Real-time Video projektion i en MR-scanning til karakterisering af neurale korrelerer forbundet med spejl terapi for fantomsmerter i lemmer

Summary

Vi præsenterer en roman kombineret adfærdsmæssige og neuroimaging protokollen beskæftiger real-time video projektion med henblik på at karakterisere de neurale korrelerer forbundet med spejl terapi inden for magnetisk resonans imaging scanner miljø i ben amputeret emner med fantomsmerter i lemmer.

Abstract

Spejl terapi (MT) er blevet foreslået som en effektiv rehabiliterende strategi at lindre smerte symptomer i amputerede med fantomsmerte (PLP). Men om oprettelse af de neurale korrelerer forbundet med MT terapi har udfordrende at det er svært at administrere behandling effektivt inden for en magnetisk resonans imaging (MR) scanner miljø. For at karakterisere den funktionelle organisation af kortikale regioner tilknyttet denne rehabiliterende strategi, har vi udviklet en kombineret adfærdsmæssige og funktionelle neuroimaging protokol, der kan anvendes i deltagere med en ben-amputation. Denne nye fremgangsmåde gør det muligt for deltagerne at gennemgå MT i MR scanner miljø ved at se real-time video billeder taget af en kamera. Billederne er set af deltager gennem et system af spejle og en monitor at deltageren visninger samtidigt med at liggende på scannerpladen. På denne måde, kan funktionelle ændringer i kortikale områder af interesse (f.eks. sensorimotor cortex) karakteriseres som svar på den direkte anvendelse af MT.

Introduction

PLP refererer til følelsen af smerte opfattes inden for området svarende til den manglende lemmer postamputation^1,2. Denne betingelse er en betydelig kronisk sundhedspleje byrde og kan have en dramatisk indvirkning på en persons livskvalitet^3,4. Det er blevet foreslået, at ændringer i hjernens struktur og funktion spiller en grundlæggende rolle i udviklingen og neuropathophysiology af PLP^5,6. Men, de underliggende neurale korrelerer af hvordan smerte symptomer udvikler sig og hvordan de kan afhjælpes i respons på behandlingen fortsat er ukendt. Denne mangel på oplysninger er for det meste på grund af tekniske udfordringer og begrænsninger i forbindelse med udførelse af en given terapeutisk tilgang inden for begrænsningerne en neuroimaging miljøområdet såsom MRI^5,7,8 .

Resultater fra en række undersøgelser tilskrive udviklingen af PLP til utilpasset neuroplastiske reorganisering forekommende i sensorimotor cortex, såvel som i andre områder af hjernen. For eksempel har det vist, efter amputation af en legemsdel, er et skift i den tilsvarende sensorimotor kortikal repræsentation af tilstødende områder. Som et resultat, starte tilstødende områder tilsyneladende invaderer de zoner, der bruges til at svare til den amputerede lemmer^9,10. For at afhjælpe smerte symptomer forbundet med PLP, kan behandlinger såsom MT eller motor billedsprog være effektiv^9,11,12. Det foreslås, at lindring af symptomer opstår derfor gennem cross-modalitet genetablering af afferente indgange, forudsat af observation af spejl-afspejles billeder fra nonaffected lemmer^{12,13, 14,15,16,17}. Gennem disse billeder er deltagerne stand til at visualisere afspejling af den modsatte ekstremitet i stedet for den, der er blevet amputeret, således at der skabes en illusion, der fortsat er begge lemmer. Illusion og overvældende effekter blev tidligere undersøgt af Diers et al. hos raske forsøgspersoner, hvor en sammenligning af funktionelle aktivering via funktionel MRI (fMRI) blev evalueret efter undergår en opgave med en fælles spejlboksen eller virtual reality ¹⁸. men de neurale korrelerer forbundet med tilbageførsel af utilpasset neuroplastiske ændringer og lindring af symptomer forbliver dårligt forstået. Desuden, den underliggende mekanisme i PLP er fortsat et emne af forskning som den klare underliggende physiopathologic ændring bag udviklingen af PLP er stadig ufuldstændigt belyst, mens kontroversielle resultater har været afsløret^{5, 19}. Som anført ovenfor, tilskrive flere forfattere udviklingen af smerte med deafferentation og kortikale reorganisering af de berørte hjernen (område af amputerede lemmer)^6,7,8; men overfor resultater blev beskrevet af Makin og samarbejdspartnere, hvor tilstedeværelsen af smerte er forbundet med bevarelse af hjernens struktur og smerte er tilskrevet en reduktion af interregionale funktionelle connectivity¹⁹. I betragtning af disse kontroversielle og overfor fund mener vi, den nye fremgangsmåde præsenteres her vil bringe yderligere relevante oplysninger til studiet af PLP og vil gøre det muligt videnskabsfolk til at evaluere virkningerne af MT i et levende miljø med graden af hjernen aktivering samtidig med at sammenligne dem med niveauerne af smerter vurderet i vores fulde protokol¹⁹.

Tidligere litteratur om dette emne har vist, at MT er en af de mest relevante adfærdsmæssige behandlinger for behandling af PLP på grund af dens nem implementering og lave omkostninger¹². Faktisk har tidligere undersøgelser af denne teknik vist tegn på en tilbageførsel af utilpasset ændringer inden for den primære sensorimotor cortex i amputerede med PLP^8,20,21. Selv om MT er måske en den billigste og mest effektive metode til at behandle PLP^12,22,23,24, yderligere undersøgelser er nødvendige for at bekræfte disse virkninger, da nogle patienter ikke reagere på denne type af behandling⁸ og der mangler større randomiserede kliniske forsøg, der giver høj evidensbaserede resultater²⁵.

En af de hypoteser, som MT kan reducere PLP er relateret til det faktum, at spejlbilledet af den ikke-amputeret kropsdel hjælper med at reorganisere og integrere misforholdet mellem proprioception og visuel feedback²⁶. De underliggende mekanismer af MT kunne være forbundet med tilbagevenden af utilpasset kortlægning af somatosensoriske^8,27,28.

MT er fag forpligtet til at udføre flere motoriske og sensoriske opgaver ved hjælp af deres intakt led (fx fleksion og ekstension) mens du observere denne effekt i et spejl ligger i midterlinjen af deltagerens kroppen, dermed skabe en levende og præcise repræsentation af bevægelighed inden for området af amputerede lemmer²⁹.

For at videreudvikle den videnskabelige forståelse af Patofysiologi aspekter involveret i PLP, det er afgørende at bedre karakterisere de underliggende neuroplastiske ændringer som følge af lemmer amputationer, samt forbedring af smerte symptomer fra MT. I denne henseende neuroimaging teknikker, såsom fMRI, har vist sig at være effektive værktøjer til at hjælpe belyse de patofysiologiske mekanismer forbundet med kortikale reorganisering og give et fingerpeg mod optimering rehabilitering af personer med PLP i klinisk sammenhæng^30,31. Desuden, den høje rumlige opløsning som fMRI (i forhold til electroencefalografi, for eksempel) giver mulighed for mere præcis kortlægning af hjernen svar, såsom finger og ciffer repræsentationer i sensorimotor cortex med andre områder af hjernen³².

Til dato, neurofysiologi forbundet med MT er fortsat undvigende skyldes i vid udstrækning på udfordringerne at udføre proceduren i scanner-miljøet (dvs. det er vanskeligt for en person til at udføre terapi liggende i scanner). Her, vi beskriver en metode, der giver mulighed for en person til at overholde deres egne ben bevægelse i real-time mens liggende liggende inden for de snævre grænser for scanneren bar. En nøjagtig rekreation af levende og medrivende fornemmelsen fremkaldte af terapi kan genskabes ved hjælp af et videokamera, der optager real-time billeder af den bevægelige ben, og et system af spejle og en skærm, der kan ses direkte ved undersøgelsen deltager.

Tidligere undersøgelser har forsøgt at inkorporere teknikker som video-optagelse, virtual reality og forudoptaget animationer som middel til at præsentere den visuelle stimuli og omgå disse tekniske udfordringer^{9,16,33 ,34}. Endnu, disse teknikker har været begrænset i deres effektivitet^{35,36,37,38,39}. I særlige tilfælde ved at bruge en optaget video, der er en ofte dårlig synkronisering mellem deltagernes bevægelser og dem, der leveres af videoen, samt en manglende timing nøjagtighed, som fører til en dårlig realistisk indtryk at den enkeltes egne ben er i bevægelse. For at forbedre denne følelse af sensorimotor fordybelse, har været forsøgt andre teknikker, såsom virtuelle virkelighed og digitaliserede animationer. Endnu, de har undladt at skabe visuelt overbevisende fornemmelser på grund af en lav billedopløsning, et begrænset synsfelt, urealistisk eller nonnatural menneske-lignende bevægelser og tilstedeværelse af motion lag (dvs. desynchronization bevægelighed). Desuden, hindrer manglen på en nøjagtig modellering kombineret med den dårlige kontrol med andre funktioner, såsom virkningerne af friktion, momentum og tyngdekraft, opfattelsen af en levende og medrivende føler⁴⁰. Derfor, for amputerede, det er værd at udforske strategier til at sikre, at fag er engageret i den kognitive opgave (observation) og fordybende på illusionen om amputeret lemmer bevægelser. Endelig, de nødvendige ressourcer for at udvikle og gennemføre disse komplekse strategier kan være tidskrævende og/eller koste uoverkommelige.

Vi beskrive en ny tilgang, som vi mener, skaber en realistisk og levende følelse af fordybelse hvorved deltageren kan se en live og real-time video af en projicerede billede af deres egne lemmer, mens de udfører en session af MT³¹. Denne fremgangsmåde udføres, mens enkelt er liggende i scanner lysningen og er uden væsentlige omkostninger eller omfattende teknisk udvikling.

Denne protokol er en del af en National Institutes of Health (NIH) Research Project Grant (RO1)-sponsoreret klinisk forsøg, der evaluerer virkningerne af kombinationen af en neuromodulatory teknik, nemlig transkranial jævnstrøm stimulation (TDC’er), med en adfærdsterapi (spejl terapi) for at lindre fantomsmerter i lemmer³¹. Vi evaluerer ændringer i den visuelle analoge skala (VAS) til smerter ved baseline, forudgående, og efter hver session for intervention. fMRI bruges som et neurophysiologic værktøj for at vurdere strukturelle ændringer i hjernefunktion og dens sammenhæng med relief af PLP. Derfor, en indledende fMRI er fremstillet for at have en baseline kort af den strukturelle organisering af deltagerens hjernen, som enten viser, at der er kortikale utilpasset reorganisering^{5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28} eller at der ikke er¹⁹; på samme måde, kan videnskabsmanden observere hvad områder aktiveres på oprindelig til opgave at MT for at forstå den områder aktivisering svar på MT; Endelig er det muligt at opnå en anden fMRI postintervention til at se, hvis ændringer (graduering) er blevet genereret i det kortikale reorganisering efter den kombinerede behandling med TDC’er og MT og analysere hvis ændringerne er korreleret eller associeret med graden af smerte ændring. Derfor, denne protokol giver forskerne til at vurdere strukturelle sanering ændringer hos patienter med PLPs under MT og også hjælper dem til at forstå, hvis disse ændringer set i fMRI forbundet med ændringer i PLP, derfor giver yderligere detaljer om hvordan MT påvirker hjernens strukturelle og funktionelle aktivitet at ændre fantomsmerter.

Protocol

1. forberedelse af emnet Inden deltagelse, har deltageren udfylde en samtykkeerklæring og en MRI sikkerhed screening evaluering, sidstnævnte udført af neuroimaging tekniker på scanning mulighed, for at sikre, at deltageren ikke har nogen kendt kontraindikationer til scannes (f.eks. metal i deres krop, en historie af klaustrofobi, eller graviditet). Give deltageren med detaljerede instruktioner om forsøgsmetoden. Indspillet emne Lyt til et instructional audio for at sikre, at de er i sta…

Representative Results

Skabe sensation forbundet med MT ved hjælp af real-time video projektion er muligt. Deltagerne har subjektivt rapporterede, at billedet opfattes er livagtige og sensation er overvældende. Derudover er mønstre af kortikale aktivering tilknyttet MT (dvs. bevægelse af benet og visning af forventede spejlbillede) i scanneren miljø robust. I en pilotundersøgelse registreret de kortikale svar til MT bruger fMRI i en deltager med…

Discussion

Denne protokol beskriver en roman, gennemførlig procedure, der giver efterforskerne til præcist beskrive de neurale korrelerer forbundet med MT hos personer med PLP.

Som tidligere nævnt, tidligere undersøgelser har forsøgt at undersøge de neurale korrelerer forbundet med MT behandling ved at inkorporere forskellige teknikker såsom videooptagelse, virtual reality og forudoptaget animationer^{9,33 ,34</…}

Materials

Scanner	Phillips	NA	3 Tesla Philips Acheiva MRI scanner
Camera	Logitech	NA	HD Pro Webcam C910
Monitor	Cambridge Research Systems	NA	3D BOLD screen for MRI
Mirror	TAP Plastics	99999	Mirrored Acrylic Sheets (Cut­to­Size) ­ Clear 1/8 (.118)" Thick, 10" Wide, 40" Long
Mirror stand		NA	Mirror stand was built by the co-investigators from a rectangular piece of wood
Headphones	Westone Sensimetrics	PN 79245	Replacement comply foam tips for universal-fit earphones. Canal size: Standard 6 pieces/ 3 pair
			MR compatible in ear headphones
MRI Scanner	Phillips	3.0 T Philips Achieva System