De mogelijkheid om te bewegen en/of controle van Neurale plasticiteit kan worden cruciaal voor de toekomstige behandelingen voor neurologische aandoeningen en het herstel van hersenletsel. In deze paper presenteren wij een protocol inzake het gebruik van neurofeedback training waarbij functionele magnetische resonantie imaging te moduleren van menselijke hersenfunctie.
Neurologische stoornissen worden gekenmerkt door abnormale mobiele-, moleculaire-, en circuit-niveau functies in de hersenen. Nieuwe methoden te induceren neuroplastic processen en juiste abnormale functie, of zelfs shift functies van beschadigd weefsel naar fysiologisch gezonde hersengebieden, bezit het potentieel om drastisch verbeteren van de algehele gezondheid. Van de huidige interventies van de neuroplastic in ontwikkeling heeft neurofeedback training (NFT) van functionele magnetische resonantie Imaging (fMRI) de voordelen van het volledig niet-invasieve, niet-farmacologische en ruimtelijk gelokaliseerde naar doel hersenen regio’s, alsook met geen bijwerkingen bekend. Bovendien kunnen NFT technieken, in eerste instantie ontwikkeld met behulp van fMRI, vaak vertaald worden naar oefeningen die kunnen worden uitgevoerd buiten de scanner zonder de hulp van medische professionals of geavanceerde medische apparatuur. In fMRI NFT, is het signaal van de fMRI gemeten vanaf specifieke gebieden van de hersenen, verwerkt en gepresenteerd aan de deelnemer in real-time. Door middel van opleiding, worden Self-Directed geestelijke verwerkingstechnieken, die dit signaal en de onderliggende neurophysiologic correlates regelen, ontwikkeld. FMRI NFT is gebruikt om te trainen van de bewuste controle over een breed scala van hersengebieden die gevolgen hebben voor verschillende cognitieve, gedragsmatige en motor systemen. Bovendien, fMRI NFT heeft aangetoond belofte in een brede waaier van toepassingen zoals de behandeling van neurologische stoornissen en de vergroting van de basislijn menselijke prestaties. In dit artikel presenteren we een fMRI NFT protocol ontwikkeld bij onze instelling voor modulatie van beide gezond en abnormale hersenfunctie, evenals voorbeelden van het gebruik van de methode te richten op zowel de cognitieve als de auditieve gebieden van de hersenen.
Neurologische stoornissen presenteren belangrijke belemmeringen op de betrokken personen, hun gezinnen en de samenleving. Behandelingen voor neurologische aandoeningen zijn onbestaande of van twijfelachtige werkzaamheid, en vaak alleen richten op symptomen van de wanorde. Dit is het geval voor tinnitus – de phantom perceptie van geluid – dat niet een door de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) goedgekeurde behandeling hoeft. Tinnitus kan een grote invloed hebben op iemands leven, alledaagse taken verstoren door dalende concentratie of wijzigen van de perceptie van het werkelijke geluid. Personen die getroffen zijn door tinnitus kunnen bovendien ook vermoeidheid, stress, slaapproblemen, geheugenproblemen, depressie, angst en prikkelbaarheid1optreden. Therapieën die er bestaan, zoals antidepressiva en antianxiety medicijnen, alleen helpen bij het beheer van de bijbehorende symptomen, en kunnen niet de onderliggende oorzaak te behandelen. Hierdoor ontstaat een kritische kloof voor innovatieve behandelingen van deze aandoeningen.
Verbeteringen in de technieken van de overname, rekenkracht en algoritmen hebben een revolutie teweeggebracht in de snelheid waarmee gegevens van functionele magnetische resonantie Imaging (fMRI) kan worden gemeten en verwerkt. Dit heeft ervoor gezorgd dat de komst van real-time fMRI, waar gegevens kan worden verwerkt als het wordt opgehaald. Vroege toepassingen van real-time fMRI waren beperkt2, voornamelijk geremd door het onvermogen om snel de stappen voorbewerkend typische aan offline analyses uitgevoerd, zoals beweging correctie. Verbeteringen in de informatica technologie en algoritmen nu verhoogd de snelheid, gevoeligheid en veelzijdigheid van real-time fMRI3 waardoor soortgelijke off line voorbehandeling worden toegepast in real-time. Deze ontwikkelingen hebben geleid tot 4 primaire toepassingsdomeinen van real-time fMRI: intraoperatieve chirurgische begeleiding4, hersenen-computer interfaces5,6, aanpassing van stimuli voor huidige hersenen7 staat, en Neurofeedback training8.
NFT, is hoewel niet de originele focus van real-time fMRI, een groeiende sector van onderzoek waar individuen leren om het moduleren van de hersenactiviteit volitionally door middel van de uitvoering van geestelijke strategieën (d.w.z. gedacht taken). NFT is een vorm van Operante conditionering9, waarin is aangetoond dat het verhogen van de neuronale afvuren tarieven en neuronale activiteit in apen10. Ook, fMRI NFT is in verband gebracht met spike timing-afhankelijke plasticiteit, die neurale veranderingen die zich voordoen tijdens associative leren11. Verdere implicaties suggereren fMRI die NFT plasticiteit via lange termijn potentiëring (LTP) induceert, wat resulteert in verbeterde synaptic efficiëntie12. Een ander verzoek impliceert cellulaire mechanismen van vaardigheid leren, zoals de bewuste controle over hersenactiviteit, en veranderingen in de geleidbaarheid van de spanning-afhankelijke membraan – uitgedrukt als een verandering in de neurale prikkelbaarheid13kan inhouden. In ieder geval lijkt het dat fMRI NFT beïnvloedt de hersenen op het neurale niveau. Deze theorieën bieden een sterk argument voor het gebruik van fMRI NFT in de behandeling van neurologische aandoeningen.
FMRI NFT, biedt in tegenstelling tot traditionele fMRI, de mogelijkheid te onderzoeken van de relatie tussen hersenactiviteit en gedrag11,14. Onlangs heeft er spike in de studies waarbij fMRI NFT met bijna tweemaal zoveel artikelen gepubliceerd in 2011-2012 (n = 30) in vergelijking met de vorige 10 jaar (n = 16)11. Één van de eerste fMRI NFT studies werd uitgevoerd door Weiskopf en collega’s in 20038. Deze studie succesvol gebleken de haalbaarheid van online feedback en zelfregulering van de fMRI-signaal in de Anterior cingularis Cortex (ACC) met behulp van een deelnemer. Feedback was sneller dan de enkele eerdere studies met een vertraging van ongeveer twee seconden, meer dan een orde van grootte weergegeven. De eerste volledige studie werd uitgevoerd in 2004 waar 6 deelnemers geleerd om te controleren van de activiteit van de somatomotorische cortex15. FMRI NFT werd voltooid in 3 sessies uitgevoerd op dezelfde dag. Verhoogde activiteit ruimtelijk selectief aan de target-regio in de cortex somatomotorische werd waargenomen door de loop van de opleiding op de single-onderwerp en groep niveau. Dit effect was niet in acht genomen voor de controlegroep die echte fMRI informatie van een gebied op de achtergrond ontvangen (niet gecorreleerd met de taak wordt uitgevoerd) eerder in de run. Onderzoekers hebben sindsdien aangetoond dat mensen de bewuste controle over het signaal van de fMRI gemeten vanaf verschillende hersengebieden, waaronder de ACC16, de amygdala17, de anterior insula18,19, auditieve kunnen leren en aandacht gerelateerde netwerken20, bilaterale rostrolateral prefrontale cortex21, dorsolateral prefrontale cortex12,22,23, motor cortices24, 25,26,27,28, primaire auditieve cortex29,30, regio’s die zijn gekoppeld aan emotionele netwerk regio’s31,32 , rechts inferieur frontale gyrus33, en visuele cortices34,35.
De onderliggende mechanismen van veel neurologische aandoeningen zijn onbekend. In het voorbeeld van tinnitus is er geen voor de hand liggende bron voor de phantom geluid in de meeste gevallen36,37,38. Ondanks dit suggereert bewijs een centraal mechanisme kan verantwoordelijk voor de tinnitus-percept in sommige mensen, zoals blijkt uit het gebrek aan symptoom resolutie na volledige dissectie van de gehoorzenuw39. Hyperactiviteit gekoppeld aan tinnitus heeft gevonden in de primaire auditieve cortex40,41,42. Verder blijkt dat de effecten van tinnitus verder uitbreiden in gebieden die betrokken zijn bij de verwerking van emotie en attentional staat43. Gebaseerd op deze afwijkingen, kunnen fMRI NFT paradigma’s worden ontwikkeld om te induceren en controlemechanismen die aanzetten tot normale neurale patronen neuroplastic.
Het fMRI NFT protocol hierin besproken kan worden aangepast aan het doel van elke regio van de hersenen, en bespreekt een univariate, ROI gebaseerde benadering van neurofeedback. Dit kan worden bereikt door te programmeren van extra functionele localizer taken te activeren van andere regio’s. Door deze taken op te nemen in de aangepaste neurofeedback software, hebben we een zeer eenvoudig proces. Er is echter één beperking: de doel-regio moet functioneel worden gedefinieerd. De software die ons team heeft ontwikkeld voert op dit moment geen geen registratie tussen functionele en anatomische beelden. Dus, andere ROI selectiemethoden, zoals atlas gebaseerde ROIs, kunnen niet worden ten uitvoer gelegd op dit moment. Bovendien, kunnen parameters voor de stimuli en neurofeedback (bijvoorbeeld blok duur, aantal blokken en imaging parameters waaronder TR) gemakkelijk worden gemanipuleerd door de operator. Bovendien loopt de overdracht te evalueren van de mogelijkheid om zelf regelen de doelgroep die ROI in het ontbreken van neurofeedback kan worden geïmplementeerd. De software die we hebben ontwikkeld biedt geen neurofeedback met behulp van multivariate patronen35,48 of verbinding tussen hersenen regio’s49.
FMRI NFT biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van andere vormen van neurofeedback maar heeft ook zijn beperkingen. Het belangrijkste voordeel van fMRI NFT is de ruimtelijke resolutie die beter presteert dan alle andere vormen van NFT zoals electroencephalogram (EEG)-op basis van neurofeedback. Verbeterde ruimtelijke resolutie kan specifieke structuren/hersenfuncties over de gehele hersenen gerichte50worden. Momenteel, is dit niet haalbaar met andere therapieën zoals farmacotherapie, die systematisch. Het grote nadeel van fMRI NFT is echter de vertraging. Niet alleen zijn bemonsteringsfrequenties veel trager dan de EEG (maximaal 3 ordes van grootte langzamer), voegt de hemodynamische lag de fMRI signaal verder gekoppeld aan deze vertraging. Ondanks dit is er overweldigend bewijs dat deelnemers kunnen deze vertraging overwinnen en met praktijk, leren om controle van de hersenactiviteit (bijvoorbeeld voor een overzicht zie Sulzer et al. 11 en Scharnowski et al. 50).
De populariteit van fMRI NFT groeit, maar het blijft in een stadium van de kinderschoenen. Wegens dit moeten gemeenschappelijke praktijken nog worden vastgesteld. Het protocol beschreven gegevens methoden die wetenschappelijk zijn aanvaard. Bijvoorbeeld, hebben meerdere vormen van feedback geeft over de verschillende studies, met inbegrip van een thermometer-stijl bar perceel18,19,21,34gebruikt. Bovendien, een feedback-signaal gepresenteerd zoals de verandering van het percentage signaal met een basislijn berekend op basis van de doel-regio ook uitgebreid geïmplementeerde12,19,21,25 is , 30 , 51 , 52.
Kunststof effecten in de hersenen beheersen biedt een innovatieve therapeutische techniek voor de behandeling van neurologische aandoeningen of hersenletsel met abnormale hersenactiviteit, zoals die geassocieerd met tinnitus hierboven besproken. Hoewel de precieze mechanismen neuromodulatie vertalen naar gedragsmatige gevolgen nog onbekend zijn, fMRI NFT geweest LTP11gekoppeld. Door middel van het leerproces, wordt gedrag versterkt, wanneer een actief hersenactiviteit in taakgerelateerde hersenen netwerken regelt. De resultaten van dergelijke versterking in de betrokkenheid van neuroplastic mechanismen waardoor het netwerk efficiënter uitvoeren. Dit valt samen met andere NFT technieken zoals EEG gebaseerde neurofeedback waar individuen zijn opgeleid om de frequentiebanden van elektrische signalen gemeten vanaf de lokale regio’s van de hoofdhuid53,54,55 . Anderen hebben aangegeven LTP van synaptische plasticiteit, wat resulteert in verbeterde synaptic efficiëntie12. Nog een ander verzoek suggereert cellulaire mechanismen van leren kunnen betrekking hebben op veranderingen in de geleidbaarheid van de spanning-afhankelijke membraan die wordt uitgedrukt als een verandering in de neurale prikkelbaarheid13. In ieder geval controle blijkt dat fMRI die NFT veranderingen op cellulair niveau veroorzaakt, en dat het individu kan leren wat over deze processen. Dit vermogen en deze wijzigingen kunnen van doorslaggevend belang bij het leren over en de ontwikkeling van behandelingen voor neurologische aandoeningen en hersenletsel.
Een belangrijk aspect van fMRI NFT is voor het meten van veranderingen in het gedrag. Dit is noodzakelijk om vele hypothesen die gedragsveranderingen voorspellen, gedreven door de NFT-geïnduceerde neurale veranderingen. Minimaal deze evaluaties moeten worden verzameld op twee tijdstippen: voorafgaand aan en na NFT. In het geval van tinnitus, kon deze gedrags evaluaties uitsluitend uit subjectieve vragenlijsten bestaan, want er geen directe maat voor tinnitus is. Voor andere neurologische aandoeningen, moet een overzicht van de literatuur worden uitgevoerd om te bepalen van de passende, redelijke en gedocumenteerde evaluaties voor de specifieke hypothesis(es) onderzocht. Sommige hypothesen vereisen metingen op extra tijd punten, zoals die in de omgeving van-, korte- en lange termijn effecten van fMRI NFT verkennen. Enkele evaluaties wellicht opleiding voorafgaand aan NFT leren effecten te verminderen. Andere hypothesen wellicht zelfs neurologische testen zoals diegenen die geïnteresseerd zijn in niveaus van hersenen metabolieten, cerebrale perfusie of functionele netwerken.
De procedure van de fMRI NFT heeft twee kritieke fasen. De eerste is het bepalen van een regio van de hersenen te richten voor neurofeedback. Voorafgaand aan het uitvoeren van de procedures, moet een grondige literatuurstudie worden uitgevoerd om te onderzoeken zenuwbanen en belangrijke structuren/functies die zijn gekoppeld aan de neurologische wanorde of hersenletsel. Hieruit moeten structuren/sleutelfuncties zorgvuldig worden geselecteerd als doel voor neurofeedback. Volgende, een ander overzicht van de literatuur dient te worden uitgevoerd om te controleren van de taken die zijn gekoppeld aan deze structuur/functie. Deze taak kan of kan niet worden geassocieerd met de aandoening, maar het dient bevestigd te worden dat de taak de gewenste regio(‘s) in de aangewezen bevolking activeert. Tijdens neurofeedback procedures, zullen deze doelstelling regio worden geselecteerd op een individuele basis, hetzij tijdens de eerste zitting, hetzij op elke sessie. De variabiliteit van de inter – en intra – subject kan dus belangrijke factoren die tot onvoorspelbare resultaten leiden kunnen. Het is cruciaal voor het maken van een protocol om te selecteren van de doel-regio en voeren passende opleiding van het personeel. Er zijn twee methoden voor het definiëren van een doelgroep ROI: anatomisch en functioneel. Anatomische definities gebruiken structurele MRI-scans om te definiëren van de doel-regio strikt van anatomie,en eventueel met behulp van een standaard atlas. Functionele beelden worden geregistreerd aan de structurele beelden, en de doel-regio wordt getransformeerd in functionele ruimte21,26. In de functionele methode, wordt het doel gebied geselecteerd uit een activering kaart geproduceerd door het uitvoeren van een functionele localizer11,12,24,29,44. Deze methode werd hierin besproken.
De tweede kritische fase in fMRI NFT is controle groep selecteren. Controlegroepen zijn van cruciaal belang bij het bepalen van het effect van fMRI NFT en de selectie van de controlegroepen moet zorgvuldig worden overwogen. Eerdere studies hebben een breed scala aan besturingselementen gebruikt. Een gemeenschappelijke procedure voor een groep besturingselementen is om te proberen van de bewuste controle in aanwezigheid van sham feedback. Deze feedback kan worden ingespannen van een deelnemer in de experimentele groep21,44, uit een regio die niet deelnemen aan het gewenste proces buiten medeweten verstrekt aan de deelnemer17,33, 44, of omgekeerde52. Andere studies hebben gebruik gemaakt van controlegroepen die bewuste controle probeert maar niet worden geleverd met neurofeedback12,21,44,56.
Een eerdere studie suggereert dat wanneer onderwerpen proberen te beheersen van sham feedback, er verhoogde activering in de bilaterale insula, anterior cingularis, aanvullende motor, dorsomedial en laterale prefrontale gebieden in vergelijking is met passief kijken een feedback weergeven57. Deze bevindingen betrekken een brede fronto-pariëtale en cingulo-operculaire netwerk is geactiveerd wanneer er de bedoeling is om controle van de hersenactiviteit. Deze bevindingen stellen bovendien voor traditionele controlegroepen gebruikt in experimenten NFT neurale correlaten overeenstemming met cognitieve controle, zelfs in aanwezigheid van sham feedback zal gebruiken. Een aparte meta-analyse bleek activiteit in de voorste insula en basale ganglia, die allebei regio’s die betrokken zijn bij cognitieve controle en andere hogere cognitieve functies, onderdelen kritisch probeert bewuste controle58waren. De resultaten van deze meta-analyse bevestigd de vorige vinden57. Samen genomen, suggereert dit bewijs dat er kritische af te bakenen effecten van succesvolle bewuste controle en die verband houden met het proberen van zelfregulering. Daarom is de opneming van de controlegroepen die geen poging doen voor zelfregulering belangrijk kan zijn.
Echter de vorige studies waar groepen ontvangen sham fMRI besturingsseinen is gebleken dat verschillen in doel ROI activiteit werden waargenomen van degenen die het ontvangen van ware terugkoppeling15,16,17, 18 , 20 , 21 , 25 , 26 , 28 , 33 , 34 , 44, impliceert opleidingsstrategieën dat feedback niet te nemen zijn niet effectief bij het moduleren van de doel-regio. Bovendien deed controlegroepen die identieke instructies en dezelfde periode van de opleiding ontvangen maar ontving geen feedback over het huidige niveau van hersenactiviteit geen vergelijkbare gedrags resultaten als de experimentele groepen die kregen vertonen Neurofeedback12,18,21,32,44,59. Deze bevindingen stellen voor dat de ervaringsgerichte effecten zijn toe te schrijven aan fMRI NFT-geïnduceerde leren eerder dan andere leren of niet-specifieke wijzigingen. Daarom moeten specifieke opleiding regimes die bepalen voor welke specifieke neurofysiologische systemen te verkrijgen van de gewenste effecten worden ontwikkeld. De resultaten van een studie met een verscheidenheid van controlegroepen aangeven gedrags opleiding, praktijk, sensorische feedback en biofeedback alleen geen gelijkwaardige gedrags effecten als degenen die fMRI NFT44 ontvangenteweegbrengen.
The authors have nothing to disclose.
Dit materiaal is gebaseerd op onderzoek, gesponsord door de Amerikaanse luchtmacht onder overeenkomstnummer FA8650-16-2-6702. De standpunten zijn die van de auteurs en weerspiegelen niet de officiële standpunten en beleid van het ministerie van defensie en de bijbehorende onderdelen. De Amerikaanse regering is gemachtigd om te reproduceren en distribueren van herdrukken voor gouvernementele doeleinden Niettegenstaande elke auteursrecht notatie daarop. De vrijwillige, volledig geïnformeerde toestemming van de onderwerpen in dit onderzoek gebruikt is verkregen als vereist door 32 CFR 219 en DODI 3216.02_AFI 40-402.
3T MRI | GE Medical | 750W Discovery | Data Acquisition Hardware |
MR-Compatible Display System | InVivo | SensaVue | Visual Stimuli Hardware |
MR-Compatible Auditory System | Resonance Technologies | CinemaVision | Auditory Stimuli Hardware |
Experimental Stimulus Software | Neurobehavioral Systems | Presentation | Software to Control Stimuli Presentation |
Experimental Processing Software | Mathworks | MATLAB | Software to Process Data |
Data Processing Software | Microsoft | Visual Studio C++ | Software to Process Data |
Response Pads | Cedrus Corporation | Lumina | Hardware to Receive Participant Input |