Utvikling Neuroimaging Fenotyper av Standard Mode Network i PTSD: Integrering av Resting State, arbeidshukommelse, og Structural 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

Komplementære strukturelle og funksjonelle Bildediagnostiske teknikker som brukes til å undersøke Standard Mode Network (DMN) potensielt kan forbedre vurderinger av psykiatrisk sykdom alvorlighetsgrad og gi økt gyldighet til den kliniske diagnostiske prosessen. Nyere undersøkelser tyder på at neuroimaging DMN prosesser kan bli avbrutt i en rekke stressrelaterte psykiatriske sykdommer, slik som posttraumatisk stress-syndrom (PTSD).

Selv om spesifikke DMN funksjoner forblir under etterforskning, er det generelt antatt å være involvert i introspeksjon og selvbehandling. Hos friske individer viser det størst aktivitet i perioder med hvile, med mindre aktivitet, observert som deaktivering, under kognitive oppgaver, for eksempel arbeidsminne. Dette nettverket består av medial prefrontal cortex, posterior cingulate cortex / precuneus, lateral parietal cortex og mediale temporale regioner.

Flere funksjonell og strukturell imaging tilnærminger har blitt utviklet for å studere DMN. Disse har enestående mulighet til å fremme forståelsen av funksjonen og dysfunksjon av dette nettet. Funksjonelle tilnærminger, som evalueringen av hviletilstand tilkobling og oppgave-induced deaktivering, har utmerket potensial til å identifisere målrettet nevrokognitiv og neuroaffective (funksjonelle) diagnostiske markører og kan tyde på sykdom alvorlighetsgrad og prognose med økt nøyaktighet eller spesifisitet. Strukturelle tilnærminger, for eksempel evaluering av morfometri og tilkoblingsmuligheter, kan gi unike markører for etiologi og langsiktige resultater. Kombinerte, funksjonelle og strukturelle metoder gir sterke multimodale, komplementære og synergistiske tilnærminger for å utvikle gyldige DMN-baserte bilde fenotyper i stressrelaterte psykiske tilstander. Denne protokollen tar sikte på å integrere disse metodene for å undersøke DMN struktur og funksjon i PTSD, om funnene til sykdom alvorlighetsgrad og relevante kliniske faktorer.

Introduction

Bildediagnostiske representerer et verktøy med enestående potensial til å undersøke diagnostisk validitet, alvorlighetsgrad av sykdom, prognostics og behandlingsrespons i nevropsykiatri. Et bredt spekter av komplementære Bildediagnostiske teknikker er nå tilgjengelig for å karakterisere struktur og funksjon av sentrale hjernesystemer, og å hjelpe til med identifisering av Bildediagnostiske fenotyper i psykiatriske populasjoner. Av disse systemene, har Standard Mode Network (DMN) fått mye oppmerksomhet i kognitiv og klinisk nevrovitenskap litteratur det siste tiåret.

Den DMN er en såkalt "hviletilstand nettverk" som inkluderer den mediale prefrontale cortex (MPFC) som den viktigste anterior node, posterior cingulate cortex / precuneus (PCC) som prinsipp posterior node, sammen med mindreverdig-laterale parietal cortex og mediale temporale regioner. De sentrale trekk ved dette nettverket er at det viser sitt høyeste aktivitet i perioder med hvile, WHIch oppstår mens fagene er våken og oppmerksom, men ikke involvert i en bestemt oppgave; denne hviletilstand aktiviteten ble skapt "Standardmodus" av hjernens funksjon ^en. Hviletilstand aktivitet i dmn er også sterkt synkronisert, noe som betegnes som hvilende tilstand funksjonell kommunikasjon. Den andre viktige trekk ved DMN er at det viser redusert aktivitet i perioder med økt ekstern kognitive krav, som er observert som oppgave-induced deaktivering under funksjonell neuroimaging paradigmer ^2,3. Det er en hypotese at balansen mellom det indre (dvs. hviletilstand) og eksternt (dvs. oppgave-relatert aktivitet) krav er nødvendig for å opprettholde en sunn hjerne fungerer ^3-5.

I det følgende gis en kort oversikt over tre metoder for å studere DMN: funksjonelle tilkoblingsmuligheter og oppgave-assosiert deaktivering, etterfulgt av strukturelle tilkobling. Disse tre metodene er synkenderibed som komplementære måter å karakterisere dette nettverket i kliniske prøver, for eksempel pasienter med post-traumatisk stresslidelse og relaterte psykiatriske tilstander.

Hviler State DMN Funksjonell Connectivity

Hviletilstand funksjonelle tilkoblings har nylig blitt en vanlig metode anvendes for å evaluere mønstre av referansehjernefunksjonen i fravær av oppgavekrav. Funksjonell tilkobling er en analytisk metode som kvantifiserer koherens, eller graden av synkronitet i blod oksygen nivå avhengig (BOLD) signal over tid, på tvers av ulike områder av hjernen. En voksende mengde forskningslitteratur viser at de typiske mønstre av DMN tilkobling kan endres i klinisk og utsatte befolkningsgrupper, og særlig de med tidligere eksponering for betydelig stress eller traumer. Den vanligste funn er blitt redusert DMN hviletilstand funksjonell tilkobling forbundet med PTSD ^seks. Denne redusert tilkobling kan have direkte kliniske applikasjoner, som redusert DMN-tilkobling kan være prediktiv av dem som kan utvikle PTSD etter en akutt stressor ^7. Redusert DMN funksjonell tilkobling kan tolkes på flere måter, oftest at det reflekterer dårlig kommunikasjon mellom viktige områder av hjernen som er involvert i selv-behandling, som kan føre til en manglende evne til å omfordele interne ressurser fra baseline DMN behandling til eksterne krav. Dette nettverket avbrudd kan forklare kjerne kliniske symptomer på psykiatriske lidelser som PTSD og andre stressrelaterte psykiske tilstander ^åtte. Videre etterforskning i etiologien av disse forstyrrelsene er et viktig område for fremtidig forskning.

Fra et mer generelt perspektiv, fordelene ved å undersøke den funksjonelle tilkobling av DMN inkluderer relativt enkel implementering og et robust mønster av hviletilstand funksjonell tilkobling hos friske kontroller som gjør det mulig for en pålitelig sammenligning ^9,10 </sopp>. Derfor har denne metoden potensial til å utvikles til et enkelt implementeres og robust Bildediagnostiske biomarkør av stressrelaterte psykiske lidelser som informerer hvordan hjernen fungerer i fravær av spesifikke oppgaven krever i personer med PTSD og andre stressrelaterte psykiske tilstander.

Oppgave-assosiert DMN deaktiver

Undersøke DMN respons under arbeidsminnet (WM) tilbyr en annen tilnærming for å undersøke funksjon og dysfunksjon av dette nettverket utover hviletilstand synkront. Denne tilnærmingen, som reflekterer en mer standard funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI)-metoden, gir forskjellig informasjon om respons på oppgave krav som kan ha klinisk betydning ^11. Tidligere forskning har dokumentert at deltakerne med PTSD demonstrere svekket WM funksjon og en større grad av DMN deaktiver under WM oppgaver, som kanskje gjenspeiler økt kognitiv innsats ^12-15. USIng WM som en fMRI utfordring har flere fordeler. For eksempel, det er sikkert løsner flere viktige DMN regioner, fra hvile til en aktiv stat. Mest relevant for PTSD og andre stressrelaterte psykiske tilstander, WM oppgaver pålitelig løsne MPFC, den store fremre DMN node som er involvert i kritiske stier dysregulert i PTSD. Det har vært godt etablert at MPFC modulerer stigende amygdala aktivitet, og trolig spiller en avgjørende rolle i frykt condition ^16. Vurdering av MPFC aktivitet kan også være en nyttig beregning i fremtiden klinisk arbeid. For eksempel, i en tidligere studie av traumatiserte politifolk, økt eksponering psykoterapi MPFC aktivitet og redusert amygdala aktivitet under traumatisk minne henting. Disse Bildediagnostiske endringer ble assosiert med redusert PSTD symptomer ^17. Dette tilfellet av WM-indusert MPFC deaktiver er bare ett eksempel på hvordan Bildediagnostiske beregninger kan brukes til kliniske populasjoner, og videre letingav andre DMN komponenter er sannsynlig å være et fruktbart område for fremtidig forskning.

I denne protokoll, blir n-back oppgave verbal arbeidsminnet benyttes. Den n-back oppgave er mye brukt i fMRI forskning, og gir pålitelig aktivering av utøvende aktivering og standardmodus nettverk deaktivering regioner ^18,19. Denne oppgaven omfatter tre komponenter, en 0-back brev årvåkenhet oppgave, den to-back oppgaven med arbeidsminne og hviler baseline for sammenligning. Under 0-back årvåkenhet oppgave, Deltakere svare "ja" når en forhåndsbestemt mål konsonant ("H" eller "h") dukket opp og "nei" for andre konsonanter ved hjelp av en to-knapp svarboksen mens inne i skanneren. Seks 0-back kontroll blokker med 9 konsonanter presenteres i løpet av denne oppgaven. I løpet av to-baksiden, er en serie av konsonanter presenteres visuelt for hver 500 msek, med en interstimulus intervall på 2500 msek. Deltakerne gjør et "ja" eller "nei"reaksjon, etter hver konsonant presentert, for å indikere hvorvidt det er den samme eller forskjellig fra den konsonant presentert to tidligere i en rekke (f. eks., m, N, r, N, R, Q, r, q, N, O mm. , med riktige svar angitt i fet skrift). Under to-back, seks 45 sekunder serier av 15 konsonanter er presentert. For å utføre vellykket deltakeren må opprettholde en krevende kognitiv sett som inkluderer konstant phonemic buffering (ie. Holder konsonanter i korttidshukommelse), subvocal phonemic øving (dvs.. Gjenta konsonanter uten bevegelig høyt), og utøvende koordinering. I både 0 – og 2-back blokker, er frekvensen av presentasjonen den samme, 33% av målene er presentert i tilfeldige steder, og kapitalisering er randomiserte å oppmuntre verbal koding. En 30 sek hvile baseline med et trådkors fiksering punkt er presentert før hver 0-back block; denne grunnlinje blir brukt til subsequlige sammenligninger av oppgave-assosiert aktivitet sammenlignet med baseline under dataanalyser.

Til sammen foreslår bevarte data som karakterisering av oppgave-forbundet DMN aktivitet under en rekke oppgaver kan spille en viktig rolle i den kliniske bruk av funksjonell DMN analyse. Det er andre fordeler med å bruke WM som en fMRI utfordring i stress relaterte psykiatriske tilstander. I likhet med hviletilstand tilkobling, er det et klart mønster av DMN deaktiver under WM i friske individer, noe som letter sammenligninger med kliniske prøver. WM er også traumer nøytral, noe som kan unngå å utløse kliniske PTSD symptomer under skanning. Derfor denne metoden har også potensial til å utvikles til en Bildediagnostiske biomarkør som gjenspeiler hvordan hjernen reagerer på ytre krav i stress relaterte psykiske lidelser.

DMN Structural Connectivity

Mens funksjonell bildediagnostikk er i stand til å beskrive endrings i hjernen tilkobling eller aktivitet forbundet med eksponering stress, trenger funksjonelle tilnærminger ikke beskrive etiologi bak observerte hjernen endringer. Strukturelle imaging metoder, som for eksempel diffusjon tensor imaging (DTI), er i stand til å måle og kvantifisere integriteten til de hvite substans traktene koble hjernen regioner. Dti er den vanligste konstruksjons neuroimaging tilnærming og måler hvit substans integritet basert på det anisotrope (dvs. retnings) strømmen av vannmolekyler langs hvit substans trakter, som vannet strømmer hovedsakelig langs hvit substans traktene (i forhold til på tvers av dem). Denne forskjell i retningsbestemt strømning uttrykkes som fraksjons anisotropi (FA). Lavere grad av FA er tenkt å reflektere mikro endringer i hvit substans traktater, som kan være manifestasjoner av neuronal skade fra en rekke årsaker, blant annet konsekvensene av stress eksponering ^fire. Fra et nettverk perspektiv, koordinert hjerneaktivitet (dvs. hviletilstand aktivitet eller Coordinated oppgave-relatert aktivitet) må stole på strukturelle forbindelser. I tilfellet med tidligere funn DMN, svekker strukturell skade kommunikasjonen mellom DMN noder, som fører til redusert dmn funksjonelle tilkobling. Tilsvarende kan økt mønstre deaktivering reflektere mikro skader som nødvendiggjør rekruttering av større områder av cortex under oppgave respons. Relevant for PTSD og dmn har flere studier vist redusert FA i tverrfuren bunt ^20,21, som er hvit substans kanalen som forbinder hoved limbiske strukturer i hjernen ^22. Det er sannsynlig at mer presise tiltak utnytte tractography (dvs. at direkte spore hvit substans traktene på den nevronale nivå) vil være i stand til å belyse spesielt som hvit substans fibre er involvert i nettverket avbrudd. Fordelene til DTI bildebehandling er at det er relativt enkelt å skaffe seg så er det ingen nødvendige oppgaver å utføre i skanneren.

I following protokollen, er de funksjonelle tilnærminger til hviletilstand funksjonell tilkobling og kvantifisering av oppgave-induced deaktiver kombinert med en undersøkelse av strukturelle tilkobling ved hjelp av DTI, for å kartlegge DMN struktur og funksjon og relatere disse funnene til sykdom alvorlighetsgrad og relevante kliniske faktorer i PTSD . Vi har tidligere gjennomført denne tilnærmingen i traumeutsatte friske voksne ^18,23 og fant at denne protokollen gir en overbevisende metode for å karakterisere DMN som gir seg til tilpasning til studiet av PTSD og andre stressrelaterte psykiske lidelser.

Protocol

Kvalifiserte deltakere signere skriftlig, informert samtykke til å delta i forskningsprosjektet. Forskning utføres i samsvar med institusjonelle, nasjonale og internasjonale retningslinjer for menneskelig velferd. En. Deltaker Screening og diagnose Intervjuer Etter informert samtykke, utføre diagnostiske intervjuer for å verifisere diagnosen PTSD og sykdom alvorlighetsgrad. MERK: Disse tiltakene omfatter Structured Clinical Interview for DSM-IV-TR (SCID) 24 og Lege …

Representative Results

Representative resultatene er basert på data samlet inn ved hjelp av den samme bilde tilnærming i to forskjellige prøver av personer med en historie med traumer i barndommen og mishandling, men uten PTSD 21,22. Resultater fra hviletilstand funksjonell tilkobling analyser avdekket en romlig mønster forenlig med store noder av DMN (Figur 1) 1-3,8 inkludert MPFC, PCC, kantete gyrus / mindreverdig parietal lobule og midtre temporale regioner. Bekreftelse på dette romlige fordeling…

Discussion

De to mest kritiske trinn for vellykket gjennomføring av Bildediagnostiske protokollen er nøyaktig fange hviletilstand og arbeider minne effekter.

Konseptuelt, er oppkjøpet av hviletilstand bilder grei. Siden det er ingen oppgave å utføre, forskere ofte beskrive hjernens aktivitet under disse epokene som "hvile." Men, da dette feltet er relativt nytt i forhold til andre områder av Bildediagnostiske ^en, er det ingen eksplisitt enighet om hvordan man skal presisere &…

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