Evnen til at fremkalde og/eller kontrollere neural plasticitet kan være kritisk i fremtidige behandlinger for neurologiske lidelser og genrejsning efter hjerneskade. I dette papir præsenterer vi en protokol om anvendelse af neurofeedback træning med funktionel magnetisk resonans skanning til at modulere menneskelig hjernefunktion.
Neurologiske sygdomme er kendetegnet ved unormal cellulære-, Molekylær-, og kredsløb-niveau funktioner i hjernen. Nye metoder til at fremkalde og styre neuroplastiske processer og korrekte unormal funktion eller endda skift funktioner fra beskadiget væv til fysiologisk sund hjerneregioner, har potentiale til at dramatisk forbedre den generelle sundhed. De nuværende neuroplastiske interventioner i udvikling har neurofeedback træning (NFT) fra funktionel magnetisk resonans Imaging (fMRI) fordelene ved at være fuldstændig ikke-invasiv, ikke-farmakologiske og rumligt lokaliseret til target hjernen regioner, samt har ingen kendte bivirkninger. NFT teknikker, i første omgang udviklet ved hjælp af fMRI, kan desuden ofte oversættes til øvelser, der kan udføres uden for scanneren uden hjælp af medicinske fagfolk eller avanceret medicinsk udstyr. I fMRI NFT, er fMRI signal målt fra bestemte regioner af hjernen, behandles og præsenteret for deltageren i realtid. Gennem uddannelse, er selvstyret behandling af mentale teknikker, der regulerer dette signal og dets underliggende neurophysiologic korrelerer, udviklet. FMRI NFT er blevet brugt til at træne viljesmæssige kontrol over en bred vifte af hjerneregioner med konsekvenser for flere forskellige kognitive, adfærdsmæssige og motoriske systemer. Derudover fMRI NFT har vist lovende i en bred vifte af applikationer såsom behandling af neurologiske sygdomme og forstærkning af baseline menneskelige præstationer. I denne artikel præsenterer vi en fMRI NFT protokol udviklet på vores institution for graduering af både sund og unormal hjernefunktion, samt eksempler på brug af metoden til at målrette mod både kognitive og auditive regioner af hjernen.
Neurologiske sygdomme præsentere store hindringer på berørte personer, deres familier og samfund. Behandlinger for neurologiske sygdomme kan være ikke-eksisterende eller af tvivlsom effektivitet og ofte kun mål symptomer på lidelsen. Det er tilfældet for tinnitus – phantom opfattelsen af lyd – som ikke har en behandling, der er godkendt af US Food and Drug Administration (FDA). Tinnitus kan have en dybtgående indvirkning på en persons liv, at blande sig med dagligdags opgaver af faldende koncentration eller at ændre opfattelsen af faktiske lyd. Desuden kan personer, der berøres af tinnitus også opleve træthed, stress, søvnproblemer, hukommelsesproblemer, depression, angst og irritabilitet1. Behandlinger, der findes, såsom antidepressive og antianxiety medicin, kun hjælpe med at administrere de tilhørende symptomer og kan ikke behandle den underliggende årsag. Dette skaber en kritisk gap for innovative behandlinger af disse lidelser.
Forbedringer i erhvervelse teknikker, datakraft og algoritmer har revolutioneret den hastighed hvormed funktionel magnetisk resonans Imaging (fMRI) data kan måles og behandles. Dette har aktiveret fremkomsten af real-time fMRI, hvor data kan blive behandlet som de er indsamlet. Tidlig ansøgninger af real-time fMRI blev begrænset2, primært hæmmes af manglende evne til hurtigt fuldføre forbehandling trin typisk til offline analyser såsom motion korrektion. Forbedringer i computing-teknologi og algoritmer har nu øget hastighed, følsomhed og alsidighed af real-time fMRI3 giver lignende offline forbehandling skal anvendes i realtid. Disse udviklinger har ført til 4 primære anvendelsesområder af real-time fMRI: intraoperativ kirurgisk vejledning4, hjerne-computer interfaces5,6, om aktuelle hjernen hedder7, tilpasning stimuli og Neurofeedback træning8.
NFT, er selv om ikke den oprindelige fokus for real-time fMRI, en voksende inden for forskning, hvor individer lærer at graduere hjerneaktivitet volitionally gennem gennemførelsen af mentale strategier (dvs. forestillet opgaver). NFT er en form for operant betingning9, som har vist sig at øge neuronal fyring priser og neuronal aktivitet i aber10. Også, fMRI NFT har været forbundet med spike timing-afhængige plasticitet, som er neurale ændringer, der opstår under associative læring11. Yderligere konsekvenser foreslår fMRI NFT inducerer plasticitet via langsigtede potensering (LTP), hvilket resulterer i forøget synaptisk effektivitet12. En anden påstand indebærer cellulære mekanismer af færdigheder læring, såsom viljesmæssige kontrol over hjerneaktivitet, og kan indebære ændringer i spænding-afhængige membran ledningsevne – udtrykt som en ændring i neurale ophidselse13. Under alle omstændigheder fremgår det, at fMRI NFT påvirker hjernen på neuralt niveau. Disse teorier giver en stærk sag for brug af fMRI NFT i behandlingen af neurologiske sygdomme.
FMRI NFT, giver i modsætning til traditionelle fMRI, mulighed for at undersøge forholdet mellem hjerneaktivitet og adfærd11,14. For nylig har der været spike i undersøgelser der involverer fMRI NFT med næsten dobbelt så mange artikler offentliggjort i 2011-2012 (n = 30) i forhold til de foregående ti år (n = 16)11. En af de første fMRI NFT undersøgelser blev gennemført af Weiskopf og kolleger i 20038. Denne undersøgelse viste held gennemførligheden af online feedback og selvregulering fMRI signal i den forreste Cingulate Cortex (ACC) ved hjælp af en deltager. Feedback blev vises med en forsinkelse på omkring to sekunder, mere end en størrelsesorden hurtigere end de få tidligere undersøgelser. Den første fulde studie blev udført i 2004 hvor 6 deltagere lærte at styre aktivitet af somatomotor cortex15. FMRI NFT blev afsluttet på tværs af 3 sessioner udføres på den samme dag. Øget aktivitet rumligt selektiv til target-regionen i somatomotor cortex blev observeret gennem løbet af uddannelse på enkelt-emne og gruppe niveau. Denne effekt blev ikke observeret for kontrolgruppen, som modtog reelle fMRI oplysninger fra en baggrund region (ikke korreleret med opgaven udføres) tidligere i flugt. Forskere har siden vist, at mennesker kan lære viljesmæssige kontrol over fMRI signalet måles fra mange hjerneregioner herunder ACC16, amygdala17, forreste insula18,19, auditive og opmærksomhed relateret netværk20, bilaterale rostrolateral præfrontale cortex21, dorsolateral præfrontale cortex12,22,23, motor cortex24, 25,26,27,28, primære auditive cortex29,30, regioner forbundet med følelsesmæssige netværk regioner31,32 , højre ringere frontal gyrus33, og visuel cortex34,35.
De underliggende mekanismer af mange neurologiske sygdomme er ukendt. I eksempel på tinnitus er der ingen indlysende kilde for phantom lyden i fleste tilfælde36,37,38. Trods dette tyder på en central mekanisme kan være ansvarlig for tinnitus percept i nogle individer, som det fremgår af manglen symptom opløsning efter komplet dissektion af hørenerven39. Hyperaktivitet forbundet med tinnitus har fundet i den primære auditive cortex40,41,42. Yderligere beviser tyder på, at virkningerne af tinnitus udvide yderligere i områder involveret i behandlingen af følelser og attentional tilstand43. Baseret på disse abnormaliteter, kan fMRI NFT paradigmer udvikles for at fremkalde og neuroplastiske kontrolmekanismer, der fremmer normal neurale mønstre.
FMRI NFT protokollen drøftede heri kan tilpasses til at målrette mod en region af hjernen, og diskuterer en inputområdet, ROI-baseret tilgang til neurofeedback. Dette kan opnås ved programmering yderligere funktionelle localizer opgaver at aktivere andre regioner. Ved at indarbejde disse opgaver i den brugerdefinerede neurofeedback software, har vi udviklet en meget simpel proces. Der er dog én begrænsning: regionen mål skal være funktionelt defineret. På dette tidspunkt udføre den software, som vores team har udviklet ikke nogen registrering mellem anatomiske og funktionelle billeder. Derfor ikke kan andre ROI udvælgelsesmetoder, såsom atlas-baserede ROIs, gennemføres på dette tidspunkt. Derudover kan parametre for stimuli og neurofeedback (fx blok varighed, antallet af blokke og billedbehandling parametre, herunder TR) manipuleres nemt af operatøren. Derudover kører overførsel for at vurdere evnen til selv at regulere målet ROI i mangel af neurofeedback kan gennemføres. Den software vi har udviklet giver ikke neurofeedback udnytter multivariat mønstre35,48 eller tilslutningsmuligheder mellem hjernen regioner49.
FMRI NFT tilbyder betydelige fordele i forhold til andre former for neurofeedback men også har sine begrænsninger. Den største fordel ved fMRI NFT er den rumlige opløsning, der overgår alle andre former for NFT såsom elektroencefalografi (EEG)-baseret neurofeedback. Forbedret rumlige opløsning giver mulighed for specifikke hjernens strukturer/funktioner på tværs af hele hjernen til at være målrettet50. Dette er i øjeblikket ikke kan opnås med andre behandlinger såsom Farmakoterapi, der er systematisk. Men den store ulempe ved fMRI NFT er tidsforsinkelsen. Ikke kun prøveudtagning satser meget langsommere end EEG (op til 3 størrelsesordener langsommere), føjer de hæmodynamiske lag forbundet med fMRI signalet yderligere til denne forsinkelse. På trods af dette er der overvældende beviser for, at deltagerne kan overvinde denne forsinkelse og med praksis, lære at styre hjerneaktivitet (f.eks. for en gennemgang Se Sulzer et al. 11 og Scharnowski et al. 50).
Populariteten af fMRI NFT vokser, men det forbliver i en spæde fase. På grund af dette endnu fælles praksis ikke vedtages. Den beskrevne protokol beskriver metoder, som er videnskabeligt godkendt. For eksempel har flere former for feedback viser udnyttet på tværs af forskellige undersøgelser, herunder en termometer-stil bar plot18,19,21,34. Derudover en feedback signal præsenteret som procent signal ændringen med en oprindelig plan er beregnet ud fra regionen mål har også været udstrakt grad gennemført12,19,21,25 , 30 , 51 , 52.
Kontrollere plast virkningerne i hjernen tilbyder en nyskabende terapeutiske teknik til at behandle neurologiske sygdomme eller hjerneskader med unormal hjerneaktivitet, som den, der er forbundet med tinnitus diskuteret ovenfor. Selvom de præcise mekanismer omsætte Neuromodulationsbehandling til adfærdsmæssige effekter er stadig ukendt, fMRI NFT har været forbundet med LTP11. Gennem læringsprocessen forstærkes opførsel når man aktivt regulerer hjerneaktivitet i opgave-relaterede hjernen netværk. Sådan styrkelse resultater i engagement neuroplastiske mekanismer forårsager netværket til at udføre mere effektivt. Dette falder sammen med andre NFT teknikker såsom EEG-baserede neurofeedback hvor individer er uddannet til at styre frekvensbånd af elektriske signaler målt fra lokale regioner med hovedbund53,,54,55 . Andre har angivet LTP fra synaptisk plasticitet resulterer i forøget synaptisk effektivitet12. Endnu en anden påstand tyder på cellulære mekanismer af læring kan indebære ændringer i spænding-afhængige membran ledningsevne, som udtrykkes som en ændring i neurale ophidselse13. Under alle omstændigheder kontrol fremgår det at fMRI NFT medfører ændringer på cellulært niveau, og at enkelt kan lære nogle over disse processer. Denne evne, og disse ændringer kan være kritisk i at lære om og udvikling af behandlinger for hjerneskader og neurologiske sygdomme.
Et vigtigt aspekt af fMRI NFT er at måle ændringer i adfærd. Det er bydende nødvendigt at mange hypoteser, som forudser adfærdsmæssige ændringer drevet af NFT-induceret neurale ændringerne. Som minimum bør disse vurderinger indsamles på to tidspunkter: forud for og efter NFT. I tilfælde af tinnitus, kan disse adfærdsmæssige vurderinger bestå udelukkende af subjektive spørgeskemaer da der er ingen direkte mål for tinnitus. For andre neurologiske sygdomme, bør en litteraturgennemgang gennemføres for at bestemme de passende, rimelige og dokumenterede vurderinger for de specifikke hypothesis(es) undersøges. Nogle hypoteser kræver målinger på ekstra tid point, som dem udforskning i nærheden af-, kort- og langsigtede effekter af fMRI NFT. Nogle vurderinger kan kræve kurser i NFT at reducere læring effekter. Andre hypoteser måske endda kræver neurologisk test som dem interesseret i niveauer af hjernen metabolitter, cerebral perfusion eller funktionelle netværk.
FMRI NFT procedure har to kritiske faser. Først er at fastlægge et område af hjernen til at målrette for neurofeedback. Før udfører nogen procedurer, bør en grundig litteraturgennemgang gennemføres for at undersøge nervebaner og vigtige strukturer/funktioner forbundet med neurologiske lidelse eller hjerneskade. Fra dette, bør nøglefunktioner strukturer nøje valgt som mål for neurofeedback. Næste, en anden litteraturgennemgang bør udføres for at undersøge opgaver i forbindelse med denne struktur og funktion. Denne opgave kan eller kan ikke være forbundet med denne lidelse, men det bør bekræftes, at opgaven aktiverer den ønskede region(er) i de udpegede befolkning. Under neurofeedback procedurer vælges dette målområde på individuel basis på den første session eller ved hver session. Derfor kan inter – og intra subject variation være vigtige faktorer, som kan føre til uforudsigelige resultater. Det er afgørende at skabe en protokol for at vælge målområde og føre tilstrækkelig personaleuddannelse. Der er to metoder til at definere et mål ROI: anatomisk og funktionelt. Anatomiske definitioner udnytte strukturelle Mr scanninger for at definere målområde strengt fra anatomi,og eventuelt ved hjælp af en standard atlas. Funktionelle billeder er registreret til de strukturelle billeder, og regionen mål er omdannet til funktionelle plads21,26. I den funktionelle metode vælges regionen mål fra en aktivering kort fremstillet ved at foretage en funktionel localizer11,12,24,29,44. Denne metode blev drøftet heri.
Den anden kritiske fase i fMRI NFT er kontrol Gruppemarkering. Kontrolgruppen er afgørende betydning for effekten af fMRI NFT, og udvælgelsen af kontrolgrupper bør overvejes nøje. Tidligere undersøgelser har brugt en bred vifte af kontrol. En fælles procedure for en kontrolgruppe er at forsøge viljesmæssige kontrol i nærværelse af sham feedback. Denne feedback kan være yoked fra en deltager i den eksperimentelle gruppe21,44, leveres fra en region ikke involverede i den ønskede unbeknownst til deltager17,33, 44, eller omvendt52. Andre studier har anvendt kontrolgrupper, som forsøger viljesmæssige kontrol men leveres ikke med neurofeedback12,21,44,56.
En tidligere undersøgelse tyder på, at når emner forsøger at styre sham feedback, der er øget aktivering i bilaterale insula, forreste cingulate, supplerende motor, dorsomedial og laterale præfrontale områder sammenlignet med passivt at se en feedback viser57. Disse resultater indblande en bred fronto-parietale og cingulo-opercular netværket aktiveres, når der er opsat til at styre hjerneaktivitet. Desuden, disse resultater tyder på traditionelle kontrolgrupper NFT forsøgsdyr vil bruge neurale korrelerer overensstemmelse med kognitiv kontrol, selv i nærværelse af sham feedback. En særskilt meta-analyse afslørede aktivitet i den forreste insula og basale ganglier, som begge er regioner involveret i kognitiv kontrol og andre højere kognitive funktioner, var komponenter kritiske til forsøger viljesmæssige kontrol58. Resultaterne af meta-analysen bekræftede den tidligere konstatering57. Tilsammen, tyder dette på, at det er afgørende at afgrænse virkningerne af vellykket viljesmæssige kontrol og vedrører forsøget på selvregulering. Optagelse af kontrolgrupper, som ikke forsøger selvregulering kan derfor vigtigt.
Men tidligere undersøgelser hvor grupper modtog sham fMRI signaler har afsløret forskelle i target ROI aktivitet blev observeret fra dem, der modtog sande feedback15,16,17, 18 , 20 , 21 , 25 , 26 , 28 , 33 , 34 , 44, antyde uddannelse strategier, som ikke omfatter feedback er ikke effektive til at modulere målområde. Derudover udviser kontrolgruppen, som modtog identiske instruktioner og de samme periode af uddannelse, men har ikke modtaget feedback på det nuværende niveau af hjerneaktivitet ikke lignende adfærdsmæssige resultater som de eksperimentelle grupper, der fik Neurofeedback12,18,21,32,44,59. Disse resultater tyder på erfaringsbaseret virkninger kan tilskrives fMRI NFT-induceret læring snarere end andre læring eller uspecifik ændringer. Derfor skal udvikles en specifik træning regimer som målrette specifikke neurofysiologiske systemer til at opnå de ønskede virkninger. Resultaterne fra en undersøgelse med en bred vifte af kontrolgrupper angive behavioral uddannelse, praksis, sensoriske feedback og biofeedback alene producerer ikke tilsvarende adfærdsmæssige virkninger som dem, der modtager fMRI NFT44.
The authors have nothing to disclose.
Dette materiale er baseret på forskning, sponsoreret af det amerikanske luftvåben under aftalenummer FA8650-16-2-6702. De fremsatte synspunkter er dem af forfatterne og afspejler ikke den officielle synspunkter eller politik af Department of Defense og dets komponenter. Den amerikanske regering er bemyndiget til at reproducere og distribuere genoptryk til statslige formål uanset enhver ophavsret notation herom. Frivilligt, fuldt informeret samtykke fra de emner, der anvendes i denne forskning blev fremstillet som kræves af 32 CFR 219 og DODI 3216.02_AFI 40-402.
3T MRI | GE Medical | 750W Discovery | Data Acquisition Hardware |
MR-Compatible Display System | InVivo | SensaVue | Visual Stimuli Hardware |
MR-Compatible Auditory System | Resonance Technologies | CinemaVision | Auditory Stimuli Hardware |
Experimental Stimulus Software | Neurobehavioral Systems | Presentation | Software to Control Stimuli Presentation |
Experimental Processing Software | Mathworks | MATLAB | Software to Process Data |
Data Processing Software | Microsoft | Visual Studio C++ | Software to Process Data |
Response Pads | Cedrus Corporation | Lumina | Hardware to Receive Participant Input |