Subjects and imaging procedures
Experiment 1 (3.0 T): Twintig gezonde volwassenen (11 mannen, leeftijden 26,2 ± 3,1 jaar) informed consent gegeven om deel te nemen aan het experiment. De gegevens van 16 deelnemers zijn al gerapporteerd in onze vorige studie15. Vier deelnemers werden nieuw gerekruteerd voor deze studie. Exclusiecriteria waren significante psychiatrische of neurologische voorgeschiedenis. Deze studie werd goedgekeurd door de Ethische Onderzoeksraad (REB) van de Universiteit van Toronto en de REB van het SickKids ziekenhuis. Er werd geen statistische test uitgevoerd om de steekproefgrootte a priori te bepalen. De door ons gekozen steekproefgroottes zijn vergelijkbaar met die welke in eerdere publicaties16, 26 werden gebruikt. Het experiment werd uitgevoerd met behulp van een 3,0 T fMRI-systeem (Siemens Trio). Localizer beelden werden eerst verzameld om het gezichtsveld (FOV) gecentreerd op de hersenen van elke deelnemer uit te lijnen. T1-gewogen anatomische beelden werden verkregen (1 mm3, 256 × 256 FOV; MPRAGE sequentie) vóór de experimentele echo-planaire beeldvorming (EPI) runs. Voor functionele beeldvorming werd een gradiënt echoplanaire sequentie gebruikt (herhalingstijd (TR) = 2000 ms; echotijd (TE) = 27 ms; fliphoek = 70°). Elke functionele run bestond uit 263 whole-brain acquisities (40 × 3,5 mm schijfjes; interleaved acquisitie; FOV = 192 mm; matrix grootte = 64 × 64; in-plane resolutie van 3 mm). De eerste vier functionele beelden in elke run werden uitgesloten van analyse om voor de equilibratie van longitudinale magnetisatie.
Experiment 2 (7.0 T): Elf gezonde volwassenen (6 mannen, leeftijden 22,2 ± 2,2 jaar) informed consent gegeven om deel te nemen aan het experiment. Deze studie werd goedgekeurd door het ethisch comité van het Nationaal Instituut voor Fysiologische Wetenschappen van Japan. Er werd geen statistische test uitgevoerd om de steekproefgrootte a priori te bepalen. De door ons gekozen steekproefgroottes zijn vergelijkbaar met die in eerdere publicaties16, 26. Het experiment werd uitgevoerd met behulp van een 7,0 T fMRI-systeem (Siemens Magnetom). Localizer beelden werden eerst verzameld om de FOV gecentreerd op de hersenen van elke deelnemer uit te lijnen. T1-gewogen anatomische beelden werden verkregen (0,75 mm isometrisch, 224 × 300 FOV; MPRAGE sequentie). Voor functionele beeldvorming werd een gradiënt echoplanaire sequentie gebruikt (TR = 500 ms; TE = 25 ms; fliphoek = 35°; multiband factor = 4). Elke functionele run bestond uit 1010 hele hersenen acquisities (32 × 2,0 mm schijfjes; interleaved overname; FOV = 208 mm; matrix grootte = 104 × 104; in-vlak resolutie van 2 mm). De eerste vier functionele beelden in elke run werden uitgesloten van analyse om voor de equilibratie van longitudinale magnetisatie.
Gedrag procedures
Experiment 1: Gustatory stimuli werden geleverd door plastic buizen convergeren op een plastic spruitstuk, waarvan de mondstuk druppelde smaak oplossingen in de mond. De buisjes werden vooraf gevuld, zodat er bijna geen vertraging optrad tussen de visuele stimuluspresentatie en de vloeistofafgifte. Honderd proeven met smaakoplossingen werden gerandomiseerd en verdeeld over vijf testreeksen. In elke proef werd 0,5 ml smaakoplossing toegediend in 1244 ms. Na afloop van de vloeistofdosering werden de deelnemers via een scherm geïnstrueerd de vloeistof door te slikken (1 s). Na 7756 ms verschenen er schaalbalken die de positiviteit (3 s) en vervolgens de negativiteit (3 s) van de vloeistof aangaven. Dit werd gevolgd door het toedienen van 0.5 ml van de smaakloze vloeistof gedurende 1244 ms voor het spoelen, gevolgd door de 1 s slikinstructie. Na een interval van 7756 ms begon de volgende proef.
Experiment 2: In vergelijking met Experiment 1 verschilde de toediening van de smaakstimulus alleen in timing en hoeveelheid. Honderd proeven met smaakoplossingen werden gerandomiseerd en verdeeld over vijf proeven. In elke proef werd 0.88 mL smaakoplossing toegediend gedurende 2 s. Wanneer de vloeistof toediening eindigde, instrueerde een scherm de deelnemers om de vloeistof door te slikken (2 s). Na 4000 ms verschenen er schaalbalken die de positiviteit (3 s) en vervolgens de negativiteit (3 s) van de vloeistof aangaven. Dit werd gevolgd door 0.88 mL van de smaakloze vloeistof gedurende 2 s voor het spoelen, gevolgd door de 2 s slikinstructie. Na een interval van 7 s begon de volgende proef.
Pre-experimentele sessie
Experiment 1: Om rekening te houden met individuele verschillen in hun subjectieve ervaringen van verschillende smaken, werd deelnemers gevraagd om een breder scala van intensiteiten (zoals gemeten door molaire concentraties) van de verschillende smaakoplossingen (zuur, zout, bitter en zoet) te proeven. In deze pre-experimentele sessie werden de deelnemers gedurende 1 proef (2 mL) van elk van de 16 smaakoplossingen als volgt getest: (1) zuur/citroenzuur: 1 × 10-1 M, 3.2 × 10-2 M, 1.8 × 10-2 M, en 1.0 × 10-2 M; (2) zout/tafelzout: 5,6 × 10-1 M, 2,5 × 10-1 M, 1,8 × 10-1 M, en 1,0 × 10-1 M; (3) bitter/quininesulfaat: 1,0 × 10-3 M, 1,8 × 10-4 M, 3,2 × 10-5 M, en 7,8 × 10-6 M; en (4) zoet/suiker: 1.0 M, 0.56 M, 0.32 M, en 0.18 M. De volgorde van presentatie werd gerandomiseerd op smaak en vervolgens op concentratie binnen elke smaak. Na het drinken van elke oplossing, spoelden de deelnemers 5 ml water en slikten dit door, waarna ze de intensiteit en de aangenaamheid (valentie) van de ervaring van de oplossing beoordeelden op afzonderlijke schalen van 1-9. Voor elke smaak werden de concentraties geselecteerd die qua intensiteit met elkaar overeenkwamen. Uit eerder onderzoek2 was gebleken dat deelnemers verschillende waarderingsgrondslagen hebben en dat de meest betrouwbaar geselecteerde concentraties boven de gemiddelde zelfgerapporteerde intensiteit liggen. Alle oplossingen werden gemengd met chemische verbindingen van farmaceutische kwaliteit van Sigma Aldrich (http://www.sigmaaldrich.com), veilig voor consumptie.
Experiment 2: Deelnemers werden getest voor 1 proef (1 mL) van elk van de 16 smaakoplossingen als volgt: (1) zoet 1/glucose: 2,0 M, 1,1 M, 0,56 M, en 0,38 M; (2) zoet 2/sucralose: 2,1 × 10-3 M, 1,1 × 10-3 M, 0,53 × 10-4 M, en 0,26 × 10-4 M; (3) bitter 1/catechine: 3,5 × 10-2 M, 1,8 × 10-2 M, 8,8 × 10-3 M, en 4,4 × 10-3 M; en (4) bitter 2/magnesiumchloride: 0.4 M, 0.2 M, 0.1 M, en 0.05 M. De volgorde van presentatie werd gerandomiseerd op smaak en vervolgens op concentratie binnen elke smaak. Na het drinken van elke oplossing spoelden de deelnemers 5 mL water en slikten dit door, waarna ze de intensiteit en aangenaamheid (valentie) van de ervaring van de oplossing beoordeelden op afzonderlijke schalen van 1-9. Voor elke smaak werden de concentraties geselecteerd die qua intensiteit bij elkaar pasten. Alle oplossingen werden gemengd met behulp van food-grade chemische verbindingen van DHC (cathechine), FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation (magnesiumchloride), Tsuruya Chemical Industries (sucralose), en Nichiga (glucose).
Data-analyse
De gegevens werden geanalyseerd met behulp van SPM8 software (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/). Functionele beelden werden opnieuw uitgelijnd, slice timing gecorrigeerd, en genormaliseerd naar de MNI template (ICBM 152) met interpolatie naar een 2 × 2 × 2 mm ruimte. Gegevens werden ruimtelijk afgevlakt (volle breedte, halve maximum (FWHM) = 6 mm) voor univariate parametrische modulatie analyse, maar niet voor multivoxel patroonanalyse als het kan de prestaties nadelig beïnvloeden 19. Elke stimulus presentatie werd gemodelleerd als een afzonderlijke gebeurtenis, met behulp van de canonieke functie in SPM8. Voor elke voxel, werden t-waarden van individuele proeven gedemineerd door het aftrekken van de gemiddelde waarde over de proeven. Om de beeldvorming resultaten te visualiseren, werden freesurfer software39 (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/) en SPM surfrend toolbox (geschreven door I. Kahn; http://spmsurfrend.sourceforge.net) gebruikt na modificatie.
Univariate analyse
We voerden univariate analyses uit om te onderzoeken of basissmaken werden gecodeerd door specifieke voxels in de insula. Regressoren die elke smaakstof codeerden waren tijdsgebonden aan stimulus presentatie. Univariate analyses werden tweemaal uitgevoerd: met en zonder hedonische valentie regressoren (Fig. 1). Om te visualiseren hoeveel variantie zou kunnen worden verklaard door hedonische valentie regressoren in de bitter gevoelige regio’s, selecteerden we significante voxels in het contrast “bitter vs smaakloos” zonder valentie uitgefilterd (Supplementary Figure 1). Gemiddelde activiteit werd getoond voor activiteit tegen rust baseline (Supplementary Figuur 1a), activiteit tegen smaakloos (Supplementary Figuur 1b), en activiteit tegen smaakloos met valentie uitgefilterd (Supplementary Figuur 1c). Om het bestaan van voxel-specifieke smaak afstemming te testen, splitsen we elke deelnemer oneven en even runs, het vergelijken van de voxel activiteit voor elke smaak in de oneven runs naar de voxel activiteit voor elke smaak in de even runs. Ter illustratie, wanneer voxels werden gerangschikt op basis van de activering voor elke smaak in even runs, vonden we consistente patronen van dienovereenkomstig afnemende activering voor alle vier smaken in oneven runs (Fig. 1b, Supplementary Figure 4). Correlaties werden berekend voor voxel activatie tussen oneven en even runs tussen alle smaak combinaties binnen elke deelnemer, onderworpen aan een one-sample t-test tussen de deelnemers (Fig. 1c, Fig. 4a, b). We berekenden verder correlaties tussen even en oneven waarden voor alle combinaties van dezelfde smaak en verschillende smaken binnen elke deelnemer. Correlatiecoëfficiënten werden z-getransformeerd en onderworpen aan een one-sample t-test tussen deelnemers (Fig. 1d, Fig. 4b, d).
Searchlight analyse voor smaak-type representaties
We analyseerden fMRI-gegevens van de insulaire cortex met behulp van zoeklicht (straal van 4 mm, met inbegrip van 33 voxels) analyse20. Binnen een bepaalde bol voor elke deelnemer, werd een vector gemaakt met het ruimtelijke patroon van BOLD-MRI-signaal tijd-gelocked aan stimulus presentatie (genormaliseerde t-waarden per voxel). Om te evalueren of de activiteitspatronen in de zoeklicht bollen in staat zijn om smaaktypen te discrimineren, gebruikten we een leave-one-stimulus-pair-out cross-validatie40. In deze procedure werd de LDA classificator getraind op 38 proeven, die de geteste smaak type en een andere smaak type (19 proeven voor elk) opgenomen en vervolgens getest op de left-out stimulus paar. De classificatieprestaties voor elke smaak werden gemiddeld over vergelijkingen met andere smaken (bijvoorbeeld: de classificatieprestaties voor zure smaken werden gemiddeld over zure vs. zoete smaken, zure vs. bittere smaken, zure vs. zoute smaken, en zure vs. smaakloze smaken). Op het niveau van individuen kwam 58,7% classificatienauwkeurigheid overeen met p < 0,05 ongecorrigeerd. Voor groepsanalyse werden de individuele classificatieprestatiekaarten afgevlakt met een 4 mm FWHM Gaussiaanse kernel en vervolgens onderworpen aan een een-steekproef permutatietest met SnPM13 (http://warwick.ac.uk/snpm). In deze procedure werden de gegevens van elke deelnemer willekeurig omgedraaid door vermenigvuldiging met – 1 na aftrek van 50% (kans niveau nauwkeurigheid) en vervolgens onderworpen aan een one-sample t-test over de deelnemers. Dit werd 10.000 keer gepermuteerd, wat resulteerde in de verdeling van de maximale t binnen de insula. Op basis van deze verdeling werd de 5% FWE drempel bepaald.
Smaaksamenhang analyse
Voor multi-smaaksamenhang analyse (Fig. 2b), werd elke voxel getest op het overschrijden van de drempel voor de vier smaak-type discriminaties waarbij elke smaak-type discriminatie het gemiddelde nam van de classificatie prestatie over vier vergelijkingen (bijvoorbeeld, zuur vs. zoet, zuur vs. bitter, zuur vs. zout, en zuur vs. smaakloos), en de toevallige classificatie (50%) overschreed. Geldige conjunctie-inferentie vereist significante resultaten voor alle vergelijkingen41. We telden dus het aantal smaak soorten die 5% FWE drempel voldoen in elke voxel binnen de insula.
Smaak-paar analyse
Voor de analyse van specifieke smaak paren, onderzochten we een onafhankelijk gedefinieerde ROI binnen de insula. Eerst gebruikten we een leave-one-subject-out procedure, het uitsluiten van elk van de 20 onderwerpen, dan het berekenen van een 4-smaak conjunctie kaart (dat wil zeggen, voxels voldoen aan alle 4 smaak contrasten hierboven beschreven) met de resterende 19 onderwerpen, wat resulteert in 20 kaarten. De overlap van deze 20 groep kaarten wordt getoond in Fig. 2c. De voxels van de kaart 5% FWE drempel te voldoen werd gedefinieerd als de ROI in staat van smaak discriminatie. Binnen deze ROI, we onderzochten discriminatie van specifieke smaak paren, het berekenen van classificatie prestaties van elke smaak paar. De groepsprestatie werd berekend als de gemiddelde classificatieprestatie over 20 proefpersonen (Fig. 2d).
Voor smaak-paar discriminatie op basis van beoordelingen van valentie (Fig. 2e), voerden we een LDA-analyse uit met behulp van beoordelingen van valentie door proefpersonen (d.w.z., onafhankelijk van fMRI-gegevens). De valentie werd berekend door de negativiteitsbeoordeling af te trekken van de positiviteitsbeoordeling voor elke proef. Smaak classificatie werd berekend met behulp van een leave-one-trial-out getraind op de 19 resterende proeven voor elke smaak type.
Valence en smaak-type analyse
Om de onafhankelijkheid van smaak type van valentie te testen, onderzochten we de gelijkenis van fMRI-gegevens binnen de ROI gedefinieerd door de vier-smaak combinatie kaart hierboven. Voor elk onderwerp, trial-by-trial correlaties werden berekend, wat resulteerde in 4950 (100 × 99 / 2) correlatiecoëfficiënten, gesorteerd in 2 × 2 categorieën van smaak type (hetzelfde, anders) × hedonische valentie (hetzelfde, anders). De correlatiecoëfficiënten werden gemiddeld binnen elke cel per proefpersoon, vervolgens werden de gegevens van alle proefpersonen onderworpen aan een twee-wegs repeated-measures ANOVA met smaaktype en valentie als factoren (Fig. 2g).
We voerden verder een vervolganalyse uit zonder gegevensafhankelijkheid in de trial-by-trial correlaties over de 2 × 2 cellen. We willekeurig bevolkt elke cel met de 100 proeven, het herhalen van deze procedure 1.000.000 keer. Hieruit analyseerden we de permutatie met de grootste congruentie tussen de 2 × 2 factoren en de werkelijke proefcategorieën (gebaseerd op het maximale geometrische gemiddelde van het aandeel van de verminderde gegevens over de vier cellen). Vervolgens berekenden we de cross-trial correlaties alleen binnen elke cel, om ervoor te zorgen dat er geen cross-cell afhankelijkheid was. De correlatiecoëfficiënten werden gemiddeld binnen elke cel per onderwerp, dan alle resterende onderwerpen ‘gegevens werden onderworpen aan een twee-weg repeated-measures ANOVA (Supplementary Figuur 3).
Smaak-type patronen verschilden onafhankelijk van smaak valentie, dat wil zeggen, smaak discriminatie kaarten waren dissociable van smakelijkheid. Als gevolg van de sterke associatie tussen smaak type en valentie, proef combinaties waren niet gelijk over de niveaus. Bijvoorbeeld, dezelfde valentie met verschillende smaaktypes waren relatief zeldzaam (Supplementary Table 4). Dit duidt echter niet op multicollineariteit in de effectgrootte.
Statistieken
We analyseerden de gegevens zonder een normale verdeling te veronderstellen, met behulp van niet-parametrische statistieken. Vóór ANOVA (Fig. 2g), werd Levene’s test uitgevoerd om te verzekeren dat aan de aanname van homoscedasticiteit werd voldaan. Meervoudige vergelijking correcties werden toegepast, met behulp van Bonferroni correctie.
Rapportage samenvatting
Meer informatie over de experimentele opzet is beschikbaar in de Nature Research Reporting Summary gekoppeld aan dit artikel.
