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Functional Imaging with Reinforcement, Eyetracking, and Physiological Monitoring

We use functional brain imaging (fMRI) to study neural circuits that underlie decision-making.  To understand how outcomes affect decision processes, ...

The ability to classify visual objects into discrete categories ("friend" versus "foe"; "edible" versus "poisonous") is essential for survival and is a fundamental cognitive function. The cortical substrates that mediate this function, however, have not been identified in humans. To identify brain regions involved in stimulus categorization, we developed a task in which subjects classified stimuli according to a variable categorical boundary. Psychophysical functions were used to define a decision variable, categorization uncertainty, which was systematically manipulated. Using event-related functional MRI, we discovered that activity in a fronto-striatal-thalamic network, consisting of the medial frontal gyrus, anterior insula, ventral striatum, and dorsomedial thalamus, was modulated by categorization uncertainty. We found this network to be distinct from the frontoparietal attention network, consisting of the frontal and parietal eye fields, where activity was not correlated with categorization uncertainty.

A neural representation of categorization uncertainty in the human brain.

Die F&auml;higkeit zum Klassifizieren von visuellen Objekten in diskrete Kategorien (&quot;Freund&quot; gegen&uuml;ber &quot;Feind&quot;; &quot;essbare&quot; versus &quot;giftig&quot;) ist zum &Uuml;berleben unverzichtbar und eine grundlegende kognitive Funktion. Die kortikale Substrate, die diese Funktion zu vermitteln wurden jedoch nicht beim Menschen identifiziert. Hirnregionen identifizieren beteiligt Reiz Kategorisierung, entwickelten wir eine Aufgabe in welche Themen klassifiziert Reize nach einer Variable kategorische Begrenzung. Psychophysische Funktionen wurden verwendet, um eine Entscheidung Variable, Kategorisierung Unsicherheit, zu definieren, die systematisch manipuliert wurde. Mit ereignisbezogene funktionelle MRI, entdeckten wir, dass die Aktivit&auml;t in einem Fronto-Striatale-Thalamus-Netzwerk, bestehend aus den medialen Gyrus frontalis anterioren Insula, ventralen Striatum und Dorsomedial Thalamus, durch Kategorisierung Unsicherheit moduliert wurde. Wir fanden dieses Netzwerk angesehen vom frontoparietale Aufmerksamkeit Netzwerk, bestehend aus der frontalen und parietalen Auge-Felder, wo Aktivit&auml;t nicht mit Kategorisierung Unsicherheit korreliert war.

Eine neurale Darstellung der Kategorisierung Unsicherheit im menschlichen Gehirn.

Perception, memory, and action in frontal and parietal cortex. Focus on "Selection and maintenance of saccade goals in the human frontal eye fields".

Wahrnehmung, Ged&auml;chtnis und Aktion im frontalen und parietalen Kortex. Fokus auf &quot;Auswahl und Wartung von Saccade Ziele in den Bereichen menschliche frontal Auge&quot;.

Walk the line: parietal neurons respect category boundaries.

In Walk the Line: parietale Neuronen respektieren Kategorie Grenzen.

Media depictions of violence, although often claimed to induce viewer aggression, have not been shown to affect the cortical networks that regulate behavior.

Repeated exposure to media violence is associated with diminished response in an inhibitory frontolimbic network.

Media-Darstellungen von Gewalt, obwohl oft behauptet Viewer Aggression, veranlassen nicht nachweislich die kortikale Netze beeinflussen, die Verhalten zu regulieren.

Wiederholter Exposition gegen&uuml;ber Medien Gewalt ist verminderte Reaktion in einem hemmenden Frontolimbic-Netzwerk zugeordnet.

In neuroimaging research on attention, cognitive control, decision-making, and other areas where response time (RT) is a critical variable, the temporal variability associated with the decision is often assumed to be inconsequential to the hemodynamic response (HDR) in rapid event-related designs. On this basis, the majority of published studies model brain activity lasting less than 4 s with brief impulses representing the onset of neural or cognitive events, which are then convolved with the hemodynamic impulse response function (HRF). However, electrophysiological studies have shown that decision-related neuronal activity is not instantaneous, but in fact, often lasts until the motor response. It is therefore possible that small differences in neural processing durations, similar to human RTs, will produce noticeable changes in the HDR, and therefore in the results of regression analyses. In this study we compare the effectiveness of traditional models that assume no temporal variance with a model that explicitly accounts for the duration of very brief epochs of neural activity. Using both simulations and fMRI data, we show that brief differences in duration are detectable, making it possible to dissociate the effects of stimulus intensity from stimulus duration, and that optimizing the model for the type of activity being detected improves the statistical power, consistency, and interpretability of results.

Detection of time-varying signals in event-related fMRI designs.

Neuroimaging Forschung auf Aufmerksamkeit, kognitive Kontrolle, Entscheidungsfindung und anderen Gebieten, wo Reaktionszeit (RT) entscheidende Variable ist, ist die zeitliche Variabilit&auml;t, die mit der Entscheidung verbundenen h&auml;ufig angenommen, dass der h&auml;modynamische Antwort (HDR) in schnellen ereignisbezogene Entw&uuml;rfen belanglos sind. Auf dieser Grundlage die Mehrheit der ver&ouml;ffentlichten Studien model Hirnaktivit&auml;t dauert weniger als 4 s mit kurzen Impulsen, die das Auftreten von neuronalen oder kognitive Ereignisse, die dann mit der h&auml;modynamischen Impuls-Antwort-Funktion (HRF) gefaltet werden. Elektrophysiologische Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die neuronaler Aktivit&auml;t im Zusammenhang mit der Entscheidung nicht unmittelbar, aber in der Tat oft dauert, bis der motor Antwort. Es ist daher m&ouml;glich, dass kleine Unterschiede in der neuronalen Verarbeitung Laufzeiten, &auml;hnlich dem menschlichen RTs, sp&uuml;rbare Ver&auml;nderungen in der HDR erzeugt und damit in die Ergebnisse der Regressionsanalyse. In dieser Studie vergleichen wir die Wirksamkeit der traditionellen Modelle, die keine zeitliche Varianz mit einem Modell zu &uuml;bernehmen, die explizit f&uuml;r die Dauer der sehr kurzen Epochen der neuronalen Aktivit&auml;t ausmacht. Mit Simulationen und fMRI-Daten, zeigen wir, dass kurze Unterschiede in Dauer nachweisbar, wodurch die Auswirkungen der Impuls-Intensit&auml;t von Impuls-Dauer, zu distanzieren und die Optimierung des Modells f&uuml;r die Art der T&auml;tigkeit, entdeckt die statistische macht, Konsistenz und Interpretierbarkeit der Ergebnisse verbessert.

Erkennung von zeitlich ver&auml;nderlichen Signalen in ereignisbezogene fMRI-Designs.

The use of functional magnetic resonance imaging (fMRI) in non-human primates is on the increase. It is known that the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal varies not only as a function of local neuronal energy consumption but also as a function of cardiac and respiratory activity. We mapped these cyclic cardiac and respiratory artifacts in anesthetized macaque monkeys and present an objective analysis of their impact on estimates of functional connectivity (fcMRI). Voxels with significant cardiac and respiratory artifacts were found in much the same regions as previously reported for awake humans. We show two example seeds where removing the artifacts clearly decreased the number of false positive and false negative correlations. In particular, removing the artifacts reduced correlations in the so-called resting state network. Temporal bandpass filtering or spatial smoothing may help to reduce the effects of artifacts in some cases but are not an adequate replacement for an algorithm that explicitly models and removes cyclic cardiac and respiratory artifacts.

Effects of heartbeat and respiration on macaque fMRI: implications for functional connectivity.

Der Einsatz der funktionellen Kernspintomographie (fMRI) in nicht-menschlichen Primaten ist auf dem Vormarsch. Es ist bekannt, dass das Blut-Sauerstoff-Niveau-abh&auml;ngigen (BOLD) Signal nicht nur als Funktion der lokalen neuronalen Energieverbrauch, sondern auch als Funktion der Herz- und Atmungs-Aktivit&auml;t variiert. Wir diese zyklische Herz- und Atemwege Artefakte in narkotisierten Makaken zugeordnet und eine objektive Analyse ihrer Auswirkungen auf den Sch&auml;tzungen der funktionelle Konnektivit&auml;t (FcMRI) zu pr&auml;sentieren. Voxel mit signifikante kardiale und respiratorische Artefakte im viel die gleichen Regionen wie bereits berichtet f&uuml;r wach Menschen gefunden. Wir zeigen zwei Beispiel-Samen, wo die Artefakte entfernen deutlich die Zahl der falsch positive und falsch negative Korrelationen abgenommen. Entfernen die Artefakte reduziert insbesondere Korrelationen im sogenannten ruhenden Zustand Netz. Zeitliche Bandpass Filter oder r&auml;umliche Gl&auml;ttung kann dazu beitragen, die Verringerung der Auswirkungen der Artefakte in einigen F&auml;llen sind jedoch keinen geeigneten Ersatz f&uuml;r einen Algorithmus, der explizit modelliert und zyklische kardiale und respiratorische Artefakte entfernt.

Auswirkungen von Herzschlag und Atmung auf Makaken fMRI: Implikationen f&uuml;r die funktionelle Konnektivit&auml;t.

The dorsal medial frontal cortex (dMFC) is highly active during choice behavior. Though many models have been proposed to explain dMFC function, the conflict monitoring model is the most influential. It posits that dMFC is primarily involved in detecting interference between competing responses thus signaling the need for control. It accurately predicts increased neural activity and response time (RT) for incompatible (high-interference) vs. compatible (low-interference) decisions. However, it has been shown that neural activity can increase with time on task, even when no decisions are made. Thus, the greater dMFC activity on incompatible trials may stem from longer RTs rather than response conflict. This study shows that (1) the conflict monitoring model fails to predict the relationship between error likelihood and RT, and (2) the dMFC activity is not sensitive to congruency, error likelihood, or response conflict, but is monotonically related to time on task.

The dorsal medial frontal cortex is sensitive to time on task, not response conflict or error likelihood.

Der dorsale mediale frontale Kortex (dMFC) ist w&auml;hrend der Wahl Verhalten sehr aktiv. Obwohl viele Modelle dMFC-Funktion erkl&auml;ren vorgeschlagen wurden, ist der Konflikt &Uuml;berwachung Modell einflussreichsten. Er postuliert, dass die dMFC in erster Linie f&uuml;r die Erkennung von St&ouml;rungen zwischen konkurrierenden Antworten so signalisieren die Notwendigkeit der Kontrolle beteiligt ist. Es Vorhersage erh&ouml;hte neuronale Aktivit&auml;t und Reaktion Zeit (RT) f&uuml;r unvereinbar (hoch-Interferenz) vs. kompatibel (niedrig-Interferenz) Entscheidungen. Jedoch hat sich gezeigt, dass neuronale Aktivit&auml;t mit der Zeit auf Aufgabe erh&ouml;hen kann, selbst wenn keine Entscheidungen getroffen werden. Somit kann die gr&ouml;&szlig;ere dMFC-Aktivit&auml;t auf inkompatible Studien stammen aus l&auml;ngeren RTs als Antwort Konflikt. Diese Studie zeigt, dass (1) der &Uuml;berwachung geht nicht auf die Beziehung zwischen Fehler-Wahrscheinlichkeit und RT (2) die dMFC-Aktivit&auml;t Vorhersagen Konflikt nicht auf die Kongruenz, Fehler-Wahrscheinlichkeit oder Antwort Konflikt reagiert, aber monoton sich auf Zeit auf Aufgabe bezieht.

Der dorsale mediale frontale Kortex reagiert empfindlich auf Zeit auf Aufgabe, nicht Antwort Konflikte oder Fehler-Wahrscheinlichkeit.

Conflict, error likelihood, and RT: Response to Brown & Yeung et al.

Konflikt, Fehler-Wahrscheinlichkeit und RT: Antwort zu Brown &amp; Yeung Et Al.

Performance on traditional selective attention tasks, like the Stroop and flanker protocols, is subject to modulation by trial history, whereby the magnitude of congruency (or conflict) effects is often found to decrease following an incongruent trial compared to a congruent one. These "congruency sequence effects" (CSEs) typically appear to reflect a mesh of memory- and attention-based processes. The current study aimed to shed new light on the nature of the attention-based contribution to CSEs, by characterizing the shape of the CSE time-course while controlling for mnemonic influences. Existing attention-based accounts of CSEs are either ambiguous in their predictions of CSE time-courses, or predict CSEs to persist or grow over the post-stimulus/response interval in anticipation of an upcoming stimulus. We gauged CSE time-courses by systematically varying inter-stimulus (Experiment 1) and response-to-stimulus (Experiment 2) intervals across a wide temporal range, in a face-word Stroop task. In spite of an exponential increase in the likelihood of stimulus appearance with increasing interval duration (i.e., an exponential hazard function), results from both experiments showed CSEs to be most pronounced at the shortest intervals, to quickly decay in magnitude with increasing interval length, and to be absent at longer intervals. These data refute the idea that attentional contributions to CSEs remain static over post-stimulus/response intervals and are incompatible with the notion that CSEs reflect expectation-guided preparatory biasing in anticipation of a forthcoming stimulus. The data are compatible, however, with the notion that attentional contributions to CSEs reflect a short-lived, phasic enhancement of attentional set in reaction to processing conflict.

Going, going, gone: characterizing the time-course of congruency sequence effects.

Leistung bei traditionellen Selektive Aufmerksamkeit Aufgaben, wie die Protokolle Stroop und Flanker unterliegt Modulation durch eine Testversion Geschichte, wobei das Ausma&szlig; der Kongruenz (oder Konflikt) Effekte oft gefunden wird, um folgt eine inkongruente-Studie im Vergleich zu einem kongruent zu verringern. Diese &quot;Kongruenz Sequenz Effekte&quot; (CSEs) scheinen in der Regel ein Netz von Ged&auml;chtnis und Aufmerksamkeit-basierten Prozessen widerzuspiegeln. Die aktuelle Studie zielte darauf ab, neue Aufschluss &uuml;ber die Art des Beitrags auf der Grundlage von Aufmerksamkeit CSEs, von charakterisieren die Form des CSE Zeitverlaufes w&auml;hrend die Kontrolle f&uuml;r mnemonische Einfl&uuml;sse. Vorhandene Aufmerksamkeit-basierten Konten des CSEs sind entweder in ihren Prognosen von CSE Mal-Kurse, mehrdeutig oder Vorhersagen CSEs k&ouml;nnen bzw. &uuml;ber die post-stimulus-Antwort-Intervall im Vorgriff auf eine bevorstehende Reiz wachsen. Wir gemessen CSE Zeit-Kurse durch systematisch wechselnde Inter-stimulus (Versuch 1) und Antwort-Impulse (Experiment 2) Intervalle in einem weiten zeitlichen Spektrum, in ein Gesicht-Wort-Stroop-Aufgabe. Trotz einer exponentiellen Zunahme die Wahrscheinlichkeit der Reiz Erscheinung mit zunehmender Dauer Intervall (d.h. eine exponentielle Hazardfunktion), beide Experimente ergaben CSEs am k&uuml;rzesten Abst&auml;nden, zu schnell Verfall in der Gr&ouml;&szlig;enordnung mit zunehmenden Intervalll&auml;nge ausgesprochen und fehlen in l&auml;ngeren Intervallen. Diese Daten widerlegen die Idee, dass die syn&auml;sthetischen Beitr&auml;ge CSEs &uuml;ber post-stimulus-Antwort-Intervallen stagnieren und sind nicht kompatibel mit der Vorstellung, dass CSEs wider Erwartung gef&uuml;hrten vorbereitenden Quellengewichtung im Vorgriff auf eine bevorstehende Reiz. Die Daten sind kompatibel, jedoch mit der Vorstellung, dass die syn&auml;sthetischen Beitr&auml;ge zur CSEs eine kurzlebige, phasische Verbesserung syn&auml;sthetischen Menge in Reaktion auf die Verarbeitung von Konflikt widerspiegeln.

Article	Year
A neural representation of categorization uncertainty in the human brain. Neuron\| PubMed ID: 16504950	2006
Perception, memory, and action in frontal and parietal cortex. Focus on "Selection and maintenance of saccade goals in the human frontal eye fields". Journal of neurophysiology\| PubMed ID: 16510779	2006
Walk the line: parietal neurons respect category boundaries. Nature neuroscience\| PubMed ID: 17001336	2006
Repeated exposure to media violence is associated with diminished response in an inhibitory frontolimbic network. PloS one\| PubMed ID: 18060062	2007
Detection of time-varying signals in event-related fMRI designs. NeuroImage\| PubMed ID: 18775784	2008
Effects of heartbeat and respiration on macaque fMRI: implications for functional connectivity. Neuropsychologia\| PubMed ID: 19969009	2010
The dorsal medial frontal cortex is sensitive to time on task, not response conflict or error likelihood. NeuroImage\| PubMed ID: 21168515	2011
Conflict, error likelihood, and RT: Response to Brown & Yeung et al. NeuroImage\| PubMed ID: 21554960	2011
Going, going, gone: characterizing the time-course of congruency sequence effects. Frontiers in psychology\| PubMed ID: 21833220	2010

Jack Grinband

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