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Il neurofeedback è una procedura di condizionamento operante attraverso la quale gli esseri umani o gli animali possono imparare a modulare l'attività neurale in una o più regioni del cervello. L'addestramento in genere porta a modifiche comportamentali1. In linea di principio, i segnali cerebrali provenienti da una o più regioni cerebrali circoscritte vengono trasformati in feedback sensoriale (ad esempio, feedback visivo, uditivo o tattile), che viene fornito al partecipante per il controllo dell'attività cerebrale mediante condizionamento operante o altre forme di apprendimento. Nell'inversione del paradigma tradizionale del neuroimaging, gli studi di neurofeedback modulano l'attività cerebrale come variabile indipendente e misurano il comportamento come variabile dipendente. Pertanto, il neurofeedback fornisce un nuovo approccio per studiare il coinvolgimento delle regioni cerebrali in diverse funzioni cognitive e come l'iper- o l'ipoattivazione di tali regioni cerebrali possa portare a comportamenti anormali.
Il neurofeedback è stato utilizzato con diverse modalità di neuroimaging come la risonanza magnetica funzionale (fMRI), l'elettroencefalografia (EEG) e la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS). I paradigmi di neurofeedback basati su EEG e fNIRS presentano i vantaggi di una maggiore risoluzione temporale, convenienza e portabilità 2,3. Tuttavia, sono caratterizzati da una bassa risoluzione spaziale e dall'incapacità di accedere alle regioni cerebrali più profonde. Inoltre, l'EEG ha la complessità computazionale del problema inverso per determinare una fonte di attivazioni neurali dai segnali EEG di superficie4. Tuttavia, con i recenti sviluppi della risonanza magnetica funzionale in tempo reale (rtfMRI), è possibile accedere a segnali emodinamici provenienti da tutte le parti del cervello, con una buona risoluzione spaziale (ad esempio, 2 mm3) e una risoluzione temporale di 720 ms5. Pertanto, la fMRI supera i limiti sopra menzionati posseduti dalle tecniche fNIRS ed EEG.
La dipendenza da nicotina è una delle principali cause di morte in tutto il mondo a causa di una serie di malattie associate al fumo6. I fattori riconosciuti che portano alla dipendenza da nicotina sono la suscettibilità sociale, ambientale, psicologicae genetica. A livello neurobiologico, gli studi hanno dimostrato l'attivazione nella corteccia cingolata anteriore (ACC), nella corteccia orbitofrontale (OFC), nell'area tegmentale ventrale (VTA), nello striato ventrale, nell'amigdala, nell'ippocampo, nella corteccia prefrontale (PFC) e nella corteccia insulare durante la presentazione di segnali associati al farmaco in contrasto con i segnali di controllo neutri 9,10,11,12,13,14 . L'attività sia nell'insula sinistra che in quella destra è altamente correlata con l'impulso al fumo quando i fumatori hanno visualizzato segnali associati alla droga15,16. L'insula svolge un ruolo importante nell'suscitare il comportamento del desiderio 17,18,19,20,21, poiché è responsabile della percezione dello stato corporeo. È stato riportato che i fumatori con lesioni nella corteccia insulare avevano maggiori probabilità di smettere di fumare rispetto ai fumatori con danni cerebrali che non coinvolgevano l'insula18.
Una delle maggiori sfide nei metodi esistenti per smettere di fumare è l'alto tasso di ricaduta22. Più dell'80% dei fumatori ha una ricaduta entro i primi mesi dopo aver smesso di fumare23. L'esposizione a stimoli precedentemente associati all'uso di droghe è una delle ragioni principali dell'alto tasso di ricaduta nella dipendenza da nicotina24. Questo meccanismo è chiamato effetto di incubazione. L'attuale protocollo è stato sviluppato per mirare all'effetto di incubazione valutato da un compito di priming affettivo. Studi precedenti hanno dimostrato che i fumatori astenuti hanno atteggiamenti impliciti negativi nei confronti dei segnali legati al fumo 25,26,27,28. Nel tipico compito di priming affettivo, gli stimoli di priming emotivo modificano l'elaborazione di un bersaglio affettivo in modo che il tempo di reazione e l'accuratezza delle risposte siano cambiati29. In altre parole, se gli stimoli primario e target hanno la stessa valenza, il tempo di reazione in risposta agli stimoli target sarà più veloce, e viceversa.
Nel presente studio, si ipotizza che la sottoregolazione della corteccia insulare anteriore bilaterale ridurrà il desiderio e, quindi, la valenza dei segnali che inducono il desiderio cambierà da negativa a neutra, poiché il bias attentivo e associativo si allontanerà dai segnali correlati al fumo30. Il compito di comportamento implicito è un compito di priming affettivo originariamente adattato da Czyzewska e Graham31. Sulla base dell'ipotesi di cui sopra, si prevede di osservare una diminuzione del tempo di reazione in risposta a una combinazione di parole prime (immagine che suscita desiderio o la sua immagine di controparte neutra) e parole bersaglio con valenza positiva dopo il blocco di sottoregolazione rispetto al blocco basale. Il compito di priming (Figura 2B) consiste in un primo (cioè un'immagine che suscita desiderio o la sua controparte neutraimmagine 32) e una parola target con valenza positiva o negativa. L'immagine principale viene presentata per 200 ms, seguita da una parola target presentata per 1 secondo. L'asincronia di insorgenza dello stimolo (SOA) è di 250 ms. I partecipanti vengono quindi istruiti a giudicare la valenza della parola target (positiva o negativa) e a rispondere premendo un pulsante nel modo più rapido e preciso possibile.
Il sistema rtfMRI (Figura 1) è costituito dai seguenti sottosistemi: (1) partecipante, (2) acquisizione del segnale, (3) analisi del segnale online e (4) feedback del segnale. L'acquisizione del segnale viene effettuata con uno scanner per tutto il corpo Siemens Trio 3.0T utilizzando una sequenza di imaging ecoplanare (EPI)33. Procedure come la ricostruzione dell'immagine, la correzione della distorsione e la media del segnale vengono eseguite sul computer dello scanner. Una volta ricostruite e pre-elaborate, le immagini vengono esportate nel sottosistema di analisi dei segnali. Il sottosistema di analisi dei segnali è implementato utilizzando il Turbo Brain Voyager (TBV)34. TBV recupera le immagini ricostruite ed esegue l'elaborazione dei dati che include la correzione del movimento 3D e l'analisi statistica in tempo reale utilizzando il modello lineare generale35. TBV consente all'utente di disegnare regioni di interesse (ROI) su più voxel sulle immagini funzionali ed estrarre i valori medi BOLD del ROI dopo ogni tempo di ripetizione (TR). Le serie temporali delle ROI selezionate vengono quindi esportate nello script MATLAB che calcola e presenta un feedback al partecipante.
Il feedback visivo dell'attività cerebrale viene fornito ai partecipanti sotto forma di un termometro animato graficamente, con le sue barre che cambiano in proporzione alle variazioni percentuali BOLD dei ROI. Diversi studi hanno utilizzato il feedback intermittente (feedback fornito a un partecipante dopo un certo numero di TR della sequenza EPI) per i partecipanti alla formazione36,37. Tuttavia, nel presente studio, è stato anticipato che i partecipanti avrebbero avuto maggiori difficoltà a sottoregolare il segnale BOLD nell'insula anteriore con un feedback continuo a causa del ruolo dell'insula nell'integrazione sensoriale e nel coinvolgimento nell'elaborazione delle informazioni di feedback visivo38. Quindi, si presumeva che il feedback continuo avrebbe provocato un conflitto tra due processi nella corteccia insulare, un processo che aumenta il segnale a causa del feedback esterno e un altro che diminuisce il segnale a causa dell'allenamento del neurofeedback. Quindi, in questo studio, forniamo un feedback solo alla fine di ogni blocco di downregulation (feedback ritardato). Ai partecipanti viene mostrato un testo (ad esempio, Euro 0,87) come feedback visivo (Figura 2A,C) che indica la quantità di denaro che hanno guadagnato (ricompensa monetaria). Questa ricompensa è proporzionale alla percentuale di downregulation raggiunta nel blocco di regolazione.
La RtfMRI è una nuova neurotecnologia che potrebbe essere in grado di superare i problemi negli approcci terapeutici al trattamento delle dipendenze e potrebbe fornire interventi più affidabili ed efficaci per ridurre le ricadute. Gli obiettivi a lungo termine del presente studio sono tre: 1) verificare se i dipendenti da nicotina possono imparare a sottoregolare i segnali BOLD nell'insula anteriore durante la presenza di stimoli che suscitano un comportamento di desiderio; 2) esaminare se l'allenamento di neurofeedback porta a modifiche nel comportamento di bramo; e 3) esplorare se i cambiamenti nei livelli di craving durante l'allenamento di neurofeedback della sottoregolazione dell'insula persistono dopo sei mesi di allenamento senza alcun altro intervento. Questo articolo fornisce una descrizione dettagliata del protocollo sperimentale rtfMRI e dei suoi diversi componenti. Vengono inoltre presentati esempi di dati dello studio e una discussione sulle sfide future e sul potenziale di questo metodo, oltre alla ricerca. Il protocollo presentato è progettato per indagare se l'allenamento di neurofeedback basato sulla risonanza magnetica funzionale può essere utilizzato per studiare le riduzioni dell'attività cerebrale nella corteccia insulare dei fumatori di sigarette. Inoltre, il protocollo ha lo scopo di studiare le relazioni tra l'attivazione della corteccia insulare e i comportamenti di desiderio dei fumatori di sigarette.