Biofeedback fMRI w czasie rzeczywistym ukierunkowany na korę oczodołowo-czołową w leczeniu lęku przed zanieczyszczeniem

Podsumowanie

W niniejszym opracowaniu przedstawiamy metodę szkolenia osób w zakresie kontrolowania obszaru mózgu zaangażowanego w lęk przed zanieczyszczeniem oraz badania zależności między lękiem przed zanieczyszczeniem a wzorcami łączności mózgowej.

Streszczenie

Prezentujemy metodę trenowania badanych w zakresie kontrolowania aktywności w obszarze kory oczodołowo-czołowej powiązanym z lękiem przed zanieczyszczeniem, z wykorzystaniem biofeedbacku danych z funkcjonalnego rezonansu magnetycznego w czasie rzeczywistym (rt-fMRI). Zwiększona aktywność tego obszaru jest obserwowana w związku z lękiem przed zanieczyszczeniem zarówno u osób zdrowych¹, jak i u osób z zaburzeniem obsesyjno-kompulsyjnym (OCD),² stosunkowo powszechnym i często obciążającym zaburzeniem psychiatrycznym obejmującym lęk przed zanieczyszczeniem. Choć wiele obszarów mózgu zostało powiązanych z OCD, nieprawidłowości w korze oczodołowo-czołowej (OFC) są jednym z najspójniejszych odkryć.^{3, 4} Co więcej, stwierdzono, że nadaktywność w OFC koreluje z nasileniem objawów OCD,⁵ a zgłaszano, że zmniejszenie nadaktywności w tym obszarze koreluje ze spadkiem nasilenia objawów.⁶ Zatem zdolność do kontrolowania tego obszaru mózgu może przekładać się na kliniczną poprawę objawów obsesyjno-kompulsyjnych, w tym lęku przed zanieczyszczeniem. Biofeedback danych rt-fMRI to nowa technika, w której czasowy wzorzec aktywności w konkretnym obszarze (lub związany z konkretnym rozproszonym wzorcem aktywności mózgu) w mózgu badanego jest dostarczany badanemu jako sygnał zwrotny. Niedawne doniesienia wskazują, że ludzie są w stanie rozwinąć kontrolę nad aktywnością konkretnych obszarów mózgu, gdy zapewniono im biofeedback rt-fMRI.^7-12 W szczególności kilka badań wykorzystujących tę technikę do celowania w obszary mózgu zaangażowane w przetwarzanie emocji zgłosiło sukcesy w trenowaniu badanych w zakresie kontroli tych regionów.^13-18 W kilku przypadkach zgłoszono, że trening biofeedbacku rt-fMRI wywołuje zmiany poznawcze, emocjonalne lub kliniczne u badanych.^{8, 9, 13, 19} Tutaj ilustrujemy tę technikę zastosowaną w leczeniu lęku przed zanieczyszczeniem u zdrowych osób. Interwencja biofeedbackowa ta będzie wartościowym narzędziem badań podstawowych: pozwala ona badaczom na zaburzanie funkcji mózgu, pomiar wynikających z tego zmian w dynamice mózgu i powiązanie ich ze zmianami w lęku przed zanieczyszczeniem lub innymi miarami behawioralnymi. Dodatkowo, opracowanie tej metody stanowi pierwszy krok w kierunku zbadania biofeedbacku opartego na fMRI jako interwencji terapeutycznej w OCD. Biorąc pod uwagę, że około jedna czwarta pacjentów z OCD odnosi niewielkie korzyści z obecnie dostępnych form leczenia,^20-22 a ci, którzy odnoszą korzyści, rzadko wracają do pełnego zdrowia, pilnie potrzebne są nowe podejścia do leczenia tej populacji.

Protokół

1. Opracowanie bodźca

Konieczne jest opracowanie obszernego zestawu bodźców. Należy zebrać i przetestować obrazy związane z kontaminacją oraz obrazy neutralne, aby upewnić się, że lęk wywołany tymi bodźcami jest zrównoważony w warunkach prowokacji i znacząco wyższy w warunkach prowokacji niż w warunkach neutralnych. Bardziej szczegółowo, wymagane są następujące cztery zestawy bodźców:

1. Bodźce lokalizacyjne: 300 obrazów związanych z kontaminacją oraz 300 obrazów neutralnych służy do lokalizacji obszaru kory orbitofrontalnej (OFC) zaangażowanego w lęk przed kontaminacją. Należy przeprowadzić badanie pilotażowe, aby upewnić się, że obrazy związane z kontaminacją wywołują istotnie większy lęk przed kontaminacją niż obrazy neutralne (na podstawie samoopisów). Jest ważne, aby warunek ten był spełniony dla każdego badanego w pilotażu, a nie tylko dla całej grupy, ponieważ docelowy obszar OFC musi zostać zlokalizowany u każdego uczestnika przy użyciu tych bodźców.
2. Bodźce do biofeedbacku: należy opracować dwa dopasowane zestawy bodźców, z których każdy obejmuje 3 rodzaje bodźców. W każdym zestawie wymagane są 18 bodźców prowokujących do bloków zwiększania (increase), 18 bodźców prowokujących do bloków zmniejszania (decrease) oraz 24 bodźców neutralnych do bloków neutralnych. Jeden zestaw jest przeznaczony dla pierwszej sesji biofeedbacku, a drugi dla drugiej sesji biofeedbacku. Należy zebrać dane pilotażowe dotyczące deklarowanego przez badanych poziomu lęku podczas oglądania tych bodźców, aby upewnić się, że występuje główny efekt rodzaju (związany z różnicą między bodźcami prowokującymi a neutralnymi), ale nie występuje główny efekt zestawu ani interakcja rodzaj-zestaw.
3. Bodźce do zadania kontrolnego: należy opracować cztery dopasowane zestawy bodźców, z których każdy zawiera 6 bodźców prowokujących do bloków zwiększania, 6 bodźców prowokujących do bloków zmniejszania oraz 8 bodźców neutralnych. Te cztery zestawy służą do serii zadań kontrolnych przeprowadzanych na początku i na końcu każdej z dwóch sesji biofeedbacku. Należy zebrać dane pilotażowe dotyczące deklarowanego przez badanych poziomu lęku podczas oglądania tych bodźców, aby upewnić się, że występuje główny efekt rodzaju (związany z różnicą między bodźcami prowokującymi a neutralnymi), ale nie występuje główny efekt zestawu ani interakcja rodzaj-zestaw.
4. Bodźce do sesji oceny: należy opracować 3 dopasowane zestawy bodźców, z których każdy zawiera 25 obrazów kontaminacji. Należy zebrać dane pilotażowe, aby upewnić się, że zestaw nie wpływa na lęk odczuwany w odpowiedzi na te obrazy.

Bodźce wykorzystywane przez naszą grupę obejmują obrazy z zestawu Maudsley Obsessive Compulsive Symptom Set ²³ oraz International Affective Picture System ²⁴, a także fotografie wykonane samodzielnie, pozyskane z obrazów Google oraz zakupione w serwisach Bigstockphoto.com, gettyimages.com, flickr.com i iStockphoto.com.

2. Rekrutacja

Przeprowadzono przesiew badanych w celu zidentyfikowania zdrowych osób, które mogą poddać się obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego i zgłaszają wysoki poziom lęku przed kontaminacją oraz chęć nauki kontrolowania tego lęku. W szczególności, w ramach procesu przesiewowego, badani wypełnili kwestionariusz Padua Inventory-Washington Slate University Revision (PI-WSUR)²⁵, a do badania włączono jedynie osoby, które uzyskały wynik 8 lub wyższy w podskali obsesji i przymusowego mycia. Dla każdego badanego poddanego rzeczywistej biologicznej informacji zwrotnej (biofeedback), zrekrutowano drugiego badanego, dopasowanego pod względem wieku i płci, który otrzymał pozorowaną biologiczną informację zwrotną (sham biofeedback). Przed przystąpieniem do badania wszyscy uczestnicy musieli wyrazić świadomą zgodę zgodnie z protokołem zatwierdzonym przez instytucjonalny program ochrony ludzi (na Uniwersytecie Yale jest to Human Research Protection Program).

3. Protokół

Celem protokołu biofeedbacku jest nauczenie badanych większej kontroli nad poziomem aktywności neuronalnej w obszarze kory oczodołowo-czołowej (OFC) powiązanym z lękiem przed zanieczyszczeniem, tak aby w przypadku ekspozycji na bodźce związane z zanieczyszczeniem mogli oni zwiększać lub zmniejszać aktywność neuronalną w tym obszarze według własnej woli. Hipotezujemy, że większa kontrola nad tym obszarem mózgu zapewni badanym większą kontrolę nad lękiem związanym z zanieczyszczeniem. Zdolność ta, polegająca na świadomym kontrolowaniu poziomu aktywności neuronalnej w OFC, jest oceniana na podstawie tego, czy badani są w stanie zwiększyć i zmniejszyć sygnał mierzony z tego obszaru mózgu w odpowiedzi na sygnały do zwiększenia lub zmniejszenia tej aktywności podczas sesji obrazowania funkcjonalnego.

Uczestnicy zgłaszają się w cztery oddzielne dni, zaplanowane w odstępach około połowy tygodnia, tak aby całe badanie trwało dwa tygodnie. Schemat blokowy protokołu przedstawiono na Rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat blokowy protokołu. Dzień 1 zaznaczono na niebiesko, Dzień 2 na czerwono, Dzień 3 na zielono i Dzień 4 na pomarańczowo. Choć nie wymieniono tego wprost, każda sesja MR obejmuje również zbieranie danych anatomicznych w tych samych lokalizacjach warstw co dane funkcjonalne, a sesje MR z biofeedbackiem obejmują wykonanie „funkcjonalnego skanu referencyjnego”, służącego do rejestracji obszaru docelowego w przestrzeni funkcjonalnej danej sesji.

3.1 Dzień 1

1. Badani uczestniczą w 1-godzinnej sesji obrazowania rezonansem magnetycznym (MR) w skanerze Seimens Sonata 1,5 T. Podczas każdej sesji skanowania, przed rozpoczęciem badania, sprawdzany jest wyświetlacz wizualny, aby upewnić się, że mieści się on w całości w polu widzenia badanego i jest dla niego odpowiednio ostry.
   W 1. dniu zbierane są następujące dane:
   1. Obraz strukturalny o wysokiej rozdzielczości uzyskany za pomocą sekwencji szybkiego gradientowego echa z przygotowaniem magnesu (MPRAGE)
   2. Obrazy anatomiczne ważone T1 w tych samych 31 lokalizacjach warstw, co w przypadku danych funkcjonalnych
   3. Dwa przebiegi funkcjonalnych danych w stanie spoczynku, z których każdy obejmuje zebranie 152 wolumenów (dwie pierwsze odrzucone). Do wszystkich pomiarów danych funkcjonalnych stosowana jest T2*-wrażliwa gradientowa sekwencja echo-planarna pojedynczego impulsu (TE= 30ms, FA = 80, TR = 2000ms, Bandwidth = 2604, pole widzenia 200mm dla izotropowych voxeli o wymiarach 3,1*3,1*3,1mm³, 31 warstw w płaszczyźnie aksjalno-skośnej, wyrównanych w linii AC-PC, obejmujących całą korę oczodołową (OFC) oraz większość mózgu powyżej). Sekwencja ta została zoptymalizowana pod kątem sygnału z kory oczodołowej poprzez zmniejszenie optymalnego TE z 45ms do 30ms oraz zmniejszenie grubości warstwy do 3,1mm, co redukuje defazowanie wewnątrzvoxela przy jednoczesnym niewielkim spadku czułości BOLD. Zastosowano również wyższą szerokość pasma (bandwidth), aby zmniejszyć zniekształcenia geometryczne w kierunku kodowania fazy.
   4. Trzy lokalizacyjne przebiegi danych funkcjonalnych, z których każdy obejmuje zebranie 202 wolumenów (dwie pierwsze odrzucone), w których badany naprzemiennie ogląda intensywne obrazy związane z kontaminacją oraz obrazy neutralne w odstępach 40s. Te przebiegi lokalizacyjne służą do zlokalizowania obszaru OFC aktywowanego przez lęk przed kontaminacją
2. Po sesji obrazowania MR w 1. dniu badani spotykają się z psychologiem klinicznym specjalizującym się w zaburzeniach lękowych na sesji opracowywania strategii reappraisal (zmiany interpretacji poznawczej). Celem tej sesji jest opracowanie dla badanego zindywidualizowanej strategii poznawczej, która zapewni mu początkową kontrolę nad aktywnością w korze oczodołowej. Omawiane są scenariusze, które mogą wywołać lęk przed kontaminacją, a psycholog pomaga badanemu opracować metody redukcji lęku w takich sytuacjach. Może to obejmować ponowną ocenę postrzeganego ryzyka kontaminacji lub, w przypadku osób skłonnych do myśli religijnych bądź strategii medytacyjnych, podejście oparte na wierze lub metodę „odpuszczenia” lęku. Celem sesji jest zidentyfikowanie jednej lub więcej strategii reappraisal, które zdaniem badanego będą prawdopodobnie skuteczne w redukcji lęku przed kontaminacją w różnych sytuacjach. Gdy badany poczuje pewność, że zidentyfikowano skuteczne strategie reappraisal, otrzyma instrukcję, aby wypróbować je w celu obniżenia aktywności w OFC podczas sesji biofeedbacku. I odwrotnie, w celu zwiększenia aktywności w OFC, badani będą instruowani, aby spróbować myśleć o możliwych konsekwencjach kontaktu z zanieczyszczonymi przedmiotami i pozwolić sobie na odczuwanie lęku z tego powodu, nie stosując żadnych strategii reappraisal. Należy tutaj podkreślić, że strategie te, służące podnoszeniu/obniżaniu aktywności OFC, mają na celu jedynie zapewnienie początkowej, ograniczonej zdolności do kontrolowania OFC. Podczas sesji biofeedbacku badani będą mieli możliwość eksperymentowania ze swoimi strategiami poznawczymi i otrzymają bezpośrednią informację zwrotną o tym, co jest bardziej skuteczne, co pozwoli im na stopniowe rozwijanie kontroli nad OFC. Podczas tej sesji psycholog kliniczny ocenia również, czy badany wykazuje subkliniczny lęk przed kontaminacją, który wpływa na jego życie codzienne – jeśli nie, zostaje on usunięty z badania.
3. Dane zebrane w przebiegach lokalizacyjnych są analizowane po sesji skanowania w 1. dniu, ale przed sesją w 2. dniu przy użyciu analizy GLM z regresorem zadania obliczonym za pomocą wektora, który przyjmuje wartość jeden w okresach czasowych, gdy badany oglądał obrazy kontaminacji, i zero w pozostałych okresach, splotowanych z kanoniczną funkcją odpowiedzi hemodynamicznej. Obliczana jest statystyka t powiązana z współczynnikiem regresji dla każdego voxela, a wynikowa mapa t jest wygładzana za pomocą jądra Gaussa o pełnej szerokości w połowie maksymalnej (FWHM) wynoszącej 6mm. Wynikowa mapa t pokazuje, które obszary mózgu były bardziej aktywne podczas oglądania obrazów związanych z kontaminacją niż obrazów neutralnych. 30 pikseli o najwyższych wartościach na tej mapie t, zlokalizowanych w OFC lub sąsiednim regionie bieguna czołowego (dokładniej w polach Brodmanna 10, 11 lub 47), zostaje wybranych jako docelowy region OFC dla nadchodzących skanów biofeedbacku tego badanego. W związku z tym lateralizacja regionu docelowego będzie różnić się w zależności od wzorców aktywacji badanego. Region ten jest następnie przenoszony z przestrzeni funkcjonalnej do anatomicznej poprzez sztywną rejestrację z interpolacją najbliższego sąsiada. Definiowany jest również region kontrolny obejmujący całą istotę białą w mózgu, który jest przenoszony do tej samej przestrzeni z mózgu MNI. Te dwa regiony będą wykorzystywane przez program analizy w czasie rzeczywistym podczas sesji biofeedbacku w 2. dniu.

3.2 Dzień 2

1. W pierwszej kolejności uczestnicy biorą udział w sesji oceniającej poza skanerem. Przed każdą sesją oceniającą uczestnicy otrzymują ustne instrukcje, aby starać się zminimalizować lęk podczas oglądania nadchodzących obrazów związanych z kontaminacją. Następnie, zgodnie ze szczegółowymi instrukcjami wyświetlanymi na ekranie, są proszeni o określenie poziomu odczuwanego lęku związanego z kontaminacją w odpowiedzi na obrazy w skali od 1 do 5, gdzie 1 odpowiada niskiemu poziomowi lęku, a 5 najwyższemu. Jednocześnie monitorowana jest reakcja skórno-galwaniczna.
2. Następnie uczestnicy biorą udział w 1,5-godzinnej sesji biofeedbacku fMRI w czasie rzeczywistym.
   1. Sesja rozpoczyna się od zgromadzenia aksjalnych obrazów anatomicznych (ważonych T1) w tych samych lokalizacjach przekrojów, co w przypadku danych funkcjonalnych.
   2. Następnie wykonuje się referencyjny skan funkcjonalny. Ten krótki przebieg funkcjonalny składa się z dwunastu wolumenów, z których zachowuje się piąty, a pozostałe są odrzucane.
   3. Dwa obszary zainteresowania (ROI) – obszar OFC uczestnika aktywowany podczas oglądania zdjęć kontaminacji, zidentyfikowany na podstawie przebiegów lokalizacyjnych z dnia 1 (patrz 3.1.3), oraz kontrolny obszar istoty białej – są przenoszone do przestrzeni funkcjonalnej bieżącej sesji poprzez konkatenację dwóch sztywnych rejestracji. Pierwsza rejestracja mapuje obszary z przestrzeni anatomicznej dnia 1 do przestrzeni anatomicznej dnia 2. Druga rejestracja mapuje obszary z przestrzeni anatomicznej dnia 2 do przestrzeni „referencyjnego skanu funkcjonalnego” z dnia 2. Po przeniesieniu tych dwóch obszarów do przestrzeni funkcjonalnej bieżącej sesji skanowania może rozpocząć się biofeedback.
   4. Podczas rejestracji obszarów wykonuje się dwa przebiegi funkcjonalne (zgromadzono 132 wolumeny dla każdego przebiegu, pierwsze dwa odrzucono, aby pole mogło osiągnąć stan stabilny), które nazywa się przebiegami zadania kontrolnego. Przebiegi te nie obejmują biofeedbacku, lecz służą do oceny zdolności uczestników do kontrolowania aktywności w obrębie ich ROI w obszarze OFC podczas ekspozycji na obrazy związane z kontaminacją. Po lewej stronie ekranu uczestnicy widzą czerwoną strzałkę skierowaną w górę, niebieską strzałkę skierowaną w dół lub białą strzałkę skierowaną prosto w prawo. Po prawej stronie strzałki znajduje się duży obraz, który przedstawia kontaminację, gdy strzałka wskazuje w górę lub w dół, i jest neutralny, gdy strzałka wskazuje w przód. Uczestnicy mają za zadanie spróbować zwiększyć aktywność w OFC, gdy strzałka wskazuje w górę, zmniejszyć aktywność w OFC, gdy strzałka wskazuje w dół, oraz po prostu odpocząć, gdy strzałka wskazuje w prawo. Strzałka i obraz zmieniają się co 26 sekund, naprzemiennie przechodząc przez trzy warunki. Ze względu na chęć zbadania korelacji między mózgiem a zachowaniem u różnych uczestników (takich jak korelacje między zmianami w kontroli nad obszarem mózgu a zmianami w lęku przed kontaminacją podczas sesji oceniających), chcemy, aby wszyscy uczestnicy byli poddani tym samym sekwencjom bloków. Dlatego kolejność bloków nie jest zrównoważona u uczestników ani w przebiegach kontrolnych, ani w przebiegach biofeedbacku. Zamiast tego dla wszystkich uczestników stosuje się naprzemiennie dwa typy przebiegów. W pierwszym przebiegu kolejność bloków to: odpoczynek-góra-dół-odpoczynek-góra-dół-odpoczynek-góra-dół-odpoczynek. W drugim przebiegu jest to: odpoczynek-dół-góra-odpoczynek-dół-góra-odpoczynek-dół-góra-odpoczynek. Zatem w jednym przebiegu sygnaale „góra” poprzedza sygnał „dół”, a w następnym sygnał „dół” poprzedza sygnał „góra”.
   5. Po przebiegach zadania kontrolnego, gdy obszar docelowy i obszar kontrolny zostaną zarejestrowane w bieżącej przestrzeni funkcjonalnej, przeprowadza się sześć przebiegów biofeedbacku (lub pozorowanego biofeedbacku, w zależności od uczestnika) (zgromadzono 132 wolumeny dla każdego przebiegu, odrzucono pierwsze dwa i ostatnie dwa).
      Przebiegi biofeedbacku: Przebiegi te służą do trenowania uczestników w kontrolowaniu aktywności w ich ROI OFC. Są one podobne do przebiegów zadania kontrolnego, z tą różnicą, że uczestnicy otrzymują na dole ekranu informację zwrotną dotyczącą sukcesu w kontrolowaniu obszaru mózgu. Dokładniej mówiąc, na dole wyświetlacza uczestnicy widzą wykres graficzny aktywności w obszarze OFC, zmieniający się w czasie w trakcie przebiegu. Uczestnicy są instruowani, aby starać się zwiększyć aktywność w OFC, gdy kolor linii jest czerwony, zmniejszyć aktywność w tym obszarze, gdy kolor linii zmienia się na niebieski, oraz odpoczywać, gdy jest biały. Wykres liniowy prezentowany jest pod obrazem, który zmienia się dla każdego bloku zwiększania/zmniejszania/odpoczynku; obraz przedstawia kontaminację podczas bloków zwiększania i zmniejszania, a jest neutralny podczas bloków odpoczynku. Podobnie jak w przebiegach zadania kontrolnego, po lewej stronie obrazu znajduje się strzałka z kodowaniem kolorystycznym wskazująca aktualne zadanie (zwiększanie/zmniejszanie/odpoczynek). Uczestnicy są instruowani, aby wypróbować strategie omówione podczas sesji opracowywania reappraisalu strategii, ale mogą również swobodnie eksperymentować z innymi i używać biofeedbacku jako narzędzia do oceny tego, co działa najlepiej. Ponadto, aby zachęcić do eksperymentowania z nowymi strategiami, podkreśla się wszystkim uczestnikom, że ich skuteczność w kontrolowaniu OFC nie będzie oceniana podczas przebiegów biofeedbacku, a jedynie podczas przebiegów zadania kontrolnego, w których nie prezentowany jest biofeedback. Uczestnicy są informowani, że ze względu na powolną odpowiedź przepływu krwi i opóźnienia w przetwarzaniu, między zmianami aktywności w docelowym obszarze mózgu a zmianami na wykresie liniowym występuje opóźnienie od sześciu do ośmiu sekund. Zaleca się również uczestnikom, aby nie zmieniali strategii w obrębie jednego bloku, ponieważ opóźnienie w przebiegu czasowym utrudnia ocenę sukcesu każdej strategii przy zbyt szybkich zmianach.
      System fMRI w czasie rzeczywistym używany do udzielania informacji zwrotnej podczas przebiegów biofeedbacku został przedstawiony na Rysunku 2. Napisano specjalną procedurę rekonstrukcji, która zapisuje kopię każdego przekroju danych w momencie ich zbierania w katalogu Systemu Rekonstrukcji Obrazu, dostępnym dla Komputera Przetwarzania Obrazów poprzez połączenie z siecią lokalną. Moduł BioImage Suite (www.bioimagesuite.org) działający na Komputerze Przetwarzania Obrazów odpytuje ten katalog i odczytuje każdy przekrój w momencie jego pojawienia się. Po otrzymaniu całego wolumenu jest on rejestrowany względem referencyjnego skanu funkcjonalnego (aby skorygować ruch), a następnie obliczany jest średni poziom sygnału w docelowym obszarze OFC oraz w kontrolnym obszarze istoty białej, który jest wysyłany przez port szeregowy do komputera Stymulacji/Feedbacku. Program Matlab (www.mathworks.com) działający na komputerze Stymulacji/Feedbacku odbiera te dane i normalizuje poziom aktywności OFC, aby skorygować dryft i fluktuacje całego mózgu, stosując formułę wprowadzoną przez deCharmsa i współpracowników.⁸ Dokładniej mówiąc, dla każdego zebranego wolumenu danych obliczana jest procentowa zmiana sygnału względem średniej kroczącej zarówno dla ROI OFC, jak i istoty białej, a następnie obliczana jest różnica między tymi dwiema miarami. Wartość ta jest przedstawiana w formie wykresu liniowego w czasie na dole wyświetlacza wizualnego.
      
      Rysunek 2. Schemat systemu fMRI w czasie rzeczywistym. System Rekonstrukcji Obrazu przetwarza dane MR w miarę ich gromadzenia i tworzy obraz każdego przekroju, który jest zapisywany w pliku. Obrazy przekrojów są pobierane przez Komputer Przetwarzania Obrazów przez LAN i przetwarzane w czasie rzeczywistym za pomocą BioImage Suite. Poziom aktywności ROI jest następnie przesyłany do Komputera Stymulacji/Feedbacku, gdzie jest odbierany przez program Matlab, który tworzy wyświetlacz wizualny, w tym wykres znormalizowanej aktywności OFC w czasie dla uczestnika.
      Pozorowany biofeedback: Przebiegi te stanowią warunek kontrolny, z którym można porównać biofeedback. Przebiegi pozorowanego biofeedbacku będą identyczne z przebiegami biofeedbacku, z wyjątkiem tego, że uczestnicy będą widzieć przebieg czasowy aktywności w OFC z przebiegu biofeedbacku poprzedniego uczestnika, dobranego pod względem wieku i płci. W stopniu, w jakim poprzedni uczestnik był w stanie kontrolować aktywność w OFC podczas swoich przebiegów biofeedbacku, obecny uczestnik będzie sprawiał wrażenie równie skutecznego podczas swoich przebiegów pozorowanego biofeedbacku, co doprowadzi do podobnych wrażeń sukcesu u uczestników w obu warunkach. Biorąc pod uwagę, że doświadczenie sukcesu (w kontrolowaniu tego obszaru) może wpływać na motywację uczestnika, a tym samym pośrednio na stopień, w jakim uczy się on kontroli nad OFC, ważne jest, aby zachować tę spójność w możliwie największym stopniu.
   6. Na koniec wykonuje się dwa kolejne przebiegi zadania kontrolnego.

3.3 Dzień 3: Analogicznie jak w dniu 2., lecz z zastosowaniem oddzielnych (dopasowanych) zestawów bodźców.

3.4 Dzień 4

1. Uczestnicy biorą udział w końcowej sesji oceny (analogicznie do punktu 3.2.1).
2. Uczestnicy biorą udział w końcowej, 1-godzinnej sesji obrazowania MR, podczas której gromadzone są dane dotyczące funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku.

4. Odprawy uczestników z grupy kontrolnej (placebo)

Po zakończeniu badania wszyscy uczestnicy z grupy pozorowanej zostają poinformowani, że otrzymali pozorowaną informację zwrotną, a następnie przechodzą proces wyjaśnienia (debriefing), aby upewnić się, że nie są zdenerwowani zastosowanym podstępem oraz aby sprawdzić, czy podejrzewali, że otrzymywana informacja zwrotna nie była prawdziwa.

5. Analizy danych w trybie off-line

5.1 Dla każdego badanego oblicza się trzy główne wskaźniki efektu:

1. Zmiana poziomu lęku doświadczana przez badanego podczas oglądania obrazów związanych z kontaminacją w ostatniej sesji oceny w porównaniu z pierwszą sesją oceny. Należy zauważyć, że konkretne obrazy prezentowane w poszczególnych sesjach oceny są różne (aby uniknąć habituacji), lecz są one dopasowane (co potwierdzono w badaniach pilotażowych) pod kątem poziomu lęku, który zazwyczaj wywołują. Średni wynik lęku zgłoszony przez badanego w pierwszej sesji oceny zostanie odjęty od średniego wyniku lęku zgłoszonego w końcowej sesji oceny, aby uzyskać szacunkową wartość zmiany lęku u każdego badanego. Aby ustalić, czy u danego badanego wystąpił istotny spadek lęku w końcowej sesji oceny w stosunku do początkowej sesji oceny, zastosowano test t dla prób zależnych w odniesieniu do zgłoszonych wyników lęku.
2. Zmiana stopnia kontroli nad docelowym obszarem OFC, której badany doświadczył podczas interwencji. Kontrola nad tym obszarem jest obliczana na podstawie serii zadań kontrolnych na początku i na końcu każdej sesji biofeedbacku. Dla każdej serii zadań kontrolnych przeprowadzana jest analiza GLM przy użyciu dwóch regresorów: jednego dla bloków „zwiększenia” i jednego dla bloków „zmniejszenia”; każdy z nich jest obliczany poprzez splot funkcji odpowiedzi hemodynamicznej z wektorem zakodowanym jako 1 podczas odpowiedniego okresu zadania i zero we wszystkich innych punktach czasowych. Mapy beta dla każdego z tych regresorów są od siebie odejmowane, aby uzyskać mapę reprezentującą różnicę w sygnale między blokami zwiększenia a blokami zmniejszenia. Średnia wartość na tej mapie jest uśredniana w specyficznym dla badanego obszarze OFC, aby uzyskać szacunki kontroli nad docelowym obszarem OFC w każdej serii zadań kontrolnych. Kontrola nad OFC na początku pierwszej sesji biofeedbacku zostanie odjęta od kontroli nad OFC na końcu ostatniej sesji biofeedbacku, aby uzyskać miarę zmiany kontroli nad tym obszarem wywołanej interwencją biofeedbacku.
3. Zmiana łączności w stanie spoczynku z obszarem OFC w trakcie trwania badania. Jest ona obliczana dla każdego badanego poprzez odjęcie mapy łączności z obszaru ziarna z serii spoczynkowych z dnia 1 od mapy łączności z obszaru ziarna z serii spoczynkowych z dnia 4.

5.2 Analizy na poziomie grupy

W minimalnym zakresie na poziomie grupy bada się następujące parametry:

1. Osoby, które otrzymały rzeczywisty biofeedback, są zestawione z osobami, które otrzymały pozorowany biofeedback, aby ustalić, czy rozwinęły one większą kontrolę nad obszarem docelowym i czy pozwoliło im to uzyskać większą kontrolę nad lękiem przed zanieczyszczeniem. Do porównania szacunków zmian w kontroli oraz zmian w lęku dla obu grup zostanie wykorzystany test t dla prób zależnych.
2. Zmiany lęku przed zanieczyszczeniem u osób poddanych biofeedbackowi są powiązane ze zmianami kontroli nad obszarem docelowym oraz zmianami w wzorcach łączności funkcjonalnej. W grupie osób, które otrzymały rzeczywisty biofeedback, zmiany w kontroli nad obszarem docelowym zostaną skorelowane ze zmianami lęku przy użyciu korelacji iloczynowo-momentowej Pearsona. Istotność zostanie oceniona poprzez standardową konwersję r na p. Mapy zmian w łączności z OFC dla każdego badanego zostaną skorelowane w sposób pikselowy z szacunkami zmian ich lęku.

Zarówno analizy offline, jak i analizy w czasie rzeczywistym opisane w niniejszej pracy zostały przeprowadzone przy użyciu BioImage Suite (www.bioimagesuite.org). Ten pakiet oprogramowania jest dostępny bezpłatnie i ma otwarty kod źródłowy. Komponent analizy w czasie rzeczywistym, choć niedostępny online, jest udostępniany na żądanie. Został on zaprojektowany tak, aby oddzielić analizę danych w czasie rzeczywistym od programu wyświetlającego, dzięki czemu ten drugi może być modyfikowany bez konieczności wprowadzania zmian w pierwszym. Pozwala to na elastyczność w projektowaniu eksperymentów; na przykład program wyświetlający może zostać napisany w dowolnym standardowym oprogramowaniu (np. E-prime, Matlab, Presentation). Dodatkowo, analiza w czasie rzeczywistym wykorzystuje korekcję ruchu akcelerowaną przez jednostkę przetwarzania graficznego, co umożliwia wysokiej jakości korekcję ruchu przy niemal całkowitym braku opóźnień w przetwarzaniu. System ten został opisany bardziej szczegółowo w pracy Scheinost et al., 2011.²⁶

6. Reprezentatywne wyniki

Osoba, która podczas biofeedbacku zyska kontrolę nad docelowym obszarem mózgu, powinna wykazać zwiększoną kontrolę nad tym obszarem, ocenianą podczas serii zadań kontrolnych, co powinno przełożyć się na zmniejszenie lęku przed zanieczyszczeniem podczas sesji oceniających. Rycina 3 przedstawia zrzut ekranu wyświetlacza wizualnego z jednej z końcowych serii biofeedbacku u osoby, która skutecznie zyskała kontrolę nad swoim OFC. Sukces tej osoby w kontrolowaniu tego obszaru podczas tej serii odzwierciedla fakt, że wykres liniowy jest wyższy w okresach czerwonych niż w niebieskich, szczególnie po uwzględnieniu oczekiwanego opóźnienia od sześciu do ośmiu sekund. Ta sama osoba wykazała zwiększoną kontrolę w ocenie podczas serii zadań kontrolnych (ze średniej wartości beta 0,003 do średniej wartości beta 0,23), a także znaczący spadek lęku w odpowiedzi na obrazy zanieczyszczeń prezentowane podczas sesji oceniających (p<0,005), co pokazano na Rycini 4. Była to osoba, u której interwencja zakończyła się sukcesem. W przeciwieństwie do niej, inne osoby nie nauczyły się kontrolować docelowego obszaru i nie wykazały żadnego zmniejszenia lęku przed zanieczyszczeniem w sesjach oceniających. Ogólnie stwierdzamy dużą zmienność między badanymi w zakresie ich zdolności do nauki kontrolowania tego obszaru.

Rysunek 3. Zrzut ekranu z wyświetlacza wizualnego podczas sesji biofeedbacku, wykonany na koniec sesji. Ponieważ sesja kończy się w warunkach neutralnych, obraz widoczny w momencie zrzutu ekranu (w tym przypadku zdjęcie książek) jest neutralny, a strzałka jest biała i skierowana do przodu. Podczas bloków wzrostu i spadku wyświetlane były obrazy związane z zanieczyszczeniem. Strzałka po lewej stronie była czerwoną strzałką w górę podczas bloków wzrostu i niebieską strzałką w dół podczas bloków spadku. Wykres liniowy na dole wyświetlacza przedstawia aktywność OFC podczas sesji. Kolor linii wskazuje, jaki rodzaj bloku występował w danym przedziale czasowym skanowania (czerwony dla wzrostu, niebieski dla spadku i biały dla neutralnego). Wykres obejmuje przedział czasowy od momentu przetworzenia pierwszej objętości (około 3s po rozpoczęciu sesji) do momentu przetworzenia 128^th objętości (około 257s po rozpoczęciu sesji). Oś y wskazuje procentową zmianę sygnału względem średniej kroczącej w OFC pomniejszoną o procentową zmianę sygnału względem średniej kroczącej w kontrolnym ROI istoty białej (w tej sesji amplitudy mieściły się w zakresie od 2,1 do -3,7). Należy zauważyć, że po uwzględnieniu opóźnienia wynoszącego 6-8s (odpowiadającego 3-4 punktom czasowym), aktywność w tym obszarze była większa w okresach czerwonych niż niebieskich, co odzwierciedla sukces tego badanego w kontrolowaniu tego obszaru. Badany w grupie pozorowanej, dopasowany do tego badanego, widziałby identyczne bodźce, jednak w przypadku osoby z grupy pozorowanej wykres liniowy nie byłby powiązany z rzeczywistym wzorcem aktywności mózgu.

Rysunek 4. Wykres słupkowy podsumowujący samoopisowe oceny lęku w odpowiedzi na obrazy zanieczyszczeń w (a) pierwszej sesji oceny (przed biofeedbackiem) i (b) końcowej sesji oceny (po biofeedbacku) u badanego, którego przebieg biofeedbacku w czasie przedstawiono na Rysunku 3. Badany ten zgłosił znacznie niższy poziom lęku po biofeedbacku, co wskazuje gwiazdka.

Dyskusja

Biofeedback w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem danych fMRI jest nową techniką i wymagane są dalsze prace nad optymalizacją tej metody w celu maksymalizacji procesu uczenia się u badanych. Niedawne badania analizowały, w jaki sposób uczenie się zmienia się w zależności od liczby serii lub sesji skanowania,^{14, 18, 27} jak paradygmat informacji zwrotnej wpływa na uczenie się²⁸ oraz czy uczenie się indukowane przez dany protokół biofeedbacku prowadzi do zmian w funkcjonowaniu mózgu, które utrzymują s...