Разработка нейровизуализации фенотипов по умолчанию сетевой режим, в ПТСР: Интеграция состоянии покоя, рабочей памяти и структурные 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

Дополнительные структурные и функциональные методы нейровизуализации, относящиеся к исследованию стандартный режим сети (DMN) потенциально может повысить оценку психиатрической тяжести заболевания и обеспечить дополнительную действительность в диагностическом процессе клинического. Недавние исследования нейровизуализации позволяет предположить, что DMN процессы могут быть нарушены в ряде связанных со стрессом психических заболеваний, таких как посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР).

Хотя конкретные функции DMN остаются под следствием, как правило, считается, участвуют в интроспекции и самостоятельной обработки. У здоровых людей он обладает наибольшей активностью в периоды отдыха, с меньшей активностью, наблюдаемые как дезактивации, во время познавательных задач, например, рабочая память. Эта сеть состоит из медиальной префронтальной коре, задней части поясной извилины / предклинья, боковых теменной коры и медиальной височной области.

Несколько функциональное и структурное воображениенг подходы были разработаны для изучения DMN. Они имеют беспрецедентные возможности для углубления понимания функции и дисфункции этой сети. Функциональные подходы, такие как оценки покоя подключение и отключение задач, вызванных, имеют отличный потенциал для выявления целевой нейрокогнитивные и neuroaffective (функциональных) диагностических маркеров и может свидетельствовать о тяжести заболевания и прогноз с повышенной точностью и специфичности. Структурные подходы, такие как оценки морфометрии и связи, может обеспечить уникальные маркеры этиологии и долгосрочные результаты. Комбинированные, функциональные и структурные методы обеспечивают сильные мультимодальные, взаимодополняющих и синергетические подходы к разработке действительные д.м.н. основе изображений фенотипы в связанных со стрессом психических расстройств. Этот протокол направлен на интеграцию этих методов для исследования структуры DMN и функции в ПТСР, касающиеся заключения к тяжести заболевания и соответствующих клинических факторов.

Introduction

Сканирование мозга представляет собой инструмент с беспрецедентного потенциала для изучения диагностической действия, тяжести заболевания, прогностики и ответа на лечение в нейропсихиатрии. Широкий спектр дополнительных методов нейровизуализации теперь доступен для характеристики структуры и функции ключевых систем мозга, и, чтобы помочь в идентификации нейровизуализации фенотипов в психиатрических населения. Из этих систем, по умолчанию режим сети (DMN) получил большое внимание в когнитивной и клинической неврологии литературе за последнее десятилетие.

DMN является так называемый «состояние покоя сеть", который включает в медиальной префронтальной коры (MPFC) в качестве основного переднего узла, задней части поясной извилины / предклинья (PCC) как принцип задней узла, вместе с нижней-боковых теменной коре и медиальной височной областях. Они Ключевой особенностью этой сети является то, что он обладает своей наивысшей активности в периоды отдыха, беч происходит в то время предметы просыпаются и оповещения, но не участвует в конкретной задачи; это состояние покоя активность был придуман "Режим по умолчанию" функции мозга ^1. Состоянии покоя активность в DMN также весьма синхронизированы, что описывается как состояние покоя функциональную связь. Другой ключевой особенностью НУМ является то, что она демонстрирует уменьшенное активность в периоды повышенных внешних познавательных потребностей, которая наблюдается как дезактивации задач, вызванных во время функциональной нейровизуализации парадигмы ^2,3. Предполагается, что баланс между внутренней (то есть государство отдыха) и внешних (т.е. деятельность, относящихся к заданию) требований необходимы для поддержания здорового функционирования мозга ^3-5.

В следующих разделах приведены краткий обзор трех методов с целью изучения DMN: функциональная связность и дезактивации задача связанных с последующим структурным связи. Эти три метода являются убываниюribed качестве дополнительных способов характеризующие эту сеть в клинических образцах, таких как пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством и смежных психических заболеваний.

Состоянии покоя DMN функциональной связности

Состоянии покоя функциональную связь в последнее время стал общий подход используется для оценки моделей базовой функции мозга при отсутствии требований задачи. Функциональная связность является аналитическим методом, который количественно согласованности, или степень синхронности в зависимости (жирный шрифт) сигнала уровня кислорода в крови в течение долгого времени, в различных областях головного мозга. Растущий объем научной литературы показывает, что типичные закономерности связи DMN могут быть изменены в клинических и групп населения повышенного риска, и особенно с предыдущим воздействием значительного стресса или травмы. Наиболее частая находка была снижена DMN покоя функциональную связь, связанную с ПТСР ^6. Это уменьшенная подключение может ВГАе прямые клинические применения, а снизились подключения DMN может прогнозировать, кто может развиться ПТСР после острого стрессора ^7. Уменьшение DMN функциональная связность можно интерпретировать по-разному, чаще всего, что она отражает плохое взаимодействие между важных областях мозга, участвующих в самостоятельной обработки, что может привести к неспособности перераспределить внутренние ресурсы от базового обработки DMN к внешним требованиям. Это нарушение сеть может объяснить основные клинические симптомы психических расстройств, таких как ПТСР и других связанных со стрессом психических заболеваний ^8. Дальнейшие исследования в этиологии этих нарушений является важной областью для будущих исследований.

С более общей точки зрения, преимущества изучения функциональной связности НУМ включают относительно простую реализацию и надежную картину покоя функциональную связь у здоровых, что позволяет для надежного сравнения ^9,10 </sдо>. Таким образом, этот метод имеет потенциал для развития в легко реализуется и надежной нейровизуализации биомаркера связанных со стрессом психических расстройств, который информирует, как функционирует мозг при отсутствии конкретных требований задач у лиц с ПТСР и других связанных со стрессом психических расстройств.

Задача-связанные DMN деактиваций

Изучение реакции DMN во рабочей памяти (WM) предлагает другой подход к исследованию функции и дисфункции этой сети за пределами покоя синхронность. Этот подход, который отражает способ более стандартный функциональный магнитно-резонансная томография (FMRI), предоставляет различную информацию о реакции на задачи требований, которые могут иметь клиническое значение ^11. Предыдущие исследования документально подтверждено, что участники с ПТСР демонстрируют нарушение функционирования WM и большую степень DMN деактиваций во WM задач, возможно, отражает повышенную познавательную усилия ^12-15. Усинг WM как вызов FMRI имеет несколько преимуществ. Например, он надежно отключает несколько ключевых областей д.м.н., от покоя в активное состояние. Самые отношение к ПТСР и других связанных со стрессом психических расстройств, WM задачи надежно отключить MPFC, основной передней DMN узел, который участвует в критических путей дизрегуляции в ПТСР. Было точно установлено, что MPFC модулирует возрастанию деятельность при миндалевидного тела, и, вероятно, играет решающую роль в страхе кондиционирования ^16. Оценки MPFC деятельности также может быть полезным показателем в будущем клинической помощи. Например, в одном предыдущем исследовании травмированных полицейских, психотерапия экспозиции увеличилась MPFC активность и снижение деятельность при миндалевидного тела во время травматического извлечения памяти. Эти изменения нейровизуализации были связаны с уменьшением PSTD симптомов ^17. Этот экземпляр WM-индуцированных MPFC деактиваций но один пример того, как нейровизуализации метрики могут быть применены к клинических популяций, и дальнейшее изучениедругих компонентов DMN, вероятно, будет плодотворным площадь будущих исследований.

В этом протоколе, н-обратно задача словесной рабочей памяти используется. Н-обратно задача широко используются в исследованиях FMRI, и обеспечивает надежную активацию исполнительного активации и режим по умолчанию сеть дезактивации регионах ^18,19. Эта задача включает в себя три компонента, 0-обратно письмо бдительность задачу, 2-назад задача рабочей памяти и отдыха основу для сравнений. В ходе бдительности задачи 0-обратно, участники отвечают "да", когда появился заданный целевой согласный ("Н" или "ч") и "нет" для других согласных с использованием окно ответа двухкнопочной то время как внутри сканера. Шесть управления 0-обратно блоки 9 согласных представлены в течение этого задания. В течение 2-назад, ряд согласных представлены визуально для 500 мс каждый, с межстимульный интервале 2500 мс. Участники делают "да" или "нет"ответ, после каждого согласного представлены, чтобы указать, является ли это то же самое или отличается от согласного представлены два ранее в серии (например., ж, N, R, N, R, Q, R, Q, N, W и т.д.. , с правильными ответами выделен жирным шрифтом). Во время 2-обратно, шесть 45 сек серии 15 согласных представлены. Чтобы успешно выполнять участник должен поддерживать с требованием познавательную набор, который включает постоянный фонемного буферизации (IE. Холдинг согласных в кратковременной памяти), subvocal фонемного репетицию (IE. Повторяющуюся согласных без формулирования вслух), и исполнительный координации. В обоих 0 – и 2-обратно блоков, скорость презентации то же самое, 33% целевых представлены в случайных местах, и капитализация рандомизированы для поощрения словесное кодирование. 30 сек отдыхает базовый с перекрестие точки фиксации представлен перед каждым 0-назад квартал; это базовая линия используется для subsequсравнения ЛОР деятельности задач связанных сравнению с базовой линии в течение анализа данных.

Взятые вместе, сохранились данные показывают, что характеристика задач связанных DMN деятельности во время различных задач может сыграть важную роль в клинической использования функционального анализа DMN. Есть и другие преимущества в использовании WM как вызов FMRI в связанных со стрессом психических расстройств. Подобно покоя связи, существует четкая картина DMN деактиваций во WM у здоровых лиц, что облегчает сравнение с клинических образцов. WM также травмы нейтральным, которые могут избежать запуска клинические симптомы ПТСР в процессе сканирования. Поэтому этот метод также имеет потенциал для развития в нейровизуализации биомаркеров, которая отражает как мозг реагирует на внешние требования в связанных со стрессом психических расстройств.

DMN Структурная подключения

В то время как функциональной визуализации может описать измененияс в связи мозга или деятельности, связанной с воздействием стресса, функциональный подходы не описывают этиологию за наблюдаемые изменения головного мозга. Структурные методы визуализации, такие как тензора диффузии изображений (DTI), в состоянии измерить и количественно целостности трактов белого вещества, соединяющих участки мозга. DTI является наиболее распространенным структурный подход нейровизуализации и меры целостности белого вещества на основе анизотропной (т.е. направленный) потока молекул воды вдоль трактов белого вещества, как вода течет преимущественно вдоль белого вещества мозга (по сравнению с через них). Эта разница в направленного потока выражается как фракционной анизотропии (ФА). Более низкие степени FA, отражают микроструктурных изменений в трактов белого вещества, которые могут быть проявления нейронов травмы от различных причин, в том числе последствий стресса воздействия ^4. С точки зрения сети, координирует деятельность мозга (то есть состояние покоя активность или коорdinated деятельность задача связанных) должны полагаться на структурных связей. В случае предыдущими результатами DMN, структурно повреждение ухудшает сообщение между DMN узлов, что приводит к снижению DMN функциональной связи. Аналогично, повышение модели дезактивации может отражать микроструктурной ущерб, которая требует вербовки больших областях мозга во время ответа задач. Относится к ПТСР и НУМ, несколько исследований показали, снижение FA в поясного пучка ^20,21, что является белое вещество тракта, который соединяет основные лимбической структуры мозга ^22. Вполне вероятно, что более точные меры, использующие трактография (т.е., непосредственно проследить трактов белого вещества на нейронном уровне) смогут выяснить, какие конкретные белого вещества волокна участвуют в нарушение сети. Преимущества для DTI изображений является то, что он сравнительно легко приобрести как нет необходимых задач для выполнения в сканере.

В FOПротокол llowing, функциональные подходы покоя функциональную связь и количественное определение задач, вызванных деактиваций сочетаются с изучения структурной связи с использованием DTI, чтобы сопоставить структуру DMN и функции и относятся эти данные, чтобы тяжести заболевания и соответствующих клинических факторов ПТСР . Ранее мы реализовали этот подход в травматологических, подвергшихся воздействию здоровых взрослых ^18,23 и обнаружили, что этот протокол обеспечивает убедительный метод для характеристики DMN, что поддается адаптации к изучению ПТСР и других связанных со стрессом психические заболевания.

Protocol

Подходящие участники подписать письменное информированное согласие на участие в исследовательском проекте. Исследование осуществляется в соответствии с институциональными, национальных и международных руководящих принципов для благосостояния человека. 1. Участник С…

Representative Results

Представитель результаты основаны на данных, собранных с помощью того же подхода изображений в двух различных образцов лиц с историей детской травмы и жестокого обращения, но без ПТСР 21,22. Результаты покоя функциональную связь анализирует показал пространственную картину в соо?…

Discussion

Два наиболее важных шагов для успешной реализации протокола нейровизуализации точно захвата покоя и работает эффекты памяти.

Концептуально, приобретение покоя изображений проста. Поскольку нет задачу выполнить, экспериментаторы часто описывают деятельность мозга во…

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