以实时fMRI生物反馈靶向眶额皮层治疗污染焦虑

摘要

本文介绍了一种训练个体控制与污染焦虑相关脑区的方法，并探讨了污染焦虑与脑连接模式之间的关系。

摘要

我们介绍了一种利用实时功能磁共振成像（rt-fMRI）生物反馈数据训练受试者调控其与污染焦虑相关的眶额皮层区域活动的方法。在健康对照受试者¹以及强迫症（OCD）患者²中，该脑区活动增强均与污染焦虑相关；强迫症是一种相对常见且常导致严重功能障碍的精神疾病，常伴有污染焦虑。尽管多种脑区均被发现与强迫症相关，但眶额皮层（OFC）的异常是最为一致的研究发现之一^{3, 4}。此外，OFC的过度活跃已被证实与强迫症症状严重程度相关⁵，而该区域过度活跃程度的降低也被报道与症状严重性的减轻相关⁶。因此，调控该脑区活动的能力可能转化为强迫症症状（包括污染焦虑）的临床改善。rt-fMRI数据的生物反馈是一种新兴技术，通过将受试者特定脑区（或与特定分布式脑活动模式相关）的时间活动模式作为反馈信号提供给受试者，实现自我调控。近期研究表明，当提供rt-fMRI生物反馈时，个体能够学会调控特定脑区的活动^7-12。特别是，多项利用该技术针对情绪加工相关脑区的研究已成功训练受试者实现对该区域的调控^13-18。在若干案例中，rt-fMRI生物反馈训练被报道可引发认知、情绪或临床层面的变化^{8, 9, 13, 19}。本文以健康受试者中污染焦虑的干预为例，展示该技术的应用。这一生物反馈干预手段将成为一项重要的基础研究工具：它允许研究人员扰动脑功能，测量由此产生的脑动态变化，并将其与污染焦虑或其他行为指标的变化相关联。此外，该方法的建立也为探索基于fMRI的生物反馈作为强迫症治疗干预手段迈出了第一步。鉴于约四分之一的强迫症患者从目前可用的治疗方法中获益甚微^20-22，且即使获益者也极少实现完全康复，针对这一人群亟需开发新的治疗策略。

方案

1. 刺激材料的开发

需要进行大量的刺激材料开发。必须收集与污染相关的图像和中性图像，并通过预实验确保这些刺激在不同诱发条件下引发的焦虑水平相当，且在诱发条件下的焦虑水平显著高于中性条件。 具体而言，需要以下四组刺激材料：

1. 定位刺激：使用300张与污染相关的图片和300张中性图片，用于定位眶额皮层（OFC）中参与污染焦虑的脑区。这些刺激材料必须经过预实验验证，确保污染相关图片引发的污染焦虑显著高于中性图片（基于被试的自我报告）。这一点必须在每一位预实验被试中均成立，而不仅仅是整体组间平均水平，因为需要利用这些刺激在每位被试中 individually 定位OFC的目标区域。
2. 生物反馈刺激：需开发两套匹配的刺激材料，每套包含三种类型的刺激。每套中需包含18张用于“增强”区段的诱发性刺激、18张用于“减弱”区段的诱发性刺激，以及24张用于中性区段的中性刺激。其中一套用于第一次生物反馈会话，另一套用于第二次生物反馈会话。必须收集被试观看这些刺激时自我报告的焦虑水平的预实验数据，以确保刺激类型存在主效应（即诱发性与中性刺激之间的差异），但不存在刺激套组的主效应，也无类型与套组之间的交互效应。
3. 控制任务刺激：需开发四套匹配的刺激材料，每套包括6张用于“增强”区段的诱发性刺激、6张用于“减弱”区段的诱发性刺激，以及8张中性刺激。这四套刺激分别用于两次生物反馈会话开始和结束时进行的控制任务扫描。必须收集被试观看这些刺激时自我报告的焦虑水平的预实验数据，以确保刺激类型存在主效应（即诱发性与中性刺激之间的差异），但不存在刺激套组的主效应，也无类型与套组之间的交互效应。
4. 评估会话刺激：需开发三套匹配的刺激材料，每套包含25张污染相关图片。必须收集预实验数据，以确保被试对这些图片产生的焦虑反应在不同套组之间无显著差异。

我们课题组使用的刺激材料包括来自Maudsley强迫症状量表²³和国际情感图片系统²⁴的图片，以及我们自行拍摄的照片，或从Google图片获取、或从Bigstockphoto.com、gettyimages.com、flickr.com和iStockphoto.com购买的图片。

2. 招募

筛选受试者以确定能够参与磁共振成像且报告具有较高污染焦虑水平并希望学习如何控制该焦虑的健康个体。具体而言，在筛选过程中，受试者需完成帕多瓦量表—华盛顿州立大学修订版（Padua Inventory-Washington Slate University Revision, PI-WSUR）²⁵，仅纳入在强迫思维与清洗强迫症状量表上得分等于或高于8分的个体。对于每一位接受真实生物反馈的受试者，将招募另一位在年龄和性别上相匹配的受试者接受假性生物反馈。所有受试者在参与前必须根据机构人类保护项目（在耶鲁大学为人类研究保护项目）批准的方案签署知情同意书。

3. 实验方案

生物反馈方案的目标是训练受试者增强对与污染焦虑相关的眶额皮层（OFC）区域神经活动水平的控制能力，使得他们在接触与污染相关的刺激时，能够根据意愿增加或减少该脑区的神经活动。我们假设，对这一脑区的更强控制能力将使受试者能够更好地调控与污染相关的焦虑情绪。这种有意识地调节OFC神经活动水平的能力，将通过受试者在功能成像扫描期间，是否能够在提示下成功增加或降低该脑区所测得的信号来评估。

受试者在四个不同的日期前来参加实验，每次间隔约半周，因此整个研究共需两周时间完成。该实验方案的流程图如图1所示。

图1. 实验流程图。第1天以蓝色表示，第2天以红色表示，第3天以绿色表示，第4天以橙色表示。尽管未明确列出，每次MR扫描会话均包括在与功能数据相同切片位置采集的解剖学数据；此外，生物反馈MR会话还包括采集一次“功能参考扫描”，用于将目标区域配准至该会话的功能空间。

3.1 第1天

1. 受试者在1.5 T西门子Sonata扫描仪中进行为期1小时的磁共振（MR）成像检查。每次扫描开始前，需检查视觉显示，确保其完全位于受试者的视野范围内，并且对受试者而言图像清晰聚焦。
   第1天采集以下数据：
   1. 采用磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）序列获取高分辨率结构像
   2. 在与功能数据相同的31个切片位置上获取T1加权解剖图像
   3. 两次静息态功能数据扫描，每次采集152个体积数据（前两个被舍弃）。所有功能数据均采用T2*敏感的单次激发梯度回波平面脉冲序列采集（TE = 30 ms，FA = 80，TR = 2000 ms，带宽 = 2604 Hz/pixel，视野200 mm，体素尺寸为3.1×3.1×3.1 mm³各向同性，共31层轴向斜位切片，按AC-PC线对齐，覆盖全部眶额皮层及大部分大脑上部结构）。该序列通过将最优TE从45 ms降低至30 ms，并将层厚减小至3.1 mm，从而减少体素内去相位效应，仅轻微降低BOLD敏感性；同时采用更高带宽以减少相位编码方向上的几何畸变。
   4. 三次功能定位扫描，每次采集202个体积数据（前两个被舍弃），期间受试者以40秒为间隔交替观看强烈的与污染相关的刺激图像和中性图像。这些定位扫描用于确定由污染焦虑激活的眶额皮层区域。
2. 第1天磁共振成像检查结束后，受试者将与一位擅长焦虑障碍的临床心理学家会面，进行“认知重评策略发展会话”。本次会话的目标是为受试者制定个性化的认知策略，使其能够初步控制自身眶额皮层的活动水平。研究者将讨论可能引发污染焦虑的情境，心理学家协助受试者发展在这些情境中减轻焦虑的方法。这可能包括重新评估污染风险的感知程度；如果受试者倾向于宗教思维或冥想策略，则可探讨基于信仰的方法，或“放下”焦虑的策略。本次会话旨在识别一种或多种受试者认为在多种情境下均可能有效减轻其污染焦虑的认知重评策略。一旦受试者确信已找到有效的重评策略，他们将在后续的神经反馈会话中尝试使用这些策略来降低眶额皮层的活动。相反地，为了提高眶额皮层的活动，受试者将被指导思考接触污染物体可能带来的后果，并允许自己对此产生焦虑情绪，而不采用任何重评策略。需要特别强调的是，这些用于升高或降低眶额皮层活动的策略仅旨在提供初步的、有限的对眶额皮层的控制能力。在神经反馈会话期间，受试者将有机会尝试不同的认知策略，并获得直接反馈，从而了解哪些策略更有效，进而逐步增强对眶额皮层的调控能力。在此会话过程中，临床心理学家还将评估受试者是否存在影响日常生活的亚临床水平的污染焦虑——若无，则将其排除出研究。
3. 定位扫描所采集的数据在第1天扫描结束后、第2天实验开始前进行分析，采用广义线性模型（GLM）分析方法，任务回归量通过一个向量构建：当受试者观看污染相关图片时取值为1，其余时间取值为0，并与标准血流动力学响应函数进行卷积。计算每个体素回归系数对应的t统计量，并对所得t图使用6 mm半高全宽的高斯核进行平滑处理。最终的t图显示了受试者观看污染相关图像时比观看中性图像时脑区活动更强的区域。从中选取位于眶额皮层或邻近额极区（具体为Brodmann 10、11或47区）内t值最高的前30个体素，作为该受试者在后续神经反馈扫描中的目标眶额皮层区域。因此，目标区域的偏侧性将根据个体的激活模式而有所不同。随后通过刚性配准结合最近邻插值法，将该区域从功能空间转换至解剖空间。同时定义一个对照区域，包含全脑白质，并从MNI脑模板经相同变换映射至个体空间。这两个区域将在第2天的实时神经反馈会话中被实时分析程序使用。

3.2 第2天

1. 受试者首先参加一次磁体外评估环节。在每次评估环节开始前，研究人员口头指导受试者尽量降低观看即将呈现的与污染相关图像时的焦虑感。随后，屏幕上会显示详细指示，要求受试者根据1至5级量表报告其对图像引发的与污染相关的焦虑程度，其中1表示焦虑程度最低，5表示最高。在此过程中同步监测皮肤电反应。
2. 随后，受试者参加一次持续1.5小时的实时fMRI生物反馈会话。
   1. 会话开始时采集轴向解剖（T1加权）图像，切片位置与功能数据相同。
   2. 接下来采集一次功能参考扫描。该短功能扫描共采集12个体积数据，保留第5个体积，其余丢弃。
   3. 两个感兴趣区域——即受试者在观看污染图片时眶额皮层（OFC）被激活的区域（根据第1天定位扫描结果确定，见3.1.3节）以及白质对照区域——通过两次刚性配准的串联运算，转换至当前会话的功能空间。第一次配准将区域从第1天的解剖空间映射至第2天的解剖空间；第二次配准将区域从第2天的解剖空间映射至第2天“功能参考”扫描的空间。一旦这两个区域被转换至当前扫描会话的功能空间，即可开始生物反馈。
   4. 在进行区域配准的同时，采集两轮功能扫描（每轮采集132个体积数据，前两个丢弃以使磁场达到稳态），称为控制任务扫描。这些扫描不涉及生物反馈，用于评估受试者在观看与污染相关图像时调节其OFC感兴趣区域活动的能力。在显示屏左侧，受试者会看到一个红色箭头（指向上）、一个蓝色箭头（指向下）或一个白色箭头（指向右侧）。箭头右侧为一幅大图像：当箭头指向上或下时，图像与污染相关；当箭头指向前（右）时，图像为中性内容。受试者被要求：当箭头指向上时，尝试增强其OFC区域的活动；当箭头指向下时，尝试降低其OFC区域的活动；当箭头指向右侧时，则仅放松即可。箭头与图像每26秒切换一次，三种条件交替进行。鉴于我们关注的是跨被试的脑-行为相关性分析（例如，对脑区控制能力的变化与评估环节中污染焦虑变化之间的相关性），我们希望所有受试者接受相同的区块序列。因此，在控制任务扫描和生物反馈扫描中，区块顺序均未在被试间进行平衡设计，而是对所有受试者交替使用两种扫描类型。第一种扫描的区块顺序为：静息-增强-降低-静息-增强-降低-静息-增强-降低-静息；第二种扫描的顺序为：静息-降低-增强-静息-降低-增强-静息-降低-增强-静息。因此，在一种扫描中“增强”先于“降低”，在另一种扫描中则相反。
   5. 完成控制任务扫描后，且目标区域与对照区域已注册至当前功能空间时，进行六轮生物反馈扫描（或假生物反馈扫描，视受试者分组而定）
      生物反馈扫描：这些扫描用于训练受试者调节其OFC感兴趣区域（ROI）的活动。其流程与控制任务扫描类似，但受试者会在屏幕底部获得关于其调节脑区活动成功与否的实时反馈。更具体地说，在显示界面底部，受试者会看到一条随时间变化的图形曲线，反映其OFC区域活动的变化情况。受试者被要求：当曲线颜色为红色时，尝试增强OFC活动；当曲线变为蓝色时，尝试降低该区域活动；当曲线为白色时，则保持静息。曲线图下方是一幅图像，该图像在每个“增强”“降低”“静息”区块期间发生变化，在“增强”和“降低”期间为与污染相关的图像，在“静息”期间为中性图像。与控制任务扫描相同，图像左侧还有一个颜色编码的箭头，指示当前任务（增强/降低/静息）。受试者被鼓励尝试在“策略再评估发展环节”中讨论过的策略，也可自由尝试其他策略，并利用生物反馈作为评估哪种策略最有效的工具。此外，为鼓励探索新颖策略，所有受试者均被告知：其在调节OFC方面的表现仅在无反馈的控制任务扫描中进行评估，而在生物反馈扫描期间不会被评价。受试者被告知，由于血流反应缓慢及处理延迟，其目标脑区活动变化与曲线图变化之间存在约6至8秒的延迟。同时建议受试者在单个区块内不要频繁更换策略，因为时间延迟使得在策略切换过快时难以准确评估每种策略的效果。
      生物反馈扫描期间所使用的实时fMRI系统如图2所示。编写了一种特殊重建程序，可在数据采集时将每个切片数据副本保存至图像重建系统中的一个目录，该目录可通过局域网被图像处理计算机访问。运行在图像处理计算机上的BioImage Suite模块（www.bioimagesuite.org）轮询该目录并读取每个新出现的切片数据。当一个完整体积数据到达后，系统将其与功能参考扫描进行配准（以校正运动），并计算目标OFC区域及对照白质区域的平均信号水平，再通过串口将结果输出至刺激/反馈计算机。运行在刺激/反馈计算机上的Matlab程序（www.mathworks.com）接收这些数据，并使用deCharms及其同事提出的公式⁸，通过白质信号校正漂移和全脑波动，对OFC活动水平进行归一化处理。更具体地说，对每个采集的体积数据，分别计算OFC和白质ROI相对于运行均值的信号变化百分比，并计算这两个测量值之间的差值。该值以时间序列折线图的形式显示在视觉界面底部。
      
      图2。实时fMRI系统的示意图。图像重建系统在采集MR数据的同时处理数据，并生成每个切片的图像并写入文件。图像处理计算机通过局域网获取这些切片图像，并使用BioImage Suite进行实时处理。ROI活动水平随后被发送至刺激/反馈计算机，由Matlab程序接收并生成视觉显示，包括为受试者呈现的归一化OFC活动随时间变化的曲线图。
      假生物反馈：这些扫描提供一种对照条件，用于与真实生物反馈进行比较。假生物反馈扫描的流程与真实生物反馈完全相同，区别仅在于受试者看到的是先前某位年龄和性别匹配的受试者在生物反馈扫描中OFC活动的时间进程。若先前受试者在其生物反馈扫描中成功调节了OFC活动，则当前受试者在假生物反馈扫描中也会表现出类似的“成功”模式，从而使两种条件下受试者体验到的成功感相似。由于成功体验（在调节该脑区方面）可能影响受试者的动机，从而间接影响其学习调节OFC活动的程度，因此保持这种体验的一致性至关重要。
   6. 最后，再采集两轮控制任务扫描。

3.3 第3天：与第2天相同，但使用独立（匹配）的刺激物组。

3.4 第4天

1. 受试者参加一次最终评估会话（同3.2.1节）。
2. 受试者参加一次最终的1小时磁共振成像会话，期间采集静息态功能连接数据。

4. 假手术受试者的术后评估

研究结束后，所有接受假反馈的参与者将被告知其收到的是假反馈，并接受事后说明，以确保他们不会因欺骗而感到不安，并核查他们是否曾怀疑所收到的反馈并非真实。

5. 离线数据分析

5.1 针对每位受试者计算三个主要结局指标：

1. 受试者在最后一次评估阶段观看与污染相关的图像时所经历的焦虑程度变化，与第一次评估阶段相比。需注意，各评估阶段所展示的具体图像不同（以避免习惯化），但这些图像在诱发焦虑水平方面是相匹配的（已通过预实验验证）。通过从最终评估阶段的平均自评焦虑评分中减去第一次评估阶段的平均自评焦虑评分，得到每位受试者焦虑程度变化的估计值。采用受试者内 t 检验比较自评焦虑评分，以确定任一受试者在最终评估阶段相对于初始评估阶段是否表现出显著的焦虑降低。
2. 干预过程中受试者对眶额皮层（OFC）目标区域调控能力的变化。该调控能力基于每次生物反馈会话开始和结束时的调控任务运行数据进行计算。对于每次调控任务运行，进行一般线性模型（GLM）分析，使用两个回归量：一个用于“升高”任务区段，另一个用于“降低”任务区段；每个回归量通过构建一个向量实现，该向量在相应任务时段编码为1，其余时间点为0，并与血流动力学响应函数进行卷积。将这两个回归量对应的 beta 图相减，得到反映“升高”与“降低”区段间信号差异的图谱。该图谱在受试者特异性的 OFC 区域内的平均值，用于估计每次调控任务运行中对目标 OFC 区域的调控水平。通过从最后一次生物反馈会话结束时的 OFC 调控水平中减去第一次会话开始时的调控水平，得到生物反馈干预引起的目标区域调控能力变化的度量。
3. 研究过程中 OFC 区域静息态功能连接性的变化。对每位受试者，通过从第4天静息态运行的种子区域连接图谱中减去第1天静息态运行的种子区域连接图谱来计算此变化。

5.2 组水平分析

至少，以下内容将在组水平进行检测：

1. 通过比较接受真实生物反馈的受试者与接受假生物反馈的受试者，以确定前者是否对目标脑区产生了更强的控制能力，以及这种增强的控制能力是否使其对污染焦虑的调控能力得到提升。将采用配对t检验来比较两组受试者在控制能力变化和焦虑水平变化方面的估计值。
2. 生物反馈组受试者的污染焦虑变化与其对目标脑区的控制能力变化以及功能连接模式的变化相关。在接受真实生物反馈的受试者中，将使用皮尔逊积矩相关分析目标脑区控制能力的变化与焦虑变化之间的关系，并通过标准的r值转p值方法评估显著性。每位受试者眶额皮层（OFC）功能连接变化的脑图谱将与其焦虑变化程度的估计值进行逐像素的相关性分析。

本文所述的离线分析和实时分析均使用 BioImage Suite（www.bioimagesuite.org）完成。该软件包为免费开源软件。实时分析组件虽未在线提供，但可根据请求获取。该组件设计上将实时数据分析与显示程序解耦，因此可在无需修改前者的情况下更改后者。这为实验设计提供了灵活性，例如，显示程序可使用任意标准软件（如 E-prime、Matlab、Presentation）编写。此外，实时分析采用了图形处理器加速的运动校正技术，可在几乎无处理延迟的情况下实现高质量的运动校正。该系统在 Scheinost et al., 2011²⁶ 中有更详细的描述。

6. 代表性结果

在神经反馈训练期间，若受试者能够获得对其目标脑区的控制能力，则在控制任务扫描过程中应表现出对该目标脑区调控能力的提升，且这种提升应转化为评估阶段中污染相关焦虑的降低。图3展示了一名成功实现对眶额皮层（OFC）调控的受试者在最后一次神经反馈扫描中的视觉显示界面截图。该受试者在此轮扫描中成功调控目标脑区的表现体现在：折线图在红色时段的数值高于蓝色时段，尤其是在校正了预期的6至8秒血流动力学延迟后更为明显。该受试者在控制任务扫描中的调控能力也有所增强（平均β值从0.003上升至0.23），同时在评估阶段面对污染刺激图像时表现出显著的焦虑水平下降（p<0.005），如图4所示。该受试者被视为训练成功案例。相比之下，其他部分受试者未能学会有效调控目标脑区，且在评估阶段中未表现出污染相关焦虑的任何降低。总体而言，不同受试者在学习调控该脑区的能力方面存在较大个体差异。

图3。一次生物反馈运行期间视觉显示界面的截图，拍摄于运行结束时。由于运行以中性条件结束，因此屏幕截图时刻所显示的图像（本例中为书籍图片）为中性刺激，箭头为白色并指向前方。在增强和减弱阶段，显示的是与污染相关的图像。左侧箭头在增强阶段为红色向上的箭头，在减弱阶段为蓝色向下的箭头。显示界面底部的折线图表示前额叶眼窝皮层（OFC）在运行过程中的活动情况。线条的颜色表示扫描期间对应时间段所处的实验条件类型（红色代表增强，蓝色代表减弱，白色代表中性）。该图形覆盖的时间范围从第一个数据卷被处理的时刻开始（约在运行开始后3秒），直到第128^个数据卷被处理时结束（约在运行开始后257秒）。纵轴表示OFC区域信号相对于运行均值的百分比变化减去白质对照感兴趣区域（ROI）信号相对于运行均值的百分比变化（在本次运行中，幅度范围介于2.1至-3.7之间）。请注意，在考虑6-8秒延迟（对应3-4个时间点）后，该区域在红色时段的活动高于蓝色时段，反映出该受试者对该脑区调控的成功。与此受试者匹配的假刺激（sham）受试者将看到完全相同的刺激内容，但在假刺激受试者的情况下，折线图并不反映其真实的脑活动模式。

图4. 条形图总结了图3所示受试者在（a）第一次评估会话（生物反馈前）和（b）最后一次评估会话（生物反馈后）对污染图像的自我报告焦虑评分。该受试者在生物反馈后的焦虑显著降低，如星号所示。

讨论

实时fMRI数据的生物反馈是一种新技术，需要开展更多工作以优化该方法，从而最大化受试者的学习效果。近期研究探讨了学习效果如何随着扫描次数或扫描会话次数的不同而变化^{14, 18, 27}，反馈范式如何影响学习过程²⁸，以及特定生物反馈方案所诱导的学习是否会导致脑功能发生改变，并在生物反馈训练结束后仍持续存在^{15, 18, 27, 29}。然而，仍需在此方向上开展大量研究，需注意的是，最佳方案可能因靶向的脑区、研究人群及其他变量的不同而有所差异。

在神经反馈研究中面临的一个挑战是如何最佳地控制练习、暴露、动机和安慰剂效应。文献中已描述了多种方法，每种方法都有其优缺点。在本方案中，采用了一种假性生物反馈范式，其中对照组受试者接受与其配对的真实生物反馈组受试者完全相同的刺激，并被引导相信他们正在根据自身的大脑活动模式接收真实的生物反馈。这种方法的优点在于，实验指令和刺激条件得到了有效控制，同时也有助于控制动机和安慰剂效应。也就是说，神经反馈会使许多受试者产生类似游戏的心理状态，使其对自身表现产生高度投入感。假性对照条件尽可能地复...