Protokół do administrowania treningiem neurofeedbacku fMRI w czasie rzeczywistym
24 sierpnia 2017
Zdolność do wywoływania i/lub kontrolowania plastyczności neuronalnej może być kluczowa w przyszłych terapiach zaburzeń neurologicznych i powrocie do zdrowia po urazie mózgu. W artykule przedstawiono protokół dotyczący wykorzystania treningu neurofeedback z funkcjonalnym rezonansem magnetycznym do modulacji funkcji ludzkiego mózgu.
Ogólnym celem tej procedury jest umożliwienie miejscowej kontroli nad mechanizmami neuroplastycznymi w ludzkim mózgu. Wykorzystanie neurofeedbacku z funkcjonalnego rezonansu magnetycznego w czasie rzeczywistym. Trening neurofeedback ma potencjał do zwalczania zaburzeń neurologicznych mózgu poprzez zmianę potencjałów synaptycznych w docelowych obszarach mózgu, bez użycia leków farmaceutycznych lub inwazyjnej interwencji chirurgicznej.
Główną zaletą tej techniki jest to, że badani mogą nauczyć się endogennie zmieniać zlokalizowaną aktywność mózgu w systematyczny sposób. Strategie stosowane w celu zmiany zlokalizowanej aktywności mózgu można przełożyć na wszechobecne platformy, takie jak smartfony, tablety, aby umożliwić proste rozwiązanie w domu. Nieprawidłowe potencjały synaptyczne w połączeniach mózgowych są związane z wieloma zaburzeniami neurologicznymi, w tym autyzmem, urazowym uszkodzeniem mózgu, chorobą Parkinsona i zaburzeniami przedsionkowymi.
Sprzężenie zwrotne opiera się na zmianach chemodynamicznych związanych z aktywnością neuronów, a zatem ma słabą rozdzielczość czasową, co utrudnia trening niektórym badanym. Ponieważ nadpobudliwość obszarów mózgu jest często zjawiskiem u pacjentów z szumami usznymi, podejście to ma na celu nauczenie badanych, jak zmniejszyć aktywność w obszarach zainteresowania. Zacznij od podłączenia wyjścia wyzwalającego TR z rezonansu magnetycznego lub urządzenia do rezonansu magnetycznego do komputera stymulacyjnego. Następnie ustaw wyświetlacz kompatybilny z MR tak, aby był widoczny dla uczestnika przez lusterko przymocowane do cewki głowicy.
Następnie poproś uczestnika, aby położył się w pozycji leżącej na stole skanera. Umieść słuchawki na głowie uczestnika i upewnij się, że uszy są zakryte. Następnie poproś ich, aby trzymali głowę w cewce głowicy.
Zablokuj górny korpus cewki głowicy na miejscu i przymocuj lusterko do cewki głowicy. Umieść urządzenia odpowiedzi w rękach uczestnika. Następnie oznacz lokalizację nasion uczestnika względem skanera i przesuń punkt orientacyjny do lokalizacji w środku otworu MRI.
Na koniec upewnij się, że uczestnik może view cały wyświetlacz za pomocą lustra. Zacznij od przekazania instrukcji zadania uczestnikowi w sali rezonansu magnetycznego. Następnie rozpocznij zsynchronizowane podawanie bodźców dźwiękowych i akwizycję danych, naciskając przycisk skanowania na skanerze MRI.
Zbierz płaskie obrazy echa całego mózgu za pomocą sekwencji impulsów MRI z gradientowym echem przywołania. Następnie użyj statystyk wielu zmiennych, aby obliczyć mapę aktywacji i użyj mapy aktywacji nałożonej na średni obraz fMRI, aby określić region, w którym zostanie uzyskany sygnał sprzężenia zwrotnego dla późniejszego neurofeedbacku. Następnie poruszaj się po wycinkach za pomocą suwaka plasterków, aby znaleźć markery anatomiczne widoczne w danych fMRI, takie jak dolna powierzchnia rogu czołowego komór bocznych.
Proguj mapę aktywacji za pomocą suwaka progu, aby wyświetlić komórki pola najbardziej solidnie aktywowane podczas lokalizatora funkcjonalnego w regionie docelowym. Na koniec użyj lewego przycisku myszy, aby wybrać poszczególne woksele z aktywacją powyżej wybranego progu i w regionie docelowym, aby dodać je do ROI. Zacznij od poinstruowania uczestnika, aby wykonywał zadania uważności, które kierują aktywność mózgu w kierunku pożądanych stanów.
W przykładzie z szumami usznymi poinstruuj uczestnika, aby odwrócił uwagę od układu słuchowego na jeden z systemów sensorycznych, aby zmniejszyć aktywność słuchową. Aby znormalizować dane przed przedstawieniem informacji zwrotnej, poinstruuj uczestnika, aby zrelaksował się podczas odliczania przedstawionego na początku skanowania. Następnie rozpocznij zsynchronizowaną prezentację bodźców i akwizycję danych, naciskając przycisk skanowania na skanerze MRI i zbierając obrazy echoplanarne w taki sam sposób, jak w przypadku skanowania lokalizatora funkcjonalnego.
Następnie wizualnie przedstaw minutnik i pusty wyświetlacz opinii. Następnie wyświetl bieżący sygnał sprzężenia zwrotnego za pomocą wykresu słupkowego w stylu termometru, gdzie wysokość paska jest proporcjonalna do sygnału mierzonego z wybranych komórek pola. Następnie nałóż instrukcje z prośbą o rozluźnienie, podniesienie lub obniżenie paska termometru na wyświetlaczu informacji zwrotnej.
Na koniec, po zakończeniu sesji neurofeedbacku, wyprowadź pacjenta ze skanera. Wyniki te wskazały, że kontrola lewego DLPFC znacznie wzrosła w ciągu pięciu sześciominutowych i 24-sekundowych przebiegów neurofeedbacku oddzielonych na pięć oddzielnych sesji przeprowadzonych w ciągu 14 dni. Co więcej, fMRI NFT w połączeniu z praktyką MBAT tworzy ogniskowe zmiany w aktywności mózgu, które są ograniczone do regionu docelowego i nie wpływają na górne ani dalsze komponenty sieci pamięci roboczej.
Po opanowaniu, pojedynczą sesję treningową z wykorzystaniem tej techniki można ukończyć w zaledwie 20 minut. Podczas próby wykonania tej procedury ważne jest, aby starannie wybrać docelowy obszar mózgu do neurofeedbacku. Inne metody, takie jak obrazowanie tensora dyfuzji, spektroskopia rezonansu magnetycznego, znakowanie spinu tętnic i testy behawioralne, można wykonać przed lub po tej procedurze, aby zapewnić dodatkowy wgląd w zmiany neuroplastyczne.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wykonywać trening neurofeedback na podstawie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego w czasie rzeczywistym. Nie zapominaj, że pole magnetyczne związane z rezonansem magnetycznym może stanowić poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Dlatego zawsze należy przeprowadzać odpowiednie badania przesiewowe.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół wykorzystania treningu neurofeedbacku z użyciem funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) w celu modulacji funkcji mózgu. Zdolność do kontrolowania plastyczności neuronalnej jest kluczowa w leczeniu zaburzeń neurologicznych oraz wspomaganiu regeneracji po urazach mózgu.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurobiologia
- Neurofeedback
- funkcjonalny rezonans magnetyczny
Wstęp
- Trening neurofeedback może zmieniać potencjały synaptyczne w wybranych obszarach mózgu.
- Technika ta stanowi nieinwazyjną alternatywę dla farmakologii i chirurgii.
- Jest ona szczególnie istotna w przypadku takich schorzeń jak autyzm, urazy czaszkowo-mózgowe oraz szumy uszne.
- Informacja zwrotna w czasie rzeczywistym, oparta na aktywności mózgu, może zwiększyć skuteczność treningu.
Cel badania
- Aby umożliwić lokalną kontrolę nad mechanizmami neuroplastyczności w ludzkim mózgu.
- Aby zapewnić badanym systematyczne podejście do modyfikacji aktywności mózgu.
- Aby opracować metodę, którą można wdrożyć na powszechnie dostępnych platformach, takich jak smartfony.
Zastosowane metody
- Uczestnicy poddawani są badaniu fMRI podczas otrzymywania neurofeedbacku.
- Akwizycja danych w czasie rzeczywistym jest zsynchronizowana z bodźcami słuchowymi.
- Generowane są mapy aktywacji w celu zidentyfikowania docelowych obszarów mózgu.
- Uczestnicy otrzymują instrukcje wykonywania zadań uważności (mindfulness) w celu wywarcia wpływu na aktywność mózgu.
Główne wyniki
- Osiągnięto znaczną kontrolę nad lewym DLPFC w wielu sesjach.
- Neurofeedback w połączeniu z praktyką uważności doprowadził do ogniskowych zmian aktywności mózgu.
- Sesje treningowe mogą zostać ukończone w czasie tak krótkim, jak 20 minut.
Wnioski
- Trening neurofeedback stanowi obiecujące narzędzie do usprawniania funkcji mózgu.
- Staranny wybór docelowych obszarów mózgu jest kluczowy dla skuteczności treningu.
- Dodatkowe metody obrazowania mogą dostarczyć dalszych informacji na temat zmian neuroplastycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Trening neurofeedback z wykorzystaniem fMRI w czasie rzeczywistym oferuje nieinwazyjne i niefarmakologiczne podejście do modulowania aktywności mózgu w wybranych obszarach, stanowiąc strategię ograniczania ryzyka mechanistycznego w interwencjach w zaburzeniach neurologicznych. Poprzez umożliwienie świadomej kontroli nad plastycznością neuronalną, metoda ta wspiera wczesną walidację celów terapeutycznych oraz przesiew fenotypowy w procesie odkrywania leków na schorzenia OUN, szczególnie w przypadku zaburzeń związanych z aberracyjnym funkcjonowaniem obwodów, takich jak szumy uszne, autyzm i urazy czaszkowo-mózgowe. Technika ta zwiększa wiarygodność prognostyczną poprzez powiązanie odczytów funkcjonalnych z wynikami behawioralnymi, co ułatwia ciągłość translacyjną od etapu odkrywania do walidacji przedklinicznej.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez badanie kontroli intencjonalnej nad konkretnymi obszarami mózgu zaangażowanymi w patofizjologię choroby.
- Wartość operacyjna: Zapewnia odtwarzalny system walidacji funkcjonalnej celów z wykorzystaniem neurofizjologicznych odczytów w czasie rzeczywistym.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję projektów w portfolio poprzez ustanowienie związków przyczynowo-skutkowych między regionalną aktywnością mózgu a fenotypami poznawczymi i behawioralnymi.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe, rozdzielone przestrzennie sygnały zwrotne z określonych ROI, umożliwiając standaryzowaną ocenę odpowiedzi neuroplastycznych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia gotowość testu dzięki zsynchronizowanej prezentacji bodźców i przetwarzaniu sygnału fMRI w czasie rzeczywistym.
- Skalowalność: Wspiera przeniesienie platformy na dostępne urządzenia (np. smartfony) w celu zdecentralizowanego przesiewania i monitorowania podłużnego.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy wyniki in vitro/in vivo z ludzką neurofizjologią poprzez walidację zaangażowania celu w obwodach istotnych dla danej jednostki chorobowej.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Izoluje efekty w konkretnych obszarach (np. lewym DLPFC) bez wpływania na komponenty sieci upstream/downstream, co zmniejsza ryzyko efektów poza celem.
- Zgodność z biomarkerami: Umożliwia korelację zmian aktywności indukowanych przez neurofeedback z wynikami poznawczymi lub motorycznymi, co wspiera kwalifikację biomarkerów.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z procesem odkrywania leków poprzez wspieranie modyfikacji celów w mózgu w oparciu o postawione hipotezy, umożliwiając opracowanie testów do screeningu neuroplastyczności oraz zapewniając analitykę ilościową niezbędną do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) w programach dotyczących OUN.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia mechanistyczną analizę obszarów docelowych dzięki sprzężeniu zwrotnemu w czasie rzeczywistym, wyjaśniając role przyczynowe w dysfunkcjach sieci.
- Przesiewanie: Dostarcza zestandaryzowanych, mierzalnych sygnałów neurofeedbacku, odpowiednich do wysokoreprodukowalnego przesiewania związków lub interwencji.
- Analityka: Wykorzystuje statystykę wielowymiarową i dobór ROI w oparciu o wartości progowe w celu generowania wiarygodnych, znormalizowanych wyników sprzężenia zwrotnego do porównań międzywarunkowych.
- Badania translacyjne: Potwierdzają ogniskowe zmiany w obszarach docelowych bez efektów obejmujących całą sieć, co wspiera dostosowane do ryzyka wdrażanie do modeli przedklinicznych.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi przenośną platformę neurofizjologiczną, którą można dostosować do domen poznawczych, motorycznych i afektywnych w celu wielokrotnego zastosowania w procesach odkrywczych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność w wyborze celu poprzez wykazanie endogennej kontroli nad istotnymi patofizjologicznie obwodami mózgowymi.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki ustandaryzowanym protokołom podawania bodźców, akwizycji danych i prezentacji sprzężenia zwrotnego.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go poprzez redukcję niepewności biologicznej we wczesnej walidacji celów w OUN.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację interwencji w oparciu o analizę ryzyka i wykazaną modulację neuroplastyczności w ludzkich celach terapeutycznych.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie projektowania eksperymentów fMRI, przetwarzania danych w czasie rzeczywistym oraz opracowywania paradygmatów neurofeedbacku.
- Zależne od sprzętu kompatybilnego z MRI, systemów prezentacji bodźców oraz oprogramowania do statystyki wielowymiarowej służącego do definiowania ROI.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej z udziałem neuronaukowców, radiologów i bioinformatyków w celu zapewnienia spójności protokołu.
- Wiąże się z kwestiami adaptacyjnymi podczas przenoszenia treningu opartego na skanerze na platformy mobilne lub domowe.
- Ograniczone przez rozdzielczość czasową sprzężenia zwrotnego opartego na fMRI, co może wpływać na skuteczność treningu w przypadku szybkich procesów neurodynamicznych.
