Udvikling Neuroimaging fænotyper af standardtilstanden Network i PTSD: Integration hviletilstand, arbejdshukommelse, og Strukturel Connectivity

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

Supplerende strukturelle og funktionelle Neuroimaging teknikker, der anvendes til at undersøge standardtilstanden Network (DMN) kan potentielt forbedre vurderinger af psykiatrisk sygdom sværhedsgrad og give ekstra gyldighed til den kliniske diagnostiske proces. Nyere Neuroimaging forskning tyder på, at DMN processer kan være afbrudt i en række stress-relaterede psykiatriske sygdomme, såsom posttraumatisk belastningsreaktion (PTSD).

Skønt specifikke DMN funktioner forbliver under efterforskning, er det generelt menes at være involveret i introspektion og selv-behandling. Hos raske individer udviser størst aktivitet i perioder med hvile, med mindre aktivitet, observeret som deaktivering, under kognitive opgaver, fx arbejder hukommelse. Dette netværk består af den mediale præfrontale cortex, posterior cingulate cortex / precuneus, laterale parietale cortex og mediale temporale områder.

Multiple funktionelle og strukturelle fantasing fremgangsmåder er blevet udviklet til at studere DMN. Disse har hidtil uset potentiale for at fremme forståelsen af ​​funktion og dysfunktion af dette netværk. Funktionelle tilgange, såsom evaluering af hviletilstand tilslutningsmuligheder og opgave-induceret deaktivering, har fremragende potentiale til at identificere målrettet neurokognitive og neuroaffective (funktionelle) diagnostiske markører og kan indikere sygdom sværhedsgrad og prognose med større nøjagtighed eller specificitet. Strukturelle tiltag, såsom evaluering af morfometri og tilslutningsmuligheder, kan give unikke markører ætiologi og langsigtede resultater. Kombineret, funktionelle og strukturelle metoder giver stærke multimodale, komplementære og synergistiske metoder til at udvikle gyldige DMN-baserede imaging fænotyper i stress-relaterede psykiatriske lidelser. Denne protokol har til formål at integrere disse metoder til at undersøge DMN struktur og funktion i PTSD vedrørende resultaterne til sygdom sværhedsgrad og relevante kliniske faktorer.

Introduction

Neuroimaging repræsenterer et redskab med en hidtil uset potentiale for at undersøge diagnostiske gyldighed, sværhedsgrad af sygdom, prognosticering og behandling reaktion i neuropsykiatri. En bred vifte af komplementære Neuroimaging teknikker er nu tilgængelig til at karakterisere strukturen og funktionen af ​​centrale hjerne-systemer og for at hjælpe med identifikationen af ​​Neuroimaging fænotyper i psykiatriske populationer. Af disse systemer, er standardtilstanden Network (DMN) fået stor opmærksomhed i de kognitive og klinisk neurovidenskab litteratur i det seneste årti.

DMN er en såkaldt "hviletilstand netværk", som indeholder den mediale præfrontale cortex (MPFC) som det vigtigste forreste knude, bageste cingulate cortex / precuneus (PCC), som princippet bageste node sammen med ringere-laterale parietale cortex og mediale temporale regioner. De centralt element i dette netværk er, at det udviser den højeste aktivitet i perioder med hvile, which opstår, mens emner er vågen og opmærksom, men ikke er involveret i en bestemt opgave; denne hviletilstand aktivitet blev opfundet "Standard Mode" af hjernens funktion ^1. Hviletilstand aktivitet i DMN er også meget synkroniseret, der beskrives som hviletilstand funktionelle tilslutningsmuligheder. Det andet centrale element i DMN er, at det viser nedsat aktivitet i perioder med øget ekstern kognitive krav, der er observeret som opgave-induceret deaktivering under funktionel Neuroimaging paradigmer ^2,3. Det antages, at der er behov for balancen mellem den interne (dvs. hviletilstand) og ekstern (dvs. opgave-relaterede aktiviteter) krav om at opretholde en sund hjernefunktion ^3-5.

De følgende afsnit giver en kort oversigt over tre metoder til at studere DMN: funktionelle tilslutningsmuligheder og opgave-associeret deaktivering, efterfulgt af strukturel forbindelse. Disse tre metoder er faldenderibed som komplementære måder at karakterisere dette netværk i kliniske prøver, såsom patienter med post-traumatisk stress disorder og relaterede psykiatriske tilstande.

Resting State DMN Funktionel Connectivity

Hviletilstand funktionel konnektivitet er for nylig blevet en fælles tilgang, der anvendes til at evaluere mønstre af baseline hjernefunktion i fravær af opgave kræver. Funktionel konnektivitet er en analytisk metode, der kvantificerer sammenhængen, eller graden af ​​synkront i blod ilt niveau afhængig (BOLD) signal over tid, på tværs af forskellige områder af hjernen. En voksende mængde forskning litteratur tyder på, at de typiske mønstre af DMN tilslutningsmuligheder kan ændres i klinisk og udsatte befolkningsgrupper, og især dem med tidligere eksponering for betydelig stress eller traumer. Den mest almindelige fund er blevet nedsat DMN hviletilstand funktionel konnektivitet forbundet med PTSD ^6. Denne formindskede tilslutning kan HAVe direkte kliniske anvendelser, som faldt DMN tilslutningsmuligheder kan være tegn på dem, der kan udvikle PTSD efter en akut stressor ^7. Formindsket DMN funktionel konnektivitet kan fortolkes på flere måder, mest almindeligt, at den afspejler dårlig kommunikation mellem afgørende af hjernen er involveret i selv-behandling regioner, hvilket kan føre til en manglende evne til at omfordele interne ressourcer fra baseline DMN forarbejdning til eksterne krav. Denne netdriftsforstyrrelser kan forklare centrale kliniske symptomer på psykiatriske lidelser såsom PTSD og andre stress-relaterede psykiatriske lidelser ^8. Yderligere undersøgelse i ætiologien af ​​disse forstyrrelser er et vigtigt område for fremtidig forskning.

Fra et mere generelt perspektiv, fordelene ved at undersøge den funktionelle konnektivitet DMN omfatte forholdsvis let implementering og en robust mønster af hviletilstand funktionel konnektivitet i raske kontrolpersoner, der giver mulighed for en pålidelig sammenligning ^9,10 </sop>. Derfor er denne metode har potentialet til at blive udviklet til et let implementeres og robust neuroimaging biomarkør for stressrelaterede psykiatriske lidelser, der informerer, hvordan hjernen fungerer i mangel af specifikke opgave kræver hos personer med PTSD og andre stress-relaterede psykiatriske lidelser.

Task-associeret DMN deaktiveringer

Undersøgelse DMN respons i arbejdstiden hukommelse (WM) tilbyder en anden tilgang til at undersøge funktionen og dysfunktion i dette netværk over hviletilstand synkront. Denne tilgang, som afspejler en mere standard funktionel magnetisk resonans (fMRI)-metoden, indeholder forskellige oplysninger om svar på opgave kræver, der kan have klinisk betydning ^11. Tidligere forskning har dokumenteret, at deltagere med PTSD demonstrere nedsat WM funktion og en større grad af DMN deaktiveringer under WM opgaver, hvilket måske afspejler en øget kognitiv indsats ^12-15. USIng WM som en FMRI udfordring har flere fordele. For eksempel er det pålideligt frigøres flere vigtige DMN regioner fra hvile til en aktiv tilstand. Mest relevant for PTSD og andre stress-relaterede psykiatriske lidelser, WM opgaver pålideligt frakoble MPFC, de store forreste DMN knude, der er involveret i kritiske veje dysregulated i PTSD. Det har været velkendt, at MPFC modulerer opstigende amygdala aktivitet, og sandsynligvis spiller en afgørende rolle i frygt condition ^16. Vurderinger af MPFC aktivitet kan også være et nyttigt metrik i fremtidige kliniske pleje. For eksempel i en tidligere undersøgelse af traumatiserede politifolk, eksponering psykoterapi øget MPFC aktivitet og reduceret amygdala aktivitet under traumatisk hukommelse hentning. Disse Neuroimaging ændringer var associeret med nedsat PSTD symptomer ^17. Denne instans af WM-inducerede MPFC deaktiveringer er blot ét eksempel på, hvordan Neuroimaging målinger kan anvendes til kliniske populationer, og yderligere udforskningandre DMN komponenter vil sandsynligvis være et frugtbart område for fremtidig forskning.

I denne protokol, er n-back opgave verbal arbejdshukommelse anvendes. N-back opgave er meget udbredt i FMRI forskning og giver pålidelig aktivering af udøvende aktivering og standard-mode netværk deaktivering regioner ^18,19. Denne opgave indeholder tre komponenter, en 0-back brev årvågenhed opgave, den 2-back opgave at arbejde hukommelse og hvile baseline til sammenligning. Under årvågenhed opgave 0-back, Deltagerne reagerer "ja", når et forudbestemt mål konsonant ("H" eller "h") syntes og "nej" for andre konsonanter ved hjælp af en to-knaps svar kassen, mens inde i scanneren. Seks 0-back kontrol blokke af 9 konsonanter bliver præsenteret i løbet af denne opgave. Under den 2-back, præsenteres en række konsonanter visuelt for 500 msek hver, med en interstimulus interval på 2.500 msek. Deltagerne laver et "ja" eller "nej"reaktion, efter hver konsonant fremlagt, at indikere, om det er den samme eller forskellig fra konsonanten præsenteret to tidligere i en række (f.eks. w N, r, N, R, Q, r, q, N, W osv. med korrekte svar, der er angivet med fed). Under 2-back, seks 45 sek serie på 15 konsonanter præsenteres. For at udføre med succes deltageren skal opretholde en krævende kognitiv sæt, der omfatter konstant fonemiske buffering (dvs.. Holder konsonanter på kort sigt hukommelse), subvocal fonemiske generalprøve (dvs.. Gentage konsonanter uden formulere højt), og executive koordinering. I begge 0 – og 2-back blokke, satsen for præsentationen er den samme, 33% af målene er præsenteret i tilfældige steder, og kapitalisering er randomiseret til fremme verbal kodning. En 30 sek hvile baseline med et trådkors fiksering punkt er præsenteret forud for hver 0-back blokere; denne baseline bruges til efter-følgendeENT sammenligninger af opgave-associeret aktivitet i forhold til baseline i løbet af dataanalyser.

Tilsammen det eksisterende data tyder på, at karakterisering af opgave-associeret DMN aktivitet under en bred vifte af opgaver, kan spille en vigtig rolle i den kliniske anvendelse af funktionel DMN analyse. Der er andre fordele ved at bruge WM som FMRI udfordring i stressrelaterede psykiatriske lidelser. Svarende til hviletilstand tilslutningsmuligheder, der er et klart mønster af DMN deaktiveringer under WM hos raske personer, hvilket letter sammenligninger med kliniske prøver. WM er også traume neutral, hvilket kan undgå at udløse klinisk PTSD symptomer under scanningen. Derfor er denne metode har også potentiale til at blive udviklet til et Neuroimaging biomarkør, der afspejler, hvordan hjernen reagerer på ydre krav i stressrelaterede psykiatriske lidelser.

DMN Strukturelle Connectivity

Mens funktionel billeddannelse er i stand til at beskrive ændringers i hjernens forbindelse eller aktivitet forbundet med stress eksponering, behøver funktionelle tilgange ikke beskrive ætiologien bag observerede hjernen ændringer. Strukturelle billeddiagnostiske metoder, såsom diffusion tensor imaging (DTI), er i stand til at måle og kvantificere integriteten af ​​de hvide substans skrifter forbinder hjernen regioner. DTI er den mest almindelige strukturelle Neuroimaging tilgang, og foranstaltningerne hvide substans integritet baseret på anisotrope (dvs. retningsbestemt) strømning af vandmolekyler langs hvide substans skrifter, som vandet strømmer overvejende langs hvid substans skrifter (i forhold til på tværs af dem). Denne forskel i retningsbestemt flow udtrykkes som fraktioneret anisotropi (FA). Lavere grader af FA menes at afspejle mikrostruktur ændringer i hvide substans skrifter, som kan være manifestationer af neuronal skade fra en række forskellige årsager, herunder konsekvenserne af stress eksponering ^4. Fra et netværk perspektiv, koordineret hjernens aktivitet (dvs. hviletilstand aktivitet eller koordineret opgave-relateret aktivitet) må støtte sig på de strukturelle forbindelser. I tilfælde af tidligere DMN fund, strukturel skade svækker kommunikationen mellem DMN knudepunkter, hvilket fører til nedsat DMN funktionelle tilslutningsmuligheder. Tilsvarende kan øgede mønstre af deaktivering afspejle mikrostrukturel skader, der nødvendiggør ansættelse af større områder af cortex under opgave respons. Relevant for PTSD og DMN, har flere undersøgelser vist nedsat FA i cingulum bundt ^20,21, hvilket er den hvide substans kanalen, som forbinder større limbiske strukturer i hjernen ^22. Det er sandsynligt, at mere præcise foranstaltninger udnytte traktografi (dvs. der direkte spore hvide substans skrifter på den neuronale niveau) vil være i stand til at belyse specifikt som hvide substans fibre er involveret i net-forstyrrelser. Fordelene for DTI billedbehandling er, at det er relativt let at erhverve, da der ikke er nødvendige opgaver at udføre i scanneren.

I following protokol, er de funktionelle tilgange hviletilstand funktionelle tilslutningsmuligheder og kvantificering af task-induceret deaktiveringer kombineret med en undersøgelse af strukturel tilslutning ved hjælp af DTI, for at kortlægge DMN struktur og funktion og relatere disse fund for sygdom sværhedsgrad og relevante kliniske faktorer i PTSD . Vi har tidligere gennemført denne fremgangsmåde i traume-eksponerede raske voksne ^18,23 og fundet, at denne protokol giver en overbevisende metode til at karakterisere DMN, som egner sig til tilpasning til studiet af PTSD og andre stressrelaterede psykiatriske sygdomme.

Protocol

Støtteberettigede deltagere underskrive skriftlig informeret samtykke til at deltage i forskningsprojektet. Forskningen udføres i overensstemmelse med de institutionelle, nationale og internationale retningslinjer for menneskelig velfærd. 1.. Deltager Screening og Diagnostiske Interviews Efter informeret samtykke, udføre diagnostiske interviews for at verificere diagnosen PTSD og sygdom sværhedsgrad. BEMÆRK: Disse foranstaltninger omfatter Structured Clinical Interview for D…

Representative Results

Repræsentative resultater er baseret på data indsamlet ved hjælp af den samme billedbehandling tilgang i to forskellige prøver af personer med en historie af barndommens traumer og mishandling, men uden PTSD 21,22. Resultater fra hviletilstand funktionel konnektivitet analyser afslørede en rumlig mønster i overensstemmelse med de store knudepunkter i DMN (Figur 1) 1-3,8 herunder MPFC, PCC, kantet gyrus / ringere parietale lille lap og midterste tidsmæssige regioner. Bekræft…

Discussion

De to mest kritiske trin for en vellykket gennemførelse af neuroimaging protokol nøjagtigt fange hviletilstand og arbejder hukommelse effekter.

Begrebsmæssigt er ligetil erhvervelsen af ​​hviletilstand billeder. Da der er ingen opgave at udføre, eksperimentatorer ofte beskriver hjernens aktivitet under disse epoker som "hvile". Men da dette område er relativt nyt i forhold til andre områder af neuroimaging ^1, er der ingen udtrykkelig enighed om, hvordan man pr?…

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