Un protocollo per l'amministrazione di Real-Time fMRI Neurofeedback Training
24 agosto 2017
La capacità di indurre e/o controllo di plasticità neurale può essere critica nei futuri trattamenti per i disturbi neurologici e il recupero dal trauma cranico. In questa carta, presentiamo un protocollo sull'uso del neurofeedback training con risonanza magnetica funzionale per modulare la funzione del cervello umano.
L'obiettivo generale di questa procedura è quello di consentire il controllo localizzato sui meccanismi neuroplastici nel cervello umano. Utilizzo del neurofeedback dalla risonanza magnetica funzionale in tempo reale. L'allenamento di neurofeedback ha il potenziale per combattere i disturbi neurologici del cervello alterando i potenziali sinaptici nelle regioni cerebrali bersaglio, senza l'uso di farmaci o interventi chirurgici invasivi.
Il vantaggio principale di questa tecnica è che i soggetti possono imparare ad alterare endogenamente l'attività cerebrale localizzata in modo sistematico. Le strategie utilizzate per alterare l'attività cerebrale localizzata possono essere tradotte in piattaforme onnipresenti come smartphone, tablet, per consentire una semplice soluzione a casa. I potenziali sinaptici anormali nella connettività cerebrale sono associati a molti disturbi neurologici tra cui autismo, lesioni cerebrali traumatiche, morbo di Parkinson e disturbi vestibolari.
Un feedback si basa sui cambiamenti chemiodinamici associati all'attività neuronale e quindi ha una scarsa risoluzione temporale, rendendo l'allenamento più difficile per alcuni soggetti. Poiché l'iperattività delle regioni cerebrali è spesso un riscontro nei pazienti con acufene, questo approccio ha lo scopo di insegnare ai soggetti a regolare l'attività nelle regioni di interesse. Iniziare collegando l'uscita del trigger TR dalla macchina per l'imaging a risonanza magnetica o la risonanza magnetica al PC dello stimolo. Quindi posizionare il display compatibile con la risonanza magnetica in modo che sia visibile al partecipante tramite lo specchio fissato alla bobina di testa.
Quindi, chiedi al partecipante di sdraiarsi in posizione supina sul tavolo dello scanner. Posiziona le cuffie sulla testa del partecipante e assicurati che le orecchie siano coperte. Quindi, chiedi loro di tenere la testa all'interno della bobina di testa.
Bloccare la parte superiore del corpo della bobina di testa in posizione e fissare lo specchio alla bobina di testa. Posizionare i dispositivi di risposta nelle mani del partecipante. Quindi, segnare la posizione della nasion del partecipante rispetto allo scanner e spostare il punto di riferimento nella posizione al centro del foro della risonanza magnetica.
Infine, conferma che il partecipante può visualizzare l'intero display utilizzando lo specchio. Inizia fornendo istruzioni per il compito al partecipante nella sala MRI. Quindi, iniziare la somministrazione sincronizzata degli stimoli acustici e l'acquisizione dei dati premendo il pulsante di scansione sullo scanner MRI.
Raccogli immagini planari dell'eco dell'intero cervello utilizzando una sequenza di impulsi di risonanza magnetica con eco di richiamo del gradiente. Successivamente, utilizzare la statistica multivariata per calcolare una mappa di attivazione e utilizzare la mappa di attivazione sovrapposta a un'immagine fMRI media per determinare la regione in cui verrà derivato il segnale di feedback per il successivo neurofeedback. Quindi, naviga tra le sezioni utilizzando la barra di scorrimento della sezione per trovare i marcatori anatomici visibili nei dati fMRI, come la superficie inferiore del corno frontale dei ventricoli laterali.
Soglia la mappa di attivazione utilizzando la barra di scorrimento della soglia, per rivelare le celle della scatola attivate in modo più robusto durante il localizzatore funzionale nella regione di destinazione. Infine, usa il tasto sinistro del mouse per selezionare i singoli voxel con attivazione al di sopra della soglia selezionata e all'interno della regione di destinazione da aggiungere al ROI. Inizia istruendo il partecipante a svolgere compiti di consapevolezza che guidano l'attività cerebrale verso gli stati desiderati.
Nell'esempio dell'acufene, istruisci il partecipante a deviare l'attenzione dal sistema uditivo verso entrambi i sistemi sensoriali per ridurre l'attività uditiva. Al fine di normalizzare i dati prima di presentare il feedback, istruire il partecipante a rilassarsi durante un conto alla rovescia presentato all'inizio della scansione. Quindi, iniziare la presentazione sincronizzata degli stimoli e l'acquisizione dei dati premendo il pulsante di scansione sullo scanner MRI e raccogliere le immagini planari eco allo stesso modo della scansione del localizzatore funzionale.
Quindi presenta visivamente un timer per il conto alla rovescia e un display di feedback vuoto. Quindi, visualizza il segnale di feedback corrente attraverso un grafico a barre in stile termometro in cui l'altezza della barra è proporzionale al segnale misurato dalle celle della casella selezionate. Quindi, sovrapporre le istruzioni chiedendo al partecipante di rilassarsi, alzare o abbassare la barra del termometro sul display di feedback.
Infine, al termine della sessione di neurofeedback, scorta il paziente fuori dallo scanner. Questi risultati hanno indicato che il controllo della DLPFC sinistra è aumentato significativamente in cinque sessioni di neurofeedback di sei minuti e 24 secondi separate in cinque sessioni separate condotte entro 14 giorni. Inoltre, la fMRI NFT combinata con la pratica MBAT, crea cambiamenti focali nell'attività cerebrale che sono confinati alla regione target e non influenzano i componenti a monte o a valle della rete di memoria di lavoro.
Una volta padroneggiata, una singola sessione di allenamento con questa tecnica può essere completata in soli 20 minuti. Durante il tentativo di questa procedura, è importante selezionare attentamente la regione cerebrale bersaglio per il neurofeedback. Altri metodi come l'imaging del tensore di diffusione, la spettroscopia di risonanza magnetica, l'etichettatura dello spin arterioso e i test comportamentali possono essere eseguiti prima o dopo questa procedura per fornire ulteriori informazioni sui cambiamenti neuroplastici.
Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come eseguire l'allenamento di neurofeedback dalla risonanza magnetica funzionale in tempo reale. Non dimenticare che il campo magnetico associato alla risonanza magnetica può presentare seri problemi di sicurezza. Pertanto, è necessario eseguire sempre uno screening adeguato.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per l'uso dell'allenamento con neurofeedback mediante risonanza magnetica funzionale (fMRI) per modulare la funzione cerebrale. La capacità di controllare la plasticità neuronale è fondamentale per il trattamento dei disturbi neurologici e per favorire il recupero da lesioni cerebrali.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Neurofeedback
- Risonanza Magnetica Funzionale
Sfondo
- L'allenamento con neurofeedback può modificare i potenziali sinaptici in regioni cerebrali specifiche.
- Questa tecnica offre un'alternativa non invasiva ai farmaci e alla chirurgia.
- È particolarmente rilevante per condizioni come l'autismo, il trauma cranico e l'acufene.
- Un feedback in tempo reale basato sull'attività cerebrale può migliorare l'efficacia dell'allenamento.
Scopo dello studio
- Permettere un controllo localizzato sui meccanismi di neuroplasticità nel cervello umano.
- Fornire un approccio sistematico ai soggetti per modificare la propria attività cerebrale.
- Sviluppare un metodo che possa essere implementato su piattaforme accessibili come gli smartphone.
Metodi Utilizzati
- I partecipanti vengono sottoposti a fMRI durante la ricezione di neurofeedback.
- L'acquisizione dei dati in tempo reale è sincronizzata con stimoli uditivi.
- Vengono generate mappe di attivazione per identificare le regioni cerebrali bersaglio.
- Si chiede ai partecipanti di eseguire compiti di mindfulness per influenzare l'attività cerebrale.
Risultati principali
- È stato ottenuto un controllo significativo sulla DLPFC sinistra in più sessioni.
- Il neurofeedback combinato con la pratica della mindfulness ha determinato cambiamenti focali nell'attività cerebrale.
- Le sessioni di allenamento possono essere completate in soli 20 minuti.
Conclusioni
- La formazione in neurofeedback è uno strumento promettente per migliorare la funzione cerebrale.
- La selezione accurata delle regioni cerebrali bersaglio è fondamentale per una formazione efficace.
- Metodi di imaging aggiuntivi possono fornire ulteriori informazioni sui cambiamenti neuroplastici.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
L'addestramento con neurofeedback in fMRI in tempo reale offre un approccio non invasivo e non farmacologico per modulare l'attività cerebrale in regioni specifiche, fornendo una strategia meccanicistica di riduzione del rischio per gli interventi su disturbi neurologici. Permettendo un controllo volontario sulla plasticità neuronale, questo metodo supporta la validazione precoce del bersaglio e lo screening fenotipico nella scoperta di farmaci per il sistema nervoso centrale, in particolare per disturbi legati a un funzionamento anomalo dei circuiti, come l'acufene, l'autismo e il trauma cranico. La tecnica aumenta la fiducia predittiva collegando letture funzionali agli esiti comportamentali, facilitando una continuità traslazionale dalla scoperta alla validazione preclinica.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche testando il controllo volontario su specifiche aree cerebrali coinvolte nella fisiopatologia della malattia.
- Valore operativo: Fornisce un sistema riproducibile per la validazione di bersagli funzionali mediante letture neurofisiologiche in tempo reale.
- Valore predittivo: Supporta la selezione del portafoglio progettuale stabilendo collegamenti causali tra l'attività cerebrale regionale e i fenotipi cognitivi/comportamentali.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Valore scientifico: Genera segnali di risposta quantitativi e risolti spazialmente da aree di interesse definite (ROI), consentendo una valutazione standardizzata delle risposte neuroplastiche.
- Valore operativo: Stabilisce la prontezza del saggio mediante presentazione sincronizzata dello stimolo ed elaborazione in tempo reale del segnale fMRI.
- Scalabilità: Favorisce il trasferimento della piattaforma a dispositivi accessibili (ad esempio, smartphone) per lo screening decentralizzato e il monitoraggio longitudinale.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Continuità traslazionale: Collega i risultati ottenuti in vitro e in vivo alla neurofisiologia umana, validando l'interazione con il bersaglio in circuiti rilevanti per la malattia.
- De-risking meccanicistico: Isola gli effetti a regioni specifiche (ad esempio, DLPFC sinistro) senza influenzare i componenti della rete a monte o a valle, riducendo il rischio di effetti fuori bersaglio.
- Allineamento del biomarcatore: Permette di correlare le variazioni dell'attività indotte dalla neurofeedback con uscite cognitive o motorie, supportando la qualificazione del biomarcatore.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nel processo di scoperta supportando la modulazione guidata da ipotesi di bersagli cerebrali, consentendo lo sviluppo di saggi per lo screening della neuroplasticità e fornendo analisi quantitative per decisioni di avanzamento o interruzione nei programmi del sistema nervoso centrale.
- Biologia della Scoperta: Permette l'analisi meccanicistica di regioni bersaglio mediante feedback in tempo reale, chiarificando i ruoli causali nella disfunzione delle reti neurali.
- Screening: Fornisce segnali di neurofeedback standardizzati e quantificabili, adatti per lo screening di composti o interventi con elevata riproducibilità.
- Analisi: Utilizza statistiche multivariate e la selezione di ROI basata su soglie per generare output di feedback affidabili e normalizzati, utilizzabili per confronti tra diverse condizioni.
- Ricerca Translazionale: Conferma modifiche focalizzate nelle regioni bersaglio senza effetti a livello dell'intera rete, supportando un avanzamento mirato verso modelli preclinici con rischio controllato.
- Riutilizzo Aziendale: Rappresenta una piattaforma neurofisiologica portatile adattabile nei domini cognitivo, motorio ed emotivo, utilizzabile ripetutamente all'interno di percorsi di scoperta.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia nel bersaglio dimostrando un controllo endogeno su circuiti cerebrali rilevanti dal punto di vista fisiopatologico.
- Valore operativo: Garantisce la riproducibilità attraverso protocolli standardizzati per la somministrazione dello stimolo, l'acquisizione dei dati e la presentazione del feedback.
- Valore strategico: Migliora il processo decisionale di avanzamento o interruzione dello sviluppo riducendo l'incertezza biologica nella validazione precoce dei bersagli del sistema nervoso centrale.
- Impatto sul portafoglio: Permette la priorizzazione degli interventi in base al rischio, basandosi sulla modulazione neuroplastica dimostrata nei bersagli umani.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella progettazione sperimentale di risonanza magnetica funzionale (fMRI), nell'elaborazione in tempo reale dei dati e nello sviluppo di paradigmi di neurofeedback.
- È vincolato all'uso di hardware compatibile con la risonanza magnetica, sistemi di presentazione degli stimoli e software statistico multivariato per la definizione delle aree di interesse (ROI).
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra neuroscienziati, radiologi e bioinformatici per garantire la coerenza del protocollo.
- Comporta considerazioni di adattamento nella traduzione dell'addestramento basato su scanner in piattaforme mobili o utilizzabili a domicilio.
- È limitato dalla risoluzione temporale del feedback basato su fMRI, che potrebbe influenzare l'efficacia dell'addestramento per processi neurodinamici rapidi.
