Opracowywanie fenotypów neuroobrazowania sieci trybu domyślnego w PTSD: integracja stanu spoczynku, pamięci roboczej i łączności strukturalnej

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest zbadanie sieci stanu spoczynkowego (default mode network) w zaburzeniu stresu pourazowego z wykorzystaniem komplementarnych technik neuroobrazowania: funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku, dezaktywacji indukowanej zadaniem oraz łączności strukturalnej. Zostanie to osiągnięte poprzez uprzednie przeszkolenie uczestników w wykonywaniu zadania pamięci operacyjnej N-back poza skanerem, aby nie przeciążyć osób, które mogą odczuwać niepokój związany z procedurami badania, a jednocześnie zapewnić wystarczające obciążenie pamięci operacyjnej niezbędne do obrazowania dezaktywacji indukowanych zadaniem. W drugim kroku uczestnicy powinni położyć się na stole skanera MRI o natężeniu pola 3 Tesla, a wokół głowy należy umieścić poduszki w celu zminimalizowania ruchów głowy.

Następnie, podczas pozyskiwania obrazów MR, poproś uczestników o wykonanie zadania „end back”, po którym nastąpi czterominutowa prezentacja krzyża fiksacyjnego. Pozwoli to na uzyskanie obrazów aktywności związanej z zadaniem oraz stanu spoczynkowego. Powtórz te kroki, a następnie poleć uczestnikom zamknięcie oczu podczas pozyskiwania obrazów tensora dyfuzji.

Uzyskane wyniki wykazują wzorzec przestrzenny zgodny z głównymi węzłami sieci stanu spoczynkowego (DMN) w analizie funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku, zwiększoną aktywację sieci wykonawczej oraz dezaktywację sieci stanu spoczynkowego podczas zadania pamięci roboczej „two-back”, a także drogi istoty białej łączące obszary sieci stanu spoczynkowego uzyskane podczas DTI. Technika ta integruje funkcjonalne i strukturalne podejścia obrazowania neuronowego, które w przyszłości mogłyby pomóc w diagnozowaniu PTSD i powiązanych z nim schorzeń psychiatrycznych. Tradycyjne podejścia fMRI związane z wykonywaniem zadań są połączone z obrazowaniem stanu spoczynkowego i łączności strukturalnej.

Procedury badawcze zostaną zaprezentowane przez Louisę Carpenter, która jest asystentką badawczą w moim laboratorium. Metoda ta pozwala na lepsze zrozumienie funkcji i dysfunkcji sieci stanu spoczynkowego (default mode network). Metody te można również łatwo rozszerzyć w celu jednoczesnej charakterystyki wielu sieci mózgowych, aby ocenić, w jaki sposób choroby psychiatryczne wpływają na integrację sieci, przed rozpoczęciem kroków opisanych w niniejszym protokole.

W pierwszej kolejności należy uzyskać pisemną i świadomą zgodę oraz dokładnie sprawdzić uczestnika pod kątem bezpieczeństwa badania MRI. Następnie należy przeszkolić uczestnika w wykonywaniu zadania N-back poza skanerem. Rozpocznij pierwszy trening, przeprowadzając test czujności literowej zero-back.

Poleć badanemu, aby za pomocą dwuprzyciskowego pudełka odpowiedzi wskazał „tak” dla wyznaczonej spółgłoski, takiej jak wielka lub mała litera H, oraz „nie” dla wszystkich pozostałych spółgłosek. Dziewięć spółgłosek powinno być wyświetlanych przez 500 milisekund każda, z odstępem międzybodźcowym wynoszącym 2 500 milisekund, co daje łącznie 27 sekund. Spółgłoski docelowe zostaną wyświetlone cztery razy w każdym bloku zero-back.

Następnie poproś uczestnika o wykonanie testu 2-back. Poleć mu udzielenie odpowiedzi „tak” lub „nie” za pomocą pola odpowiedzi po wyświetleniu każdej spółgłoski, aby wskazać, czy jest ona taka sama czy inna niż spółgłoska zaprezentowana poprzednio w serii.

Przedstaw uczestnikowi serię 15 spółgłosek, z których każda będzie wyświetlana przez 500 milisekund, z odstępem między bodźcami wynoszącym 2 500 milisekund, przez łącznie 45 sekund. Bodziec docelowy powinien zostać wyświetlony pięć razy. Kontynuuj trening uczestnika do momentu, aż jego wyniki osiągną co najmniej 75% poprawnych odpowiedzi w zadaniu 2-back przed rozpoczęciem skanowania.

W pierwszej kolejności poproś uczestnika o zdjęcie wszystkich metalowych przedmiotów oraz przebranie się w odzież kompatybilną z MRI, a następnie wprowadź go do pomieszczenia z aparatem MRI o natężeniu pola trzech Tesli. Dostarcz stopery do uszu w celu ochrony słuchu i poproś uczestnika o położenie się na stole skanera, umieszczając poduszki wokół głowy, aby zminimalizować jej ruchy. Przekaż uczestnikowi kompatybilne z MRI urządzenie do odpowiedzi do zadania pamięci roboczej typu „end back” oraz gruszkę alarmową do przerwania skanowania w razie sytuacji awaryjnej.

Należy również założyć pulsoksymetr na palec w celu monitorowania i rejestrowania parametrów fizjologicznych. Następnie, przed wprowadzeniem uczestnika do skanera, należy założyć 32-kanałową cewkę głowową oraz ekran prezentacyjny na głowę badanego. Należy upewnić się, że uczestnik znajduje się w wygodnej pozycji i widzi ekran.

Następnie rozpoczęcie sesji obrazowania MRI. W pierwszej kolejności należy wykonać anatomiczny obraz mózgu o wysokiej rozdzielczości z izotropowym vokselem 1 mm. Należy zastosować parametry MRI dla wysokiej rozdzielczości przedstawione tutaj.

Następnie rozpocznij akwizycję MRI. W dalszej kolejności ustaw parametry akwizycji obrazów fMRI BOLD na konsoli skanera. Przed rozpoczęciem skanowania funkcjonalnego zastosuj parametry widoczne tutaj.

Najpierw wyświetl instrukcje dla pacjenta przez trzy sekundy przed każdym zadaniem typu „zero lub dwa wstecz”, korzystając z oprogramowania do prezentacji bodźców. Następnie wykonaj obrazy fMRI w badaniu pamięci roboczej z wykorzystaniem testu NAC.

Przed każdym z bloków zero-back pacjentowi powinien zostać wyświetlony 32. krzyżyk fiksacyjny bazowy. Pozwoli to na ustalenie wartości bazowej do porównania z pozostałymi blokami zero-back i two-back. Podczas analizy danych należy w sumie uwzględnić trzy części zero-back i trzy części two-back wraz z dwoma blokami bazowymi.

Należy przeprowadzić to w dwóch oddzielnych sesjach obrazowania w kolejności zrównoważonej. Po zakończeniu paradygmatów N-back należy upewnić się, że uczestnik nadal czuje się komfortowo i jest gotowy do kontynuacji skanowania. Następnie należy poinformować go, że kolejnym etapem jest blok odpoczynku i pouczyć, aby nie zasnął.

Użyj oprogramowania do prezentacji bodźców, aby wyświetlić na ekranie krzyżyk fiksacyjny. Przez kolejne cztery minuty wykonaj obrazy stanu spoczynkowego, stosując te same ustawienia fMRI, które zostały użyte do pozyskania obrazów NAC. Następnie ponownie powtórz akwizycję dla pamięci operacyjnej, przeprowadzając test NAC.

W kolejnym kroku ustaw w konsoli skanera parametry akwizycji obrazów DTI dla obrazów dyfuzyjnych z podwójnym echem spinowym (double spin echo planar diffusion weighted images) z gradientami dyfuzji przyłożonymi w 64 kierunkach nieliniowych; należy włączyć funkcje częściowych ech (partial echoes) oraz interpolacji. Poinformuj uczestnika, że podczas kolejnych sekwencji skaner może drgać i że jest to zjawisko normalne. Poproś go o zamknięcie oczu i maksymalny relaks podczas przebywania w skanerze.

Następnie przeprowadź sekwencję DTI. Po zakończeniu wszystkich skanowań wyprowadź uczestnika ze skanera i zapytaj, jak przebiegła sesja.

Odpowiedz na wszelkie pytania, które mogą zadać, i podziękuj im za udział. Upewnij się, że wszystkie dane zostały bezpiecznie przeniesione lub że komputer skanera MRI zapisał plik DBD z obrazami uczestnika i zapisami fizjologicznymi do późniejszej analizy danych. Na koniec przeprowadź analizę łączności w stanie spoczynku z analizą łączności obszaru ziarna (seed region), aby ocenić relacje między zdefiniowanymi a priori obszarami w celu oceny łączności funkcjonalnej.

Należy również wykorzystać oprogramowanie do przetwarzania fMRI do wstępnej obróbki danych dotyczących pamięci operacyjnej oraz ogólną liniową modelowanie oparte na wokselach w celu ilościowego określenia aktywności specyficznej dla zadania w każdym wokselu mózgu w poszczególnych zestawach danych. Przedstawione tutaj wyniki opierają się na danych zebranych przy użyciu tego samego podejścia obrazowego w dwóch różnych grupach osób z historią traumy i maltreatmentu w dzieciństwie, ale bez PTSD w stanie spoczynku. Analiza łączności funkcjonalnej ujawniła wzorzec przestrzenny zgodny z głównymi węzłami sieci stanu spoczynkowego (DMN), w tym z przyśrodkową korą przedczołową, tylną korą obręczy, zakrętem kątowym, dolnym płatem ciemieniowym oraz środkowymi obszarami skroniowymi.

Te przekroje strzałkowe ilustrują wzorce związane z zadaniem pamięci roboczej typu „two back”. Wzorce aktywacji w obrębie sieci wykonawczej przedstawiono w kolorze pomarańczowym i czerwonym, natomiast dezaktywację sieci stanu spoczynkowego (default mode network) zaznaczono kolorem niebieskim. Tutaj widzimy aktywność dla stanu „zero back”, która jest zazwyczaj łączona z pamięcią roboczą w celu kontrolowania uwagi.

Wzorce aktywacji zaznaczono kolorem pomarańczowym i czerwonym, a deaktywację kolorem niebieskim. Widoczna jest tutaj deaktywacja sieci stanu spoczynkowego przy niewielkiej aktywacji sieci wykonawczej na końcu. Przedstawiono tutaj zakres pęczka kłuba wykazany za pomocą probabilistycznej traktografii.

Trójwymiarowy kształt i przebieg tych włókien można zaobserwować na dołączonych dla odniesienia wizualnego przekrojach mózgu. Ten obraz ilustruje, w jaki sposób włókna te przebiegają przez przyśrodkową korę przedczołową oraz tylną część kory obręczy. Na koniec możemy zobaczyć, jak włókna te przebiegają przez przyśrodkowy komponent skroniowy sieci aktywności spoczynkowej.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze rozumieć, jak łączyć multimodalne podejścia obrazowania neuronowego, takie jak rejestracja aktywności związanej z zadaniem wraz ze stanem spoczynkowym oraz łącznością strukturalną. Podczas przeprowadzania tej procedury należy pamiętać, że ruch uczestnika musi być zminimalizowany za wszelką cenę. Osiąga się to poprzez umieszczenie poduszek przy głowie uczestnika w skanerze oraz częstą ocenę jego komfortu podczas procedur skanowania.