Entwicklung von Neuroimaging Phänotypen des Default Mode Network in PTSD: Integration der Ruhezustand, Arbeitsgedächtnis und Struktur Connectivity

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, das Default-Mode-Netzwerk bei posttraumatischer Belastungsstörung mithilfe der komplementären neurobildgebenden Verfahren der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand, der durch Aufgaben ausgelösten Deaktivierung und der strukturellen Konnektivität zu untersuchen. Dies wird zunächst erreicht, indem die Teilnehmer darauf trainiert werden, die N-Back-Arbeitsgedächtnisaufgabe außerhalb des Scanners durchzuführen, um Teilnehmer, die möglicherweise Angst vor den Studienabläufen haben, nicht zu überfordern, gleichzeitig aber eine ausreichende Belastung ihres Arbeitsgedächtnisses für die Abbildung aufgabeninduzierter Deaktivierungen sicherzustellen. Als zweiter Schritt werden die Teilnehmer gebeten, sich in der Liege eines 3-Tesla-MRT-Scanners hinzulegen und Polster um den Kopf zu platzieren, um Kopfbewegungen zu minimieren.

Danach führen die Teilnehmer während der MRT-Bildaufnahme zunächst die Endrückaufgabe und anschließend eine vierminütige Präsentation mit Fixierungskreuz durch. Dadurch werden Bilder der aufgabenzugehörigen Aktivität sowie des Ruhezustands aufgenommen. Wiederholen Sie diese Schritte, und weisen Sie die Teilnehmer dann an, die Augen zu schließen, während die Diffusions-Tensor-Bilder aufgenommen werden.

Die erhaltenen Ergebnisse zeigen ein räumliches Muster, das mit den Hauptknoten des Ruhezustands-Netzwerks für die Analyse der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand übereinstimmt, eine erhöhte Aktivierung des Exekutivnetzwerks und eine Deaktivierung des Ruhezustands-Netzwerks während der Two-Back-Arbeitsgedächtnisaufgabe sowie weiße Faserverbindungen, die Regionen des Ruhezustands-Netzwerks verbinden, wie sie mittels DTI erfasst wurden. Diese Technik kombiniert funktionelle und strukturelle neurobildgebende Ansätze, die eines Tages zur Diagnose von PTBS und verwandten psychiatrischen Erkrankungen beitragen könnten. Traditionelle, aufgabenbezogene fMRT-Ansätze werden dabei mit der Erfassung der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand und der strukturellen Konnektivität kombiniert.

Die Versuchsdurchführung wird von Louisa Carpenter Vs. durchgeführt, einer wissenschaftlichen Mitarbeiterin in meinem Labor. Diese Methode kann Einblicke in das Verständnis der Funktion und Dysfunktion des Default-Mode-Netzwerks liefern. Diese Methoden können außerdem leicht erweitert werden, um mehrere Gehirnnetzwerke gleichzeitig zu charakterisieren und zu untersuchen, wie psychiatrische Erkrankungen die Netzwerkintegration beeinflussen, bevor die in diesem Protokoll beschriebenen Schritte begonnen werden.

Zunächst schriftliche und informierte Einwilligung einholen und sorgfältig prüfen, ob der Teilnehmer für die MRT sicher ist. Anschließend trainieren Sie den Teilnehmer außerhalb des Scanners zur Durchführung der N-back-Aufgabe. Beginnen Sie das erste Training mit dem Null-back-Buchstaben-Vigilanztest.

Weisen Sie die Versuchsperson an, mittels einer Zwei-Knopf-Antwortbox mit „Ja“ auf einen Zielkonsonanten wie einen Groß- oder Kleinbuchstaben H zu reagieren und auf alle anderen Konsonanten mit „Nein“. Die neun Konsonanten sollten jeweils 500 Millisekunden lang angezeigt werden, mit einer Interstimulus-Zeit von 2.500 Millisekunden, insgesamt 27 Sekunden lang. Die Zielkonsonanten werden innerhalb jedes Null-Back-Blocks viermal gezeigt.

Als Nächstes lässt man den Teilnehmer den Two-Back-Test üben. Man weist ihn an, über das Antwortfeld eine Ja- oder Nein-Antwort zu geben, nachdem jeweils ein Konsonant präsentiert wurde, um anzugeben, ob dieser mit dem zuvor in der Serie präsentierten Konsonanten übereinstimmt oder sich von diesem unterscheidet.

Zeigen Sie dem Teilnehmer eine Serie von 15 Konsonanten, jeweils 500 Millisekunden lang, mit einem interstimulus Intervall von 2.500 Millisekunden, insgesamt 45 Sekunden. Der Zielreiz sollte fünfmal gezeigt werden. Setzen Sie das Training fort, bis die Leistung des Teilnehmers vor dem Scannen mindestens 75 % korrekt bei der Two-Back-Komponente erreicht.

Zunächst entfernen lassen Sie alle metallischen Gegenstände vom Teilnehmer, wechseln Sie in MRT-kompatible Kleidung und führen Sie die Person dann in den Raum mit dem Drei-Tesla-MRT-Scanner. Stellen Sie Gehörschutz durch Ohrstöpsel bereit und lassen Sie den Teilnehmer sich auf die Scannerliege legen; platzieren Sie Polster um den Kopf, um Kopfbewegungen zu minimieren. Geben Sie dem Teilnehmer die MRT-kompatible Antwortbox für die End-back-Arbeitsgedächtnisaufgabe sowie einen Quetschball, um den Scan im Notfall anzuhalten.

Platzieren Sie außerdem einen Pulsoximeter an einem Finger zur physiologischen Überwachung und Aufzeichnung. Anschließend bringen Sie eine 32-Kanal-Kopfspule und den Darstellungsbildschirm über dem Kopf des Teilnehmers an, bevor Sie ihn in den Scanner schieben. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer bequem liegt und den Bildschirm gut sehen kann.

Beginnen Sie dann die MRT-Scansitzung. Erstellen Sie zunächst ein anatomisches Gehirnbild mit hoher Auflösung und einer isotropen Voxelgröße von einem Millimeter. Verwenden Sie die hier gezeigten MRT-Parameter mit hoher Auflösung.

Starten Sie dann die MRT-Aufnahme. Anschließend stellen Sie die fMRT-BOLD-Bildaufnahmeparameter an der Scannerkonsole ein. Verwenden Sie die hier angezeigten Parameter, bevor Sie die funktionelle Aufnahme beginnen.

Projizieren Sie zunächst die Anweisungen für den Patienten drei Sekunden lang vor jeder Null- oder Zwei-Rückwärts-Aufgabe mithilfe der Stimulationspräsentationssoftware. Erfassen Sie anschließend fMRT-Bilder der Arbeitsgedächtnisleistung mit dem NAC-Test.

Dem Patienten sollte vor jedem Zero-Back-Block ein 32. Baseline-Fixationskreuz präsentiert werden. Dies liefert eine Vergleichsgrundlage für die anderen Zero- und Two-Back-Blöcke. Schließen Sie bei der Datenauswertung insgesamt drei Zero-Back- und drei Two-Back-Abschnitte sowie zwei Baseline-Blöcke ein.

Dies sollte in zwei getrennten Bildgebungssequenzen in einer gegenläufigen Reihenfolge präsentiert werden. Nach Abschluss der N-back-Paradigmen sicherstellen, dass der Teilnehmer weiterhin bequem liegt und bereit ist, die Aufnahme fortzusetzen. Anschließend darauf hinweisen, dass als Nächstes der Ruheblock folgt, und ihnen sagen, sie sollen nicht einschlafen.

Verwenden Sie die Stimulationspräsentations-Software, um ein Fixierungskreuz auf dem Bildschirm anzuzeigen. Nehmen Sie für die nächsten vier Minuten Ruhezustandsbilder mit denselben FMRT-Einstellungen auf, die auch zur Erfassung der NAC-Bilder verwendet wurden. Wiederholen Sie anschließend die Aufnahme für das Arbeitsgedächtnis erneut mithilfe des NAC-Tests.

Als Nächstes legen Sie die DTI-Bildaufnahmeparameter an der Scannerkonsole fest, um doppelte spinnecho-planare diffusionsgewichtete Bilder mit Diffusionsgradienten in 64 nichtlinearen Richtungen aufzunehmen; partielle Echos und Interpolationen sollten aktiviert sein. Achten Sie darauf, den Probanden darauf hinzuweisen, dass der Scanner während der folgenden Sequenzen vibrieren kann und dass dies normal ist. Weisen Sie sie an, ihre Augen zu schließen und sich im Scanner so gut wie möglich zu entspannen.

Danach die DTI-Sequenz aufnehmen. Sobald das gesamte Scannen abgeschlossen ist, entfernen Sie den Teilnehmer aus dem Scanner und erkundigen Sie sich, wie die Sitzung verlaufen ist.

Beantworten Sie alle Fragen, die sie haben mögen, und danken Sie ihnen für ihre Teilnahme. Stellen Sie sicher, dass alle Daten sicher übertragen werden, oder lassen Sie den MRT-Scannern den Computer eine DBD mit den Bilddaten der Teilnehmer und den physiologischen Aufzeichnungen für die anschließende Datenanalyse erstellen. Führen Sie abschließend eine Analyse der Ruhezustands-Konnektivität mittels Seed-Region-Konnektivitätsanalyse durch, um die Beziehung zwischen a priori definierten Regionen zur Beurteilung der funktionellen Konnektivität zu evaluieren.

Verwenden Sie außerdem FMRI-Verarbeitungssoftware, um die Arbeitsgedächtnisdaten vorzuverarbeiten, und eine vokselbasierte allgemeine lineare Modellierung, um die aufgabenbezogene Aktivität in jedem Gehirnvoksel einzelner Datensätze zu quantifizieren. Die hier gezeigten Ergebnisse basieren auf Daten, die mit derselben Bildgebungsmethode bei zwei verschiedenen Stichproben von Individuen mit einer Vorgeschichte von Kindheitstrauma und Misshandlung, jedoch ohne PTBS-Ergebnisse aus dem Ruhezustand, erhoben wurden. Die Analyse der funktionellen Konnektivität ergab ein räumliches Muster, das mit den wichtigsten Knoten des Standardmodus-Netzwerks übereinstimmt, einschließlich des medialen präfrontalen Kortex, des hinteren cingulären Kortex, des Angulariskortex, des inferioren Parietalläppchens und der mittleren temporalen Regionen.

Diese sagittalen Schnitte veranschaulichen die mit der Zwei-Back-Arbeitsgedächtnisaufgabe assoziierten Muster. Aktivierungsmuster innerhalb des exekutiven Netzwerks sind in Orange und Rot dargestellt, während die Deaktivierung des Ruhenetzwerks in Blau angezeigt wird. Hier sehen wir die Aktivität bei der Null-Back-Bedingung, die üblicherweise mit der Arbeitsgedächtnisleistung kombiniert wird, um für Aufmerksamkeit zu kontrollieren.

Aktivierungsmuster sind in Orange und Rot dargestellt, Deaktivierungen in Blau. Deutlich erkennbar ist eine gewisse Deaktivierung des Ruhezustandsnetzwerks mit geringer exekutiver Aktivierung zuletzt. Der Umfang des Clum-Bündels, wie er durch probabilistische Traktographie offenbart wurde, ist hier dargestellt.

Die dreidimensionale Form und das Muster dieser Fasern sind an Querschnitten des Gehirns ersichtlich, die als visueller Referenzpunkt dienen. Diese Abbildung veranschaulicht, wie diese Fasern durch den medialen präfrontalen Kortex und den hinteren cingulären Kortex verlaufen. Und schließlich sehen wir hier, wie diese Fasern durch den medialen temporalen Bereich des Ruhezustandsnetzwerks verlaufen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür entwickelt haben, wie multimodale neurowissenschaftliche Bildgebungsmethoden kombiniert werden können, beispielsweise die Erfassung der mit einer Aufgabe verbundenen Aktivität zusammen mit der Ruhezustands- und strukturellen Konnektivität. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, stets daran zu denken, dass Bewegungen des Probanden unter allen Umständen minimiert werden sollten. Dies erreicht man, indem man Kissen gegen den Kopf des Probanden im Scanner platziert und während der Scanprozeduren regelmäßig sein Wohlbefinden überprüft.