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

Summary

Tutaj prezentujemy metodę szkolenia ludzi w zakresie kontroli obszaru mózgu związanego z lękiem przed zanieczyszczeniem oraz badania związku między lękiem przed zanieczyszczeniem a wzorcami połączeń mózgowych.

Abstract

Prezentujemy metodę szkolenia badanych do kontrolowania aktywności w obszarze ich kory oczodołowo-czołowej związanym z lękiem przed zanieczyszczeniem za pomocą biofeedbacku danych z funkcjonalnego rezonansu magnetycznego w czasie rzeczywistym (rt-fMRI). Zwiększona aktywność tego regionu jest obserwowana w związku z lękiem przed zanieczyszczeniem zarówno u osób z grupy^kontrolnej1, jak i u osób z zaburzeniami obsesyjno-kompulsywnymi (OCD)^,2 stosunkowo powszechnymi i często wyniszczającymi zaburzeniami psychicznymi obejmującymi lęk przed zanieczyszczeniem. Chociaż wiele regionów mózgu jest zaangażowanych w OCD, nieprawidłowość w korze oczodołowo-czołowej (OFC) jest jednym z najbardziej spójnych odkryć. ^{3, 4} Ponadto stwierdzono, że nadpobudliwość w OFC koreluje z nasileniem objawów OCD⁵, a zmniejszenie nadpobudliwości w tym regionie koreluje ze zmniejszonym nasileniem objawów. ⁶ Dlatego zdolność do kontrolowania tego obszaru mózgu może przekładać się na kliniczną poprawę objawów obsesyjno-kompulsywnych, w tym lęku przed zanieczyszczeniem. Biofeedback danych rt-fMRI to nowa technika, w której czasowy wzorzec aktywności w określonym regionie (lub związany z określonym rozproszonym wzorcem aktywności mózgu) w mózgu osoby badanej jest dostarczany jako sygnał zwrotny dla pacjenta. Ostatnie doniesienia wskazują, że ludzie są w stanie rozwinąć kontrolę nad aktywnością określonych obszarów mózgu, gdy otrzymują biofeedback rt-fMRI. ^7-12 W szczególności kilka badań wykorzystujących tę technikę do celowania w obszary mózgu zaangażowane w przetwarzanie emocji wykazało sukces w szkoleniu badanych w celu kontrolowania tych regionów. ^13-18 W kilku przypadkach doniesiono, że trening biofeedback rt-fMRI wywołuje zmiany poznawcze, emocjonalne lub kliniczne u badanych. ^{8, 9, 13, 19} Tutaj ilustrujemy tę technikę w zastosowaniu do leczenia lęku przed zanieczyszczeniem u zdrowych osób. Ta interwencja w zakresie biofeedbacku będzie cennym podstawowym narzędziem badawczym: pozwoli naukowcom zaburzyć funkcjonowanie mózgu, zmierzyć wynikające z tego zmiany w dynamice mózgu i powiązać je ze zmianami w lęku przed zanieczyszczeniem lub innymi wskaźnikami behawioralnymi. Ponadto 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, ^a ci, którzy odnoszą korzyści, rzadko całkowicie wracają do zdrowia, pilnie potrzebne są nowe podejścia do leczenia tej populacji.

Protocol

1. Rozwój bodźca

Potrzebny jest intensywny rozwój bodźców. Neutralne obrazy związane z zanieczyszczeniem muszą być gromadzone i pilotowane, aby zapewnić, że lęk wywołany tymi bodźcami jest zrównoważony w warunkach prowokacji i znacznie większy w warunkach prowokacji niż w warunkach neutralnych. Mówiąc dokładniej, potrzebne są następujące cztery zestawy bodźców:

1. Bodźce lokalizujące: 300 obrazów związanych z zanieczyszczeniem i 300 obrazów neutralnych służy do lokalizacji obszaru kory oczodołowo-czołowej (OFC) zaangażowanego w lęk przed zanieczyszczeniem. Muszą one zostać przeprowadzone pilotażowo, aby zapewnić, że obrazy związane z zanieczyszczeniem wywołują znacznie większy niepokój związany z zanieczyszczeniem niż obrazy neutralne (na podstawie samoopisu). Ważne jest, aby było to prawdą dla każdego pacjenta pilotującego, a nie tylko w całej grupie, ponieważ docelowy region OFC musi być zlokalizowany u każdego pacjenta za pomocą tych bodźców.
2. Bodźce biologiczne: należy opracować dwa pasujące zestawy bodźców, z których każdy obejmuje 3 rodzaje bodźców. W każdym zestawie 18 bodźców prowokacyjnych jest potrzebnych do bloków zwiększających, 18 bodźców prowokacyjnych jest potrzebnych do bloków zmniejszających i 24 bodźce neutralne są potrzebne do bloków neutralnych. Jeden zestaw jest przeznaczony na pierwszą sesję biofeedbacku, a drugi zestaw na drugą sesję biofeedbacku. Należy zebrać dane pilotażowe na temat zgłaszanego przez nich lęku, którego doświadczają badani podczas oglądania tych bodźców, aby upewnić się, że istnieje główny efekt typu (związany z różnicą między bodźcami prowokacyjnymi i neutralnymi), ale nie ma głównego efektu interakcji z zestawem lub typem po zestawie.
3. Bodźce do zadań kontrolnych: należy opracować cztery pasujące zestawy bodźców, z których każdy zawiera 6 bodźców prowokacyjnych dla bloków wzrostowych, 6 bodźców prowokacyjnych dla bloków spadkowych i 8 bodźców neutralnych. Te cztery zestawy są przeznaczone dla serii zadań kontrolnych, które są przeprowadzane na początku i na końcu każdej z dwóch sesji biofeedbacku. Należy zebrać dane pilotażowe na temat zgłaszanego przez siebie lęku, którego doświadczają badani podczas oglądania tych bodźców, aby upewnić się, że istnieje główny efekt typu (związany z różnicą między bodźcami prowokacyjnymi i neutralnymi), ale nie ma głównego efektu interakcji z zestawem lub typem po zestawie.
4. Bodźce podczas sesji oceny: należy opracować 3 pasujące zestawy bodźców, z których każdy zawiera 25 obrazów zanieczyszczeń. Należy zebrać dane pilotażowe, aby upewnić się, że nie ma wpływu zestawu na lęk odczuwany w odpowiedzi na te obrazy.

Bodźce używane przez naszą grupę obejmują obrazy z Maudsley Obsessive Compulsive Symptom Set ²³ i International Affective Picture System ²⁴, a także zdjęcia, które sami zrobiliśmy, pozyskaliśmy z Google images i zakupiliśmy od Bigstockphoto.com, gettyimages.com, flickr.com, oraz iStockphoto.com.

2. Rekrutacja

Badani są badani w celu zidentyfikowania zdrowych osób, które mogą uczestniczyć w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego i które zgłaszają wysoki poziom lęku przed zanieczyszczeniem i chęć nauczenia się kontrolowania tego lęku. W szczególności, w ramach procesu przesiewowego, badani wypełniają Padua Inventory-Washington Slate University Revision (PI-WSUR)²⁵ i tylko ci, którzy uzyskali wynik 8 lub wyższy w podskali obsesji i kompulsji prania, są włączani do badania. Dla każdego podmiotu, który otrzymuje prawdziwe biofeedback, rekrutowany jest inny podmiot dopasowany pod względem wieku i płci, który otrzymuje pozorowany biofeedback. Przed uczestnictwem wszyscy uczestnicy muszą wyrazić świadomą zgodę zgodnie z protokołem zatwierdzonym przez instytucjonalny program ochrony człowieka (na Uniwersytecie Yale jest to Program Ochrony Badań nad Ludźmi).

3. Protokół

Celem protokołu biofeedbacku jest szkolenie badanych w rozwijaniu większej kontroli nad poziomem aktywności neuronalnej w regionie ich kory oczodołowo-czołowej (OFC) związanym z lękiem przed zanieczyszczeniem, tak aby, gdy są narażeni na bodźce związane z zanieczyszczeniem, mogli zwiększać lub zmniejszać aktywność neuronalną w tym regionie, według własnego uznania. Przypuszczamy, że większa kontrola nad tym obszarem mózgu da badanym większą kontrolę nad ich lękiem związanym z zanieczyszczeniem. Ta zdolność do świadomego kontrolowania poziomu aktywności neuronalnej w OFC jest oceniana na podstawie tego, czy badani są w stanie zwiększać i zmniejszać sygnał mierzony z tego obszaru mózgu, gdy są zachęcani do zwiększania i zmniejszania tej aktywności podczas sesji obrazowania funkcjonalnego.

Badani przychodzą na cztery oddzielne dni, zaplanowane w odstępach około pół tygodnia, tak że całe badanie trwa dwa tygodnie. Schemat blokowy protokołu pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat blokowy protokołu. Dzień 1 jest oznaczony kolorem niebieskim, Dzień 2 kolorem czerwonym, Dzień 3 kolorem zielonym, a Dzień 4 kolorem pomarańczowym. Chociaż nie jest to wyraźnie wymienione, każda sesja MR obejmuje również zbieranie danych anatomicznych w tych samych lokalizacjach co dane funkcjonalne, a sesje MR biofeedback obejmują zbieranie "funkcjonalnego skanu referencyjnego" używanego do rejestracji regionu docelowego w przestrzeni funkcjonalnej tej sesji.

3.1 Dzień 1

1. Badani uczestniczą w trwającej 1 godzinę sesji obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MR) w skanerze Seimens Sonata o masie 1,5 T. Podczas każdej sesji skanowania, przed rozpoczęciem skanowania, sprawdzany jest wyświetlacz wizualny, aby upewnić się, że całkowicie mieści się w polu widzenia obiektu i wydaje się mu dobrze ostry.
   W dniu 1 zbierane są następujące dane:
   1. Obraz strukturalny o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem sekwencji szybkiego echa gradientowego (MPRAGE) przygotowanej przez namagnesowanie
   2. Obrazy anatomiczne T1 w tych samych 31 lokalizacjach warstw, co dane funkcjonalne
   3. Dwa serie danych funkcjonalnych stanu spoczynku, z których każdy obejmuje kolekcję 152 woluminów (pierwsze dwa zostały odrzucone). Czuła na T2*, przywoływana gradientowo, pojedyncza sekwencja impulsów echo-planarnych jest używana do akwizycji WSZYSTKICH danych funkcjonalnych (TE= 30ms, FA = 80, TR = 2000ms, Bandwidth = 2604, pole widzenia 200mm dla^3,1*3,1*3,1mm 3 wokseli izotropowych, 31 osiowo-ukośnych, wyrównanych AC-PC warstw pokrywających cały OFC i większość mózgu powyżej). Sekwencja ta jest zoptymalizowana pod kątem sygnału w korze oczodołowo-czołowej poprzez zmniejszenie optymalnego TE z 45 ms do 30 ms i zmniejszenie grubości warstwy do 3,1 mm, co zmniejsza defazację wewnątrzwokselową przy niewielkim spadku czułości BOLD. Większa szerokość pasma jest również wykorzystywana do redukcji zniekształceń geometrycznych wzdłuż kierunku kodowania fazowego.
   4. Trzy serie lokalizatorów danych funkcjonalnych, z których każdy obejmuje zbiór 202 tomów (pierwsze dwa odrzucone), w których badany na przemian ogląda intensywne obrazy związane z zanieczyszczeniem i ogląda neutralne obrazy w odstępach 40 sekund. Te przebiegi lokalizatora służą do lokalizacji regionu OFC aktywowanego przez lęk przed zanieczyszczeniem
2. Po sesji obrazowania MR w dniu 1 badani spotykają się z psychologiem klinicznym, który ma doświadczenie w zaburzeniach lękowych w ramach Sesji Rozwoju Strategii Ponownej Oceny. Celem tej sesji jest opracowanie zindywidualizowanej strategii poznawczej dla pacjenta, która zapewni mu pewną początkową kontrolę nad aktywnością w korze oczodołowo-czołowej. Omawiane są scenariusze, które mogą wywoływać lęk przed zanieczyszczeniem, a psycholog pomaga pacjentowi opracować podejścia do zmniejszania lęku w takich sytuacjach. Może to obejmować ponowną ocenę postrzeganego ryzyka skażenia lub, jeśli są predysponowani do myśli religijnych lub strategii medytacyjnych, można omówić podejście oparte na wierze lub takie, w którym "odpuszczają" swój niepokój. Celem tej sesji jest zidentyfikowanie jednej lub więcej strategii ponownej oceny, które zdaniem badanego mogą być skuteczne w zmniejszaniu lęku przed zanieczyszczeniem w różnych sytuacjach. Gdy poczują się pewni, że zidentyfikowano skuteczne strategie ponownej oceny, zostaną poinstruowani, aby wypróbować te strategie obniżania aktywności w swoim OFC podczas sesji biofeedbacku. I odwrotnie, w celu zwiększenia aktywności w OFC, zostaną poinstruowani, aby spróbowali zastanowić się nad możliwymi konsekwencjami kontaktu ze skażonymi obiektami i pozwolili sobie na odczuwanie niepokoju z tego powodu bez angażowania się w jakiekolwiek strategie ponownej oceny. Powinniśmy tutaj podkreślić, że te strategie podnoszenia/obniżania aktywności OFC mają na celu jedynie zapewnienie pewnej początkowej, ograniczonej zdolności do kontrolowania OFC. Podczas sesji biofeedbacku badani będą mieli okazję eksperymentować ze swoimi strategiami poznawczymi i otrzymać bezpośrednią informację zwrotną na temat tego, co jest bardziej skuteczne, co pozwoli im rozwinąć coraz większą kontrolę nad OFC. Podczas tej sesji psycholog kliniczny ocenia również, czy pacjent ma subkliniczny lęk przed zanieczyszczeniem, który wpływa na niego w życiu codziennym - jeśli nie, jest usuwany z badania.
3. Dane zebrane w przebiegach lokalizatora są analizowane po sesji skanowania w dniu 1, ale przed sesją w dniu 2 przy użyciu analizy GLM z regresorem zadań obliczonym przy użyciu wektora, który jest jednym w okresach czasu, gdy badany oglądał zdjęcia zanieczyszczeń, i zerem w pozostałych okresach czasu skojarzonych z kanoniczną funkcją odpowiedzi hemodynamicznej. Statystyka t związana ze współczynnikiem regresji dla każdego woksela jest obliczana, a wynikowy tmap jest wygładzany przy użyciu 6 mm pełnej szerokości przy połowie maksymalnego jądra Gaussa. Uzyskana w ten sposób mapa t pokazuje, które obszary mózgu były bardziej aktywne, gdy badany oglądał obrazy związane z zanieczyszczeniem, niż gdy oglądał obrazy neutralne. Górne 30 pikseli na tej mapie t znajdujących się w OFC lub przyległym czołowym regionie biegunowym (a dokładniej w obszarach Brodmanna 10, 11 lub 47) jest wybieranych tak, aby reprezentować docelowy region OFC dla tego badanego dla jego nadchodzących skanów biofeedbacku. W związku z tym lateralność obszaru docelowego będzie się różnić w zależności od wzorców aktywacji podmiotu. Obszar ten jest następnie przenoszony z przestrzeni funkcjonalnej do przestrzeni anatomicznej poprzez sztywną rejestrację z interpolacją najbliższego sąsiada. Region kontrolny jest również zdefiniowany tak, aby obejmował całą istotę białą w mózgu i jest tłumaczony do tej samej przestrzeni z mózgu MNI. Te dwa regiony będą wykorzystywane przez program do analizy w czasie rzeczywistym podczas sesji biofeedbacku dnia 2.

3.2 Dzień 2

1. Badani najpierw uczestniczą w sesji oceny poza magnesem. Przed każdą sesją oceniającą badani są instruowani ustnie, aby starali się zminimalizować swój niepokój podczas oglądania nadchodzących obrazów związanych z zanieczyszczeniem. Następnie są kierowani za pomocą szczegółowych instrukcji wyświetlanych na ekranie, aby zgłaszać poziom lęku związanego z zanieczyszczeniem, jaki odczuwają w odpowiedzi na obrazy w skali od 1 do 5, gdzie 1 odpowiada niskiemu poziomowi lęku, a 5 najwyższemu. Jednocześnie monitorowana jest galwaniczna reakcja skóry.
2. Następnie badani uczestniczą w 1,5-godzinnej sesji biofeedbacku fMRI w czasie rzeczywistym.
   1. Sesja rozpoczyna się od zebrania osiowych obrazów anatomicznych (T1-zależnych) w tych samych lokalizacjach warstw, co dane funkcjonalne.
   2. Następnie zbierany jest funkcjonalny skan referencyjny. Ta krótka, funkcjonalna seria dwunastu tomów zostaje zebrana, z których piąta jest przechowywana, a reszta jest odrzucana.
   3. Dwa obszary zainteresowania, obszar OFC badanego aktywowany podczas oglądania zdjęć zanieczyszczeń, zidentyfikowanych na podstawie przebiegów lokalizatora w Dniu 1 (patrz 3.1.3) oraz obszar kontrolny istoty białej, są translowane do przestrzeni funkcjonalnej bieżącej sesji poprzez konkatenację dwóch sztywnych rejestracji. Pierwsza rejestracja mapuje regiony od przestrzeni anatomicznej dnia 1 do przestrzeni anatomicznej dnia 2. Druga rejestracja mapuje regiony od przestrzeni anatomicznej dnia 2 do przestrzeni skanu "funkcjonalnego odniesienia" dnia 2. Gdy te dwa regiony zostaną przetłumaczone na przestrzeń funkcjonalną bieżącej sesji skanowania, można rozpocząć biofeedback.
   4. Podczas rejestrowania regionów zbierane są dwa przebiegi funkcjonalne (132 woluminy zebrane dla każdego przebiegu, pierwsze dwa odrzucone, aby umożliwić polu osiągnięcie stanu stabilnego), które są nazywane przebiegami zadań kontrolnych. Biegi te nie obejmują biofeedbacku, ale są wykorzystywane do oceny zdolności badanych do kontrolowania aktywności w obszarze zainteresowania OFC po wystawieniu na obrazy związane z zanieczyszczeniem. Po lewej stronie wyświetlacza osoby widzą czerwoną strzałkę skierowaną w górę, niebieską strzałkę skierowaną w dół lub białą strzałkę skierowaną prosto w prawo. Po prawej stronie tej strzałki znajduje się duży obraz, który jest związany z zanieczyszczeniem, gdy strzałka jest skierowana w górę lub w dół, i neutralny, gdy jest skierowana do przodu. Badani są proszeni o próbę zwiększenia aktywności w swoim OFC, gdy strzałka jest skierowana w górę, o próbę zmniejszenia aktywności w swoim OFC, gdy jest skierowana w dół, i po prostu zrelaksowanie się, gdy strzałka wskazuje w prawo. Strzałka i obrazek zmieniają się co 26 sekund, naprzemiennie w trzech warunkach. Biorąc pod uwagę nasze zainteresowanie badaniem korelacji między mózgiem a zachowaniem między osobami badanymi (takimi jak korelacje między zmianami w kontroli nad obszarem mózgu a zmianami lęku przed zanieczyszczeniem podczas sesji oceny), chcemy, aby wszyscy badani byli narażeni na te same sekwencje bloków. W związku z tym kolejność bloków nie jest równoważona między osobami badanymi ani w przebiegach kontrolnych, ani w przebiegach biofeedbacku. Zamiast tego używane są dwa typy przebiegów naprzemiennie dla wszystkich przedmiotów. W pierwszym uruchomieniu kolejność bloków to odpoczynek-góra-dół-odpoczynek-góra-dół-odpoczynek-góra-dół-odpoczynek. W drugim przebiegu jest to odpoczynek-dół-odpoczynek-dół-odpoczynek-odpoczynek-dół-odpoczynek-odpoczynek. Tak więc w jednym biegu góra poprzedza dół, a w następnym dół poprzedza górę.
   5. Po uruchomieniu zadania kontrolnego i gdy region docelowy i region kontrolny zostały zarejestrowane w bieżącej przestrzeni funkcjonalnej, przeprowadza się sześć przebiegów biofeedbacku (lub pozorowanych przebiegów biofeedbacku, w zależności od podmiotu) (132 woluminy zebrane dla każdego przebiegu, pierwsze dwa i dwa ostatnie odrzucone).
      Biegi Biofeedback: Te przebiegi są używane do trenowania podmiotów w celu kontrolowania aktywności w ich ROI OFC. Są one podobne do zadań kontrolnych, z tą różnicą, że badani otrzymują informację zwrotną na dole ekranu dotyczącą ich sukcesu w kontrolowaniu obszaru mózgu. Mówiąc dokładniej, u dołu wyświetlacza badani otrzymują graficzny wykres aktywności w ich regionie OFC, który zmienia się w czasie podczas biegu. Badani są instruowani, aby starali się zwiększyć aktywność w OFC, gdy kolor linii jest czerwony, i zmniejszyć aktywność w tym obszarze, gdy kolor linii zmieni się na niebieski, i odpoczywać, gdy jest biały. Wykres liniowy jest przedstawiony poniżej obrazu, który zmienia się dla każdego bloku wzrostu/spadku/spoczynku i jest związany z zanieczyszczeniem podczas bloków wzrostu i spadku oraz neutralny podczas bloków spoczynku. Podobnie jak w przypadku uruchomienia zadania kontrolnego, po lewej stronie obrazu znajduje się również kolorowa strzałka wskazująca bieżące zadanie (zwiększenie/zmniejszenie/odpoczynek). Badani są instruowani, aby wypróbować strategie omówione podczas sesji rozwoju ponownej oceny strategii, ale także czuć się swobodnie, aby eksperymentować z innymi i używać biofeedbacku jako narzędzia do oceny, co działa najlepiej. Ponadto, aby zachęcić do eksperymentowania z nowymi strategiami, podkreśla się wszystkim bakom, że ich skuteczność w kontrolowaniu OFC nie będzie oceniana podczas przebiegów biofeedbacku, tylko podczas serii zadań kontrolnych, w których nie jest prezentowany biofeedback. Badanym mówi się, że istnieje od sześciu do ośmiu sekund opóźnienia między zmianami aktywności w docelowym obszarze mózgu a zmianami na wykresie liniowym, ze względu na powolną reakcję przepływu krwi i opóźnienia przetwarzania. Zaleca się również, aby badani nie zmieniali strategii w obrębie bloku, ponieważ opóźnienie w przebiegu czasowym utrudnia ocenę sukcesu każdej strategii, gdy strategie są zmieniane zbyt szybko.
      System fMRI w czasie rzeczywistym wykorzystywany do przekazywania informacji zwrotnych podczas przebiegów biofeedbacku zilustrowano na rysunku 2. Napisano specjalną procedurę rekonstrukcji, która zapisuje kopię każdego wycinka danych w miarę ich gromadzenia w katalogu w systemie rekonstrukcji obrazu, który jest dostępny dla komputera przetwarzającego obraz za pośrednictwem połączenia z siecią lokalną. Moduł BioImage Suite (www.bioimagesuite.org) uruchomiony na komputerze do przetwarzania obrazów przepytuje ten katalog i wczytuje każdy wycinek w takiej postaci, w jakiej się pojawia. Po nadejściu całego woluminu rejestrowany jest funkcjonalny skan referencyjny (w celu dostosowania do ruchu) oraz średni poziom sygnału w docelowym regionie OFC, a także w obszarze kontrolnym istoty białej, są obliczane i przesyłane przez port szeregowy do komputera Stimulus/Feedback. Program Matlab (www.mathworks.com) działający na komputerze bodźców/informacji zwrotnych odbiera te dane i normalizuje poziom aktywności OFC, aby dostosować się do dryfu i fluktuacji całego mózgu przy użyciu wzoru wprowadzonego przez deCharms i współpracowników. ⁸ Dokładniej rzecz ujmując, dla każdej ilości zebranych danych oblicza się procentową zmianę sygnału w stosunku do średniej bieżącej zarówno dla zwrotu z inwestycji w OFC, jak i dla istoty białej, a następnie obliczana jest różnica między tymi dwoma pomiarami. Ta wartość jest wykreślana jako wykres liniowy w czasie u dołu ekranu wizualnego.
      
      Rysunek 2. Schemat systemu fMRI w czasie rzeczywistym. System rekonstrukcji obrazu przetwarza dane MR w miarę ich zbierania i tworzy obraz każdego wycinka, który jest zapisywany do pliku. Te obrazy warstw są pobierane przez komputer przetwarzający obraz za pośrednictwem sieci LAN i przetwarzane w czasie rzeczywistym za pomocą pakietu BioImage Suite. Poziom aktywności ROI jest następnie wysyłany do komputera bodźców/informacji zwrotnych, gdzie jest odbierany przez program Matlab, który tworzy obraz wizualny, w tym wykres znormalizowanej aktywności OFC w czasie dla podmiotu.
      Fikcyjne biologiczne sprzężenie zwrotne: Przebiegi te zapewniają warunki kontrolne, z którymi można porównać biologiczne sprzężenie zwrotne. Udawane biegi biofeedback będą identyczne z biegami biofeedbacku, z wyjątkiem tego, że badani będą oglądać przebieg aktywności w czasie w OFC z poprzedniego, dopasowanego pod względem wieku i płci biegu biofeedbacku badanego. W stopniu, w jakim poprzedni badany był w stanie kontrolować aktywność w OFC podczas swoich biegów biofeedbacku, obecny pacjent będzie wydawał się być równie skuteczny podczas swoich pozorowanych biegów biofeedbacku, co spowoduje podobne wrażenia sukcesu doświadczane przez osoby w obu warunkach. Biorąc pod uwagę, że doświadczenie sukcesu (w kontrolowaniu tego regionu) może wpływać na motywację podmiotu, a tym samym pośrednio wpływać na stopień, w jakim uczy się on kontroli nad OFC, ważne jest, aby było to tak spójne, jak to tylko możliwe.
   6. Na koniec zbierane są dwa kolejne przebiegi zadań kontrolnych.

3.3 Dzień 3: Identyczny jak Dzień 2, ale z użyciem oddzielnych (dopasowanych) zestawów bodźców.

3.4 Dzień 4

1. Uczestnicy uczestniczą w końcowej sesji oceniającej (jak w punkcie 3.2.1).
2. Badani uczestniczą w końcowej 1-godzinnej sesji obrazowania MR, podczas której zbierane są dane dotyczące łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku.

4. Przesłuchanie podejrzanych tematów

Po zakończeniu badania, wszyscy uczestnicy pozorowania są informowani, że otrzymali fikcyjną informację zwrotną i są informowani, aby upewnić się, że nie są zdenerwowani oszustwem, oraz sprawdzić, czy podejrzewają, że informacja zwrotna, którą otrzymywali, nie była prawdziwa.

5. Analizy danych off-line

5.1 Dla każdego tematu obliczane są trzy podstawowe miary wyniku:

1. Zmiana w lęku doświadczana, gdy badany ogląda obrazy związane z zanieczyszczeniem podczas ostatniej sesji oceny w porównaniu z pierwszą sesją oceny. Należy pamiętać, że konkretne pokazane obrazy różnią się w różnych sesjach oceny (aby uniknąć przyzwyczajenia), ale są dopasowane (co zostało potwierdzone w testach pilotażowych) pod względem poziomu lęku, który zwykle wywołują. Średni wynik lęku zgłaszany przez samych pacjentów z pierwszej sesji oceny zostanie odjęty od średniego wyniku lęku zgłaszanego przez samych pacjentów z ostatniej sesji oceny, aby uzyskać oszacowanie zmiany lęku u każdego uczestnika. Test t w obrębie podmiotu porównujący wyniki lęku zgłaszanego przez samych pacjentów służy do określenia, czy dany pacjent wykazał znaczny spadek lęku w końcowej sesji oceny w stosunku do początkowej sesji oceny.
2. Zmiana kontroli nad regionem docelowym OFC, której pacjent doświadczył podczas interwencji. Kontrola nad regionem jest obliczana na podstawie zadania kontrolnego uruchamianego na początku i na końcu każdej sesji biofeedbacku. Dla każdego uruchomienia zadania kontrolnego przeprowadzana jest analiza OML przy użyciu dwóch regresorów: jednego dla bloków "wzrostowych" i jednego dla bloków "zmniejszających", z których każdy jest obliczany przez przyjęcie wektora, który jest zakodowany jako 1 w odpowiednim okresie zadania i zero we wszystkich innych punktach czasowych swolutych z funkcją odpowiedzi hemodynamicznej. Mapy beta dla każdego z tych regresorów są odejmowane w celu uzyskania mapy reprezentującej różnicę w sygnale w blokach wzrostu i spadku. Średnia wartość na tej mapie jest uśredniana w całym regionie OFC specyficznym dla tematu w celu uzyskania oszacowań kontroli nad docelowym regionem OFC w każdym uruchomieniu zadania kontrolnego. 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 regionem spowodowanej interwencją biofeedbacku.
3. Zmiana łączności w stanie spoczynku z regionem OFC w trakcie badania. Jest to obliczane dla każdego tematu przez odjęcie mapy łączności regionu zalążkowego przebiegów spoczynkowych dnia 1 od mapy łączności regionu źródłowego przebiegów spoczynkowych dnia 4.

5.2 Analizy na poziomie grupy

Na poziomie grupy sprawdzane są co najmniej następujące elementy:

1. Osoby, które otrzymały prawdziwy biofeedback, zestawiono z osobami, które otrzymały pozorowane biofeedback, aby ustalić, czy rozwinęły większą kontrolę nad swoim regionem docelowym i czy umożliwiło im to większą kontrolę nad lękiem przed zanieczyszczeniem. Sparowany test t zostanie wykorzystany do porównania szacunków zmian w kontroli i zmian w lęku dla obu grup.
2. Zmiany w lęku przed skażeniem u osób korzystających z biofeedbacku są związane ze zmianami w kontroli nad regionem docelowym oraz ze zmianami we wzorcach połączeń funkcjonalnych. U osób, które otrzymały prawdziwe biofeedback, zmiany w kontroli nad regionem docelowym będą skorelowane ze zmianami lęku przy użyciu korelacji produktu Pearsona z momentem. Istotność będzie oceniana za pomocą standardowej konwersji r-to-p. Mapy zmian w łączności z OFC dla każdego badanego zostaną skorelowane w sposób pikselowy z szacunkami ich zmiany lęku.

Zarówno analizy offline, jak i analizy w czasie rzeczywistym opisane w tym manuskrypcie są przeprowadzane przy użyciu pakietu BioImage Suite (www.bioimagesuite.org). Ten pakiet oprogramowania jest dostępny bezpłatnie i typu open source. Moduł analizy w czasie rzeczywistym, choć niedostępny on-line, jest dostępny na żądanie. Został zaprojektowany w celu oddzielenia analizy danych w czasie rzeczywistym od programu wyświetlającego, dzięki czemu ten ostatni może być zmieniany bez konieczności modyfikacji pierwszego. Pozwala to na elastyczność w projektowaniu eksperymentalnym, na przykład program wyświetlania może być napisany przy użyciu dowolnego standardowego oprogramowania (np. E-prime, Matlab, Presentation). Ponadto analiza w czasie rzeczywistym wykorzystuje przyspieszoną korekcję ruchu procesora graficznego, która umożliwia wysokiej jakości korekcję ruchu przy prawie zerowych opóźnieniach przetwarzania. System ten został opisany bardziej szczegółowo w Scheinost et al., 2011. ²⁶

6. Reprezentatywne wyniki

Podmiot, który uzyska kontrolę nad swoim docelowym obszarem mózgu podczas biofeedbacku, powinien mieć zwiększoną kontrolę nad docelowym obszarem mózgu, co zostało ocenione podczas wykonywania zadań kontrolnych, a to powinno przełożyć się na zmniejszenie lęku przed zanieczyszczeniem podczas Sesji Oceny. Rycina 3 przedstawia zrzut ekranu przedstawiający obraz z jednego z końcowych przebiegów biofeedbacku u osoby, której udało się przejąć kontrolę nad swoim OFC. Sukces tego podmiotu w kontrolowaniu regionu podczas tego cyklu znajduje odzwierciedlenie w fakcie, że wykres liniowy jest wyższy w okresach czerwonych niż niebieskich, szczególnie po skorygowaniu o oczekiwane sześć do ośmiu sekund opóźnienia. Ten sam pacjent wykazał zwiększoną kontrolę, ocenianą podczas wykonywania zadań kontrolnych (ze średniej wartości beta 0,003 do średniej wartości beta 0,23), a także znaczny spadek lęku w odpowiedzi na obrazy zanieczyszczeń przedstawione w sesjach oceniających (p<0,005), jak pokazano na rysunku 4. To był udany temat. W przeciwieństwie do tego, inni badani nie nauczyli się kontrolować regionu docelowego i nie wykazywali żadnego spadku lęku przed zanieczyszczeniem, jak oceniano w sesjach oceniających. Ogólnie rzecz biorąc, stwierdzamy dużą zmienność między osobami w ich zdolności do uczenia się kontrolowania tego regionu.

Rysunek 3. Zrzut ekranu przedstawiający obraz wyświetlany podczas biegu z biofeedbackiem, wykonany na końcu biegu. Ponieważ przebieg kończy się w stanie neutralnym, obraz wyświetlany w momencie zrzutu ekranu (w tym przypadku obraz książek) jest neutralny, a strzałka jest biała i skierowana do przodu. Podczas bloków zwiększania i zmniejszania wyświetlane były obrazy związane z zanieczyszczeniem. Strzałka po lewej stronie była czerwoną strzałką w górę podczas bloków zwiększania i niebieską strzałką w dół podczas bloków zmniejszania. Wykres liniowy u dołu wyświetlacza przedstawia aktywność OFC podczas biegu. Kolor linii wskazuje, jaki rodzaj bloku występował w tym okresie skanowania (czerwony oznacza wzrost, niebieski oznacza zmniejszanie i biały oznacza neutralny). Wykres obejmuje ramy czasowe od momentu przetworzenia pierwszego woluminu (około 3 s po rozpoczęciu przebiegu) do czasu przetworzenia 128^{. woluminu} (około 257 s po rozpoczęciu przebiegu). Oś y wskazuje procentową zmianę sygnału od średniej bieżącej w OFC minus procentową zmianę sygnału od średniej bieżącej w ROI kontroli istoty białej (w tym przebiegu amplitudy wahały się od 2,1 do -3,7). Zauważ, że po uwzględnieniu 6-8 sekund opóźnienia (odpowiadającego 3-4 punktom czasowym), aktywność w tym regionie była większa w okresach czerwonym niż niebieskim, co odzwierciedla sukces tego obiektu w kontrolowaniu regionu. Osoba fikcyjna dopasowana do tego podmiotu widziałaby identyczne bodźce, jednak w przypadku osoby pozorowanej wykres liniowy nie byłby związany z prawdziwym wzorcem aktywności mózgu.

Rysunek 4. Wykres słupkowy podsumowujący oceny lęku zgłaszane przez samych pacjentów w odpowiedzi na obrazy skażenia w (a) pierwszej sesji oceny (przed biofeedbackiem) i (b) końcowej sesji oceny (po biofeedbacku) od osoby, której przebieg czasowy biofeedbacku pokazano na rycinie 3. Osoba ta zgłaszała znacznie niższy lęk po biofeedbacku, jak wskazano gwiazdką.

Discussion

Biofeedback danych fMRI w czasie rzeczywistym jest nową techniką i potrzebne są dalsze prace, aby zoptymalizować tę metodę, aby zmaksymalizować uczenie się badanych. Ostatnie badania dotyczyły zmian w uczeniu się przy różnej liczbie przebiegów lub sesji ^{skanowania,14, 18, 27} , jak paradygmat informacji zwrotnej wpływa na uczenie się²⁸ oraz czy uczenie się wywołane przez dany protokół biofeedbacku powoduje zmiany w funkcjonowaniu mózgu, które utrzymują się po zakończeniu okresu treningu biofeedback....