Opracowywanie fenotypów neuroobrazowania sieci trybu domyślnego w PTSD: integracja stanu spoczynku, pamięci roboczej i łączności strukturalnej
1 lipca 2014
Ten protokół opisuje uzupełniające techniki neuroobrazowania połączeń strukturalnych w stanie spoczynku, dezaktywacji wywołanej zadaniem i analiz połączeń strukturalnych w celu zbadania domyślnej sieci w zespole stresu pourazowego. Zastosowanie metod synergicznych może potencjalnie prowadzić do poprawy diagnostyki i oceny ciężkości, wyników i innych istotnych czynników klinicznych.
Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zbadanie sieci trybu domyślnego w zespole stresu pourazowego przy użyciu uzupełniających technik neuroobrazowania łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku, dezaktywacji wywołanej zadaniem i łączności strukturalnej. Osiąga się to poprzez pierwsze przeszkolenie uczestników w zakresie wykonywania zadania pamięci roboczej N back poza skanerem, aby nie przytłaczać uczestników, którzy mogą być zaniepokojeni procedurami badawczymi, a jednocześnie nadal stanowić wystarczające wyzwanie dla ich pamięci roboczej do obrazowania dezaktywacji wywołanych zadaniem. W drugim kroku poproś uczestników, aby położyli się w noszach skanera MRI o mocy trzech Tesli i umieścili poduszki wokół głowy, aby zminimalizować ruchy głowy.
Następnie, podczas pozyskiwania obrazów MR, poproś uczestników o wykonanie zadania na końcu, a następnie czterominutową prezentację na krzyżu fiksacji. Powoduje to uzyskanie obrazów aktywności i stanu spoczynku związanego z zadaniem. Powtórz te kroki, a następnie powiedz uczestnikom, aby zamknęli oczy podczas uzyskiwania obrazów tensora dyfuzji.
Uzyskane wyniki pokazują wzorzec przestrzenny zgodny z głównymi węzłami sieci w trybie domyślnym do analizy łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku, zwiększoną aktywacją sieci wykonawczej i dezaktywacją sieci w trybie domyślnym podczas dwóch zadań pamięci roboczej wstecznej i ścieżek istoty białej łączących regiony sieci w trybie domyślnym uzyskanych podczas DTI. Technika ta integruje funkcjonalne i strukturalne podejścia do neuroobrazowania, które pewnego dnia mogą pomóc w diagnozowaniu PTSD i powiązanych chorób psychicznych. Tradycyjne podejścia FMRI związane z zadaniami są połączone z pozyskiwaniem stanu spoczynku i łączności strukturalnej.
Procedury badawcze zademonstruje Louisa Carpenter Vs.Who jest asystentką naukową w moim laboratorium. Ta metoda może zapewnić wgląd w zrozumienie funkcji i dysfunkcji sieci w trybie domyślnym. Metody te można również łatwo rozszerzyć tak, aby jednocześnie charakteryzowały wiele sieci mózgowych w celu oceny, jak choroby psychiczne wpływają na integrację sieci Przed rozpoczęciem kroków opisanych w tym protokole.
Po pierwsze, uzyskaj pisemną i świadomą zgodę i upewnij się, że dokładnie przebadałeś uczestnika pod kątem bezpieczeństwa MRI. Następnie przeszkol uczestnika, aby wykonał zadanie N back poza skanerem. Rozpocznij pierwszy trening, uruchom go z testem czujności zerowej litery wstecznej.
Poinstruuj podmiot, aby wskazał "tak" dla spółgłoski docelowej, takiej jak wielka lub mała litera H, za pomocą pola odpowiedzi z dwoma przyciskami i nie dla wszystkich innych spółgłosek. Dziewięć spółgłosek powinno być wyświetlanych przez 500 milisekund każda, z czasem między bodźcami wynoszącym 2, 500 milisekund, co daje łącznie 27 sekund. Spółgłoski docelowe zostaną pokazane cztery razy w każdym bloku zerowym.
Następnie poproś uczestnika, aby przećwiczył test dwóch pleców. Poinstruuj ich, aby udzielili odpowiedzi tak lub nie w polu odpowiedzi. Po każdej spółgłosce jest prezentowana, aby wskazać, czy jest taka sama, czy różna od spółgłoski, która została przedstawiona wcześniej w serii.
Pokaż uczestnikowi serię 15 spółgłosek przez 500 milisekund każda, z interwałem bodźca interra wynoszącym 2 500 milisekund, co daje w sumie 45 sekund. Bodziec docelowy powinien być pokazany pięć razy. Kontynuuj trening uczestnika, aż jego wydajność osiągnie co najmniej 75% poprawności na dwóch tylnych komponentach Przed skanowaniem.
Najpierw poproś uczestnika, aby usunął wszystkie metalowe przedmioty, przebrał się w ubranie kompatybilne z rezonansem magnetycznym, a następnie przyniósł go do pomieszczenia ze skanerem MRI trzech Tesli. Zapewnij zatyczki do uszu w celu ochrony słuchu i każ im położyć się na łóżku skanera, umieść poduszki wokół głowy, aby zminimalizować ruchy głowy. Zapewnij im skrzynkę odpowiedzi kompatybilną z MRI dla zadania pamięci roboczej na końcu, a także żarówkę ściśniętą, aby zatrzymać skanowanie w nagłych wypadkach.
Umieść również pulsoksymetr na palcu w celu monitorowania i rejestrowania fizjologicznego. Następnie umieść 32-kanałową cewkę głowicy i ekran prezentacyjny nad głową uczestnika przed przeniesieniem ich do skanera. Upewnij się, że uczestnik czuje się komfortowo i widzi ekran.
A następnie rozpocznij sesję skanowania MRI. Zacznij od uzyskania izotropowego obrazu anatomicznego mózgu o wysokiej rozdzielczości i grubości jednego milimetra. Użyj parametrów MRI o wysokiej rozdzielczości, jak pokazano tutaj.
Następnie rozpocznij akwizycję MRI. Następnie ustaw parametry akwizycji obrazu FMRI bold na konsoli skanera. Korzystając z parametrów przedstawionych tutaj przed rozpoczęciem skanowania funkcjonalnego.
Najpierw wyświetlaj instrukcje pacjentowi przez trzy sekundy przed każdym zadaniem zerowym lub dwu wstecznym. Korzystanie z oprogramowania do prezentacji bodźców. Następnie uzyskaj obrazy FMRI w pamięci roboczej za pomocą testu NAC.
32. krzyż fiksacyjny linii bazowej powinien być przedstawiony pacjentowi przed każdym z zerowych bloków pleców. Zapewni to punkt odniesienia dla pozostałych bloków zerowych i dwóch tylnych. Podczas analizy danych w sumie uwzględnij trzy zerowe części wsteczne i trzy dwie tylne wraz z dwoma blokami linii bazowej.
Powinno to być przedstawione w dwóch oddzielnych seriach obrazowania w przeciwstawnej kolejności. Po zakończeniu paradygmatów N wstecz upewnij się, że uczestnik nadal czuje się komfortowo i jest gotowy do kontynuowania skanowania. Następnie poinstruuj ich, że blok odpoczynku jest następny i powiedz im, aby nie zasypiali.
Użyj oprogramowania do prezentacji bodźców, aby wyświetlić krzyżyk fiksacji na ekranie. Uzyskaj obrazy stanu spoczynku przez następne cztery minuty przy użyciu tych samych ustawień FMRI, które zostały użyte do uzyskania obrazów NAC. Następnie powtórz akwizycję pamięci roboczej ponownie, korzystając z testu NAC.
Następnie należy włączyć parametry akwizycji obrazu DTI w konsoli skanera do podwójnego planowania echa spinowego obrazów ważonych dyfuzją z gradientami dyfuzji zastosowanymi w 64 kierunkach nieliniowych, echa cząstkowego i interpolacji. Pamiętaj, aby poinformować uczestnika, że skaner może się trząść podczas kolejnych sekwencji i że jest to normalne. Poinstruuj ich, aby zamknęli oczy i zrelaksowali się najlepiej jak potrafią w skanerze.
Następnie uzyskaj sekwencję DTI. Po zakończeniu całego skanowania. Usuń uczestnika ze skanera i zapytaj, jak przebiegła sesja.
Odpowiedz na wszelkie pytania i podziękuj im za udział. Upewnij się, że wszystkie dane zostały bezpiecznie przesłane lub poproś komputer skanera MRI o zapisanie DBD z obrazami uczestników i zapisem fizjologicznym w celu późniejszej analizy danych. Na koniec wykonaj analizę łączności w stanie spoczynku z analizą łączności regionu inicjatora, aby ocenić relację między regionami zdefiniowanymi apriorycznie w celu oceny łączności funkcjonalnej.
Korzystaj również z oprogramowania do przetwarzania FMRI do wstępnego przetwarzania danych pamięci roboczej i ogólnego modelowania liniowego opartego na wokselach, aby określić ilościowo aktywność specyficzną dla zadania w każdym wokselu mózgu poszczególnych zestawów danych. Wyniki przedstawione tutaj opierają się na danych zebranych przy użyciu tego samego podejścia do obrazowania w dwóch różnych próbkach osób z historią traumy i maltretowania w dzieciństwie, ale bez PTSD wynikających ze stanu spoczynku. Analiza połączeń funkcjonalnych ujawniła wzorzec przestrzenny zgodny z głównymi węzłami sieci trybu domyślnego, w tym przyśrodkową korą przedczołową, tylną korą obręczy, zakrętem kątowym, dolną dolną częścią ciemieniową i środkowymi obszarami skroniowymi.
Te sekcje strzałkowe ilustrują wzorce związane z dwoma zadaniami pamięci roboczej pleców. Wzorce aktywacji w sieci wykonawczej są zilustrowane kolorem pomarańczowym i czerwonym, podczas gdy dezaktywacja sieci w trybie domyślnym jest wyświetlana na niebiesko. Tutaj widzimy zerową aktywność pleców, która jest zwykle połączona z pamięcią roboczą w celu kontrolowania uwagi.
Wzorce aktywacji są w kolorze pomarańczowym i czerwonym, a dezaktywacja w kolorze niebieskim. Ewidentnie jest tutaj pewna dezaktywacja sieci w trybie domyślnym z niewielką aktywacją wykonawczą na końcu. Zasięg wiązki clum ujawniony przez traktografię probabilistyczną jest wyświetlany tutaj.
Trójwymiarowy kształt i wzór tych włókien można zobaczyć z przekrojami mózgu dołączonymi do odniesienia wizualnego. Ten obraz ilustruje, w jaki sposób te włókna przemieszczają się przez przyśrodkową korę przedczołową i tylną korę zakrętu obręczy. I wreszcie tutaj możemy zobaczyć, jak te włókna przemieszczają się przez przyśrodkową składową czasową sieci w trybie domyślnym.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak łączyć multimodalne podejścia do obrazowania neurologicznego, takie jak nabywanie aktywności związanej z zadaniami ze stanem spoczynku i łącznością strukturalną. Podejmując się tej procedury, należy pamiętać, że ruch uczestnika powinien być za wszelką cenę zminimalizowany. Osiąga się to poprzez umieszczanie poduszek przy głowie uczestnika w skanerze i częste oceny jego komfortu podczas zabiegów skanowania.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten protokół opisuje zastosowanie uzupełniających technik neuroimagingu do badania sieci trybu domyślnego w zaburzeniu stresu pourazowego (PTSD). Poprzez integrację analizy łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku, deaktywacji indukowanej zadaniem oraz analizy łączności strukturalnej, badanie ma na celu poprawę diagnostyki i ocen związanych z PTSD.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauki
- Neuroimaging
- Psychiatria
Tło
- Zaburzenie stresu pourazowego (PTSD) wpływa na funkcjonowanie poznawcze i emocjonalne.
- Sieć trybu domyślnego (DMN) jest kluczowa dla zrozumienia funkcji mózgu w PTSD.
- Techniki neuroimagingu mogą dostarczyć informacji na temat łączności i aktywności mózgu.
- Łączenie wielu metod obrazowania może przynieść bardziej kompleksowe wyniki.
Cel badania
- Zbadanie sieci trybu domyślnego u osób z PTSD.
- Wykorzystanie uzupełniających technik neuroimagingu dla poprawy zdolności diagnostycznych.
- Ocena związku między łącznością mózgu a czynnikami klinicznymi w PTSD.
Stosowane metody
- Uczestnicy trenowali zadanie pamięci roboczej N back poza skaner.
- Wykorzystanie skanera MRI o sile 3 Tesli do obrazowania.
- Zbieranie obrazów MR podczas wykonywania zadania i w stanie spoczynku.
- Przeprowadzenie obrazowania tensora dyfuzji podczas gdy uczestnicy mieli zamknięte oczy.
Główne wyniki
- Identyfikacja deaktywacji indukowanych zadaniem w sieci DMN.
- Analiza wzorców łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku.
- Wgląd w łączność strukturalną związaną z PTSD.
- Potencjalne korelacje między wynikami obrazowania a ocenami klinicznymi.
Wnioski
- Uzupełniające techniki neuroimagingu zapewniają bogatsze zrozumienie PTSD.
- Metody uzupełniające mogą poprawić dokładność diagnostyczną i planowanie leczenia.
- Przyszłe badania mogą dalece zgłębić konsekwencje tych wyników.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Integrating multimodal neuroimaging to characterize default mode network dysfunction offers a mechanistic framework for de-risking CNS target validation in stress-related disorders. By linking imaging phenotypes to clinical severity, this approach supports predictive confidence in biomarker-driven patient stratification and phenotypic screening. It enables early discovery teams to prioritize targets with stronger translational continuity from preclinical models to human pathophysiology.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by mapping DMN connectivity alterations to PTSD symptom severity, clarifying pathway involvement in stress-response dysregulation.
- Operational Value: Provides quantitative, reproducible imaging readouts that enable functional target validation through multimodal convergence of resting state, task-induced deactivation, and structural connectivity.
- Predictive Value: Enhances lead identification confidence by identifying neuroimaging phenotypes that correlate with clinical factors, supporting go/no-go decisions in CNS portfolio triage.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems (human neuroimaging phenotypes) for downstream screening by establishing standardized, multimodal endpoints sensitive to DMN dysfunction.
- Operational Value: Addresses assay standardization and reproducibility through synchronized acquisition of task-based fMRI, resting state, and DTI under controlled motion-minimization protocols.
- Screening Readiness: Enables reliable compound evaluation by delivering quantitative dependent variable measurements (e.g., DMN deactivation amplitude, connectivity strength) suitable for high-content phenotypic screening.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Supports disease-relevant system alignment by linking imaging biomarkers to clinical illness severity, facilitating extrapolation from preclinical models to human PTSD pathophysiology.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive de-risking value by elucidating how structural and functional DMN disruptions contribute to cognitive-affective phenotypes in stress-related disorders.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs preclinical continuity decisions by providing imaging-derived thresholds that correlate with clinical outcomes, reducing late-stage biological risk in CNS programs.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates discovery biology, screening, and translational research by providing a multimodal imaging workflow that moves from target hypothesis testing to biomarker validation and phenotypic screening readiness.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by quantifying DMN deactivation during working memory tasks and resting state connectivity patterns linked to executive network engagement.
- Screening: Describes assay readiness through reproducible acquisition of task-induced deactivation and resting state fMRI, enabling standardized screening of compounds for normalization of DMN dysfunction.
- Analytics: Highlights quantitative outputs including voxel-based GLM-derived activation maps, seed-based functional connectivity matrices, and probabilistic tractography-derived white matter tracks connecting DMN nodes.
- Translational Research: Connects method to preclinical continuity by relating imaging findings to clinical factors and illness severity, supporting biomarker alignment across discovery and validation stages.
- Enterprise Reuse: Frames the method as a reusable platform for multimodal CNS biomarker development, applicable beyond PTSD to other stress-related psychiatric indications with shared network pathophysiology.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through mechanistic de-risking of DMN-mediated pathways in PTSD, reducing ambiguity in target engagement hypotheses.
- Operational Value: Standardization and scalability via synchronized multimodal acquisition (fMRI task, resting state, DTI) with motion mitigation and standardized stimulus presentation.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions by enabling capital-efficient prioritization of targets based on imaging-biomarker correlation with clinical severity, reducing late-stage failure risk.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted advancement decisions through imaging-derived phenotypic stratification that supports enrichment strategies in clinical trials.
Implementation Considerations
- Requires expertise in cognitive neuroscience, fMRI experimental design, and diffusion tensor imaging processing.
- Needs instrumentation including a 3T MRI scanner with 32-channel head coil, stimulus presentation software, and physiological monitoring (pulse oximeter).
- Demands cross-team standardization between neuroscientists, imaging technologists, and data analysts for consistent protocol execution across sites.
- Involves adaptation considerations for different model systems, particularly in translating human imaging phenotypes to preclinical models via homologous network targeting.
- Includes practical limitations such as participant motion sensitivity, which is mitigated through head cushions, comfort monitoring, and task training outside the scanner to reduce anxiety-related movement.
