Het ontwikkelen van Neuroimaging Fenotypes van de default-in PTSS: Integratie van de Resting State, werkgeheugen, en structurele Connectiviteit

Het algemene doel van het volgende experiment is om het default mode-netwerk bij posttraumatische stressstoornis te onderzoeken met behulp van de complementaire neuro-imagingtechnieken van functionele connectiviteit in rusttoestand, taakgeïnduceerde deactivering en structurele connectiviteit. Dit wordt bereikt door deelnemers eerst buiten de scanner te trainen in het uitvoeren van de N-back werkgeheugentaak, om deelnemers die angstig kunnen zijn over de studieprocedures niet te overweldigen en toch voldoende uitdaging voor hun werkgeheugen te bieden voor de beeldvorming van taakgeïnduceerde deactiveringen. Als tweede stap laat men de deelnemers op de brancard van een drie Tesla MRI-scanner liggen en plaatst men kussens rond het hoofd om hoofdbeweging te minimaliseren.

Verworven vervolgens, terwijl de MR-beelden worden opgenomen, laten de deelnemers de 'end back'-taak uitvoeren, gevolgd door een presentatie van vier minuten met een fixatiekruis. Hiermee worden beelden verkregen van taakgerelateerde activiteit en de rusttoestand. Herhaal deze stappen en vraag de deelnemers vervolgens hun ogen te sluiten tijdens het opnemen van diffusietensorbeelden.

De verkregen resultaten tonen een ruimtelijk patroon dat consistent is met belangrijke knooppunten van het default mode-netwerk voor functionele connectiviteitsanalyse in rusttoestand, een verhoogde activatie van het executieve netwerk en deactivatie van het default mode-netwerk tijdens de two-back werkgeheugentaak, en witte stofbanen die regio's van het default mode-netwerk verbinden, verkregen via DTI. Deze techniek integreert functionele en structurele neuroimaging-benaderingen die in de toekomst kunnen bijdragen aan de diagnose van PTSS en aanverwante psychiatrische aandoeningen. Traditionele fMRI-benaderingen gekoppeld aan specifieke taken worden hierbij gecombineerd met de acquisitie van rusttoestand en structurele connectiviteit.

De studieprocedures worden gedemonstreerd door Louisa Carpenter, een onderzoeksassistent in mijn laboratorium. Deze methode kan inzicht bieden in het begrijpen van de functie en dysfunctie van het default mode-netwerk. Deze methoden kunnen bovendien eenvoudig worden uitgebreid om gelijktijdig meerdere hersennetwerken te karakteriseren om te evalueren hoe psychiatrische aandoeningen de netwerkintegratie beïnvloeden, voordat men start met de stappen zoals beschreven in dit protocol.

Verkrijg eerst schriftelijke en geïnformeerde toestemming en zorg ervoor dat de deelnemer grondig wordt gescreend op MRI-veiligheid. Train de deelnemer vervolgens om de N-back-taak buiten de scanner uit te voeren. Begin de eerste training met de zero-back letterwaakzaamheidstest.

Instrueer de proefpersoon om 'ja' aan te geven bij een doelconsonant, zoals een hoofdletter of kleine letter H, via een antwoordkast met twee knoppen, en 'nee' bij alle andere consonanten. De negen consonanten moeten telkens gedurende 500 milliseconden worden weergegeven met een interstimulusinterval van 2.500 milliseconden, voor een totale duur van 27 seconden. De doelconsonanten worden vier keer getoond binnen elk zero-back blok.

Laat de deelnemer vervolgens de 2-terug-test oefenen. Instrueer hen om een ja- of nee-antwoord te geven op het antwoordvak na de presentatie van elke medeklinker, om aan te geven of deze gelijk is aan of verschilt van de medeklinker die eerder in de reeks is gepresenteerd.

Toon de deelnemer een reeks van 15 medeklinkers gedurende elk 500 milliseconden, met een interstimulusinterval van 2.500 milliseconden, voor een totale duur van 45 seconden. De doelstimulus moet vijf keer worden getoond. Ga door met het trainen van de deelnemer totdat hun prestaties vóór het scannen ten minste 75% correct zijn op het 2-back-component.

Laat de deelnemer eerst alle metalen voorwerpen verwijderen, omkleden in MRI-compatabele kleding en breng hen vervolgens naar de ruimte van de drie Tesla MRI-scanner. Verstrek oordopjes ter gehoorbescherming en laat hen op de scantafel liggen; plaats kussens rond het hoofd om hoofdbewegingen te minimaliseren. Geef hen het MRI-compatabele responskistje voor de end back working memory task, evenals een knijpballon om de scan in geval van nood te stoppen.

Plaats daarnaast een pulsoximeter op een vinger voor fysiologische monitoring en registratie. Plaats vervolgens een 32-kanaals hoofdspoel en het presentatiescherm over het hoofd van de deelnemer voordat deze in de scanner wordt geplaatst. Controleer of de deelnemer comfortabel ligt en het scherm kan zien.

Begin vervolgens met de MRI-scan-sessie. Start met het verkrijgen van een anatomisch hersenbeeld met een hoge resolutie en een isotrope resolutie van 1 mm. Gebruik de MRI-parameters voor hoge resolutie zoals hier getoond.

Start vervolgens de MRI-acquisitie. Stel daarna de parameters voor de FMRI-BOLD-beeldacquisitie in op de console van de scanner. Gebruik de hier getoonde parameters voordat de functionele scan wordt gestart.

Projecteer eerst de instructies voor drie seconden naar de patiënt voorafgaand aan elke 'nul- of twee-terug'-taak met behulp van de software voor stimuluspresentatie. Verwerf vervolgens fMRI-beelden van het werkgeheugen met behulp van de NAC-test.

Een 32ste baseline fixatiekruis moet aan de patiënt worden gepresenteerd voorafgaand aan elk van de zero-back blokken. Dit dient als baseline voor vergelijking met de overige zero- en two-back blokken. Neem tijdens de data-analyse in totaal drie zero-back en drie two-back gedeelten op, samen met twee baseline blokken.

Dit dient in twee aparte beeldvormingssessies te worden gepresenteerd in een gecounterbalanceerde volgorde. Controleer na voltooiing van de N-back-paradigma's of de deelnemer zich nog steeds comfortabel voelt en klaar is om met de scan verder te gaan. Instrueer hen vervolgens dat het rustblok volgt en waarschuw hen om niet in slaap te vallen.

Gebruik de software voor stimuluspresentatie om een fixatiekruis op het scherm te tonen. Verwerf gedurende de volgende vier minuten rusttoestandbeelden met dezelfde fMRI-instellingen als die werden gebruikt voor het verkrijgen van NAC-beelden. Herhaal vervolgens de acquisitie voor het werkgeheugen opnieuw met behulp van de NAC-test.

Stel vervolgens de parameters voor de acquisitie van DTI-beelden in de console van de scanner in op double spin echo planner diffusiegewogen beelden, waarbij diffusiegradiënten in 64 niet-lineaire richtingen worden toegepast; partiële echo's en interpolaties moeten worden ingeschakeld. Zorg ervoor dat u de deelnemer vertelt dat de scanner tijdens de volgende sequenties kan schudden en dat dit normaal is. Instrueer hen om hun ogen te sluiten en zich zo goed mogelijk te ontspannen in de scanner.

Voer vervolgens de DTI-sequentie uit. Zodra alle scans zijn voltooid, haal je de deelnemer uit de scanner en vraag je hoe de sessie is verlopen.

Beantwoord eventuele vragen die zij kunnen hebben en bedank hen voor hun deelname. Zorg ervoor dat alle gegevens veilig worden overgedragen of laat de computer van de MRI-scanner een DBD schrijven met de beelden van de deelnemer en de fysiologische registraties voor de daaropvolgende data-analyse. Voer ten slotte een connectiviteitsanalyse in rusttoestand uit met seed-regio connectiviteitsanalyse om de relatie tussen apriori gedefinieerde regio's te beoordelen ter evaluatie van de functionele connectiviteit.

Gebruik daarnaast FMRI-verwerkingssoftware om de werkgeheugengegevens voor te bewerken en voxel-gebaseerde algemene lineaire modellering om taakspecifieke activiteit in elke hersenvoxel van individuele datasets te kwantificeren. De hier getoonde resultaten zijn gebaseerd op gegevens die met dezelfde beeldvormingsbenadering zijn verzameld in twee verschillende steekproeven van individuen met een geschiedenis van trauma en mishandeling in de kindertijd, maar zonder PTSS-resultaten uit de rusttoestand. Functionele connectiviteitsanalyse onthulde een ruimtelijk patroon dat consistent is met belangrijke knooppunten van het default mode-netwerk, waaronder de mediale prefrontale cortex, de posterieure cingulaire cortex, de gyrus angularis, de inferieure pariëtale kwab en de middelste temporale regio's.

Deze sagittale doorsneden illustreren patronen die geassocieerd worden met de two-back werkgeheugentaak. Activatiepatronen binnen het executieve netwerk zijn weergegeven in oranje en rood, terwijl de deactivatie van het default mode netwerk in blauw wordt getoond. Hier zien we zero-back activiteit, die doorgaans gecombineerd wordt met werkgeheugen om te controleren voor aandacht.

Activatiepatronen zijn in het oranje en rood en deactivatie in het blauw. Hier is een zekere deactivatie van het default mode netwerk zichtbaar met aan het einde weinig executieve activatie. De omvang van de clum bundle zoals onthuld door probabilistische tractografie wordt hier weergegeven.

De driedimensionale vorm en het patroon van deze vezels kunnen worden waargenomen met dwarsdoorsneden van de hersenen als visuele referentie. Deze afbeelding illustreert hoe deze vezels door de mediale prefrontale cortex en de posterieure cingulaire cortex lopen. En tot slot kunnen we hier zien hoe deze vezels door de mediale temporale component van het default mode-netwerk lopen.

Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe multimodale neuro-imagingbenaderingen gecombineerd kunnen worden, zoals de acquisitie van taakgerelateerde activiteit met rusttoestand en structurele connectiviteit. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden dat beweging van de deelnemer tot een minimum moet worden beperkt. Dit wordt bereikt door kussens tegen het hoofd van de deelnemer in de scanner te plaatsen en tijdens de scanprocedures regelmatig te controleren of zij comfortabel liggen.