Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Real-Time Video projectie in een MRI voor karakterisering van neurale correlaten geassocieerd met spiegel therapie voor Phantom ledemaat pijn

Published: April 20, 2019 doi: 10.3791/58800
Automatic Translation
1,2, 1,3, 4, 1, 5, 1, 6, 7,8, 4, 1
1Laboratory of Neuromodulation & Center for Clinical Research Learning, Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Harvard Medical School, Spaulding Rehabilitation Hospital, 2University of Chicago Medical Center, Department of Neurology, University of Chicago, 3Department of Neuroscience and Behavior, Psychology Institute, University of Sao Paulo, 4The Laboratory for Visual Neuroplasticity, Department of Ophthalmology, Massachusetts Eye and Ear Infirmary, Harvard Medical School, 5Center for Biomedical Imaging, Department of Anatomy and Neurobiology, Boston University School of Medicine, 6Spaulding Rehabilitation Hospital, Harvard Medical School, 7Department of Psychology & Milan Center for Neuroscience, University of Milano-Bicocca, 8Neuropsychological Laboratory, Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico (IRCCS) Istituto Auxologico Italiano

Summary

We presenteren een roman gecombineerd gedrags en neuroimaging protocol gebruikmaking real-time video-projectie met het oog op het karakteriseren van de neurale correlaten gekoppeld spiegel therapie binnen de MRI-scanner omgeving in been Geamputeerde onderwerpen met phantom ledemaat pijn.

Abstract

Spiegel therapie (MT) is voorgesteld als een effectieve rehabilitatie strategie ter verlichting van pijn symptomen in amputees met phantom ledemaat pijn (PLP). Echter, tot oprichting van de neurale correlaten MT therapie is gekoppeld hebben is uitdagend gezien het feit dat het is moeilijk te beheren van de therapie effectief binnen een magnetische resonantie beeldvorming (MRI) scanner-omgeving. De functionele organisatie van de corticale gebieden die zijn gekoppeld aan deze rehabilitatie strategie karakteriseren, hebben we een gecombineerde gedrags en functionele neuroimaging-protocol die kan worden toegepast in de deelnemers met een been amputatie. Deze nieuwe benadering biedt deelnemers ondergaan MT binnen de MRI scanner omgeving bij het bekijken van real-time video opnamen die zijn gemaakt door een camera. De beelden worden bekeken door de deelnemer via een systeem van spiegels en een monitor dat de deelnemer bekijkt terwijl liggend op het bed van de scanner. Op deze wijze, kunnen functionele veranderingen in corticale gebieden van belang (b.v., sensomotorische cortex) worden gekarakteriseerd in reactie op de directe toepassing van MT.

Introduction

PLP verwijst naar de sensatie van pijn ervaren binnen de oppervlakte die overeenkomt met de ontbrekende ledematen postamputation1,2. Deze voorwaarde is een aanzienlijke last voor chronische gezondheidszorg en kan een dramatische invloed hebben op iemands levenskwaliteit3,4. Er is gesuggereerd dat wijzigingen in de hersenstructuur en de functie een fundamentele rol in de ontwikkeling en de neuropathophysiology van PLP5,6 spelen. De onderliggende neurale correlaten van hoe pijn symptomen ontwikkelen en hoe ze kunnen worden verminderd in reactie op behandeling blijft echter onbekend. Dit gebrek aan informatie is vooral te wijten aan technische problemen en beperkingen die zijn gekoppeld aan het uitvoeren van een bepaalde therapeutische benadering binnen de beperkingen van een neuroimaging omgeving zoals MRI5,7,8 .

Resultaten van een aantal studies wijt de ontwikkeling van PLP maladaptieve neuroplastic reorganisatie die zich voordoen binnen sensomotorische cortices, alsook in andere gebieden van de hersenen. Het heeft bijvoorbeeld aangetoond dat na de amputatie van een ledemaat, er een verschuiving in de overeenkomstige sensomotorische corticale vertegenwoordiging is van naburige gebieden. Dientengevolge, starten aangrenzende gebieden blijkbaar invasie van de zones die gebruikt om te corresponderen met de geamputeerde ledemaat9,10 Ter verlichting van pijn symptomen die gepaard gaan met PLP, behandelingen zoals MT of motor beelden mogelijk effectieve9,11,12. Er wordt voorgesteld dat de verlichting van de symptomen vermoedelijk door middel van het opnieuw opzetten van cross-modal van afferent ingangen optreedt, geboden door de waarneming van de spiegel-weerspiegeld beelden van de nonaffected van de ledematen,12,13, 14,,15,16,17. Deelnemers zijn door middel van deze beelden kunnen visualiseren van de reflectie van de tegenovergestelde ledemaat in plaats van degene die heeft is geamputeerd, waardoor een illusie die beide ledematen blijven. De illusie en meeslepende effecten werden eerder bestudeerd door Diers et al. in gezonde proefpersonen waarin een vergelijking van functionele activering via functionele MRI (fMRI) werd geëvalueerd na het ondergaan van een taak met een gemeenschappelijk spiegel doos of virtuele werkelijkheid 18. de neurale correlaten geassocieerd met de omkering van de maladaptieve neuroplastic wijzigingen en verlichting van de symptomen blijven echter slecht begrepen. Bovendien, blijft het onderliggende mechanisme van PLP een onderwerp van onderzoek, zoals de duidelijke onderliggende physiopathologic wijziging achter de ontwikkeling van PLP is nog onvolledig opgehelderd terwijl controversiële bevindingen geopenbaarde5zijn, 19. Zoals hierboven vermeld, wijt meerdere auteurs de ontwikkeling van pijn aan de deafferentation en corticale reorganisatie van de hersenen van de getroffen gebied (het gebied van de geamputeerde ledematen)6,7,8; echter werden tegenover resultaten beschreven door Makin en medewerkers waarin de aanwezigheid van pijn is gekoppeld aan het behoud van de hersenstructuur en pijn wordt toegeschreven aan een vermindering van interregionale functionele connectiviteit19. Met het oog op deze controversiële en tegenover de bevindingen, wij geloven dat de hier gepresenteerde nieuwe benadering aanvullende relevante informatie aan de studie van PLP brengen zal en zal toestaan wetenschappers om te evalueren van de effecten van MT in een productieomgeving met de mate van hersenen activering terwijl ze te vergelijken met de niveaus van pijn in onze volledige protocol19beoordeeld.

Bestaande literatuur over dit onderwerp is gebleken dat MT een van de meest geschikte behavioral therapieën voor de behandeling van PLP vanwege de eenvoudige implementatie en lage kosten12 is. In feite, hebben eerdere studies van deze techniek blijk van een omkering van maladaptieve veranderingen binnen de primaire sensomotorische cortex in amputees met PLP8,20,21. Hoewel MT misschien wel een van de meest goedkope en meest effectieve aanpak is voor de behandeling van PLP12,22,23,24, zijn meer studies nodig om deze effecten bevestigen, aangezien sommige patiënten niet reageren op dit soort behandeling8 en er is een gebrek aan grotere gerandomiseerde klinische proeven waarmee high-evidence-based resultaten25.

Een van de hypothesen waarop MT PLP kan verminderen is gerelateerd aan het feit dat het spiegelbeeld van de niet-geamputeerd lichaamsdeel helpt te reorganiseren en te integreren de wanverhouding tussen proprioceptie en visuele feedback26. De onderliggende mechanismen van MT kunnen gepaard gaan met de terugkeer van de maladaptieve toewijzing van somatosensorische8,27,28.

Voor MT houdtzich voornamelijk bezig moet aantal taken, motorische en zintuiglijke met behulp van hun intact ledemaat (b.v. flexie en extensie) met inachtneming van dit effect in een spiegel, gelegen in de middellijn van de deelnemer lichaam, waardoor een levendige en precieze vertegenwoordiging van verkeer binnen het gebied van de geamputeerde ledemaat29.

Verder ontwikkelen van de wetenschappelijke kennis van de pathofysiologie aspecten die betrokken zijn bij PLP, het is cruciaal dat beter karakteriseren de onderliggende neuroplastic wijzigingen die voortvloeien uit amputaties van ledematen, evenals de verbetering van pijn symptomen geboden door MT. In dit verband neuroimaging technieken, zoals fMRI, opgedoken als krachtige hulpmiddelen voor het verhelderen van de pathofysiologische mechanismen die zijn gekoppeld aan de corticale reorganisatie en aanwijzingen richting het optimaliseren van de revalidatie van personen met PLP in geven de klinische context30,31. Bovendien, de hoge ruimtelijke resolutie geboden door fMRI (in vergelijking met elektro-encefalografie, bijvoorbeeld) zorgt voor meer nauwkeurige toewijzing van reacties van de hersenen, zoals de vinger en cijfers vertegenwoordigingen, in de sensomotorische cortex samen met andere regio's van de hersenen32.

Tot op heden, de neurofysiologie MT gekoppeld blijft ongrijpbaar verschuldigd voor een groot deel op de uitdagingen van de procedure binnen de scanner-omgeving uitvoeren (dat wil zeggen, het is moeilijk voor een individu om uit te voeren van de therapie terwijl liggen in de scanner). Hier beschrijven we een methode waarmee een individu aan het observeren van hun eigen been beweging in real-time terwijl liggende liggende binnen de enge grenzen van de scanner droeg. Een nauwkeurige recreatie van de sensatie van het levendige en immersieve ontlokte door de therapie kan opnieuw worden gemaakt met behulp van een videocamera die vangt real-time beelden van de bewegende been, en een systeem van spiegels en een monitor die direct door de deelnemer van de studie kan worden bekeken.

Afgelopen studies hebben geprobeerd te integreren van technieken zoals video-opname, virtual reality, en vooraf opgenomen animaties als middel om de visuele stimuli presenteren en het omzeilen van deze technische uitdagingen9,16,33 ,34. Toch hebben deze technieken zijn beperkt in hun effectiviteit35,36,,37,38,39. In het bijzondere geval van het gebruik van een vooraf opgenomen video, is er een vaak slechte synchronisatie tussen deelnemers bewegingen en degene die de video, evenals een gebrek aan timing nauwkeurigheid, dat tot een slechte realistische indruk leidt dat het iemands eigen been in beweging is. Ter verbetering van dit gevoel van sensomotorische onderdompeling, zijn andere technieken, zoals virtual reality en gedigitaliseerde animaties, geprobeerd. Nog, ze hebben niet voor het genereren van visueel overtuigende gewaarwordingen wegens een lage beeldresolutie, een beperkt gezichtsveld, onrealistisch of nonnatural mens-achtige bewegingen en aanwezigheid van beweging lag (dat wil zeggen, desynchronization verkeer). Bovendien, belemmert het gebrek aan een nauwkeurige modellering, gecombineerd met de slechte controle over andere functies, zoals de effecten van wrijving, dynamiek en zwaartekracht, de perceptie van een levendige en immersieve gevoel40. Daarom voor amputees, is het waard om te verkennen beweging van de ledematen van de strategieën om ervoor te zorgen dat onderwerpen zijn bezig met de cognitieve taak (waarneming) en meeslepende op de illusie van geamputeerd. Ten slotte, de vereiste resources voor het ontwikkelen en implementeren van deze complexe strategieën kunnen worden tijdrovende en/of kosten onbetaalbaar.

Beschrijven we een nieuwe benadering die wij creëert een realistische en levendige gevoel van onderdompeling waarbij de deelnemer zien een live video en real-time video van een geprojecteerde beeld van hun eigen ledematen geloven kunt terwijl ze een zitting van de MT-31 voeren. Deze aanpak wordt uitgevoerd terwijl het individu in de scanner boring liggen en zonder aanzienlijke kosten of de uitgebreide technische ontwikkeling is.

Dit protocol maakt deel uit van het hulpprogramma voor het Project van een National Institutes of Health (NIH)-onderzoeksbeurs (RO1)-gesponsorde klinische proef die wordt geëvalueerd als de effecten van de combinatie van een neuromodulatory techniek, namelijk Transcraniële gelijkstroom stimulatie (TDC's), met een Gedragstherapie (spiegel therapie) ter verlichting van de phantom ledemaat pijn31. We evalueren veranderingen in de visuele analoge schaal (VAS) voor pijn op de basislijn, voorafgaand, en na elke interventie-sessie. fMRI wordt gebruikt als een neurophysiologic instrument om te evalueren van de structurele veranderingen in de hersenfunctie en de correlatie met de vrijstelling van PLP. Daarom wordt een eerste fMRI verkregen om een kaart van de basislijn van de structurele organisatie van de deelnemer in de hersenen, die ook laten zien zal dat er corticaal maladaptieve reorganisatie5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28 of dat er niet sprake is van19; op dezelfde manier, kunt de wetenschapper zien welke gebieden worden geactiveerd op de basislijn met de taak voor MT om te begrijpen van de gebieden activering reactie op de MT; Tenslotte is het mogelijk om een tweede fMRI-postintervention te zien als wijzigingen (modulatie) zijn gegenereerd in de corticale reorganisatie na de gecombineerde therapie met TDC's en MT en te analyseren als deze wijzigingen zijn gecorreleerd of geassocieerd met de mate van de wijziging van de pijn. Daarom dit protocol kan wetenschappers om structurele reorganisatie wijzigingen bij patiënten met PLPs tijdens MT en ook helpt hen te begrijpen als deze veranderingen gezien in fMRI geassocieerd met veranderingen in de PLP worden, daarom aanvullende informatie te verstrekken over MT invloed van structurele en functionele hersenactiviteit te wijzigen van de phantom pijn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. bereiding van het onderwerp

  1. Vóór deelname, hebben de deelnemer een toestemmingsformulier in te vullen en een MRI veiligheid screening van de evaluatie, de laatste uitgevoerd door de technicus neuroimaging bij het scannen faciliteit, om ervoor te zorgen dat de deelnemer geen eventuele contra-indicaties bekend te wordt gescand (bijvoorbeeld metalen in hun lichaam, een geschiedenis van claustrofobie of zwangerschap).
  2. De deelnemer voorzien van gedetailleerde instructies met betrekking tot de experimentele procedure.
  3. Luister naar een instructie opgenomen audio om ervoor te zorgen dat zij in staat zijn te begrijpen en volg de instrukties tijdens het scannen procedure zijn onderwerp hebben.
  4. Verrichten van een praktijk die in een mock scanner ter vergemakkelijking van de basisopleiding van de taakinstructies binnen de scanner-omgeving worden uitgevoerd.
    Opmerking: De mock scanner is vergelijkbaar in alle opzichten aan de MRI-scanner met echte gegevens-verwerven, maar zonder de actieve magneet.
  5. Duidelijke instructies geven de deelnemer om te voorkomen dat eventuele bewegingen van de resterende en fantoom ledemaat om te voorkomen dat eventuele samentrekkingen van de spieren van de stomp die met het signaal van de hersenen interfereren kunnen.

2. voorbereiding van het experiment

Opmerking: De experimenteel protocol is vergelijkbaar met wat eerder ten behoeve beschreven is van het onderzoeken van de neurale correlaten gekoppeld aan de mentale beeldvorming van het verplaatsen van de bovenste ledematen. Hier hebben we de aanpak van de beweging van de onderste ledematen aangepast. In het bijzonder bestaan de gedrags taken uit het volgende.

  1. Alvorens de kamer scanner, vraag de deelnemer om hun prothese en een metalen voorwerpen te verwijderen.
  2. Heb de MRI-technicus die ervoor zorgen dat de deelnemer heeft geen metaal op hun lichaam dat ze in gevaar zou kunnen brengen.
  3. Vervoer de deelnemer naar de MRI-kamer in een MRI-compatibele rolstoel; na dat, vraag de deelnemer zelf overzetten naar de MRI scanner bed.
  4. Voor het MT, comfortabel plaatst u een enkel stuk, MRI-compatibele, horizontale spiegel (10.000 x 255 x 3 mm) ondersteund door een driehoekige staan tussen de benen van de deelnemer, terwijl ze liggende op het bed van de scanner liggen. Het gebruik van zandzakken om stabiliteit en een betere positionering van de spiegel. De stand van de spiegel aan een verstelbare arm koppelen, zodat het worden kan geplaatst overeenkomstig de certificaathouder hoogte en positionering zonder contact met enig deel van het lichaam ( Figuur 1).

Figure 1
Figuur 1 : Videocamera en spiegel set up De spiegel is gepositioneerd tussen de benen in een hoek van ongeveer 45°, afhankelijk van de hoogte van de deelnemer en amputatie. Het doel is om te dekken van de resterende ledematen en er onzichtbaar voor de video systemen. Zandzakken worden gebruikt om te houden de spiegel in de juiste positie. De positionering van de camera is ook flexibel en gemakkelijk kan worden gewijzigd met behulp van een statief of de aanpasbare spronggewricht (verandert de hoek van de camera). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. Voor de visuele feedback, een MRI-compatibele digitale camera op de stand van een verstelbaar statief in de buurt van de intact poot van de deelnemer ( Figuur 1) te koppelen.
    Opmerking: De camera gebruikt wordt vermeld in de Tabel van materialen en kost ongeveer 217 USD. De camera krijgt beelden in 1.080 pixels beeldresolutie. Aangezien de camera zelf werd niet geplaatst binnenkant van de MRI droeg, er is geen noodzaak voor duurder MRI-compatibele systemen. De camera is aangesloten op een pool van de MRI-safe IV via een slang zwanenhals modulaire positionering wijzigingen inschakelen.
  2. Bevestig de camera op een statief, zodat de juiste aanpassing van de kijkhoek en gezichtsveld.
  3. Plaats een tweede mirror op de MRI hoofd spoel, zodat de deelnemer aan het beeld gepresenteerd op de monitor rechtstreeks terwijl liggen volledig binnen de scanner droeg ( Figuur 2).

Figure 2
Figuur 2 : Schematische afbeelding projectie in de omgeving van de scanner of videocamera. De real-time video-projectie van de spiegel therapie systeem bestaat uit drie subsystemen. 1) camera en monitor subsysteem. De video wordt doorgegeven aan de monitor, zodat het onderwerp het been en spiegel been bewegingen in real time kunt bekijken. 2) het hoofd coil met de spiegel bevestigd. De spiegel in de hoofd spoel kan de deelnemer om naar te kijken de monitor zonder te verplaatsen van hun hoofd. De spiegel is onder een hoek van 45° op ooghoogte. 3) de spiegel en de zandzakken. De MRI-compatibele spiegel wordt zorgvuldig geplaatst tussen de benen en de resterende ledematen op een manier dat het betrekking heeft op de resterende ledematen en voor het beste zorgt beeld getoond. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. De overdracht van real-time video beeld instellen via een project naar een monitor geplaatst aan de achterkant van de scanner (in de buurt van het hoofd van de deelnemer) droeg en computer-gestuurde systeem wordt verzonden.
    Opmerking: Er is geen waarneembare tijdvertraging tussen de prognose en de vastgelegde werkelijke beweging. De werkelijke beweging en de visuele feedback worden gescheiden door minder dan een seconde die niet met het real-time gevoel interfereert, zoals door de deelnemers.

3. scannen en gegevensverzameling

  1. Verwerven fMRI gegevens met een 3 T-scanner met behulp van een 8-kanaals geleidelijk-matrix hoofd spoel.
  2. Verkrijgen van imaging sequenties die een hoge resolutie T1-gewogen structurele afbeelding opnemen (TE: 3.1 ms, TR: 6.8 ms, flip hoek: 9°, isotrope 1 mm voxel grootte) (anatomische scan), en bloed-zuurstof-niveau-afhankelijke (BOLD) fMRI signaal metingen met behulp van een protocol dat gebaseerd op multislice verloop (fast-veld) echo-vlakke beeldvorming (EPI) en standaard parameters (TE: 28 ms, TR: 2 s, flip hoek: 90°, isotrope 3 mm voxel grootte, axiaal georiënteerde en die betrekking hebben op de hele hersenen).
    Opmerking: De gehele procedure voor het scannen duurt ongeveer 30 min. Het gaat hierbij om een structurele (anatomische) scan eerste 4 min en vier taak (functionele) overnames gedurende 6 minuten elk. Voor elke taak (functionele overname) moeten de patiënt Tik op hun voet met een snelheid van 1 kraan elke seconde.
  3. Tijdens de scans, hebben de deelnemer koptelefoon geluid-isolerende MRI voldoet (bijvoorbeeld Westone) tijdens het scannen sessie te horen van de onderzoeker auditieve opdrachten.
  4. Terwijl de patiënt is liggen in de scanner, speel de auditieve track zodat de deelnemer een reeks van auditieve signalen hoort voor het uitvoeren van de bepaalde gedrags taak.
  5. Gebruik de volgende opdrachten: 1) "been" voor verkeer van de geamputeerde been (Zie de opmerking na stap 3.11); 2) "mirror" voor de beweging van de intact poot tijdens het bekijken van een real-time video-opname (dus de beweging van een poot in de positie van het geamputeerde been met behulp van de spiegel observeren); 3) "rest" waarin de deelnemer been beweging stopt en ligt roerloos met hun ogen gesloten. Bovendien hebben de onderzoeker zegt "start" en "end" om te betekenen het begin en het einde van de experimentele run, respectievelijk ( Figuur 3).

Figure 3
Figuur 3 : Taak ontwerp. Het ontwerp van de taak bestaat uit drie stappen. Tijdens de eerste stap van de "been", het onderwerp is geïnstrueerd om te verplaatsen van het been (buigen de voet) in een tempo van ongeveer één beweging elke 2 s (10 bewegingen in 20 s), met hun ogen dicht. Voor de tweede stap van de "spiegel", de deelnemer moet blijven bewegen het been (10 bewegingen in 20 s) tijdens het kijken naar de video monitor weergeven van de online real-time spiegelbeeld van de benen. De laatste stap verzoekt het onderwerp te rusten.

  1. Hebben de deelnemer een beweging met de nonamputated van de onderste poot met de ogen dicht (dat wil zeggen, herhaalde plantaire flexie en dorsale flexie van de voet in een tempo van ongeveer één kraan per 2-3 s) uitvoeren.
  2. Hebben de deelnemer dezelfde been beweging uitvoeren, maar nu de deelnemer neemt een gespiegelde kopie van zijn/haar been bewegen in de plaats van het geamputeerde been met behulp van real-time video-opname van de beweging van de poot intact.
  3. De deelnemer die het uitvoeren van een toestand van rust, waarin hij/zij nog met geen beweging van de benen legt heb.
    Opmerking: Elke voorwaarde duurt 20 s (dat wil zeggen, een experimentele blok = 60 s) voor een keer uitvoeren lengte van 6 min (zes herhalingen van de experimentele run per blok).
  4. Het verzamelen van gegevens in een enkele sessie voor elke deelnemer.
  5. Instrueer de onderzoeker in kennis van eventuele ongewenste bewegingen, en tussen de runs te instrueren van de deelnemer om het juiste tempo en bewegingen te houden te nemen.
  6. Zorg ervoor dat, nadat de procedures worden uitgevoerd, de onderzoeker de gegevens naar een gecodeerde flash drive transfereert en deze op een veilige plaats in de faciliteit slaat.
    Opmerking: In dit protocol, het woord "been" wordt gebruikt in plaats van het woord "voet". Hoewel de deelnemers zich alleen getroosten voet bewegingen (als gevolg van beperkingen van de MRI-machine), de meeste van hen hebben een groter deel van de onderste extremiteit geamputeerd en worden aangeduid als been geamputeerden, niet voet.

4. analyse

  1. Analyseren van de gegevens van de functionele neuroimaging gebruik van standaardtechnieken30,41, met behulp van het ontwerp van de longitudinale analyse (basislijn en posttreatment) en verwerken van de stroom in het softwarepakket FMRIB Software bibliotheek (FSL)42 ,43.
    1. Voor elke functionele scan, 3D-beweging correctie met behulp van de eerste volume uitlijning uitvoeren, hoogdoorlaat filter om te verwijderen van de temporele lineaire trends, en het uitvoeren van een correctie voor segment tijd verwerving en ruimtelijke vloeiend maken (Gaussiaans kernel, 5.0 mm volle breedte op de helft maximaal [FWHM]).
      1. Mark volumes met een motie boven 0,9 mm in elke richting met de FSL beweging uitbijter detectie verwerking stroom en wiskundig "scrub" ze van de uiteindelijke analyse44.
        Opmerking: Als meer dan 25% van de volumes zijn aangewezen voor de verwijdering, de hele verwerving moet worden uitgesloten uit de totale dataset.
    2. Coregister elk van de voorverwerkte functionele beelden om het hoge resolutie anatomische en, vervolgens, brengen ze standaard Talairach ruimte.
    3. Past een algemeen lineair model (GLM) naar een tijdsverloop voxel waar elke experimentele voorwaarde is gemodelleerd door een boxcar regressor die moet worden gladgestreken met dubbele-gamma hemodynamische reactie functie.
    4. Gebruik de high-resolution anatomische T1-gewogen anatomische volume voor de bouw van een opgeblazen corticale oppervlakte gaas om te zien de sulcal activeren, en vervolgens, project individuele certificaathouder kaarten voor elke contrast van belang op het onderwerp is gereconstrueerd gaas.
      Opmerking: De prognoses moeten laten de belangrijke waarden van de GLM. De statistische significantie waardedrempel vastgesteldop het standaard criterium van p < 0.001 gecorrigeerd voor meerdere vergelijkingen, met behulp van een aanpassing van de clustergrootte drempel.
  2. Het gedrag van een regio van belang (ROI) analyse.
    1. De primaire ROI in grote lijnen met de FreeSurfer de Desikan atlas45 van de primaire sensomotorische cortex definiëren en vervolgens verfijnen voor elk onderwerp met behulp van de onderwerp-specifieke functionele activering tijdens het been vs. rest voorwaarde bij het scannen van de basislijn.
    2. Weerspiegelen de verfijnde primaire ROI op het homologe gebied van het tegenovergestelde halfrond (bijvoorbeeld ipsilaterale primaire sensomotorische vertegenwoordiging van intact onderste extremiteit).
    3. Gebruik de standaard FreeSurfer anatomische Desikan atlas45 om te definiëren van de hele (bilaterale) occipital visuele cortex voor de secundaire ROI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Het genereren van de sensatie gekoppeld MT met behulp van real-time video-projectie is haalbaar. Deelnemers zijn subjectief vermeld dat het videobeeld waargenomen levensecht is en de sensatie meeslepende is.

Bovendien, de patronen van de corticale activering die is gekoppeld aan het MT (dat wil zeggen, de beweging van het been en het bekijken van de geprojecteerde beeld van de spiegel) in de omgeving van de scanner zijn robuust. In een pilot-studie, waren de corticale reacties op MT opgenomen met behulp van fMRI in een deelnemer met lagere-ledemaat amputatie van het linker been (man, 56 jaar oud, traumatische amputatie van de onderste poot onder de knie) volgende de taak protocol hierboven beschreven. Vergelijken van been beweging versus de rest voorwaarde resulteerde in een robuuste activering binnen de sensomotorische vertegenwoordiging van het been van de contralaterale (d.w.z., links) halfrond. Ipsilaterale Corticale activering werd waargenomen in de sensomotorische been gebied (figuur 4A). De toestand van de spiegel ten opzichte van de rest voorwaarde bevestigd ook robuuste contralaterale evenals ipsilaterale activering van de corticale been sensomotorische vertegenwoordiging. Bovendien, robuuste Corticale activering werd gezien met posterieure occipitale (dat wil zeggen, visuele) corticale gebieden die verband houden met het bekijken van de geprojecteerde afbeelding van het bewegende been.

De patronen van activering beschreven vertegenwoordigen activeringen op de referentietoestand, dat wil zeggen, bij de aanvang van de therapie-periode. De eerste reacties dienen vast te stellen van de activering van de basislijn ten behoeve van de regio's van belang (ROIs), en een latere vergelijking definiëren nadat het MT-protocol is voltooid in elk individu.

Figure 4
Figuur 4 : Representatief voorbeeld van de corticale activeringen in reactie op de therapie in de MRI scanner spiegel. (A) vergelijken been beweging versus de rest voorwaarde resulteerde in een robuuste activering binnen de sensomotorische vertegenwoordiging van het been van de contralaterale (d.w.z., links) en ipsilaterale cortex. (B) de toestand van de spiegel ten opzichte van de rest voorwaarde ook bevestigd een robuuste contralaterale en ipsilaterale activering van de corticale been sensomotorische vertegenwoordiging, evenals de occipitale (dat wil zeggen, visuele) Corticale activering die is gekoppeld aan de weergave de geprojecteerde beeld van de bewegende been. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dit protocol beschrijft een roman, haalbaar procedure waarmee onderzoekers te nauwkeurig karakteriseren de neurale correlaten MT bij personen met PLP is gekoppeld.

Zoals eerder vermeld, verleden studies hebben geprobeerd te onderzoeken van de neurale correlaten verband met MT verwerking door de integratie van verschillende technieken zoals video-opname, virtual reality, en vooraf opgenomen animaties9,33 ,34. Echter, deze benaderingen zijn beperkt in termen van effectiviteit37,38,39. In het protocol hier geschetst, integreren we eenvoudig verkrijgbare en goedkope elementen creëren een gevoel van het leven-achtige en meeslepende MT gekoppeld binnen de MRI-omgeving. De gebruikte apparatuur kan is MRI-compatibel (dat wil zeggen, nonferromagnetic materialen) en gemakkelijk aangepast en gewijzigd voor elk individu. De belangrijkste elementen bestaan uit drie belangrijkste subdelen: (1) video camera en monitor; (2) de reflecterende spiegel gekoppeld aan de hoofd spoel; (3) de grote reflecterende spiegel en ondersteunt. De video wordt doorgegeven aan de monitor, zodat het onderwerp het been en spiegel been bewegingen in real time kunt bekijken. De richting van de spiegel in de hoofd spoel kan de deelnemer om te bekijken de monitor terwijl liggend liggende en zonder buitensporige beweging van het hoofd. De spiegel is aangepast aan de certificaathouder geamputeerde beenlengte met behulp van een verstelbare standaard om te voorkomen dat elk contact met de deelnemer been. Van een data-acquisitie en analyse oogpunt, is functionele neuroimaging gegevens analyseren met standaardtechnieken (dat wil zeggen, regio van belang analyse) met speciale nadruk op een pre-post longitudinale ontwerp30,41.

Naast de meeslepende sensatie van levensechte verstrekt aan de deelnemer, is een ander voordeel van dit protocol dat het systeem kan worden aangepast voor de doeleinden van het bekijken van de verschillende ledematen (bovenste en onderste) en kan worden gebruikt voor het testen van elke mogelijke combinatie van beweging van de ledematen.

De meeslepende sensatie geboden door de video transmissie is een belangrijke factor als het gaat om het genereren van de potentiële therapeutische werking van MT. Het gebruik van de real-time video opgevangen uit de videocamera kan zoals hier gepresenteerd worden superieur aan benaderingen zoals geautomatiseerde beelden, virtuele werkelijkheid, of vooraf opgenomen beelden uit het verleden. Echter deden we deze techniek met visuele illusie die niet te vergelijken. Bovendien, een eerdere studie in gezonde deelnemers geëvalueerd functionele hersenen activeren na het uitvoeren van een taak met een conventionele spiegel doos en een virtual-reality-geprojecteerd beeld van de bovenste extremiteit. In de resultaten van deze studie, Diers en medewerkers vonden geen verschillen tussen levendigheid of waargenomen authenticiteit van de illusie tussen de visuele werkelijkheid illusie en de spiegel vak therapie18.

Aan de andere kant, dit protocol heeft ook haar beperkingen en uitdagingen in verband met het: vanwege de aard van de beweging van been, bewegings-artefacten (dat wil zeggen, in verband met buitensporige hoofd verkeer) kwaliteit van de gegevens in gevaar kan brengen. Hoewel de patiënt wordt toegestaan te zien van een geprojecteerde live beeld van hun eigen ledematen, ontbreekt het protocol een vragenlijst om de levendigheid en onderdompeling dat de deelnemer voelt terwijl ondergaan de taken naar behoren te beoordelen. Bovendien, heb wij niet vergelijken de taak uit te voeren in deze techniek met andere strategieën, zoals visuele stimuli alleen van een opname van het been beweging zonder de patiënt daadwerkelijk uitvoeren van de beweging of een virtuele realiteit imaging projectie van een onderste extremiteit verplaatsen. Dit gebeurde in het bijzonder omdat het niet het doel van dit protocol was en omdat er vorige studies die al bestudeerd en vergeleken van deze interventies en bleek geen verschil in het patroon van de activering, maar ook geen verschil in levendigheid van de taak tussen interventies, zoals hierboven18vermeld. Bovendien, om te overwinnen van uitdagingen in verband met de motie, werkzaam we huidige state-of-the-art beweging detectie en de correctie strategieën26. Om de kwaliteit van de gegevens, nieuwe strategieën verder te verbeteren (bijvoorbeeld fysieke beperkingen geplaatst rond de heupen van het onderwerp te isoleren van been beweging) wordt gevoerd. Tot slot, met betrekking tot wijziging en probleemoplossing, hadden we in eerste instantie een vaste camera-stand die niet in ons staat te verkrijgen en adequaat vast te leggen van de patiënt lager ledemaat reflectie in de spiegel; echter, gebruik makend van een verstelbare standaard, wij konden krijgen de meest precieze en accurate beeld transmissie. Bovendien, tijdens de eerste stappen van de ontwikkeling van het protocol was de stand van de spiegel kwetsbaar en viel gemakkelijk met elke lichte beweging. Dit werd overwonnen wanneer zandzakken stabiliteit geven de spiegel montage werden toegevoegd.

Ten slotte, gezien het gemak van uitvoering van de experimentele opstelling, deze aanpak kan toestaan dat de evaluatie van de effecten van MT niet alleen in ledemaat-geamputeerden, maar ook in andere omstandigheden die gebruik maken van deze aanpak van de behandeling, zoals beroerte en dwarslaesie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Deze studie werd ondersteund door een NIH RO1 grant (1R01HD082302).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Louis, E. D., York, G. K. Weir Mitchell’s observations on sensory localization and their influence on Jacksonian neurology. Neurology. 66 (8), 1241-1244 (2006).
  2. Weinstein, S. M. Phantom Limb Pain and Related Disorders. Neurologic Clinics. 16 (4), 919-935 (1998).
  3. Rudy, T. E., Lieber, S. J., Boston, J. R., Gourley, L. M., Baysal, E. Psychosocial Predictors of Physical Performance in Disabled Individuals With Chronic Pain. The Clinical Journal of Pain. 19 (1), 18-30 (2003).
  4. Whyte, A. S., Carroll, L. J. A preliminary examination of the relationship between employment, pain and disability in an amputee population. Disability and Rehabilitation. 24 (9), 462-470 (2002).
  5. Flor, H., Diers, M., Andoh, J. The neural basis of phantom limb pain. Trends in Cognitive Sciences. 17 (7), 307-308 (2013).
  6. Flor, H., Nikolajsen, L., Staehelin Jensen, T. Phantom limb pain: a case of maladaptive CNS plasticity? Nature Reviews. Neuroscience. 7 (11), 873-881 (2006).
  7. Lotze, M., Flor, H., Grodd, W., Larbig, W., Birbaumer, N. Phantom movements and pain. An fMRI study in upper limb amputees. Brain: A Journal of Neurology. 124 (Pt 11), 2268-2277 (2001).
  8. Foell, J., Bekrater-Bodmann, R., Diers, M., Flor, H. Mirror therapy for phantom limb pain: Brain changes and the role of body representation. European Journal of Pain (United Kingdom). 18 (5), 729-739 (2014).
  9. Subedi, B., Grossberg, G. T. Phantom limb pain: Mechanisms and treatment approaches. Pain Research and Treatment. 2011, (2011).
  10. Elbert, T., et al. Extensive reorganization of the somatosensory cortex in adult humans after nervous system injury. NeuroReport. 5 (18), 2593-2597 (1994).
  11. Diers, M., Christmann, C., Koeppe, C., Ruf, M., Flor, H. Mirrored, imagined and executed movements differentially activate sensorimotor cortex in amputees with and without phantom limb. Pain. 149 (2), 296-304 (2010).
  12. Chan, B. L., et al. Mirror therapy for phantom limb pain. The New England Journal of Medicine. 357 (21), 2206-2207 (2007).
  13. Flor, H., Knost, B., Birbaumer, N. Processing of pain- and body-related verbal material in chronic pain patients: central and peripheral correlates. Pain. 73 (3), 413-421 (1997).
  14. Flor, H., Braun, C., Elbert, T., Birbaumer, N. Extensive reorganization of primary somatosensory cortex in chronic back pain patients. Neuroscience Letters. 224 (1), 5-8 (1997).
  15. Bolognini, N., Russo, C., Vallar, G. Crossmodal illusions in neurorehabilitation. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 9 (August), (2015).
  16. Senna, I., Russo, C., Parise, C. V., Ferrario, I., Bolognini, N. Altered visual feedback modulates cortical excitability in a mirror-box-like paradigm. Experimental Brain Research. 233 (6), 1921-1929 (2015).
  17. Ambron, E., Miller, A., Kuchenbecker, K. J., Buxbaum, L. J., Coslett, H. B. Immersive low-cost virtual reality treatment for phantom limb pain: Evidence from two cases. Frontiers in Neurology. , (2018).
  18. Diers, M., et al. Illusion-related brain activations: A new virtual reality mirror box system for use during functional magnetic resonance imaging. Brain Research. 1594, 173-182 (2015).
  19. Makin, T. R., et al. Phantom pain is associated with preserved structure and function in the former hand area. Nature Communications. 4, 1570 (2013).
  20. Darnall, B. D., Li, H. Home-based self-delivered mirror therapy for phantom pain: A pilot study. Journal of Rehabilitation Medicine. 44 (3), 254-260 (2012).
  21. Rothgangel, A. S., Braun, S. M., Beurskens, A. J., Seitz, R. J., Wade, D. T. The clinical aspects of mirror therapy in rehabilitation: a systematic review of the literature. International Journal of Rehabilitation Research. 34 (1), 1-13 (2011).
  22. Griffin, S. C., et al. Trajectory of phantom limb pain relief using mirror therapy: Retrospective analysis of two studies. Scandinavian Journal of Pain. 15, 98 (2017).
  23. Tsao, J. W., Finn, S. B., Miller, M. E. Reversal of phantom pain and hand-to-face remapping after brachial plexus avulsion. Annals of Clinical and Translational Neurology. 3 (6), 463-464 (2016).
  24. Tung, M. L., et al. Observation of limb movements reduces phantom limb pain in bilateral amputees. Annals of Clinical and Translational Neurology. 1 (9), 633-638 (2014).
  25. Datta, R., Dhar, M. Mirror therapy: An adjunct to conventional pharmacotherapy in phantom limb pain. Journal of Anaesthesiology, Clinical Pharmacology. 31 (4), 575-578 (2015).
  26. Kim, S. Y., Kim, Y. Y. Mirror therapy for phantom limb pain. The Korean Journal of Pain. 25 (4), 272-274 (2012).
  27. Halligan, P. W., Zeman, A., Berger, A. Phantoms in the brain. Question the assumption that the adult brain is “hard wired“. BMJ (Clinical Research ed.). 319 (7210), 587-588 (1999).
  28. Flor, H., et al. Phantom-limb pain as a perceptual correlate of cortical reorganization following arm amputation. Nature. 375 (6531), 482-484 (1995).
  29. Genius, J., et al. Mirror Therapy:Practical Protocol for Stroke Rehabilitation. Pain Practice. 16 (4), 422-434 (2013).
  30. Forman, S. D., et al. Improved assessment of significant activation in functional magnetic resonance imaging (fMRI): use of a cluster-size threshold. Magnetic Resonance in Medicine. 33 (5), 636-647 (1995).
  31. Pinto, C. B., et al. Optimizing Rehabilitation for Phantom Limb Pain Using Mirror Therapy and Transcranial Direct Current Stimulation: A Randomized, Double-Blind Clinical Trial Study Protocol. JMIR Research Protocols. 5 (3), e138 (2016).
  32. Goense, J., Bohraus, Y., Logothetis, N. K. fMRI at High Spatial Resolution: Implications for BOLD-Models. Frontiers in Computational Neuroscience. 10, 66 (2016).
  33. Khor, W. S., et al. Augmented and virtual reality in surgery—the digital surgical environment: applications, limitations and legal pitfalls. Annals of Translational Medicine. 4 (23), 454 (2016).
  34. Nosek, M. A., Robinson-Whelen, S., Hughes, R. B., Nosek, T. M. An Internet-based virtual reality intervention for enhancing self-esteem in women with disabilities: Results of a feasibility study. Rehabilitation Psychology. 61 (4), 358-370 (2016).
  35. Henry, J. Virtual Reality in 2016: Its Power and Limitations. Medium. , (2016).
  36. Renner, R. S., Velichkovsky, B. M., Helmert, J. R. The perception of egocentric distances in virtual environments - A review. ACM Computing Surveys. 46 (2), 1-40 (2013).
  37. Huang, M. P., Alessi, N. E. Current limitations into the application of virtual reality to mental health research. Studies in Health Technology and Informatics. , (1998).
  38. Ballester, B. R., et al. Domiciliary VR-Based Therapy for Functional Recovery and Cortical Reorganization: Randomized Controlled Trial in Participants at the Chronic Stage Post Stroke. JMIR Serious Games. 5 (3), e15-e15 (2017).
  39. Bower, K. J., et al. Clinical feasibility of interactive motion-controlled games for stroke rehabilitation. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 12, 63 (2015).
  40. Reed, S. K. Structural descriptions and the limitations of visual images. Memory & Cognition. 2 (2), 329-336 (1974).
  41. Boynton, G. M., Engel, S. A., Glover, G. H., Heeger, D. J. Linear Systems Analysis of Functional Magnetic Resonance Imaging in Human V1. The Journal of Neuroscience. 16 (13), 4207-4221 (1996).
  42. Jenkinson, M., Beckmann, C. F., Behrens, T. E. J., Woolrich, M. W., Smith, S. M. FSL. NeuroImage. 62 (2), 782-790 (2012).
  43. Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23 (Supple), S208-S219 (2004).
  44. Siegel, J. S., et al. Statistical Improvements in Functional Magnetic Resonance Imaging Analyses Produced by Censoring High-Motion Data Points. Human Brain Mapping. 35 (5), 1981-1996 (2014).
  45. Desikan, R. S., et al. An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest. NeuroImage. 31 (3), 968-980 (2006).

Tags

Neurowetenschappen kwestie 146 Phantom ledemaat pijn fMRI beeldvorming van de hersenen spiegel therapie amputatie Neuroplasticiteit sensomotorische cortex
Real-Time Video projectie in een MRI voor karakterisering van neurale correlaten geassocieerd met spiegel therapie voor Phantom ledemaat pijn
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Saleh Velez, F. G., Pinto, C. B.,… More

Saleh Velez, F. G., Pinto, C. B., Bailin, E. S., Münger, M., Ellison, A., Costa, B. T., Crandell, D., Bolognini, N., Merabet, L. B., Fregni, F. Real-time Video Projection in an MRI for Characterization of Neural Correlates Associated with Mirror Therapy for Phantom Limb Pain. J. Vis. Exp. (146), e58800, doi:10.3791/58800 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter