诱导和/或控制神经可塑性的能力可能是未来治疗神经系统紊乱和脑损伤恢复的关键。本文提出了神经训练与功能磁共振成像技术在人脑功能调节中的应用。
神经疾病的特点是在大脑中的细胞、分子和电路功能异常。新的方法诱导和控制神经过程和纠正异常功能, 甚至转移功能从受损的组织到生理健康的脑区, 持有潜力, 以显著改善整体健康。在目前的神经干预的发展, 神经训练 (测试) 从功能磁共振成像 (fMRI) 具有完全无创, 力度, 和空间定位到目标大脑的优势区域, 也没有已知的副作用。此外, 测试技术, 最初开发使用 fMRI, 往往可以转化为演习, 可以在扫描仪以外的情况下进行, 没有医疗专业人员或尖端医疗设备的援助。在 fmri 测试, fmri 信号是测量从大脑的特定区域, 处理, 并提交给参与者在 real-time。通过训练, 自我导向的心理处理技术, 即调节这一信号及其潜在的神经关联, 被开发。FMRI 测试已经被用来训练意志控制的广泛的大脑区域, 对几个不同的认知, 行为和马达系统的影响。此外, 功能磁共振成像测试已经表明, 在广泛的应用, 如治疗神经紊乱和增加基线人类的表现的承诺。在这篇文章中, 我们提出了一个功能磁共振成像测试协议, 在我们的机构发展, 以调节健康和异常的大脑机能, 以及使用的方法, 以认知和听觉区域的大脑的例子。
神经紊乱对受影响的个人、他们的家庭和社会造成了严重的障碍。治疗神经紊乱可能是不存在的或有疑问的功效, 往往只是针对症状的紊乱。这种情况就是耳鸣–幻像的声音–没有得到美国食品和药物管理局 (FDA) 批准的治疗。耳鸣可以对一个人的生活产生深远的影响, 通过降低注意力或改变对实际声音的感知来干扰日常任务。此外, 受耳鸣影响的个人也可能经历疲劳、压力、睡眠问题、记忆力问题、抑郁、焦虑和烦躁不安1。确实存在的治疗方法, 如抗抑郁药和焦虑药物, 只会帮助管理相关的症状, 而不能治疗潜在的病因。这为这些疾病的创新治疗创造了一个关键的缺口。
在采集技术、计算能力和算法方面的改进已经彻底改变了功能性磁共振成像 (fMRI) 数据的测量和处理速度。这使得 real-time 功能磁共振成像的问世, 数据可以处理, 因为它是收集。早期应用的 real-time 功能磁共振成像是有限的2, 主要是由于无法快速完成的预处理步骤, 典型的离线分析, 如运动矫正。计算技术和算法的改进现在提高了 real-time fMRI3的速度、灵敏度和通用性, 允许在 real-time 中应用类似的离线预处理。这些发展导致了4主要应用领域 real-time fMRI: 术中手术指导4, 脑-计算机接口5,6, 适应当前脑状态的刺激7,神经培训8。
测试, 虽然不是最初的重点 real-time fMRI, 是一个不断增长的研究领域, 个人学习调节大脑活动特定通过实施的心理策略 (即想象的任务)。测试是一种操作性条件反射的形式9, 它已经被证明增加神经元的射击率和神经元活动在猴子10。此外, fMRI 测试已经与钉定时相关的可塑性, 这是神经变化发生在联想学习11。进一步的暗示表明, fMRI 测试通过长期的增强作用诱导了可塑性, 从而提高了突触效率12。另一个假设意味着技能学习的细胞机制, 如意志控制大脑活动, 并可能涉及电压依赖性的细胞膜电导的变化-表现为神经兴奋性的变化13。在任何情况下, 似乎 fMRI 测试影响大脑的神经水平。这些理论为使用 fMRI 测试治疗神经系统疾病提供了有力的理由。
fmri 测试, 不同于传统的 fmri, 提供了一个机会来研究大脑活动和行为之间的关系11,14。最近, 在涉及 fMRI 测试的研究中, 与前10年 (n = 16)11相比, 2011年发表的文章的数量几乎是 2012 (n = 30) 的两倍。第一个 fMRI 测试研究是由 Weiskopf 和同事在 2003年8进行的。本研究成功地展示了在前扣带皮层 (ACC) 中使用一个参与者的在线反馈和 fMRI 信号的自我调节的可行性。反馈显示延迟约两秒, 超过一个数量级比以前的研究快得多。第一个完整的研究是在2004年进行的, 6 参与者学会了控制 somatomotor 皮层的活动15。FMRI 测试在同一天完成了3次会议。通过在 single-subject 和组水平的训练过程中观察到在 somatomotor 皮层中对目标区域的空间选择性增加的活动。这个效果是没有观察到的控制组收到真实的功能磁共振成像信息从一个背景区域 (不相关的任务正在执行) 在前面的运行。研究人员已经表明, 人类可以学习意志控制的 fMRI 信号测量从许多大脑区域, 包括 ACC16, 杏仁核17, 前脑岛18,19, 听觉和注意相关网络20, 双边侧前额叶皮层21, 侧前额叶皮层12,22,23, 运动神经皮层24, 25,26,27,28, 主要听觉皮层29,30, 与情绪网络区域相关的区域31,32, 右下额上回33, 和视觉皮层34,35。
许多神经系统疾病的潜在机制是未知的。在耳鸣的例子中, 在大多数情况下没有明显的幻像源36,37,38。尽管如此, 证据表明, 一个中央机制可能是负责的耳鸣感知在某些个人, 证明了缺乏症状解决后, 完整的听觉神经解剖39。与耳鸣相关的多动症已在初级听觉皮层40、41、42中找到。进一步的证据表明, 耳鸣的影响进一步扩大到参与处理情感和注意状态的领域43。基于这些异常, fMRI 测试范式可以发展, 以诱导和控制神经机制, 鼓励正常的神经模式。
本文讨论的 fMRI 测试协议可以适应任何区域的大脑, 并讨论了一个单变量, 基于的方法, 以神经。这可以通过编程其他功能的本地化任务来激活其他区域来实现。通过将这些任务集成到自定义神经软件中, 我们开发了一个非常简单的过程。但是, 有一个限制: 目标区域必须在功能上定义。此时, 我们的团队开发的软件不会在功能和解剖图像之间进行任何注册。因此, 其他 ROI 选择方法 (如 atlas-based roi) 此时无法实现。此外 , 对刺激和神经的参数 (例如 ,块持续时间、块数和包括 TR 在内的成像参数 ) 可以很容易作者操纵。此外, 在没有神经的情况下, 传输运行以评估自我目标 ROI 的能力是可以实现的。我们开发的软件不提供神经利用多元模式35,48或大脑区域之间的连接49。
FMRI 测试比其他形式的神经提供了显著的优势, 但也有其局限性。功能磁共振成像测试的主要优势是空间分辨率优于所有其他形式的测试, 如脑电图 (EEG) 为基础的神经。增强的空间分辨率使特定的大脑结构/功能在整个大脑中成为目标50。目前, 这是无法实现的其他疗法, 如药物治疗, 这是系统性的。然而, fMRI 测试的主要缺点是时间延迟。不仅采样率比脑电图慢得多 (高达3的数量级减慢), 与 fMRI 信号相关的血流动力学滞后进一步增加了这一延迟。尽管如此, 有压倒性的证据表明, 参与者可以克服这一延迟, 并在实践中学会控制大脑活动 (例如查看查看苏尔寿et al.11和 Scharnowski et al.50)。
fMRI 测试的普及程度正在上升, 但仍处于起步阶段。由于这一原因, 尚未采取共同的做法。所描述的协议细节方法是科学地被接受的。例如, 多种形式的反馈显示已在各种研究中使用, 包括温度计样式的条形图18,19,21,34。此外, 一个反馈信号, 作为百分比信号的变化与基线计算从目标区域也已广泛实施12,19,21,25,30,51,52。
控制大脑中的塑料效果提供了一种创新的治疗技术来治疗神经紊乱或大脑异常活动, 例如与上述的耳鸣相关的脑损伤。虽然将调节转化为行为效应的确切机制尚不得而知, 但 fMRI 测试已经与11相关。通过学习过程, 当一个人在任务相关的大脑网络中积极调节大脑活动时, 行为会得到加强。这种强化导致了神经机制的参与, 使网络更有效率地执行。这与其他测试技术 (如脑神经) 不谋而合, 那里的个人被训练来控制从头皮的本地区域测量的电信号频带53,54,55.其他人已经表明从突触可塑性, 导致提高突触效率12。还有一个假设建议, 细胞机制的学习可能涉及电压依赖性膜电导的变化, 这是表现为神经兴奋性的变化13。在任何情况下, 似乎 fMRI 测试导致细胞水平的变化, 并且个体可能学会对这些过程的一些控制。这种能力和这些变化可能是关键的学习和发展治疗脑损伤和神经系统紊乱。
fMRI 测试的一个重要方面是测量行为的改变。这是必要的许多假说预测行为的变化驱动的测试诱导神经变化。至少应在两个时间点收集这些评估: 在测试之前和之后。在耳鸣的情况下, 这些行为评估可能只包括主观问卷, 因为没有直接的措施, 耳鸣。对于其他神经系统疾病, 应进行文献复习, 以确定对所调查的特定假说的适当、合理和有记录的评估。一些假说需要在额外的时间点测量, 比如那些探索 fMRI 测试近, 短期和长期影响的研究。有些评估可能需要在测试之前进行培训, 以减少学习效果。其他假说甚至可能需要神经系统测试, 比如那些对脑代谢物、脑灌注或功能网络有兴趣的人。
fMRI 测试程序有两个关键阶段。第一个是确定一个大脑区域以神经为目标。在进行任何程序之前, 应进行彻底的文献复习, 以研究神经通路和与神经系统紊乱或脑损伤相关的重要结构/功能。因此, 关键的结构/功能应被仔细选择作为神经的目标。接下来, 应进行另一次文献复习, 以检查与此结构/功能相关的任务。此任务可能与无序相关联, 但应确认任务在指定的填充中激活所需的区域。在神经过程中, 这一目标区域将在第一届会议或每届会议上逐个选定。因此, 和 intra-subject 变异性可能是导致不可预知结果的重要因素。创建一个协议来选择目标区域并进行适当的人员培训是至关重要的。有两种定义目标 ROI 的方法: 解剖和功能。解剖定义利用结构 MRI 扫描, 严格定义目标区域从解剖,并可能使用标准的地图集。功能图像注册到结构图像, 目标区域转换为功能空间21,26。在函数方法中, 目标区域是通过执行功能本地化11、12、24、29、44所产生的激活映射来选择的。本文讨论了这种方法。
fMRI 测试的第二个关键阶段是控制组选择。对照组在确定 fMRI 测试的作用时至关重要, 应仔细考虑控制组的选择。以前的研究使用了广泛的控制。控制组的一个常见过程是在存在虚假反馈的情况下尝试意志控制。此反馈可以从实验组的参与者21,44提供, 从一个不参与所需进程的区域中获得, 参与者17,33,44, 或倒置52。其他研究使用了试图意志控制的控制组, 但未提供神经12、21、44、56。
先前的一项研究表明, 当受试者试图控制假反馈时, 在双侧脑岛、前扣带、辅助马达、背和侧前额区的活化作用与被动观察反馈显示57。这些发现牵连到一个广泛的额壁和 cingulo-盖网络是激活时, 有意图控制大脑活动。此外, 这些发现表明, 传统的控制组使用的测试实验将使用神经相关的一致性与认知控制, 即使在存在的虚假反馈。一个单独的荟萃分析揭示了前岛和基底神经节的活动, 这两个区域都是认知控制和其他高级认知功能的组成部分, 是试图意志控制58的关键因素。meta 分析的结果证实了先前的发现57。在一起, 这一证据表明, 这是至关重要的描绘成功的意志控制的效果和那些与尝试自我调节。因此, 包括不尝试自我规管的控制小组可能是重要的。
然而, 以前的研究中, 控制组收到的假功能磁共振成像信号显示, 目标 ROI 活动的差异, 从那些收到真正的反馈15,16,17,18,20,21,25,26,28,33,34,44, 暗示不包含反馈的培训策略在调整目标区域时并不有效。此外, 控制组收到相同的指示和相同的训练期间, 但没有收到反馈的大脑活动水平, 没有表现出类似的行为结果的实验组谁给神经12,18,21,32,44,59。这些结果表明, 经验的影响是由于 fMRI 测试诱导的学习, 而不是其他学习或非特异性的变化。因此, 必须制定具体的培训方案, 针对特定的神经系统, 以获得预期的效果。与各种对照组的研究结果表明, 行为训练, 实践, 感官反馈和生物反馈单独不产生等效的行为效果, 那些谁接受 fMRI 测试44。
The authors have nothing to disclose.
这一材料是根据美国空军根据协议号 FA8650-16-2-6702 的研究而发起的。所表达的意见是作者的观点, 不反映国防部及其组成部分的官方观点或政策。美国政府有权为政府目的复制和分发重印, 尽管有任何版权批注。本研究所使用的受试者自愿、完全知情同意, 按 32 CFR 219 和多迪 3216.02_AFI 40-402 的要求获得。
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