Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Realtid videoprojektion i en MRI för karaktärisering av neurala korrelat samband med spegel terapi för fantomsmärta

doi: 10.3791/58800 Published: April 20, 2019

Summary

Vi presenterar en roman kombinerat beteendemässiga och neuroimaging protokoll anställa realtid videoprojektion i syfte att karaktärisera de neurala korrelat samband med spegel terapi inom magnetisk resonanstomografi scanner miljön i benet amputerade patienter med fantomsmärta.

Abstract

Spegel terapi (MT) har föreslagits som en effektiv rehabiliterande strategi att lindra smärtsymptom hos amputerade med fantomsmärta (PLP). Dock att upprätta de neurala korrelat samband med MT terapi har utmanande med tanke på att det är svårt att administrera terapin effektivt i en miljö med magnetisk resonanstomografi (MRT) i skannern. För att karakterisera den funktionella organisationen av kortikala regioner som förknippas med denna rehabiliterande strategi, har vi utvecklat en kombinerad beteendemässiga och funktionella neuroimaging-protokoll som kan tillämpas på deltagare med en benet amputation. Detta nya tillvägagångssätt tillåter deltagarna att genomgå MT inom MRI scanner miljön genom att Visa realtid video bilder som tagits med en kamera. Bilderna ses av deltagaren genom ett system av speglar och en monitor att deltagaren visningar liggande på skannerglaset. På detta sätt, kan funktionella förändringar i kortikala områden av intresse (t.ex. sensomotoriska cortex) karakteriseras som svar på en direkt tillämpning av MT.

Introduction

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

PLP refererar till känslan av smärta uppfattas inom området motsvarar den saknade lem postamputation1,2. Detta tillstånd är en betydande kronisk vård belastning och kan ha en dramatisk inverkan på individens livskvalitet3,4. Det har föreslagits att förändringar i hjärnans struktur och funktion har en grundläggande roll i utvecklingen och neuropathophysiology av PLP5,6. De underliggande neurala korrelat till hur smärta symtom utvecklas och hur de kan lindras i behandlingssvaret är dock fortfarande okänd. Denna brist på information är främst på grund av tekniska utmaningar och begränsningar som är associerade med att utföra en viss behandlingsmetoder inom ramarna för en neuroradiologisk miljö som MRI5,7,8 .

Resultat från ett antal studier attribut utvecklingen av PLP till maladaptivt neuroplastic omorganisation som förekommer inom sensomotoriska cortices, liksom i andra områden i hjärnan. Det har exempelvis visat att efter amputation av en lem, det är en förskjutning i motsvarande sensomotoriska kortikala representationen av angränsande områden. Som ett resultat, börjar närliggande områden tydligen invaderar de zoner som används för att motsvara de amputerade lem9,10. För att lindra smärtsymptom i samband med PLP, kan behandlingar såsom MT eller motor bildspråk vara effektiva9,11,12. Det föreslås att lindring av symtom uppstår förment genom cross-modal ren-establishment av afferenta ingångar, som tillhandahålls av observationen av spegel-återspeglas bilder från den nonaffected lem12,13, 14,15,16,17. Genom dessa bilder är deltagarna att visualisera reflektion av det motsatta ledet istället för en som har blivit amputerade, vilket skapar en illusion som både armar och ben finns kvar. Den illusionen och uppslukande effekter var tidigare studerat av Diers et al. hos friska försökspersoner där en jämförelse av funktionella aktivering genom funktionell MRI (fMRI) utvärderades efter som genomgår en aktivitet antingen med en vanlig spegel box eller virtuell verklighet 18. de neurala korrelat samband med återföring av maladaptiva neuroplastic ändringarna och lindring av symtom kvarstår dock dåligt förstådd. Dessutom den underliggande mekanismen vid PLP är fortfarande ett ämne för forskning som tydligt underliggande physiopathologic ändringen bakom utvecklingen av PLP är fortfarande ofullständigt klarlagd även kontroversiella fynd har varit avslöjade5, 19. Som nämnts ovan, tillskriva flera författare utvecklingen av smärta deafferentation- och kortikal omorganiseringen av den drabbade hjärna område (område av amputerade lemmen)6,7,8; dock beskrevs motsatt resultat av Makin och medarbetare där förekomsten av smärta är associerad med bevarandet av hjärnans struktur och smärta tillskrivs en minskning interregionala funktionella anslutningsmöjligheter19. Med tanke på dessa kontroversiella och mittemot fynd anser vi att den nya strategi som presenteras här kommer att ge ytterligare relevant information till studien av PLP och tillåter forskare att utvärdera effekterna av MT i en levande miljö med graden av hjärnan aktivering när man jämför dem med nivåer av smärta bedöms i vår fullständiga protokoll19.

Tidigare litteratur om detta ämne har visat att MT är en av de mest lämpliga beteende terapierna för behandling av PLP på grund av dess lätt genomförande och låga kostnader12. I själva verket har tidigare studier av denna teknik påvisat en återföring av maladaptiva förändringar inom den primära sensomotoriska cortexen i amputerade med PLP8,20,21. Även om MT är kanske det billigaste och mest effektiva sättet att behandla PLP12,22,23,24, behövs mer studier för att bekräfta dessa effekter eftersom vissa patienter inte svara på denna typ av behandling8 och det finns en brist på större randomiserade kliniska prövningar som ger hög-evidensbaserade resultat25.

En av de hypoteser som MT kan minska PLP är relaterad till det faktum att spegelbilden av den inte-amputerade kroppsdelen hjälper till att omorganisera och integrera obalansen mellan proprioception och visuell feedback26. De bakomliggande mekanismerna för MT kunde associeras med återgången av maladaptiva kartläggning av somatosensoriska8,27,28.

För MT är försökspersoner skyldiga att utföra flera motoriska och sensoriska uppgifter med hjälp av deras intakt lem (t.ex. flexion och extension) medan du observerar denna effekt i en spegel ligger i mittlinjen av deltagarens kropp, och skapar därmed en levande och exakt representation av rörligheten inom området för den amputerade lem29.

För att ytterligare utveckla den vetenskapliga förståelsen av patofysiologin aspekter involverade i PLP, är det viktigt att bättre karaktärisera de underliggande neuroplastic förändringarna som leder från lem amputationer, samt förbättring av smärtsymptom som tillhandahålls av MT. I detta avseende, neuroradiologiska tekniker, såsom fMRI, har visat sig vara kraftfulla verktyg för att belysa de patofysiologiska mekanismer som är associerad med kortikala omorganisation och ge ledtrådar mot optimera rehabilitering av individer med PLP i den kliniska sammanhang30,31. Dessutom den hög rumslig upplösningen ges genom fMRI (jämfört med elektroencefalografi, till exempel) möjliggör mer exakt kartläggning av hjärnan svar, såsom finger och siffriga framställningar, i sensomotoriska cortex tillsammans med andra regioner i den hjärna32.

Hittills har den neurofysiologi som är associerad med MT förblir svårfångade beror till stor del på utmaningarna att genomföra förfarandet inom scanner miljön (dvs. det är svårt för en enskild att utföra terapin liggandes i skannern). Här, vi beskriver en metod som möjliggör för en individ att iaktta sina egna benrörelsefrihet i realtid medan liggande böjningsform inom de snäva gränserna för skannern bore. Ett exakt återskapande av levande och engagerande känslan av terapin kan återskapas med hjälp av en videokamera som fångar realtidsbilder av rörliga benet, och ett system av speglar och en bildskärm som kan ses direkt genom studien deltagaren.

Tidigare studier har försökt att införliva tekniker såsom videoinspelning, virtuell verklighet och förinspelat animeringar som medel för att presentera den visuella stimulansen och kringgå dessa tekniska utmaningar9,16,33 ,34. Dessa tekniker har dock begränsats i deras effektivitet35,36,37,38,39. I det särskilda fallet med hjälp av en förinspelad video, finns det en ofta dålig synkronisering mellan deltagarnas rörelser och de som tillhandahålls av videon, samt brist på timing noggrannhet, vilket leder till ett dåligt realistiskt intryck som enskildes egen Ben är rörliga. För att förbättra denna känsla av sensomotorisk nedsänkning, har andra tekniker, såsom virtuell verklighet och digitaliserade animationer, försökt. Ännu, de har misslyckats att skapa visuellt övertygande förnimmelser på grund av en låg upplösning, ett begränsat synfält, orealistiskt eller nonnatural människoliknande rörelser och förekomsten av rörelse lagg (dvs desynchronization rörlighet). Dessutom hindrar avsaknaden av en korrekt modellering i kombination med dålig kontroll över andra funktioner, såsom effekterna av friktion, momentum och gravitation, uppfattningen av en levande och uppslukande känsla40. Därför för amputerade, är det värt att utforska strategier för att säkerställa att ämnen är engagerade i kognitiv uppgift (anmärkning) och uppslukande på illusionen av amputerade extremiteter rörelse. Slutligen, resurserna som krävs för att utveckla och genomföra dessa komplexa strategier kan vara tidskrävande eller kosta oöverkomliga.

Vi beskriver en ny metod som vi tror skapar en realistisk och levande känsla av nedsänkning där deltagaren kan se en levande och verklig-tid video av en projicerad bild av sin egen lem medan de utför en session av MT31. Denna metod utförs medan enskilde ljuger i skannern hålet och utan stora kostnader eller omfattande teknisk utveckling.

Detta protokoll är en del av projektet National Institutes of Health (NIH) forskningsbidrag (RO1)-sponsrade klinisk studie som utvärderar effekten av kombinationen av en neuromodulatory teknik, nämligen transkraniell likström stimulering (TDC), med en beteendeterapi (spegel terapi) för att lindra fantomsmärta31. Vi värdera förändringar i den visuell analog skalan (VAS) för smärta vid baseline, före, och efter varje ingripande session. fMRI används som ett neurophysiologic verktyg för att utvärdera strukturella förändringar i hjärnans funktion och dess korrelation med lindring av PLP. Därför erhålls en inledande fMRI för att få kartan baslinjen av den strukturella organisationen av deltagarens hjärnan, som antingen visar att det finns kortikala maladaptiva omorganisation5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28 eller att det inte är19. på samma sätt, kan vetenskapsmannen observera vilka områden aktiveras vid baslinjen med uppgift att MT för att förstå de områden aktiveringen svar på MT; Slutligen är det möjligt att få en andra fMRI-postintervention att se om ändringar (modulering) har genererats i kortikala omorganiseringen efter kombinerad behandling med TDC och MT och analysera om dessa ändringar är korrelerade eller associerade med graden av smärta förändring. Därför detta protokoll tillåter forskare att utvärdera strukturell omorganisering förändringar hos patienter med PLPs under MT och också hjälper dem att förstå om dessa förändringar ses i fMRI är associerade med förändringar i PLP, därför att tillhandahålla ytterligare detaljer om Hur påverkar MT strukturella och funktionella hjärnaktivitet att ändra fantomsmärta.

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. beredning av ämnet

  1. Före deltagande, har deltagaren slutföra ett medgivande och en MRI säkerhet screening utvärdering, den senare utförs av neuroimaging teknikern på anläggningen i skanning, se till att deltagaren inte har några kända kontraindikationer till som skannas (t.ex. metall i kroppen, en historia av klaustrofobi eller graviditet).
  2. Ge deltagaren med detaljerade instruktioner beträffande experimentella förfarandet.
  3. Har ämnet lyssna en instruktions inspelade ljud för att de ska kunna förstå och följa instruktionerna som anges under förfarandet för skanning.
  4. Genomföra en praxis som kör i en fingerad scanner för att underlätta förtrogenhet av uppgiftsinstruktionerna inom scanner miljön.
    Obs: Mock skannern är liknande på alla sätt till verkliga data-förvärva MRI scanner, men utan den aktiva magneten.
  5. Ge tydliga instruktioner till deltagaren att undvika eventuella förflyttningar av de kvarstående och phantom lem att undvika några sammandragningar i stubben muskler som kan störa hjärnan signalen.

2. beredning av experimentet

Obs: Experimentell protokollet är liknar vad tidigare har beskrivits för att utreda de neurala korrelat som är associerad med den mentala bilden av rörliga armar. Här har vi anpassat metoden rörlighet i nedre extremiteterna. Specifikt består beteende uppgifter av följande.

  1. Innan in i rummet med scanner, be deltagaren att ta bort protesen och metallföremål.
  2. Har MRI teknikern se till att de deltagare som har ingen metall på kroppen som skulle sätta dem i riskzonen.
  3. Transportera deltagaren till MRI rummet i en MRI-kompatibelt rullstol; efter det, be deltagaren att överlåtelse till MRI scanner sängen.
  4. För MT, bekvämt placera ett enda stycke, MRI-kompatibel, horisontell spegel (10.000 x 255 x 3 mm) stöds av en triangulär stå mellan benen på deltagaren medan de ljuger liggande på skannerglaset. Använda sandsäckar för att ge stabilitet och en bättre positionering av spegeln. Fäst spegel stativet en justerbar arm så att det kan vara placerade i enlighet med motivets höjd och positionering utan att kontakta någon del av kroppen ( figur 1).

Figure 1
Figur 1 : Video kamera och spegel ställa upp Spegeln är placerad mellan benen i en vinkel på ca 45°, beroende på deltagarens höjd och amputation. Målet är att täcka den kvarvarande extremiteten och göra det osynliga för videosystem. Sandsäckar används för att hålla spegeln i rätt position. Kamerans placering är också anpassningsbar och kan enkelt ändras med hjälp av stativ eller anpassningsbar hasen (ändrar vinkeln på kameran). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. För visuell feedback, montera en MRI-kompatibel digital kamera på en justerbar stativ nära intakt benet av deltagaren ( figur 1).
    Obs: Kameran används är listade i Tabell för material och kostar cirka 217 USD. Kameran förvärvar bilder i 1 080 pixlar upplösning. Eftersom själva kameran inte placerades insidan av MRI bore, finns det inte behov av dyrare MRI-kompatibla system. Kameran är kopplad till en MRI-safe IV pol via en svanhals modulära slang till möjliggöra positionering förändringar.
  2. Montera kameran på ett stativ, vilket gör att den lämplig justeringen av betraktningsvinkeln och synfält.
  3. Placera en andra spegel på MRI huvud spolen, så att deltagaren att visa den bild som presenteras på skärmen direkt medan liggande helt inuti skannern bore ( figur 2).

Figure 2
Figur 2 : Schematisk av videokamera och bildprojektion i skannern miljön. Realtid video projektionen av spegel terapi systemet består av tre delsystem. (1) kamera och monitor delsystemet. Videon överförs till monitorn, så att ämnet kan titta på benet och spegel benrörelser i realtid. (2) huvudet spole med spegeln bifogas. Spegeln i huvudet spolen gör det möjligt för deltagaren att titta på skärmen utan att röra huvudet. Spegeln är en 45° vinkel i ögonhöjd. 3) spegel och sandsäckar. MRI-kompatibel spegeln placeras noggrant mellan benen och kvarvarande extremiteten i ett sätt att det täcker den kvarvarande extremiteten och tillåter för bästa bild som ska visas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Ställ in realtid video bildöverföring skickas genom ett datorstyrda system och projekt det till en bildskärm placeras längst bak skannern bore (nära huvudet av deltagaren).
    Obs: Det finns ingen märkbar tidsfördröjning mellan prognosen och den fångade faktiska rörligheten. Den faktiska rörligheten och visuell feedback separeras av mindre än en sekund som inte ingriper i realtid känslan, som anges av deltagarna.

3. Skanna och datainsamling

  1. Förvärva fMRI data med 3 T skanner använder en 8-kanals fasas-array huvud spole.
  2. Erhålla imaging sekvenser som inkluderar en högupplösande T1-vägd strukturella bild (TE: 3,1 ms, TR: 6,8 ms, flip vinkel: 9°, isotrop 1 mm voxel storlek) (anatomical scan), och blod-syre-nivå-beroende (fet) fMRI signal mätningar med ett protokoll baserat multislice gradient (snabb-fält) echo-planar imaging (EPI) och standard parametrar (TE: 28 ms, TR: 2 s, flip vinkel: 90°, isotrop 3 mm voxel storlek, orienterade axiellt och som täcker hela hjärnan).
    Obs: Hela skanning proceduren varar cirka 30 min. Detta inkluderar en inledande 4 min strukturella (anatomiska) scan och fyra uppgift (funktionella) förvärv varar 6 minuters varje. För varje aktivitet (funktionell förvärv) förväntas patienten trycker sin fot med en hastighet av 1 Tryck varje sekund.
  3. Under skanningar, har deltagaren bära ljud-isolera MRI kompatibla hörlurar (t.ex. Westone) hela skanning sessionen att höra prövarens auditiv kommandon.
  4. Medan patienten ligger i skannern, spela auditiv spår så att deltagaren hör ett antal auditiva ledtrådar för att utföra given beteendemässiga uppgift.
  5. Använd följande kommandon: 1) ”ben” för förflyttning av de amputerade ben (se anteckningen efter steg 3.11); (2) ”spegel” för förflyttning av intakt benet medan du visar en realtid video inspelningen (således observerar förflyttning av ett ben i positionen att amputerade benet med spegeln); (3) ”resten” där deltagaren stannar någon benrörelsefrihet och ligger orörlig med sina ögon stängda. Dessutom har utredaren säger ”start” och ”avsluta” för att beteckna början och slutet av den experimentella springa, respektive ( figur 3).

Figure 3
Figur 3 : Uppgift design. Uppgift konstruktionen består av tre steg. Under det första steget för ”ben”, ämnet instrueras att flytta benet (flexar foten) i en takt av ca en rörelse varje 2 s (10 rörelser i 20 s), med sina slutna ögon. För det andra steget ”spegel”-deltagaren har att hålla flytta benet (10 rörelser i 20 s) medan du tittar på video monitorn visar online realtid spegelbilden av benen. Det sista steget instruerar motivet för att vila.

  1. Har deltagaren utför en rörelse med nonamputated underbenet med slutna ögon (dvs upprepade plantarflexion och dorsal flexion av foten i en takt av cirka ett tryck per 2-3 s).
  2. Har deltagaren utföra samma ben rörelsen, men nu deltagaren observerar en spegelbild av sin ben flyttar i stället för amputerade benet använder realtid videoinspelning av rörelsen av intakt benet.
  3. Har deltagaren utför ett resten tillstånd, där han eller hon lägger fortfarande med ingen rörelse i benen.
    Obs: Varje villkor varar i 20 s (dvs. en experimentell block = 60 s) för en kör längd tid 6 min (sex repetitioner av den experimentella kör per block).
  4. Samla in data i en enda session för varje deltagare.
  5. Instruera utredaren att notera eventuella oönskade rörelser och, mellan körningarna, att instruera deltagaren att hålla rätt tempo och rörelser.
  6. Kontrollera att, efter procedurerna utförs, prövaren överför data till en krypterade blixt driva och lagrar den på en säker plats i anläggningen.
    Observera: I detta protokoll används ordet ”ben” i stället för ordet ”fot”. Även om deltagarna bara gör fot rörelser (på grund av begränsningar från MRI maskin), de flesta av dem har en större del av nedre extremiteterna amputerade och kallas ben amputerade, inte foten.

4. analys

  1. Analysera funktionella neuroimaging data använder standardtekniker30,41, använder längsgående analys design (baseline och uppföljningsbesök) och bearbetning stream i programpaketet FMRIB programvara bibliotek (FSL)42 ,43.
    1. För varje funktionella skanning, utför 3D rörelse korrigering med hjälp av den första volym justeringen, högpass filter för att ta bort temporal linjära trender och utföra en korrigering för slice tid förvärv och rumsliga utjämning (Gaussisk kernel, 5,0 mm full bredd på mitten maximum [FWHM]).
      1. Markera volymer med en rörelse över 0,9 mm i valfri riktning med FSL'S motion avvikare detection bearbetning stream och matematiskt ”skrubba” dem från den slutliga analys44.
        Obs: Om mer än 25% av volymerna är avsedda för borttagning, hela förvärvet bör undantas från den totala datamängden.
    2. Coregister alla de förbehandlade funktionella bilderna till den högupplösta anatomiska och, sedan föra dem till standard Talairach utrymme.
    3. Passa en allmänna linjära modell (GLM) till en voxel tid kurs där varje experimentella villkor är modellerad av en boxcar regressor som bör jämnas med dubbel-gamma hemodynamiska responsen funktion.
    4. Använd den högupplösta anatomiska T1-vägda anatomiska volym att konstruera en uppblåst kortikala ytan mesh för att se sulcal aktivering och sedan project individ betvingar kartor för varje kontrast av intresse på ämnet är rekonstruerade mesh.
      Obs: Prognoserna bör Visa betydande värden från GLM. Ange tröskelvärdet statistisk signifikans värde p < 0,001 korrigerad för multipla jämförelser, använder en klusterstorlek tröskel justering standard kriteriet.
  2. Genomföra en region av intresse (ROI) analys.
    1. Definiera den primära ROI i stort sett med Freesurfers Ninni atlas45 i den primära sensomotoriska cortexen och sedan förfina det för varje ämne genom att använda ämnesspecifika funktionell aktiveringen under benet vs. resten skick vid baslinjen genomsökningen.
    2. Återspegla den raffinerade primära ROI på området homologa i den motsatta hemisfären (dvs ipsilaterala primära sensomotoriska framställning av intakt nedre extremiteterna).
    3. Använd standard FreeSurfer anatomiska francoiss atlas45 för att definiera hela (bilaterala) occipital syncentrum för sekundära 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

Det är möjligt att generera den känslan som är associerad med MT använder realtid videoprojektion. Deltagarna har subjektivt rapporterade att videobilden uppfattas är verklighetstrogna och känslan är uppslukande.

Mönster av kortikala aktivering förknippas med MT (dvs. rörlighet för benet och Visa projicerad spegelbild) i skannern miljön är dessutom robust. I en pilotstudie inspelades kortikala Svaren till MT med fMRI i en deltagare med lägre-lem amputation av vänster ben (man, 56 år, traumatisk amputation av underbenet under knät) följande uppgift protokollet beskrivs ovan. Jämföra benrörelsefrihet kontra resten villkoret resulterade i en robust aktiveringen inom den sensomotoriska representationen i benet av den kontralaterala (dvs, vänster) halvklotet. Ipsilaterala kortikala aktiveringen observerades inom området sensomotoriska benet (figur 4A). Villkoret spegel kontra resten skick bekräftade också robusta kontralaterala samt ipsilaterala aktivering av kortikala benet sensomotoriska framställningen. Dessutom robust kortikala aktiveringen sågs med bakre occipital (dvs visuella) kortikala områden är associerad med visning av projicerade bilden av rörliga benet.

Mönster av aktiveringen beskrivs representerar aktiveringar på det ursprungliga tillståndet, det vill säga vid inledningen av perioden terapi. De första Svaren tjänar till att definiera baslinjen aktiveringen för att definiera områden av intresse (ROIs) och en efterföljande jämförelse efter protokollet MT är klar i varje individ.

Figure 4
Figur 4 : Representativt exempel kortikala aktiveringar svar att spegla terapi i magnetkameran. (A) jämföra benrörelsefrihet kontra resten villkoret resulterade i en robust aktiveringen inom den sensomotoriska representationen i benet av den kontralaterala (dvs, vänster) och ipsilaterala cortex. (B) villkoret spegel kontra resten villkor bekräftas också en robust kontralaterala och ipsilaterala aktivering av den kortikala benet sensomotoriska representation, samt occipital (dvs visuella) kortikala aktivering förknippas med visning den projicerade bilden av rörliga benet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

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

Det här protokollet beskriver en roman, genomförbart förfarande som gör att utredarna att noggrant karakterisera de neurala korrelat samband med MT i individer med PLP.

Som tidigare nämnts, tidigare studier har försökt att undersöka de neurala korrelat samband med MT behandling genom att införliva olika tekniker såsom videoinspelning, virtuell verklighet och förinspelat animationer9,33 ,34. Dessa tillvägagångssätt har dock varit begränsad när det gäller effektivitet37,38,39. I protokollet som beskrivs här, införlivar vi enkelt, kommersiellt tillgängliga och billiga element för att skapa en verklighetstrogen och uppslukande känsla som är associerad med MT i Mr-miljön. All den utrustning som används kan är MRI kompatibel (dvs. nonferromagnetic material) och enkelt justeras och modifierad för varje individ. De viktigaste delarna består av tre huvudsakliga kapitlen: (1) video kamera och monitor; (2) reflekterande spegel bifogas huvudet spolen; (3) stor reflekterande spegel och stöder. Videon överförs till monitorn så att ämnet kan titta på benet och spegel benrörelser i realtid. Orientering på spegeln i huvudet spolen gör det möjligt för deltagaren att Visa bildskärmen liggande liggande och utan överdriven rörelse av huvudet. Spegeln justeras till motivets amputerat benlängd med ett justerbart stativ för att undvika kontakt med deltagarens ben. Från en datainsamling och analys synvinkel analyseras funktionella neuroimaging data med hjälp av standardmetoder (dvs regionen av intresse analys) med särskild tonvikt på en före-efter longitudinell design30,41.

Förutom den verkliga uppslukande känsla till deltagaren, är en annan fördel med detta protokoll att systemet kan anpassas för att visa olika lemmar (övre och undre) och kan användas för att testa valfri kombination av lem rörelse.

Den omslutande känsla som tillhandahålls av videoöverföringen är en viktig faktor när det gäller att generera potentiella terapeutiska effekten av MT. Användning av realtid video tagna från videokameran kan som presenteras här vara bättre än tidigare metoder såsom datoriserade bilder, virtuell verklighet eller förinspelade bilder. Dock vi inte jämföra denna teknik med visuell illusion och kära. Dessutom utvärderas en tidigare studie på friska deltagare funktionella hjärnan aktiveringen efter utför en uppgift med en konventionell spegelhuset och en virtual-reality-projiceras bilden av den övre extremiteten. I resultaten av denna studie, Diers och medarbetare fann inga skillnader mellan livlighet eller upplevda äkthet av illusionen mellan subjektets illusionen och spegel box terapi18.

Å andra sidan, detta protokoll har också sina begränsningar och utmaningar i samband med det: på grund av benrörelsefrihet, rörelse artefakter (dvs förknippas med överdriven huvudrörelser) kan äventyra datakvalitet. Även om patienten får se en projicerad levande bild av sin egen lem, saknar protokollet ett frågeformulär för att korrekt bedöma den livfullhet och nedsänkning som deltagaren känns samtidigt som genomgår uppgifterna. Dessutom vi inte jämföra uppgiften utförs i denna teknik med andra strategier, till exempel visuella stimuli endast av en inspelning av benet rörelsen utan att patienten faktiskt utför rörelsen eller en virtuell verklighet imaging projektion av en nedre extremiteterna flytta. Detta skedde i synnerhet eftersom det inte var målet av detta protokoll och eftersom det finns tidigare studier som redan har studerat och jämfört dessa insatser och visade ingen skillnad i mönstret av aktiveringen, liksom ingen skillnad i färgernas klarhet uppgiften mellan interventioner, som nämnts ovan18. Dessutom, för att övervinna utmaningar relaterade till rörelse, anställt vi nuvarande state-of-the-art rörelse upptäckt och korrigering strategier26. Att ytterligare förbättra uppgifternas kvalitet, nya strategier (t.ex. fysiska begränsningar placeras runt motivets höfter för att isolera ben rörelse) förs. Slutligen, när det gäller ändring och felsökning, vi inledningsvis hade en fast kamera stativ som inte tillät oss att erhålla och adekvat fånga patientens nedre extremiteten reflektion i spegeln; utnyttja ett justerbart ställ, var vi dock kunna få den mest exakta och korrekta bildöverföring. Dessutom under de första stegen i utvecklingen av protokollet var spegel montern sköra och föll lätt med någon mild rörelse. Detta var övervinnas när sandsäckar lades till ger stabilitet till spegel montage.

Slutligen, med tanke på användarvänlighet genomföra experimentella installationen, detta tillvägagångssätt kan utvärderingen av effekterna av MT inte bara i lem amputerade men också i andra förhållanden som använder denna behandlingsform, såsom stroke och ryggmärgsskador.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Denna studie stöddes 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).
Realtid videoprojektion i en MRI för karaktärisering av neurala korrelat samband med spegel terapi för fantomsmärta
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