Neural bases of congruency-sequence effects on conflict costs

• Project Area: Correspondence and Fusion of Artificial Intelligence and Brain Science
• Project/Area Number: 16H06564
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 田中 啓治 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, チームリーダー (00221391)
• Project Period (FY): 2016-06-30 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥76,180,000 (Direct Cost: ¥58,600,000、Indirect Cost: ¥17,580,000); Fiscal Year 2020: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2019: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2018: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2017: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2016: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
• Keywords: 認知機能 / 前頭前野 / 認知制御 / fMRI / 葛藤コスト / 前頭眼窩皮質 / 背外側前頭前野 / 多変量パターン解析 / フラットマップ / 作業セット / 慣性 / 反応時間 / 前頭眼窩野 / 磁化率アーチファクト / マルチバンド法 / スライス内高速化法 / 神経科学 / インプレーンアクセラレーション

Outline of Annual Research Achievements

2018年度は、前年度までに取得したfMRI実験データを新しい方法で解析した。実験では、刺激の色によって指定される方向のボタンを押すように被験者に指示し、事前訓練した。色刺激の上には、色で示されるのと同じまたは反対の方向を指す矢印を置いた。以下の３条件の試行が混在した：１）矢印の方向が色によって示される方向と一致する一致条件、２）矢印の方向が色によって示される方向と異なる不一致条件、３）矢印の代わりに棒が色刺激の上に提示された中立条件。fMRI実験で、前試行で準備された反応セットが次試行での課題遂行に影響する過程に関与する脳領域を調べた。
多変量パターン解析（MVPA）のサーチライト法を用いた。従来のサーチライト法は３次元の脳空間に球形のＲＯＩを設置する。この方法では、ROIが脳溝あるいは白質で隔てられた脳部位のボクセルを含むことがあるという問題があった。そこで我々は、各被験者の灰白質を球体表面に押し広げたフラットマップを作り、その上に円盤形のROIを設置した。
また、識別精度を条件間で比較するには、試行数が条件間で等しくなければならない。しかし、我々の実験では、被験者の誤反応のために試行回数が条件間で異なった。そこで、我々は、等しい数の試行をランダムに選択した。選択を5回やり直し、結果を平均した。
これらの解析の結果、背側前帯状皮質と前頭眼窩皮質の反応パターンを使った識別では、現試行の条件（一致条件と不一致条件）の識別精度が前試行の条件によって大きく異なり（中立条件後より一致条件後のほうが高い）、各被験者について計算された識別精度がその被験者の葛藤コスト（一致条件と不一致条件の間の反応時間の差）と有意な正の相関を持った。この結果は、前頭眼窩皮質が前試行で誘発された課題セットの経験を次の試行における制御のために処理する過程に重要な役割を果たしていることを示した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

プログラムは全体として順調に進んでいる。心理物理学的実験と高分解能fMRI実験の組み合わせによって、規則に従って複数の可能性の中から1つを選択する決定のメカニズムの解明を、特に以前の選択で用意された反応セットの影響に焦点を当てて、目指している。 2016年度は、前試行で作成した反応セットが現試行の課題実行に大きな影響を与える心理的パラダイムを作成した。2017年度は、このパラダイムでfMRI実験を行った。 2018年度は、新しい版のMVPAサーチライト法を用いて詳細な解析を行った。解析の結果は、前頭眼窩皮質が、前試行で引き起こされた反応セットの経験を次の試験での制御において処理する過程において重要な役割を果たすことを示しており、新しい認知制御の脳回路を示した。
fMRI実験と並行して、中国科学技術大学と共同して、競合シーケンス効果に対する経頭蓋直流刺激（tDCS）による脳部位活動操作の影響を調べた。刺激として水平方向に並ぶ5本の矢を使うフランカー課題を使いた。タスクは中央の矢印の方向への応答を要求するが、左右の矢印の方向への応答が自然に準備され、中央の矢印への応答に影響を与える。陽極刺激による背側前帯状皮質の継続的な活性化は競合シーケンス効果を増加させた。これは競合モニター仮説の予想通りの結果である。一方、背外側前頭前野の活性化は競合シーケンス効果を減少させた。不一致条件試行の後の葛藤コストは変化せず、一致条件試行の後の葛藤コストが減少した。このようにして、tDCSを用いた機能操作実験でも、背外側前頭前野の活性化の結果は競合モニター仮説では説明できないことを見出した。

Strategy for Future Research Activity

来年度は、fMRI実験の結果をさらに分析する。特に、視覚刺激や反応時間の違いを反映した反応パターン成分を除外することで、一致条件の識別に関連する脳活動をより正確に抽出する。また、tDCS実験の結果を説明する数理モデルを作成する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 中国科学技術大学(中国)
• [Journal Article] The role of primate prefrontal cortex in bias and shift between visual dimensions (2019)
  • Author(s): Mansouri FA, Buckley MJ, Fehring DJ, Tanaka K
  • Journal Title: Cerebral Cortex Volume: 印刷中
  • DOI: 10.1093/cercor/bhz072
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Exploration of human visual cortex using high spatial resolution functional magnetic resonance imaging. (2017)
  • Author(s): Cheng K
  • Journal Title: Neuroimage Volume: 印刷中 Pages: 4-9
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2016.11.018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The neural system of postdecision evaluation in rostral frontal cortex during problem-solving tasks (2016)
  • Author(s): Wan X, Cheng K, Tanaka K.
  • Journal Title: eNeuro Volume: 3 Pages: 1-24
  • DOI: 10.1523/eneuro.0188-16.2016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neural representation for object recognition in inferotemporal cortex (2016)
  • Author(s): Lehky SR, Tanaka K.
  • Journal Title: Current Opinion in Neurobiology Volume: 37 Pages: 23-35
  • DOI: 10.1016/j.conb.2015.12.001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Energization of cognitive modes by the medial prefrontal cortex (area 9m) in Wisconsin Card Sorting Test (WCST) (2018)
  • Author(s): Tanaka K
  • Organizer: Annual Science meeting of the ARC Center of Excellence for Integrative Brain Function
  • Invited
• [Presentation] Neural substrates of intuition in shogi and soccer experts (2018)
  • Author(s): Tanaka K
  • Organizer: Australasian Neuroscience Society 2018 Annual Scientific Meeting
  • Invited
• [Presentation] Category selectivity in the human face-selective cortex assessed with columnar resolution fMRI (2018)
  • Author(s): Tanskanen T, Kao CH, Waggoner RA, Ueno K, Tanaka K, Cheng K
  • Organizer: ISMRM Japanese Chapter 2nd Scientific Meeting, Wako
• [Presentation] Evaluation of motion effects on physiological noise correction in fMRI studies (2018)
  • Author(s): Suzuki C, Waggoner RA, Haruhana K, Tanaka K
  • Organizer: ISMRM Japanese Chapter 2nd Scientific Meeting, Wako
• [Presentation] Evaluation of combining method for RF array coil data in fMRI study (2018)
  • Author(s): Haruhana K, Suzuki C, Tanaka K, Ueno K
  • Organizer: ISMRM Japanese Chapter 2nd Scientific Meeting, Wako
• [Presentation] Simulations of various numerical leg models to ensure safety during parallel transmission MRI (2018)
  • Author(s): Gupta S, Tanaka K, Waggoner RA
  • Organizer: ISMRM Japanese Chapter 2nd Scientific Meeting, Wako
• [Presentation] Object recognition in inferotemporal cortex: from visual features to semantics (2017)
  • Author(s): Tanaka K
  • Organizer: 2017 Qufu Vision Science Conference, Qufu, China
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Object recognition in inferotemporal cortex: from visual features to semantics (2017)
  • Author(s): Tanaka K
  • Organizer: Asian-Pacific Conference on Vision, Tainan, Taiwan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Variation of RF-induced temperature increase in a phantom: comparison of numerical simulations, MR thermometry and measurements from temperature sensors (2017)
  • Author(s): Gupta S, Waggoner RA, Tanaka K, Cheng K
  • Organizer: ISMRM 25TH Annual Meeting and Exhibition, Honolulu
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-Resolution fMRI of the visual system at 3T using Zoomed Excitation via Tx-SENSE (2017)
  • Author(s): Waggoner RA, Ueno K, Pfeuffer J, Tanaka K, Cheng K
  • Organizer: ISMRM 25TH Annual Meeting and Exhibition, Honolulu
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reconstructing Perceived Faces from Human Brain Activity (2017)
  • Author(s): Lam AM, Tanskanen T, Kao CHT, Kuno Y, Tanaka K, Cheng K
  • Organizer: The 40th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society, Chiba
• [Presentation] ヒトfMRI撮像における被験者状態監視システムの構築 (2017)
  • Author(s): Haruhana K, Suzuki C, Tanaka K, Ueno K
  • Organizer: 第１回ヒト脳イメージング研究会, 町田
• [Presentation] ヒトfMRI研究のための被験者眼球運動計測システムの構築 (2017)
  • Author(s): Ueno K, Matsuda K, Haruhana K, Suzuki C, Tanaka K
  • Organizer: 第１回ヒト脳イメージング研究会, 町田
• [Presentation] Optimization of head motion parameter regression procedure in the data preprocessing for fMRI studies (2017)
  • Author(s): Ueno K, Suzuki C, Haruhana K, Tanaka K
  • Organizer: 第45回日本磁気共鳴医学会大会, 宇都宮
• [Presentation] RF-induced temperature increase in a phantom: comparison of numerical simulations, MR Thermometry and temperature sensor measurements (2017)
  • Author(s): Gupta S, Cheng K, Tanaka K, Waggoner RA
  • Organizer: 第45回日本磁気共鳴医学会大会, 宇都宮
• [Presentation] Serial autocorrelations and multiband fMRI (2016)
  • Author(s): Waggoner RA, Tanskanen T, Tanaka K, Cheng K
  • Organizer: 第44回日本磁気共鳴医学会大会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティ、埼玉県さいたま市
  • Year and Date: 2016-09-10
• [Presentation] Effect of load size and load position on coupling between the elements of an array coil (2016)
  • Author(s): Gupta S, Waggoner RA, Tanaka K, Cheng K
  • Organizer: 第44回日本磁気共鳴医学会大会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティ、埼玉県さいたま市
  • Year and Date: 2016-09-09
• [Presentation] Columnar organization of face orientation procession I human occipital face area (2016)
  • Author(s): Kao CH, Tanskanen T, Ueno K, Waggoner RA, Tanaka K, Cheng, K
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2016-07-22
• [Presentation] Columnar scale representation of faces in the human inferotemporal cortex (2016)
  • Author(s): Tanskanen T, Kao CH, Waggoner RA, Ueno K, Tanaka K, Cheng K
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • Year and Date: 2016-07-21