Measuring neural mechanisms of error processing with fMRI: model-based and data-driven methods

Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-02-10
Department
Major/Subject
Lääketieteellinen tekniikka
Mcode
Tfy-99
Degree programme
BIO - Bioinformaatioteknologia
Language
en
Pages
58 + 9
Series
Abstract
Vaikka virheenkäsittely on eräs tärkeimmistä kognitiivisista toiminnoista, on vielä epäselvää, käsittelevätkö ihmisaivot itse tehtyjä ja havaittuja toisten tekemiä virheitä samalla tavalla. Tässä tutkimuksessa tutkittiin toiminnallisella magneettikuvauksella (fMRI) mekanismeja, jotka liittyvät itse tehtyjen virheiden ja sekä kontrolloiduissa että luonnollisissa tilanteissa havaittujen virheiden käsittelyyn. Ensimmäisessä koeasetelmassa koehenkilöt pelasivat yksinkertaista peliä tehden välillä virheitä. Toisessa kokeessa katseltiin videota kyseisestä pelistä toisen pelaajan pelaamana. Kolmannessa kokeessa katseltiin lyhyitä videopätkiä erilaisista arkielämän virhetilanteista. fMRI-dataa analysoitiin yleisellä lineaarisella mallilla (GLM) ja riippumattomien komponenttien analyysilla (ICA) virhesidonnaisen aivotoiminnan ja toiminnallisen konnektiivisuuden selvittämiseksi. Luonnollisten virheiden ennakoinnin aiheuttamaa aivoaktivaatiota tutkittiin myös erikseen. Lisäksi laskettiin virheiden aiheuttamat hemodynaamiset vasteet 23:lla eri aivoalueella ja tutkittiin eri alueiden vasteiden välisiä korrelaatioita sekä eri koetilanteiden aiheuttamien vasteiden eroja. Itse tehdyt ja luonnolliset havaitut virheet aiheuttivat samanlaista aktivaatiota aivojuovion osa-alueilla (häntätumake ja linssitumakkeen pallo) sekä rostraalisen etummaisen pihtipoimun ja näköaivokuoren alueilla. Dorsaalinen etummainen pihtipoimu, alempi otsalohkon poimu ja aivosaari aktivoituivat samalla tavoin itse tehtyjen virheiden ja luonnollisten virheiden ennakoinnin aikana. Sen sijaan havaitut virheet pelissä eivät aiheuttaneet merkittäviä vasteita. Sekä ICA-tuloksien että yksittäisten aivoalueiden vasteiden korrelaatioiden perusteella virheiden aikana aktivoituneet alueet olivat toiminnallisesti yhteydessä keskenään. Nämä löydökset vahvistavat teorioita rostraalisen ja dorsaalisen etummaisen pihtipoimun erillisistä toiminnoista virheenkäsittelyn aikana ja viittaavat siihen että aivojuovio käsittelee melko samalla tavoin itse tehtyjä ja havaittuja virheitä.

Even though processing of errors is one of the most fundamental cognitive functions, it is still unclear whether the human brain processes self-generated and observed errors similarly. In this study, we examined the neural mechanisms of error processing with functional magnetic resonance imaging (fMRI) during self-committed errors, as well as observed errors made by others in both controlled and naturalistic situations. In the first experiment the subjects played a simple response selection game, occasionally making errors. In the second experiment they watched a video recording of the same game played by someone else. In the third experiment they watched short video clips depicting other people failing in everyday situations. The fMRI data were analyzed with the general linear model (GLM) and independent component analysis (ICA) in order to detect error-related activation and functional connectivity. With the third task we also examined the activity caused by error anticipation. In addition, correlations between error-related BOLD responses in 23 predefined regions of interest (ROI) were calculated, and the regional responses in different experimental conditions were compared. Similar activations were detected during self-committed and observed naturalistic errors in striatal subregions (caudate nucleus and globus pallidus), rostral anterior cingulate cortex (ACC) and visual cortical regions. Dorsal ACC, inferior frontal gyrus and insula showed similar activation during self-committed errors and anticipation of naturalistic observed errors. Observed errors in the game could not produce a robust BOLD response. Both ICA and ROI-based analyses indicated high functional connectivity between the key regions of the error monitoring circuit. Together, these findings support the theories advocating distinct functions of rostral and dorsal ACC in error monitoring and suggest that the striatum processes self-generated and observed errors quite similarly.
Description
Supervisor
Parkkonen, Lauri
Thesis advisor
Jääskeläinen, Iiro
Sipilä, Outi
Keywords
fMRI, toiminnallinen magneettikuvaus, event-related, error processing, anterior cingulate cortex, striatum, naturalistic stimulus, ICA, tapahtumasidonnainen, virheenkäsittely, toiminnallinen konnektiivisuus, etummainen pihtipoimu, aivojuovio, luonnollinen ärsyke, GLM
Other note
Citation