Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Neuroscience

Real-time Video projektion i en MR-scanning til karakterisering af neurale korrelerer forbundet med spejl terapi for fantomsmerter i lemmer

doi: 10.3791/58800 Published: April 20, 2019

Summary

Vi præsenterer en roman kombineret adfærdsmæssige og neuroimaging protokollen beskæftiger real-time video projektion med henblik på at karakterisere de neurale korrelerer forbundet med spejl terapi inden for magnetisk resonans imaging scanner miljø i ben amputeret emner med fantomsmerter i lemmer.

Abstract

Spejl terapi (MT) er blevet foreslået som en effektiv rehabiliterende strategi at lindre smerte symptomer i amputerede med fantomsmerte (PLP). Men om oprettelse af de neurale korrelerer forbundet med MT terapi har udfordrende at det er svært at administrere behandling effektivt inden for en magnetisk resonans imaging (MR) scanner miljø. For at karakterisere den funktionelle organisation af kortikale regioner tilknyttet denne rehabiliterende strategi, har vi udviklet en kombineret adfærdsmæssige og funktionelle neuroimaging protokol, der kan anvendes i deltagere med en ben-amputation. Denne nye fremgangsmåde gør det muligt for deltagerne at gennemgå MT i MR scanner miljø ved at se real-time video billeder taget af en kamera. Billederne er set af deltager gennem et system af spejle og en monitor at deltageren visninger samtidigt med at liggende på scannerpladen. På denne måde, kan funktionelle ændringer i kortikale områder af interesse (f.eks. sensorimotor cortex) karakteriseres som svar på den direkte anvendelse af MT.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

PLP refererer til følelsen af smerte opfattes inden for området svarende til den manglende lemmer postamputation1,2. Denne betingelse er en betydelig kronisk sundhedspleje byrde og kan have en dramatisk indvirkning på en persons livskvalitet3,4. Det er blevet foreslået, at ændringer i hjernens struktur og funktion spiller en grundlæggende rolle i udviklingen og neuropathophysiology af PLP5,6. Men, de underliggende neurale korrelerer af hvordan smerte symptomer udvikler sig og hvordan de kan afhjælpes i respons på behandlingen fortsat er ukendt. Denne mangel på oplysninger er for det meste på grund af tekniske udfordringer og begrænsninger i forbindelse med udførelse af en given terapeutisk tilgang inden for begrænsningerne en neuroimaging miljøområdet såsom MRI5,7,8 .

Resultater fra en række undersøgelser tilskrive udviklingen af PLP til utilpasset neuroplastiske reorganisering forekommende i sensorimotor cortex, såvel som i andre områder af hjernen. For eksempel har det vist, efter amputation af en legemsdel, er et skift i den tilsvarende sensorimotor kortikal repræsentation af tilstødende områder. Som et resultat, starte tilstødende områder tilsyneladende invaderer de zoner, der bruges til at svare til den amputerede lemmer9,10. For at afhjælpe smerte symptomer forbundet med PLP, kan behandlinger såsom MT eller motor billedsprog være effektiv9,11,12. Det foreslås, at lindring af symptomer opstår derfor gennem cross-modalitet genetablering af afferente indgange, forudsat af observation af spejl-afspejles billeder fra nonaffected lemmer12,13, 14,15,16,17. Gennem disse billeder er deltagerne stand til at visualisere afspejling af den modsatte ekstremitet i stedet for den, der er blevet amputeret, således at der skabes en illusion, der fortsat er begge lemmer. Illusion og overvældende effekter blev tidligere undersøgt af Diers et al. hos raske forsøgspersoner, hvor en sammenligning af funktionelle aktivering via funktionel MRI (fMRI) blev evalueret efter undergår en opgave med en fælles spejlboksen eller virtual reality 18. men de neurale korrelerer forbundet med tilbageførsel af utilpasset neuroplastiske ændringer og lindring af symptomer forbliver dårligt forstået. Desuden, den underliggende mekanisme i PLP er fortsat et emne af forskning som den klare underliggende physiopathologic ændring bag udviklingen af PLP er stadig ufuldstændigt belyst, mens kontroversielle resultater har været afsløret5, 19. Som anført ovenfor, tilskrive flere forfattere udviklingen af smerte med deafferentation og kortikale reorganisering af de berørte hjernen (område af amputerede lemmer)6,7,8; men overfor resultater blev beskrevet af Makin og samarbejdspartnere, hvor tilstedeværelsen af smerte er forbundet med bevarelse af hjernens struktur og smerte er tilskrevet en reduktion af interregionale funktionelle connectivity19. I betragtning af disse kontroversielle og overfor fund mener vi, den nye fremgangsmåde præsenteres her vil bringe yderligere relevante oplysninger til studiet af PLP og vil gøre det muligt videnskabsfolk til at evaluere virkningerne af MT i et levende miljø med graden af hjernen aktivering samtidig med at sammenligne dem med niveauerne af smerter vurderet i vores fulde protokol19.

Tidligere litteratur om dette emne har vist, at MT er en af de mest relevante adfærdsmæssige behandlinger for behandling af PLP på grund af dens nem implementering og lave omkostninger12. Faktisk har tidligere undersøgelser af denne teknik vist tegn på en tilbageførsel af utilpasset ændringer inden for den primære sensorimotor cortex i amputerede med PLP8,20,21. Selv om MT er måske en den billigste og mest effektive metode til at behandle PLP12,22,23,24, yderligere undersøgelser er nødvendige for at bekræfte disse virkninger, da nogle patienter ikke reagere på denne type af behandling8 og der mangler større randomiserede kliniske forsøg, der giver høj evidensbaserede resultater25.

En af de hypoteser, som MT kan reducere PLP er relateret til det faktum, at spejlbilledet af den ikke-amputeret kropsdel hjælper med at reorganisere og integrere misforholdet mellem proprioception og visuel feedback26. De underliggende mekanismer af MT kunne være forbundet med tilbagevenden af utilpasset kortlægning af somatosensoriske8,27,28.

MT er fag forpligtet til at udføre flere motoriske og sensoriske opgaver ved hjælp af deres intakt led (fx fleksion og ekstension) mens du observere denne effekt i et spejl ligger i midterlinjen af deltagerens kroppen, dermed skabe en levende og præcise repræsentation af bevægelighed inden for området af amputerede lemmer29.

For at videreudvikle den videnskabelige forståelse af Patofysiologi aspekter involveret i PLP, det er afgørende at bedre karakterisere de underliggende neuroplastiske ændringer som følge af lemmer amputationer, samt forbedring af smerte symptomer fra MT. I denne henseende neuroimaging teknikker, såsom fMRI, har vist sig at være effektive værktøjer til at hjælpe belyse de patofysiologiske mekanismer forbundet med kortikale reorganisering og give et fingerpeg mod optimering rehabilitering af personer med PLP i klinisk sammenhæng30,31. Desuden, den høje rumlige opløsning som fMRI (i forhold til electroencefalografi, for eksempel) giver mulighed for mere præcis kortlægning af hjernen svar, såsom finger og ciffer repræsentationer i sensorimotor cortex med andre områder af hjernen32.

Til dato, neurofysiologi forbundet med MT er fortsat undvigende skyldes i vid udstrækning på udfordringerne at udføre proceduren i scanner-miljøet (dvs. det er vanskeligt for en person til at udføre terapi liggende i scanner). Her, vi beskriver en metode, der giver mulighed for en person til at overholde deres egne ben bevægelse i real-time mens liggende liggende inden for de snævre grænser for scanneren bar. En nøjagtig rekreation af levende og medrivende fornemmelsen fremkaldte af terapi kan genskabes ved hjælp af et videokamera, der optager real-time billeder af den bevægelige ben, og et system af spejle og en skærm, der kan ses direkte ved undersøgelsen deltager.

Tidligere undersøgelser har forsøgt at inkorporere teknikker som video-optagelse, virtual reality og forudoptaget animationer som middel til at præsentere den visuelle stimuli og omgå disse tekniske udfordringer9,16,33 ,34. Endnu, disse teknikker har været begrænset i deres effektivitet35,36,37,38,39. I særlige tilfælde ved at bruge en optaget video, der er en ofte dårlig synkronisering mellem deltagernes bevægelser og dem, der leveres af videoen, samt en manglende timing nøjagtighed, som fører til en dårlig realistisk indtryk at den enkeltes egne ben er i bevægelse. For at forbedre denne følelse af sensorimotor fordybelse, har været forsøgt andre teknikker, såsom virtuelle virkelighed og digitaliserede animationer. Endnu, de har undladt at skabe visuelt overbevisende fornemmelser på grund af en lav billedopløsning, et begrænset synsfelt, urealistisk eller nonnatural menneske-lignende bevægelser og tilstedeværelse af motion lag (dvs. desynchronization bevægelighed). Desuden, hindrer manglen på en nøjagtig modellering kombineret med den dårlige kontrol med andre funktioner, såsom virkningerne af friktion, momentum og tyngdekraft, opfattelsen af en levende og medrivende føler40. Derfor, for amputerede, det er værd at udforske strategier til at sikre, at fag er engageret i den kognitive opgave (observation) og fordybende på illusionen om amputeret lemmer bevægelser. Endelig, de nødvendige ressourcer for at udvikle og gennemføre disse komplekse strategier kan være tidskrævende og/eller koste uoverkommelige.

Vi beskrive en ny tilgang, som vi mener, skaber en realistisk og levende følelse af fordybelse hvorved deltageren kan se en live og real-time video af en projicerede billede af deres egne lemmer, mens de udfører en session af MT31. Denne fremgangsmåde udføres, mens enkelt er liggende i scanner lysningen og er uden væsentlige omkostninger eller omfattende teknisk udvikling.

Denne protokol er en del af en National Institutes of Health (NIH) Research Project Grant (RO1)-sponsoreret klinisk forsøg, der evaluerer virkningerne af kombinationen af en neuromodulatory teknik, nemlig transkranial jævnstrøm stimulation (TDC'er), med en adfærdsterapi (spejl terapi) for at lindre fantomsmerter i lemmer31. Vi evaluerer ændringer i den visuelle analoge skala (VAS) til smerter ved baseline, forudgående, og efter hver session for intervention. fMRI bruges som et neurophysiologic værktøj for at vurdere strukturelle ændringer i hjernefunktion og dens sammenhæng med relief af PLP. Derfor, en indledende fMRI er fremstillet for at have en baseline kort af den strukturelle organisering af deltagerens hjernen, som enten viser, at der er kortikale utilpasset reorganisering5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28 eller at der ikke er19; på samme måde, kan videnskabsmanden observere hvad områder aktiveres på oprindelig til opgave at MT for at forstå den områder aktivisering svar på MT; Endelig er det muligt at opnå en anden fMRI postintervention til at se, hvis ændringer (graduering) er blevet genereret i det kortikale reorganisering efter den kombinerede behandling med TDC'er og MT og analysere hvis ændringerne er korreleret eller associeret med graden af smerte ændring. Derfor, denne protokol giver forskerne til at vurdere strukturelle sanering ændringer hos patienter med PLPs under MT og også hjælper dem til at forstå, hvis disse ændringer set i fMRI forbundet med ændringer i PLP, derfor giver yderligere detaljer om hvordan MT påvirker hjernens strukturelle og funktionelle aktivitet at ændre fantomsmerter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. forberedelse af emnet

  1. Inden deltagelse, har deltageren udfylde en samtykkeerklæring og en MRI sikkerhed screening evaluering, sidstnævnte udført af neuroimaging tekniker på scanning mulighed, for at sikre, at deltageren ikke har nogen kendt kontraindikationer til scannes (f.eks. metal i deres krop, en historie af klaustrofobi, eller graviditet).
  2. Give deltageren med detaljerede instruktioner om forsøgsmetoden.
  3. Indspillet emne Lyt til et instructional audio for at sikre, at de er i stand til at forstå og følge vejledningen under scanning procedure.
  4. Udføre en praksis, køre i en mock scanner til at lette fortrolighed af Opgaveanvisninger i scanner-miljøet.
    Bemærk: Mock scanneren er ens i alle måder til de reelle data-erhverve MR scanner, men uden den aktive magnet.
  5. Give klare instrukser til deltageren til at undgå enhver flytning af de resterende og phantom lemmer for at undgå enhver sammentrækninger af stump musklerne, der kan forstyrre hjernens signal.

2. forberedelse af forsøget

Bemærk: Den eksperimentelle protokol er lig hvad er tidligere beskrevet med henblik på at undersøge de neurale korrelerer knyttet til den mentale billeder for at flytte de øvre lemmer. Her, har vi tilpasset tilgang til flytning af underekstremiteterne. Specifikt, består de adfærdsmæssige opgaver af følgende.

  1. Inden du indtaster scanner værelse, bede vedkommende om at fjerne deres protesen og alle metalgenstande.
  2. Har Mr teknikeren Sørg for, at den deltager har ingen metal på deres krop, der kan sætte dem i fare.
  3. Transport deltager til Mr værelse i en Mr-kompatible kørestol; efter at spørge deltageren til at overføre sig selv i MR scanner seng.
  4. MT, komfortabelt sted en enkelt stykke, Mr-kompatible, vandret spejl (10.000 mm x 255 mm x 3 mm) understøttes af en trekantet stå mellem benene på deltageren, mens de liggende liggende på scannerpladen. Bruge sandsække for at give stabilitet og en bedre placering af spejlet. Knytte spejl standen til en justerbar arm, så det kan være placeret i overensstemmelse med fagets højde og positionering uden at kontakte nogen del af kroppen ( figur 1).

Figure 1
Figur 1 : Videokamera og spejl sat op. Spejlet er placeret mellem benene på en vinkel på ca 45°, afhængigt af deltagerens højde og amputation niveau. Målet er at dække de resterende lemmer og gøre det usynlige for video-systemer. Sandsække bruges til at holde spejlet i den korrekte position. Kamera positionering er også fleksible og kan let ændres ved hjælp af stativ eller den fleksible hock (ændrer vinklen på kameraet). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. For visuel feedback, skal du montere en Mr-kompatible digitale kamera på en justerbar stativ stå i nærheden af intakt benet af deltager ( figur 1).
    Bemærk: Kameraet bruges er opført i Tabel af materialer og omkostninger ca 217 USD. Kameraet erhverver billeder i 1,080 pixels billedopløsning. Da selve kameraet ikke blev placeret inde i Mr bar, der er ikke behov for dyrere Mr-kompatible systemer. Kameraet er knyttet til en Mr-safe IV pole via en svanehals modulære slange til at aktivere positionering ændringer.
  2. Fastgøre kameraet på et stativ, så den passende justering af betragtningsvinkel og synsfelt.
  3. Sted et andet spejl på Mr hoved spolen, så deltageren at se billedet præsenteret på skærmen direkte mens du ligger helt inde i scanneren bar ( figur 2).

Figure 2
Figur 2 : Skematisk af videokamera og billedprojektion i scanner miljø. Den real-time videoprojektion af spejl terapi system består af tre undersystemer. 1) kamera og monitor delsystem. Videoen er fremsendt til skærmen, så emnet kan se benbevægelser ben og spejl i realtid. 2) hoved spolen med spejlet knyttet. Spejl i hovedet spolen kan deltageren at se skærmen uden at bevæge hovedet. Spejlet er i en 45° vinkel i øjenhøjde. 3) spejlet og sandsække. Mr-kompatible spejl er omhyggeligt placeret mellem benene og de resterende lemmer på en måde, at det dækker de resterende lemmer og giver bedst billede skal vises. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Konfigurere real-time video billede transmission skal sendes gennem et computerstyret system og projekt det over til en skærm placeret på bagsiden af scanneren bar (nær hovedet af deltageren).
    Bemærk: Der er ingen opfattelig tidsforsinkelse mellem fremskrivningen og den tilfangetagne faktiske bevægelse. Den faktiske bevægelse og visuel feedback er adskilt af mindre end et sekund, som ikke griber ind i en real-time følelse, som anført af deltagerne.

3. scanning og dataindsamling

  1. Erhverve fMRI data med en 3 T scanner ved hjælp af en 8-kanal gradvis array hoved coil.
  2. Få imaging sekvenser, der omfatter en T1-vægtet strukturelle højopløsningsbillede (TE: 3,1 ms, TR: 6,8 ms, flip vinkel: 9°, isotropic 1 mm voxel størrelse) (anatomiske scan), og blod-ilt-niveau-afhængige (fed) fMRI signal målinger ved hjælp af en protokol baseret på multislice gradient (fast-felt) echo-planar imaging (EPI) og standard parametre (TE: 28 ms, TR: 2 s, flip vinkel: 90°, isotropic 3 mm voxel størrelse, orienterede aksialt og dækker hele hjernen).
    Bemærk: Hele scanning proceduren varer ca 30 min. Dette omfatter en indledende 4 min strukturel (anatomiske) scanning og fire opgaver (funktionel) erhvervelser varighed 6 min. For hver opgave (funktionel erhvervelse) forventes patienten til at trykke deres mund med en hastighed af 1 Tryk hvert sekund.
  3. Under scanninger, har deltageren bære Klang-Afsondrethed Mr kompatible hovedtelefoner (fx Westone) i hele den scanning session at høre investigators auditive kommandoer.
  4. Mens patienten ligger i scanneren, skal du spille det auditive spor, så deltageren hører en række auditive stikord til at udføre en given adfærdsmæssige opgave.
  5. Brug følgende kommandoer: 1) "ben" til bevægelse af de amputerede ben (Se bemærkningen efter trin 3.11); 2) "spejl" til bevægelse af intakt benet mens du ser en real-time video optagelse (således observere bevægelse af et ben i placeringen af de amputerede ben ved hjælp af spejlet); 3) "resten", hvor deltageren stopper enhver ben bevægelse og ligger ubevægelig med øjnene lukket. Derudover har investigator siger "start" og "slut" for at betyde begyndelsen og slutningen af den eksperimentelle run, henholdsvis ( figur 3).

Figure 3
Figur 3 : Opgaven design. Opgave design består af tre trin. Under trinnet første "ben" emnet er instrueret om at flytte benet (nedbøjning foden) med en hastighed på ca. én bevægelse hver 2 s (10 bevægelser i 20 s), med lukkede øjne. For det andet trin af "spejl" deltageren har at holde bevægelige benet (10 bevægelser i 20 s) mens du kigger på skærmen viser den online real-time spejlbillede af benene. Det sidste skridt pålægger emne at hvile.

  1. Har deltageren udføre en bevægelse med nonamputated underbenet med lukkede øjne (dvs. gentagne plantar fleksion og dorsal fleksion af foden i et tempo af cirka én tryk pr. 2-3 s).
  2. Har deltageren udføre den samme ben bevægelse, men nu deltageren bemærker et spejlbillede af hans/hendes ben flytter stedet amputeret benet ved hjælp af real-time video-opsamling af bevægelse af benet, intakt.
  3. Har deltageren udføre resten betingelse, hvor han/hun lægger stadig med ingen bevægelse af benene.
    Bemærk: Hver tilstand varer 20 s (dvs. en eksperimentel blok = 60 s) til gangen køre længde på 6 min. (seks gentagelser af det eksperimentelle løb pr. blok).
  4. Indsamle data i en enkelt session for hver deltager.
  5. Instruere investigator notere eventuelle uønskede bevægelser, og i mellem kører hen til pålægge deltageren til at holde den korrekte tempo og bevægelser.
  6. Sørg for, at efter procedurerne, der er udført, investigator overfører data til en krypteret flashdrev og gemmer det på en sikker placering i anlægget.
    Bemærk: I denne protokol bruges ordet "ben" i stedet for ordet "fod". Selvom deltagerne kun gør fod bevægelser (på grund af begrænsninger i MRI maskine), de fleste af dem har en større del af de lavere lemmer, amputerede og kaldes ben amputerede, ikke fod.

4. analyse

  1. Analysere de funktionelle neuroimaging data ved hjælp af standardteknikker30,41, ved hjælp af langsgående analyse design (baseline og posttreatment) og forarbejdning stream i FMRIB Software bibliotek (FSL) softwarepakke42 ,43.
    1. For hver funktionelle scanning, udføre 3D bevægelse korrektionen ved hjælp af den første volume justering, Højpas-filtrering for at fjerne tidsmæssige lineære tendenser, og udføre en korrektion for skive tid erhvervelse og rumlige udjævning (Gaussian kerne, 5.0 mm fuld bredde på halv maksimalt [FWHM]).
      1. Markere diskenheder med en bevægelse over 0,9 mm i enhver retning med FSLS bevægelse outlier påvisning forarbejdning stream og matematisk "krat" dem fra den endelige analyse44.
        Bemærk: Hvis mere end 25% af mængderne, der er udpeget for fjernelse, hele erhvervelse bør udelukkes fra det samlede datasæt.
    2. Coregister hver af de forhåndsbehandlede funktionelle billeder til den med høj opløsning anatomiske og derefter bringe dem i standard Talairach plads.
    3. Passe en generelle lineære model (GLM) til en voxel tidsforløb, hvor hver eksperimentelle betingelse er modelleret af en godsvogn regressor, der bør være glattes med dobbelt-gamma hæmodynamiske svar funktion.
    4. Brug den med høj opløsning anatomiske T1-vægtede anatomiske volumen til at konstruere en oppustede kortikale overflade mesh for at se den sulcal aktivisering, og derefter, projekt individuelle emne kort for hver kontrast af interesse på emnet er rekonstrueret mesh.
      Bemærk: Bør fremskrivningerne viser de signifikante værdier fra GLM. Indstille Statistisk signifikans værdimæssig grænse på standard kriteriet om p < 0,001 korrigeret for flere sammenligninger, ved hjælp af en klyngestørrelse tærskel justering.
  2. Gennemføre en region af interesse (ROI) analyse.
    1. Definere den primære ROI bredt med Freesurfers Jakob atlas45 i den primære sensorimotor cortex, og derefter forfine det for hvert emne ved hjælp af emnespecifikke funktionelle aktivering under ben vs. resten betingelse på baseline scanningen.
    2. Afspejle den raffinerede primære ROI på området homologe i den modsatte halvkugle (dvs. ipsilaterale primære sensorimotor repræsentation af intakt nedre lemmer).
    3. Brug den standard FreeSurfer anatomiske Jakob atlas45 til at definere det hele (bilaterale) occipital visuelle cortex for den sekundære ROI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Skabe sensation forbundet med MT ved hjælp af real-time video projektion er muligt. Deltagerne har subjektivt rapporterede, at billedet opfattes er livagtige og sensation er overvældende.

Derudover er mønstre af kortikale aktivering tilknyttet MT (dvs. bevægelse af benet og visning af forventede spejlbillede) i scanneren miljø robust. I en pilotundersøgelse registreret de kortikale svar til MT bruger fMRI i en deltager med lavere-lemmer amputation af venstre ben (mand, 56 år gammel, traumatisk amputation i underbenet under knæet) følgende opgave protokollen beskrevet ovenfor. Sammenligning ben bevægelse versus resten betingelse resulterede i en robust aktivering indenfor den sensorimotor repræsentation af benet af de kontralaterale (dvs., venstre) halvkugle. Ipsilaterale kortikale aktivering blev observeret inden for området sensorimotor ben (figur 4A). Spejl betingelse versus resten tilstand også bekræftet robust kontralaterale samt ipsilaterale aktivering af kortikale ben sensorimotor repræsentation. Derudover robust kortikale aktivering var set med posterior occipital (dvs. visuel) kortikale områder forbundet med visning af det projicerede billede af den bevægelige ben.

Mønstre af aktivering beskrevet repræsenterer aktiveringer på den hidtidige tilstand, det vil sige ved indledningen af perioden terapi. De første reaktioner tjener til at definere den oprindelige aktivering for bestemmelsen af regioner af interesse (ROIs), og en efterfølgende sammenligning efter MT-protokollen er gennemført i hver enkelt.

Figure 4
Figur 4 : Repræsentativt eksempel på de kortikale aktiveringer svar på spejl terapi i MR-scanneren. (A) sammenligne ben bevægelse versus resten betingelse resulterede i en robust aktivering indenfor den sensorimotor repræsentation af benet af de kontralaterale (dvs., venstre) og ipsilaterale cortex. (B) spejl betingelsen versus resten tilstand også bekræftet en robust kontralaterale og ipsilaterale aktivering af kortikale ben sensorimotor repræsentation samt occipital (dvs. visuelle) kortikale aktivering tilknyttet visning af projicerede billede af den bevægelige ben. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Denne protokol beskriver en roman, gennemførlig procedure, der giver efterforskerne til præcist beskrive de neurale korrelerer forbundet med MT hos personer med PLP.

Som tidligere nævnt, tidligere undersøgelser har forsøgt at undersøge de neurale korrelerer forbundet med MT behandling ved at inkorporere forskellige teknikker såsom videooptagelse, virtual reality og forudoptaget animationer9,33 ,34. Disse tilgange har dog været begrænset med hensyn til effektiviteten37,38,39. I den protokol, der er skitseret her, vil vi indarbejde enkle, kommercielt tilgængelige og billige elementer for at skabe et liv-lignende og fordybende sensation forbundet med MT i Mr-miljøet. Alle det anvendte udstyr kan er Mr kompatibel (dvs, nonferromagnetic materialer) og nemt justeres og ændres for den enkelte. De centrale elementer består af tre vigtigste subpart: (1) video kamera og monitor; (2) reflekterende spejl knyttet til hovedet spolen; (3) den store reflekterende spejl og understøtter. Videoen overføres til skærmen, så emnet kan se benbevægelser ben og spejl i realtid. Orientering af spejl i hovedet spolen kan deltageren til at få vist skærmen mens liggende liggende og uden overdreven bevægelse af hovedet. Spejlet er justeret til fagets amputerede benlængde ved hjælp af en Højdejusterbar fod for at undgå enhver kontakt med deltagerens ben. Fra en dataopsamling og analyse synspunkt, er funktionelle neuroimaging data analyseret ved hjælp af standard teknikker (dvs., region af interesse analyse) med særlig vægt på en præ-post langsgående design30,41.

Udover den virkelige fordybende sensation til deltageren, er en anden fordel ved denne protokol, at systemet kan justeres med henblik på visning af forskellige lemmer (øvre og nedre) og kan bruges til at teste enhver kombination af bevægeapparatet.

Fordybende fornemmelsen af den video transmission er en vigtig faktor, når det kommer til at generere en potentiel terapeutisk effekt af MT. Brugen af real-time video fanget af den video kameraet kan som præsenteres her være overlegen i forhold til tidligere metoder såsom edb billeder, virtuelle virkelighed eller optagede billeder. Vi dog ikke sammenligne denne teknik med visuelle illusion ones. Desuden, en tidligere undersøgelse i raske deltagere evalueret funktionel hjerne aktivering efter udførelse af en opgave med en konventionel spejlboksen og en virtual-reality-projiceret billede af overekstremiteterne. I resultaterne af denne undersøgelse, Diers og samarbejdspartnere fandt ingen forskelle mellem livagtighed eller opfattede ægtheden af illusion mellem visuelle virkelighed illusion og spejl box terapi18.

På den anden side, denne protokol har også sine begrænsninger og udfordringer forbundet med det: på grund af karakteren af ben bevægelse, bevægelse artefakter (dvs., forbundet med overdreven hoved bevægelse) kan kompromittere datakvalitet. Selv om patienten er tilladt at se en projicerede levende billede af deres egne lemmer, mangler protokollen et spørgeskema for at korrekt vurdering livagtighed og fordybelse, at deltageren mener, mens de gennemgår opgaverne. Derudover vi ikke sammenligne opgaven udføres i denne teknik med andre strategier, såsom visuelle stimuli kun af en optagelse af ben bevægelse uden at patienten faktisk udfører en bevægelse eller en virtuel virkelighed imaging projektion af en lavere lemmer flytning. Dette skete især fordi det ikke var målet med denne protokol, og fordi der er tidligere undersøgelser, der allerede har undersøgt og sammenlignet disse interventioner og viste ingen forskel i mønsteret for aktivering, samt ingen forskel i livagtighed af opgaven mellem interventioner, som nævnt ovenfor18. Derudover for at overvinde udfordringer relateret til bevægelse, ansat vi nuværende state-of-the-art motion detection og berigtigelse strategier26. For yderligere at forbedre datakvaliteten, nye strategier (f.eks. fysiske begrænsninger placeret omkring fagets hofter til at hjælpe med at isolere ben bevægelse) efterstræbes. Endelig, hvad angår ændring og fejlfinding, vi oprindeligt havde en fast kamera står der ikke tillade os at indhente og tilstrækkeligt fange patientens nedre lemmer refleksion i spejlet; imidlertid var udnytter et justerbart stativ, vi i stand til at opnå den mest præcise og nøjagtige billede transmission. Derudover i løbet af de første trin i udviklingen af protokollen var spejl stand skrøbelig og faldt let med en mild bevægelse. Dette blev overvundet, når sandsække blev føjet til at give stabilitet til spejl montage.

Endelig, da lethed, hvormed gennemførelsen opsætningen af eksperimenterende, denne tilgang kan tillade evaluering af virkningerne af MT i lemmer amputerede, men også i andre forhold, som denne behandling metode, såsom slagtilfælde og rygmarv skade.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Denne undersøgelse blev støttet af en NIH RO1 tilskud (1R01HD082302).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Scanner Phillips NA 3 Tesla Philips Acheiva MRI scanner
Camera Logitech NA HD Pro Webcam C910
Monitor Cambridge Research Systems NA  3D BOLD screen for MRI
Mirror TAP Plastics 99999 Mirrored Acrylic Sheets (Cut­to­Size) ­ Clear 1/8 (.118)" Thick, 10" Wide, 40" Long
Mirror stand NA Mirror stand was built by the co-investigators from a rectangular piece of wood
Headphones Westone Sensimetrics PN 79245 Replacement comply foam tips for universal-fit earphones. Canal size: Standard 6 pieces/ 3 pair 
MR compatible in ear headphones
MRI Scanner Phillips 3.0 T Philips Achieva System 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Louis, E. D., York, G. K. Weir Mitchell’s observations on sensory localization and their influence on Jacksonian neurology. Neurology. 66, (8), 1241-1244 (2006).
  2. Weinstein, S. M. Phantom Limb Pain and Related Disorders. Neurologic Clinics. 16, (4), 919-935 (1998).
  3. Rudy, T. E., Lieber, S. J., Boston, J. R., Gourley, L. M., Baysal, E. Psychosocial Predictors of Physical Performance in Disabled Individuals With Chronic Pain. The Clinical Journal of Pain. 19, (1), 18-30 (2003).
  4. Whyte, A. S., Carroll, L. J. A preliminary examination of the relationship between employment, pain and disability in an amputee population. Disability and Rehabilitation. 24, (9), 462-470 (2002).
  5. Flor, H., Diers, M., Andoh, J. The neural basis of phantom limb pain. Trends in Cognitive Sciences. 17, (7), 307-308 (2013).
  6. Flor, H., Nikolajsen, L., Staehelin Jensen, T. Phantom limb pain: a case of maladaptive CNS plasticity? Nature Reviews. Neuroscience. 7, (11), 873-881 (2006).
  7. Lotze, M., Flor, H., Grodd, W., Larbig, W., Birbaumer, N. Phantom movements and pain. An fMRI study in upper limb amputees. Brain: A Journal of Neurology. 124, (Pt 11), 2268-2277 (2001).
  8. Foell, J., Bekrater-Bodmann, R., Diers, M., Flor, H. Mirror therapy for phantom limb pain: Brain changes and the role of body representation. European Journal of Pain (United Kingdom). 18, (5), 729-739 (2014).
  9. Subedi, B., Grossberg, G. T. Phantom limb pain: Mechanisms and treatment approaches. Pain Research and Treatment. 2011, (2011).
  10. Elbert, T., et al. Extensive reorganization of the somatosensory cortex in adult humans after nervous system injury. NeuroReport. 5, (18), 2593-2597 (1994).
  11. Diers, M., Christmann, C., Koeppe, C., Ruf, M., Flor, H. Mirrored, imagined and executed movements differentially activate sensorimotor cortex in amputees with and without phantom limb. Pain. 149, (2), 296-304 (2010).
  12. Chan, B. L., et al. Mirror therapy for phantom limb pain. The New England Journal of Medicine. 357, (21), 2206-2207 (2007).
  13. Flor, H., Knost, B., Birbaumer, N. Processing of pain- and body-related verbal material in chronic pain patients: central and peripheral correlates. Pain. 73, (3), 413-421 (1997).
  14. Flor, H., Braun, C., Elbert, T., Birbaumer, N. Extensive reorganization of primary somatosensory cortex in chronic back pain patients. Neuroscience Letters. 224, (1), 5-8 (1997).
  15. Bolognini, N., Russo, C., Vallar, G. Crossmodal illusions in neurorehabilitation. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 9, (August), (2015).
  16. Senna, I., Russo, C., Parise, C. V., Ferrario, I., Bolognini, N. Altered visual feedback modulates cortical excitability in a mirror-box-like paradigm. Experimental Brain Research. 233, (6), 1921-1929 (2015).
  17. Ambron, E., Miller, A., Kuchenbecker, K. J., Buxbaum, L. J., Coslett, H. B. Immersive low-cost virtual reality treatment for phantom limb pain: Evidence from two cases. Frontiers in Neurology. (2018).
  18. Diers, M., et al. Illusion-related brain activations: A new virtual reality mirror box system for use during functional magnetic resonance imaging. Brain Research. 1594, 173-182 (2015).
  19. Makin, T. R., et al. Phantom pain is associated with preserved structure and function in the former hand area. Nature Communications. 4, 1570 (2013).
  20. Darnall, B. D., Li, H. Home-based self-delivered mirror therapy for phantom pain: A pilot study. Journal of Rehabilitation Medicine. 44, (3), 254-260 (2012).
  21. Rothgangel, A. S., Braun, S. M., Beurskens, A. J., Seitz, R. J., Wade, D. T. The clinical aspects of mirror therapy in rehabilitation: a systematic review of the literature. International Journal of Rehabilitation Research. 34, (1), 1-13 (2011).
  22. Griffin, S. C., et al. Trajectory of phantom limb pain relief using mirror therapy: Retrospective analysis of two studies. Scandinavian Journal of Pain. 15, 98 (2017).
  23. Tsao, J. W., Finn, S. B., Miller, M. E. Reversal of phantom pain and hand-to-face remapping after brachial plexus avulsion. Annals of Clinical and Translational Neurology. 3, (6), 463-464 (2016).
  24. Tung, M. L., et al. Observation of limb movements reduces phantom limb pain in bilateral amputees. Annals of Clinical and Translational Neurology. 1, (9), 633-638 (2014).
  25. Datta, R., Dhar, M. Mirror therapy: An adjunct to conventional pharmacotherapy in phantom limb pain. Journal of Anaesthesiology, Clinical Pharmacology. 31, (4), 575-578 (2015).
  26. Kim, S. Y., Kim, Y. Y. Mirror therapy for phantom limb pain. The Korean Journal of Pain. 25, (4), 272-274 (2012).
  27. Halligan, P. W., Zeman, A., Berger, A. Phantoms in the brain. Question the assumption that the adult brain is “hard wired“. BMJ (Clinical Research ed.). 319, (7210), 587-588 (1999).
  28. Flor, H., et al. Phantom-limb pain as a perceptual correlate of cortical reorganization following arm amputation. Nature. 375, (6531), 482-484 (1995).
  29. Genius, J., et al. Mirror Therapy:Practical Protocol for Stroke Rehabilitation. Pain Practice. 16, (4), 422-434 (2013).
  30. Forman, S. D., et al. Improved assessment of significant activation in functional magnetic resonance imaging (fMRI): use of a cluster-size threshold. Magnetic Resonance in Medicine. 33, (5), 636-647 (1995).
  31. Pinto, C. B., et al. Optimizing Rehabilitation for Phantom Limb Pain Using Mirror Therapy and Transcranial Direct Current Stimulation: A Randomized, Double-Blind Clinical Trial Study Protocol. JMIR Research Protocols. 5, (3), e138 (2016).
  32. Goense, J., Bohraus, Y., Logothetis, N. K. fMRI at High Spatial Resolution: Implications for BOLD-Models. Frontiers in Computational Neuroscience. 10, 66 (2016).
  33. Khor, W. S., et al. Augmented and virtual reality in surgery—the digital surgical environment: applications, limitations and legal pitfalls. Annals of Translational Medicine. 4, (23), 454 (2016).
  34. Nosek, M. A., Robinson-Whelen, S., Hughes, R. B., Nosek, T. M. An Internet-based virtual reality intervention for enhancing self-esteem in women with disabilities: Results of a feasibility study. Rehabilitation Psychology. 61, (4), 358-370 (2016).
  35. Henry, J. Virtual Reality in 2016: Its Power and Limitations. Medium. (2016).
  36. Renner, R. S., Velichkovsky, B. M., Helmert, J. R. The perception of egocentric distances in virtual environments - A review. ACM Computing Surveys. 46, (2), 1-40 (2013).
  37. Huang, M. P., Alessi, N. E. Current limitations into the application of virtual reality to mental health research. Studies in Health Technology and Informatics. (1998).
  38. Ballester, B. R., et al. Domiciliary VR-Based Therapy for Functional Recovery and Cortical Reorganization: Randomized Controlled Trial in Participants at the Chronic Stage Post Stroke. JMIR Serious Games. 5, (3), e15-e15 (2017).
  39. Bower, K. J., et al. Clinical feasibility of interactive motion-controlled games for stroke rehabilitation. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 12, 63 (2015).
  40. Reed, S. K. Structural descriptions and the limitations of visual images. Memory & Cognition. 2, (2), 329-336 (1974).
  41. Boynton, G. M., Engel, S. A., Glover, G. H., Heeger, D. J. Linear Systems Analysis of Functional Magnetic Resonance Imaging in Human V1. The Journal of Neuroscience. 16, (13), 4207-4221 (1996).
  42. Jenkinson, M., Beckmann, C. F., Behrens, T. E. J., Woolrich, M. W., Smith, S. M. FSL. NeuroImage. 62, (2), 782-790 (2012).
  43. Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, (Supple), S208-S219 (2004).
  44. Siegel, J. S., et al. Statistical Improvements in Functional Magnetic Resonance Imaging Analyses Produced by Censoring High-Motion Data Points. Human Brain Mapping. 35, (5), 1981-1996 (2014).
  45. Desikan, R. S., et al. An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest. NeuroImage. 31, (3), 968-980 (2006).
Real-time Video projektion i en MR-scanning til karakterisering af neurale korrelerer forbundet med spejl terapi for fantomsmerter i lemmer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Saleh Velez, F. G., Pinto, C. B., Bailin, E. S., Münger, M., Ellison, A., Costa, B. T., Crandell, D., Bolognini, N., Merabet, L. B., Fregni, F. Real-time Video Projection in an MRI for Characterization of Neural Correlates Associated with Mirror Therapy for Phantom Limb Pain. J. Vis. Exp. (146), e58800, doi:10.3791/58800 (2019).More

Saleh Velez, F. G., Pinto, C. B., Bailin, E. S., Münger, M., Ellison, A., Costa, B. T., Crandell, D., Bolognini, N., Merabet, L. B., Fregni, F. Real-time Video Projection in an MRI for Characterization of Neural Correlates Associated with Mirror Therapy for Phantom Limb Pain. J. Vis. Exp. (146), e58800, doi:10.3791/58800 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter