A Protocol for the Administration of Real-Time fMRI Neurofeedback Training
2017年8月24日
The ability to induce and/or control neural plasticity may be critical in future treatments for neurologic disorders and the recovery from brain injury. In this paper, we present a protocol on the use of neurofeedback training with functional magnetic resonance imaging to modulate human brain function.
该程序的总体目标是实现对人脑中神经可塑性机制的局部控制。使用来自实时功能磁共振成像的神经反馈。神经反馈训练有可能通过改变目标大脑区域的突触电位来对抗大脑神经系统疾病，而无需使用药物或侵入性手术干预。
这种技术的主要优点是受试者可以学习以系统的方式内源性地改变局部大脑活动。改变局部大脑活动所使用的策略可以转化为无处不在的平台，例如智能手机、平板电脑，以实现简单的家庭解决方案。大脑连接中的异常突触电位与许多神经系统疾病有关，包括自闭症、创伤性脑损伤、帕金森病和前庭疾病。
A 反馈基于与神经元活动相关的化学动力学变化，因此时间分辨率较差，使某些受试者的训练更加困难。由于耳鸣患者经常发现大脑区域多动，因此这种方法旨在教受试者下调感兴趣区域的活动。首先将磁共振成像或 MRI 机器的 TR 触发器输出连接到刺激 PC。然后放置 MR 兼容显示器，以便参与者可以通过固定在头线圈上的镜子看到它。
接下来，让参与者仰卧在扫描仪台上。将耳机戴在参与者的头上，并确保耳朵被遮住。然后，要求他们将头保持在头圈内。
将头圈的上半身锁定到位，并将镜子固定在头圈上。将响应设备放在参与者的手中。接下来，将参与者鼻腔相对于扫描仪的位置进行地标标记，并将地标移动到 MRI 孔的中心位置。
最后，确认参与者可以使用镜子查看整个显示屏。首先向 MRI 室的参与者提供任务说明。然后，通过按下 MRI 扫描仪上的扫描按钮开始同步管理声音刺激和数据采集。
使用梯度调用回波 MRI 脉冲序列收集全脑回波平面图像。接下来，使用多变量统计来计算激活图，并使用叠加在平均 fMRI 图像上的激活图来确定随后神经反馈的反馈信号将在哪个区域得出。然后，使用切片滑块浏览切片，以查找 fMRI 数据中可见的解剖标记，例如侧脑室额角的下表面。
使用阈值滑块对激活图进行阈值处理，以显示在目标区域中的功能定位器期间最稳健地激活的框单元。最后，使用鼠标左键选择激活率高于所选阈值且位于目标区域内的单个体素，以添加到 ROI 中。首先指导参与者执行正念任务，将大脑活动推向所需状态。
在耳鸣示例中，指示参与者将注意力从听觉系统转移到任一感觉系统以减少听觉活动。为了在提供反馈之前对数据进行标准化，请指示参与者在扫描开始时显示的倒计时期间放松。然后，通过按下 MRI 扫描仪上的扫描按钮开始同步刺激呈现和数据采集，并以与功能性定位器扫描相同的方式收集回波平面图像。
然后直观地呈现倒数计时器和空白反馈显示。接下来，通过温度计样式条形图显示电流反馈信号，其中条形的高度与从所选框单元测得的信号成正比。然后，叠加说明，要求参与者放松、升高或降低反馈显示屏上的温度计条。
最后，在神经反馈会话完成后，护送患者离开扫描仪。这些结果表明，在 14 天内进行的 5 次 6 分 24 秒的神经反馈运行中，左侧 DLPFC 的控制显着增加。此外，fMRI NFT 与 MBAT 练习相结合，在大脑活动中产生局灶性变化，这些变化仅限于目标区域，不会影响工作记忆网络的上下组件。
一旦掌握，使用这种技术的单次训练就可以在短短 20 分钟内完成。在尝试此过程时，仔细选择神经反馈的目标大脑区域非常重要。可以在此手术之前或之后进行其他方法，如弥散张量成像、磁共振波谱、动脉自旋标记和行为测试，以提供对神经可塑性变化的更多见解。
看完这个视频，你应该对如何从实时功能性磁共振成像进行神经反馈训练有一个很好的了解。不要忘记，与 MRI 相关的磁场可能会出现严重的安全问题。因此，应始终进行适当的筛查。
概述
本文介绍了一种利用功能性磁共振成像（fMRI）进行神经反馈训练以调节脑功能的实验方案。控制神经可塑性的能力对于治疗神经系统疾病以及促进脑损伤后的康复至关重要。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 神经反馈
- 功能性磁共振成像
背景
- 神经反馈训练可以改变目标脑区的突触电位。
- 该技术为药物治疗和手术提供了非侵入性的替代方案。
- 它在自闭症、创伤性脑损伤和耳鸣等疾病中具有重要应用价值。
- 基于脑活动的实时反馈可提高训练的有效性。
研究目的
- 实现对人脑神经可塑性机制的局部化控制。
- 为受试者提供一种系统化的方法，以调节其脑部活动。
- 开发可在智能手机等普及平台上实施的技术方法。
使用的方法
- 参与者在接受神经反馈的同时进行功能性磁共振成像（fMRI）扫描。
- 实时数据采集与听觉刺激同步进行。
- 生成激活图以识别目标脑区。
- 指导参与者执行正念任务以调节脑活动。
主要结果
- 在多个训练阶段中，成功实现了对左侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）的显著调控。
- 神经反馈结合正念训练导致了局部脑活动的改变。
- 训练课程最短可在20分钟内完成。
结论
- 神经反馈训练是增强脑功能的一种有前景的工具。
- 仔细选择目标脑区对于实现有效的训练至关重要。
- 其他成像方法可为进一步了解神经可塑性变化提供 insights。
常见问题
行业重要性概述
实时fMRI神经反馈训练提供了一种非侵入性、非药物性的方法，用于调节特定脑区的神经活动，为神经系统疾病干预提供了机制层面的风险降低策略。通过实现对神经可塑性的自主调控，该方法支持在中枢神经系统药物研发中进行早期靶点验证和表型筛选，尤其适用于耳鸣、自闭症和创伤性脑损伤等涉及异常神经环路功能的疾病。该技术通过将功能读数与行为结果相关联，提高了预测的可信度，有助于从发现到临床前验证的转化连续性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过测试对疾病病理生理过程中涉及的特定脑区的自主控制能力，验证治疗假设。
- 操作价值：利用实时神经生理学读数，提供一个可重复的功能靶点验证系统。
- 预测价值：通过建立局部脑活动与认知/行为表型之间的因果关系，支持项目组合的筛选与优先级排序。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：从定义的感兴趣区域（ROI）生成定量的、具有空间分辨能力的反馈信号，实现对神经可塑性反应的标准化评估。
- 操作价值：通过同步刺激呈现与实时fMRI信号处理，建立检测就绪状态。
- 可扩展性：支持将平台转化为易于获取的设备（如智能手机），用于去中心化的筛查和纵向监测。
转化与临床前研究
- 转化连续性：通过在与疾病相关的神经环路中验证靶点结合，将在体外/在体内研究发现与人类神经生理学相衔接。
- 机制性风险降低：将效应局限于特定脑区（例如左侧背外侧前额叶皮层），而不影响上游或下游网络组分，从而降低脱靶风险。
- 生物标志物一致性：可将神经反馈驱动的脑活动变化与认知或运动输出相关联，支持生物标志物的确认与应用。
流程与工作流整合
该方法通过支持对脑靶点进行假设驱动的调控，为神经可塑性筛选提供检测方法开发，并为中枢神经系统项目中的决策提供定量分析，从而融入发现研究的全过程。
- Discovery Biology：通过实时反馈对目标区域进行机制性探究，阐明其在神经网络功能障碍中的因果作用。
- Screening：提供标准化、可量化的神经反馈信号，适用于高重复性的化合物或干预措施筛选。
- Analytics：采用多变量统计分析和基于阈值的感兴趣区域（ROI）选择方法，生成可靠且标准化的反馈输出，用于不同条件间的比较。
- Translational Research：在不引起全网络效应的情况下确认目标区域的局部变化，支持经风险评估后推进至临床前模型研究。
- Enterprise Reuse：作为一个可移植的神经生理学平台，适用于认知、运动和情感等多个领域，可在发现研究流程中重复使用。
运营与企业影响
- 科学价值：通过展示对病理生理学相关脑回路的内源性调控，增强靶点可信度。
- 操作价值：通过标准化的刺激递送、数据采集和反馈呈现流程，确保实验可重复性。
- 战略价值：通过降低中枢神经系统靶点早期验证中的生物学不确定性，改善“推进/终止”决策。
- 项目组合影响：基于在人类靶点中证实的神经可塑性调节作用，实现按风险优先排序干预措施。
实施注意事项
- 需要具备功能性磁共振成像（fMRI）实验设计、实时数据处理以及神经反馈范式开发的专业知识。
- 依赖于磁共振兼容的硬件、刺激呈现系统以及用于感兴趣区域（ROI）定义的多变量统计软件。
- 需要神经科学家、放射科医生和生物信息学家之间进行跨团队协作，以确保研究方案的一致性。
- 在将基于扫描仪的训练转化为移动或家庭平台时，需考虑适应性调整。
- 受限于基于fMRI反馈的时间分辨率，可能影响对快速神经动力学过程的训练效果。
