Apresentamos um romance combinados comportamental e emprega projeção de vídeo em tempo real com a finalidade de caracterizar as correlações neurais associadas com a terapia do espelho dentro do ambiente de scanner de ressonância magnética na perna do protocolo de neuroimagem assuntos de amputados com dor do membro fantasma.
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Artigo de método
Projeção de vídeo em tempo real em uma ressonância magnética para a caracterização de correlações neurais associados com terapia de espelho para dor do membro fantasma
Neste artigo
Resumo
Resumo
Terapia do espelho (MT) tem sido proposta como uma estratégia de reabilitação eficaz para aliviar os sintomas de dor em amputados com dor do membro fantasma (PLP). No entanto, estabelecendo as correlações neurais associadas à terapia MT tem sido um desafio dado que é difícil de administrar a terapia eficaz dentro de um ambiente de scanner de ressonância magnética (MRI). Para caracterizar a organização funcional das regiões corticais associadas com esta estratégia de reabilitação, temos desenvolvido um protocolo combinado de neuroimagem funcional e comportamental que pode ser aplicado em participantes com uma amputação da perna. Esta nova abordagem permite que os participantes passam por MT dentro do ambiente do varredor de MRI, exibindo em tempo real imagens de vídeo capturadas por uma câmera. As imagens são vistas pelo participante através de um sistema de espelhos e um monitor que o participante vê deitada em do scanner. Desta forma, alterações funcionais em áreas corticais de interesse (por exemplo, o córtex sensório-motor) podem ser caracterizadas em resposta à aplicação direta do Mt.
Introdução
PLP refere-se a sensação de dor percebida dentro da área correspondente ao membro ausente postamputation1,2. Esta condição é um encargo significativo de cuidados de saúde crônico e pode ter um impacto dramático sobre qualidade de vida de3,4 um indivíduo. Tem sido sugerido que alterações na estrutura do cérebro e função desempenham um papel fundamental no desenvolvimento e neuropathophysiology de PLP5,6. No entanto, as correlações neurais subjacentes de como desenvolvem os sintomas de dor e como eles podem ser atenuados em resposta ao tratamento permanecem desconhecidas. Esta falta de informação é principalmente devido a desafios técnicos e limitações associadas a realização de uma determinada abordagem terapêutica dentro dos limites de um ambiente de neuroimagem como MRI5,7,8 .
Resultados de vários estudos atribuem o desenvolvimento do PLP para reorganização mal-adaptativos neuroplastic ocorrendo dentro córtices sensório-motor, bem como em outras áreas do cérebro. Por exemplo, ficou demonstrado que após a amputação de um membro, há uma mudança na representação cortical correspondente sensório-motor de áreas vizinhas. Como resultado, áreas vizinhas aparentemente começam a invadir as zonas que costumavam correspondem ao membro amputado9,10. A fim de aliviar os sintomas de dor associados com Pip, tratamentos como MT ou imagética motora podem ser eficaz9,11,12. Sugere-se que o alívio dos sintomas ocorre presumidamente através do restabelecimento de cruz-modal de entradas aferentes, fornecido pela observação de imagens de espelho-refletida do membro nonaffected12,13, 14,15,16,17. Através destas imagens, os participantes são capazes de visualizar o reflexo do membro oposto ao invés do que foi amputada, criando assim uma ilusão de que ambos os membros permanecem. A ilusão e efeitos imersivos foram estudados anteriormente por Diers et al. em indivíduos saudáveis, em que uma comparação de ativação funcional através de ressonância funcional (fMRI) foi avaliada depois de ser submetido a uma tarefa com uma caixa de espelho comum ou realidade virtual 18. no entanto, as correlações neurais associadas a reversão das alterações neuroplastic mal-adaptativos e o alívio dos sintomas permanecem mal compreendidas. Além disso, o mecanismo subjacente do PLP permanece um tópico de pesquisa, como a clara alteração fisiopatológicas subjacente por trás do desenvolvimento do PLP é elucidada ainda incompleta enquanto resultados controversos têm sido revelados5, 19. Como dito acima, vários autores atribuem o desenvolvimento de dor de desaferentação e reorganização cortical do cérebro afetadas área (área do membro amputado)6,7,8; no entanto, em frente a resultados foram descritos por Makin e colaboradores, em que a presença de dor está associada com a preservação da estrutura do cérebro e dor é atribuída a uma redução de conectividade funcional inter-regional19. Tendo em conta estes controversa e de frente para as conclusões, acreditamos que a nova abordagem aqui apresentada trará informações relevantes adicionais para o estudo do PLP e permitirá que os cientistas avaliar os efeitos da MT em um ambiente ao vivo com o grau de cérebro ativação ao compará-las com os níveis de dor avaliada em nosso protocolo completo19.
Literatura anterior sobre este tema tem mostrado que a MT é uma das terapias comportamentais mais adequadas para o tratamento da PLP devido a sua fácil implementação e baixo custo12. De fato, estudos anteriores desta técnica têm mostrado evidências de uma reversão das alterações mal-adaptativos dentro do córtex sensório-motor primário em amputados com PLP8,20,21. Apesar de MT é talvez a abordagem mais barata e mais eficaz para tratar a PLP12,22,23,24, mais estudos são necessários para confirmar estes efeitos, uma vez que alguns pacientes que não responder a este tipo de tratamento8 e há uma falta de ensaios clínicos randomizados maiores que fornecem resultados baseados em alta-provas de25.
Dentre as hipóteses que MT pode reduzir PLP está relacionado ao fato de que a imagem de espelho de parte do corpo amputada-não ajuda a reorganizar e integrar a incompatibilidade entre a propriocepção e feedback visual26. Os mecanismos subjacentes de MT podem ser associados com a reversão do mapeamento adaptativos de somatossensorial8,,27,28.
Para MT, assuntos são necessários para executar várias tarefas motoras e sensoriais, usando seus membros intactos (por exemplo, flexão e extensão) enquanto observa este efeito em um espelho localizado na linha média do corpo do participante, criando assim um vívido e preciso representação do movimento dentro da área do membro amputado29.
Para aprofundar o conhecimento científico dos aspectos fisiopatologia envolvida no PLP, é crucial para melhor caracterizar as alterações neuroplastic subjacente que resultam de amputações membro, bem como a melhoria dos sintomas de dor, fornecido pelo MT A este respeito, técnicas de neuroimagem, como a ressonância magnética, têm emergido como ferramentas poderosas para ajudar a elucidar os mecanismos fisiopatológicas associados com reorganização cortical e fornecem pistas para otimizar a reabilitação de indivíduos com Pip em o contexto clínico30,31. Além disso, a alta resolução espacial proporcionada pela fMRI (em comparação com a Eletroencefalografia, por exemplo) permite o mapeamento mais preciso das respostas do cérebro, tais como representações de dedo e dígito, no córtex sensório-motor, juntamente com outras regiões do o cérebro de32.
Até à data, a neurofisiologia associada com MT continua elusiva devido em grande parte aos desafios de realizar o procedimento dentro do ambiente de scanner (ou seja, é difícil para um indivíduo realizar a terapia enquanto estava deitado no scanner). Aqui, descrevemos um método que permite a um indivíduo observar o seu próprio movimento de perna em tempo real enquanto supina deitada dentro dos estreitos limites do scanner do furo. Uma recriação exata da sensação vívida e envolvente eliciada a terapia pode ser recriada usando uma câmera de vídeo que capta imagens em tempo real da perna em movimento e um sistema de espelhos e um monitor que pode ser visto diretamente pelo estudo participante.
Após estudos tentaram incorporar técnicas como gravação de vídeo, realidade virtual e animações pré-gravados como meio para apresentar o estímulo visual e contornar esses desafios técnicos9,16,33 ,34. Ainda, essas técnicas foram limitadas em sua eficácia35,36,37,38,39. No caso particular de usando um vídeo pré-gravado, há uma muitas vezes pobre sincronização entre os movimentos dos participantes e aqueles fornecidos pelo vídeo, bem como a falta de precisão de cronometragem, que leva a uma má impressão realista que o indivíduo a perna está se movendo. A fim de melhorar esta sensação de imersão sensório-motor, outras técnicas, tais como realidade virtual e animações digitalizadas, foram tentadas. No entanto, eles falharam gerar sensações visualmente convincentes devido a uma resolução de imagem de baixo, um campo de visão limitado, irrealistas ou nonnatural humano-como movimentos e presença de lag de movimento (i.e., desynchronization de movimento). Além disso, a falta de uma modelagem exata combinada com o pobre controle sobre outros recursos, como os efeitos de atrito, dinamismo e gravidade, dificulta a percepção de uma sensação vívida e envolvente de40. Portanto, para amputados, vale explorar estratégias para assegurar que indivíduos estão engajados na tarefa cognitiva (observação) e amputada envolvente sobre a ilusão de movimento de um membro. Finalmente, os recursos necessários para desenvolver e implementar estas estratégias complexas podem ser demorado e/ou custo proibitivos.
Nós descrevemos uma nova abordagem que acreditamos que cria uma sensação vívida e realista de imersão no qual o participante pode ver um vídeo ao vivo e em tempo real de uma imagem projetada do seu próprio membro enquanto eles executam uma sessão de MT31. Esta abordagem é realizada enquanto o indivíduo está mentindo no furo do varredor e sem custos substanciais ou desenvolvimento técnico extensivo.
Este protocolo é parte de uma bolsa de projeto de pesquisa do National Institutes of Health (NIH) (RO1)-patrocinado ensaio clínico que avalia os efeitos da combinação de uma técnica neuromodulatory, nomeadamente corrente contínua estimulação transcraniana (tDCS), com um terapia comportamental (terapia do espelho) para aliviar a dor do membro fantasma31. Avaliamos as alterações na escala analógica visual (VAS) para a dor no início do estudo, prévio e após cada sessão de intervenção. fMRI é usado como uma ferramenta neurofisiológica para avaliar as mudanças estruturais na função cerebral e sua correlação com o alívio da PLP. Portanto, uma ressonância magnética inicial é obtida a fim de ter um mapa de base da organização estrutural do cérebro do participante, que também irá mostrar que não há reorganização cortical de mal-adaptativos5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28 ou que não há19; da mesma forma, o cientista pode-se observar que áreas são ativadas na linha de base com a tarefa de MT, a fim de compreender a resposta de ativação das áreas para o MT; Por último, é possível obter uma segunda postintervention de ressonância magnética para ver se as alterações (modulação) foram geradas na reorganização cortical após a terapia combinada com tDCS e MT e analisar se essas mudanças são correlacionadas ou associadas com o grau de mudança de dor. Portanto, este protocolo permite aos cientistas avaliar alterações de reorganização estrutural em pacientes com PLPs durante MT e também os ajuda a compreender se estas alterações observadas em fMRI estão associadas com mudanças no PLP, portanto, fornecer detalhes adicionais sobre como MT afeta a atividade cerebral de estrutural e funcional para modificar a dor fantasma.
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Protocolo
1. preparação do assunto
- Antes da participação, ter o participante preencher um formulário de consentimento e uma segurança de MRI avaliação de triagem, o último realizado pelo técnico à instalação de digitalização, para assegurar que o participante não tem quaisquer contra-indicações conhecidas de neuro-imagem ser verificado (por exemplo, o metal em seu corpo, uma história de claustrofobia, ou gravidez).
- Fornece ao participante com instruções detalhadas quanto ao procedimento experimental.
- Com o assunto ouvir um áudio gravado instrucional para garantir que eles são capazes de entender e seguir as instruções fornecidas durante o processo de digitalização.
- Realize uma prática de executar em um scanner de simulação para facilitar a familiarização das instruções de tarefa dentro do ambiente de scanner.
Nota: O scanner simulado é semelhante em todos os sentidos para o varredor de MRI real de aquisição de dados, mas sem o ímã ativo. - Dar instruções claras para o participante a evitar qualquer movimento do membro residual e fantasma para evitar contracções dos músculos do tronco que podem interferir com o sinal do cérebro.
2. preparação do experimento
Nota: O protocolo experimental é semelhante ao que foi descrito anteriormente para efeitos de investigar as correlações neurais associadas com a imagem mental de mover os membros superiores. Aqui, nós adaptamos a abordagem para o movimento dos membros inferiores. Especificamente, as tarefas comportamentais consistem dos seguintes.
- Antes de entrar na sala do varredor, pedir o participante a remover a sua prótese e objectos metálicos.
- Tenho o técnico de MRI certifique-se de que o participante não tem nenhum metal em seu corpo que pode colocá-los em risco.
- Transporte o participante para a sala de ressonância em uma cadeira de rodas compatível com MRI; Depois disso, fazer o participante a transferir-se para a base do scanner MRI.
- Para o MT, confortavelmente coloc um espelho peça única, compatível com o MRI, horizontal (10.000 x 255 mm x 3 mm) apoiado por um suporte triangular entre as pernas do participante enquanto eles estão deitados em decúbito dorsal do scanner. Use sacos de areia para permitir a estabilidade e um melhor posicionamento do espelho. Fixe o suporte do espelho um braço ajustável para que pode ser posicionado de acordo com a altura do sujeito e posicionamento sem contato com qualquer parte do corpo ( Figura 1).
Figura 1 : Câmera de vídeo e espelho definida cima O espelho está posicionado entre as pernas em um ângulo de aproximadamente 45°, dependendo da altura do participante e nível de amputação. O objetivo é cobrir o coto e torná-lo invisível para os sistemas de vídeo. Sacos de areia são usados para manter o espelho na posição correta. O posicionamento da câmera também é adaptável e pode ser facilmente alterado usando o tripé ou o jarrete adaptável (altera o ângulo da câmera). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Para o feedback visual, monte uma câmera digital compatível com MRI em um tripé ajustável perto da perna intacta do participante ( Figura 1).
Nota: A Câmara utilizada é listada na Tabela de materiais e custa aproximadamente USD 217. A câmera adquire imagens em resolução de imagem de 1.080 pixels. Desde que a câmera em si não foi colocada dentro da RM furo, não há a necessidade de sistemas mais caros de compatível com o MRI. A câmera é anexada a um polo IV MRI-seguro através de uma mangueira de pescoço de cisne modular para permitir mudanças de posicionamento. - Colocar a câmera num tripé, permitindo o ajuste adequado do ângulo de visão e campo de visão.
- Coloque um segundo espelho sobre a bobina de cabeça MRI, permitindo que o participante a ver a imagem apresentada no monitor diretamente enquanto deitado completamente dentro do scanner do furo ( Figura 2).
Figura 2 : Esquemática da câmara de vídeo e projeção de imagem no ambiente do varredor. A projeção de vídeo em tempo real do sistema de terapia de espelho consiste de três subsistemas. 1) subsistema câmera e monitor. O vídeo é transmitido para o monitor, para que o assunto possa ver os movimentos de perna perna e espelho em tempo real. 2) a cabeça da bobina com o espelho anexado. O espelho na bobina de cabeça permite que o participante a observar o monitor sem mover a cabeça. O espelho está em um ângulo de 45° ao nível dos olhos. 3) o espelho e sacos de areia. O espelho de compatível com o MRI é cuidadosamente colocado entre as pernas e o coto de uma forma que cobre o coto e permite a melhor imagem para ser mostrado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Configure a transmissão de imagem de vídeo em tempo real para ser enviado através de um sistema controlado por computador e projeto aborrecê-lo até um monitor colocado na parte de trás do scanner (perto da cabeça do participante).
Nota: Não há nenhum atraso de tempo perceptível entre a projeção e o movimento real capturado. O movimento real e o feedback visual são separados por menos de um segundo, que não interfere no sentimento em tempo real, como indicado pelos participantes.
3. verificação e coleta de dados
- Adquirir dados de ressonância magnética com um scanner de T 3 usando uma bobina de cabeça em fases-matriz 8 canais.
- Obter sequências de imagens que incluem uma imagem de alta resolução estrutural ponderada T1 (TE: 3,1 ms, TR: 6,8 ms, ângulo aleta: 9°, tamanho de voxel isotrópico 1mm) (varredura anatômica) e sangue-oxigénio-dependente de nível (BOLD) fMRI sinal as medições utilizando um protocolo baseado na imagem latente de gradiente multislice (rápido-campo), eco-planar (EPI) e parâmetros padrão (TE: 28 ms, TR: 2 s, aleta ângulo: 90°, tamanho de voxel isotrópico 3mm, orientado axialmente e cobrindo todo o cérebro).
Nota: Todo o procedimento de digitalização dura aproximadamente 30 min. Isso inclui um inicial 4 min estruturais (anatômicos) scan e quatro aquisições (funcional) tarefa duração 6 min cada. Para cada tarefa (aquisição funcional), o paciente é esperado para bater o pé a uma velocidade de 1 torneira cada segundo. - Durante os exames, tenho o participante usa isolamento de som MRI compatível com fones de ouvido (por exemplo, Westone) ao longo da sessão de verificação de ouvir comandos auditivos do investigador.
- Enquanto o paciente está deitado no scanner, faixa auditiva para que o participante ouve uma série de sinais auditivos para executar determinada tarefa comportamental.
- Use os seguintes comandos: 1) "perna" para o movimento do amputado a perna (consulte a observação após etapa 3.11); 2) "espelho" para o movimento da perna intacta durante a exibição de uma gravação de vídeo em tempo real (assim, observando o movimento de uma perna na posição de perna amputada usando o espelho); 3) "resto" em que o participante para qualquer movimento da perna e encontra-se imóvel com seus olhos fechados. Além disso, tem o investigador diz "Iniciar" e "final" para significar o começo e o fim do percurso experimental, respectivamente ( Figura 3).
Figura 3 : Tarefa projeto. O projeto de tarefa consiste em três etapas. Durante a primeira etapa da "perna", o assunto é instruído para mover a perna (flexionando o pé) em um ritmo de movimento sobre uma cada 2 s (10 movimentos em 20 s), com os olhos fechados. Para a segunda etapa do "espelho", o participante tem de continuar a perna (10 movimentos em 20 s) enquanto olha para o monitor de vídeo exibindo a imagem de espelho on-line em tempo real das pernas. A última etapa instrui o assunto para descansar.
- Ter o participante a executar um movimento com a perna nonamputated com os olhos fechados (ou seja, repetidos de flexão plantar e flexão dorsal do pé em um ritmo de aproximadamente uma torneira por 2-3 s).
- Tenho o participante realizar o mesmo movimento de perna, mas agora o participante observa uma imagem de espelho de sua perna, movendo-se no lugar da perna amputada utilizando captura de vídeo em tempo real do movimento da perna intacta.
- Tenho o participante realizar uma condição de resto, em que se estabelece com nenhum movimento das pernas.
Nota: Cada condição dura por 20 s (ou seja, um bloco experimental = 60 s) por um tempo de execução de comprimento de 6 min (seis repetições da execução experimental por bloco). - Colete dados em uma única sessão para cada participante.
- Instrua o investigador que tome nota de quaisquer movimentos não desejados e, entre as execuções, para instruir o participante a manter o ritmo correto e movimentos.
- Certifique-se que, após os procedimentos são realizados, o investigador transfere os dados para um pen drive criptografado e armazena-lo em um local seguro na instalação.
Nota: No presente protocolo, a palavra "perna" é usada no lugar da palavra "pé". Mesmo que os participantes estão apenas fazendo movimentos (devido a restrições do aparelho de ressonância magnética) do pé, a maioria deles tem a maior parte do membro inferior amputado e é chamada amputados de perna, não de pé.
4. análise
- Analisar os dados de neuroimagem funcional usando técnicas padrão30,41, usando o projeto de análise longitudinal (linha de base e final) e processamento de fluxo no pacote de software FMRIB Software Library (FSL)42 ,43.
- Para cada verificação funcional, realizar correção de movimento 3D usando o alinhamento do primeiro volume, passa-alta filtragem para remover as tendências lineares temporais e realizar uma correção para a aquisição de tempo de fatia e suavização espacial (kernel Gaussian, largura total de 5,0 mm no meio máximo [FWHM]).
- Marcar os volumes com um movimento acima de 0,9 mm em qualquer direção com fluxo de processamento de outlier deteção de movimento do FSL e matematicamente "Esfrega"-los desde a última análise44.
Nota: Se mais de 25% dos volumes são designadas para a remoção, a aquisição de toda deve ser excluída do conjunto total de dados.
- Marcar os volumes com um movimento acima de 0,9 mm em qualquer direção com fluxo de processamento de outlier deteção de movimento do FSL e matematicamente "Esfrega"-los desde a última análise44.
- Coregister cada uma das pré-processado funcionais imagens para o de alta resolução anatômicas e, em seguida, trazê-los para o padrão Talairach espaço.
- Ajuste um modelo linear geral (GLM) para um curso de tempo voxel onde cada condição experimental é modelada por um regressor boxcar que deve ser suavizado com função dupla-gama de resposta hemodinâmica.
- Use o de alta resolução anatômica T1-volume anatômico ponderada para construir uma malha de superfície cortical inflada para ver a ativação sulcal e em seguida, projeto sujeito individual mapas para cada contraste de interesse sobre o assunto é reconstruída malha.
Nota: As projeções devem mostrar os valores significativos do GLM. Defina o limite de valor de significância estatística para o critério de padrão de p < 0,001 corrigido para comparações múltiplas, usando um ajuste de limite de tamanho do cluster.
- Para cada verificação funcional, realizar correção de movimento 3D usando o alinhamento do primeiro volume, passa-alta filtragem para remover as tendências lineares temporais e realizar uma correção para a aquisição de tempo de fatia e suavização espacial (kernel Gaussian, largura total de 5,0 mm no meio máximo [FWHM]).
- Realizar uma análise de interesse (ROI) da região.
- Definir o ROI primário amplamente com Joana atlas45 do córtex sensório-motor primário do FreeSurfer e, em seguida, refiná-lo para cada assunto usando a ativação funcional de assunto específico durante a etapa vs condição de resto para a verificação de linha de base.
- Refletem o ROI primário refinado na zona homóloga do hemisfério oposto (ou seja, ipsilateral primário sensório-motor representação do membro inferior intacto).
- Use o padrão FreeSurfer anatômica Joana atlas45 para definir o córtex occipital (bilateral) inteiro do visual para o ROI secundário.
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Resultados
Gerando a sensação associada com MT usando a projeção de vídeo em tempo real é viável. Os participantes relataram subjetivamente que a imagem de vídeo percebida é vida-como e a sensação é envolvente.
Além disso, os padrões de ativação cortical associada com MT (i.e., o movimento da perna e exibindo a imagem projetada do espelho) no ambiente de scanner são robustos. Em um estudo piloto, as respostas corticais de MT foram gravadas...
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Discussão
Este protocolo descreve um romance, um procedimento viável que permite que os investigadores caracterizar com precisão as correlações neurais associadas MT em indivíduos com Pip.
Como anteriormente mencionado, após estudos tentaram investigar as correlações neurais associadas com tratamento de MT, incorporando várias técnicas tais como gravação de vídeo, realidade virtual e animações pré-gravados9,33 ,34
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Divulgações
Os autores não têm nada para divulgar.
Agradecimentos
Este estudo foi suportado por uma concessão de NIH RO1 (1R01HD082302).
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Scanner | Phillips | NA | 3 Tesla Philips Acheiva MRI scanner |
| Câmera | Logitech | NA | HD Pro Webcam C910 |
| Monitor | Cambridge Research Systems | NA& | nbsp; Tela 3D BOLD para Espelho de Ressonância |
| Magnética TAP Plastics | 99999 | Folhas de Acrílico Espelhado (Cut para e tímido; Tamanho) &tímido; Transparente 1/8 (.118)" Espessura, 10" de Largura, 40" de Comprimento | |
| Suporte | NA | O suporte de espelho foi construído pelos co-investigadores a partir de uma peça retangular de madeira | |
| Fones de ouvido | Westone Sensimetrics | PN 79245 | Substituição de pontas de espuma para fones de ouvido de ajuste universal. Tamanho do canal: Padrão 6 peças/ 3 pares MR compatível com fones de ouvido |
| Scanner MRI | Phillips | 3.0 T Sistema Philips Achieva |
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