MRI 实时视频显示在与镜治疗的恐惧症肢体疼痛相关的神经相关性特征中的应用

Summary

我们提出了一种新的行为和神经成像相结合的协议, 采用实时视频投影的目的是表征与镜治疗相关的神经相关在磁共振成像扫描仪环境中的腿部有幻肢疼痛的截肢者。

Abstract

镜面治疗 (MT) 已被提出作为一种有效的康复策略, 以减轻截肢者的疼痛症状与幻肢疼痛 (PLP)。然而, 建立与 MT 治疗相关的神经相关性一直是一个挑战, 因为它是很难有效地管理治疗在磁共振成像 (MRI) 扫描仪环境。为了描述与这种康复策略相关的皮质区域的功能组织, 我们开发了一个综合行为和功能神经成像协议, 可应用于腿部截肢参与者。这种新颖的方法允许参与者通过查看摄像机拍摄的实时视频图像, 在 MRI 扫描仪环境中接受 MT 检查。参与者通过一个镜子系统和一个显示器查看图像, 参与者躺在扫描仪床上时看到了这些图像。通过这种方式, 可以根据 MT 的直接应用, 描述感兴趣的皮层区域 (如感受电运动皮层) 的功能变化。

Introduction

Plp 是指在与缺失肢体截肢^1,2相对应的区域内感觉到的疼痛感。这种情况是一个重大的慢性保健负担, 可以对个人的生活质量产生巨大的影响^3,4。提示大脑结构和功能的改变在 plp5^{、6 的}发育和神经病理生理学中起着根本的作用。然而, 疼痛症状如何发展以及如何在治疗中得到缓解的潜在神经相关性仍是未知数。这种缺乏信息的主要原因是在 mri^5、7、8等神经成像环境的限制下, 与执行特定治疗方法相关的技术挑战和限制.

许多研究的结果将 PLP 的发展归因于发生在感觉运动皮层以及大脑其他区域的不适应神经整形重组。例如, 已经证明, 截肢后, 邻近地区相应的感觉运动或皮层表示的变化。因此, 邻近地区显然开始入侵过去与截肢的 9^{,10 处}相对应的区域。为了缓解与 PLP 相关的疼痛症状, MT 或运动图像等治疗方法可能有效^9、11、12.建议通过对来自不受影响肢体 12^、13的镜反射图像的观察, 通过对传入输入的交叉模式重建来缓解症状, ^{14、15、16、17}。通过这些图像, 参与者能够想象相反肢体的反射, 而不是被截肢的反射, 从而造成两肢保持的错觉。Diers 等人以前曾在健康的受试者中研究过这种幻觉和沉浸式效应, 在这些研究对象中, 在用普通的镜盒或虚拟现实^{完成任务后, 对通过功能 MRI (fmri) 进行功能激活的比较进行了评估18}. 然而, 与不适应神经增生变化逆转有关的神经相关性和症状缓解仍然鲜为人知。此外, PLP 的潜在机制仍然是一个研究的主题, 因为 PLP 发展背后的明确的基础生理病理改变仍未完全阐明, 而有争议的发现已揭示^{5, 19岁}如上所述, 多位作者将疼痛的发展归因于受影响大脑区域 (截肢肢体区域)^的变形和皮质重组 6,^{7, 8};然而, 马金和合作者描述了相反的结果, 其中疼痛的存在与大脑结构的保护有关, 疼痛与区域间功能连接的减少有关 19.鉴于这些有争议和相反的发现, 我们相信这里提出的新方法将为 PLP 的研究带来更多的相关信息, 并使科学家能够用大脑的程度来评估 MT 在活体环境中的效果激活, 同时将它们与我们的完整协议¹⁹中评估的疼痛程度进行比较。

以往关于这一主题的文献表明, MT 是治疗 PLP 最适合的行为疗法之一, 因为它易于实施, 成本^{较低 12}。事实上, 以前对这一技术的研究已经证明, 在 plp^{8、20、21 的}截肢者的初级感觉运动皮层内, 自适应变化发生了逆转。尽管 mt 也许是治疗 plp^{12、22、23、24}的最廉价和最有效的方法之一, 但还需要更多的研究来证实这些影响, 因为有些患者没有对这种类型的治疗^{做出反应 8}并且缺乏更大的随机临床试验, 提供高循证结果²⁵。

MT 可以减少 PLP 的假设之一是, 未被截肢的身体部位的镜像有助于重组和整合本体感知和视觉反馈²⁶之间的不匹配。Mt 的基本机制可能与体感 8^、27、28的不适应映射的回归有关。

对于 MT, 受试者需要使用其完整的肢体 (例如, 屈曲和伸展) 执行几项运动和感官任务, 同时在参与者身体中线的镜子中观察这种效果, 从而创造出生动而精确的效果。在被截肢的肢体29的区域内的运动^的表示法。

为了进一步发展对 PLP 所涉及的病理生理学方面的科学认识, 必须更好地描述肢体截肢导致的潜在神经增生变化, 以及 MT 提供的疼痛症状的改善。在这方面, 神经成像技术, 如 fMRI, 已成为强大的工具, 以帮助阐明与皮质重组相关的病理生理机制, 并为优化 PLP 患者的康复提供线索。临床背景^30,31。此外, fMRI 提供的高空间分辨率 (例如, 与脑电图相比) 可以更准确地映射传感器运动皮层中的大脑反应, 例如手指和数字表示, 以及其他区域。大脑³²。

到目前为止, 与 MT 相关的神经生理学仍然难以捉摸, 这在很大程度上是由于在扫描仪环境中实施手术的挑战 (即, 个人在躺在扫描仪中的时候很难进行治疗)。在这里, 我们描述了一种方法, 允许个人实时观察自己的腿部运动, 同时躺在狭窄的扫描仪孔的范围内。通过摄像机捕捉移动腿的实时图像, 以及研究参与者可以直接查看的镜子系统和显示器, 可以准确地再现治疗所带来的生动和沉浸式感觉。

过去的研究试图将视频录制、虚拟现实和预先录制的动画等技术结合起来, 以此来呈现视觉刺激并规避这些技术挑战^{9、16、33 ,34}。然而, 这些技术的效力有限^{,35、36、37、38、39}。在使用预先录制的视频的特殊情况下, 参与者的动作和视频提供的动作之间的同步往往很差, 而且时间精度也很低, 这导致了个人自己的现实印象不佳腿在动。为了提高这种感觉的感觉, 感觉沉浸, 其他技术, 如虚拟现实和数字化动画, 已经尝试。然而, 由于图像分辨率低、视野有限、不现实或无以式的人形运动以及运动滞后 (即运动的非同步), 它们未能产生视觉上令人信服的感觉。此外, 缺乏准确的建模, 再加上对其他特征 (如摩擦、动量和重力的影响) 控制不力, 阻碍了对生动和沉浸式感觉的感知^.因此, 对于截肢者来说, 有必要探索策略, 以确保被试从事认知任务 (观察) 和沉浸在截肢肢体运动的错觉。最后, 制定和实施这些复杂战略所需的资源可能既耗时又高成本。

我们描述了一种新的方法, 我们相信它创造了一种逼真和生动的沉浸感, 参与者可以看到一个实时和实时的视频, 他们自己的肢体投影图像, 而他们执行^{MT 31}的会话。这种方法是在个人躺在扫描仪孔中, 没有大量费用或广泛的技术开发的情况下进行的。

该协议是美国国立卫生研究院 (NIH) 研究项目赠款 (RO1) 赞助的临床试验的一部分, 该项目评估了神经调节技术 (即经颅直流刺激 (tDCS)) 组合的效果。行为疗法 (镜治疗), 以减轻幻肢疼痛 31.我们评估视觉模拟量表 (VAS) 在基线、之前和之后的疼痛变化。fMRI 作为一种神经生理工具, 用于评估大脑功能的结构变化及其与 PLP 缓解的相关性。因此, 获得一个初始 fmri, 以便有一个基线图的结构组织的参与者的大脑, 这将表明有皮质不适应重组^5,6,^{8,11,13,14,18,28}或没有¹⁹;同样, 科学家可以用 MT 的任务来观察哪些区域在基线上被激活, 以了解这些区域对 MT 的激活反应;最后, 可以获得第二个 fMRI 后干预, 看看在 tDCS 和 MT 联合治疗后皮质重组中是否产生了变化 (调制), 并分析这些变化是否相关或与程度相关疼痛的变化。因此, 该协议允许科学家评估 MT 期间 Plp 患者的结构重组变化, 并帮助他们了解 fMRI 中看到的这些变化是否与 PLP 的变化有关, 因此提供了更多的细节MT 如何影响大脑结构和功能活动, 以改变幻象疼痛。

Protocol

1. 主题的准备 在参与之前, 让参与者填写同意书和 MRI 安全检查评估, 后者由扫描设施的神经成像技术人员进行, 以确保参与者没有任何已知的禁忌症。被扫描 (例如, 他们体内的金属, 幽闭恐惧症的历史, 或怀孕)。 向参与者提供有关实验过程的详细说明。 让主体听教学录音音频, 以确保他们能够理解并遵循扫描过程中提供的说明。 在模拟扫描仪中执行练习, 以便在扫?…

Representative Results

利用实时视频投影产生与 MT 相关的感觉是可行的。参与者主观地报告说, 所感知的视频图像是逼真的, 感觉是沉浸式的。 此外, 在扫描仪环境中, 与 MT 相关的皮质激活模式 (即腿部运动和查看投影镜像) 是可靠的。在一项试点研究中, 根据上述任务协议, 使用 fMRI 记录左腿下肢截肢 (男性, 56岁, 膝盖以下小腿以下的创伤性截肢) 的?…

Discussion

该协议描述了一种新颖可行的程序, 该程序使研究人员能够准确地描述 PLP 个体中与 MT 相关的神经相关性。

如前所述, 过去的研究试图通过结合各种技术, 如视频录制、虚拟现实和预先录制的动画 9^、33, 来研究与 mt 治疗相关的神经相关性 ^,34。然而, 这些办法在效力^{方面有限37、}<sup …

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