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，且显著高于中性条件下的焦虑水平。 更具体地说，需要以下四组刺激材料：

1. 定位刺激：使用 300 张与污染相关的图像和 300 张中性图像，以定位眶额皮层（OFC）中参与污染焦虑的脑区。这些图像必须经过预实验验证，确保污染相关图像引发的污染焦虑显著高于中性图像（基于受试者的自我报告）。这一点必须在每一位预实验受试者中均成立，而不仅仅是整体组间差异显著，因为需要利用这些刺激在每位受试者中单独定位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 个用于“增强”任务区块的诱发性刺激、18 个用于“降低”任务区块的诱发性刺激，以及 24 个用于中性任务区块的中性刺激。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。必须收集受试者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（即诱发性刺激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. 对照任务刺激：需开发四套匹配的刺激材料，每套包括 6 个用于“增强”任务区块的诱发性刺激、6 个用于“降低”任务区块的诱发性刺激，以及 8 个中性刺激。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对照任务运行。必须收集受试者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（即诱发性刺激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 张污染相关图像。必须收集预实验数据，以确保受试者对这些图像产生的焦虑反应在不同套组之间无显著差异。

我们研究组使用的刺激材料包括来自Maudsley强迫症症状集²³和国际情感图片系统²⁴的图像，以及我们自行拍摄的照片，或从Google图片、Bigstockphoto.com、gettyimages.com、flickr.com 和 iStockphoto.com 获取的图片。

2. 招募

对受试者进行筛选，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”子量表上得分≥8分的个体。对于每一位接受真实生物反馈的受试者，均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，使其在接触与污染相关的刺激时，能够根据意愿上调或下调该脑区的神经活动。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上调和下调该脑区所测得的信号来进行评估。

受试者在四个不同的日期前来参加实验，每次间隔约半周，因此整个研究耗时两周完成。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，每次磁共振（MR）扫描均包括在与功能数据相同切片位置上采集解剖学数据，且反馈训练磁共振扫描还包括采集一次“功能参考扫描”，用于将目标区域配准至该次扫描的功能空间。

3.1 第1天

1. 受试者在一台 1.5 T 西门子 Sonata 扫描仪中参与一次持续 1 小时的磁共振（MR）成像检查。每次扫描开始前，均需检查视觉显示，以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 个切片位置上采集 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）。所有功能数据采集均采用 T2*敏感的梯度回波单次激发平面回波脉冲序列（TE = 30 ms，FA = 80，TR = 2000 ms，带宽 = 2604，视野 200 mm，体素尺寸为 3.1×3.1×3.1 mm³ 各向同性，共 31 层轴向斜切、以前后连合-视交叉（AC-PC）线对齐的切片，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，并将切片厚度减小至 3.1 mm，从而减少体素内去相位，仅轻微降低 BOLD 敏感性，以优化眶额皮层的信号。同时采用更高的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污染相关图像和中性图像。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进行“再评价策略开发会话”。该会话的目标是为受试者制定个性化的认知策略，使其能够初步控制其眶额皮层的活动。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再评价策略。一旦受试者确信已确定有效的再评价策略，他们将在生物反馈会话期间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，他们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，而不采用任何再评价策略。需要强调的是，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、有限的控制能力。在生物反馈会话期间，受试者将有机会试验其认知策略，并获得关于何种方法更有效的直接反馈，从而逐步增强对眶额皮层的控制能力。在此会话期间，临床心理学家还将评估受试者是否存在影响其日常生活的亚临床污染焦虑——若无，则将其排除出研究。
3. 在第 1 天扫描结束后、第 2 天会话开始前，对定位扫描中采集的数据进行分析，采用广义线性模型（GLM）分析，任务回归量通过一个向量构建：当受试者观看污染图片时取值为 1，其余时段为 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，并使用半高全宽为 6 mm 的高斯核对所得 t 图进行平滑处理。生成的 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更活跃的大脑区域。从中选择位于眶额皮层或邻近额极区（更具体地说，布罗德曼 10、11 或 47 区）内 t 值最高的前 30 个体素，作为该受试者后续生物反馈扫描的目标眶额皮层区域。因此，目标区域的偏侧性将根据受试者的激活模式而异。然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，并通过 MNI 脑模板将其转换至相同空间。这两个区域将在第 2 天的生物反馈会话期间由实时分析程序使用。

3.2 第2天

1. 受试者首先参加一次磁共振扫描仪外的评估环节。 每次评估会话前，受试者将接受口头指导，要求其在观看即将呈现的与污染相关的图像时，尽量降低焦虑水平。随后，屏幕上将显示详细指示，指导受试者根据自身对图像引发的与污染相关的焦虑程度，在1至5的量表上进行评分，其中1表示焦虑水平最低，5表示最高。在此过程中，同步监测皮肤电反应。
2. 受试者随后参与一次时长为1.5小时的实时fMRI生物反馈会话.
   1. 实验开始时进行轴向解剖图像的采集 （T1加权） 与功能数据相同切片位置的图像.
   2. 接下来，采集功能参考扫描数据. 收集这12个体积的短程功能运行液，保留第5个，其余弃去。
   3. 两个感兴趣区域, 根据第1天定位扫描结果（见3.1.3）确定的被试眶额皮层（OFC）在观看污染图片时的激活区域，以及白质控制区域，通过两次刚性配准的串联运算，被转换至当前扫描会话的功能空间。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。一旦这两个区域被成功转换至当前扫描会话的功能空间，即可开始进行神经反馈。
   4. 在进行脑区配准时，同时采集了两次功能运行数据 （每次运行采集132个体积，前两个弃去以使信号达到稳态），称为控制任务运行。这些运行不包含生物反馈，但用于评估受试者在观看与污染相关的图像时调节其眶额皮层（OFC）目标区域活动的能力。在屏幕左侧，受试者会看到一个红色箭头指向上方，一个蓝色箭头指向下方，或一个白色箭头水平指向右侧。箭头右侧为一幅大图像，当箭头向上或向下时，图像与污染相关；当箭头向前（向右）时，图像为中性内容。受试者被要求：当箭头向上时，尝试增强其OFC区域的活动；当箭头向下时，尝试降低其OFC区域的活动；当箭头指向右侧时，则仅放松休息。箭头与图像每26秒变换一次，三种条件交替呈现。鉴于我们关注的是跨被试的脑-行为相关性分析（例如，在评估阶段中，对脑区调控能力的变化与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，在控制运行和生物反馈运行中，区块顺序均未在被试间进行平衡设计。相反，所有受试者均交替使用两种运行类型：第一种运行的区块顺序为“静息-向上-向下-静息-向上-向下-静息-向上-向下-静息”；第二种运行的顺序为“静息-向下-向上-静息-向下-向上-静息-向下-向上-静息”。因此，在一种运行中“向上”先于“向下”，而在下一次运行中“向下”先于“向上”。
   5. 在控制任务运行结束后，当目标区域和控制区域均已配准至当前功能空间时，将进行六次神经反馈训练（或假神经反馈训练，视受试者情况而定） （每次运行收集132个馏分，弃去前两个和后两个）
      生物反馈实验： 这些运行用于训练受试者控制其眶额皮层（OFC）感兴趣区域（ROI）的活动。其流程与控制任务运行类似，不同之处在于受试者会在屏幕底部获得关于其控制脑区活动成功与否的实时反馈。具体而言，在显示界面底部，受试者会看到一条图形化曲线，反映其OFC区域活动随时间变化的情况。受试者被指导：当曲线颜色为红色时，尝试增强OFC区域的活动；当曲线变为蓝色时，尝试降低该区域的活动；当曲线为白色时，则保持静息状态。曲线图上方会呈现一幅图像，该图像在每次“增强”“降低”或“静息”任务区块中均会变化，在“增强”和“降低”任务期间显示与污染相关的内容，而在“静息”任务期间则显示中性内容。与控制任务运行相同，图像左侧也设有颜色编码的箭头，用于提示当前任务类型（增强/降低/静息）。受试者被要求尝试在“策略重评发展会话”中讨论过的策略，同时也可自由探索其他策略，并利用生物反馈信息评估何种策略最为有效。此外，为鼓励受试者尝试新颖策略，实验明确告知：在生物反馈运行期间，其控制OFC的表现不会被评估，评估仅在不提供生物反馈的控制任务运行中进行。受试者被告知，由于血流反应较慢及信号处理存在延迟，目标脑区活动变化与曲线图变化之间存在六至八秒的延迟。同时建议受试者，在同一任务区块内不应频繁更换策略，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。
      用于在生物反馈运行期间提供反馈的实时fMRI系统如图2所示。编写了一种特殊的重建程序，该程序在数据采集过程中将每层数据的副本保存至图像重建系统中的一个目录，图像处理计算机可通过局域网连接访问该目录。BioImage Suite的一个模块（www.bioimagesuite.org)在图像处理计算机上运行，轮询该目录并读取每个出现的切片。当整个体积数据到达后，系统将其与功能参考扫描进行配准（以校正运动伪影），并计算目标OFC区域以及对照白质区域的平均信号强度，通过串口将结果输出至刺激/反馈计算机。一个Matlab程序（www.mathworks.com）在刺激/反馈计算机上运行的程序接收该数据，并使用deCharms及其同事提出的方法，对OFC活动水平进行归一化处理，以校正信号漂移和全脑波动。⁸ 更具体而言，针对采集的每个数据体积，分别计算眶额皮层（OFC）和白质感兴趣区域（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异。该数值随时间以折线图形式显示在可视化界面底部。
      
      图2实时fMRI系统的示意图。图像重建系统在采集MR数据的同时对其进行处理，并生成每个切片的图像，写入文件。图像处理计算机通过局域网（LAN）获取这些切片图像，并使用BioImage Suite进行实时处理。随后，将感兴趣区域（ROI）的活动水平发送至刺激/反馈计算机，由Matlab程序接收并生成视觉显示，包括受试者眶额皮层（OFC）活动标准化值随时间变化的曲线图。
      假性生物反馈 这些运行提供了用于与生物反馈进行比较的对照条件。假性生物反馈运行将与生物反馈运行完全相同，唯一的区别是受试者将看到先前一位年龄和性别匹配的受试者在生物反馈运行中OFC区域活动的时间进程。由于先前的受试者在其生物反馈运行期间能够在一定程度上控制OFC的活动，当前受试者在假性生物反馈运行期间将看似取得同等程度的成功，从而在两种条件下产生相似的成功体验。鉴于成功体验（在控制该脑区方面）可能影响受试者的动机，从而间接影响他们学习控制OFC活动的程度，因此在两种条件下尽可能保持这种体验的一致性至关重要。
   6. 最后，再采集两组对照任务的运行数据。.

3.3 第3天：与第2天相同，但使用独立（匹配的）刺激集。

3.4 第4天

1. 受试者参加一次最终评估环节（同3.2.1节）。
2. 受试者参加一次持续1小时的最终磁共振成像检查，期间采集静息态功能连接数据。

4. 假手术受试者的解蔽

研究结束后，所有接受假反馈的参与者将被告知其接收的是假反馈，并进行事后说明，以确保他们不会因欺骗而感到不安，并确认他们是否曾怀疑所接收的反馈并非真实。

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会话中观看与污染相关的图像时所经历的焦虑程度变化，相对于第一次评估会话的变化情况。请注意，不同评估会话中展示的具体图像各不相同（以避免习惯化），但这些图像在诱发焦虑水平方面是匹配的（已通过预实验验证）。通过将最后一次评估会话的平均自评焦虑评分减去第一次评估会话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，以确定特定受试者在最后一次评估会话中相对于初始会话是否表现出焦虑的显著降低。
2. 干预过程中受试者对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，采用广义线性模型（GLM）分析，使用两个回归变量：一个用于“升高”任务时段，另一个用于“降低”任务时段；每个回归变量通过构建一个向量实现，该向量在对应的任务时段编码为1，其余时间点为0，并与血流动力学响应函数进行卷积。将这两个回归变量对应的β图相减，得到反映“升高”与“降低”任务时段信号差异的图谱。将该图谱在每位受试者特异的OFC区域内取平均值，以估计每次调控任务运行中对目标OFC区域的调控水平。将最后一次生物反馈会话结束时对OFC的调控水平减去第一次会话开始时的调控水平，得到生物反馈干预所引起的对该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。该变化通过将第4天静息态运行的种子区域连接图谱减去第1天静息态运行的种子区域连接图谱，为每位受试者分别计算得出。

5.2 组水平分析

至少需在组水平上对以下项目进行检测：

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，以确定前者是否对其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程度变化方面的估计值。
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相关性，并通过标准的r值转p值方法评估显著性。每位受试者相对于眶额皮层（OFC）的功能连接变化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。该组件设计为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编写（如 E-prime、Matlab、Presentation）。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. 典型结果

在生物反馈过程中能够成功控制其目标脑区的受试者，应在控制任务扫描期间表现出对该目标脑区更强的控制能力，且这种控制能力应转化为评估阶段中污染相关焦虑的减轻。图3展示了一名成功控制其眶额皮层（OFC）的受试者在最后一次生物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控制该脑区的表现体现在：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控制能力也有所提升（平均β值从0.003上升至0.23），同时在评估阶段面对污染相关图像时，其焦虑水平显著降低（p<0.005），如图4所示。该受试者为成功案例。相比之下，其他受试者未能学会控制目标脑区，且在评估阶段中未表现出污染焦虑的任何下降。总体而言，不同受试者在学习控制该脑区的能力方面存在较大个体差异。

图3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“降低”阶段，屏幕上会呈现与污染相关的图像。左侧箭头在“增强”阶段为红色向上的箭头，在“降低”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眶部皮层（OFC）在运行过程中的活动情况。折线颜色表示扫描期间所处的阶段类型（红色代表“增强”阶段，蓝色代表“降低”阶段，白色代表“中性”阶段）。该图形覆盖的时间范围从第一个数据体积处理完成的时刻（约运行开始后3秒）至第128个数据体积采集结束的时间点^th 体积数据处理时间（约在运行开始后257秒）。纵轴表示眶额皮层（OFC）相对于运行均值的信号变化百分比减去白质对照感兴趣区（ROI）相对于运行均值的信号变化百分比（本实验中，信号振幅范围为2.1至-3.7）。需注意，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。与该受试者匹配的假刺激（sham）受试者将看到完全相同的刺激，但在假刺激受试者情况下，折线图与其真实的脑活动模式无关。

图 4。柱状图总结了在（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）中，对污染图像的自我报告焦虑评分，数据来自图 3 中显示其生物反馈时间进程的受试者。该受试者在生物反馈后的焦虑评分显著降低，由星号标示。

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...