Real-time fMRI Biofeedback Targeting des orbitofrontalen Cortex für die Kontamination Anxiety

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Personen darin zu schulen, eine Region ihres Gehirns zu kontrollieren, die an Kontaminationsangst beteiligt ist, und zu untersuchen, ob dieses Training die Gehirnfunktion verändert und die Kontrolle über Kontaminationsangst verbessert. Dies wird erreicht, indem zunächst eine Region des orbitofrontalen Kortex des Probanden identifiziert wird, die an Kontaminationsangst beteiligt ist. Diese Region stellt einen Zielbereich für eine Biofeedback-Intervention dar.

Der nächste Schritt besteht darin, vor der Biofeedback-Intervention die Angststufe zu bewerten, die der Proband als Reaktion auf kontaminationsbezogene Bilder empfindet, sowie seine Gehirn-Konnektivitätsmuster. Anschließend wird der Proband mittels Biofeedback trainiert, die Zielhirnregion zu kontrollieren. Der letzte Schritt besteht darin zu überprüfen, ob die Probanden eine stärkere Kontrolle über ihre Zielhirnregion und über ihre Kontaminationsangst infolge des Biofeedbacks entwickelt haben und ob solche Veränderungen mit Veränderungen in der Konnektivität zur Zielhirnregion assoziiert sind.

Dieser Ansatz wird letztlich aufzeigen, ob ein Biofeedback mittels Echtzeit-fMRT einen klinischen Nutzen für Patienten mit Zwangsstörung besitzt und wird die neuronale Grundlage der Kontaminationsangst untersuchen. Das Biofeedback mittels Echtzeit-fMRT besitzt ein therapeutisches Potenzial für zahlreiche verschiedene Formen psychischer Erkrankungen, da es Betroffenen möglicherweise ermöglicht, Aspekte ihrer Gehirnfunktion zu steuern, die für die Symptome verantwortlich sind.

Hier untersuchen wir, ob es Menschen helfen kann, ihre Kontaminationsangst zu kontrollieren. Falls dies der Fall ist, könnte es klinisch nützlich für Patienten mit einer Zwangsstörung sein. Der hier vorgestellte Ansatz, der Biofeedback mit vorherigen und nachfolgenden Bewertungen klinischer Variablen und der funktionellen Hirnvernetzung kombiniert, kann zudem grundlegende Fragen in den Bereichen Neurowissenschaft und Psychiatrie beantworten.

Das Biofeedback ermöglicht es uns, die Gehirndynamik zu verändern, und anschließend können wir messen, wie Veränderungen in der Gehirnkonnektivität zu Unterschieden bei klinischen oder kognitiven Variablen führen. Vor Beginn dieses Experiments ist eine umfangreiche Stimulusentwicklung erforderlich. Bilder mit kontaminationsbezogenen und neutralen Inhalten müssen zunächst gesammelt und anschließend in einer Pilotstudie getestet werden, um sicherzustellen, dass die durch diese Reize hervorgerufene Angst über die Provokationsbedingungen hinweg ausgeglichen ist und dass die Angst in den Provokationsbedingungen signifikant stärker ausgeprägt ist als in den neutralen Bedingungen.

Wenn die Pilotstudien abgeschlossen sind, sollten potenzielle Probanden rekrutiert und untersucht werden, um gesunde Personen zu identifizieren, die sicher an MRT-Experimenten teilnehmen können und hohe Werte an Kontaminationsangst sowie den Wunsch äußern, diese Angst zu kontrollieren. Für dieses Experiment erscheinen die Probanden an vier getrennten Tagen, die in Abständen von etwa einer halben Woche geplant sind, sodass die gesamte Studie zwei Wochen in Anspruch nimmt. Das hier dargestellte Flussdiagramm skizziert zusätzlich den Ablauf für jeden Probanden, der echte Biofeedback-Sitzungen erhält.

Ein weiterer Proband sollte rekrutiert werden, der hinsichtlich Alter und Geschlecht angepasst ist, um vor jeder MR-Untersuchung ein Placebo-Biofeedback zu erhalten. Die Probanden werden am ersten Tag auf metallische Gegenstände untersucht, wobei ein strukturelles Bild mit hoher Auflösung aufgenommen wird. Anschließend werden zwei Messreihen ruhender funktioneller Daten erhoben, gefolgt von drei Lokalisierungsläufen funktioneller Daten, bei denen der Proband im Wechsel intensive, kontaminationsbezogene Bilder und neutrale Bilder in Intervallen von 42. Sekunden betrachtet.

Diese Lokalisierungsläufe dienen dazu, die Region des orbitofrontalen Cortex (OFC) zu lokalisieren, die durch Kontaminationsangst aktiviert wird. Im Anschluss an die bildgebende Untersuchung am ersten Tag treffen die Probanden mit der klinischen Psychologin zusammen, die über Expertise in Angststörungen verfügt, um eine Sitzung zur Entwicklung einer Umdeutungsstrategie durchzuführen. Ziel dieser Sitzung ist es, eine individuell angepasste kognitive Strategie für den Probanden zu entwickeln, die ihm eine erste Kontrolle über die Aktivität in seinem orbitofrontalen Cortex ermöglicht.

Diese Strategien zur Erhöhung oder Verringerung der Aktivität des orbitofrontalen Cortex (OFC) dienen lediglich dazu, eine erste begrenzte Kontrollmöglichkeit über den OFC zu ermöglichen. Während der Biofeedback-Sitzungen erhalten die Probanden die Gelegenheit, kognitive Strategien auszuprobieren und direktes Feedback zu erhalten, wodurch sie schrittweise eine zunehmende Kontrolle über den OFC entwickeln können. Anschließend werden die am ersten Tag im Lokalisierungslauf erhobenen Daten vor der Sitzung am zweiten Tag analysiert.

Die resultierende Team-Karte zeigt, welche Hirnregionen aktiver waren, als der Proband kontaminationsbezogene Bilder betrachtete, im Vergleich dazu, wenn er neutrale Bilder betrachtete. Die obersten 30 Pixel in dieser TM-Karte, die innerhalb des orbitofrontalen Cortex (OFC) oder der angrenzenden frontopolaren Region liegen, werden ausgewählt, um die Zielregion des OFC dieses bestimmten Probanden für die anstehenden Biofeedback-Scans darzustellen. Diese Region wird anschließend mittels einer starren Registrierung mit nearest-neighbor-Interpolation vom funktionalen in den anatomischen Raum übertragen.

Eine Kontrollregion wird ebenfalls definiert, um die gesamte weiße Substanz im Gehirn einzuschließen, und wird aus dem MNI-Gehirn in denselben Raum übertragen. Diese beiden Regionen werden während der Biofeedback-Sitzung am zweiten Tag vom Echtzeitanalyseprogramm verwendet. Am zweiten Tag des Experiments nehmen die Probanden zunächst an einer Untersuchungssitzung außerhalb des Magnetfelds teil.

Vor jeder Testsession werden die Probanden mündlich angewiesen, ihre Angst während der Betrachtung der anstehenden kontaminationsbezogenen Bilder so gering wie möglich zu halten. Anschließend erhalten sie detaillierte Anweisungen auf dem Bildschirm, in denen sie aufgefordert werden, das Ausmaß der kontaminationsbezogenen Angst zu bewerten, die sie als Reaktion auf die Bilder empfinden. Gleichzeitig wird die galvanische Hautreaktion überwacht.

Die Probanden nehmen anschließend an einer 1,5-stündigen Echtzeit-fMRT-Biofeedback-Sitzung teil. Die Sitzung beginnt mit der Aufnahme axialer anatomischer Bilder an denselben Schichtpositionen wie die funktionellen Daten. Danach wird ein funktioneller Referenz-Scan aufgenommen.

Die beiden interessierenden Bereiche werden durch eine Verkettung zweier starrer Registrierungen in den Funktionsraum der aktuellen Sitzung übertragen. Die erste Registrierung bildet die Bereiche vom anatomischen Raum des ersten Tages auf den anatomischen Raum des zweiten Tages ab. Die zweite Registrierung überträgt die Bereiche vom anatomischen Raum des zweiten Tages in den Raum der funktionellen Referenzaufnahme des zweiten Tages.

Während die Registrierung der Regionen erfolgt, werden zwei funktionelle Durchläufe erfasst, die als Kontrollaufgaben-Durchläufe bezeichnet werden. Diese Durchläufe beinhalten kein Biofeedback, dienen jedoch dazu, die Fähigkeit der Probanden zu beurteilen, die Aktivität in ihrer interessierenden orbitofrontalen Cortex-Region (OFC) zu steuern, wenn sie kontaminationsbezogenen Bildern ausgesetzt sind. Während des Scans sehen die Probanden Bilder mit einem Pfeil, der bei kontaminationsbezogenen Bildern nach oben oder unten zeigt, bzw. bei neutralen Bildern nach vorne.

Den Probanden wird gesagt, dass sie versuchen sollen, die Aktivität in ihrem orbitofrontalen Cortex (OFC) zu erhöhen, wenn der Pfeil nach oben zeigt, die Aktivüt in ihrem OFC zu verringern, wenn er nach unten zeigt, und einfach zu entspannen, wenn der Pfeil nach rechts zeigt. Der Pfeil und das Bild wechseln alle 26 Sekunden und durchlaufen dabei abwechselnd die drei Bedingungen, nachdem die Kontrollaufgabe durchgeführt wurde und die Zielregion sowie die Kontrollregion mit dem aktuellen funktionellen Raum verknüpft wurden. Sechs Biofeedback-Läufe oder Schein-Biofeedback-Läufe, je nach Proband, werden durchgeführt.

Die Biofeedback-Läufe dienen dazu, Probanden das Steuern der Aktivität in ihrem O-F-C-R-O-I zu trainieren. Sie ähneln den Kontrollaufgaben, mit dem Unterschied, dass die Probanden am unteren Bildschirmrand Rückmeldungen über ihren Erfolg bei der Steuerung des Gehirnareals erhalten. Die hier gezeigte Biofeedback-Anzeige wurde beschleunigt, spiegelt sonst aber exakt wider, was ein Proband während des Biofeedbacks sah.

Die Placebo-Biofeedback-Durchläufe werden identisch zu den Biofeedback-Durchläufen sein, mit dem Unterschied, dass die Probanden den zeitlichen Verlauf der Aktivität im orbitofrontalen Cortex (OFC) eines zuvor auf Alter und Geschlecht angepassten Probanden sehen, entsprechend dem Grad, in dem der Biofeedback-Teilnehmer die Aktivität im OFC kontrollieren konnte. Der Placebo-Teilnehmer scheint während der Placebo-Durchläufe ebenso erfolgreich zu sein, was zu vergleichbaren Eindrücken von Erfolg führt. Schließlich werden für jeden Probanden zwei weitere Durchläufe mit Kontrollaufgaben erhoben.

Anschließend sollten die Probanden am dritten Tag zu einer Untersuchungssitzung zurückkehren, die identisch mit der vom zweiten Tag ist; am vierten Tag sollten die Probanden an einer abschließenden Beurteilungssitzung teilnehmen. Danach folgt eine abschließende einstündige MR-Bildgebungssitzung, in der Daten zur funktionellen Konnektivität im Ruhezustand erhoben werden, nachdem die Daten von allen Probanden gesammelt wurden. Probanden, die echtes Biofeedback erhalten haben, können mit Probanden, die Schein-Biofeedback erhalten haben, verglichen werden, um zu bestimmen, ob sie eine stärkere Kontrolle über ihre Zielregion entwickelt haben und ob dies es ihnen ermöglicht hat, eine größere Kontrolle über ihre Kontaminationsangst auszuüben.

Änderungen der Kontaminationsangst bei Biofeedback-Teilnehmern hängen mit Veränderungen der Kontrolle über ihre Zielregion sowie mit Veränderungen in den Mustern der funktionellen Konnektivität zusammen. Hier sehen wir einen Screenshot der visuellen Anzeige aus einem der letzten Biofeedback-Durchläufe eines Teilnehmers, der erfolgreich die Kontrolle über seinen orbitofrontalen Cortex (OFC) erlangt hat. Der Durchlauf endet mit der neutralen Bedingung, weshalb der Pfeil weiß ist und nach vorne zeigt.

Dieser Proband zeigte außerdem eine stärkere Kontrolle über seine Kontaminationsangst, was durch niedrigere Angstbewertungen in der Nachinterventionsbeurteilungssitzung angezeigt wurde, und hatte während der Durchführung der Kontrollaufgaben eine größere Kontrolle über seinen orbitofrontalen Cortex. Diese Methode hat ein großes Potenzial in der Psychiatrie, sowohl als klinische Behandlung als auch als Forschungsinstrument zur Untersuchung der neuronalen Substrate, die klinischen Symptomen zugrunde liegen.