Développer neuroimagerie phénotypes du défaut réseau mode dans le SSPT: Intégration de l'état de repos, la mémoire de travail, et de la connectivité structurelle

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

Techniques de neuro-imagerie structurelle et fonctionnelle complémentaires utilisées pour examiner le défaut réseau Mode (DMN) pourraient améliorer les évaluations de gravité de la maladie psychiatrique et de fournir validité ajoutée au processus de diagnostic clinique. Recherche en neuroimagerie récente suggère que les processus de DMN, pourraient être perturbés dans un certain nombre de maladies psychiatriques liées au stress, tels que le trouble de stress post-traumatique (SSPT).

Bien que les fonctions spécifiques de DMN restent soumis à l'enquête, il est généralement pensé pour être impliqués dans l'introspection et l'auto-traitement. Chez les personnes en bonne santé, il présente la plus grande activité pendant les périodes de repos, avec moins d'activité, comme la désactivation observées, au cours de tâches cognitives, par exemple, la mémoire de travail. Ce réseau est constitué du cortex médial préfrontal, le cortex cingulaire postérieur / precuneus, cortex pariétal latéral et médial régions temporales.

Imagination fonctionnelle et structurelle multiplesapproches ng ont été développées pour étudier la DMN. Celles-ci ont un potentiel sans précédent pour approfondir la compréhension de la fonction et de la dysfonction de ce réseau. Approches fonctionnelles, telles que l'évaluation de repos connectivité de l'Etat et la désactivation induite tâche, ont un excellent potentiel pour identifier neurocognitive ciblée et marqueurs diagnostiques (fonctionnels) neuroaffective et peut indiquer gravité de la maladie et le pronostic avec une précision accrue ou la spécificité. Les approches structurelles, telles que l'évaluation de la morphométrie et la connectivité, peuvent fournir des marqueurs uniques de résultats étiologie et à long terme. Combinés, les méthodes fonctionnelles et structurelles fournissent de solides approches multimodales, complémentaires et synergiques pour développer phénotypes d'imagerie basée DMN-valides dans les troubles psychiatriques liés au stress. Ce protocole vise à intégrer ces méthodes pour étudier la structure et la fonction DMN dans le SSPT, concernant les résultats de gravité de la maladie et des facteurs cliniques.

Introduction

Neuroimagerie représente un outil potentiel sans précédent pour examiner la validité du diagnostic, de la sévérité de la maladie, les pronostics et la réponse au traitement en neuropsychiatrie. Un large éventail de techniques de neuro-imagerie complémentaires est maintenant disponible pour caractériser la structure et la fonction des systèmes clés du cerveau, et pour aider à l'identification des phénotypes de neuro-imagerie dans les populations psychiatriques. Parmi ces systèmes, le réseau par défaut Mode (DMN) a reçu beaucoup d'attention dans la littérature cognitive et clinique en neurosciences au cours de la dernière décennie.

La DMN est un soi-disant "repos réseau de l'État» qui inclut le cortex préfrontal médial (MPFC) comme le nœud antérieure principal, cortex cingulaire postérieur / precuneus (PCC) comme le noeud postérieur principe, avec les cortex pariétal inférieur-latérales et régions temporales médiales. Ils principale caractéristique de ce réseau est qu'il présente sa plus grande activité pendant les périodes de repos, WHIch se produit alors que les sujets sont éveillé et alerte, mais ne participe pas à une tâche spécifique; cette activité reposant de l'Etat a été inventé le "mode par défaut" de la fonction du cerveau ^1. Repos activité de l'État dans le DMN est également très synchronisée, qui est décrit comme reposant connectivité fonctionnelle de l'Etat. L'autre élément clé de la DMN est qu'elle démontre une diminution d'activité pendant les périodes de l'augmentation des exigences cognitives externes, qui est observé que la désactivation induite tâche pendant la neuroimagerie fonctionnelle paradigmes ^2,3. On suppose que l'équilibre entre l'interne (c.-à l'état de repos) et externe (par exemple l'activité liée à la tâche) exigences sont nécessaires pour maintenir la santé du cerveau fonctionne ^3-5.

Les sections suivantes donnent un bref aperçu de trois méthodes pour étudier la DMN: connectivité fonctionnelle et de désactivation de la tâche associée, suivie par la connectivité structurelle. Ces trois méthodes sont described façons complémentaires pour caractériser ce réseau dans des échantillons cliniques, tels que les patients atteints de trouble de stress post-traumatique et les troubles psychiatriques associés.

Repos État DMN connectivité fonctionnelle

Repos connectivité fonctionnelle de l'État est récemment devenu une approche couramment utilisée pour évaluer les tendances de la fonction cérébrale de référence en l'absence d'exigences de la tâche. Connectivité fonctionnelle est une méthode analytique qui quantifie la cohérence, ou le degré de synchronisation du signal de niveau d'oxygène dans le sang (BOLD) au fil du temps, dans les différentes régions du cerveau. Un nombre croissant de travaux de recherche suggèrent que les modèles typiques de la connectivité DMN peuvent être modifiés en clinique et les populations à risque, et en particulier ceux précédemment exposés à des stress ou un traumatisme important. La conclusion la plus commune a été diminué DMN connectivité fonctionnelle de l'Etat de repos associé à SSPT ^6. Cette connectivité réduite peut VHAe applications cliniques directes, qu'une réduction de la connectivité DMN peut être un facteur prédictif de ceux qui peuvent développer le SSPT après un facteur de stress aigu ^7. Connectivité fonctionnelle de DMN diminué peut être interprété de plusieurs façons, le plus souvent à ce qu'il reflète le manque de communication entre les régions du cerveau impliquées dans cruciaux auto-traitement, ce qui peut conduire à une incapacité à réaffecter les ressources internes de base de traitement de DMN à des demandes externes. Cette perturbation du réseau peut expliquer les symptômes cliniques essentiels de troubles psychiatriques tels que le SSPT et d'autres troubles psychiatriques liés au stress ^8. Une enquête plus poussée dans l'étiologie de ces perturbations est un domaine important pour la recherche future.

D'un point de vue plus général, les avantages de l'examen de la connectivité fonctionnelle de la DMN comprennent la mise en œuvre relativement facile et un modèle robuste de repos connectivité fonctionnelle de l'Etat dans les contrôles sains qui permet une comparaison fiable ^9,10 </svous>. Par conséquent, cette méthode a le potentiel d'être développé dans un biomarqueur de troubles liés au stress psychiatriques neuroimagerie facilement mis en œuvre et robuste qui informe comment le cerveau fonctionne en l'absence de demandes de tâches spécifiques chez les personnes souffrant du SSPT et d'autres troubles psychiatriques liés au stress.

Débranchements de DMN tâches associées

Examen réponse DMN pendant mémoire de travail (WM) propose une autre approche pour étudier la fonction et de la dysfonction de ce réseau au-delà état de repos synchronie. Cette approche, qui reflète une méthode plus standard d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), fournit des informations différentes sur la réponse à des demandes de tâches qui peuvent avoir une signification clinique ^11. Des recherches antérieures ont démontré que les participants atteints du SSPT démontrent un dysfonctionnement de WM et un plus grand degré de désactivations de DMN au cours de tâches WM, reflétant peut-être un effort accru cognitive ^12-15. Using WM comme un défi IRMf présente plusieurs avantages. Par exemple, il se dégage de manière fiable plusieurs régions de DMN clés, de repos à un état actif. Les plus pertinentes pour le SSPT et d'autres troubles psychiatriques liés au stress, tâches WM désengager de manière fiable la MPFC, le noeud principal de DMN antérieure qui est impliqué dans les voies critiques surexprimés dans le SSPT. Il a été bien établi que le MPFC module ascendant activité de l'amygdale, et joue un rôle crucial dans la peur conditionnée ¹⁶ probablement. Évaluations de l'activité MPFC peuvent également être une mesure utile à l'avenir des soins cliniques. Par exemple, dans une étude précédente de policiers traumatisés, exposition psychothérapie augmentation de l'activité MPFC et diminution de l'activité de l'amygdale lors de la récupération de la mémoire traumatique. Ces changements de neuro-imagerie ont été associés à des symptômes PVP diminué ^17. Cette instance de désactivations MPFC WM-induites est un exemple de la façon dont les mesures de neuro-imagerie peuvent être appliquées à des populations cliniques, et une exploration plus pousséed'autres composants de DMN est susceptible d'être un domaine fécond de la recherche future.

Dans ce protocole, la tâche n-back de la mémoire de travail verbale est utilisée. La tâche n-back est largement utilisé dans la recherche IRMf, et permet une activation fiable de l'activation exécutif et le mode par défaut régions de désactivation du réseau ^18,19. Cette tâche comprend trois composantes, une tâche 0-back lettre vigilance, la tâche 2-back de la mémoire de travail et de repos base de comparaison. Au cours de la tâche de vigilance 0-retour, les participants répondent «oui» quand une cible prédéterminée ("H" ou "h") conforme à l'affût et «non» pour les autres consonnes aide d'une boîte de réponse à deux boutons tout l'intérieur du scanner. Six blocs de contrôle 0-arrière de 9 consonnes sont présentés au cours de cette tâche. Au cours de la 2-back, une série de consonnes sont présentés visuellement pour 500 ms chacune, avec un intervalle de 2500 ms interstimulus. Les participants font un «oui» ou «non»réponse, après chaque consonne représentés, pour indiquer si elle est la même ou différente de la consonne a présenté deux précédemment dans une série (par ex., w, n, R, N, R, Q, R, Q, N, W, etc. , avec les bonnes réponses indiquées en gras). Au cours de la 2-retour, six séries de 45 sec de 15 consonnes sont présentés. Pour exécuter avec succès le participant doit maintenir un ensemble cognitif exigeant qui comprend tampon constante phonémique (c.-à-. Tenant consonnes dans la mémoire à court terme), répétition subvocal phonémique (ie. Répéter consonnes sans articuler à haute voix), et la coordination de la direction. Dans les deux 0 – 2 blocs et de reprise, le taux de présentation est la même, 33% des objectifs sont présentées dans des endroits aléatoires, et la capitalisation est randomisés pour encourager codage verbal. A 30 secondes de repos de base avec un point de fixation en forme de croix est présenté avant chaque bloc 0-back; cette ligne de base est utilisé pour subsequcomparaisons ent de l'activité de la tâche associée par rapport à la ligne de base au cours des analyses de données.

Prises ensemble, ces données suggèrent que subsiste la caractérisation de l'activité de DMN tâche associée au cours d'une série de tâches peut jouer un rôle important dans l'utilisation clinique de l'analyse fonctionnelle du DMN. Il ya d'autres avantages à utiliser WM comme un défi IRMf dans le stress lié troubles psychiatriques. Semblable à la connectivité repos de l'Etat, il ya une tendance claire de désactivations de DMN pendant WM chez les individus sains, ce qui facilite les comparaisons avec des échantillons cliniques. WM est un traumatisme aussi neutre, ce qui peut éviter le déclenchement des symptômes de PTSD cliniques en cours de numérisation. Par conséquent, cette méthode a également le potentiel d'être développé dans un biomarqueur de la neuro-imagerie qui reflète la façon dont le cerveau réagit aux demandes externes liés au stress troubles psychiatriques.

DMN structurel Connectivité

Bien que l'imagerie fonctionnelle est en mesure de décrire le changements dans la connectivité cérébrale ou d'une activité associée à l'exposition au stress, des approches fonctionnelles ne décrivent pas l'étiologie derrière modifications cérébrales observées. Méthodes d'imagerie structurelles, telles que l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI), sont capables de mesurer et de quantifier l'intégrité des faisceaux de matière blanche reliant les régions du cerveau. DTI est l'approche la plus courante structurelle de la neuro-imagerie et des mesures de l'intégrité de la matière blanche sur la base du anisotrope (c'est à dire directionnelle) écoulement des molécules d'eau le long de faisceaux de matière blanche, que les flux d'eau principalement le long de faisceaux de matière blanche (par rapport à travers eux). Cette différence de flux directionnel est exprimé en fraction d'anisotropie (FA). Basse degrés de FA sont pensés pour refléter les changements de microstructure en faisceaux de matière blanche, qui peuvent être des manifestations de lésions neuronales à partir d'une variété de causes, y compris les conséquences du stress exposition ^4. Du point de vue du réseau, l'activité cérébrale coordonnée (activité ou de coor-dire l'état de reposl'activité liée à la tâche-donnée) doit s'appuyer sur les connexions structurelles. Dans le cas des résultats de la DMN précédents, dommage structurel nuit à la communication entre les nœuds de DMN, conduisant à une diminution de la connectivité fonctionnelle DMN. De même, l'augmentation des modes de désactivation peuvent refléter des dommages microstructure qui nécessite le recrutement d'un plus grand aires du cortex pendant la réponse de la tâche. Pertinentes au SSPT et la DMN, plusieurs études ont montré une diminution FA dans le faisceau cingulaire ^20,21, qui est la question des voies blanc qui relie les principales structures limbiques du cerveau ^22. Il est probable que des mesures plus précises en utilisant la tractographie (c'est à dire que tracer directement faisceaux de matière blanche au niveau neuronal) pourront élucider précisément lequel des fibres de la substance blanche sont impliqués dans la perturbation du réseau. Les avantages de l'imagerie DTI est qu'il est relativement facile à acquérir, car il n'y a pas de tâches nécessaires pour exercer dans le scanner.

Dans la foprotocole de llowing, les approches fonctionnelles de repos connectivité fonctionnelle de l'Etat et la quantification des désactivations induite tâches sont combinés avec un examen de la connectivité structurelle utilisant DTI, afin de cartographier la structure et la fonction DMN et relier ces résultats à gravité de la maladie et des facteurs cliniques de stress post-traumatique . Nous avons déjà mis en œuvre cette approche dans les traumatismes exposés adultes sains ^18,23 et constaté que ce protocole prévoit une méthode convaincante pour caractériser la DMN qui se prête à l'adaptation à l'étude du SSPT et d'autres maladies liées au stress psychiatriques.

Protocol

Les participants admissibles signent consentement écrit et éclairé à participer au projet de recherche. La recherche est effectuée en conformité avec les directives institutionnelles, nationales et internationales pour le bien-être humain. 1. Participant de dépistage et de diagnostic Interviews Après consentement éclairé, effectuer des entrevues de diagnostic pour vérifier le diagnostic de SSPT et gravité de la maladie. NOTE: Ces mesures comprennent l'entrevue cli…

Representative Results

Les résultats représentatifs sont basés sur les données recueillies à l'aide de la même approche d'imagerie dans deux échantillons différents de personnes ayant des antécédents de traumatismes de l'enfance et de mauvais traitements, mais sans SSPT 21,22. Résultats de repos analyses connectivité fonctionnelle de l'Etat ont révélé une configuration spatiale cohérente avec les principaux nœuds de la DMN (figure 1) 1-3,8 y compris la MPFC, PCC, gyrus an…

Discussion

Les deux étapes les plus critiques pour la mise en œuvre réussie du protocole de neuroimagerie capturent précisément état de repos et de travail des effets de mémoire.

Conceptuellement, l'acquisition d'images de repos de l'Etat est simple. Comme il n'y a pas de tâche à accomplir, les expérimentateurs décrivent souvent l'activité du cerveau au cours de ces époques comme «repos». Cependant, ce domaine est relativement nouveau par rapport à d'autres domai…

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