Förmågan att inducera eller styra neural plasticitet kan vara kritiska i framtida behandling av neurologiska problem och återhämtningen från hjärnskada. I detta papper presentera vi ett protokoll om användningen av neurofeedback träning med funktionell magnetresonanstomografi att modulera mänskliga hjärnans funktion.
Neurologiska problem som kännetecknas av onormal cell-, molekylär-, och krets-nivå funktioner i hjärnan. Nya metoder för att framkalla och neuroplastic processer och rätt onormal funktion, eller ens Skift funktioner från skadad vävnad till fysiologiskt friska hjärnregioner, håll potential att dramatiskt förbättra den allmänna hälsan. Av de nuvarande neuroplastic ingripandena i utveckling har neurofeedback träning (NFT) från funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) fördelarna med att vara helt icke-invasiv, icke-farmakologiska och rumsligt lokaliserade till målet hjärna regioner, samt har inga kända biverkningar. NFT tekniker, ursprungligen utvecklades med hjälp av fMRI, kan dessutom ofta översättas till övningar som kan utföras utanför skannern utan hjälp av vårdpersonal eller avancerad medicinsk utrustning. I fMRI NFT, är fMRI signalen mätt från specifika regioner av hjärnan bearbetas och presenteras för deltagaren i realtid. Genom utbildning utvecklas självstyrd mentala bearbetning, som reglerar denna signal och dess underliggande neurophysiologic korrelerar. FMRI NFT har använts att träna viljande kontroll över en rad olika hjärnregioner med konsekvenser för flera olika kognitiva, beteendemässiga och motoriska system. Dessutom fMRI NFT har visat lovande resultat i ett brett spektrum av applikationer såsom behandling av neurologiska sjukdomar och förstärkning av baslinjen mänskliga prestationer. I denna artikel presenterar vi en fMRI NFT protokoll som utvecklats på vår institution för modulering av både friska och onormal hjärnfunktion, samt exempel på metoden för att rikta både kognitiva och auditiv regioner i hjärnan.
Neurologiska problem som presenterar stora hinder på drabbade individer, deras familjer och samhället. Behandlingar för neurologiska problem kan vara obefintliga eller diskutabel effektivitet, och ofta bara rikta symtom av sjukdomen. Så är fallet för tinnitus – phantom uppfattningen av ljud – som inte har en behandling som godkänts av US Food and Drug Administration (FDA). Tinnitus kan ha en djupgående inverkan på en människas liv, stör vardagen genom att minska koncentrationen eller ändra riskuppfattningen faktiska ljud. Dessutom kan personer som drabbats av tinnitus också uppleva trötthet, stress, sömnproblem, minnesproblem, depression, ångest och irritabilitet1. Terapier som finns, såsom antidepressiva och ångestdämpande läkemedel, bara hjälpa till att hantera de associerade symtom och kan inte behandla den underliggande orsaken. Detta skapar en kritisk lucka för innovativa behandlingar för dessa sjukdomar.
Förbättringar i förvärvet tekniker, datorkraft och algoritmer har revolutionerat den hastighet med vilken funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) data kan mätas och bearbetas. Detta har möjliggjort tillkomsten av realtid fMRI, där data kan bearbetas när det samlas in. Tidiga var realtid fMRI begränsad2, främst hämmas av oförmåga att snabbt slutföra Pre-processing steg typiska till offline analyser såsom rörelse korrigering. Förbättringar i computing teknik och algoritmer har nu ökat i hastighet, känslighet och mångsidighet av realtid fMRI3 så att liknande offline förbehandling skall tillämpas i realtid. Denna utveckling har lett till 4 primära programdomäner av realtid fMRI: intraoperativ kirurgiska vägledning4, hjärna-dator gränssnitt5,6, anpassa stimuli för nuvarande hjärna påstår7, och neurofeedback träning8.
NFT, är även om inte den ursprungliga fokus i realtid fMRI, ett växande forskningsområde där individer lär sig att modulera hjärnaktivitet volitionally genom genomförandet av mentala strategier (dvs inbillade uppgifter). NFT är en form av operant betingning9, som har visat sig öka neuronal bränning priser och neuronal aktivitet i apor10. Också, fMRI NFT har associerats med spike timing-beroende plasticitet, som är neurala förändringar som inträffar under associativ inlärning11. Ytterligare konsekvenser föreslår fMRI NFT inducerar plasticitet via långsiktig potentiering (LTP), vilket resulterar i förbättrad synaptisk effektivitet12. En annan postulation innebär cellulära mekanismer av skicklighet lärande, såsom viljande kontroll över hjärnans aktivitet, och kan innebära förändringar i spänningsberoende membran konduktans – uttryckt som en förändring i neurala retbarhet13. Det verkar i alla fall att fMRI NFT påverkar hjärnan på neurala nivå. Dessa teorier ger starka argument för användning av fMRI NFT i behandling av neurologiska sjukdomar.
FMRI NFT, erbjuder till skillnad från traditionella fMRI, möjlighet att undersöka sambandet mellan hjärnaktivitet och beteende11,14. Nyligen har det varit spike i studier med fMRI NFT med nästan dubbelt så många artiklar publicerade i 2011-2012 (n = 30) jämfört med de föregående 10 åren (n = 16)11. En av de första fMRI NFT studierna utfördes av Weiskopf och kollegor i 20038. Denna studie visade framgångsrikt genomförbarheten av online feedback och självreglering av fMRI signalen i den främre cingulum Cortex (ACC) med en deltagare. Feedback var visas med en fördröjning på cirka två sekunder, mer än en storleksordning snabbare än de få tidigare studierna. Den första fullständiga studien genomfördes 2004 där 6 deltagare lärde sig att styra aktiviteten av selmhinnor cortex15. FMRI NFT slutfördes över 3 sessioner utförs på samma dag. Ökad aktivitet rumsligt selektiv till målregionen i selmhinnor cortex observerades genom kursen utbildning på fristående och grupp nivå. Denna effekt observerades inte för kontrollgruppen som fått riktiga fMRI information från en bakgrund region (inte korrelerade med uppgiften utförs) tidigare i körningen. Forskare har sedan dess visat att människor kan lära sig viljande kontroll över signalen fMRI mätt från många regioner i hjärnan inklusive ACC16, amygdala17, främre insula18,19, auditiv och uppmärksamhet relaterade nätverk20, bilaterala rostrolateral prefrontala cortex21, dorsolaterala prefrontala cortex12,22,23, motor cortices24, 25,26,27,28, primära auditiva cortex29,30, regioner som är associerad med känslomässiga nätverk regioner31,32 , rätt sämre frontal gyrus33och visuella cortices34,35.
De bakomliggande mekanismerna vid många neurologiska störningar är okända. I exemplet med tinnitus finns det ingen självklar källa för fantom ljud i flesta fall36,37,38. Trots detta tyder en central mekanism kan vara ansvarig för den tinnitus percept i vissa individer, vilket bevisas av avsaknaden av symptom upplösning efter fullständig dissekering av hörselnerven39. Hyperaktivitet är associerad med tinnitus har hittats i den primära auditiva cortex40,41,42. Ytterligare bevis tyder på att effekterna av tinnitus ytterligare in i områden involverade i bearbetning av känslor och uppmärksamhet statligt43. Baserat på dessa abnormiteter, kan fMRI NFT paradigm utvecklas för att inducera och kontrollera neuroplastic mekanismer som uppmuntrar normal neurala mönster.
FMRI NFT protokollet beskrivs häri kan anpassas att rikta någon region i hjärnan, och diskuterar ett univariat, ROI-baserad strategi för neurofeedback. Detta kan uppnås genom att programmera ytterligare funktionella localizer uppgifter att aktivera andra regioner. Genom att införliva dessa uppgifter i den anpassa neurofeedback programvaran, har vi utvecklat en mycket enkel process. Det är dock en begränsning: målregionen måste vara funktionellt definierade. Vid denna tid utför den programvara som vårt team har utvecklat inte någon registrering mellan funktionell och anatomiska bilder. Därför kan inte andra ROI urvalsmetoder, såsom atlas-baserade ROIs, genomföras på denna tid. Parametrar för stimuli och neurofeedback (t.ex. block varaktighet, antal block och imaging parametrar inklusive TR) kan dessutom lätt manipuleras av operatören. Dessutom driver överföringen för att utvärdera möjligheten att själv reglera målet ROI i avsaknad av neurofeedback kan genomföras. Programvaran har vi erbjuder inte neurofeedback använder multivariata mönster35,48 eller anslutning mellan hjärnan regioner49.
FMRI NFT erbjuder betydande fördelar jämfört med andra former av neurofeedback men har också sina begränsningar. Den största fördelen med fMRI NFT är den rumsliga upplösningen som överträffar alla andra former av NFT såsom elektroencefalogram (EEG)-baserat neurofeedback. Förbättrad rumsliga upplösningen möjliggör specifika hjärnans strukturer och funktioner över hela hjärnan vara riktade50. Detta är för närvarande inte kan uppnås med andra behandlingar såsom farmakoterapi, som är systematisk. Den stora nackdelen med fMRI NFT är dock tidsfördröjningen. Inte bara samplingsfrekvenser mycket långsammare än EEG (upp till 3 storleksordningar långsammare), hemodynamiska lag är associerad med fMRI signalen ytterligare lägger till denna försening. Trots detta finns det överväldigande bevis att deltagarna kan övervinna denna försening och, med lite övning lär dig att kontrollera hjärnans aktivitet (t.ex. för en granskning se Sulzer o.a. 11 och Scharnowski o.a. ( 50).
Populariteten av fMRI NFT växer men det är fortfarande i ett Linda Stadium. På grund av detta ännu gemensam praxis antas. Protokollet beskrivs Detaljer metoder som är vetenskapligt accepterat. Exempelvis har flera former av feedback visar använts i olika studier, inklusive en termometer-stil bar tomt18,19,21,34. Dessutom en återkopplingssignalen presenteras som procent signal ändringen med en originalplan beräknas från målregionen har också i stor utsträckning genomfört12,19,21,25 , 30 , 51 , 52.
Kontroll av plast effekter i hjärnan erbjuder en innovativ terapeutisk teknik för att behandla neurologiska problem eller hjärnskador med onormala hjärnans aktivitet, såsom den som är associerad med tinnitus som diskuterats ovan. Även om de exakta mekanismerna som översätter neuromodulation till beteendemässiga effekter är fortfarande okänd, fMRI NFT har associerats med LTP11. Genom inlärningsprocessen förstärks beteende när en aktivt reglerar hjärnans aktivitet i uppgiftsrelaterade hjärnans nätverk. Sådan förstärkning resulterar i neuroplastic mekanismer orsakar nätverket engagemang att köra mer effektivt. Detta sammanfaller med andra NFT tekniker såsom EEG-baserade neurofeedback där individer är utbildade att styra frekvensband för elektriska signaler mätt från lokala områden av hårbotten53,54,55 . Andra har antytt LTP från synaptisk plasticitet vilket resulterar i förbättrad synaptisk effektivitet12. Ännu en annan postulation föreslår cellulära mekanismer för lärande kan innebära förändringar i spänningsberoende membran konduktans som uttrycks som en förändring i neurala retbarhet13. I varje fall kontroll verkar det att fMRI NFT orsakar förändringar på cellulär nivå, och att individen får lära sig lite över processerna. Denna förmåga och dessa förändringar kan vara kritiska i lärande om och utveckla behandlingar för hjärnskador och neurologiska problem.
En viktig aspekt av fMRI NFT är att mäta förändringar i beteende. Detta är absolut nödvändigt att många hypoteser som förutsäga beteendeförändringar som drivs av NFT-inducerad neurala ändringarna. På ett minimum, dessa bedömningar bör samlas in vid två tidpunkter: före och efter NFT. När det gäller tinnitus, kan dessa beteendemässiga bedömningar bestå av enbart subjektiva frågeformulär som det finns inget direkt mått för tinnitus. För andra neurologiska problem, bör en litteraturstudie utföras för att fastställa de lämpliga, rimliga och dokumenterade bedömningarna för den specifika hypothesis(es) som utreds. Vissa hypoteser kräva mätningar vid ytterligare tidpunkter, såsom de utforska nära-, kort- och långsiktiga effekter av fMRI NFT. Vissa bedömningar kan kräva utbildning inför NFT minska lärande effekter. Andra hypoteser kan även kräva neurologiska tester som de som är intresserade av nivåer av hjärnan metaboliter, cerebral perfusion eller funktionella nätverk.
FMRI NFT förfarandet har två kritiska stadier. Först är att fastställa en hjärnregionen att rikta för neurofeedback. Innan eventuella förfaranden, bör en grundlig litteraturstudie genomföras för att undersöka nervbanor och viktiga strukturer och funktioner är associerad med neurologisk sjukdom eller hjärnskada. Från detta bör viktiga strukturer och funktioner väljas noggrant som mål för neurofeedback. Nästa, en annan litteraturstudie bör utföras för att undersöka uppgifter som är associerade med denna struktur och funktion. Denna uppgift kan eller inte kan vara associerade med sjukdomen, men det bör bekräftas att uppgiften aktiverar önskad regionerna i den avsedda populationen. Under neurofeedback förfaranden väljs målregionen individuellt antingen vid den första sessionen eller vid varje session. Inter – och mellan – individuell variabilitet kan därför viktiga faktorer som kan leda till oförutsägbara resultat. Det är viktigt att skapa ett protokoll för att markera målregionen och genomföra adekvat personalutbildning. Det finns två metoder för att fastställa ett mål ROI: anatomiskt och funktionellt. Anatomiska definitioner utnyttja strukturella Magnettomografi för att definiera målregionen strikt från anatomi,och eventuellt med hjälp av en standard atlas. Funktionella bilder registreras till strukturella bilder och målregionen omvandlas till funktionella utrymme21,26. I metoden funktionella väljs målregionen från en aktivering map produceras genom att bedriva en funktionell localizer11,12,24,29,44. Denna metod diskuterades häri.
Det andra viktiga steget i fMRI NFT är kontroll gruppen urval. Kontrollgrupper är avgörande för att fastställa effekten av fMRI NFT, och valet av kontrollgrupper bör övervägas noggrant. Tidigare studier har använt en rad kontroller. Ett gemensamt förfarande för en kontrollgrupp är att försöka viljande kontroll i närvaro av sham feedback. Denna feedback kan vara spände från en deltagare i den experimentella gruppen21,44, som tillhandahålls från en region som inte involverade i processen önskad unbeknownst till de deltagarna17,33, 44, eller inverterad52. Andra studier har använt kontrollgrupper som försök viljande kontroll men inte tillhandahålls med neurofeedback12,21,44,56.
En tidigare studie antyder att när ämnen försöker styra sham feedback, det finns ökad aktivering i bilaterala insula, främre cingulum, kompletterande motor, dorsomedial och laterala prefrontala områden jämfört med passivt titta på en feedback visar57. Dessa fynd implicerade ett brett fronto-parietala och cingulo-opercular nätverk aktiveras när det finns avsikt att styra hjärnaktivitet. Dessa rön tyder dessutom traditionella kontrollgrupper som används i NFT experiment kommer att använda neurala korrelat överensstämmer med kognitiv kontroll, även i närvaro av sham feedback. En separat metaanalys visade aktivitet i främre insula och basala ganglier, som båda är inblandade i kognitiv kontroll och andra högre kognitiva funktioner, var komponenter kritiska till försöker viljande kontroll58. Resultaten av metaanalysen bekräftade den tidigare konstaterande57. Sammantaget tyder denna på att det är viktigt att beskriva effekterna av framgångsrik viljande kontroll och de relaterade till försöker självreglering. Införandet av kontrollgrupper som inte försöker självreglering kan därför viktigt.
Dock observerades tidigare studier där styrsignaler grupper fick sham fMRI visat skillnader i målet ROI aktivitet från dem som fick sanna feedback15,16,17, 18 , 20 , 21 , 25 , 26 , 28 , 33 , 34 , 44, innebär utbildningsstrategier som inte inkorporerar feedback är inte effektiva på modulerande målregionen. Dessutom kontrollgrupperna som fått identiska instruktioner och träning samma period men inte fått feedback på den aktuella nivån av hjärnaktivitet inte uppvisar liknande beteende resultat som experimentella grupper som fick neurofeedback12,18,21,32,44,59. Dessa rön tyder experiential effekterna är hänförliga till fMRI NFT-inducerad lärande snarare än andra lärande eller ospecifik förändringar. Särskild utbildning regimer måste därför utvecklas som rikta specifika neurofysiologiska system att få de önskade effekterna. Resultaten från en studie med en mängd olika kontrollgrupper visar beteendevetenskaplig utbildning, praktik, sensorisk feedback och biofeedback ensam producerar inte motsvarande beteendemässiga effekter som de som tar emot fMRI NFT44.
The authors have nothing to disclose.
Detta material bygger på forskning som sponsras av US Air Force under avtalsnummer FA8650-16-2-6702. Åsikterna är författarens och återspeglar inte officiella åsikter eller politik av försvarsdepartementet och dess komponenter. Den amerikanska regeringen bemyndigas att reproducera och distribuera särtryck för statliga ändamål trots någon upphovsrätt notation därpå. Frivilligt, fullt informerat samtycke från de ämnen som används i denna forskning erhölls som krävs enligt 32 CFR 219 och 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 |