Un protocolo para la administración de Real-Time fMRI entrenamiento de Neurofeedback
24 de agosto de 2017
La capacidad para inducir o controlar la plasticidad neuronal puede ser crítica en futuros tratamientos para trastornos neurológicos y la recuperación de la lesión cerebral. En este trabajo, presentamos un protocolo sobre el uso del entrenamiento de neurofeedback con resonancia magnética funcional para modular la función del cerebro humano.
El objetivo general de este procedimiento es permitir el control localizado sobre los mecanismos neuroplásticos en el cerebro humano. Uso de neurofeedback a partir de imágenes de resonancia magnética funcional en tiempo real. El entrenamiento con neurofeedback tiene el potencial de combatir los trastornos neurológicos del cerebro al alterar los potenciales sinápticos en las regiones cerebrales objetivo, sin el uso de fármacos o intervenciones quirúrgicas invasivas.
La principal ventaja de esta técnica es que los sujetos pueden aprender a alterar endógenamente la actividad cerebral localizada de forma sistemática. Las estrategias utilizadas para alterar la actividad cerebral localizada se pueden trasladar a plataformas ubicuas, como teléfonos inteligentes, tabletas, para permitir una solución simple en el hogar. Los potenciales sinápticos anormales en la conectividad cerebral se asocian con muchos trastornos neurológicos, como el autismo, las lesiones cerebrales traumáticas, la enfermedad de Parkinson y los trastornos vestibulares.
Una retroalimentación se basa en cambios quimiodinámicos asociados con la actividad neuronal y, por lo tanto, tiene una resolución temporal pobre, lo que dificulta el entrenamiento para algunos sujetos. Debido a que la hiperactividad de las regiones cerebrales es a menudo un hallazgo en pacientes con tinnitus, este enfoque tiene como objetivo enseñar a los sujetos a regular a la baja la actividad en las regiones de interés. Comience conectando la salida de disparo TR de la máquina de imágenes de resonancia magnética o resonancia magnética a la PC de estímulo. A continuación, coloque la pantalla compatible con RM de modo que sea visible para el participante a través del espejo fijado a la bobina principal.
A continuación, pida al participante que se acueste en posición supina sobre la mesa del escáner. Coloque los auriculares en la cabeza del participante y asegúrese de que los oídos estén cubiertos. Luego, pídales que mantengan la cabeza dentro de la bobina principal.
Bloquee la parte superior del cuerpo de la bobina principal en su lugar y fije el espejo a la bobina principal. Coloque los dispositivos de respuesta en las manos del participante. A continuación, marque la ubicación de la activación del participante en relación con el escáner y mueva el punto de referencia a la ubicación en el centro del orificio de la resonancia magnética.
Por último, confirme que el participante puede ver toda la pantalla utilizando el espejo. Comience proporcionando instrucciones de tareas al participante en la sala de resonancia magnética. A continuación, comience la administración sincronizada de estímulos audibles y la adquisición de datos pulsando el botón de exploración del escáner de resonancia magnética.
Recopile imágenes planas de eco de todo el cerebro utilizando una secuencia de pulso de resonancia magnética de eco de recuerdo de gradiente. A continuación, utilice estadísticas multivariantes para calcular un mapa de activación y utilice el mapa de activación superpuesto a una imagen de resonancia magnética funcional media para determinar la región en la que se derivará la señal de retroalimentación para el neurofeedback posterior. A continuación, navegue por los cortes con la barra deslizante de cortes para encontrar marcadores anatómicos visibles en los datos de fMRI, como la superficie inferior del asta frontal de los ventrículos laterales.
Umbral del mapa de activación mediante la barra deslizante de umbral, para revelar las celdas de caja más sólidamente activadas durante el localizador funcional en la región de destino. Por último, utilice el botón izquierdo del ratón para seleccionar vóxeles individuales con activación por encima del umbral seleccionado y dentro de la región de destino para aumentar el ROI. Comience instruyendo al participante para que realice tareas de atención plena que impulsen la actividad cerebral hacia los estados deseados.
En el ejemplo del tinnitus, indique al participante que desvíe la atención del sistema auditivo a cualquiera de los sistemas sensoriales para reducir la actividad auditiva. Con el fin de normalizar los datos antes de presentar los comentarios, indique al participante que se relaje durante una cuenta regresiva que se presenta al comienzo del escaneo. A continuación, comience la presentación sincronizada de estímulos y la adquisición de datos pulsando el botón de exploración en el escáner de resonancia magnética y recopile imágenes ecoplanas de la misma manera que la exploración del localizador funcional.
A continuación, presente visualmente un temporizador de cuenta regresiva y una pantalla de comentarios en blanco. A continuación, muestre la señal de retroalimentación actual a través de un gráfico de barras de estilo termómetro donde la altura de la barra es proporcional a la señal medida desde las celdas de la caja seleccionada. Luego, superponga instrucciones pidiéndole al participante que se relaje, suba o baje la barra del termómetro en la pantalla de retroalimentación.
Finalmente, una vez finalizada la sesión de neurofeedback, acompañe al paciente fuera del escáner. Estos resultados indicaron que el control de la DLPFC izquierda aumentó significativamente a lo largo de cinco tandas de seis minutos y 24 segundos de neurofeedback separadas en cinco sesiones separadas realizadas en 14 días. Además, fMRI NFT, combinado con la práctica de MBAT, crea cambios focales en la actividad cerebral que se limitan a la región objetivo y no afectan a los componentes ascendentes o posteriores de la red de memoria de trabajo.
Una vez dominado, una sola sesión de entrenamiento con esta técnica se puede completar en tan solo 20 minutos. Al intentar este procedimiento, es importante seleccionar cuidadosamente la región del cerebro objetivo para la neurorretroalimentación. Otros métodos, como la obtención de imágenes con tensor de difusión, la espectroscopia de resonancia magnética, el marcaje del espín arterial y las pruebas de comportamiento, pueden realizarse antes o después de este procedimiento para proporcionar información adicional sobre los cambios neuroplásticos.
Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo realizar el entrenamiento de neurofeedback a partir de imágenes de resonancia magnética funcional en tiempo real. No olvide que el campo magnético asociado con la resonancia magnética puede presentar serios problemas de seguridad. Por lo tanto, siempre se debe realizar una detección adecuada.
Descripción general
Este artículo presenta un protocolo para utilizar entrenamiento con neurofeedback mediante imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) con el fin de modular la función cerebral. La capacidad de controlar la plasticidad neural es crucial para tratar trastornos neurológicos y ayudar en la recuperación tras lesiones cerebrales.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Neurofeedback
- Imagen por resonancia magnética funcional
Antecedentes
- El entrenamiento con neurofeedback puede alterar los potenciales sinápticos en regiones cerebrales específicas.
- Esta técnica ofrece una alternativa no invasiva a los fármacos y la cirugía.
- Es particularmente relevante para trastornos como el autismo, la lesión cerebral traumática y el tinnitus.
- La retroalimentación en tiempo real basada en la actividad cerebral puede mejorar la eficacia del entrenamiento.
Objetivo del estudio
- Permitir un control localizado sobre los mecanismos de neuroplasticidad en el cerebro humano.
- Proporcionar un enfoque sistemático para que los sujetos modifiquen su actividad cerebral.
- Desarrollar un método que pueda implementarse en plataformas accesibles como los teléfonos inteligentes.
Métodos Utilizados
- Los participantes se someten a fMRI mientras reciben retroalimentación neurofisiológica.
- La adquisición de datos en tiempo real se sincroniza con estímulos auditivos.
- Se generan mapas de activación para identificar regiones cerebrales diana.
- Se instruye a los participantes para realizar tareas de atención plena con el fin de influir en la actividad cerebral.
Resultados Principales
- Se logró un control significativo sobre la DLPFC izquierda a lo largo de múltiples sesiones.
- La retroalimentación neurofisiológica combinada con la práctica de atención plena resultó en cambios focales de la actividad cerebral.
- Las sesiones de entrenamiento pueden completarse en tan solo 20 minutos.
Conclusiones
- El entrenamiento con neurofeedback es una herramienta prometedora para mejorar la función cerebral.
- La selección cuidadosa de las regiones cerebrales objetivo es crucial para un entrenamiento eficaz.
- Los métodos de imagen adicionales pueden proporcionar mayores conocimientos sobre los cambios neuroplásticos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El entrenamiento con neuroretroalimentación en fMRI en tiempo real ofrece un enfoque no invasivo y no farmacológico para modular la actividad cerebral en regiones específicas, proporcionando una estrategia mecanicista de reducción de riesgos para intervenciones en trastornos neurológicos. Al permitir el control voluntario sobre la plasticidad neuronal, este método apoya la validación temprana de dianas y el cribado fenotípico en el descubrimiento de fármacos para el sistema nervioso central, especialmente en trastornos que implican una función anómala de circuitos, como el tinnitus, el autismo y la lesión cerebral traumática. La técnica mejora la confianza predictiva al vincular lecturas funcionales con resultados conductuales, facilitando la continuidad traslacional desde el descubrimiento hasta la validación preclínica.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la verificación de hipótesis terapéuticas mediante la evaluación del control voluntario sobre regiones cerebrales específicas implicadas en la fisiopatología de enfermedades.
- Valor operativo: Proporciona un sistema reproducible para la validación de objetivos funcionales utilizando lecturas neurofisiológicas en tiempo real.
- Valor predictivo: Facilita la selección de proyectos al establecer relaciones causales entre la actividad cerebral regional y los fenotipos cognitivos y conductuales.
Desarrollo de ensayos y cribado
- Valor científico: Genera señales cuantitativas de retroalimentación con resolución espacial a partir de regiones de interés definidas, lo que permite la evaluación estandarizada de las respuestas neuroplásticas.
- Valor operativo: Establece la disponibilidad del ensayo mediante la presentación sincronizada de estímulos y el procesamiento en tiempo real de la señal de fMRI.
- Escalabilidad: Facilita la transferencia de la plataforma a dispositivos accesibles (por ejemplo, teléfonos inteligentes) para cribado descentralizado y monitoreo longitudinal.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Continuidad Translacional: Conecta hallazgos in vitro e in vivo con la neurofisiología humana mediante la validación del acoplamiento a dianas en circuitos relevantes para la enfermedad.
- Reducción de Riesgos Mecanísticos: Aísla los efectos en regiones específicas (por ejemplo, la DLPFC izquierda) sin afectar componentes de red ascendentes o descendentes, reduciendo el riesgo de efectos fuera de diana.
- Alineación de Biomarcadores: Permite correlacionar los cambios en la actividad inducidos por neurofeedback con resultados cognitivos o motores, apoyando la validación de biomarcadores.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El método se integra en el continuo de descubrimiento al apoyar la modulación guiada por hipótesis de dianas cerebrales, permitir el desarrollo de ensayos para la selección de neuroplasticidad y proporcionar análisis cuantitativos para tomar decisiones de avance o interrupción en programas del sistema nervioso central.
- Biología del Descubrimiento: Facilita la interrogación mecanicista de regiones diana mediante retroalimentación en tiempo real, aclarando sus roles causales en la disfunción de la red.
- Selección: Proporciona señales estandarizadas y cuantificables de neurofeedback adecuadas para la selección de compuestos o intervenciones con alta reproducibilidad.
- Análisis: Emplea estadísticas multivariadas y selección de regiones de interés (ROI) basada en umbrales para generar salidas de retroalimentación confiables y normalizadas, aptas para comparaciones entre condiciones.
- Investigación Translacional: Confirma cambios focales en regiones diana sin efectos generalizados en toda la red, lo que apoya el avance ajustado al riesgo hacia modelos preclínicos.
- Reutilización Empresarial: Representa una plataforma portátil de neurofisiología adaptable a los dominios cognitivo, motor y afectivo, para su uso repetido en tuberías de descubrimiento.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza en el objetivo al demostrar un control endógeno sobre circuitos cerebrales relevantes desde el punto de vista fisiopatológico.
- Valor operativo: Garantiza la reproducibilidad mediante protocolos estandarizados para la administración de estímulos, la adquisición de datos y la presentación de retroalimentación.
- Valor estratégico: Mejora la toma de decisiones de avance o interrupción al reducir la incertidumbre biológica en la validación temprana de objetivos del SNC.
- Impacto en el portafolio: Permite la priorización basada en riesgos de intervenciones según la modulación neuroplástica demostrada en objetivos humanos.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en el diseño experimental de fMRI, procesamiento en tiempo real de datos y desarrollo de paradigmas de neuroretroalimentación.
- Depende de hardware compatible con MRI, sistemas de presentación de estímulos y software estadístico multivariado para la definición de regiones de interés.
- Necesita estandarización entre equipos multidisciplinarios de neurocientíficos, radiólogos y bioinformáticos para garantizar la consistencia del protocolo.
- Implica consideraciones de adaptación al trasladar el entrenamiento basado en escáneres a plataformas móviles o domiciliarias.
- Está limitado por la resolución temporal de la retroalimentación basada en fMRI, lo cual puede afectar la eficacia del entrenamiento en procesos neurodinámicos rápidos.
