PTSDにデフォルトモードネットワークの神経画像の表現型を開発する：静止状態、ワーキングメモリ、構造コネクティビティの統合

本実験の全体的な目的は、安静時機能的結合、タスク誘発性脱活性化、および構造的結合という相補的な神経画像技術を用いて、心的外傷後ストレス障害におけるデフォルトモードネットワークを調査することです。これを達成するために、まず、研究の手順に不安を感じる可能性のある被験者に過度な負担をかけず、かつタスク誘発性脱活性化の撮像に十分なワーキングメモリへの負荷を与えるため、スキャナーの外でN-backワーキングメモリタスクのトレーニングを被験者に実施します。次に、被験者を3 Tesla MRIスキャナーのガートルに横たわらせ、頭部の動きを最小限に抑えるために頭の周囲にクッションを配置します。

次に、MR画像を収集しながら、参加者にエンドバック課題を行わせ、その後4分間の注視点提示を行わせます。これにより、課題に関連する活動と安静状態の画像を取得します。これらの手順を繰り返し、その後、拡散テンソル画像を収集する間に参加者に目を閉じるよう指示してください。

得られた結果は、安静時機能的接続性解析におけるデフォルトモードネットワークの主要ノードと一致する空間パターン、2-back作業記憶タスク中のエグゼクティブネットワークの活性化およびデフォルトモードネットワークの不活性化、ならびにDTIで得られたデフォルトモードネットワーク領域を接続する白質路を示しています。この手法は機能的および構造的な神経画像アプローチを統合したものであり、将来的にPTSDおよび関連する精神疾患の診断に役立つ可能性があります。従来のタスク関連fMRIアプローチに、安静時および構造的接続性の取得を組み合わせています。

本研究の手順を実演するのは、私の研究室のリサーチアシスタントであるLouisa Carpenterです。この手法は、デフォルトモードネットワークの機能および機能不全の理解に知見を提供することができます。また、これらの手法は、複数の脳ネットワークを同時に特性評価するように容易に拡張でき、精神疾患がネットワークの統合にどのように影響するかを評価することも可能です。本プロトコルに記載されている手順を開始する前に、以下の準備を行ってください。

まず、書面によるインフォームドコンセントを得て、被験者のMRI安全性について十分にスクリーニングを行います。次に、スキャナーの外でN-backタスクを遂行できるよう被験者をトレーニングします。最初のトレーニングとして、0-back文字警戒テストを実施します。

被験者に、2ボタン応答ボックスを用いて、大文字または小文字のHなどのターゲット子音に対しては「はい」と答え、それ以外のすべての子音に対しては「いいえ」と答えるよう指示します。9種類の子音をそれぞれ500ミリ秒間提示し、刺激間間隔を2,500ミリ秒として、合計27秒間行います。ターゲット子音は、各0-backブロック内で4回提示されます。

次に、参加者に2-バックテストを練習させます。提示される各子音が、その直前に提示された子音と同じか異なるかを、回答ボックスで「はい」または「いいえ」で回答するように指示してください。

被験者に、15個の子音をそれぞれ500ミリ秒間ずつ、刺激間間隔を2,500ミリ秒として、計45秒間提示します。ターゲット刺激は5回提示する必要があります。スキャン前に、2-back課題の正答率が少なくとも75%に達するまで、被験者のトレーニングを継続してください。

まず、被験者にすべての金属類を取り外し、MRI対応の衣服に着替えてもらった後、3 Tesla MRIスキャナー室に入室させます。聴覚保護のために耳栓を提供し、スキャナーベッドに横たわらせ、頭部の動きを最小限に抑えるために頭の周囲にクッションを配置します。また、n-back作業記憶タスク用のMRI対応レスポンスボックスと、緊急時にスキャンを停止させるためのスクイーズバルブを被験者に提供します。

また、生理学的モニタリングおよび記録のため、指にパルスオキシメータを装着します。次に、32チャンネルヘッドコイルとプレゼンテーションスクリーンを被験者の頭部に装着し、スキャナー内へ移動させます。被験者が快適な状態で、スクリーンが見えていることを確認してください。

次に、MRIスキャンセッションを開始します。まず、1 mm等方性（isotropic）の高解像度解剖学的脳画像を収集します。ここに示す高解像度MRIパラメータを使用してください。

次に、MRI撮像を開始します。続いて、スキャナーコンソールでfMRI BOLD画像の撮像パラメータを設定します。機能的スキャンを開始する前に、ここに表示されているパラメータを使用してください。

まず、刺激提示ソフトウェアを用いて、各「ゼロまたは2戻しタスク」の開始前に、患者に指示を3秒間提示します。その後、NACテストを用いてワーキングメモリに関するfMRI画像を撮像します。

各ゼロバックブロックの前に、32番目のベースライン注視点を患者に提示してください。これにより、他のゼロバックおよびツーバックブロックと比較するためのベースラインが得られます。データ解析では、合計で3つのゼロバック部分と3つのツーバック部分に、2つのベースラインブロックを加えて含めてください。

これは、カウンターバランスさせた順序で、2回に分けてイメージングランとして提示する必要があります。N-backパラダイムの完了後、被験者が引き続き快適な状態でスキャンを継続できるかを確認してください。その後、次に休息ブロックが続くことを伝え、眠らないように指示してください。

刺激提示ソフトウェアを使用して、画面上に注視点（十字）を表示します。NAC画像の取得に使用したものと同じfMRI設定を用いて、その後4分間、安静時画像を取得します。次に、NACテストを用いて、ワーキングメモリの画像取得を再度繰り返します。

次に、スキャナーコンソールでDTI画像取得パラメータを設定します。ダブルスピンエコー・プランナー拡散強調画像を用い、64方向の非線形拡散勾配を適用し、パーシャルエコーおよびインターポレーションをオンにします。参加者には、この後のシーケンス中にスキャナーが振動することがあるが、これは正常な動作であることを必ず伝えてください。また、目を閉じ、スキャナー内でできるだけリラックスするように指示してください。

次に、DTIシーケンスを取得します。すべてのスキャンが完了したら、参加者をスキャナーから出し、セッションの様子について確認してください。

参加者の疑問点に答え、協力への感謝を伝えます。すべてのデータを安全に転送するか、後日のデータ解析に向けて、参加者の画像と生理学的記録を含むDBDをMRIスキャナーのコンピューターに書き出してください。最後に、機能的結合を評価するため、あらかじめ定義した領域間の関係を評価するシード領域結合解析を用いた安静時ネットワーク解析を行います。

また、FMRI処理ソフトウェアを用いてワーキングメモリデータのプリプロセスを行い、ボクセルベースの一般線形モデルを用いて、個々のデータセットの各脳ボクセルにおけるタスク特異的活動を定量化します。ここに示される結果は、児童期のトラウマや虐待の既往はあるがPTSDのない2つの異なる被験者グループにおいて、同様のイメージング手法を用いて収集されたデータに基づいた安静時の結果です。機能的結合性解析の結果、内側前頭前野、後帯状皮質、角回、下頭頂小葉、および中側頭領域を含む、デフォルトモードネットワークの主要ノードと一致する空間パターンが明らかになりました。

これらの矢状断像は、2-backワーキングメモリタスクに関連するパターンを示しています。エグゼクティブネットワーク内の活性化パターンはオレンジ色と赤色で、デフォルトモードネットワークの不活性化は青色で表示されています。ここでは、通常、注意力のコントロールのためにワーキングメモリと組み合わせて用いられる0-back活動が示されています。

活性化パターンはオレンジと赤で、不活性化は青で示されています。ここでは、一部のデフォルトモードネットワークの不活性化と、ごくわずかな実行機能ネットワークの活性化が認められます。また、確率的トラクトグラフィーによって明らかになった鉤束の範囲がここに表示されています。

これらの線維の三次元的な形状とパターンは、視覚的な参照として脳の断面図を含めることで確認できます。この画像は、これらの線維が内側前頭前野および後帯状皮質をどのように走行しているかを示しています。そして最後に、これらの線維がデフォルトモードネットワークの内側側頭葉成分をどのように走行しているかを確認できます。

このビデオを視聴することで、タスク関連活動の取得、安静時状態、および構造的コネクティビティなどのマルチモーダル神経イメージングアプローチを組み合わせる方法について、十分な理解を得ることができます。この手順を行う際は、被験者の体動をいかなるコストを払っても最小限に抑えることが重要であるという点に留意してください。これは、スキャナー内で被験者の頭部に枕を配置し、スキャン手順中に被験者の快適さを頻繁に確認することによって達成されます。