管理のリアルタイム fMRI ニューロフィード バック トレーニングのプロトコル
2017年8月24日
誘導および/または神経可塑性を制御する機能は、神経障害や脳損傷からの回復のための未来の処置の重要な可能性があります。人間の脳機能を調節する機能的磁気共鳴イメージングとニューロフィード バック トレーニングのプロトコルを提案する.
この手順の全体的な目標は、人間の脳内の神経可塑性メカニズムに対する局所的な制御を可能にすることです。リアルタイムの機能的磁気共鳴画像法からのニューロフィードバックを使用します。ニューロフィードバックトレーニングは、医薬品や侵襲的な外科的介入を使用せずに、標的の脳領域のシナプス電位を変化させることにより、脳の神経障害と戦う可能性を秘めています。
この手法の主な利点は、被験者が局所的な脳活動を体系的に内因的に変化させることを学ぶことができることです。局所的な脳活動を変化させることから使用される戦略は、スマートフォン、タブレットなどのユビキタスプラットフォームに変換して、自宅での簡単なソリューションを可能にすることができます。脳の接続性における異常なシナプス電位は、自閉症、外傷性脳損傷、パーキンソン病、前庭障害など、多くの神経障害に関連しています。
フィードバックは、ニューロンの活動に関連する化学力学的変化に基づいているため、時間分解能が低く、一部の被験者のトレーニングがより困難になります。脳領域の活動亢進は耳鳴りの患者によく見られるため、このアプローチは、関心のある領域の活動をダウンレギュレートするように被験者に教えることを目的としています。まず、磁気共鳴イメージング装置またはMRI装置からのTRトリガー出力を刺激PCに接続します。次に、MR対応ディスプレイをヘッドコイルに貼り付けられたミラーを介して参加者が見えるように配置します。
次に、参加者にスキャナーテーブルの上に仰向けの位置で横になってもらいます。ヘッドホンを参加者の頭に置き、耳が覆われていることを確認します。次に、ヘッドコイルの内側に頭を置いておくように依頼します。
ヘッドコイルの上部を所定の位置にロックし、ミラーをヘッドコイルに取り付けます。応答デバイスを参加者の手に置きます。次に、スキャナーに対する参加者の鼻咬合の位置をランドマークし、ランドマークをMRIボアの中心の位置に移動します。
最後に、参加者がミラーを使用してディスプレイ全体を表示できることを確認します。まず、MRI室の参加者にタスクの指示を提供します。次に、MRIスキャナーのスキャンボタンを押して、可聴刺激とデータ取得の同期管理を開始します。
グラディエントリコールエコーMRIパルスシーケンスを使用して、全脳エコー平面画像を収集します。次に、多変量統計を使用して活性化マップを計算し、平均fMRI画像に重ね合わせた活性化マップを使用して、後続のニューロフィードバックのフィードバック信号が導出される領域を決定します。次に、スライススライダーバーを使用してスライスをナビゲートし、側脳室の前頭角の下面など、fMRIデータに見える解剖学的マーカーを見つけます。
閾値スライダーバーを使用して活性化マップを閾値し、ターゲット領域の機能的ローカライザー中に最も堅牢に活性化されたボックス細胞を明らかにします。最後に、マウスの左ボタンを使用して、選択したしきい値を超え、ROIに追加するターゲット領域内で活性化された個々のボクセルを選択します。まず、参加者にマインドフルネスのタスクを実行して、脳の活動を望ましい状態に向かわせるように指示することから始めます。
耳鳴りの例では、聴覚活動を減らすために、聴覚系からいずれかの感覚系に注意をそらすように参加者に指示します。フィードバックを提示する前にデータを正規化するには、スキャンの開始時に提示されるカウントダウン中にリラックスするように参加者に指示します。次に、MRIスキャナーのスキャンボタンを押して、同期した刺激提示とデータ取得を開始し、機能的ローカライザースキャンと同じ方法でエコー平面画像を収集します。
次に、カウントダウンタイマーと空白のフィードバック表示を視覚的に表示します。次に、バーの高さが選択したボックス セルから測定された信号に比例する温度計スタイルのバー プロットを通じて、現在のフィードバック信号を表示します。次に、フィードバックディスプレイで参加者にリラックスしたり、温度計バーを上げたり下げたりするように求める指示を重ね合わせます。
最後に、ニューロフィードバックセッションが完了したら、患者をスキャナーからエスコートします。これらの結果は、左のDLPFCの制御が、14日以内に実施された5つの別々のセッションで分離された5回の6分24秒のニューロフィードバックの実行で有意に増加したことを示しました。さらに、fMRI NFTとMBATの実践を組み合わせることで、脳活動の焦点変化が標的領域に限定され、ワーキングメモリネットワークの上位または下流のコンポーネントに影響を与えません。
一度習得すれば、このテクニックを使用した1回のトレーニングセッションは、わずか20分で完了することができます。この手順を試みる際には、ニューロフィードバックの対象となる脳領域を慎重に選択することが重要です。拡散テンソルイメージング、磁気共鳴分光法、動脈スピン標識、行動試験などの他の方法をこの手順の前後に実行して、神経可塑性の変化に関する追加の洞察を得ることができます。
このビデオを見れば、リアルタイムの機能的磁気共鳴画像法によるニューロフィードバックトレーニングの方法について十分に理解できるはずです。MRIに関連する磁場は、深刻な安全性の問題を引き起こす可能性があることを忘れないでください。したがって、常に適切なスクリーニングを実施する必要があります。
概要
本記事では、脳機能を調節するために、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を用いたニューロフィードバックトレーニングを行うプロトコルを紹介します。神経可塑性を制御する能力は、神経疾患の治療や脳損傷からの回復を支援する上で極めて重要です。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- ニューロフィードバック
- 機能的磁気共鳴画像法
背景
- ニューロフィードバック訓練は、標的となる脳領域のシナプス電位を変化させることができます。
- この手法は、薬剤投与や手術に代わる非侵襲的な選択肢を提供します。
- 特に、自閉症、外傷性脳損傷、耳鳴りなどの疾患に関連しています。
- 脳活動に基づくリアルタイムのフィードバックにより、訓練の効果を高めることができます。
研究の目的
- ヒトの脳における神経可塑性メカニズムの局所的な制御を可能にする。
- 被験者が自らの脳活動を変化させるための体系的なアプローチを提供する。
- スマートフォンなどの普及しているプラットフォームで実装可能な手法を開発する。
使用した手法
- 被験者はニューロフィードバックを受けながらfMRI検査を受ける。
- リアルタイムのデータ収集は、聴覚刺激と同期させる。
- 標的となる脳領域を特定するために、活性化マップを作成する。
- 被験者は、脳活動に影響を与えるためにマインドフルネス課題を行うよう指示される。
主な結果
- 複数セッションにわたり、左DLPFCに対する有意なコントロールが達成されました。
- ニューロフィードバックとマインドフルネス実践の組み合わせにより、局所的な脳活動の変化がもたらされました。
- トレーニングセッションは、最短で20分で完了させることが可能です。
結論
- ニューロフィードバック訓練は、脳機能を向上させるための有望なツールです。
- 効果的な訓練を行うには、標的となる脳領域を慎重に選択することが極めて重要です。
- 追加のイメージング手法を用いることで、神経可塑的な変化についてさらなる知見を得ることができます。
よくある質問
業界における重要性
リアルタイムfMRIニューロフィードバック訓練は、標的領域の脳活動を調節するための非侵襲的かつ非薬物的なアプローチであり、神経疾患治療におけるメカニズム的なリスク低減戦略を提供します。神経可塑性を随意的に制御することを可能にするこの手法は、特に耳鳴り、自閉症、外傷性脳損傷など、異常な回路機能が関与する疾患において、中枢神経系（CNS）創薬における初期段階の標的検証および表現型スクリーニングを支援します。本技術は、機能的な読み取り値（リードアウト）と行動結果を関連付けることで予測の信頼性を高め、創薬から前臨床検証へのトランスレーショナルな連続性を促進します。
バイオファーマR&Dにおける戦略的応用
初期発見およびターゲットバリデーション
- 科学的価値：疾患の病態生理に関与する特定の脳領域に対する随意的な制御を検証することで、治療仮説の検討を可能にする。
- 運用的価値：リアルタイムの神経生理学的読み取りを用いて、機能的ターゲット検証のための再現可能なシステムを提供する。
- 予測的価値：領域的な脳活動と認知・行動表現型との間の因果関係を確立することで、ポートフォリオの優先順位付けを支援する。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： 定義されたROIから定量的かつ空間的に分解されたフィードバック信号を生成し、神経可塑性反応の標準化された評価を可能にする。
- 運用の価値： 同期した刺激提示とリアルタイムfMRI信号処理により、アッセイの準備完了状態を確立する。
- 拡張性： 分散型スクリーニングおよび縦断的モニタリングのため、アクセシブルなデバイス（例：スマートフォン）へのプラットフォーム転用をサポートする。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 翻訳的連続性：疾患に関連する回路におけるターゲットエンゲージメントを検証することで、in vitro/in vivoの知見をヒトの神経生理学へと橋渡しします。
- メカニズム的なリスク低減：上流または下流のネットワーク構成要素に影響を与えず、特定の領域（例：左DLPFC）に効果を限定させることで、オフターゲットのリスクを低減します。
- バイオマーカーの整合性：ニューロフィードバックによる活動変化と、認知または運動出力との相関を可能にし、バイオマーカーの適格性評価を支援します。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、脳ターゲットの仮説駆動型変調をサポートし、神経可塑性スクリーニングのためのアッセイ開発を可能にし、さらにCNSプログラムにおけるGo/No-go判定のための定量的解析を提供することで、創薬のディスカバリー・コンティニュアムに統合されます。
- 探索生物学： リアルタイムのフィードバックを通じて標的領域のメカニズム的な解析を促進し、ネットワーク機能不全における因果的役割を明らかにする。
- スクリーニング： 高い再現性を持つ化合物または介入スクリーニングに適した、標準化され定量可能なニューロフィードバック信号を提供する。
- 解析： 多変量統計と閾値ベースのROI選択を採用し、条件間比較のための信頼性と正規化されたフィードバック出力を生成する。
- トランスレーショナルリサーチ： ネットワーク全体の変動を伴わずに標的領域における局所的な変化を確認し、リスク調整された前臨床モデルへの移行を支援する。
- エンタープライズ再利用： 認知、運動、および情動の各領域に適応可能なポータブルな神経生理学プラットフォームであり、探索パイプラインにおいて繰り返し利用できる。
運用および企業への影響
- 科学的価値：病理生理学的に関連のある脳回路に対する内因性制御を実証することで、ターゲットへの信頼性を高める。
- 運用の価値：刺激提示、データ収集、およびフィードバック提示の標準化されたプロトコルを通じて、再現性を確保する。
- 戦略的価値：初期の中枢神経系（CNS）ターゲットバリデーションにおける生物学的不確実性を低減し、go/no-goの意思決定を改善する。
- ポートフォリオへの影響：ヒトターゲットにおける神経可塑性変調の実証に基づいた、リスクベースの介入優先順位付けを可能にする。
実施上の検討事項
- fMRIの実験デザイン、リアルタイムデータ処理、およびニューロフィードバックパラダイムの開発に関する専門知識が必要です。
- MRI対応ハードウェア、刺激提示システム、およびROI定義のための多変量統計ソフトウェアに依存します。
- プロトコルの整合性を確保するため、神経科学者、放射線科医、およびバイオインフォマティシャンのチーム間での標準化が必要です。
- スキャナベースのトレーニングをモバイルまたは家庭用プラットフォームに移行する際、適応に関する検討が必要となります。
- fMRIベースのフィードバックの時間分解能によって制限されており、急速な神経ダイナミクスプロセスのトレーニング効率に影響を及ぼす可能性があります。
