Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Sanntid videoprojeksjon i MRI for kategorisering av nevrale korrelerer knyttet speil terapi for Phantom lem smerte

Published: April 20, 2019 doi: 10.3791/58800
Automatic Translation
1,2, 1,3, 4, 1, 5, 1, 6, 7,8, 4, 1
1Laboratory of Neuromodulation & Center for Clinical Research Learning, Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Harvard Medical School, Spaulding Rehabilitation Hospital, 2University of Chicago Medical Center, Department of Neurology, University of Chicago, 3Department of Neuroscience and Behavior, Psychology Institute, University of Sao Paulo, 4The Laboratory for Visual Neuroplasticity, Department of Ophthalmology, Massachusetts Eye and Ear Infirmary, Harvard Medical School, 5Center for Biomedical Imaging, Department of Anatomy and Neurobiology, Boston University School of Medicine, 6Spaulding Rehabilitation Hospital, Harvard Medical School, 7Department of Psychology & Milan Center for Neuroscience, University of Milano-Bicocca, 8Neuropsychological Laboratory, Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico (IRCCS) Istituto Auxologico Italiano

Summary

Vi presenterer en roman kombinert atferdsmessige og neuroimaging protokollen ansette sanntid videoprojeksjon for å karakterisere nevrale korrelerer forbundet med speil terapi i magnetisk resonans imaging skanner miljøet i beinet Amputee fag med phantom lem smerte.

Abstract

Mirror terapi (MT) har blitt foreslått som en effektiv rehabiliterende strategi å lindre smerte symptomer i amputerte med phantom lem smerter (PLP). Imidlertid å etablere nevrale korrelerer med MT terapi har vært utfordrende gitt at det er vanskelig å administrere behandling effektivt innenfor et magnetisk resonans imaging (MRI) skanner miljø. Betegner funksjonelle organiseringen av kortikale områder tilknyttet denne rehabiliterende strategien, har vi utviklet en kombinert opptreden og funksjonelle neuroimaging protokoll som kan brukes i deltakere med en Ben amputasjon. Denne romanen tilnærming kan deltakerne å gjennomgå MT i Mr skanner miljøet ved å vise sanntid video bilder fanget av et kamera. Bildene kan vises av deltakeren gjennom et system av speil og en skjerm som deltakeren utsikt mens du ligger på skanneren. På denne måten kan funksjonelle endringer i kortikale områder av interesse (f.eks sensorimotor cortex) karakteriseres som svar på direkte bruk av MT.

Introduction

PLP refererer til følelsen av smerter oppleves i området som mangler lem postamputation1,2. Denne tilstanden er en betydelig kroniske helsevesenet byrden og kan ha en dramatisk innvirkning på en persons livskvalitet3,4. Det har blitt foreslått at endringer i hjernens struktur og spiller en grunnleggende rolle i utviklingen og neuropathophysiology av PLP5,6. Imidlertid forblir underliggende nevrale korrelerer hvordan utvikle smerter symptomene og hvordan de kan lindres i respons på behandling ukjent. Denne mangelen på informasjon er hovedsakelig på grunn av tekniske utfordringer og begrensninger forbundet med å utføre en gitt terapeutisk tilnærming innenfor betingelsene for en neuroimaging miljø som Mr5,7,8 .

Resultater fra en rekke studier attributt utviklingen av PLP til mistilpasset neuroplastic omorganisering forekommende i sensorimotor halvdelene, samt i andre områder av hjernen. For eksempel har det vært vist at etter amputasjon av en lem, det er en endring i tilsvarende sensorimotor kortikale representasjon for nærliggende områder. Resultatet starte naboområdene tilsynelatende invadere soner som tilsvarer amputert lem9,10. For å lindre smerte symptomer assosiert med PLP, kan behandlinger som MT eller motor bilder være effektive9,11,12. Det anbefales at lindring av symptomer oppstår åpenbart gjennom kryss-modalt gjeninnføring av afferente innganger, levert av observasjon av speil reflektert bilder fra nonaffected lem12,13, 14,15,16,17. Gjennom disse bildene kan deltakerne visualisere refleksjon av motsatt lem i stedet for den som har blitt amputert, dermed skaper en illusjon at begge bena fortsatt. Den illusjon og fengslende effekter ble tidligere studert av Diers et al. i sunn fag som en sammenligning av funksjonelle aktivisering gjennom funksjonell MRI (fMRI) ble evaluert etter under en aktivitet med en vanlig speilhuset eller virtuell 18. nevrale korrelerer knyttet reversering av mistilpasset neuroplastic endringene og lindring av symptomer beholdes imidlertid dårlig forstått. I tillegg den underliggende mekanismen av PLP er fortsatt et tema av forskning som klart underliggende physiopathologic endring av PLP er fortsatt ufullstendig belyst mens kontroversielle funnene har vært avdekket5, 19. Som nevnt ovenfor, attributt flere forfattere utviklingen av smerte til deafferentation og kortikale omorganisering av berørte hjernen område (område på amputert lem)6,7,8; men ble overfor resultater beskrevet av Makin og samarbeidspartnere som smerte er knyttet til bevaring av hjernens struktur og smerte er tilskrevet en reduksjon interregionalt funksjonelle tilkobling19. I lys av disse kontroversielle og funn tror vi at romanen tilnærming presenteres her vil bringe mer relevant informasjon til studiet av PLP og vil tillate forskere å evaluere effekten av MT i et levende miljø med graden av hjernen aktivisering mens sammenligne dem med nivåer av smerte vurdert i våre full protokollen19.

Tidligere litteratur om dette emnet har vist at MT er en av de mest passende behavioral terapi for behandling av PLP på grunn av dens enkel implementering og lave kostnader12. Faktisk har tidligere studier av denne teknikken vist bevis av en tilbakeføring av mistilpasset endringer i primære sensorimotor cortex i amputerte med PLP8,20,21. Selv om MT er kanskje en den rimeligste og mest effektive måten å behandle PLP12,22,23,24, er flere studier nødvendig for å bekrefte disse effektene siden noen pasienter ikke svare på denne typen behandling8 , og det er mangel på større randomiserte kliniske studier som gir høy-evidensbasert resultater25.

En av hypoteser som MT kan redusere PLP er knyttet til det faktum at speilbilde av ikke-amputert bolen bidrar til å reorganisere og integrere misforholdet mellom Propriosepsjon og visuell tilbakemelding26. De underliggende mekanismene MT kan knyttes til hjemfall mistilpasset tilordnet somatosensory8,27,28.

For MT er fagene nødvendig å utføre flere motoriske og sensoriske oppgaver ved hjelp av deres intakt lem (f.eks refleksjoner og extension) mens observere denne effekten i et speil ligger i midtlinjen deltakerens kroppen, og dermed skape en levende og nøyaktig representasjon av bevegelse innenfor området amputert lem29.

For å videreutvikle vitenskapelig forståelse av patofysiologi aspekter involvert i PLP, det er viktig å bedre karakterisere underliggende neuroplastic endringene som resulterer fra lem amputasjoner, i tillegg til forbedring av smerte symptomer som MT. I denne forbindelse neuroimaging teknikker, som fMRI, har dukket opp som kraftige verktøy for å belyse pathophysiologic mekanismer knyttet kortikale omorganisering og gi hint mot optimalisere rehabilitering av personer med PLP i klinisk sammenheng30,31. Videre høy romlig oppløsning by av fMRI (sammenlignet med Elektroencefalogram, for eksempel) gir mer nøyaktig kartlegging av hjernen responser, som finger og siffer representasjoner i sensorimotor cortex med andre regioner de hjerne32.

Hittil nevrofysiologi tilknyttet MT forblir unnvikende skyldes i stor grad på utfordringene utføre prosedyren i skanner miljøet (dvs. det er vanskelig for en privatperson å utføre behandlingen mens du ligger i skanneren). Her vi beskriver en metode som tillater en person å observere egne ben bevegelser i sanntid mens liggende ryggen i smale confines av skanneren bar. En nøyaktig rekreasjon av levende og oppslukende følelsen brakt frem av terapi kan gjenskapes ved hjelp av et videokamera som fanger sanntid bilder av bevegelige beinet, og et system av speil og en skjerm som kan vises direkte ved studie deltakeren.

Tidligere studier har forsøkt å innlemme teknikker som videoopptak, virtuell virkelighet og forhåndsinnspilt animasjoner som betyr å presentere visuelle stimulans og omgå disse tekniske utfordringer9,16,33 ,34. Likevel, disse teknikkene har blitt begrenset i deres effektivitet35,36,37,38,39. I tilfellet av benytter en forhåndsinnspilt video, det er en ofte dårlig synkronisering mellom deltakernes bevegelser og de av videoen, samt mangel på timing nøyaktighet, som fører til en dårlig realistisk inntrykk som enkeltperson egen Ben er i bevegelse. For å forbedre denne forstand sensorimotor nedsenking, forsøkt andre teknikker, for eksempel virtuell virkelighet og digitalisert animasjoner. Likevel, de har unnlatt å genererer visuelt overbevisende opplevelser på grunn av en lav bildeoppløsning, et begrenset synsfelt, urealistisk eller nonnatural menneske-lignende bevegelser og tilstedeværelsen av bevegelse lag (dvs. desynchronization av bevegelsen). I tillegg, hindrer mangel på en nøyaktig modellering kombinert med dårlig kontroll over andre funksjoner, som effekter av friksjon, fart og tyngdekraften, oppfatningen av en levende og oppslukende føler40. Derfor for amputerte, er det verdt å utforske strategier for å sikre at fag er engasjert i kognitiv oppgaven (observasjon) og oppslukende på illusjonen av amputert lemmer bevegelse. Til slutt, de nødvendige ressursene for å utvikle og implementere disse komplekse strategier kan være tidkrevende og/eller koste uoverkommelige.

Vi beskriver en ny tilnærming som vi tror skaper en realistisk og levende følelse av nedsenking der deltakeren kan se en live og sanntid video av en bildet av sin egen lem mens de utfører en økt MT31. Denne tilnærmingen utføres mens enkelt ligger i skanner bar og uten betydelige kostnader eller omfattende teknisk utvikling.

Denne protokollen er en del av National Institutes of Health (NIH) forskning prosjekt stipend (RO1)-sponset klinisk studie som evaluerer effekten av kombinasjonen av en neuromodulatory teknikk, nemlig Transkraniell likestrøm stimulering (tDCS), med en atferdsterapi (speilet terapi) for å avlaste phantom lem smerte31. Vi vurdere endringer i visuell analog skalaen (VAS) for smerte ved baseline, tidligere, og etter hver intervensjon økt. fMRI brukes som en neurophysiologic verktøy for å evaluere strukturelle endringer i hjernefunksjon og dets sammenheng med lindring av PLP. Derfor oppnås en innledende fMRI for å ha et planlagt kart over strukturelle organiseringen av deltakerens hjernen, som enten viser at det er kortikale mistilpasset omorganisering5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28 eller at det ikke er19; på samme måte, kan forskeren observere hvilke områder aktiveres ved baseline oppgaven med MT for å forstå områdene aktivisering svar på MT; Endelig er det mulig å få en andre fMRI postintervention å se hvis endringer (modulation) har blitt generert i kortikale reorganiseringen etter den kombinerte terapien med tDCS og MT og analysere Hvis endringene er korrelert eller forbundet med graden av smerte endre. Derfor denne protokollen tillater forskere å evaluere omorganisering strukturelle endringer i pasienter med PLPs under MT og hjelper dem å forstå hvis disse endringene i fMRI er knyttet til endringer i PLP, derfor gir tilleggsinformasjon om Hvordan påvirker MT strukturelle og funksjonelle hjerneaktiviteten endre phantom smerte.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. forberedelse av faget

  1. Før deltakelse, har deltakeren fullføre et samtykke skjema og en MRI sikkerhet screening evaluering, sistnevnte utført av neuroimaging teknikeren på skanning anlegget, slik at deltakeren ikke har noen kjente kontraindikasjoner til skannes (f.eks metall i kroppen, en historie av klaustrofobi, eller graviditet).
  2. Gi deltakeren detaljerte instruksjoner med hensyn til den eksperimentelle prosedyren.
  3. Har emnet lytte til en Instruksjonsvideo innspilt lyd slik at de er i stand til å forstå og følge instruksjonene under skanning prosedyren.
  4. Utføre en praksis i en uekte skanner å lette familiarisering av oppgaveinstruksjoner fra skanner-miljøet.
    Merk: Mock skanneren ligner på alle måter virkelige data-innhenting MRI skanneren, men uten den aktive magneten.
  5. Gi klare instruksjoner til deltakeren å unngå alle bevegelser av rester og phantom lem å unngå noen sammentrekninger av stump musklene som kan forstyrre signalet som hjernen.

2. forberedelse av eksperimentet

Merk: Eksperimentell protokollen er lik hva har vært beskrevet tidligere for å undersøke nevrale korrelerer med mentale bilder av bevegelige øvre lemmer. Her har vi tilpasset tilnærming til bevegelsen av lavere lemmer. Spesielt består atferdsmessige aktivitetene av følgende.

  1. Før skanner rommet, ber du deltakeren å fjerne deres protesen og metall objekter.
  2. Har Mr teknikeren at deltaker har ingen metall på kroppen kan sette dem i fare.
  3. Transport deltakeren til Mr rommet i en MRI-kompatible rullestol; etter det, kan du spørre deltakeren å overføre seg selv til skanneren MRI.
  4. For MT, komfortabelt plass et enkelt-brikke, MRI-kompatibel, vannrette speil (10.000 mm x 255 x 3 mm) støttes av en trekantet stå mellom bena på deltakeren mens de ligger supine på skanneren. Bruke sandsekker slik at stabilitet og en bedre plassering av speilet. Koble speil standen til en justerbar arm slik at det kan være plassert i henhold til emnet høyde og posisjonering uten å kontakte noen del av kroppen ( figur 1).

Figure 1
Figur 1 : Videokameraet og speil satt opp Speilet er plassert mellom beina i en vinkel på ca 45°, avhengig av deltakerens høyde og amputasjon nivå. Målet er å dekke det gjenværende lemmet og gjøre den usynlig til video systemer. Sandsekker brukes til å holde speilet i riktig posisjon. Kameraet posisjonering er også fleksible og kan enkelt endres ved hjelp av stativ eller den tilpasningsdyktige hock (endrer vinkelen på kameraet). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. For visuell tilbakemelding, kan du montere en MRI-kompatibel digital kameraet på en justerbare stativet stå nær intakt etappe av deltakeren ( figur 1).
    Merk: Kameraet brukes er oppført i Tabellen av materialer og koster ca 217 dollar. Kameraet kjøper bilder i 1,080 piksler bildeoppløsning. Siden selve kameraet ikke var plassert innsiden av Mr bar, det er ikke behov for costlier MRI-kompatible systemer. Kameraet er festet til en Mr-trygt IV-stativ via en svanehals modulære slange aktivere posisjonering endringer.
  2. Koble kameraet til et stativ, slik at riktig justering av betraktningsvinkel og synsfelt.
  3. Plass et andre speil på Mr hodet spolen, slik at deltakeren å vise bildet presentert på skjermen direkte mens liggende helt i skanneren bar ( figur 2).

Figure 2
Figur 2 : Skjematisk videokamera og bilde projeksjon i skanner miljøet. Sanntid video projeksjon av speil terapi systemet består av tre delsystemer. 1) kamera og skjerm-delsystemet. Videoen sendes til skjermen, slik at emnet kan se ben og speil benet bevegelser i sanntid. 2) hodet coil med speilet knyttet. Speilet i hodet spolen lar deltakeren å se skjermen uten å flytte hodet. Speilet er en vinkel på 45 grader i øyehøyde. 3) speilet og sandsekker. MRI-kompatible speilet er nøye plassert mellom bena og det gjenværende lemmet på en måte at den dekker det gjenværende lemmet og gir best bilde skal vises. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Definere sanntid videobildet overføring gjennom en datastyrt system og prosjekt på en skjerm som er plassert på baksiden skanneren bar (nær hodet av deltakeren).
    Merk: Det er ingen oppfattes tidsforsinkelsen mellom prosjektering og fanget selve bevegelse. Den faktiske bevegelsen og den visuelle tilbakemeldingen er atskilt med mindre enn et sekund som ikke forstyrrer i sanntid følelsen, som nevnt av deltakere.

3. skanning og datainnsamling

  1. Erverve fMRI data med en 3 T skanner med en 8-kanals faset array hodet coil.
  2. Få tenkelig sekvenser med T1-vektet strukturelle oppløsning (TE: 3.1 ms, TR: 6.8 ms, snu vinkel: 9°, isotropic 1 mm voxel størrelse) (anatomiske skanning), og blod-oksygen-nivå-avhengige (fet) fMRI signal mål med en protokoll basert multislice gradert (fast-feltet) echo-Plane imaging (EPI) og standard parametere (TE: 28 ms, TR: 2 s, snu vinkel: 90°, isotropic 3 mm voxel størrelse, orientert aksialt og dekker hele hjernen).
    Merk: Hele skanning prosedyren varer ca 30 min. Dette inkluderer en første 4 min strukturelle (anatomiske) skanning og fire oppgave (funksjonell) oppkjøp varer 6 min. For hver aktivitet (funksjonell acquisition), er pasienten ventet å tappe deres fot med en hastighet på 1 Trykk hvert sekund.
  3. Under skanner, har deltakeren bruke lydisolerende MRI kompatibelt hodetelefoner (f.eks Westone) i løpet av skanning sesjonen å høre den investigator auditory kommandoer.
  4. Mens pasienten ligger i skanneren, spille av lydspor slik at deltakeren hører en serie med auditory signaler for å utføre den angitte opptreden oppgaven.
  5. Bruk følgende kommandoer: 1) "bein" for bevegelsen av den amputerte ben (se notatet etter trinn 3.11); 2) "speilet" for bevegelse av intakt benet mens du viser en sanntids video-opptak (dermed observere bevegelsen av en etappe i plasseringen av den amputerte foten bruke speilet); 3) "hvile" som deltakeren stopper eventuelle beinet bevegelser og ligger ubevegelig med øynene lukket. I tillegg har etterforskeren sier "start" og "Avslutt" for å betegne begynnelsen og slutten av eksperimentelle flukt, henholdsvis ( Figur 3).

Figure 3
Figur 3 : Oppgaven design. Den aktiviteten består av tre trinn. Under det første "beinet" skrittet, emnet er instruert å flytte beinet (bøye foten) tempo om en bevegelse hver 2 s (10 bevegelsene i 20 s), med øynene lukket. For det andre trinnet "speilet" deltakeren har å flytte beinet (10 bevegelsene i 20 s) mens du ser på skjermen viser online sanntid speilbilde av bena. Det siste trinnet angir at faget for å hvile.

  1. Har deltakeren utføre en bevegelse med nonamputated leggen med øynene lukket (dvs. gjentatte plantar strekking og dorsal refleksjoner av foten tempo omtrent ett trykk per 2-3 s).
  2. Har deltakeren utføre samme beinet bevegelse, men nå deltakeren observerer et speilbilde av sin etappe flytte i den amputerte foten med sanntid videoopptak av bevegelse av intakt beinet.
  3. Har deltakeren utføre resten betingelse, der han legger fortsatt med ingen bevegelse av bena.
    Merk: Hver betingelse varer 20 s (dvs. en eksperimentell blokk = 60 s) i kjørelengde tid på 6 min (seks repetisjoner av eksperimentelle kjøringen per blokk).
  4. Samle inn data i én økt for hver deltaker.
  5. Instruere etterforskeren notere noen uønskede bevegelser, og mellom den går, å instruere deltakerne å holde riktig tempo og bevegelser.
  6. Kontroller at når prosedyrer er utført, etterforskeren overfører data til en kryptert flashdisk og lagrer den på et sikkert sted i anlegget.
    Merk: I denne protokollen, er ordet "beinet" brukes i stedet for ordet "fot". Selv om deltakerne bare gjør fot bevegelser (på grunn av begrensninger fra Mr-maskin), de fleste av dem har en større del av lavere lem amputert og kalles etappe amputerte, ikke foten.

4. analyser

  1. Analysere funksjonelle neuroimaging data bruker standardmetoder30,41, med langsgående analyse design (planlagt og posttreatment) og behandling stream FMRIB programvare bibliotek (FSL) programvare pakken42 ,43.
    1. Hver funksjonelle skanning, utføre 3D motion korrigering ved hjelp første volum justeringen, høypass-filtrering for å fjerne timelige lineære trender og utføre en korreksjon for skive engangskjøp og romlig utjevning (Gaussian kjernen, 5.0 mm full bredde på halv maksimalt [FWHM]).
      1. Merk volumer med en bevegelse over 0,9 mm i alle retninger med FSLS bevegelse avvikende oppdagelsen behandling strøm og matematisk "skrubbe" dem fra den endelige analysen44.
        Merk: Hvis mer enn 25% av volumene er angitt for fjerning, hele oppkjøpet bør utelukkes fra den totale datasettet.
    2. Coregister hver av preprocessed funksjonelle bilder til høy oppløsning anatomiske og deretter bringe dem i standard Talairach plass.
    3. Passe en generell lineær modell (GLM) til et voxel tid kurs der hver eksperimentelle tilstand er modellert av en boxcar regressor som bør være glattet med dobbel-gamma hemodynamic svar funksjon.
    4. Bruk den høyoppløselige anatomiske T1-vektet anatomiske volum å konstruere en oppblåst kortikale overflate nett for å se sulcal aktivisering, og deretter prosjekt individuelle emne kart for hver kontrast rundt på emnet er rekonstruert maske.
      Merk: Anslagene skal vise de signifikante verdiene fra GLM. Angi statistisk signifikans verdien terskelen på standard nødvendighetskriteriet p < 0,001 korrigert for flere sammenligninger, en klynge-size terskel justeringen.
  2. Gjennomføre en region av interesse (ROI) analyse.
    1. Definer primære Avkastningen forstand med Freesurfer's Desikan atlas45 på primære sensorimotor cortex, og deretter forbedre det for hvert emne ved å bruke fagspesifikke funksjonelle aktivering under etappe vs hvile tilstand planlagte skanningen.
    2. Gjenspeile raffinert primære Avkastningen til homologe området av motsatt halvkule (dvs. ipsilateral primære sensorimotor representasjon av intakt lavere lem).
    3. Bruk standard FreeSurfer anatomiske Desikan atlas45 for å definere i hele (bilaterale) occipital hjernebarken for sekundær Avkastningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Genererer følelsen tilknyttet MT bruker sanntid videoprojeksjon er mulig. Deltakerne har subjektivt rapportert at videobildet oppfattet er livaktig og følelsen er oppslukende.

Videre er mønstre av kortikale aktivisering tilknyttet MT (dvs. bevegelse av beinet og visning speilet bildet) i skanner miljøet robust. I en pilotstudie, ble kortikale svar MT registrert ved hjelp av fMRI i en deltaker med lavere lem amputasjon av venstre ben (mannlig, 56 år gammel, traumatisk amputasjon av leggen under kneet) følgende oppgave protokollen beskrevet ovenfor. Sammenligne beinet bevegelse mot resten tilstanden resulterte i en robust aktivering innen sensorimotor representasjon av etappe av det kontralateral (dvs., venstre) halvkule. Ipsilateral kortikale aktivisering ble observert i området sensorimotor ben (figur 4A). Betingelsen speil versus resten tilstand også bekreftet robust kontralateral samt ipsilateral aktivisering av kortikale Ben sensorimotor representasjon. I tillegg robust kortikale aktivisering ble sett bakre tilpassing (dvs. visuelle) kortikale områder knyttet til viser bildet av bevegelige etappe.

Mønstre av aktivisering beskrevet representerer aktiveringer på den opprinnelige tilstanden, det vil si ved initiering av terapi perioden. Første svar tjene til å definere planlagte aktivering for å definere områder av interesse (ROIs), og en påfølgende sammenligning etter MT protokollen er fullført i hver enkelt.

Figure 4
Figur 4 : Representativt eksempel på kortikale aktiveringer svar på speilet terapi i Mr skanneren. (A) sammenligne beinet bevegelse mot resten tilstanden resulterte i en robust aktivering innen sensorimotor representasjon av etappe av det kontralateral (dvs., venstre) og ipsilateral cortex. (B) betingelsen speil versus resten tilstand også bekreftet en robust kontralateral og ipsilateral aktivering av kortikale Ben sensorimotor representasjon, samt tilpassing (dvs. visuelle) kortikale aktivisering tilknyttet visning av bildet av bevegelige etappe. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne protokollen beskriver en roman, mulig prosedyre som gir etterforskerne å nøyaktig karakterisere nevrale korrelerer tilknyttet MT i personer med PLP.

Som tidligere nevnt, tidligere studier har forsøkt å undersøke nevrale korrelerer tilknyttet MT behandling ved omfatter ulike teknikker som videoopptak, virtuell virkelighet og forhåndsinnspilt animasjoner9,33 ,34. Disse metodene har imidlertid vært begrenset når det gjelder effektivitet37,38,39. Protokollen skissert her, innlemme vi enkel, kommersielt tilgjengelig og rimelig elementer for å skape en livaktig og oppslukende følelse tilknyttet MT i MRI-miljøet. Alle utstyret som brukes kan er Mr kompatibel (dvs. nonferromagnetic materiale) og enkelt justeres og endres for hver enkelt. Nøkkelelementene består av tre viktigste kapittel: (1) video-kamera og skjerm; (2) reflekterende speilet knyttet til hodet spolen; (3) stor reflekterende speilet og støtter. Videoen sendes til skjermen slik at faget kan se ben og speil benet bevegelser i sanntid. Retningen på speilet i hodet spolen lar deltakeren vise skjermen mens du ligger supine og uten overdreven bevegelse av hodet. Speilet justeres emnet amputerte foten lengde med et høydejusterbart stativ for å unngå kontakt med deltakerens ben. Fra en datainnsamling og analysis synspunkt, er funksjonelle neuroimaging data analysert ved hjelp av (dvs. område av interesse analyse) med spesiell vekt på en pre-post langsgående design30,41.

Foruten den virkelige oppslukende følelsen til deltakeren, er en annen fordel med denne protokollen at systemet kan justeres for å vise ulike lemmer (øvre og nedre) og kan brukes til å teste en kombinasjon av lem bevegelighet.

Oppslukende følelsen av video overføring er en viktig faktor når det gjelder å generere potensielle terapeutiske effekten av MT. Bruk av sanntids video tatt fra videokameraet kan som presenteres her være bedre enn tidligere tilnærminger som datastyrte bilder, virtuell virkelighet eller forhåndsinnspilt bilder. Vi imidlertid ikke sammenligne denne teknikken med visuelle illusjon de. Dessuten, en tidligere studie i friske forsøkspersoner evaluert funksjonelle hjernen aktivisering etter utføre en oppgave med en konvensjonell speilhuset og en virtuell virkelighet-anslått bilde av den øvre lem. I resultatene av denne studien, Diers og samarbeidspartnere finner ingen forskjeller mellom sterke eller som oppfattes ektheten av illusjonen mellom visuelle virkeligheten illusjon og speil boksen terapi18.

På den annen side, denne protokollen har også sine begrensninger og utfordringer tilknyttet: på grunn av beinet bevegelse, bevegelse gjenstander (dvs. knyttet overdreven head bevegelse) kan kompromittere kvalitet. Selv om pasienten er tillatt å se en live bildet av sin egen lem, mangler protokollen et spørreskjema til riktig vurdere livligheten og innlevelse deltakeren føler mens du gjennomgår oppgavene. I tillegg har vi ikke sammenligne oppgaven som utføres i denne teknikken med andre strategier, som visuelle stimuli bare av innspillingen av beinet bevegelse uten pasienten faktisk utfører bevegelsen eller en virtuell virkelighet tenkelig projeksjon av en lavere lem flytte. Dette ble gjort spesielt fordi det ikke var målet med denne protokollen, og fordi det tidligere studier som allerede har studert og sammenlignet disse intervensjonene og viste ingen forskjell i mønster av aktivisering og ingen forskjell levende aktiviteten mellom tiltak, som nevnt ovenfor18. I tillegg for å overvinne utfordringer bevegelse, ansatt vi gjeldende state-of-the-art motion deteksjon og korrigering strategier26. Å forbedre datakvaliteten, nye strategier (f.eks fysiske begrensninger plassert rundt emnet hips å isolere beinet bevegelse) forfølges. Til slutt, modifisering og feilsøking, vi først hadde en fast kamera stativ som ikke tillater oss å få og tilstrekkelig fange pasientens lavere lem refleksjon i speilet; imidlertid kunne bruker et justerbart stativ, vi få den mest presise og nøyaktige bildeoverføring. I tillegg i de første trinnene i utviklingen av protokollen var speil standen skjør og falt lett med alle milde bevegelse. Dette var overveldet når sandsekker ble lagt til gi stabilitet til speilet montasjen.

Til slutt kan gitt enkel implementering eksperimentelle oppsett, denne tilnærmingen tillate evaluering av virkningene av MT ikke bare i lem amputerte, men også i andre forhold som bruker denne behandlingen som hjerneslag og ryggmargsskade.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Denne studien ble støttet av en NIH RO1 grant (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).

Tags

Nevrovitenskap problemet 146 Phantom lem smerte fMRI hjernen imaging speil terapi amputasjon neuroplasticity sensorimotor cortex
Sanntid videoprojeksjon i MRI for kategorisering av nevrale korrelerer knyttet speil terapi for Phantom lem smerte
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Saleh Velez, F. G., Pinto, C. B.,… 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