Real-Time Video projectie in een MRI voor karakterisering van neurale correlaten geassocieerd met spiegel therapie voor Phantom ledemaat pijn

Summary

We presenteren een roman gecombineerd gedrags en neuroimaging protocol gebruikmaking real-time video-projectie met het oog op het karakteriseren van de neurale correlaten gekoppeld spiegel therapie binnen de MRI-scanner omgeving in been Geamputeerde onderwerpen met phantom ledemaat pijn.

Abstract

Spiegel therapie (MT) is voorgesteld als een effectieve rehabilitatie strategie ter verlichting van pijn symptomen in amputees met phantom ledemaat pijn (PLP). Echter, tot oprichting van de neurale correlaten MT therapie is gekoppeld hebben is uitdagend gezien het feit dat het is moeilijk te beheren van de therapie effectief binnen een magnetische resonantie beeldvorming (MRI) scanner-omgeving. De functionele organisatie van de corticale gebieden die zijn gekoppeld aan deze rehabilitatie strategie karakteriseren, hebben we een gecombineerde gedrags en functionele neuroimaging-protocol die kan worden toegepast in de deelnemers met een been amputatie. Deze nieuwe benadering biedt deelnemers ondergaan MT binnen de MRI scanner omgeving bij het bekijken van real-time video opnamen die zijn gemaakt door een camera. De beelden worden bekeken door de deelnemer via een systeem van spiegels en een monitor dat de deelnemer bekijkt terwijl liggend op het bed van de scanner. Op deze wijze, kunnen functionele veranderingen in corticale gebieden van belang (b.v., sensomotorische cortex) worden gekarakteriseerd in reactie op de directe toepassing van MT.

Introduction

PLP verwijst naar de sensatie van pijn ervaren binnen de oppervlakte die overeenkomt met de ontbrekende ledematen postamputation^1,2. Deze voorwaarde is een aanzienlijke last voor chronische gezondheidszorg en kan een dramatische invloed hebben op iemands levenskwaliteit^3,4. Er is gesuggereerd dat wijzigingen in de hersenstructuur en de functie een fundamentele rol in de ontwikkeling en de neuropathophysiology van PLP^{5,6 spelen}. De onderliggende neurale correlaten van hoe pijn symptomen ontwikkelen en hoe ze kunnen worden verminderd in reactie op behandeling blijft echter onbekend. Dit gebrek aan informatie is vooral te wijten aan technische problemen en beperkingen die zijn gekoppeld aan het uitvoeren van een bepaalde therapeutische benadering binnen de beperkingen van een neuroimaging omgeving zoals MRI^5,7,8 .

Resultaten van een aantal studies wijt de ontwikkeling van PLP maladaptieve neuroplastic reorganisatie die zich voordoen binnen sensomotorische cortices, alsook in andere gebieden van de hersenen. Het heeft bijvoorbeeld aangetoond dat na de amputatie van een ledemaat, er een verschuiving in de overeenkomstige sensomotorische corticale vertegenwoordiging is van naburige gebieden. Dientengevolge, starten aangrenzende gebieden blijkbaar invasie van de zones die gebruikt om te corresponderen met de geamputeerde ledemaat^9,10 Ter verlichting van pijn symptomen die gepaard gaan met PLP, behandelingen zoals MT of motor beelden mogelijk effectieve^9,11,12. Er wordt voorgesteld dat de verlichting van de symptomen vermoedelijk door middel van het opnieuw opzetten van cross-modal van afferent ingangen optreedt, geboden door de waarneming van de spiegel-weerspiegeld beelden van de nonaffected van de ledematen,^{12,13, 14},^,15,16,17. Deelnemers zijn door middel van deze beelden kunnen visualiseren van de reflectie van de tegenovergestelde ledemaat in plaats van degene die heeft is geamputeerd, waardoor een illusie die beide ledematen blijven. De illusie en meeslepende effecten werden eerder bestudeerd door Diers et al. in gezonde proefpersonen waarin een vergelijking van functionele activering via functionele MRI (fMRI) werd geëvalueerd na het ondergaan van een taak met een gemeenschappelijk spiegel doos of virtuele werkelijkheid ¹⁸. de neurale correlaten geassocieerd met de omkering van de maladaptieve neuroplastic wijzigingen en verlichting van de symptomen blijven echter slecht begrepen. Bovendien, blijft het onderliggende mechanisme van PLP een onderwerp van onderzoek, zoals de duidelijke onderliggende physiopathologic wijziging achter de ontwikkeling van PLP is nog onvolledig opgehelderd terwijl controversiële bevindingen geopenbaarde^{5zijn, 19}. Zoals hierboven vermeld, wijt meerdere auteurs de ontwikkeling van pijn aan de deafferentation en corticale reorganisatie van de hersenen van de getroffen gebied (het gebied van de geamputeerde ledematen)^6,7,8; echter werden tegenover resultaten beschreven door Makin en medewerkers waarin de aanwezigheid van pijn is gekoppeld aan het behoud van de hersenstructuur en pijn wordt toegeschreven aan een vermindering van interregionale functionele connectiviteit¹⁹. Met het oog op deze controversiële en tegenover de bevindingen, wij geloven dat de hier gepresenteerde nieuwe benadering aanvullende relevante informatie aan de studie van PLP brengen zal en zal toestaan wetenschappers om te evalueren van de effecten van MT in een productieomgeving met de mate van hersenen activering terwijl ze te vergelijken met de niveaus van pijn in onze volledige protocol¹⁹beoordeeld.

Bestaande literatuur over dit onderwerp is gebleken dat MT een van de meest geschikte behavioral therapieën voor de behandeling van PLP vanwege de eenvoudige implementatie en lage kosten^{12 is}. In feite, hebben eerdere studies van deze techniek blijk van een omkering van maladaptieve veranderingen binnen de primaire sensomotorische cortex in amputees met PLP^8,20,21. Hoewel MT misschien wel een van de meest goedkope en meest effectieve aanpak is voor de behandeling van PLP^12,22,23,24, zijn meer studies nodig om deze effecten bevestigen, aangezien sommige patiënten niet reageren op dit soort behandeling⁸ en er is een gebrek aan grotere gerandomiseerde klinische proeven waarmee high-evidence-based resultaten²⁵.

Een van de hypothesen waarop MT PLP kan verminderen is gerelateerd aan het feit dat het spiegelbeeld van de niet-geamputeerd lichaamsdeel helpt te reorganiseren en te integreren de wanverhouding tussen proprioceptie en visuele feedback²⁶. De onderliggende mechanismen van MT kunnen gepaard gaan met de terugkeer van de maladaptieve toewijzing van somatosensorische^8,27,28.

Voor MT houdtzich voornamelijk bezig moet aantal taken, motorische en zintuiglijke met behulp van hun intact ledemaat (b.v. flexie en extensie) met inachtneming van dit effect in een spiegel, gelegen in de middellijn van de deelnemer lichaam, waardoor een levendige en precieze vertegenwoordiging van verkeer binnen het gebied van de geamputeerde ledemaat²⁹.

Verder ontwikkelen van de wetenschappelijke kennis van de pathofysiologie aspecten die betrokken zijn bij PLP, het is cruciaal dat beter karakteriseren de onderliggende neuroplastic wijzigingen die voortvloeien uit amputaties van ledematen, evenals de verbetering van pijn symptomen geboden door MT. In dit verband neuroimaging technieken, zoals fMRI, opgedoken als krachtige hulpmiddelen voor het verhelderen van de pathofysiologische mechanismen die zijn gekoppeld aan de corticale reorganisatie en aanwijzingen richting het optimaliseren van de revalidatie van personen met PLP in geven de klinische context^30,31. Bovendien, de hoge ruimtelijke resolutie geboden door fMRI (in vergelijking met elektro-encefalografie, bijvoorbeeld) zorgt voor meer nauwkeurige toewijzing van reacties van de hersenen, zoals de vinger en cijfers vertegenwoordigingen, in de sensomotorische cortex samen met andere regio’s van de hersenen³².

Tot op heden, de neurofysiologie MT gekoppeld blijft ongrijpbaar verschuldigd voor een groot deel op de uitdagingen van de procedure binnen de scanner-omgeving uitvoeren (dat wil zeggen, het is moeilijk voor een individu om uit te voeren van de therapie terwijl liggen in de scanner). Hier beschrijven we een methode waarmee een individu aan het observeren van hun eigen been beweging in real-time terwijl liggende liggende binnen de enge grenzen van de scanner droeg. Een nauwkeurige recreatie van de sensatie van het levendige en immersieve ontlokte door de therapie kan opnieuw worden gemaakt met behulp van een videocamera die vangt real-time beelden van de bewegende been, en een systeem van spiegels en een monitor die direct door de deelnemer van de studie kan worden bekeken.

Afgelopen studies hebben geprobeerd te integreren van technieken zoals video-opname, virtual reality, en vooraf opgenomen animaties als middel om de visuele stimuli presenteren en het omzeilen van deze technische uitdagingen^{9,16,33 ,34}. Toch hebben deze technieken zijn beperkt in hun effectiviteit^35,36,^,37,38,39. In het bijzondere geval van het gebruik van een vooraf opgenomen video, is er een vaak slechte synchronisatie tussen deelnemers bewegingen en degene die de video, evenals een gebrek aan timing nauwkeurigheid, dat tot een slechte realistische indruk leidt dat het iemands eigen been in beweging is. Ter verbetering van dit gevoel van sensomotorische onderdompeling, zijn andere technieken, zoals virtual reality en gedigitaliseerde animaties, geprobeerd. Nog, ze hebben niet voor het genereren van visueel overtuigende gewaarwordingen wegens een lage beeldresolutie, een beperkt gezichtsveld, onrealistisch of nonnatural mens-achtige bewegingen en aanwezigheid van beweging lag (dat wil zeggen, desynchronization verkeer). Bovendien, belemmert het gebrek aan een nauwkeurige modellering, gecombineerd met de slechte controle over andere functies, zoals de effecten van wrijving, dynamiek en zwaartekracht, de perceptie van een levendige en immersieve gevoel⁴⁰. Daarom voor amputees, is het waard om te verkennen beweging van de ledematen van de strategieën om ervoor te zorgen dat onderwerpen zijn bezig met de cognitieve taak (waarneming) en meeslepende op de illusie van geamputeerd. Ten slotte, de vereiste resources voor het ontwikkelen en implementeren van deze complexe strategieën kunnen worden tijdrovende en/of kosten onbetaalbaar.

Beschrijven we een nieuwe benadering die wij creëert een realistische en levendige gevoel van onderdompeling waarbij de deelnemer zien een live video en real-time video van een geprojecteerde beeld van hun eigen ledematen geloven kunt terwijl ze een zitting van de MT-^{31 voeren}. Deze aanpak wordt uitgevoerd terwijl het individu in de scanner boring liggen en zonder aanzienlijke kosten of de uitgebreide technische ontwikkeling is.

Dit protocol maakt deel uit van het hulpprogramma voor het Project van een National Institutes of Health (NIH)-onderzoeksbeurs (RO1)-gesponsorde klinische proef die wordt geëvalueerd als de effecten van de combinatie van een neuromodulatory techniek, namelijk Transcraniële gelijkstroom stimulatie (TDC’s), met een Gedragstherapie (spiegel therapie) ter verlichting van de phantom ledemaat pijn³¹. We evalueren veranderingen in de visuele analoge schaal (VAS) voor pijn op de basislijn, voorafgaand, en na elke interventie-sessie. fMRI wordt gebruikt als een neurophysiologic instrument om te evalueren van de structurele veranderingen in de hersenfunctie en de correlatie met de vrijstelling van PLP. Daarom wordt een eerste fMRI verkregen om een kaart van de basislijn van de structurele organisatie van de deelnemer in de hersenen, die ook laten zien zal dat er corticaal maladaptieve reorganisatie^{5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28} of dat er niet sprake is van¹⁹; op dezelfde manier, kunt de wetenschapper zien welke gebieden worden geactiveerd op de basislijn met de taak voor MT om te begrijpen van de gebieden activering reactie op de MT; Tenslotte is het mogelijk om een tweede fMRI-postintervention te zien als wijzigingen (modulatie) zijn gegenereerd in de corticale reorganisatie na de gecombineerde therapie met TDC’s en MT en te analyseren als deze wijzigingen zijn gecorreleerd of geassocieerd met de mate van de wijziging van de pijn. Daarom dit protocol kan wetenschappers om structurele reorganisatie wijzigingen bij patiënten met PLPs tijdens MT en ook helpt hen te begrijpen als deze veranderingen gezien in fMRI geassocieerd met veranderingen in de PLP worden, daarom aanvullende informatie te verstrekken over MT invloed van structurele en functionele hersenactiviteit te wijzigen van de phantom pijn.

Protocol

1. bereiding van het onderwerp Vóór deelname, hebben de deelnemer een toestemmingsformulier in te vullen en een MRI veiligheid screening van de evaluatie, de laatste uitgevoerd door de technicus neuroimaging bij het scannen faciliteit, om ervoor te zorgen dat de deelnemer geen eventuele contra-indicaties bekend te wordt gescand (bijvoorbeeld metalen in hun lichaam, een geschiedenis van claustrofobie of zwangerschap). De deelnemer voorzien van gedetailleerde instructies met betrekking tot de experime…

Representative Results

Het genereren van de sensatie gekoppeld MT met behulp van real-time video-projectie is haalbaar. Deelnemers zijn subjectief vermeld dat het videobeeld waargenomen levensecht is en de sensatie meeslepende is. Bovendien, de patronen van de corticale activering die is gekoppeld aan het MT (dat wil zeggen, de beweging van het been en het bekijken van de geprojecteerde beeld van de spiegel) in de omgeving van de scanner zijn robuust….

Discussion

Dit protocol beschrijft een roman, haalbaar procedure waarmee onderzoekers te nauwkeurig karakteriseren de neurale correlaten MT bij personen met PLP is gekoppeld.

Zoals eerder vermeld, verleden studies hebben geprobeerd te onderzoeken van de neurale correlaten verband met MT verwerking door de integratie van verschillende technieken zoals video-opname, virtual reality, en vooraf opgenomen animaties^{9,33 ,3…}

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