вектор: с = [№3 №4 №8 №9]

– оценка статистической значимости

t-test

«Воображение лекции» - «воображение прыжка» t-test, c = [0 0 -1 1] зеркальные поля перцептивные поля моторные поля

Вывод:

При воображении активность зеркальных, перцептивных и моторных систем преобладала на известный видеосюжет «лекция»

«Просмотр прыжка» - «просмотр лекции» t-test, c = [1 -1 0 0] зеркальные поля перцептивные поля моторные поля

Вывод:

При просмотре активность зеркальных, перцептивных и моторных систем преобладала на неизвестный видеосюжет «прыжок»

«Просмотр» - «воображение» t-test, c = [1 1 -1 -1] когнитивные поля граница передних и задних отделов коры

Выводы:

• При просмотре видео преобладает активация задних отделов коры, тогда как воображение связано с большей активацией передних отделов коры • Корковые структуры, с которыми связывают когнитивные функции, более активны при воображении сюжетов, чем при их просмотре.

«Просмотр» + «воображение» t-test, c = [1 1 1 1] сенсорные поля перцептивные поля

Вывод:

Сенсорные и перцептивные отделы коры активны при просмотре и воображении сюжетов.

Итог Подтверждена корректность полученных результатов.