Proiezione Video in tempo reale in una risonanza magnetica per la caratterizzazione di componenti neurali associati con la terapia di specchio per dolore dell'arto fantasma

Summary

Vi presentiamo un romanzo combinato comportamentale e neuroimaging protocollo impiegando proiezione video in tempo reale allo scopo di caratterizzare i correlati neurali connessi con la terapia di specchio all’interno dell’ambiente di scanner di risonanza magnetica in gamba soggetti amputati con dolore dell’arto fantasma.

Abstract

Terapia dello specchio (MT) è stata proposta come un’efficace strategia rieducativa per alleviare i sintomi di dolore in amputati con dolore dell’arto fantasma (PLP). Tuttavia, stabilire delle correlazioni neurali associate con la terapia di MT sono stato impegnativo dato che è difficile da amministrare la terapia in modo efficace all’interno di un ambiente di scanner a risonanza magnetica (MRI). Per caratterizzare l’organizzazione funzionale di regioni corticali associate a questa strategia rieducativa, abbiamo sviluppato un protocollo combinato neuroimaging funzionali e comportamentali che possa essere applicato in partecipanti con un’amputazione della gamba. Questo nuovo approccio permette ai partecipanti di subire MT all’interno dell’ambiente di scanner MRI visualizzando in tempo reale immagini video catturate da una telecamera. Le immagini sono visualizzate dal partecipante attraverso un sistema di specchi e un monitor che il partecipante viste mentre giaceva sul piano dello scanner. In questo modo, modifiche funzionali in aree corticali di interesse (ad es., corteccia sensorimotoria) possono essere caratterizzate in risposta all’applicazione diretta di MT.

Introduction

PLP si riferisce alla sensazione di dolore percepito all’interno dell’area corrispondente all’arto mancante postamputation^1,2. Questa condizione è un notevole onere sanitario cronico e può avere un impatto drammatico sulla qualità della vita^{3,4 di un individuo}. È stato suggerito che alterazioni nella struttura del cervello e funzione giocano un ruolo fondamentale nello sviluppo e Neurofisiopatologia di PLP^5,6. Tuttavia, i correlati neurali sottostanti di come sviluppano i sintomi di dolore e di come possono essere alleviati in risposta al trattamento rimangono sconosciuti. Questa mancanza di informazioni è principalmente a causa di difficoltà tecniche e limitazioni connesse con l’esecuzione di un determinato approccio terapeutico entro i limiti di un ambiente di neuroimaging come MRI^5,7,8 .

Risultati da una serie di studi attribuiscono lo sviluppo di PLP alla riorganizzazione disadattivi neuroplastici che si verificano all’interno della corteccia sensorimotoria, nonché in altre aree del cervello. Ad esempio, è stato indicato che dopo l’amputazione di un arto, c’è un cambiamento nella corrispondente rappresentazione corticale sensorimotoria di zone limitrofe. Di conseguenza, zone limitrofe a quanto pare iniziare invadendo le zone che utilizzati per corrispondere all’arto amputato^9,10. Al fine di alleviare i sintomi di dolore connessi con PLP, trattamenti quali MT o immaginazione motoria possono essere efficace^9,11,12. È suggerito che l’alleviamento dei sintomi si verifica putativamente attraverso il cross-modale ristabilimento degli input afferente, forniti tramite l’osservazione di immagini specchio-traduce dall’arto nonaffected^{12,13, 14,15,16,17}. Attraverso queste immagini, i partecipanti sono in grado di visualizzare il riflesso dell’arto opposto invece di quella che è stata amputata, creando così l’illusione che rimangono entrambi gli arti. L’illusione e coinvolgenti effetti sono stati studiati in precedenza da Diers et in soggetti sani, in cui un confronto dell’attivazione funzionale attraverso la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è stato valutato dopo aver subito un’attività con una comune scatola dello specchio o realtà virtuale ¹⁸. Tuttavia, rimangono poco compresi i correlati neurali associati con l’inversione dei cambiamenti neuroplastici disadattivi e l’alleviamento dei sintomi. Inoltre, il meccanismo di fondo di PLP rimane un argomento di ricerca, come l’alterazione fisiopatologico sottostante chiaro dietro lo sviluppo di PLP è ancora non completamente chiarita mentre scoperte controverse sono state rivelate^{5, 19}. Come detto sopra, più autori attribuiscono lo sviluppo del dolore da deafferentazione e riorganizzazione corticale del cervello colpite (zona dell’arto amputato)^6,7,8; Tuttavia, risultati opposti sono stati descritti da Makin e collaboratori in cui la presenza di dolore è associata con la conservazione della struttura del cervello e dolore è attribuito a una riduzione interregionale connettività funzionale¹⁹. In considerazione di queste controverse e di fronte risultati, crediamo che il nuovo approccio presentato qui porterà ulteriori informazioni pertinenti allo studio di PLP e permetterà agli scienziati di valutare gli effetti della MT in un ambiente reale con il grado di cervello attivazione mentre confrontandoli con i livelli di dolore valutato nel nostro protocollo completo¹⁹.

La letteratura precedente su questo argomento ha dimostrato che la MT è una delle terapie del comportamento più appropriate per il trattamento di PLP grazie alla sua facile implementazione e bassi costi¹². Infatti, gli studi precedenti di questa tecnica hanno dimostrato evidenza di un’inversione di disadattivi cambiamenti all’interno della corteccia sensorimotoria primaria in amputati con PLP^8,20,21. Anche se MT è forse uno l’approccio più economico e più efficace per il trattamento di PLP^12,22,23,24, ulteriori studi sono necessari per confermare questi effetti dal momento che alcuni pazienti non rispondere a questo tipo di trattamento⁸ e c’è una mancanza di grandi studi clinici randomizzati che forniscono risultati di alta-evidence-based²⁵.

Una delle ipotesi da cui MT può ridurre PLP è relativo al fatto che l’immagine speculare della parte del corpo amputata non aiuta a riorganizzare e integrare la mancata corrispondenza tra propriocezione e feedback visivo²⁶. I meccanismi di fondo di MT potrebbero essere associati con la reversione della mappatura disadattivi di somatosensory^8,27,28.

Per MT, soggetti sono tenuti a eseguire diverse attività motorie e sensoriali, utilizzando il loro arto intatto (ad es., flessione ed estensione) osservando questo effetto in uno specchio situato sulla linea mediana del corpo del partecipante, creando così un vivido e preciso rappresentazione del movimento all’interno dell’area dell’ arto amputato²⁹.

Per sviluppare ulteriormente la comprensione scientifica degli aspetti patofisiologia coinvolti in PLP, è fondamentale caratterizzare meglio i cambiamenti neuroplastici sottostanti tale risultato da amputazioni dell’arto, così come il miglioramento dei sintomi di dolore fornito da mt A questo proposito, le tecniche di neuroimaging, come fMRI, sono emersi come potenti strumenti per contribuire a delucidare i meccanismi patofisiologici associati riorganizzazione corticale e forniscono indizi verso ottimizzando la riabilitazione di individui con PLP in il contesto clinico^30,31. Inoltre, l’elevata risoluzione spaziale offerto da fMRI (rispetto a elettroencefalografia, per esempio) consente di mapping più accurato delle risposte del cervello, le rappresentazioni di dito e cifre, nella corteccia sensorimotoria insieme ad altre regioni del il cervello³².

Fin qui, la neurofisiologia associata MT rimane inafferrabile dovuta in gran parte alle sfide dell’espletamento della procedura all’interno dell’ambiente dello scanner (cioè, è difficile per un individuo di eseguire la terapia mentre trovandosi nello scanner). Qui, descriviamo un metodo che consente per un individuo di osservare i propri movimenti di gamba in foro in tempo reale mentre sdraiato supino all’interno dei ristretti confini dello scanner. Un’accurata ricreazione della intensa e coinvolgente sensazione suscitata dalla terapia può essere ricreata usando una videocamera che cattura le immagini in tempo reale di piedino commovente e di un sistema di specchi e un monitor che può essere visualizzato direttamente dal partecipante di studio.

Studi condotti in passato hanno tentato di incorporare tecniche come la registrazione video, realtà virtuale e animazioni preregistrate come mezzi per presentare lo stimolo visivo ed eludere queste sfide tecniche^{9,16,33 ,34}. Eppure, queste tecniche sono state limitate nella loro efficacia^{35,36,37,38,39}. Nel caso particolare dell’utilizzo di un video preregistrato, c’è una sincronizzazione spesso povera tra i movimenti dei partecipanti e quelli forniti dal video, come pure una mancanza di precisione di temporizzazione, che conduce a una pessima impressione realistica che dell’individuo gamba è in movimento. Al fine di migliorare questo senso di immersione sensorimotoria, altre tecniche, come la realtà virtuale e animazioni digitalizzate, sono state tentate. Eppure, non sono riusciti a generare sensazioni visivamente convincente a causa di una risoluzione di immagine bassa, un limitato campo di vista, irrealistici o nominerà umano-come movimenti e presenza di lag movimento (cioè, ad eliminare la desincronizzazione del movimento). Inoltre, la mancanza di un’accurata modellizzazione combinata con lo scarso controllo sopra altre caratteristiche, quali gli effetti di attrito, slancio e gravità, ostacola la percezione di una sensazione intensa e coinvolgente⁴⁰. Pertanto, per amputati, vale la pena di esplorare strategie affinché i soggetti sono impegnati nel compito cognitivo (osservazione) e coinvolgente sull’illusione di amputato degli arti di movimento. Infine, le risorse necessarie per sviluppare e implementare queste strategie complesse possono richiedere molto tempo e/o costo proibitive.

Descriviamo un nuovo approccio che crediamo che crea un senso realistico e vivido di immersione per cui il partecipante può vedere un video in diretta e in tempo reale dell’immagine proiettata del proprio arto mentre compiono una sessione di MT³¹. Questo approccio viene eseguito mentre l’individuo sta mentendo nel foro dello scanner ed è senza costi notevoli o vasto sviluppo tecnico.

Questo protocollo è parte di una sovvenzione di progetto di ricerca di National Institutes of Health (NIH) (RO1)-sponsorizzato test clinico che valuta gli effetti della combinazione di una tecnica di neuromodulatory, vale a dire la stimolazione transcranica corrente continua (tDCS), con un terapia comportamentale (specchio terapia) al fine di alleviare il dolore dell’arto fantasma³¹. Valutiamo le modifiche in scala analogica visiva (VAS) per dolore al basale, prima e dopo ogni sessione di intervento. fMRI è utilizzato come strumento di neurophysiologic al fine di valutare i cambiamenti strutturali nella funzione del cervello e la sua correlazione con il rilievo di PLP. Pertanto, si ottiene una risonanza magnetica funzionale iniziale al fine di avere una mappa di base dell’organizzazione strutturale del cervello del partecipante, che neanche vi mostrerà che esiste riorganizzazione corticale maladattativa^{5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28} o che non c’è¹⁹; allo stesso modo, lo scienziato può osservare quali aree sono attivate alla linea di base con il compito di MT al fine di comprendere attivazione risposta delle aree a MT; Infine, è possibile ottenere una seconda postintervention di fMRI per vedere se le modifiche (modulazione) sono state generate nella riorganizzazione corticale dopo la terapia combinata con TDC e MT e analizzare se tali modifiche sono correlate o connessi con il grado del cambiamento di dolore. Di conseguenza, questo protocollo permette agli scienziati di valutare i cambiamenti di riorganizzazione strutturale in pazienti con PLPs durante MT e aiuta anche a capire se questi cambiamenti veduti in fMRI sono associati con i cambiamenti in PLP, pertanto fornire ulteriori dettagli su come MT colpisce attività strutturali e funzionali del cervello di modificare dolore fantasma.

Protocol

1. preparazione del soggetto Prima della partecipazione, che il partecipante a completare un modulo di consenso e una sicurezza di MRI valutazione di screening, quest’ultimo effettuato dal tecnico di neuroimaging presso la struttura di scansione, per garantire che il partecipante non dispone di eventuali controindicazioni conosciute per sottoposto a scansione (ad es., metallo nel loro corpo, una storia di claustrofobia, o gravidanza). Fornire al partecipante con istruzioni dettagliate per quanto rigua…

Representative Results

Generare la sensazione associata con MT utilizzando la proiezione di video in tempo reale è fattibile. Partecipanti hanno riferito soggettivamente che l’immagine percepita è realistica e la sensazione è coinvolgente. Inoltre, i pattern di attivazione corticale associata MT (cioè, il movimento della gamba e visualizzando l’immagine proiettata di specchio) nell’ambiente dello scanner sono robusti. In uno studio pilota, le risp…

Discussion

Questo protocollo descrive un romanzo, procedura fattibile che permette ai ricercatori di caratterizzare accuratamente i correlati neurali associati MT in individui con PLP.

Come precedentemente accennato, gli studi precedenti hanno tentato di indagare i correlati neurali associati al trattamento MT incorporando varie tecniche come la registrazione video, realtà virtuale e animazioni preregistrate^{9,33 ,34…}

Materials

Scanner	Phillips	NA	3 Tesla Philips Acheiva MRI scanner
Camera	Logitech	NA	HD Pro Webcam C910
Monitor	Cambridge Research Systems	NA	3D BOLD screen for MRI
Mirror	TAP Plastics	99999	Mirrored Acrylic Sheets (Cut­to­Size) ­ Clear 1/8 (.118)" Thick, 10" Wide, 40" Long
Mirror stand		NA	Mirror stand was built by the co-investigators from a rectangular piece of wood
Headphones	Westone Sensimetrics	PN 79245	Replacement comply foam tips for universal-fit earphones. Canal size: Standard 6 pieces/ 3 pair
			MR compatible in ear headphones
MRI Scanner	Phillips	3.0 T Philips Achieva System