Echtzeit-Video-Projektion in einem MRI zur Charakterisierung der neuronalen Korrelate im Zusammenhang mit Spiegel-Therapie für Phantomschmerzen

Summary

Wir präsentieren einen Roman kombiniert Verhaltens- und Neuroimaging Protokoll mit Echtzeit-video-Projektion zur Charakterisierung der neuronalen Korrelate mit Spiegel-Therapie innerhalb der Magnet-Resonanz-Tomographie Scanner Umgebung im Bein verbunden amputierte Patienten mit Phantomschmerzen.

Abstract

Spiegel-Therapie (MT) ist als eine effektive rehabilitative Strategie zur Linderung der Schmerzsymptome in Amputierte mit Phantomschmerzen (PLP) vorgeschlagen worden. Jedoch zur Gründung der neuronalen Korrelate MT Therapie zugeordnet haben schon schwierig angesichts der Tatsache, dass es schwierig ist, die Therapie innerhalb einer Magnetresonanztomographie (MRT) Scanner-Umgebung effektiv verwalten. Um die funktionelle Organisation des kortikalen Regionen verbunden mit dieser rehabilitative Strategie zu charakterisieren, haben wir eine kombinierte Verhaltens- und funktionelle Neuroimaging-Protokoll entwickelt, die bei den Teilnehmern mit einer Beinamputation angewendet werden können. Dieser neuartige Ansatz ermöglicht es Teilnehmern MT innerhalb der MRI-Scanner-Umgebung zu unterziehen, indem Sie anzeigen in Echtzeit video-Bilder von einer Kamera erfasst. Die Bilder sind durch den Teilnehmer durch ein System von Spiegeln und einem Monitor, dass der Teilnehmer beim liegen auf dem Scannerglas sieht angesehen. Auf diese Weise können funktionelle Veränderungen im kortikalen Bereiche von Interesse (z. B. sensomotorischen Kortex) charakterisiert werden als Reaktion auf die direkte Anwendung des Mt.

Introduction

PLP bezieht sich auf die Schmerzempfindung im Bereich entspricht das fehlende Glied postamputation^1,2wahrgenommen. Dieser Zustand ist eine erhebliche chronische Gesundheitswesen Belastung und kann einen dramatischen Einfluss auf eine individuelle Lebensqualität^3,4haben. Es wurde vermutet, dass Veränderungen in der Hirnstruktur und Funktion eine grundlegende Rolle in der Entwicklung und Neuropathophysiology von PLP^{5,6 spielen}. Unbekannt bleiben jedoch die zugrunde liegende neuronale Korrelate wie Schmerzsymptome entwickeln und wie sie in Reaktion auf die Behandlung gelindert werden können. Dieser Mangel an Informationen ist vor allem aufgrund technischen Herausforderungen und Einschränkungen verbunden mit der Durchführung eines bestimmten therapeutischen Ansatzes innerhalb der Grenzen einer Neuroimaging-Umgebung wie MRI^5,7,8 .

Ergebnisse aus einer Reihe von Studien führen die Entwicklung von PLP maladaptive neuroplastischen Reorganisation innerhalb der sensomotorischen Cortex, sowie in anderen Bereichen des Gehirns auftreten. Zum Beispiel hat sich gezeigt, dass nach der Amputation einer Extremität, es eine Verschiebung in der entsprechenden sensomotorischen kortikale Repräsentation gibt der angrenzenden Gebiete. Infolgedessen beginnen benachbarte Gebieten offenbar Invasion der Zonen, die verwendet, um den amputierten Gliedmaßen^9,10entsprechen. Um Schmerzsymptome im Zusammenhang mit PLP zu lindern, können Behandlungen wie MT oder Bewegungsvorstellung effektiv^9,11,12sein. Es wird vorgeschlagen, dass die Linderung von Symptomen vermeintlich durch die Kreuz-modalen Wiedereinsetzung in den vorigen afferenten Inputs, bereitgestellt durch die Beobachtung der Spiegel reflektiert Bilder von Nichtbetroffenen Glied^{12,13auftritt, 14,15,16,17}. Durch diese Bilder können alle Teilnehmer in der Lage, die Reflexion der gegenüberliegenden Gliedmaßen anstelle des zu visualisieren, die amputiert worden, wodurch es eine Illusion, die beide Gliedmaßen bleiben. Die Illusion und immersive Effekte wurden zuvor von Diers Et Al. bei gesunden Probanden untersucht in denen ein Vergleich der funktionalen Aktivierung durch funktionelle MRT (fMRT) ausgewertet wurde, nach Durchlaufen einer Aufgabe entweder mit einem gemeinsamen Spiegelkasten oder virtual-Reality- ¹⁸. die neuronale Korrelate der Umkehrung der maladaptive neuroplastischen Veränderungen und die Linderung von Symptomen zugeordnet bleiben jedoch schlecht verstanden. Darüber hinaus bleibt der zugrunde liegenden Mechanismus der PLP ein Thema der Forschung, wie die deutliche zugrunde liegenden physiopathologic Veränderung hinter der Entwicklung von PLP noch unvollständig aufgeklärt ist, während umstrittene Ergebnisse ergab^{5wurden, 19}. Wie bereits erwähnt, führen mehrere Autoren die Entwicklung des Schmerzes auf Deafferentation und kortikale Reorganisation der betroffenen Gehirn-Bereich (Bereich der Amputierten Gliedmaße)^6,7,8; jedoch wurden gegenüber Ergebnisse beschrieben von Makin und Mitarbeitern, in denen das Vorhandensein von Schmerzen ist verbunden mit dem Erhalt der Gehirnstruktur und Schmerz ist eine Reduzierung der interregionalen funktionelle Verknüpfung¹⁹zugeschrieben. Im Hinblick auf diese umstrittene und gegenüber Erkenntnisse glauben wir, dass die neuartige Ansatz, der hier vorgestellten zusätzliche relevante Informationen zu der Studie von PLP bringt und es Wissenschaftlern ermöglicht, die Auswirkungen der MT in einer live-Umgebung mit dem Grad des Gehirns zu bewerten Aktivierung und vergleicht sie mit den Ebenen des Schmerzes in unsere vollständige Protokoll¹⁹bewertet.

Frühere Literatur zu diesem Thema hat gezeigt, dass MT eine der am besten geeigneten Behavioral Therapien für die Behandlung von PLP durch einfache Implementierung und niedrige Kosten^{12 ist}. In der Tat haben frühere Studien dieser Technik Beweise für eine Umkehr der maladaptive Veränderungen innerhalb der primären sensomotorischen Cortex in Amputierte mit PLP^8,20,21gezeigt. Obwohl MT vielleicht einer der günstigste und effektivste Ansatz zur Behandlung von PLP^12,22,23,24, sind weitere Studien notwendig, um diese Effekte zu bestätigen, da einige Patienten nicht reagieren auf diese Art von Behandlung⁸ und es gibt ein Mangel an größeren randomisierten klinischen Studien, die Evidenz-basierten Ergebnisse²⁵bieten.

Eine der Hypothesen, mit denen MT PLP reduzieren kann, bezieht sich auf die Tatsache, die das Spiegelbild des Körperteils nicht amputiert hilft zu reorganisieren und die Diskrepanz zwischen Propriozeption und visuelles Feedback²⁶zu integrieren. Die zugrunde liegenden Mechanismen der MT konnte mit der Umkehrung der maladaptive Zuordnung von somatosensorischen^8,27,28verknüpft werden.

Für MT sind Themen erforderlich, um mehrere motorischen und sensorischen mit ihrer intakten Gliedmaßen (z. B. Beugung und Streckung) Aufgaben unter Beachtung dieser Effekt in einem Spiegel befindet sich in der Mittellinie des Körpers des Teilnehmers, wodurch eine anschauliche und präzise Darstellung von Bewegung im Bereich der Amputierten Gliedmaße²⁹.

An der Weiterentwicklung der wissenschaftlichen Verständnis der Pathophysiologie Aspekte unbedingt beteiligt PLP, besser den zugrunde liegenden neuroplastischen Veränderungen aufgrund von Amputationen von Gliedmaßen, sowie die Verbesserung der Schmerzsymptome, die bereitgestellten Mt charakterisieren In diesem Zusammenhang bildgebende Verfahren wie fMRT, entstanden als leistungsfähige Werkzeuge zu helfen, die pathophysiologische Mechanismen zugeordneten kortikalen Reorganisation zu erläutern und Hinweise zur Optimierung der Rehabilitation von Personen mit PLP in die klinischen Kontext^30,31. Darüber hinaus gewährt die hohe räumliche Auflösung von fMRI (verglichen mit Elektroenzephalographie, zum Beispiel) ermöglicht eine genauere Zuordnung von Gehirn Antworten, z. B. Finger und Ziffer Darstellungen im sensomotorischen Kortex zusammen mit anderen Regionen der die Gehirn-³².

Bis heute bleibt der Neurophysiologie MT zugeordneten schwer wegen einem großen Teil auf die Herausforderungen der Durchführung des Verfahrens in der Scanner-Umgebung (d.h., es ist schwierig für eine individuelle Therapie durchzuführen, liegend im Scanner). Hier beschreiben wir eine Methode, die für eine individuelle, eigene Beinbewegung beobachten ermöglicht in Echtzeit während liegenden Rückenlage innerhalb der engen Grenzen des Scanners trug. Eine genaue Nachbildung der das lebendige und immersive Gefühl, ausgelöst durch die Therapie kann wiederhergestellt werden, mit einer Videokamera, die erfasst in Echtzeit Bilder von der beweglichen Bein und ein System von Spiegeln und ein Monitor, der direkt von der Studie Teilnehmer eingesehen werden kann.

Frühere Studien haben versucht, integrieren Techniken wie video-Aufzeichnung, virtual Reality und aufgezeichnete Animationen als Mittel, um die visuelle Reize zu präsentieren und zu umgehen diesen technischen Herausforderungen^{9,16,33 ,34}. Jedoch haben diese Techniken in ihrer Wirksamkeit^{35,36,37,38,39}beschränkt. Im Einzelfall eine aufgezeichnete Video zu verwenden, ist eine oft schlechte Synchronisation zwischen TeilnehmerInnen Bewegungen und die zur Verfügung gestellt durch das Video, sowie ein Mangel an Timing-Genauigkeit, führt zu einer schlechten realistischen Eindruck, dass die Person selbst Bein ist in Bewegung. Um dieses Gefühl der sensomotorischen eintauchen zu verbessern, haben andere Techniken, wie virtual Reality und digitalisierten Animationen versucht worden. Jedoch nicht gelungen, visuell überzeugende Empfindungen durch eine niedrige Bildauflösung, eine eingeschränkte Sichtfeld, unrealistisch oder gestörten menschenähnliche Bewegungen und Präsenz der Bewegung Verzögerung zu erzeugen (z. B. desynchronization der Bewegung). Darüber hinaus verhindert der Mangel an eine präzise Modellierung kombiniert mit den Armen Kontrolle über andere Funktionen, wie die Auswirkungen der Schwerkraft, Reibung und Dynamik die Wahrnehmung eines lebendigen und immersive Atmosphäre⁴⁰. Für Amputierte, es lohnt sich deshalb zu Strategien, um sicherzustellen, dass Themen uns die kognitive Aufgabe (Beobachtung beschäftigen) und auf die Illusion von immersiven amputiert limb Bewegung. Zu guter Letzt die erforderlichen Ressourcen für die Entwicklung und Umsetzung dieser komplexen Strategien können sehr zeitaufwändig sein und/oder kostenintensiv.

Wir beschreiben einen neuen Ansatz, den wir glauben, eine realistische und lebendige Gefühl der Immersion erstellt, wobei die Teilnehmer eine live und in Echtzeit Video ein projiziertes Bild der eigenen Gliedmaßen sehen können, während sie eine Sitzung der MT³¹durchführen. Dieser Ansatz wird durchgeführt, während der einzelne in der Scanner-Bohrung liegt und ohne hohe Kosten oder umfangreiche technische Entwicklung ist.

Dieses Protokoll ist Bestandteil einer National Institute of Health (NIH) Research Project Grant (RO1)-geförderten klinischen Studie, die die Wirkung der Kombination einer neuromodulatorische Technik, nämlich die transkranielle Gleichstrom Stimulation (tDCS), wertet mit einer Verhaltenstherapie (Spiegel-Therapie) um Phantomschmerzen³¹zu entlasten. Wir bewerten Änderungen in der visuellen analog-Skala (VAS) für Schmerzen an der Basislinie, vor, und nach jeder Sitzung eingreifen. fMRI dient als neurophysiologische Werkzeug um strukturelle Veränderungen in der Funktion des Gehirns und ihre Korrelation mit der Entlastung der PLP bewerten. Daher ergibt sich eine erste fMRT um eine Grundlinie Karte die strukturelle Organisation des Gehirns des Teilnehmers, die entweder zeigen wird, dass es kortikale Reorganisation maladaptive^{5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28} oder nicht gibt es¹⁹; auf die gleiche Weise kann die Wissenschaftler beobachten welche Bereiche zu Studienbeginn mit der Aufgabe der MT aktiviert werden, um die Bereiche Aktivierung als Reaktion auf die MT zu verstehen; zu guter Letzt ist es möglich, eine zweite fMRI Postintervention zu sehen, ob Änderungen (Modulation) in die kortikale Reorganisation nach der kombinierten Therapie mit tDCS und MT generiert wurden und zu analysieren, wenn diese Änderungen sind korreliert oder in mit den Grad Verbindung der Schmerz Veränderung. Daher dieses Protokoll ermöglicht es Wissenschaftlern, Umstrukturierung Änderungen bei Patienten mit PLPs während MT zu bewerten und auch hilft ihnen zu verstehen, wenn diese Veränderungen im fMRT Änderungen im PLP, daher zusätzliche Angaben auf zugeordnet sind Wie wirkt sich die MT strukturelle und funktionelle Aktivität des Gehirns, Phantomschmerzen zu ändern.

Protocol

1. Vorbereitung des Themas Vor der Teilnahme haben die Teilnehmer eine Einverständniserklärung abzuschließen und eine MRT-Sicherheit screening-Bewertung, Letzteres durchgeführte Neuroimaging-Techniker bei der Scanstraße, um sicherzustellen, dass der Teilnehmer keinen bekannten Gegenanzeigen gescannt (z.B. Metall in ihrem Körper, eine Geschichte von Klaustrophobie oder Schwangerschaft). Geben Sie die Teilnehmer mit detaillierten Anweisungen in Bezug auf die Versuchsdurchführung. Haben …

Representative Results

Erzeugen das Gefühl verbunden mit MT mit Echtzeit-video-Projektion ist machbar. Teilnehmer haben subjektiv berichtet, dass das Videobild wahrgenommen lebensecht ist und die Sensation immersive ist. Darüber hinaus sind die Muster der kortikale Aktivierung verbunden mit MT (d. h. Bewegung des Beines und Anzeigen des Projektionsbildes Spiegel) in der Scanner-Umgebung robust. In einer Pilotstudie wurden die kortikalen Antworten au…

Discussion

Dieses Protokoll beschreibt eine neuartige, machbaren Verfahren, Ermittler, die neuronalen Korrelate zugeordnete MT bei Personen mit PLP genau zu charakterisieren.

Wie zuvor erwähnt, vorbei an Studien haben versucht, die neuronalen Korrelate zugeordnete MT Behandlung durch die Einbeziehung verschiedener Techniken wie z. B. video-Aufzeichnung, virtual Reality und aufgezeichnete Animationen^{9,33 untersuchen ,}<sup class="xref"…

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