Lo sviluppo di Neuroimaging fenotipi della modalità di rete predefinita in PTSD: Integrazione stato di riposo, Working Memory, e connettività strutturale

Summary

This protocol describes the complementary neuroimaging techniques of resting state structural connectivity, task-induced deactivation, and structural connectivity analyses to examine the default network in post-traumatic stress disorder. The use of synergistic methods could potentially lead to improved diagnostics and assessments of severity, outcome, and other relevant clinical factors.

Abstract

Complementari tecniche di neuroimaging strutturale e funzionale utilizzati per esaminare la Rete modalità predefinita (DMN) potrebbe potenzialmente migliorare la valutazione della gravità della malattia psichiatrica e fornire la validità aggiunto al processo diagnostico clinico. Recenti ricerche neuroimaging suggeriscono che i processi DMN potrebbe essere disturbato in un certo numero di malattie psichiatriche legate allo stress, come ad esempio il disturbo da stress post-traumatico (PTSD).

Anche se le funzioni DMN specifiche rimangono sotto inchiesta, si pensa generalmente per essere coinvolti in introspezione e auto-trasformazione. Negli individui sani esibisce maggiore attività durante i periodi di riposo, con meno attività, osservate come la disattivazione, durante compiti cognitivi, ad esempio, la memoria di lavoro. Questa rete è costituita da corteccia mediale prefrontale, corteccia cingolata posteriore / precuneo, corteccia parietale laterale e mediale regioni temporali.

Immaginario funzionale e strutturale multiplang approcci sono stati sviluppati per studiare il DMN. Questi hanno potenziale senza precedenti per favorire la comprensione della funzione e disfunzione di questa rete. Approcci funzionali, come la valutazione di riposo connettività Stato e disattivazione compito indotta, hanno un eccellente potenziale per identificare neurocognitive mirato e neuroaffective (funzionali) marcatori diagnostici e può indicare la gravità della malattia e con la prognosi maggiore accuratezza e specificità. Approcci strutturali, come la valutazione di morfometria e della connettività, possono fornire indicatori unici di risultati eziologia e lungo termine. Combinata metodi, funzionali e strutturali prevedono forti approcci multimodali, complementari e sinergici per sviluppare valide fenotipi di imaging basata DMN-in condizioni psichiatriche legate allo stress. Questo protocollo mira a integrare questi metodi per studiare la struttura e la funzione DMN in PTSD, relative risultanze alla gravità della malattia e dei fattori clinici rilevanti.

Introduction

Neuroimaging rappresenta uno strumento con un potenziale senza precedenti per esaminare la validità diagnostica, la gravità della malattia, la prognosi e la risposta al trattamento in neuropsichiatria. Una vasta gamma di tecniche di imaging complementari è ora disponibile per caratterizzare la struttura e la funzione dei sistemi cerebrali chiave, e per facilitare l'identificazione di fenotipi neuroimaging in popolazioni psichiatriche. Di questi sistemi, la Rete modalità predefinita (DMN) ha ricevuto una grande attenzione nel cognitiva e clinica neuroscienze letteratura negli ultimi dieci anni.

Il DMN è un cosiddetto "riposo rete stato" che comprende la corteccia prefrontale mediale (MPFC) come nodo principale anteriore, corteccia cingolata posteriore / precuneus (PCC) come nodo posteriore principio, insieme con la corteccia parietale inferiore-laterale e regioni temporali mediali. Loro caratteristica fondamentale di questa rete è che essa presenta la sua attività più alto durante i periodi di riposo, which si verifica mentre i soggetti sono sveglio e vigile, ma non coinvolti in un compito specifico; questa riposa attività stato è stato coniato il "Modo predefinito" della funzione cerebrale ^1. Riposo attività di Stato nel DMN è anche altamente sincronizzato, che viene descritta come riposo connettività funzionale dello Stato. L'altra caratteristica fondamentale del DMN è che dimostra l'attività ridotta durante i periodi di crescenti esigenze conoscitive esterne, che si osserva come la disattivazione compito indotta durante neuroimaging funzionale paradigmi ^2,3. Si ipotizza che l'equilibrio tra le esigenze interno (ossia lo stato di riposo) ed esterne (ovvero l'attività task-correlati) sono necessari per mantenere il cervello sano funzionamento del ^3-5.

Le seguenti sezioni forniscono una breve panoramica dei tre metodi per studiare il DMN: connettività funzionale e disattivazione task-associato, seguito da connettività strutturale. Questi tre metodi sono discribed modi complementari per caratterizzare questa rete in campioni clinici, come i pazienti con disturbo da stress post-traumatico e condizioni psichiatriche correlate.

Riposo Stato DMN connettività funzionale

Riposo connettività funzionale dello Stato è recentemente diventato un approccio comune utilizzato per valutare i modelli di funzione cerebrale al basale in assenza di richieste del compito. Connettività funzionale è un metodo analitico che quantifica la coerenza, o il grado di sincronia del segnale di livello di ossigeno nel sangue dipendente (BOLD) nel corso del tempo, attraverso diverse regioni del cervello. Un crescente corpo di letteratura scientifica suggerisce che gli schemi tipici di connettività DMN possono essere modificati in clinica e popolazioni a rischio, e in particolare quelli con precedente esposizione a notevole stress o traumi. Il reperto più comune è stato diminuito DMN riposo stato connettività funzionale associata a PTSD ^6. Questa connettività ridotta può have applicazioni cliniche dirette, come è diminuita la connettività DMN possono essere predittivi di coloro che possono sviluppare PTSD dopo un fattore di stress acuto ^7. Connettività funzionale DMN diminuito può essere interpretato in vari modi, più comunemente che riflette la scarsa comunicazione tra le regioni cerebrali cruciali coinvolti nel self-processing, che può portare ad una incapacità di riallocare le risorse interne dal basale trasformazione DMN alle richieste esterne. Questa interruzione della rete potrebbe spiegare i sintomi clinici principali di disturbi psichiatrici come PTSD e altre condizioni psichiatriche legate allo stress ^8. Ulteriori indagini nella eziologia di queste perturbazioni è un'area importante per la ricerca futura.

Da un punto di vista più generale, i vantaggi di esaminare la connettività funzionale del DMN includono relativamente facile attuazione e un modello robusto di riposo connettività funzionale stato in controlli sani che consente un confronto attendibile ^9,10 </sup>. Pertanto, questo metodo ha il potenziale per essere sviluppato in un neuroimaging biomarker facilmente implementato e robusta di disturbi psichiatrici legati allo stress che informa come le funzioni cerebrali, in assenza di richieste di compiti specifici in individui con PTSD e altre condizioni psichiatriche legate allo stress.

Disattivazioni DMN Task-associati

Esaminare risposta DMN durante memoria di lavoro (WM) offre un altro approccio per studiare la funzione e disfunzione di questa rete oltre che riposa sincronia stato. Questo approccio, che riflette un metodo più standard di risonanza magnetica funzionale (fMRI), fornisce diverse informazioni sulla risposta alle richieste di attività che possono avere significato clinico ^11. Precedenti ricerche hanno documentato che i partecipanti con PTSD dimostrano compromessa funzionamento WM e un maggior grado di disattivazioni DMN durante le attività WM, forse riflettendo maggiore sforzo cognitivo ^12-15. Using WM come una sfida FMRI ha diversi vantaggi. Per esempio, si disimpegna attendibilmente varie regioni DMN chiave, da riposo allo stato attivo. Più rilevanti per PTSD e altre condizioni psichiatriche legate allo stress, compiti WM affidabile disimpegnano il MPFC, il principale nodo DMN anteriore che è coinvolto in percorsi critici disregolato in PTSD. E 'stato affermato che il MPFC modula crescente attività dell'amigdala, e probabilmente gioca un ruolo cruciale nel condizionamento alla paura ^16. Le valutazioni di attività MPFC può anche essere un parametro utile in futuro cura clinica. Ad esempio, in uno studio precedente di agenti di polizia traumatizzati, l'esposizione psicoterapia aumento dell'attività MPFC e ridotta attività dell'amigdala durante il recupero della memoria traumatica. Questi cambiamenti di neuroimaging sono stati associati ad una diminuzione dei sintomi PSTD ^17. Questa istanza di disattivazioni mPFC WM-indotta è solo un esempio di come le metriche di neuroimaging possono essere applicati a popolazioni cliniche, e un'ulteriore esplorazionedi altri componenti DMN è probabile che sia una zona fruttuosa di ricerca futura.

In questo protocollo, viene utilizzato il task n-back della memoria di lavoro verbale. Il compito n-back è ampiamente utilizzato nella ricerca FMRI, e fornisce l'attivazione affidabile di attivazione esecutivo e modalità predefinita regioni disattivazione della rete ^18,19. Questa attività include tre componenti, un compito 0-back lettera di vigilanza, il compito 2-back della memoria di lavoro e di riposo della linea di base per il confronto. Durante l'attività di vigilanza 0-back, i partecipanti rispondono "sì" quando un bersaglio predeterminato consonante ("H" o "h") è apparso e "no" per altre consonanti utilizzando una casella di risposta a due pulsanti, mentre all'interno dello scanner. Sei blocchi di controllo 0-back di 9 consonanti sono presentati durante questa operazione. Durante la 2-back, una serie di consonanti sono rappresentati visivamente per 500 msec ciascuno, con un intervallo interstimulus di 2.500 msec. I partecipanti fanno un "sì" o "no"risposta, dopo ogni consonante presentato, per indicare se è lo stesso o differente dalla consonante presentato due precedentemente in una serie (ad es., w, N, R, N, R, Q, R, q, N, W ecc. , con risposte corrette indicati in grassetto). Durante la 2-back, sei 45 sec serie di 15 consonanti sono presentati. Per eseguire correttamente il partecipante deve mantenere un set cognitivo chiedendo che include costante buffer fonemica (vale a dire. Possesso di consonanti nella memoria a breve termine), subvocale prova fonemica (vale a dire. Ripetere consonanti senza articolare ad alta voce), e il coordinamento esecutivo. In entrambi i 0 – e blocchi 2-back, il tasso di presentazione è la stessa, il 33% degli obiettivi sono presentati in posizioni casuali, e la capitalizzazione è randomizzati per incoraggiare la codifica verbale. A 30 sec di riposo di base con un punto di fissazione croce viene presentato prima di ogni blocco 0-back; questa linea di base viene utilizzato per subsequconfronti ento di attività task-associato rispetto al basale durante l'analisi dei dati.

Presi insieme, i dati esistenti suggeriscono che la caratterizzazione dell'attività DMN compito associato durante una varietà di compiti può svolgere un ruolo importante nell'uso clinico dell'analisi DMN funzionale. Ci sono altri vantaggi di utilizzare WM come una sfida fMRI in condizioni psichiatriche legate allo stress. Simili riposo connettività stato, non vi è un chiaro modello di disattivazioni DMN durante WM in individui sani, che facilita il confronto con campioni clinici. WM è un trauma anche neutro, che può evitare di innescare i sintomi di PTSD clinici durante la scansione. Pertanto, questo metodo ha anche il potenziale per essere sviluppato in un biomarcatore neuroimaging che riflette come il cervello risponde alle richieste esterne di disturbi psichiatrici legati allo stress.

DMN connettività strutturale

Mentre imaging funzionale è in grado di descrivere cambiamentos di connettività cerebrale o attività associate con l'esposizione allo stress, approcci funzionali non descrivono l'eziologia dietro i cambiamenti del cervello osservati. Metodi di imaging strutturali, come tensore di diffusione (DTI), sono in grado di misurare e quantificare l'integrità dei tratti di sostanza bianca che collegano regioni cerebrali. DTI è l'approccio di neuroimaging strutturale più comune e misure integrità della sostanza bianca sulla base del (ovvero direzionale) flusso di molecole d'acqua, lungo tratti di sostanza bianca, come l'acqua scorre prevalentemente lungo tratti di sostanza bianca (rispetto a tutti loro) anisotropico. Questa differenza di flusso direzionale è espresso come anisotropia frazionaria (FA). Bassi livelli di FA sono pensati per riflettere i cambiamenti microstrutturali nei tratti di sostanza bianca, che possono essere manifestazioni di danno neuronale da una varietà di cause, tra cui le conseguenze dell'esposizione allo stress ^4. Da una prospettiva di rete, l'attività cerebrale coordinati (cioè a riposo l'attività statale o coorattività relative ai task dinato) deve fare affidamento su connessioni strutturali. Nel caso di risultanze DMN precedenti, danno strutturale compromette la comunicazione tra i nodi DMN, con conseguente riduzione della connettività funzionale DMN. Allo stesso modo, l'aumento modelli di disattivazione possono riflettere danno microstrutturale che richiede l'assunzione di maggiori aree della corteccia cerebrale durante la risposta compito. Rilevante per PTSD e la DMN, diversi studi hanno dimostrato diminuito FA nel cingolo fascio ^20,21, che è il tratto di materia bianca che collega importanti strutture limbiche del cervello ^22. E 'probabile che le misure più precise utilizzando tractography (cioè che tracciare direttamente tratti di sostanza bianca a livello neuronale) saranno in grado di chiarire espressamente che le fibre della sostanza bianca sono coinvolti in interruzioni di rete. I vantaggi per l'imaging DTI è che è relativamente facile da acquisire come non ci sono attività necessarie per eseguire nello scanner.

Nella foprotocollo llowing, gli approcci funzionali di stato di riposo connettività funzionale e la quantificazione delle disattivazioni task-indotta sono combinati con un esame di connettività strutturale con DTI, al fine di mappare la struttura e la funzione DMN e si riferiscono questi risultati per la gravità della malattia e dei fattori clinici rilevanti in PTSD . Abbiamo già implementato questo approccio trauma esposti adulti sani ^18,23 e ha scoperto che questo protocollo fornisce un metodo convincente per caratterizzare il DMN che si presta all'adattamento allo studio di PTSD e di altri stress correlato malattie psichiatriche.

Protocol

Partecipanti ammissibili firmare il consenso informato scritto a partecipare al progetto di ricerca. La ricerca viene effettuata in conformità alle linee guida istituzionali, nazionali e internazionali per il benessere umano. 1. Screening partecipante e interviste diagnostici Dopo il consenso informato, effettuare colloqui diagnostici per verificare la diagnosi di PTSD e gravità della malattia. NOTA: Queste misure includono l'intervista strutturata Clinico per il DSM-IV-TR (…

Representative Results

Risultati rappresentativi sono basati su dati raccolti con lo stesso approccio di imaging in due diversi campioni di individui con una storia di traumi infantili e maltrattamenti, ma senza PTSD 21,22. I risultati di riposo connettività funzionale dello stato analisi hanno rivelato un modello spaziale coerente con i principali nodi del DMN (Figura 1) 1-3,8 compreso il MPFC, PCC, giro angolare / lobulo parietale inferiore e le regioni centrali temporali. La conferma di questa distri…

Discussion

I due passaggi più critici per la corretta attuazione del protocollo di neuroimaging sono accuratamente catturare stato di riposo e di lavoro effetti di memoria.

Concettualmente, l'acquisizione di immagini di stato di riposo è semplice. Poiché non vi è alcun compito da svolgere, sperimentatori spesso descrivono l'attività cerebrale durante queste epoche come "resto". Tuttavia, poiché questo campo è relativamente nuovo rispetto ad altre aree del neuroimaging ^1,</…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
3T TIM TRIO	Siemens		3T MRI
MRI-compatible pulse oxymeter	Siemens	model # 07389567
Analysis of Functional Neuroimaging	NIH	http://afni.nimh.nih.gov/	Data analysis software package
Eprime	Psychology Software Tools, LLC	http://www.pstnet.com/eprime.cfm	Stimulus presentation software
Slicer	Brigham and Women's Hospital	http://www.slicer.org/	Probabilistic tractography software