Meting van Fronto-limbische activiteit met een emotionele Excentrieke Task bij kinderen met Familial hoog risico op schizofrenie
2 december 2015
Dit artikel beschrijft hoe de emotionele oddball-taak en fMRI kunnen worden gebruikt om hersenactiviteit te meten bij kinderen en adolescenten met een familiaal hoog risico op schizofrenie (FHR). FMRI werd gebruikt om verschillen in fronto-striato-limbische regio's te meten tijdens een emotionele oddball-taak. Kinderen met FHR vertoonden abnormale functionele activering tijdens de adolescentie.
Het algemene doel van deze procedure is om MR-beeldvorming uit te voeren bij kinderen en adolescenten tijdens het uitvoeren van een emotionele oddball-taak. Dit wordt bereikt door eerst een voor kinderen geschikte emotionele oddball-taak te ontwerpen. De tweede stap is om deelnemers de mogelijkheid te geven om de taak te oefenen in een simultaanscanneromgeving.
Vervolgens voeren de deelnemers dezelfde taak uit in de MRI-scanner. De laatste stap is het analyseren van de gedrags- en beeldgegevens. Uiteindelijk functionele beeldvorming tijdens de emotionele oddball-taak.
Bij schizofrenie wordt gebruik gemaakt van eerstegraadsverwanten om verminderde activering in de fronto-striatale circuitiek en respons op doelstimuli aan te tonen bij kinderen en adolescenten met een risico. Het grote voordeel van deze techniek is dat het niet-invasieve beeldvorming van de hersenen van kinderen en adolescenten mogelijk maakt terwijl ze bezig zijn met cognitieve functies. Hoewel deze methode inzicht kan geven in schizofrenie, kan deze ook worden toegepast op andere ontwikkelingspsychiatrische ziekten zoals bipolaire stoornis of autisme of andere hersenaandoeningen zoals posttraumatische stressstoornis.
Over het algemeen zullen individuen die nieuw zijn in het uitvoeren van deze methode worstelen omdat er veel stappen zijn om een experimenteel ontwerp te maken, de beelden te verwerven, de analyse en beeldverwerkingspipelines te programmeren en de juiste experimentele ontwerpen toe te passen op hun project. Deelnemende kinderen en personen met neuropsychiatrische aandoeningen ervaren ook moeilijkheden omdat de procedures vereisen dat ze tijdens een typische MRI-sessie stil blijven terwijl ze gedragstaken uitvoeren. Bovendien vereisen de procedures duidelijke communicatie en verspreiding van informatie tussen de experimentator en de deelnemer, wat een aanzienlijke hoeveelheid training vereist.
Om te beginnen, gebruik Siegel-software om een op gebeurtenissen gebaseerde gedragstaak te genereren die weinig voorkomende doelstimuli presenteert, zoals een cirkel binnen een reeks van vaker voorkomende standaardstimuli, zoals verspreide beelden. Selecteer een set aversief stimuli en een set neutrale stimuli uit de International Effective Picture System-database. Deze afbeeldingen worden beoordeeld op een schaal van één tot negen, waarbij hogere getallen een hoger positief niveau van valence en arousal aangeven.
Selecteer een set afbeeldingen die leeftijdsgeschikt is voor de studiegroep, zoals foto's van slangen, spinnen of andere dieren. Programmeer het taakscript zodat afbeeldingen worden gepresenteerd in een pseudo-gerandomiseerde volgorde gedurende 1.500 milliseconden met een gemiddelde interpresentatietijd van 500 milliseconden, en zorg ervoor dat doelstimuli en taak-irrelevante neutrale afbeeldingen niet vaker dan om de 15 seconden worden weergegeven en dat elk ongeveer 4% van de stimuli uitmaakt. Zorg ervoor dat u de gebeurtenisontstaanstijden verspreidt om een betere resolutie van de hemodynamische responsfunctie te bieden, creëer in totaal acht sets afbeeldingen, één voor elke acht functionele runs.
Recruteer deelnemers tussen de negen en 18 jaar die een familiaal hoog risico op psychose lopen, evenals gezonde controles. Verkrijg geïnformeerde toestemming van de deelnemers of wettelijke voogden en opklimmen van minderjarigen die deelnemen aan het onderzoek. Begin met het plaatsen van de deelnemers in een simulatie-MRI-scanner om hen vertrouwd te maken met de MRI-omgeving.
Zorg er vervolgens voor dat ze de taakinstructies begrijpen en speel een audio-opname van scannerlawaai af terwijl ze een oefenrun van de gedragstaak voltooien. Laat de deelnemer dezelfde MRI-veilige invoerbox gebruiken die tijdens de echte scan zal worden gebruikt en geef hen de opdracht om met hun wijsvinger op één knop te drukken als reactie op alle doelstimuli en op een andere knop met uw middelvinger voor alle andere stimuli. Zodra het subject comfortabel is in de simulatie-scanner, plaats hem in een 3,0 Tesla MRI-scanner.
Verwerf eerst een set structurele beelden inclusief een 3D co-planner anatomische T één gewogen beeld, met behulp van een verzadigde gradiënt herinnerde acquisitiepulssequentie. Verwerf vervolgens functionele beeldgegevens met behulp van een gradiënt echo echoplanner beeldvormingssequentie met volledige hersenbedekking. Om hersenactiviteit tijdens de gedragstaak te meten, gebruik deze beeldvormingssequentie voor elke run van de gedragstaak, presenteer de taak in acht functionele runs die elk ongeveer vier minuten duren en bestaan uit 120 beeldpunten.
Begin met analyse door de beelden vooraf te verwerken met de open FMRI-expertanalysetool in FSL-software en selecteer eersteniveauanalyse en pre-stats. Selecteer vervolgens in het gegevenstabblad het aantal invoerbeelden en het pad naar elk van de MR-beelden. Stel ook de uitvoermap in.
Voer het totale volume, het aantal verworpen acquisities en de TR in. Stel vervolgens in het pre-statstab de bewegingscorrectie in op MFL ruimtelijke verzachting volledig met half maximum tot vijf millimeter en selecteer correctie van plaatjestijd. Selecteer geen B zero UN warping en intensiteitsnormalisatie en selecteer BET hersenextractie en hoogdoorlaat temporele filtering. Voer vervolgens in het registratietabblad voor de hoofdstructurele afbeelding het pad in naar de T één-scan van het onderwerp zonder schedel.
Gebruik een lineaire normale zoekopdracht met minimaal zes vrijheidsgraden. Selecteer vervolgens standaardruimte en voer het pad in naar het MNI Atlas-afbeelding. Gebruik normale lineaire zoekopdracht met 12 vrijheidsgraden, sluit deelnemers uit met hoofdbewegingen groter dan drie millimeter.
Nu, om gegevens tussen taakcondities binnen één run te vergelijken, selecteer eersteniveauanalyse, statistieken en post-stats. Selecteer in het gegevenstabblad het aantal invoeren en voer het pad in naar elk van de MR-beelden en de uitvoermap. Voer het totale volume, het aantal verworpen acquisities en de TR in. Selecteer vervolgens in het statistiekentabblad gebruik film, pre-witting en volledige modelopstelling.
Stel het aantal originele EV's in op het aantal taakcondities. Selecteer voor elke conditie het aangepaste drie-kolomformaat uit het basisvormenmenu en dubbel gamma HRF uit het convolutiemen en selecteer het tekstbestand met de taaktimingformaat
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt hersenactivatie bij kinderen en adolescenten met een familiair hoog risico op schizofrenie met behulp van de emotional oddball-taak en fMRI. Het onderzoek benadrukt abnormale functionele activatie in fronto-striato-limbische regio's tijdens de adolescentie.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschap
- Psychologie
- Beeldvorming
Achtergrond
- Familiaal hoog risico op schizofrenie (FHR) is geassocieerd met een veranderde hersenfunctie.
- De emotionele oddball-taak is ontworpen om de emotionele verwerking te beoordelen.
- fMRI biedt inzicht in hersenactivatiepatronen.
- Het begrijpen van deze patronen kan bijdragen aan vroege interventies.
Doel van de studie
- Om hersenactivatie tijdens een emotionele oddball-taak te meten.
- Om activatiepatronen tussen FHR- en controlegroepen te vergelijken.
- Om potentiële biomarkers voor het risico op schizofrenie te identificeren.
Gebruikte methoden
- Het ontwerpen van een emotionele oddball-taak die geschikt is voor kinderen.
- Het oefenen van de taak in een gesimuleerde scanneromgeving.
- Het uitvoeren van fMRI-scans terwijl de deelnemers de taak uitvoeren.
- Het analyseren van gedrags- en beeldgevingsgegevens om verschillen in activatie vast te stellen.
Belangrijkste resultaten
- Kinderen met FHR vertoonden een abnormale activatie in belangrijke hersengebieden.
- Er werden verschillen vastgesteld in de fronto-striato-limbische circuits.
- De bevindingen wijzen op een veranderde emotionele verwerking bij personen met FHR.
- De resultaten kunnen bijdragen aan het begrip van de ontwikkeling van schizofrenie.
Conclusies
- fMRI tijdens de emotionele oddball-taak biedt cruciale inzichten.
- Abnormale hersenactivatiepatronen kunnen wijzen op een risico op schizofrenie.
- Verder onderzoek is nodig om deze bevindingen te verkennen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Deze op fMRI gebaseerde emotionele oddball-taak biedt een non-invasieve methode om fronto-striato-limbische circuits bij pediatrische populaties te onderzoeken, wat vroegtijdig inzicht geeft in neuro-ontwikkelingsrisico-trajecten. Door leeftijdgerelateerde activiteitsverschillen vast te leggen bij kinderen met een familiaal hoog risico op schizofrenie, ondersteunt deze aanpak de validatie van targets en mechanistische risicoreductie bij de ontdekking van geneesmiddelen voor het CZS. Het paradigma maakt kwantitatieve, reproduceerbare meting mogelijk van tekortkomingen in de emotionele en executieve verwerking die relevant zijn voor het screenen van psychiatrische indicaties.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek mogelijk naar disfunctie van neurale circuits die ten grond liggen aan tekortkomingen in de emotionele verwerking bij risicojongeren.
- Operationele waarde: Biedt een gestandaardiseerd fMRI-paradigma voor het vergelijken van activatiepatronen tussen risico- en controlegroepen.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantificeerbare BOLD-signaalresponsen op aversieve en neutrale afleiders tijdens doeldetectie.
- Operationele waarde: Ondersteunt de gereedheid van de assay via leeftijdsadequate stimulusontwerpen en protocollen voor bewegingscorrectie.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert cross-species alignment door geconserveerde fronto-limbische netwerken te onderzoeken die betrokken zijn bij psychiatrische stoornissen.
- Operationele waarde: Maakt longitudinale monitoring van veranderingen in neurale activatie over verschillende ontwikkelingsstadia mogelijk.
Pipeline- en workflowintegratie
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm door vroege mechanistische read-outs te verschaffen die informatie geven over de betrouwbaarheid van targets en de gereedheid voor fenotypische screening in neuropsychiatrisch onderzoek.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing van fronto-striato-limbische dysregulatie in genetische risicomodellen.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve fMRI-uitslagen voor het beoordelen van effecten van verbindingen op emotionele reactiviteit.
- Analytics: Levert activatiekaarten en contrastgebaseerde vergelijkingen die statistische inferentie op groepsniveau mogelijk maken.
- Translational Research: Verbindt vroege neurale biomarkers met preklinische continuïteit via analyse van geconserveerde neurale circuits.
- Enterprise Reuse: Vormt een schaalbaar neuro-imagingplatform dat toepasbaar is op meerdere indicaties van het centrale zenuwstelsel.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen door neurale activatiepatronen te koppelen aan de klinische risicostatus.
- Operationele waarde: Garandeert reproduceerbaarheid via gestandaardiseerd taakontwerp, bewegingscorrectie en registratieprotocollen.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen door biologische onzekerheid bij target engagement te verminderen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van CNS-targets mogelijk op basis van ontwikkelingsgebonden neurale fenotypes.
Overwegingen voor implementatie
- Expertise in pediatrische fMRI, experimenteel ontwerp en het programmeren van gedragstaken.
- Toegang tot een 3,0 Tesla MRI-scanner met gradient echo EPI-mogelijkheden en een mock-scanner voor training.
- Standaardisatie van stimulus-timing, bewegingsdrempels (<3mm) en preprocessing-pipelines (FSL FEAT).
- Overwegingen voor aanpassingen van de stimulusinhoud voor verschillende leeftijdsgroepen en klinische populaties.
- Beperkingen omvatten de naleving door deelnemers, bewegingsartefacten en de noodzaak van uitgebreide training in het toedienen van de taken.
