7. Категориальная избирательность, противоречия и MVPA

Экспериментальный дизайн в нейровизуализации

Повторение: минимальная пара и смешение

В прошлый раз мы обсуждали экспериментальный дизайн. Большинство решений в этой области — это применение здравого смысла и размышления о том, каково это для испытуемого. Ключевая идея — минимальная пара. Это своего рода платонический идеал идеального контраста, который никогда не существует в реальности, но к которому вы стремитесь. В идеале вам нужны два условия, которые идентичны, за исключением одной маленькой вещи, которая вас интересует. Вы не хотите, чтобы были другие вещи, которые меняются вместе с той, которой вы манипулируете. В этом суть экспериментального дизайна.

Задачи для испытуемых в сканере

Существует компромисс между выполнением самого естественного действия (когда испытуемые просто лежат и получают стимулы) и тем фактом, что они могут заснуть. Если они заснут, вы не узнаете. Поэтому иногда лучше дать задание, чтобы они не спали и сообщали вам, что они бодрствуют.

Ключевой важный момент: Не используйте одно задание для одного условия стимула и другое задание для другого. Если бы вы это сделали, это было бы смешение.

Baseline условия

Например, в эксперименте со зрением, смотреть на точку или крест — это почти предел того, что можно сделать, отключая зрительную систему. Зачем вам с этим возиться? Иногда полезно иметь такой baseline, потому что мы хотим смотреть не просто на разницу между двумя условиями. Одно условие само по себе в МРТ ничего не говорит. Все, что мы можем видеть, — это различия.

Если у вас есть хороший baseline и вы действительно знаете, что 0 — это 0 (или настолько близко к 0, насколько это возможно), это позволяет увидеть сильный эффект. В нейронауке мы очень заботимся о селективности — о том, насколько больше мы получаем ответ в одном условии по сравнению с другим. Селективности обычно более интересны как соотношение, а не как разница. Вы не можете получить соотношение, если у вас нет третьего условия, обычно baseline.

Дизайн с повторными измерениями (Within Subjects Design)

Мы не хотим, чтобы одна половина испытуемых выполняла условие с лицами, а другая — с объектами. Мы хотим дизайн с повторными измерениями (within subjects design) — все условия внутри одного испытуемого, когда это возможно.

Почему? Моя лучшая аналогия: предположим, мы решили оценивать ваши задания так: треть класса будет оцениваться только Хизер, треть — только Даной, треть — только Аней. Это справедливо? Нет. Что, если Хизер строгая? Это было бы несправедливо при оценке, и это также нехорошо в экспериментальном дизайне. Вы хотите иметь все условия внутри одного человека, потому что, возможно, мозг одного человека просто активируется больше, чем мозг другого (например, из-за кофеина, который увеличивает BOLD-ответ).

Вывод: делайте дизайны с повторными измерениями (within subjects), когда это возможно.

Распределение условий по ранам (runs)

Раны — это подмножества всего часового эксперимента (например, по пять минут за раз с перерывом). Та же логика применима. В сканере за час вы становитесь сонными или скучающими. Эти вещи меняются в течение медленных периодов времени, поэтому вы хотите собрать все условия вместе в одном ране, точно так же, как вы хотите собрать условия вместе с испытуемым.

Блочный дизайн (Block Design) vs. Событийно-связанный дизайн (Event-Related Design)

Как нам объединить все условия в одном ране? Объединяем ли мы их в блоки или чередуем? Здесь есть глубокий набор компромиссов.

• Блочный дизайн (block design): вы объединяете целую кучу проб с одним условием, затем целую кучу проб с другим, с каким-то baseline между ними.
• Событийно-связанный дизайн (event-related): смешанное чередующееся условие. Он может быть медленным или быстрым.

Почему не всегда использовать блочный дизайн? Возникают смещения. Например, если вы только что сделали кучу «желтых» проб, ваша «желтая» система могла адаптироваться. Вы также знаете, что следующая будет «желтой», поэтому есть эффекты предыдущих проб и эффекты ожидания в дополнение к фактическому эффекту одной пробы.

Почему не всегда использовать событийно-связанный дизайн? BOLD-ответ имеет окно около 10 секунд. Если вы быстро чередуете пробы, ответы будут massively накладываться друг на друга. Если вставлять 10 секунд между пробами, испытуемый заснет, и вы тратите дорогое время сканирования.

Ни один из этих вариантов не является правильным или неправильным. Они правильны в разных условиях.

Проблема наложения BOLD-ответов

Представьте серию проб: дом, точка, лицо, точка и т.д. Каждая проба длится одну секунду. Ответ в веретенообразной области лица (fusiform face area) на дом будет средним низким, на лицо — выше. Но то, что мы наблюдаем, измеряя ответ маленького вокселя, — это сумма всего этого. Это большая размытая сумма.

Однако это не невозможно. По странным физиологическим механизмам эти вещи суммируются приблизительно линейно. Поскольку они суммируются линейно, если у вас достаточно проб, вы можете взять эту размытую сумму и восстановить исходные ответы. Это как решение нескольких уравнений.

Вывод: сделать быстрый событийно-связанный дизайн (fast event-related) — это борьба в гору. Вам нужно проделать много математики. Но при некоторых обстоятельствах, когда вещи должны быть перемешаны, это осуществимо.

Локализационное сканирование (Localizer Scan)

Мы обсуждали идею определения области мозга с помощью локализационного сканирования (localizer scan) с функциональной МРТ. Например, запустите сканирование «лица против объектов», найдите область лица у этого испытуемого, а затем проведите новые эксперименты и протестируйте ее.

Почему мы должны делать это внутри каждого испытуемого? Потому что эта область находится не в одном и том же месте у каждого испытуемого. Мозги физически отличаются от одного человека к другому, как лица. У всех вас есть глаза, нос и рот, но они находятся в немного разных положениях. Функция поверх анатомии еще более вариабельна.

Если вы попытаетесь выровнять мозги разных людей идеально, они не наложатся идеально. Если вы хотите изучить веретенообразную область лица, вы должны найти эту область у каждого человека индивидуально. В противном случае вы размываете свои данные.

Дизайн 2x2: Факторные эксперименты

До сих пор мы говорили о самом простом дизайне: два условия (например, лица и объекты), и вы смотрите, есть ли более высокий ответ на A, чем на B. Но у нас может быть больше двух условий. Например, один фактор (категория стимула) с множеством условий: лица, тела, объекты, сцены.

Мы можем усложнить и иметь четыре условия, которые представляют собой два фактора, варьируемых ортогонально. Это дизайн 2 на 2.

Пример: Сравним лица с объектами (стульями). Но помимо этого, мы можем спросить: зависит ли ответ в мозге от того, обращаете ли вы внимание на лица и объекты? Что, если вы обращаете внимание на что-то другое (например, на маленькие цветные буквы в центре дисплея)?

• Фактор 1 (Стимул): Лица vs. Объекты.
• Фактор 2 (Задача): Задача на лица/объекты vs. Задача на буквы.

Этот дизайн позволяет задать разные вопросы:

1. Главный эффект (main effect) типа стимула: Зависит ли ответ от категории стимула? (В целом, любит ли наш участок лица больше, чем объекты?)
2. Главный эффект (main effect) задачи: Зависит ли ответ от внимания? (В целом, имеет ли значение, обращаете ли вы внимание на фотографии или на что-то другое?)
3. Взаимодействие (interaction): Зависит ли эффект категории стимула от внимания? (Насколько селективен ответ на лицо, когда на него обращают внимание, по сравнению с тем, когда не обращают?)

Взаимодействие (interaction) — это часто самый интересный тип вопроса. Это эффект одного фактора, который зависит от уровня другого фактора. В данном случае — взаимодействие категории стимула и задачи.

Практика: Главные эффекты и взаимодействия

Чтобы получить опыт, рассмотрим различные паттерны данных для ответа в веретенообразной области лица (FFA) на объекты и лица в условиях «с вниманием» и «без внимания».

1. Нет главного эффекта стимула, нет главного эффекта внимания, нет взаимодействия: Все ответы одинаковы. (Глупый случай, в FFA такого не будет).
2. Главный эффект стимула, нет главного эффекта внимания, нет взаимодействия: Лица выше, чем объекты. Внимание не имеет значения. Селективность не зависит от внимания.
3. Главный эффект стимула, главный эффект внимания, нет взаимодействия: Лица выше, чем объекты. С вниманием выше, чем без внимания. Но эффект типа стимула одинаков на каждом уровне внимания. Есть селективность к лицам и есть общий эффект внимания.
4. Главный эффект стимула, главный эффект внимания и взаимодействие: Эффект типа стимула разный на разных уровнях внимания.