Spatiotemporal regularities in the brain: using endogenous stimuli in functional magnetic resonance imaging studies

Gu, Yu (2024): Spatiotemporal regularities in the brain: using endogenous stimuli in functional magnetic resonance imaging studies. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Die funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie (fMRT, oder fMRI) ist zu einer wesentlichen Methode in den Neurowissenschaften geworden. Es ist zum Beispiel möglich geworden, miteinander verschiedene neuronale Aktivierungs-Muster zu vergleichen wie etwa der Ruheaktivität mit verschiedenen Episoden von Gedächtnisinhalten. Viele Studien mit fMRI sind fokussiert auf neuronale Aktivierungen als Reaktion auf exogene Reize. Die Möglichkeit, auch endogene Reize zu nutzen ist in fMRI-Studien noch nicht hinreichend überprüft worden. Exogene Reize repräsentieren einen „bottom-up“ -Ansatz, um neuronale Charakteristiken in bestimmten experimentellen Situationen mit fMRI zu untersuchen. Im Gegensatz dazu sind endogene Reize eher mit „top-down“ -Regulationen assoziiert; diese werden vor allem in Verhaltens-Studien angewandt, um beispielsweise interkulturelle Unterschiede besser zu verstehen. In dieser Dissertation habe ich die Brauchbarkeit endogener Reize als experimentelles Paradigma in fMRI-Studien untersucht. Es ist die Absicht zu zeigen, dass endogene Reize verlässliche Charakteristiken raumzeitlicher Regulationen bei neuronalen Aktivierungen anzeigen. Es wird ein Rahmen („pipeline“) von Methoden vorgeschlagen, die einen Vergleich neuronaler Muster erlauben, indem eine Kombination von Methoden einschließlich „machine learning“ und verschiedener statistischer Verfahren mit und ohne endogener Reize eingesetzt wird. Zwei verschiedene Studienprotokolle, jede mit einer Einzelfall- und einer Gruppen-Studie, wurden analysiert. In diesen Studien hatten die Versuchspersonen die Aufgabe, bestimmte mentale Zustände unter endogener Kontrolle zu generieren. In einer Einzelfall-Studie wurde die morgendliche Routine von Aktivierungen analysiert; in einer anderen Einzelfall-Studie stand musikalische Imagination mit unterschiedlichen Tempi im Fokus; in einer Gruppen-Studie wurden positive und negative emotionale Szenarien im Detail betrachtet; in einer weiteren Gruppen-Studie wurden neuronale Muster bei der Herstellung von Zufallsfolgen von Zahlen und Wörtern aufgedeckt. Die Analysen zeigen, dass endogene Reize konsistente Unterschiede in der neurokognitiven Maschinerie anzeigen, wenn sie bei episodischen Gedächtnis-Studien eingesetzt werden. Es wird auch gezeigt, dass innere endogene Stimuli ähnliche Muster der neuronalen Aktivierung auslösen wie äußere exogene Reize. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Paradigma endogener Reize bei kontrollierten Bedingungen als zuverlässig angesehen werden kann. Es wird darüber hinaus gezeigt, dass der vorgeschlagene Rahmen („pipeline“) der Methoden brauchbar ist, um raumzeitliche Muster in fMRI-Studien zu identifizieren.

Abstract

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is now an essential method in neurosciences. It has become possible to compare different neural activation patterns for instance between the resting state and different memory episodes. Many fMRI studies are focused on brain activities being a response to external stimuli. The feasibility and potential usefulness of endogenous stimuli has not been widely explored in fMRI studies. Exogenous stimuli provide a “bottom-up” approach for exploring neural characteristics for specific experimental situations in fMRI studies. On the contrary endogenous stimuli can be said to be associated more with “top-down” regulations; they are often applied in behavioral studies to better understand for instance intercultural differences. In this study, I explore the feasibility of endogenous stimuli in fMRI research as an experimental paradigm. It is intended to show that endogenous stimuli can elicit reliable characteristics in spatiotemporal regularities of neural activities. A pipeline of methods is suggested to allow comparisons of neural patterns with and without endogenous stimuli through a combination of methods including machine learning and various statistical tools. Two sets of studies, each containing one single case study and one group study were analyzed. The subjects were instructed in these experiments to generate specific mental conditions under endogenous subjective control. In a single-case study the morning routine of activities was analyzed; in another single-case study musical imagery with different tempi was in the focus; in a group study positive and negative emotional scenarios were looked at in detail; in another group study on random number and word generation different neural activation patterns were disclosed. The analyses indicate that endogenous stimuli can create consistent differences in the neurocognitive machinery when employed in episodic memory studies. It is also shown that internal, i.e., endogenous stimuli can elicit similar neural response patterns as external, i.e., exogenous stimuli. The results suggest that the paradigm using endogenous stimuli under controlled conditions can be considered to be reliable. Furthermore, it is indicated that the pipeline approach is a useful tool for identifying specific spatiotemporal patterns in fMRI studies.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: fMRI, statistics, pattern, endogenous stimuli, episodic memory, deep learning
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 29. November 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Pöppel, Ernst