Utveckla Neuroimaging Fenotyper i standardläge nätverk i PTSD: Att integrera vilotillstånd, Arbetsminne, och struktur Anslutningar

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

Kompletterande strukturella och funktionella neuroradiologiska tekniker som används för att undersöka standardläge Network (DMN) skulle kunna förbättra bedömningar av psykisk sjukdom svårighetsgrad och ger extra giltighet till den kliniska diagnostiska processen. Nyligen neuroradiologiska forskning visar att DMN processer kan störas på ett antal stressrelaterade psykiska sjukdomar, till exempel posttraumatiskt stressyndrom (PTSD).

Även om specifika DMN funktioner förblir under utredning, är det allmänt tros vara inblandade i introspektion och självbehandling. Hos friska individer den uppvisar störst aktivitet under perioder av vila, med mindre aktivitet, som observeras som avaktivering, under kognitiva uppgifter, t.ex. arbetsminnet. Detta nätverk består av den mediala prefrontala cortex, bakre cingulate cortex / precuneus, laterala cortex parietal och mediala temporala regioner.

Flera funktionella och strukturella fantasing metoder har utvecklats för att studera DMN. Dessa har oöverträffad potential för att öka förståelsen för den funktion och dysfunktion i detta nätverk. Funktionella metoder, till exempel utvärderingen av vilotillstånd anslutning och uppgift-inducerad deaktivering, har goda möjligheter att identifiera riktade neurokognitiva och neuroaffective (funktionella) diagnostiska markörer och kan tyda på sjukdom svårighetsgrad och prognos med ökad noggrannhet och specificitet. Strukturella metoder, till exempel utvärdering av morfometri och anslutningar, kan ge unika markörer för etiologi och långsiktiga resultat. Kombinerade, funktionella och strukturella metoder ger starka multimodala, kompletterande och synergistiska metoder för att ta fram giltiga DMN-baserad avbildning fenotyper i stressrelaterade psykiatriska tillstånd. Detta protokoll syftar till att integrera dessa metoder för att undersöka DMN struktur och funktion i PTSD, som avser resultaten av sjukdom svårighetsgrad och relevanta kliniska faktorer.

Introduction

Neuroimaging utgör ett verktyg med oöverträffad potential att undersöka diagnostisk giltighet, svårighetsgrad av sjukdom, prognostik och behandling svar i neuropsykiatri. Ett brett utbud av kompletterande neuroradiologiska tekniker finns nu att karakterisera strukturen och funktionen av viktiga hjärnsystem, och för att underlätta identifieringen av neuroradiologiska fenotyper i psykiatriska populationer. Av dessa system har standardläge Network (DMN) fått stor uppmärksamhet i kognitiv och klinisk neurovetenskap litteratur under det senaste decenniet.

Den DMN är en så kallad "vilotillstånd nätverk" som inkluderar den mediala prefrontala cortex (MPFC) som den huvudsakliga främre nod, posterior cingulate cortex / precuneus (PCC) som principen bakre nod, tillsammans med underlägsen-laterala cortex parietal och mediala temporala regioner. De viktigaste aspekterna i detta nätverk är att den uppvisar sin högsta aktivitet under perioder av vila, which inträffar när individer är vaken och alert, men inte deltar i en specifik uppgift; detta vilotillstånd aktivitet myntade "Standardläge" av hjärnans funktion ^1. Vilotillstånd aktivitet i DMN är också mycket mer i fas, vilket beskrivs som vilotillstånd funktionell anslutning. Den andra viktiga inslag i DMN är att det visar minskad aktivitet under perioder av ökade externa kognitiva krav, som observeras som uppgift-inducerad deaktivering vid funktionell neuroradiologiska Paradigmer ^2,3. Det antas att balansen mellan den inre (dvs. vilotillstånd) och externa (dvs aktivitetsrelaterad verksamhet) krav som behövs för att bevara friska hjärnans funktion ^3-5.

Följande avsnitt ger en kort översikt av tre metoder för att studera den DMN: funktionella anslutningsmöjligheter och aktivitetsrelaterade avaktivering, följt av strukturell anslutning. Dessa tre metoder är described som kompletterande sätt att karakterisera detta nätverk i kliniska prover, till exempel patienter med posttraumatiskt stressyndrom och relaterade psykiatriska tillstånd.

Vilotillstånd DMN Funktionell Connectivity

Vilotillstånd funktionell uppkoppling har nyligen blivit en vanlig metod som används för att utvärdera mönster av baslinjen hjärnans funktion i avsaknad av uppgiften kräver. Funktionell anslutning är en analytisk metod som kvantifierar konsekvens, eller graden av synkronisering i beroende signalblodsyrenivån (BOLD) över tid, mellan olika områden i hjärnan. En växande mängd forskningslitteratur visar att den typiska mönster av DMN-anslutning kan förändras i klinisk och riskgrupper, och särskilt de med tidigare exponering för betydande stress eller trauma. Det vanligaste fyndet har minskat DMN vilotillstånd funktionell uppkoppling i samband med PTSD ^6. Denna minskade connectivity kan HAVe direkta kliniska tillämpningar, som minskade DMN-anslutning kan vara prediktiva för dem som kan utveckla PTSD efter en akut stressfaktor ^7. Minskad DMN funktionell uppkoppling kan tolkas på flera sätt, vanligast att den återspeglar dålig kommunikation mellan viktiga områden i hjärnan som är involverade i självbehandling, vilket kan leda till en oförmåga att omfördela interna resurser från baslinjen DMN bearbetning till yttre krav. Detta nätverk störningar kan förklara centrala kliniska symptom på psykiska störningar, såsom PTSD och andra stressrelaterade psykiatriska tillstånd ^8. Ytterligare utredning i etiologin av dessa störningar är ett viktigt område för framtida forskning.

Ur ett mer allmänt perspektiv, fördelarna med att undersöka den funktionella anslutningsmöjligheter av DMN innefattar relativt enkel implementering och en robust mönster av vilotillstånd funktionell uppkoppling i friska kontroller som möjliggör en tillförlitlig jämförelse ^9,10 </supp>. Därför har denna metod potential att utvecklas till en lätt implementeras och robust neuroradiologiska biomarkör för stressrelaterade psykiska störningar som informerar hur hjärnan fungerar i avsaknad av specifika uppgiften kräver i individer med PTSD och andra stressrelaterade psykiatriska tillstånd.

Task-associerad DMN inaktiveringar

Undersöka DMN svar under arbetsminne (WM) erbjuder ett annat tillvägagångssätt för att undersöka funktion och dysfunktion i detta nätverk bortom vilotillstånd synkront. Detta tillvägagångssätt, vilket återspeglar en mer vanlig funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) metoden, ger olika information om svar på uppgiften kräver som kan ha klinisk betydelse ^11. Tidigare forskning har dokumenterat att deltagare med PTSD demonstrerar nedsatt WM funktion och en högre grad av DMN inaktiveringar under WM uppgifter, kanske återspeglar en ökad kognitiv ansträngning ^12-15. Using WM som en fMRI utmaning har flera fördelar. Till exempel, på ett tillförlitligt sätt frikopplar det flera viktiga DMN regioner, från vilande till ett aktivt tillstånd. Mest relevanta för PTSD och andra stressrelaterade psykiatriska tillstånd, WM uppgifter tillförlitligt koppla ur MPFC, den stora främre DMN nod som är inblandad i kritiska banor oreglerad i PTSD. Det har väl konstaterats att MPFC modulerar stigande amygdala aktivitet och sannolikt spelar en avgörande roll i rädsla konditionering ^16. Bedömningar av MPFC aktivitet kan också vara ett användbart mått på framtida klinisk vård. Till exempel i en tidigare studie av traumatiserade poliser, ökad exponering psykoterapi MPFC aktivitet och minskad amygdala aktivitet under traumatiskt minne hämtning. Dessa neuroradiologiska förändringar var associerade med minskad PSTD symptom ^17. Denna instans av WM-inducerade mPFC inaktiveringar är bara ett exempel på hur neuroradiologiska mätetal kan tillämpas på kliniska populationer, och ytterligare prospekteringav andra DMN komponenter kommer sannolikt att vara ett fruktbart område för framtida forskning.

I detta protokoll, är det n-back uppgift verbala arbetsminnet används. Den n-back uppgift används ofta i FMRI forskning, och ger tillförlitlig aktivering av verkställande aktivering och standardläge nätverk avaktivering regioner ^18,19. Denna uppgift innehåller tre komponenter, en 0-back brev vaksamhet uppgift, den 2-back uppgift arbetsminne och vila baslinje för jämförelse. Under 0-back vaksamhet uppgift Deltagarna svarar "ja" när ett förutbestämt mål konsonant ("H" eller "h") dök upp och "nej" för andra konsonanter som använder en två-knapp svarsrutan medan inne i scannern. Sex 0-back styrblock 9 konsonanter presenteras under denna uppgift. Under 2-back, är en serie av konsonanter som presenteras visuellt för 500 ms vardera, med en interstimulus intervall på 2.500 ms. Deltagarna gör ett "ja" eller "nej"svar, efter varje konsonant presenteras, för att ange om det är samma eller olika från konsonanten presenterade två tidigare i en serie (t.ex.., w, N, R, N, R, Q, R, Q, N, W osv. , med rätta svaren anges i fetstil). Under 2-back, sex 45 sek serie av 15 konsonanter presenteras. För att utföra framgångsrikt deltagaren måste upprätthålla en krävande kognitiv uppsättning som inkluderar konstant fonematisk buffring (dvs. Hålla konsonanter i korttidsminnet), subvocal phonemic repetition (dvs. Upprepade konsonanter utan att artikulera högt), och verkställande samordning. I både 0 – och 2-back block, är graden av presentationen densamma, 33% av målen presenteras i slumpmässiga platser, och kapitalisering slumpas uppmuntra verbal kodning. En 30 sek vila baslinjen med ett hårkors fixering punkt presenteras före varje 0-back-block; denna baslinje används för subsequent jämförelser av uppgiften-associerad aktivitet jämfört med baseline under dataanalyser.

Tagna tillsammans föreslår ännu existerande data som karakterisering av uppgiften associerade DMN aktivitet under en mängd olika uppgifter kan spela en viktig roll i den kliniska användningen av funktionella DMN analys. Det finns andra fördelar med att använda WM som en fMRI utmaning i stressrelaterade psykiatriska tillstånd. Liknar vilotillstånd anslutning, finns det ett tydligt mönster av DMN inaktiveringar under WM hos friska individer, vilket underlättar jämförelser med kliniska prover. WM också trauma neutral, vilket kan undvika att utlösa kliniska PTSD-symptom under skanning. Därför denna metod har också potential att utvecklas till en neuroradiologiska biomarkör som speglar hur hjärnan reagerar på yttre krav på stressrelaterade psykiska sjukdomar.

DMN Strukturell Connectivity

Medan funktionell avbildning kan beskriva förändringar i hjärnans anslutning eller aktivitet i samband med stress exponering behöver funktionella metoder inte beskriva etiologi bakom observerade förändringar i hjärnan. Strukturavbildningsmetoder, såsom diffusion tensor imaging (DTI), kan mäta och kvantifiera integriteten för de vita substans förbindelsehjärnregioner. DTI är det vanligaste strukturella neuroimaging metod och åtgärderna vita substansen integritet baserad på den anisotropa (dvs. riktnings) flödet av vattenmolekyler tillsammans vita substans, såsom vattenflöden, främst längs vita substans (jämfört med över dem). Denna skillnad i riktat flöde uttrycks som fraktionerad anisotropi (FA). Lägre grad av FA tros spegla mikrostrukturella förändringar i vita substans, som kan vara manifestationer av nervskada från en mängd olika orsaker, bland annat konsekvenserna av stress exponering ^4. Ur ett nätverksperspektiv, samordnat hjärnaktivitet (dvs. vilotillstånd aktivitet eller samställda uppgiftsrelaterat aktivitet) måste förlita sig på strukturella anslutningar. I fallet med tidigare DMN fynd, försämrar strukturell skada kommunikationen mellan DMN noder, vilket leder till minskad DMN funktionell uppkoppling. På samma sätt kan ökad mönster avaktivering reflektera mikrostrukturella skador som kräver rekrytering av större områden av hjärnbarken under aktivitetssvar. Relevant för PTSD och DMN, har flera studier visat minskad furfurylalkohol i cingulum knippet ^20,21, som är den vita substansen kanalen som förbinder stora limbiska strukturer i hjärnan ^22. Det är troligt att mer precisa åtgärder som utnyttjar tractography (dvs. att direkt spåra vita substans på neuronal nivå) kommer att kunna belysa specifikt som vita substansen fibrer är involverade i nätstörningar. Fördelarna för DTI avbildning är att det är relativt lätt att få eftersom det inte finns några obligatoriska uppgifter att utföra i skannern.

I following protokoll, är de funktionella metoder för vilotillstånd funktionell uppkoppling och kvantifiering av uppgifts inducerade inaktiveringar kombinerat med en granskning av struktur uppkoppling med hjälp av DTI, i syfte att kart DMN struktur och funktion och relatera dessa resultat till sjukdom svårighetsgrad och kliniska relevanta faktorer i PTSD . Vi har tidigare genomfört detta tillvägagångssätt i traumaexponerade friska vuxna ^18,23 och fann att detta protokoll ger ett övertygande sätt att karakterisera DMN som lämpar sig för anpassning till studiet av PTSD och andra stressrelaterade psykiska sjukdomar.

Protocol

Kvalificerade deltagare undertecknar skriftligt informerat samtycke till att delta i forskningsprojektet. Forskningen utförs i enlighet med de institutionella, nationella och internationella riktlinjer för mänsklig välfärd. 1. Deltagare Screening och Diagnos Intervjuer Efter informerat samtycke, utföra diagnostiska intervjuer för att verifiera diagnosen PTSD och sjukdom svårighetsgrad. OBS: Dessa åtgärder omfattar den Strukturerade Kliniska Intervjun för DSM-IV-TR (SCID…

Representative Results

Representativa resultat baseras på data som samlats in med hjälp av samma avbildningsteknik i två olika prover av individer med en historia av barndomstrauma och misshandel, men utan PTSD 21,22. Resultat från vilotillstånd funktionell uppkoppling analyser avslöjade ett rumsligt mönster i linje med viktiga noder i DMN (figur 1) 1-3,8 inklusive MPFC, PCC, kantiga gyrus / underlägsna parietal lob och medeltemporala regioner. Bekräftelse av denna rumsliga fördelningen fungera…

Discussion

De två mest kritiska stegen för framgångsrikt genomförande av neuroimaging-protokollet är korrekt fånga vilotillstånd och arbetsminneseffekter.

Begreppsmässigt är förvärvet av vilotillstånd bilder okomplicerad. Eftersom det inte finns någon uppgift att utföra, praktiker beskriver ofta hjärnaktivitet under dessa epoker som "vila". Men eftersom detta område är relativt ny i jämförelse med andra delar av neuroimaging ^1, finns det inget uttryckligt samför…

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