Entwicklung von Neuroimaging Phänotypen des Default Mode Network in PTSD: Integration der Ruhezustand, Arbeitsgedächtnis und Struktur 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

Ergänzende strukturelle und funktionelle bildgebende Verfahren verwendet, um den Default Mode Network (DMN) untersuchen könnte Einschätzungen der psychiatrischen Krankheitsschwere zu verbessern und Mehr Gültigkeit der klinischen Diagnoseprozess. Neueste Untersuchungen zeigen, dass Neuroimaging DMN Prozesse können in einer Reihe von stressbedingten psychischen Erkrankungen wie posttraumatische Belastungsstörung (PTSD) gestört werden.

Obwohl spezifische DMN-Funktionen untersucht bleiben, wird allgemein angenommen, dass in der Introspektion und Selbst Verarbeitung beteiligt werden. Bei gesunden Menschen ist größte Aktivität zeigt in Zeiten der Ruhe, mit weniger Aktivität als Deaktivierung beobachtet, während kognitive Aufgaben, z. B. Arbeitsspeicher. Dieses Netzwerk besteht aus dem medialen präfrontalen Kortex, der hinteren cingulären Cortex / Precuneus, parietalen Kortex lateralen und medialen temporalen Regionen.

Mehrere funktionelle und strukturelle Phantasieng Ansätze entwickelt worden, um die DMN studieren. Diese verfügen über einzigartige Potential, um das Verständnis der Funktion und Dysfunktion des Netzwerkes weiter. Funktionale Ansätze, wie die Auswertung der Ruhezustand-Konnektivität und Task-induzierte Inaktivierung, besitzen ausgezeichnete Möglichkeit, gezielt und neuro neuroaffective (funktionelle) diagnostische Marker zu identifizieren und kann Schwere der Erkrankung und der Prognose mit erhöhter Genauigkeit und Spezifität anzugeben. Strukturelle Ansätze, wie die Auswertung der Morphometrie und Konnektivität, können vorsehen, einzigartige Marker der Ätiologie und langfristige Ergebnisse. Kombiniert, funktionellen und strukturellen Methoden liefern starke multimodalen, komplementäre und synergistische Ansätze gültig DMN-basierten Imaging-Phänotypen in stressbedingten psychiatrischen Erkrankungen zu entwickeln. Dieses Protokoll zielt darauf ab, diese Methoden zu integrieren, um DMN Struktur und Funktion in PTSD untersuchen, Erkenntnisse über Krankheitsschweregrad und relevante klinische Faktoren.

Introduction

Neuroimaging stellt ein Werkzeug mit noch nie da gewesenen Potenzial, diagnostische Aussagekraft, die Schwere der Krankheit, Prognose und Behandlungserfolg bei Neuropsychiatrie zu untersuchen. Eine breite Palette von ergänzenden bildgebenden Verfahren ist nun zur Charakterisierung der Struktur und Funktion der wichtigsten Gehirnsysteme, und bei der Identifizierung von Neuroimaging-Phänotypen in psychiatrischen Populationen zu unterstützen. Von diesen Systemen ist der Standardmodus-Netzwerk (DMN) viel Aufmerksamkeit in der kognitiven und klinischen Neurowissenschaften Literatur der letzten zehn Jahre erhalten.

DMN ist ein sog. "Ruhezustand Netz", die den medialen präfrontalen Kortex (MPFC) als Hauptknoten vorderen, hinteren cingulären Cortex / Precuneus (PCC) als Prinzip hinteren Knoten, zusammen mit den minderwertigen lateralen parietalen Kortex und umfasst medialen temporalen Regionen. Sie Schlüsselmerkmal dieses Netzwerk ist, dass es während der Ruhezeiten, whi seine höchste Aktivität zeigtch auftritt, während Probanden wach und aufmerksam, aber nicht in einer bestimmten Aufgabe beteiligt sind; Diese Ruhezustand-Aktivität wurde die "Default Mode" der Gehirnfunktion ¹ geprägt. Ruhezustand Aktivität in der DMN ist auch sehr synchron, als Ruhezustand funktionelle Konnektivität beschrieben wird. Die andere Hauptmerkmal des DMN ist, dass es verminderte Aktivität zeigt, während Zeiten erhöhter externen kognitiven Anforderungen, die als Aufgabe-induzierte Deaktivierung während der funktionellen Bildgebung beobachtet Paradigmen ^2,3. Es wird vermutet, dass die Balance zwischen dem internen (dh der Ruhezustand) und externe (dh aufgabenbezogene Aktivität) Anforderungen sind notwendig, um gesunde Gehirnfunktion ^3-5 halten.

Die folgenden Abschnitte geben einen kurzen Überblick über drei Methoden, um die DMN studieren: funktionelle Konnektivität und Task-assoziierten Deaktivierung, gefolgt von strukturellen Konnektivität. Diese drei Methoden sind abribed als komplementäre Möglichkeiten, dieses Netzwerk in klinischen Proben, wie Patienten mit posttraumatischen Belastungsstörung und der damit verbundenen psychiatrischen Erkrankungen zu charakterisieren.

Ruhezustand DMN Funktionelle Konnektivität

Ruhezustand funktionelle Konnektivität hat vor kurzem einen gemeinsamen Ansatz verwendet, um Muster von Baseline-Funktion des Gehirns in der Abwesenheit von Aufgabenanforderungen bewerten zu werden. Funktionelle Konnektivität ist eine analytische Methode, die Kohärenz quantifiziert, oder der Grad der Synchronität der Blutsauerstoffgehalt abhängig (BOLD-Signal) über die Zeit, in verschiedenen Hirnregionen. Eine wachsende Zahl von Forschungsliteratur zeigt, dass die typischen Muster der DMN-Konnektivität kann in der klinischen und Risikogruppen verändert werden, und insbesondere diejenigen mit vorheriger Exposition zu erheblichen Stress oder Trauma. Der häufigste Befund wurde DMN Ruhezustand funktionelle Konnektivität mit PTSD ⁶ zugeordnet verringert. Diese verminderte Konnektivität kann havE direkten klinischen Anwendungen, verringert DMN-Konnektivität kann prädiktive von denen, die nach einem akuten Stressor ⁷ PTBS entwickeln kann. Verminderte DMN funktionelle Konnektivität kann auf verschiedene Arten am meisten, dass es eine schlechte Kommunikation zwischen entscheidenden Hirnregionen in der Selbstverarbeitung, welches zu einer Unfähigkeit, interne Ressourcen von der Grundlinie DMN Verarbeitung auf externe Forderungen umzuschichten führen kann, spiegelt interpretiert werden. Diese Netzwerkstörung kann der Kern der klinischen Symptome von psychiatrischen Störungen wie PTSD und anderen stressbedingten psychiatrischen Erkrankungen ⁸ erklären. Weitere Untersuchungen in der Ätiologie dieser Störungen ist ein wichtiger Bereich für die zukünftige Forschung.

Aus einer eher allgemeinen Perspektive, Vorteile der Prüfung der funktionellen Konnektivität des DMN sind relativ einfache Implementierung und eine robuste Muster der Ruhezustand funktionelle Konnektivität bei gesunden Kontrollen, die für einen zuverlässigen Vergleich ^9,10 ermöglicht </sbis>. Daher hat diese Methode das Potenzial, in einer leicht implementiert und robuste Bildgebung Biomarker für stressbedingte psychische Störungen, wie das Gehirn funktioniert in der Abwesenheit von spezifischen Aufgabenanforderungen bei Personen mit PTSD und anderen stressbedingten psychiatrischen Erkrankungen informiert entwickelt werden.

Aufgaben Assoziierte DMN Deaktivierungen

Untersuchen DMN Antwort während Arbeitsspeicher (WM) bietet eine weitere Methode, um die Funktion und Dysfunktion des Netzwerks über Ruhezustand synchron zu untersuchen. Dieser Ansatz, der eine Standard-funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT)-Methode spiegelt, bietet verschiedene Informationen über Reaktion auf Anforderungen, die Aufgabe ¹¹ klinische Bedeutung haben können. Frühere Untersuchungen haben belegt, dass die Teilnehmer mit PTSD demonstrieren WM Funktion und einen höheren Grad der DMN Deaktivierungen während WM Aufgaben beeinträchtigt wird, was vielleicht erhöhte kognitive Anstrengung ^12-15. Using WM als FMRI Herausforderung hat mehrere Vorteile. Zum Beispiel, es zuverlässig löst mehrere Schlüssel DMN Regionen aus ruhenden in einen aktiven Zustand. Passend zu PTSD und anderen stressbedingten psychiatrischen Erkrankungen, WM Aufgaben zuverlässig lösen Sie die MPFC, die großen vorderen DMN Knoten, der in kritischen Wege in PTSD dysregulated beteiligt ist. Es wurde auch festgestellt, dass der MPFC moduliert aufsteigend Amygdala-Aktivität und spielt eine entscheidende Rolle bei der Furchtkonditionierung ¹⁶ wahrscheinlich. Die Bewertung der MPFC Aktivität kann auch eine nützliche Metrik in zukünftigen klinischen Versorgung. Zum Beispiel in einer früheren Studie von traumatisierten Polizisten, erhöhte Exposition Psychotherapie MPFC Aktivität und verminderte Amygdala-Aktivität während der traumatischen Erinnerung Abruf. Diese Änderungen wurden mit bildgebenden Verfahren verringert PSTD Symptome ¹⁷ zugeordnet. Diese Instanz von WM-induzierte MPFC Deaktivierungen ist nur ein Beispiel dafür, wie Neuroimaging-Metriken können auf klinische Populationen angewendet werden, und die weitere ExplorationDMN anderer Komponenten ist wahrscheinlich eine fruchtbare Gebiet der zukünftigen Forschung sein.

In diesem Protokoll wird die n-back Aufgabe der verbalen Arbeitsspeicher verwendet. Die n-Zurück-Aufgabe ist weit verbreitet in FMRI Forschung, und bietet zuverlässige Aktivierung der Exekutive Aktivierung und Deaktivierung Standardmodus Netzwerk Regionen ^18,19. Diese Aufgabe umfasst drei Komponenten, eine 0-zurück-Brief Wachsamkeit Aufgabe, die 2-back Aufgabe des Arbeitsgedächtnisses und Ruhe Basis für den Vergleich. Bei der 0-back Wachsamkeit Aufgabe, die Teilnehmer antworten mit "ja", wenn eine vorgegebene Ziel Konsonanten ("H" oder "h") erschien und "nein" für andere Konsonanten mit einem Zwei-Tasten-Antwort-Box, während im Inneren des Scanners. Sechs 0-zurück-Steuerblöcke von 9 Konsonanten werden in dieser Aufgabe vorgestellt. Während des 2-back ist eine Reihe von Konsonanten visuell auf jeweils 500 ms dargestellt, mit einem Interstimulusintervall von 2,500 ms. Teilnehmer zu einem "ja" oder "nein"Reaktion nach jeder Konsonant dargestellt, um anzuzeigen, ob es das gleiche oder verschieden von dem Konsonanten präsentiert zwei zuvor in einer Reihe (z. B.., w, n, R, N, R, Q, R, Q, N, W usw.. , mit richtigen Antworten in Fettdruck). Während der 2-Back, sechs 45 Sek. Serie von 15 Konsonanten werden vorgestellt. Um erfolgreich durchzuführen, muss der Teilnehmer eine anspruchsvolle kognitive Satz, der konstant phone die Pufferung (also. Halten Konsonanten in Kurzzeitgedächtnis), subvocal phonemische Probe (dh. Wiederholen Konsonanten zu artikulieren, ohne laut), und Executive-Koordination ist aufrecht zu erhalten. In beiden 0 – und 2-Blöcke zurück, ist die Rate der Präsentation gleich, 33% der Ziele werden in zufälligen Orten präsentiert, und die Kapitalisierung ist randomisiert, um verbale Codierung zu fördern. Ein 30 Sekunden Ruhebasis mit einem Fadenkreuz Fixationspunkt wird vor jeder 0-zurück-Block präsentiert; Diese Grundlinie ist für subsequ verwendetVergleiche der Aufgabe ent-assoziierte Aktivität während der Datenanalysen im Vergleich zum Ausgangswert.

Zusammengenommen, die vorhandenen Daten darauf hin, dass die Charakterisierung der Aufgabe-assoziierten DMN-Aktivität während einer Vielzahl von Aufgaben kann eine wichtige Rolle in der klinischen Verwendung von funktionellen Analyse DMN zu spielen. Es gibt noch andere Vorteile, die mit WM als FMRI Herausforderung in stressbedingten psychiatrischen Erkrankungen. Ähnlich wie Ruhezustand Konnektivität, gibt es ein klares Muster der DMN Deaktivierungen während WM in gesunden Personen, die Vergleiche mit klinischen Proben erleichtert. WM-Trauma ist auch neutral, was zu vermeiden, kann Auslösung klinischen PTSD-Symptome beim Scannen. Daher hat diese Methode das Potenzial, zu einem bildgebenden Biomarker entwickelt werden, wie das Gehirn reagiert auf Anforderungen von außen in stressbedingten psychischen Störungen widerspiegelt.

DMN Struktur Connectivity

Während funktionelle Bildgebung ist in der Lage, Veränderungen zu beschreibens in Gehirn-Konnektivität oder Aktivität, Stressbelastung verbunden ist, nicht funktionale Ansätze nicht beschreiben, die Ätiologie hinter beobachteten Veränderungen im Gehirn. Strukturabbildungsverfahren, wie Diffusionstensorbildgebung (DTI), sind in der Lage, zu messen und zu quantifizieren, die Integrität der weißen Substanz Verbindungshirnregionen. DTI ist die häufigste strukturelle Bildgebung Ansatz und Maßnahmen Integrität der weißen Substanz auf der Basis des anisotropen (dh Richtungs) Fluss von Wassermolekülen entlang der weißen Substanz, wie Wasser fließt überwiegend entlang der weißen Substanz (im Vergleich zu über sie). Dieser Unterschied in der Flussrichtung wird als fraktionierte Anisotropie (FA) ausgedrückt. Niedergrade FA gedacht werden, um mikrostrukturelle Veränderungen in der weißen Substanz, die Erscheinungsformen der neuronalen Verletzungen aus einer Vielzahl von Ursachen haben können, einschließlich der Folgen von Stress Exposition ⁴ reflektieren. Von einer Netzwerkperspektive, koordinierte Aktivität des Gehirns (zB Ruhezustand Aktivität oder Koornierte aufgabenbezogene Aktivität) muss bei der strukturellen Verbindungen angewiesen. Im Fall des früheren DMN Ergebnisse beeinträchtigt Strukturschäden, die Kommunikation zwischen DMN-Knoten, was zu einer verminderten DMN funktionelle Konnektivität. Ebenso erhöht Muster der Deaktivierung Gefügeschäden, die die Rekrutierung von mehr Bereichen der Hirnrinde während der Aufgaben Reaktion erfordert reflektieren. Relevant für PTSD und der DMN haben mehrere Studien verringerte FA im Cingulum Bundle ^20,21, die die weiße Substanz-Darm-Trakt, die große limbischen Strukturen des Gehirns ²² verbindet, ist gezeigt. Es ist wahrscheinlich, dass genauere Maßnahmen Verwendung Traktographie (dh, die direkt verfolgen weißen Substanz auf neuronaler Ebene) in der Lage, herauszufinden, welche speziell der weißen Substanz Fasern in Netzwerkstörung beteiligt. Die Vorteile, die DTI-Bildgebung ist, dass es relativ leicht zu erwerben, da es keine erforderliche Aufgaben in den Scanner führen.

In der following Protokoll werden die funktionalen Ansätze der Ruhezustand funktionelle Konnektivität und Quantifizierung von Aufgabe-induzierte Deaktivierungen mit einer Untersuchung der strukturellen Konnektivität mit DTI kombiniert, um zur Karte DMN Struktur und Funktion und beziehen sich diese Erkenntnisse auf Krankheitsschwere und relevante klinische Faktoren in PTSD . Wir haben bereits diesen Ansatz in der Trauma-exponierten gesunden Erwachsenen durchgeführt und ^18,23 gefunden, dass dieses Protokoll bietet eine überzeugende Methode, um die DMN, das sich eignet, um sich dem Studium der PTSD und anderen stressbedingten psychischen Erkrankungen Adaptation charakterisieren.

Protocol

Teilnahmeberechtigte unterzeichnen geschrieben, informierte Zustimmung zu dem Forschungsprojekt teilzunehmen. Die Forschung ist in Übereinstimmung mit den institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für die menschliche Wohlfahrt durchgeführt. 1. Teilnehmer Screening und Diagnose-Interviews Nach Einwilligung, führen Beratungsgespräche, um die Diagnose von PTSD und Schwere der Erkrankung zu überprüfen. HINWEIS: Diese Maßnahmen umfassen die Strukturierte Klin…

Representative Results

Repräsentative Ergebnisse sind auf gesammelten Daten mit der gleichen Bild Ansatz in zwei verschiedenen Proben von Personen mit einer Geschichte der Kindheit Traumata und Misshandlung basiert, aber ohne PTSD 21,22. Ergebnisse aus Ruhezustand funktionelle Konnektivität Analysen zeigten eine räumliche Muster Einklang mit den wichtigen Knoten des DMN (Abbildung 1) 1-3,8 einschließlich der MPFC, PCC, Winkel Gyrus / unteren Parietallappen und mittleren temporalen Regionen. Die Best?…

Discussion

Die beiden wichtigsten Schritte für eine erfolgreiche Umsetzung des Neuroimaging-Protokoll genau erfassen Ruhezustand und Arbeitsgedächtnis-Effekte.

Konzeptionell ist der Erwerb der Ruhezustand Bilder unkompliziert. Da gibt es keine Aufgabe zu erfüllen, beschreiben Experimentatoren oft Hirnaktivität während dieser Epochen als "Rest". Jedoch, wie dieses Feld ist relativ neu im Vergleich zu anderen Bereichen der bildgebenden Verfahren ^ein, gibt es keine expliziten Kon…

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