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Medicina

पीटीएसडी में डिफ़ॉल्ट मोड नेटवर्क के न्यूरोइमेजिंग phenotypes का विकास: आराम की स्थिति, कार्य मेमोरी, और संरचनात्मक कनेक्टिविटी का घालमेल

Published: July 01, 2014
doi:
10.3791/51651
, ,
1Providence VA Medical Center, Department of Psychiatry & Human Behavior,Alpert Medical School, Brown University, 2Department of Psychology,University of Georgia

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

डिफ़ॉल्ट मोड नेटवर्क (DMN) की जांच करने के लिए प्रयोग किया जाता पूरक संरचनात्मक और कार्यात्मक न्यूरोइमेजिंग तकनीक संभवतः मानसिक बीमारी की गंभीरता का आकलन में सुधार और नैदानिक ​​निदान प्रक्रिया में जोड़ा गया वैधता प्रदान कर सके. हाल के न्यूरोइमेजिंग अनुसंधान DMN प्रक्रियाओं ऐसे posttraumatic तनाव विकार (पीटीएसडी) के रूप में तनाव से संबंधित मानसिक बीमारियों की एक संख्या में बाधित हो सकती है.

विशिष्ट DMN कार्यों की जांच के अधीन रहते हैं, यह आम तौर पर आत्मनिरीक्षण और आत्म – प्रसंस्करण में शामिल होने लगा है. स्वस्थ व्यक्तियों में यह जैसे संज्ञानात्मक कार्य के दौरान क्रियाशीलता छोड़ना के रूप में मनाया कम गतिविधि के साथ आराम का समय है,,,,, स्मृति काम के दौरान सबसे बड़ी गतिविधि दर्शाती है. इस नेटवर्क औसत दर्जे का prefrontal प्रांतस्था, पीछे सिंगुलेट प्रांतस्था / precuneus, पार्श्व पार्श्विका cortices और लौकिक क्षेत्रों औसत दर्जे के होते हैं.

कई कार्यात्मक और संरचनात्मक imagiएनजी दृष्टिकोण DMN अध्ययन करने के लिए विकसित किया गया है. ये इस नेटवर्क के समारोह और रोग की समझ और आगे के लिए अभूतपूर्व क्षमता है. इस तरह राज्य कनेक्टिविटी और कार्य प्रेरित क्रियाशीलता छोड़ना आराम के मूल्यांकन के रूप में कार्यात्मक दृष्टिकोण, लक्षित, neurocognitive और neuroaffective (कार्य) नैदानिक ​​मार्कर की पहचान करने के लिए और बढ़ा सटीकता या विशिष्टता के साथ बीमारी की गंभीरता और रोग का निदान का संकेत हो सकता उत्कृष्ट क्षमता है. ऐसे morphometry और कनेक्टिविटी के मूल्यांकन के रूप में संरचनात्मक दृष्टिकोण, एटियलजि और लंबी अवधि के परिणामों का अनूठा मार्करों प्रदान कर सकता है. संयुक्त, कार्यात्मक और संरचनात्मक तरीकों तनाव संबंधी मानसिक स्थिति में मान्य DMN आधारित इमेजिंग phenotypes विकसित करने के लिए मजबूत, बहुविध पूरक और synergistic दृष्टिकोण प्रदान करते हैं. इस प्रोटोकॉल बीमारी की गंभीरता और प्रासंगिक नैदानिक ​​कारकों के निष्कर्षों से संबंधित, पीटीएसडी में DMN संरचना और समारोह की जांच के लिए इन तरीकों को एकीकृत करना है.

Introduction

न्यूरोइमेजिंग बीमारी, prognostics और तंत्रिका में उपचार की प्रतिक्रिया का निदान वैधता, गंभीरता से जांच करने के लिए अभूतपूर्व क्षमता के साथ एक उपकरण का प्रतिनिधित्व करता है. पूरक न्यूरोइमेजिंग तकनीक की एक विस्तृत श्रृंखला की कुंजी मस्तिष्क प्रणालियों की संरचना और समारोह को चिह्नित करना, और मनोरोग आबादी में न्यूरोइमेजिंग phenotypes की पहचान में सहायता करने के लिए अब उपलब्ध है. इन पद्धतियों में से, डिफ़ॉल्ट मोड नेटवर्क (DMN) पिछले दशक में संज्ञानात्मक और नैदानिक ​​तंत्रिका विज्ञान साहित्य में ध्यान का एक बड़ा सौदा प्राप्त हुआ है.

DMN औसत दर्जे का prefrontal अवर पार्श्व पार्श्विका cortices के साथ सिद्धांत पीछे नोड के रूप में मुख्य पूर्वकाल नोड, पीछे सिंगुलेट प्रांतस्था / precuneus (पीसीसी) के रूप में प्रांतस्था (MPFC), और भी शामिल है कि एक तथाकथित "आराम की स्थिति नेटवर्क" है औसत दर्जे का टेम्पोरल क्षेत्रों के. इस नेटवर्क के वे प्रमुख विशेषता यह whi आराम की अवधि के दौरान अपने उच्चतम गतिविधि दर्शाती हैविषयों जाग और सतर्क लेकिन एक विशिष्ट कार्य में शामिल नहीं कर रहे हैं, जबकि चर्चा तब होती है; इस आराम की स्थिति गतिविधि मस्तिष्क समारोह 1 की "डिफ़ॉल्ट मोड" गढ़ा गया था. DMN में राज्य गतिविधि आराम की स्थिति कार्यात्मक कनेक्टिविटी आराम कर के रूप में वर्णन किया गया है, जो भी अत्यधिक सिंक्रनाइज़ है. DMN की अन्य प्रमुख विशेषता यह वृद्धि बाहरी संज्ञानात्मक मांगों की अवधि के दौरान कम गतिविधि को दर्शाता है, कार्यात्मक न्यूरोइमेजिंग के दौरान कार्य प्रेरित क्रियाशीलता छोड़ना के रूप में मनाया जाता है जो 2,3 लद. यह आंतरिक (यानी आराम की स्थिति) और बाह्य (यानी काम संबंधी गतिविधि) की मांग के बीच संतुलन 3-5 से कार्य स्वस्थ मस्तिष्क को बनाए रखने की जरूरत है कि धारणा है.

कार्यात्मक कनेक्टिविटी और कार्य से जुड़े क्रियाशीलता छोड़ना, संरचनात्मक कनेक्टिविटी द्वारा पीछा किया: निम्न वर्गों DMN अध्ययन करने के लिए तीन तरीकों की एक संक्षिप्त सिंहावलोकन प्रदान करते हैं. इन तीन तरीकों जानकारी कर रहे हैंइस तरह के सदमे के बाद तनाव विकार और संबंधित मनोरोग शर्तों के साथ रोगियों के रूप में चिकित्सीय नमूनों में इस नेटवर्क को चिह्नित करने के लिए के रूप में पूरक तरीके ribed.

राज्य DMN कार्यात्मक कनेक्टिविटी आराम

राज्य कार्यात्मक कनेक्टिविटी आराम हाल ही में काम की मांग के अभाव में आधारभूत मस्तिष्क समारोह के पैटर्न का मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल एक आम दृष्टिकोण बन गया है. कार्यात्मक कनेक्टिविटी अलग मस्तिष्क क्षेत्रों में जुटना quantifies कि एक विश्लेषणात्मक विधि, या समय पर रक्त ऑक्सीजन का स्तर निर्भर संकेत (बोल्ड) में synchrony की डिग्री है. अनुसंधान साहित्य के एक बढ़ती शरीर DMN कनेक्टिविटी के विशिष्ट पैटर्न नैदानिक ​​और जोखिम आबादी में बदल दिया, और महत्वपूर्ण तनाव या मानसिक आघात के पिछले प्रदर्शन के साथ विशेष रूप से उन हो सकता है. सबसे आम लग पीटीएसडी 6 के साथ जुड़े DMN आराम राज्य कार्यात्मक कनेक्टिविटी कम हो गया है. यह कम कनेक्टिविटी हवलदार सकताई प्रत्यक्ष नैदानिक ​​अनुप्रयोगों, DMN कनेक्टिविटी की कमी हुई के रूप में एक तीव्र तनाव 7 के बाद पीटीएसडी का विकास हो सकता है जो उन लोगों के भविष्य कहनेवाला हो सकता है. कम DMN कार्यात्मक कनेक्टिविटी सबसे अधिक यह बाहरी मांग के लिए आधारभूत DMN प्रसंस्करण से आंतरिक संसाधनों reallocate करने में असमर्थता का कारण हो सकता है, जो स्वयं प्रसंस्करण में शामिल महत्वपूर्ण मस्तिष्क क्षेत्रों के बीच गरीब संचार को दर्शाता है, कई तरह से व्याख्या की जा सकती है. इस नेटवर्क व्यवधान ऐसे PTSD और अन्य तनाव संबंधी मनोरोग शर्तों 8 जैसे मानसिक विकारों की कोर नैदानिक ​​लक्षण समझा जा सकता है. इन अवरोधों के एटियलजि में आगे की जांच के भविष्य के अनुसंधान के लिए एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है.

एक अधिक सामान्य दृष्टिकोण से, DMN के कार्यात्मक कनेक्टिविटी की जांच के फायदे अपेक्षाकृत आसान कार्यान्वयन और एक विश्वसनीय तुलना 9,10 के लिए अनुमति देता है कि स्वस्थ नियंत्रण में राज्य कार्यात्मक कनेक्टिविटी आराम की एक मजबूत पैटर्न शामिल </sऊपर>. इसलिए, इस पद्धति PTSD और अन्य तनाव संबंधी मनोरोग शर्तों के साथ व्यक्तियों में विशिष्ट कार्य की मांग के अभाव में कैसे मस्तिष्क कार्यों बताते हैं कि तनाव से संबंधित मानसिक विकारों की एक आसानी से लागू किया और मजबूत न्यूरोइमेजिंग biomarker के रूप में विकसित होने की संभावना है.

टास्क जुड़े DMN Deactivations

काम स्मृति (WM) के दौरान DMN प्रतिक्रिया की जांच करना राज्य synchrony आराम से परे इस नेटवर्क के समारोह और रोग की जांच के लिए एक और दृष्टिकोण प्रदान करता है. एक अधिक मानक कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (fMRI) विधि को दर्शाता है जो इस दृष्टिकोण, नैदानिक ​​महत्व 11 हो सकता है कि काम की मांग के जवाब के बारे में विभिन्न जानकारी प्रदान करता है. पिछले अनुसंधान PTSD के साथ प्रतिभागियों शायद वृद्धि हुई संज्ञानात्मक प्रयास 12-15 को दर्शाती है, WM कामकाज और WM कार्य के दौरान DMN deactivations का एक बड़ा डिग्री बिगड़ा दिखाना है कि दस्तावेज़ तैयार किया है. USIएक fMRI चुनौती के रूप में एनजी WM कई फायदे हैं. उदाहरण के लिए, यह मज़बूती से एक सक्रिय राज्य के लिए आराम से, कई महत्वपूर्ण DMN क्षेत्रों disengages. PTSD और अन्य तनाव संबंधी मानसिक स्थिति को सबसे अधिक प्रासंगिक, WM कार्यों मज़बूती MPFC, पीटीएसडी में dysregulated महत्वपूर्ण रास्ते में शामिल है कि प्रमुख पूर्वकाल DMN नोड छुड़ाना. यह अच्छी तरह से MPFC प्रमस्तिष्कखंड गतिविधि आरोही modulates कि स्थापित है, और संभावना डर कंडीशनिंग 16 में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता किया गया है. MPFC गतिविधि का आकलन भी भविष्य चिकित्सीय देखभाल में एक उपयोगी मीट्रिक हो सकता है. उदाहरण के लिए, आघात पुलिस अधिकारियों में से एक पिछले एक अध्ययन में, जोखिम मनोचिकित्सा MPFC गतिविधि में वृद्धि हुई और दर्दनाक स्मृति बहाली के दौरान प्रमस्तिष्कखंड गतिविधि की कमी हुई. ये न्यूरोइमेजिंग परिवर्तन कमी आई PSTD लक्षण 17 के साथ जुड़े थे. WM प्रेरित MPFC deactivations का यह नमूना है लेकिन एक न्यूरोइमेजिंग मेट्रिक्स नैदानिक ​​आबादी के लिए लागू किया जा सकता है की उदाहरण है, और आगे की खोज हैअन्य DMN घटकों के भविष्य के अनुसंधान के लिए एक उपयोगी क्षेत्र होने की संभावना है.

इस प्रोटोकॉल में, मौखिक काम स्मृति के एन वापस काम किया जाता है. N-वापस कार्य व्यापक रूप से fMRI अनुसंधान में इस्तेमाल किया, और कार्यकारी सक्रियण और डिफ़ॉल्ट मोड नेटवर्क क्रियाशीलता छोड़ना क्षेत्रों 18,19 के विश्वसनीय सक्रियण प्रदान करता है. यह कार्य तीन घटकों, एक 0 वापस पत्र सतर्कता कार्य, स्मृति काम और तुलना के लिए आधारभूत आराम के 2 वापस काम भी शामिल है. 0 वापस सतर्कता कार्य के दौरान प्रतिभागियों को स्कैनर के अंदर है, जबकि एक दो बटन प्रतिक्रिया बॉक्स का उपयोग अन्य व्यंजन के लिए "नहीं" व्यंजन एक पूर्व निर्धारित लक्ष्य ("एच" या "एच") दिखाई दिया जब "हाँ" जवाब और. 9 व्यंजन के छह 0 वापस नियंत्रण ब्लॉक इस कार्य के दौरान प्रस्तुत कर रहे हैं. 2 वापस दौरान, व्यंजन की एक श्रृंखला 2500 मिसे के एक interstimulus अंतराल के साथ, 500 मिसे प्रत्येक के लिए नेत्रहीन प्रस्तुत कर रहे हैं. प्रतिभागियों को एक 'हां' या 'नहीं' बनानेप्रतिक्रिया, प्रत्येक व्यंजन यह एक श्रृंखला (जैसे., डब्ल्यू, एन, आर एन, आर, क्यू, आर, क्यू, एन, डब्ल्यू आदि में पहले से दो प्रस्तुत व्यंजन से ही या अलग है यह इंगित करने के लिए प्रस्तुत करने के बाद. , बोल्ड में संकेत सही उत्तरों के साथ). 15 व्यंजन के 2 वापस, छह 45 सेकंड श्रृंखला के दौरान प्रस्तुत कर रहे हैं. प्रतिभागी लगातार ध्वनिग्रामिक बफरिंग (यानी. अल्पावधि स्मृति में व्यंजन पकड़), subvocal ध्वनिग्रामिक पूर्वाभ्यास (यानी. ज़ोर से articulating बिना व्यंजन दोहरा), और कार्यकारी समन्वय शामिल है कि एक मांग संज्ञानात्मक सेट बनाए रखना चाहिए सफलतापूर्वक प्रदर्शन करने के लिए. दोनों 0 – और 2 वापस ब्लॉक, प्रस्तुति की दर लक्ष्य का 33% यादृच्छिक स्थानों में प्रस्तुत कर रहे हैं, और पूंजीकरण मौखिक एन्कोडिंग को प्रोत्साहित करने के लिए यादृच्छिक है, एक ही है. एक crosshair निर्धारण बिंदु के साथ एक 30 सेकंड आराम आधारभूत पूर्व प्रत्येक 0 से वापस ब्लॉक करने के लिए प्रस्तुत किया जाता है; इस आधारभूत subsequ के लिए प्रयोग किया जाता हैकार्य से जुड़े गतिविधि के ईएनटी तुलना डेटा का विश्लेषण के दौरान आधारभूत की तुलना में.

साथ में ले ली, मौजूदा डेटा कार्यों की एक किस्म के दौरान कार्य से जुड़े DMN गतिविधि के लक्षण वर्णन कार्यात्मक DMN विश्लेषण के नैदानिक ​​प्रयोग में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है. तनाव से संबंधित मनोरोग शर्तों में एक fMRI चुनौती के रूप में WM का उपयोग करने के अन्य लाभ कर रहे हैं. राज्य कनेक्टिविटी आराम करने के लिए भी इसी तरह, चिकित्सीय नमूनों के साथ तुलना की सुविधा है, जो स्वस्थ व्यक्तियों में WM दौरान DMN deactivations की एक स्पष्ट पैटर्न, वहाँ है. WM भी स्कैनिंग के दौरान नैदानिक ​​PTSD लक्षण ट्रिगर से बचने के सकता है, जो तटस्थ आघात है. इसलिए इस विधि को भी दिमाग तनाव से संबंधित मानसिक विकारों में बाहरी मांग का जवाब दर्शाता है कि कैसे एक न्यूरोइमेजिंग biomarker के रूप में विकसित होने की संभावना है.

DMN स्ट्रक्चरल कनेक्टिविटी

कार्यात्मक इमेजिंग परिवर्तन का वर्णन करने में सक्षम हैतनाव जोखिम के साथ जुड़े मस्तिष्क कनेक्टिविटी या गतिविधि में है, कार्यात्मक दृष्टिकोण मनाया मस्तिष्क में परिवर्तन के पीछे एटियलजि का वर्णन नहीं है. ऐसे प्रसार tensor इमेजिंग (डीटीआई) के रूप में संरचनात्मक इमेजिंग तरीकों, मस्तिष्क क्षेत्रों को जोड़ने सफेद बात इलाकों की अखंडता को मापने और यों करने में सक्षम हैं. डीटीआई anisotropic (उन्हें भर की तुलना में) मुख्य रूप से सफेद बात इलाकों के साथ पानी प्रवाह के रूप में सफेद बात इलाकों के साथ पानी के अणुओं की (यानी दिशात्मक) के प्रवाह के आधार पर सफेद पदार्थ अखंडता सबसे आम संरचनात्मक न्यूरोइमेजिंग दृष्टिकोण और उपाय है. दिशात्मक प्रवाह में यह अंतर आंशिक anisotropy (एफए) के रूप में व्यक्त किया जाता है. एफए के निचले डिग्री तनाव जोखिम 4 के परिणामों सहित कारणों की एक किस्म से neuronal चोट की अभिव्यक्ति हो सकती है जो सफेद बात इलाकों में microstructural परिवर्तन, प्रतिबिंबित करने के लिए लगा रहे हैं. एक नेटवर्क के नजरिए से समन्वित मस्तिष्क गतिविधि (यानी आराम की स्थिति गतिविधि या Coordinated कार्य संबंधी गतिविधि) संरचनात्मक कनेक्शन पर भरोसा करना चाहिए. पिछले DMN निष्कर्ष के मामले में, संरचनात्मक चोट DMN कार्यात्मक कनेक्टिविटी की कमी हुई करने के लिए अग्रणी DMN नोड्स के बीच संचार को बाधित. इसी तरह, क्रियाशीलता छोड़ना की वृद्धि पैटर्न कार्य प्रतिक्रिया दौरान प्रांतस्था के अधिक से अधिक क्षेत्रों की भर्ती जरूरी है कि microstructural क्षति प्रतिबिंबित कर सकते हैं. PTSD और DMN के लिए प्रासंगिक, कई अध्ययनों से मस्तिष्क की 22 प्रमुख लिम्बिक संरचनाओं जोड़ता है कि सफेद पदार्थ पथ है जो कमरबंध बंडल 20,21, में कमी आई एफए पता चला है. यह tractography (यानी कि सीधे neuronal स्तर पर सफेद बात इलाकों ट्रेस) का उपयोग अधिक सटीक उपायों सफेद पदार्थ फाइबर नेटवर्क व्यवधान में शामिल किया जाता है जो विशेष रूप से स्पष्ट करने में सक्षम हो जाएगा संभावना है. डीटीआई इमेजिंग के लिए फायदे स्कैनर में प्रदर्शन करने के लिए कोई आवश्यक कार्य के रूप में वहाँ इसे प्राप्त करने के लिए अपेक्षाकृत आसान है.

Fo मेंllowing प्रोटोकॉल, राज्य कार्यात्मक कनेक्टिविटी और कार्य प्रेरित deactivations की मात्रा का ठहराव आराम की कार्यात्मक दृष्टिकोण DMN संरचना और कार्य नक्शा और बीमारी की गंभीरता और PTSD में प्रासंगिक नैदानिक ​​कारकों के इन निष्कर्षों से संबद्ध करने के क्रम में, DTI का उपयोग संरचनात्मक कनेक्टिविटी की एक परीक्षा के साथ संयुक्त कर रहे हैं . हम पहले से आघात उजागर स्वस्थ वयस्कों 18,23 में इस दृष्टिकोण को कार्यान्वित किया और इस प्रोटोकॉल PTSD के अध्ययन और मानसिक बीमारियों से संबंधित अन्य तनाव के लिए अनुकूलन के लिए उधार देता है कि DMN चिह्नित करने के लिए एक ठोस तरीका प्रदान करता है कि मिल गया है.

Protocol

पात्र प्रतिभागियों अनुसंधान परियोजना में भाग लेने के लिए लिखा, सूचित सहमति पर हस्ताक्षर. अनुसंधान मानव कल्याण के लिए संस्थागत, राष्ट्रीय और अंतरराष्ट्रीय दिशा निर्देशों के अनुपालन में किया जाता है. <…

Representative Results

प्रतिनिधि परिणाम बचपन आघात और दुराचार के इतिहास के साथ व्यक्तियों के दो विभिन्न नमूनों में यही इमेजिंग दृष्टिकोण का उपयोग कर एकत्र आंकड़ों पर आधारित है, लेकिन पीटीएसडी 21,22 बिना कर रहे हैं. विश्लेष?…

Discussion

न्यूरोइमेजिंग प्रोटोकॉल के सफल क्रियान्वयन के लिए दो सबसे महत्वपूर्ण कदम सही आराम कर राज्य पर कब्जा करने और स्मृति प्रभाव काम कर रहे हैं.

धारणा, आराम कर राज्य छवियों का अधिग्रहण सीधा है. प्र…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

प्रतिनिधि डेटा की पीढ़ी एनआईएच अनुदान R01HL084178, 5R01MH068767-08, और ब्राउन एमआरआई अनुसंधान सुविधा और रोड आइलैंड फाउंडेशन से अनुदान द्वारा समर्थित किया गया. वीए सीएसआर एवं विकास अनुदान 1 IK2 CX000724-01A2 प्रोटोकॉल विकास और आगे के काम का समर्थन किया. हम अपने प्रतिभागियों की सभी को धन्यवाद.

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
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Default Mode NetworkPTSDNeuroimagingResting State ConnectivityWorking MemoryStructural ConnectivityFunctional ConnectivityMedial Prefrontal CortexPosterior Cingulate CortexPrecuneusLateral Parietal CorticesMedial Temporal RegionsPsychiatric Illness SeverityClinical Diagnostic Process

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Philip, N. S., Carpenter, S. L., Sweet, L. H. Developing Neuroimaging Phenotypes of the Default Mode Network in PTSD: Integrating the Resting State, Working Memory, and Structural Connectivity. J. Vis. Exp. (89), e51651, doi:10.3791/51651 (2014).
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