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 szerokiego zestawu bodźców. Należy zebrać i przetestować obrazy związane z kontaminacją oraz obrazy neutralne, aby upewnić się, że lęk wywołany tymi bodźcami jest zrównoważony w różnych warunkach prowokacji i istotnie większy 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 oczodołowo-czołowej (OFC) zaangażowanego w lęk przed kontaminacją. Należy przeprowadzić badania pilotażowe, aby upewnić się, że obrazy związane z kontaminacją wywołują znacznie silniejszy lęk przed kontaminacją niż obrazy neutralne (na podstawie samoopisów). Ważne jest, aby warunek ten był spełniony dla każdego badanego w fazie pilotażowej, a nie tylko dla grupy jako całości, ponieważ docelowy obszar OFC musi zostać zlokalizowany u każdego badanego przy użyciu tych bodźców.
2. Bodźce do biofeedbacku: należy opracować dwa dopasowane zestawy bodźców, z których każdy obejmuje 3 typy bodźców. W każdym zestawie wymagane są 18 bodźców prowokujących dla bloków zwiększania, 18 bodźców prowokujących dla bloków zmniejszania oraz 24 bodźce neutralne dla bloków neutralnych. Jeden zestaw jest przeznaczony dla pierwszej sesji biofeedbacku, a drugi dla drugiej sesji biofeedbacku. Należy zebrać dane pilotażowe dotyczące deklarowanego lęku, którego badani doświadczają podczas oglądania tych bodźców, aby upewnić się, że występuje główny efekt typu (związany z różnicą między bodźcami prowokującymi a neutralnymi), ale nie występuje główny efekt zestawu ani interakcji typu i zestawu.
3. Bodźce do zadania kontrolnego: należy opracować cztery dopasowane zestawy bodźców, z których każdy obejmuje 6 bodźców prowokujących dla bloków zwiększania, 6 bodźców prowokujących dla 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 lęku, którego badani doświadczają podczas oglądania tych bodźców, aby upewnić się, że występuje główny efekt typu (związany z różnicą między bodźcami prowokującymi a neutralnymi), ale nie występuje główny efekt zestawu ani interakcji typu i zestawu.
4. Bodźce do sesji oceny: należy opracować 3 dopasowane zestawy bodźców, z których każdy zawiera 25 obrazów przedstawiających kontaminację. Należy zebrać dane pilotażowe, aby upewnić się, że zestaw nie wpływa na lęk doświadczany 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 przez nas samodzielnie, pozyskane z wyszukiwarki obrazów Google oraz zakupione w serwisach Bigstockphoto.com, gettyimages.com, flickr.com i iStockphoto.com.

2. Rekrutacja

Przeprowadzono przesiew osób badanych w celu wyłonienia zdrowych ochotników, którzy mogą poddać się badaniu za pomocą obrazowania rezonansu magnetycznego, zgłaszają wysoki poziom lęku przed kontaminacją oraz chęć nauczenia się kontrolowania tego lęku.W szczególności, w ramach procesu przesiewowego, badani wypełniają kwestionariusz Padua Inventory-Washington Slate University Revision (PI-WSUR).²⁵ do badania włączono wyłącznie osoby, które uzyskały wynik 8 lub wyższy w podskali obsesji i przymusów mycia. Dla każdego badanego, który otrzymuje rzeczywisty biofeedback, rekrutowany jest inny badany, dopasowany pod względem wieku i płci, w celu otrzymania pozorowanego biofeedbacku.Przed przystąpieniem do badania wszyscy uczestnicy muszą 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 wytrenowanie badanych w uzyskiwaniu większej kontroli nad poziomem aktywności neuronalnej w obszarze kory oczodołowo-czołowej (OFC) związanej z lękiem przed zanieczyszczeniem, tak aby w sytuacjach ekspozycji na bodźce związane z zanieczyszczeniem mogli oni zwiększać lub zmniejszać aktywność neuronalną w tym regionie według własnej woli. Hipotezą jest, że większa kontrola nad tym obszarem mózgu zapewni badanym większą kontrolę nad lękiem związanym z zanieczyszczeniem. Zdolność ta, czyli świadome kontrolowanie poziomu aktywności neuronalnej w OFC, jest oceniana na podstawie tego, czy badani są w stanie zwiększyć i zmniejszyć sygnał mierzony w tym obszarze mózgu, gdy podczas sesji obrazowania funkcjonalnego otrzymują polecenie zwiększenia lub zmniejszenia tej aktywności.

Badani przychodzą w czterech osobnych dniach, zaplanowanych w odstępach wynoszących w przybliżeniu pół tygodnia, tak aby całe badanie trwało dwa tygodnie. Schemat procedury przedstawiono na Rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat protokołu. Dzień 1 zaznaczono kolorem niebieskim, Dzień 2 czerwonym, Dzień 3 zielonym, a Dzień 4 pomarańczowym. Choć nie zostało to wyszczególnione, każda sesja MR obejmuje również gromadzenie danych anatomicznych w tych samych lokalizacjach przekrojów co dane funkcjonalne, a sesje MR z biofeedbackiem obejmują wykonanie „funkcjonalnego skanu referencyjnego” służącego do rejestracji regionu docelowego w przestrzeni funkcjonalnej danej sesji.

3.1 Dzień 1

1. Uczestnicy biorą udział w 1-godzinnej sesji obrazowania rezonansem magnetycznym (MR) w skanerze Seimens Sonata 1,5 T. W 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 dniu 1. zbierane są następujące dane:
   1. Obraz strukturalny o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem sekwencji szybkiego echa gradientowego z przygotowaniem namagnesowania (MPRAGE)
   2. Anatomiczne obrazy T1-zależne 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 (pierwsze dwa odrzucono). Do pozyskiwania WSZYSTKICH danych funkcjonalnych wykorzystuje się sekwencję impulsową echo-planarną typu single-shot z gradientem wrażliwym na T2* (TE= 30ms, FA = 80, TR = 2000ms, Bandwidth = 2604, pole widzenia 200mm dla izotropowych wokseli 3,1*3,1*3,1mm³, 31 warstw osiowo-skośnych, wyrównanych do linii AC-PC, obejmujących całą korę oczodołową (OFC) i większość mózgu powyżej). Sekwencja ta została zoptymalizowana pod kątem sygnału w korze oczodołowej poprzez skrócenie optymalnego czasu TE z 45ms do 30ms oraz zmniejszenie grubości warstwy do 3,1mm, co ogranicza defazowanie wewnątrzwokselowe przy jednoczesnym niewielkim spadku czułości BOLD. Zastosowano również wyższą szerokość pasma, aby zredukować zniekształcenia geometryczne w kierunku kodowania fazy.
   4. Trzy przebiegi lokalizacyjne danych funkcjonalnych, z których każdy obejmuje zebranie 202 wolumenów (pierwsze dwa odrzucono), w których badany naprzemiennie ogląda intensywne obrazy związane z kontaminacją oraz obrazy neutralne w odstępach 40 s. Przebiegi lokalizacyjne służą do zlokalizowania obszaru OFC aktywowanego przez lęk przed kontaminacją
2. Po sesji obrazowania MR w dniu 1. uczestnicy spotykają się z psychologiem klinicznym specjalizującym się w zaburzeniach lękowych na sesję opracowania strategii reappraisal (reewaluacji poznawczej). Celem tej sesji jest opracowanie zindywidualizowanej strategii poznawczej dla badanego, która zapewni mu początkową kontrolę nad aktywnością w korze oczodołowej. Omawiane są scenariusze mogące 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 kilku strategii reappraisal, które w ocenie badanego będą prawdopodobnie skuteczne w redukcji lęku przed kontaminacją w różnych sytuacjach. Gdy badany poczuje pewność, że zidentyfikowano skuteczne strategie, otrzyma instrukcję, aby spróbować zastosować je w celu obniżenia aktywności w OFC podczas sesji biofeedbacku. I odwrotnie, w celu zwiększenia aktywności w OFC, badany zostanie poinstruowany, aby spróbować pomyśleć o możliwych konsekwencjach kontaktu z zanieczyszczonymi przedmiotami i pozwolić sobie na odczuwanie lęku bez stosowania jakichkolwiek strategii reappraisal. Należy tu podkreślić, że strategie podnoszenia/obniżania aktywności OFC mają na celu jedynie zapewnienie początkowej, ograniczonej zdolności do kontrolowania OFC. Podczas sesji biofeedbacku uczestnicy będą mieli możliwość eksperymentowania ze swoimi strategiami poznawczymi i otrzymywania bezpośredniej informacji zwrotnej o tym, co jest bardziej skuteczne, co pozwoli im na wypracowanie coraz większej kontroli nad OFC. Podczas tej sesji psycholog kliniczny ocenia również, czy badany wykazuje subkliniczny lęk przed kontaminacją, który wpływa na jego życie codzienne – w przeciwnym razie osoba ta jest wykluczana z badania.
3. Dane zebrane w przebiegach lokalizacyjnych są analizowane po sesji skanowania w dniu 1., ale przed sesją w dniu 2., przy użyciu analizy GLM z regresorem zadaniowym obliczonym za pomocą wektora, który przyjmuje wartość jeden w okresach, gdy badany oglądał obrazy kontaminacji i zero w pozostałych okresach, splotowanych z kanoniczną funkcją odpowiedzi hemodynamicznej. Obliczana jest statystyka t związana z współczynnikiem regresji dla każdego woksela, a powstała mapa t jest wygładzana za pomocą gaussowskiego jądra o szerokości 6mm przy połowie maksymalnej wartości (FWHM). Wynikowa mapa t pokazuje, które obszary mózgu były bardziej aktywne podczas oglądania obrazów związanych z kontaminacją niż obrazów neutralnych. Wybieranych jest 30 najwyższych pikseli z tej mapy t zlokalizowanych w obrębie OFC lub przyległego obszaru bieguna czołowego (konkretnie w polach Brodmanna 10, 11 lub 47), aby reprezentowały one docelowy obszar OFC dla nadchodzących skanowań biofeedbacku u danego badanego. Zatem lateralizacja obszaru docelowego będzie zależeć od wzorców aktywacji badanego. Obszar ten jest następnie przenoszony z przestrzeni funkcjonalnej do przestrzeni anatomicznej poprzez sztywną rejestrację z interpolacją najbliższego sąsiedztwa. Definiowany jest również obszar kontrolny obejmujący całą białą substancję mózgową, który jest przenoszony do tej samej przestrzeni z mózgu MNI. Te dwa obszary będą wykorzystywane przez program analizy w czasie rzeczywistym podczas sesji biofeedbacku w dniu 2.

3.2 Dzień 2

1. Uczestnicy biorą najpierw udział w sesji oceny poza skanerem. Przed każdą sesją oceny 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 przed kontaminacją w odpowiedzi na obrazy w skali od 1 do 5, gdzie 1 odpowiada niskiemu poziomowi lęku, a 5 najwyższemu. Równocześnie monitorowana jest odpowiedź galwaniczna skóry.
2. Następnie uczestnicy biorą udział w 1,5-godzinnej sesji biofeedbacku fMRI w czasie rzeczywistym.
   1. Sesja rozpoczyna się od zebrania aksjalnych obrazów anatomicznych (ważonych T1) w tych samych lokalizacjach przekrojów, co dane funkcjonalne.
   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 obrazów kontaminacji, zidentyfikowany na podstawie przebiegów lokalizacyjnych z dnia 1 (patrz 3.1.3), oraz kontrolny obszar białej substancji – są przenoszone do przestrzeni funkcjonalnej obecnej sesji poprzez kaskadę 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 skanu „referencyjnego funkcjonalnego” z dnia 2. Po przeniesieniu tych dwóch obszarów do przestrzeni funkcjonalnej obecnej sesji skanowania można rozpocząć biofeedback.
   4. Podczas rejestrowania obszarów wykonuje się dwa przebiegi funkcjonalne (zbierane jest po 132 wolumeny dla każdego przebiegu, dwa pierwsze są odrzucane, aby pole mogło osiągnąć stan stacjonarny), które określa się jako przebiegi zadań kontrolnych. Przebiegi te nie obejmują biofeedbacku, lecz służą do oceny zdolności uczestników do kontrolowania aktywności w ich obszarze ROI OFC podczas ekspozycji na obrazy związane z kontaminacją. Po lewej stronie wyświetlacza 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 jest związany z kontaminacją, gdy strzałka wskazuje w górę lub w dół, oraz neutralny, gdy strzałka wskazuje w przód. Uczestnicy mają za zadanie próbować zwiększyć aktywność w OFC, gdy strzałka wskazuje w górę, próbować zmniejszyć aktywność w OFC, gdy wskazuje w dół, oraz po prostu odpoczywać, gdy strzałka wskazuje w prawo. Strzałka i obraz zmieniają się co 26 sekund, naprzemiennie przechodząc przez trzy warunki. Ze względu na chęć zbadania korelacji mózg-zachowanie między uczestnikami (np. korelacji między zmianami w kontroli nad obszarem mózgu a zmianami w lęku przed kontaminacją podczas sesji oceny), chcemy, aby wszyscy uczestnicy byli poddani tym samym sekwencjom bloków. Dlatego kolejność bloków nie jest zrównoważona między uczestnikami ani w przebiegach kontrolnych, ani w przebiegach biofeedbacku. Zamiast tego dla wszystkich uczestników naprzemiennie stosuje się 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 sygnał „góra” poprzedza „dół”, a w kolejnym „dół” poprzedza „górę”.
   5. Po przebiegach zadań kontrolnych, gdy obszar docelowy i obszar kontrolny zostaną zarejestrowane w obecnej przestrzeni funkcjonalnej, przeprowadza się sześć przebiegów biofeedbacku (lub przebiegów pozornego biofeedbacku, w zależności od uczestnika) (zbierane jest po 132 wolumeny dla każdego przebiegu, dwa pierwsze i dwa ostatnie są odrzucane).
      Przebiegi biofeedbacku: Przebiegi te służą do trenowania uczestników w kontrolowaniu aktywności w ich ROI OFC. Są one podobne do przebiegów zadań kontrolnych, z tą różnicą, że uczestnicy otrzymują na dole ekranu informację zwrotną dotyczącą sukcesu w kontrolowaniu obszaru mózgu. Konkretnie, na dole wyświetlacza uczestnicy widzą wykres graficzny aktywności w ich obszarze OFC zmieniającej się w czasie w trakcie przebiegu. Uczestnicy mają za zadanie próbować zwiększyć aktywność w OFC, gdy kolor linii jest czerwony, zmniejszyć aktywność w tym obszarze, gdy kolor linii staje się niebieski, oraz odpoczywać, gdy jest biały. Wykres liniowy prezentowany jest pod obrazem, który zmienia się dla każdego bloku zwiększania/zmniejszania/odpoczynku i jest związany z kontaminacją podczas bloków zwiększania i zmniejszania oraz neutralny podczas bloków odpoczynku. Podobnie jak w przebiegach zadań kontrolnych, po lewej stronie obrazu znajduje się strzałka zakodowana kolorami, wskazująca aktualne zadanie (zwiększanie/zmniejszanie/odpoczynek). Uczestnicy są instruowani, aby wypróbować strategie omówione podczas swojej Sesji Rozwoju Reewaluacji Strategii, ale mogą również swobodnie eksperymentować z innymi i traktować biofeedback jako narzędzie do oceny tego, co działa najlepiej. Dodatkowo, aby zachęcić do eksperymentowania z nowymi strategiami, wszystkim uczestnikom podkreśla się, że ich wyniki w kontrolowaniu OFC nie będą oceniane podczas przebiegów biofeedbacku, a jedynie podczas przebiegów zadań kontrolnych, w których nie prezentowany jest biofeedback. Uczestnicy są informowani, że między zmianami aktywności w docelowym obszarze mózgu a zmianami na wykresie liniowym występuje opóźnienie od sześciu do ośmiu sekund, co wynika z powolnej odpowiedzi przepływu krwi i opóźnień w przetwarzaniu. Zaleca się również uczestnikom, aby nie zmieniali strategii w obrębie jednego bloku, ponieważ opóźnienie w przebiegu czasowym utrudnia ocenę sukcesu każdej strategii przy zbyt częstych zmianach.
      System fMRI w czasie rzeczywistym używany do zapewnienia informacji zwrotnej podczas przebiegów biofeedbacku został przedstawiony na Rysunku 2. Napisano specjalną procedurę rekonstrukcji, która zapisuje kopię każdego przekroju danych w miarę ich zbierania w katalogu w Systemie Rekonstrukcji Obrazu, dostępnym dla Komputera Przetwarzania Obrazu poprzez połączenie sieci lokalnej (LAN). Moduł BioImage Suite (www.bioimagesuite.org) uruchomiony na Komputerze Przetwarzania Obrazu monitoruje ten katalog i odczytuje każdy przekrój w momencie jego pojawienia się. Po otrzymaniu całego wolumenu jest on rejestrowany względem referencyjnego skanu funkcjonalnego (w celu korekcji ruchu), a następnie obliczany jest średni poziom sygnału w docelowym obszarze OFC oraz w kontrolnym obszarze białej substancji, który jest wysyłany przez port szeregowy do komputera stymulacji/biofeedbacku. Program Matlab (www.mathworks.com) działający na Komputerze Stymulacji/Biofeedbacku odbiera te dane i normalizuje poziom aktywności OFC, aby skorygować dryft i fluktuacje całego mózgu, korzystając ze wzoru wprowadzonego przez deCharms i współpracowników.⁸ Konkretnie, dla każdego zebranego wolumenu danych obliczana jest procentowa zmiana sygnału względem średniej kroczącej dla ROI OFC i białej substancji, a następnie obliczana jest różnica między tymi dwiema miarami. Wartość ta jest przedstawiana jako wykres liniowy w czasie na dole wyświetlacza wizualnego.
      
      Rysunek 2. Schemat systemu fMRI w czasie rzeczywistym. System Rekonstrukcji Obrazu przetwarza dane MR w miarę ich zbierania i tworzy obraz każdego przekroju, który jest zapisywany w pliku. Obrazy przekrojów są pobierane przez Komputer Przetwarzania Obrazu przez LAN i przetwarzane w czasie rzeczywistym za pomocą BioImage Suite. Poziom aktywności ROI jest następnie przesyłany do Komputera Stymulacji/Biofeedbacku, gdzie jest odbierany przez program Matlab, który tworzy wyświetlacz wizualny, w tym wykres znormalizowanej aktywności OFC w czasie dla uczestnika.
      Pozorny biofeedback: Przebiegi te stanowią warunek kontrolny, z którym można porównać biofeedback. Przebiegi pozornego biofeedbacku będą identyczne z przebiegami biofeedbacku, z tą różnicą, że uczestnicy będą widzieć przebieg czasowy aktywności w OFC z przebiegu biofeedbacku poprzedniego uczestnika, dopasowanego 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 pozornego 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 wpływać na stopień, w jakim uczy się on kontroli nad OFC, ważne jest, aby zachować tę spójność w jak największym stopniu.
   6. Na koniec wykonuje się dwa kolejne przebiegi zadań kontrolnych.

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

3.4 Dzień 4

1. Uczestnicy biorą udział w końcowej sesji oceny (podobnie jak w punkcie 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. Odprawienie uczestników z grupy pozorowanej

Po zakończeniu badania wszyscy uczestnicy z grupy pozorowanej zostają poinformowani o tym, że otrzymali sprzężenie zwrotne typu sham, a następnie przechodzą proces debriefingu, aby upewnić się, że nie są zdenerwowani zastosowanym podstępem oraz by sprawdzić, czy podejrzewali, że otrzymywane sprzężenie zwrotne nie było prawdziwe.

5. Analizy danych off-line

5.1 Dla każdego badanego oblicza się trzy główne wskaźniki efektu:

1. Zmiana poziomu lęku odczuwanego przez badanego podczas oglądania obrazów związanych z kontaminacją w ostatniej sesji oceny w porównaniu z pierwszą sesją oceny. Należy zaznaczyć, że konkretne obrazy prezentowane w poszczególnych sesjach oceny są różne (aby uniknąć habituacji), lecz są one dobrane (co potwierdzono w testach pilotażowych) pod kątem poziomu lęku, który zazwyczaj wywołują. Średni wynik samoopisowego lęku z pierwszej sesji oceny zostanie odjęty od średniego wyniku samoopisowego lęku z końcowej sesji oceny, aby uzyskać szacunkową wartość zmiany poziomu lęku u każdego badanego. W celu ustalenia, czy u danego badanego wystąpił istotny spadek lęku w końcowej sesji oceny w stosunku do początkowej sesji oceny, zastosowano test t dla pomiarów powtarzanych.
2. Zmiana 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 przeprowadzono analizę GLM z użyciem dwóch regresorów: jednego dla bloków „zwiększania” i jednego dla bloków „zmniejszania”. Każdy z nich obliczano poprzez splot funkcji odpowiedzi hemodynamicznej z wektorem zakodowanym jako 1 w odpowiednim okresie zadania i 0 we wszystkich pozostałych punktach czasowych. Mapy beta dla każdego z tych regresorów zostały od siebie odjęte, aby uzyskać mapę reprezentującą różnicę sygnału w blokach zwiększania w stosunku do bloków zmniejszania. Średnią wartość na tej mapie uśredniono w obrębie specyficznego dla badanego obszaru 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 spowodowanej 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 zakresie minimalnym na poziomie grupy bada się następujące elementy:

1. Osoby, które otrzymały rzeczywisty biofeedback, są zestawiane z osobami, które otrzymały pozorowany biofeedback, aby ustalić, czy wykształciły one większą kontrolę nad docelowym obszarem oraz czy pozwoliło im to na uzyskanie większej kontroli nad lękiem przed zanieczyszczeniem. Do porównania szacunków zmian w zakresie kontroli oraz zmian w zakresie lęku dla obu grup zostanie zastosowany test t dla prób zależnych.
2. Zmiany w lęku przed zanieczyszczeniem u osób poddanych biofeedbackowi są powiązane ze zmianami w kontroli nad docelowym obszarem oraz ze zmianami w wzorcach łączności funkcjonalnej. U 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 za pomocą standardowej konwersji r na p. Mapy zmian w łączności z OFC dla każdego badanego zostaną skorelowane w sposób pikselowy z szacunkami zmian w ich lęku.

Zarówno analizy offline, jak i analizy w czasie rzeczywistym opisane w niniejszym manuskrypcie 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 życzenie. Został on zaprojektowany tak, aby oddzielić analizę danych w czasie rzeczywistym od programu wyświetlania, dzięki czemu ten drugi może być modyfikowany bez konieczności wprowadzania zmian w pierwszym. Pozwala to na elastyczność w projektowaniu eksperymentów; na przykład program wyświetlania może zostać napisany w dowolnym standardowym oprogramowaniu (np. E-prime, Matlab, Presentation). Ponadto analiza w czasie rzeczywistym wykorzystuje korekcję ruchu przyspieszaną przez procesor graficzny, co umożliwia wysokiej jakości korekcję ruchu przy niemal zerowych opóźnieniach w przetwarzaniu. System ten został opisany bardziej szczegółowo w pracy Scheinost et al., 2011.²⁶

6. Reprezentatywne wyniki

Osoba, która zyska kontrolę nad docelowym obszarem mózgu podczas biofeedbacku, powinna wykazać zwiększoną kontrolę nad tym obszarem, ocenianą podczas prób zadania kontrolnego, co powinno przełożyć się na redukcję lęku przed zanieczyszczeniem podczas sesji oceniających. Rysunek 3 przedstawia zrzut ekranu z wyświetlacza wizualnego z jednej z końcowych prób biofeedbacku u osoby, która z powodzeniem uzyskała kontrolę nad swoją OFC. Sukces tej osoby w kontrolowaniu tego regionu podczas tej próby 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 prób zadania kontrolnego (od 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 Rysunku 4. Była to osoba, u której interwencja zakończyła się sukcesem. W przeciwieństwie do niej, inne osoby nie nauczyły się kontrolować docelowego regionu i nie wykazały żadnego spadku lęku przed zanieczyszczeniem w sesjach oceniających. Ogólnie stwierdzamy dużą zmienność między osobami w ich zdolności do nauki kontrolowania tego regionu.

Rysunek 3Zrzut ekranu z wyświetlacza wizualnego podczas sesji biofeedbacku, wykonany na koniec sesji. Ponieważ sesja kończy się warunkiem neutralnym, obraz widoczny w momencie wykonania 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 zanieczyszczeniami. Strzałka po lewej stronie była czerwoną strzałką skierowaną w górę podczas bloków wzrostu oraz niebieską strzałką skierowaną 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 ramy czasowe od momentu przetworzenia pierwszego wolumenu (około 3 s po rozpoczęciu sesji) do czasu 128^th objętość zostaje przetworzona (około 257 s po rozpoczęciu badania). 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 tym badaniu amplitudy mieściły się w zakresie od 2,1 do -3,7). Należy zauważyć, że po uwzględnieniu opóźnienia wynoszącego 6–8 s (odpowiadającego 3–4 punktom czasowym), aktywność w tym obszarze była większa podczas okresów czerwonych niż niebieskich, co odzwierciedla sukces badanego w kontrolowaniu tego obszaru. Osoba w grupie pozorowanej, dobrana do tego badanego, widziałaby identyczne bodźce, jednak w przypadku osoby z grupy pozorowanej wykres liniowy nie byłby powiązany z rzeczywistym wzorcem aktywności mózgu.

Rysunek 4. Wykres słupkowy podsumowujący samoistne 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 czasowy biofeedbacku przedstawiono na Rysunku 3. Badany zgłosił istotnie niższy poziom lęku po biofeedbacku, co zaznaczono gwiazdką.

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...