Inter and intra-individual behavioral variability predicted by neural activity in the multiple demand network

Abstract

Geniş bir yelpazeye yayılan bilişsel görevler, Çoklu Talep (ÇT) ağını frontal ve paryetal beyin alanlarında tutarlı olarak tanımlamaktadır. Bu ağın aktivitesi dikkat, görev geçişi, alışılmamış problemleri çözme ve işler bellekte bilginin işlenmesi gibi yürütücü işlevlerle (Yİ) yakından ilişkilidir. Bu çalışmada ÇT nöral aktivitesi ve Yİ arasındaki ilişkiyi geniş bir fMRG veri öbeği kullanarak araştırdık (n=120). Bu ilişkiyi bireyler arası değişkenlik ve denemeler arası değişkenlik olmak üzere iki yaklaşımla inceledik; (1) Yöntemsel zorlukları göz önüne alarak incelediğimiz bireyler arası değişkenlikte, bireyler arasında önemli ölçüde değişen ancak zaman boyutunda bireyler içinde tutarlı gözüken ÇT aktivitesi, uzaysal işler bellek görevlerindeki bireysel performans (BF) farklılıklarında oluşan değişkenliğin önemli bir bölümünü açıklayabilmekte, görevi zorlu bulan bireyler performanslarını geliştirmek için aktivitelerini önemli ölçüde arttırmaktadırlar. Bu durum ÇT aktivitesinin bireyin yürütücü talebini bütünüyle yansıttığını düşündürtmektedir. (2) İkinci yaklaşımda ise tepki zamanı verisini BOLD zaman serileri ile birleştirmek için üç farklı model kullanarak denemeler arası değişkenliği inceledik. BOLD genliğinin uzayan tepki zamanıyla arttığını gösterdik. Bu sonuç ilk yaklaşımdan elde edilen daha yavaş bireylerde artan ÇT aktivitesi bulgusuyla tutarlıdır. İki yaklaşımdan elde edilen bulgular da bireyler arası ve bireyler içi farklılıkların aynı beyin bölgelerinde ortaya çıktığı görüşünü desteklemektedir. Bu sonuçlardan yapılan çıkarımlar (1) Yİ'deki beyin süreçlerinin bireysel farklılık çalışmaları üzerinden anlaşılması (2) Yürütücü işlevlerdeki bireysel farklılıkların büyük ölçüde genetik olarak belirlendiği göz önüne alındığında, ÇT nöral aktivitesinin genetik farklılıkla olan bağlantısının genetik ve davranışı ilişkilendiren ara bir aşama olarak ortaya konması (3) fMRG yanıtlarındaki bireysel farklılıkların klinik biyobelirteç olarak kullanılması üzerinedir.

A wide range of cognitive tasks consistently identify a Multiple Demand (MD) network in frontal and parietal brain regions. Its activity is closely linked to executive functions (EFs) such as attention, task switching, solving novel problems and manipulating information in the working memory. We here investigate the relation between MD neural activity and EFs using a large fMRI dataset (n=120). We examine this relation through two approaches (1) inter-individual variability, addressing several methodological challenges: We find that MD activity - which varies substantially across individuals, but is consistent within individuals across time - can explain a substantial proportion of variance in individual performance on a spatial working memory task such that individuals who find the task challenging, increase their MD activity substantially to improve their performance. This suggests that MD activity tightly reflects the executive demand of an individual. In the second approach we examine (2) trial-by-trial variability by employing three different models to fuse reaction time (RT) data with the BOLD time-series. We find that BOLD amplitude increases with longer RTs. This is consistent with the findings from the first approach showing increased MD activity for slower individuals. Together both findings support the view that within and between individual differences are manifested in the same brain regions. These results have implications for (1) understanding brain processes of EFs through ID studies (2) given that ID in EF are largely genetically determined, genetic variability can be linked to the neural activity of the MD network as an intermediate stage to link genetics with behavior (3) using ID in fMRI responses as clinical biomarkers.