实验设计

fMRI可以用来做什么？什么人在使用fMRI？哪些学科会用到fMRI？认知神经科学类：认知活动的神经基础心理学神经生物神经科学医药相关类医学疾病研究：如：肥胖导致代谢紊乱发生机制——不同体重者下丘脑对葡萄糖刺激的反应（陈敏）放射医学：”同构异病”和“同病异构”——导航显微镜，如癫痫患者的手术。生物医药工程学：咖啡因是否能够提高大脑短时记忆能力？工程类计算机和人工智能：静息态下的功能连接（自动化所）电子工程学：图像处理技术、fMRI与其他方法的结合其他Eg.科学家发明脑扫描技术意欲挑战传统测谎仪认知神经科学使用fMRI做些什么？从结构到功能某一脑区的功能？正常：eg.Broca区的功能——语言特异性？语音编码or运动编码？缺失：病变引起的功能异常，eg.Broca损伤的失语症某些已知大脑环路的功能？Eg.腹侧通路与背侧通路两半球结构的不对称性所引起的功能侧化Eg.颞平面的不对称性是否影响言语表现？从功能到结构Neuralcorelation：某种认知功能引起的脑激活模式或不同条件下的脑激活模式的差异Eg.阅读vs.言语产出某种功能是否存在？分离范式，模块化观点，eg.Self-referentvs.Other-referent（朱滢）从Wernike到Broca的投射——弓状束or顶叶语音复述环路？主题实验脑功能的可塑性：动态功变化脑的静态功能连接总的方向：探索大脑结构与认知功能的关系研究逻辑如何有效的使用fMRI？从功能到结构：关于痒痒的研究如何从现象建构一个可以用fMRI验证的假设fMRI中的因素设计与检验分析的可选择性从结构到功能：关于杏仁核功能的研究双分离范式ROI分析从现象到可验证的假设(Blakemore,etal.1998)为什么被别人轻轻挠一下就很痒，而自己怎么挠也不会痒呢？日常生活中的有趣现象神经相关fMRI研究的思路为什么相同的物理刺激会产生不同的主观体验？具有理论意义的问题我们预期到刺激是自己产生的，因此，取消了体感觉区的活动。提出一个具有一定根据的解释这种取消的信号是由小脑发出的。可用fMRI实验检验的更深入的解释具体的操作概念可操作化：2×2两因素分析？自己挠vs.他人挠有/无触觉刺激研究预期：操作的效果：实验者操作时被试体感觉皮层的激活大于被试自己操作，说明痒痒感觉操作成功；假设的验证：与没有任何感觉输入相比，被试自己挠痒痒时，小脑激活较低。结果结论：同侧小脑与自发运动的体感觉预期之间存在神经相关。back自己操作的痒痒在右侧小脑激活最低，甚至低于静息状态他人操作的痒痒引起双侧体感觉区激活最高backfMRI研究中需要注意的问题fMRI研究的局限：被试需要长时间（1～2小时）呆在一个狭小的、充满噪音的环境中；研究领域的局限：听觉研究、言语研究推广性问题空间分辨率在几毫米，因此不能研究微小结构的功能变化；Eg.杏仁核研究（1.5Tvs.3T）时间分辨率低，BOLD信号变化缓慢研究的问题的时间持续性长设计越简单越好技术性问题：噪音干扰心跳等生物频率的干扰（设计）但是，fMRI依然是众多功能性研究青睐的手段：直观性；离科学更进一步；fMRI的实验设计2006-12-25fMRI实验研究流程图问题提出实验设计扫描刺激数据分析论文写作fMRI实验研究流程图问题提出实验设计扫描刺激数据分析论文写作基本逻辑实验方法的基本逻辑：我们操纵A因素，使之发生变化，如果在A因素的不同水平上B因素也发生了变化，我们就说A导致了B，A与B之间具有因果关系。fMRIA:刺激（视觉、听觉、嗅觉、触觉）B:大脑的激活模式相关vs.因果基本概念在实验中实验者所操纵的、对被试者的反应产生影响的变量称为自变量（A）由操纵自变量而引起的被试者的某种特定反应称为因变量（B）除自变量外，对因变量产生影响的实验条件称为控制变量变量的控制对各个变量都要进行操作性定义因变量的观测指标要注意防止天花板效应和地板效应（1）实验中典型的额外变量要求特征霍桑效应安慰剂效应约翰·亨利效应顺序效应练习效应疲劳效应方位效应其它罗森塔尔效应（2）额外变量的控制方法排除法恒定法匹配法随机化法实验设计方案①实验有哪几个自变量？每个自变量有哪些水平？②实验的因变量是什么？如何测量？③实验中可能对因变量产生影响的额外变量有哪些？如何控制？④如何选择被试（样本大小，抽样方式）？如何将不同的试验条件分配给被试？⑤实验的指导语？⑥实验的具体时间进程怎样？⑦磁共振的扫描参数？⑧实验数据的处理方法？实验设计方案①实验有哪几个自变量？每个自变量有哪些水平？②实验的因变量是什么？如何测量？③实验中可能对因变量产生影响的额外变量有哪些？如何控制？④如何选择被试（样本大小，抽样方式）？如何将不同的试验条件分配给被试？⑤实验的指导语？⑥实验的具体时间进程怎样？⑦磁共振的扫描参数？⑧实验数据的处理方法？实验设计的目的给予我们的实验假设最强的支持有利于我们产生新的实验假设-8-6-4-20246810121416fMRI实验设计的任务检测激活反应模式估计：信号随时间的变化趋势检测激活的能力信噪比很大程度上取决于血动学的反应形状SNR=aM/M=hemodynamicchanges(unit)a=measuredamplitude=noisestandarddeviation反应模式的估计能力可以确定功能磁共振信号的形状多个同类刺激引起的反应模式曲线在同一取样点的HDR变异越小（方差最小化），估计越准确估计的效能与HDR的形状无关什么是理想的实验设计？同时具有很高的检测能力和估计能力刺激呈现间隔随机化——提高估计能力同类刺激引起的信号变化可以叠加，从而具有更高的信号变化率——提高监测能力实验设计参数TR–两次全脑扫描间的时间间隔(时间分辨率).Ntp–时间点的个数(TRs,frames,volumes,…)Nc–刺激类型的个数(conditions)Npc–每一种类型的刺激的重复次数(canvaryacrosseventtypes)Tpc–每一类型的刺激的呈现时间(canvaryacrosseventtypes)TETITA……fMRI实验设计类型BlockedDesignsEvent-RelatedDesignsSlowERDRapidunjitteredERDRapidjitteredERDMixedDesignsCombinationblocked/event-relatedVariablestimulusprobability实验设计的基本类型根据实验刺激在实验进程中的时间分布特点①Block②Event③Mixeddesign根据实验中要操纵变量的多少：①单因素实验设计②多因素实验设计根据在各自变量及各处理水平中是否用相同被试：①被试内设计②被试间设计③混合设计实验设计的基本类型根据实验刺激在实验进程中的时间分布特点①Block②Event③Mixeddesign根据实验中要操纵变量的多少：①单因素实验设计②多因素实验设计根据在各自变量及各处理水平中是否用相同被试：①被试内设计②被试间设计③混合设计实验设计的基本类型－时间1)BlockedDesigns2)Event-RelatedDesignsSlowERDesignRapidUnjitteredERDesignRapidJitteredERDesign3)MixedDesigns实验设计类型－时间BlockDesignSlowERDesignRapidUnjitteredERDesignRapidJitteredERDesignMixedDesign=trialofonetype(e.g.,faceimage)=trialofanothertype(e.g.,placeimage)Block设计Block的持续时间持续时间的选择长随着刺激的重复，血液动力学反应逐渐达到饱和大约持续10s,激活达到最大值太长，无法区分是机器噪声带来的漂移还是实验条件带来的变化短允许block之间更多的切换，降低线性漂移带来的干扰太短，会使血液动力学反应在无任务的Block中不能回归到基线，BOLD信号的幅度下降多长合适？14-20或者更长-1.5-1-0.500.511.522.5147101316192225283134374043464952555861646770737679828588919497100-1.5-1-0.500.511.522.5147101316192225283134374043464952555861646770737679828588919497100HowManyTrialsDoYouNeed?SEMvarieswithsquarerootofnumberoftrialsNumberoftrialsneededwillvarywitheffectsizeFunctionbeginstoasymptotearound15trials基线的选择无任务：情绪意识到周围环境中发生的事情对自我的意识对感觉信息的监测好的基线执行一定的任务，“引导注意”Block设计的优缺点信噪比高，容易探测激活对信号漂移十分敏感不断重复的刺激容易导致被试血动学反应衰退许多实验任务无法用Block设计实现：Cue-Go模式无法良好估计HDRHDREstimation:BlockedDesignsEvent设计什么是Event-RelatedDesigns?Event-relateddesignsassociatebrainprocesseswithdiscreteevents,whichmayoccuratanypointinthescanningsession.为什么选择event-relateddesigns?某些实验任务只能选ERDCue-go有利于对单个刺激反应模式的考察Wheredoesjittercomefrom?(What’saNullCondition?)•“Null”condition–fixationcrossordot•Byhypothesis,noresponsetonull•Insertrandomamountsofnullbetweentaskconditions•DifferentialISI=DifferentialOverlapA+BAAAA++++BBBTimeEvent设计的优缺点有利于准确估计血液动力学反应模式有利于精确区分认知过程中的各种加工成分Cue-go成分的区分有利于在实验结束后，根据被试的行为学表现，对fMRI数据进行相关处理（Trialsorting）较低的激活检测能力不同的HDR形状对ERD的检测能力又很大影响Mixed设计……MixedBlocked/Event-relatedDesignTarget-relatedActivity(Phasic)Blocked-relatedActivity(Tonic)Task-InitiationActivity(Tonic)Task-OffsetActivity(Tonic)（Burgundetal.2003）Mixed设计的优缺点结合了ERD和BD各自的特点,激活检测能力和反应模式估计能力都很高能够分离出认知过程中持续的（如长时记忆）和短暂的（如对单个刺激的记忆检索）加工成分数据处理更为复杂实验设计的基本类型根据实验刺激在实验进程中的时间分布特点①Block②Event③Mixeddesign根据实验中要操纵变量的多少：①单因素实验设计②多因素实验设计根据在各自变量及各处理水平中是否用相同被试：①被试内设计②被试间设计③混合设计为什么要采用多变量的实验设计？一次考察几个变量，比一个个考察这些变量效率更高实验的外部效度更高可以揭示变量之间的交互作用，提供更多的信息。实验设计的基本类型－变量（一）多自变量实验设计（二）多因变量实验设计多自变量实验设计多自变量实验设计举例目的：了解年龄对再认能力的影响第一个自变量是年龄，选取初中生年龄组和大学生年龄组。第二个自变量是实验材料，