实时功能磁共振成像生物反馈，针对污染焦虑的眶额皮层

摘要

在这里，我们提出了一个方法训练的人来控制污染焦虑的一个大脑区域和探测污染的焦虑和大脑连接模式之间的关系。

摘要

我们目前的训练科目，以控制其使用生物反馈的实时功能磁共振成像（RT - fMRI）技术，数据焦虑与污染相关的前额皮质区域活动的一种方法。增加本地区的活动是可见的污染，无论是^在对照组1和在个人与强迫症^{（OCD），2}一种比较常见的，往往衰弱的精神障碍，涉及污染的焦虑焦虑的关系。虽然一直在强迫症，异常牵连许多大脑区域在前额皮层（OFC）是最一致的发现之一^。3，4此外，在的OFC已发现多动症与强迫症的症状严重程度相关，并在多动症跌幅这一地区已报告相关症状严重程度下降，因此，能够控制这个大脑区域可能转化为CL强迫症状inical的改善，包括污染焦虑。 RT - fMRI数据，生物反馈是一种新技术，在活动的时空格局，在一个特定的地区，在主体的大脑（或分布的大脑活动模式与特定的关联）作为反馈信号提供的主体。最近的报告表明，人们能够控制在特定的大脑区域的活动发展，与RT - fMRI的^生物反馈提供。7-12尤其是使用这种技术的目标参与情绪加工的脑区，一些研究报告在训练科目成功控制这些地区^。13-18在一些情况下，RT - fMRI的生物反馈训练已报诱导受试者的认知，情感，或临床^{变化，8，9，13，19}日在这里我们说明这种技术适用于治疗在健康受试者的污染焦虑。这种生物反馈干预将是一个宝贵的BASIC的研究工具：它允许扰乱脑功能的研究人员，测量大脑动态产生的变化，并与那些污染焦虑或其他行为的措施的变化。此外，这种方法的建立作为一个对作为一个强迫症的治疗干预的功能磁共振成像为基础的生物反馈调查的第一步。由于强迫症患者的四分之一，大约收到从目前可用的治疗^{，20日至22}日的形式，没有什么好处，那些做的好处很少完全恢复，新方法，为治疗这种人口急需。

研究方案

1。刺激发展

广泛的刺激经济发展的需要 。 必须收集污染相关的和中立的图像和试点，以确保这些刺激诱 ​​导的焦虑是平衡的挑衅条件和显著更大的挑衅条件下比在中性条件下 ，更具体地说，需要以下四个刺激套 。 ：

1. 本地化的刺激：300污染相关的图像和300中性的图像是用于本地化的眶额皮层（OFC）的参与污染焦虑区域。这些必须进行试点，以确保污染相关的图像挑起显著超过中性图像（基于自我报告）的污染焦虑。重要的是，这是真的为每个试点科目，不只是整个集团作为一个整体，必须在每个使用这些刺激的主题本地化为目标的OFC地区。
2. Biof必须制定eedback刺激：两个匹配套的刺激，每次涉及3种类型的刺激。每套18挑衅性的刺激是需要增加块，18挑衅性的刺激，需要减少块，和24的中性刺激的中性块需要。一组是第一个生物反馈会议和第二组的第二个生物反馈会议。试验数据必须收集自我报告的焦虑科目的经验时，观看这些刺激，以确保有类型的主效应（相关的挑衅性和中性刺激之间的差异），但没有设置或按类型的主效应设置互动。
3. 必须制定控制任务的刺激：四个匹配的刺激套，每组包括6块的增加，为减少块6挑衅性的刺激，和8个中性刺激的挑衅性的刺激。这四套控制任务的运行，在开始和结束的两个生物反馈会议进行。试验数据必须收集自我报告的焦虑科目的经验时，观看这些刺激，以确保有一个类型的主效应（相关的挑衅性和中性刺激之间的差异），但没有设置或类型的主要作用设置互动。
4. 必须制定评估会议的刺激：3匹配刺激套，每组包括25个污染图像。必须收集试验数据，以确保没有设置在应对这些图像经验丰富的焦虑的效果。

本集团所用的刺激包括从图像的Maudsley强迫症状^设置 23 ^和 24国际情感图片系统，以及我们自己了，从谷歌图像，收购和购买 Bigstockphoto.com ， gettyimages.com ，Flickr的照片 。 COM ，并hoto.com“> iStockphoto.com。

2。招聘

科目筛选，以确定健康人可以参加磁共振成像和报告高污染的焦虑和学习的欲望控制，焦虑水平 。特别是，作为筛选过程的一部分，学科齐全帕多瓦库存华盛顿板岩大学修订（PI - ^WSUR）25，只有那些具有强迫观念和洗衣机强迫量表在研究中包括了8或更高的得分。 每次得到真正的生物反馈主题，在年龄和性别匹配的另一个问题是招聘收到深水生物反馈。参与之前，所有科目必须在知情同意按照体制的保护人权的程序（在耶鲁大学，这是人类研究保护计划）批准了一项协议。

3。协议

的生物反馈协议的目的是培养学科发展更好地控制污染焦虑有关他们的前额皮层（OFC）的区域的神经活动水平，这样，当他们接触到污染相关的刺激，他们可以增加或减少这个区域的神经活动，按照自己的意愿。我们推测，更好地控制这个大脑区域将给予学科更好地控制其污染有关的焦虑。这种能力，有意识地控制神经活动水平的OFC，评估受试者是否能够增加和减少测量从这个大脑区域的信号，当他们线索，来增加和减少功能成像会议期间活动的基础。

科目有四个独立的天，预计在大约半周的时间间隔，因此，在整个研究需要两个星期才能完成。 该协议的流程图显示在连接gure 1。

图1。协议的流程图。 1天蓝色，红色，橙色绿色和4天3日第2天。虽然没有明确列出，每个议员会议还包括在同一切片位置的解剖数据的收集功能的数据和生物反馈议员会议包括收集目标区域的功能空间，用来注册的“功能参考扫描”该届会议。

3.1第1天

1. 科目参加1个小时的磁共振（MR）成像在1.5 T SEIMENS奏鸣曲扫描器会议。在每一个扫描会话，扫描开始之前，视觉显示检查，以确保它完全落在主体领域，并出现集中。
   在第1天，收集以下数据 ：
   1. 一个高分辨率的结构IM年龄使用磁化准备快速梯度回波序列（MPRAGE）
   2. T1加权解剖图像，在相同的31片功能数据位置
   3. 两次运行的静止状态的功能数据，每个涉及的152卷的集合（前两个丢弃）。一个T2 *敏感梯度回顾单杆平面回波脉冲序列是所有功能的数据采集（TE = 30ms的，FA = 80，TR = 2000毫秒，带宽= 2604，200毫米领域为3.1 * 3.1 *3.1毫米³各向同性体素，31，AC - PC的轴向斜对齐片覆盖所有OFC和大部分大脑以上）。这个序列是在前额皮层的信号进行了优化，减少最优TE从45ms至30ms，层厚减少3.1毫米既减少intravoxel移相只有一个大胆的灵敏度略有下降。更高的带宽也可用于减少沿着阶段几何失真编码方向。
   4. 三个地方izer运行功能的数据，涉及每202卷的集合（前两个丢弃）在观看激烈的污染相关的图像，并在40多岁的间隔观看中立图像之间的主题交替。这些本地化运行用于本地化激活大洋洲地区污染焦虑
2. 1天磁共振成像会议之后，受试者满足临床心理学家笔谈战略发展会议在焦虑症的专业知识。 本次会议的目的是制定一个个性化的主题提供了一些初步控制在他们的前额皮层的活动，他们的认知策略。讨论的情况下，可以引起污染的焦虑和心理学家的帮助主题发展的方法在这种情况下，减少他们的焦虑。这可能涉及污染的风险重新评估，或如果他们倾向于religi类或沉思的战略思想，诚信为本的方法，或在其中“放手”他们的焦虑，可能会讨论。这次会议的目的是找出一个或多个重新评估策略，题目感觉有可能要有效地跨越了各种情况下减少其污染焦虑。一旦他们感到有信心，有​​效的重新评估战略已经确定，他们会指示尝试这些战略，为降低他们的OFC生物反馈会议期间的活动。相反，对于增加的OFC活动，他们将指示尝试想想接触到受污染的物品可能带来的后果，并让自己觉得对此感到忧虑，不从事任何重新评估战略。在这里，我们应该强调提高/降低的OFC活动这些战略的目的只是为了提供一些初步的，有限的控制能力的 OFC。 生物反馈会议期间，受s将有机会与他们的认知策略的实验，并收到关于什么是更有效的直接反馈，从而使他们能够开发增长的OFC控制。本次会议期间，临床心理学家评估主体是否有亚临床污染焦虑，影响到他们在日常的生活，如果不是，他们是从研究中移除。
3. 在本地化运行中收集的数据进行分析后的第1天扫描会话，但之前使用的GLM分析与回归量计算的任务使用一个载体，是在时段时的题目是查看污染图片和零一个的第2天的会议期间其余的时间段，一个规范的血流动力学响应函数的卷积。在每个体素的相关与回归系数的t -统计计算和由此产生的TMAP是用一个6mm的全宽半最高高斯内核平滑。由此产生的T -地图上显示小号的大脑区域更积极的主体看比他们认为中性的图像时，污染相关的图像。 OFC或相邻的正面极地地区内位于前30名T -图像素（更具体布罗德曼的领域10,11或47，）被选中代表该主题的无氧铜为他们即将到来的生物反馈扫描目标区域。因此，目标区域的偏侧会有所不同取决于主体的激活模式。这个区域，然后翻译功能的空间，通过最近邻插值刚性登记的解剖空间。还定义了一个控制区域，包括所有在大脑的白质和被翻译成MNI的大脑的同一空间。这两个地区将被用于实时分析程序，白天2生物反馈会议。

3.2第2天。

1. 主题第一次参加一个彻头彻尾的磁铁评估会议。 在每次评估会议，主题是口头上的指示尝试，以尽量减少他们的焦虑，同时观看即将到来的与污染相关的图像。以下，他们都是针对屏幕上的说明详细报告他们在感觉上1-5级的图像与污染有关的焦虑水平，与1对应水平低的焦虑和5的最高水平。皮电反应是同时进行监测。
2. 主题然后参加在1.5小时实时功能磁共振成像生物反馈会议 。
   1. 会议开始收集的轴向解剖 （T1加权） 在相同的切片位置功能的数据图像。
   2. 接下来，收集功能的参考扫描 。这个简短的十二卷的功能运行的收集，这是保持和废弃其余的五分之一。
   3. 感兴趣的两个地区 ，region的主体的无氧铜激活观看时认定为基于本地化运行的第一天（见3.1.3）和白质控制区的污染图片，被翻译成本届会议的功能空间，通过两个刚性注册的串联。首次登记的地区地图，从第一天的解剖空间到第2天的解剖空间。第二个注册的地区，从第2天的解剖空间地图“功能参考”第2天的扫描空间。一旦这两个地区已被翻译成当前扫描会话的功能空间，生物反馈可以开始。
   4. 虽然该地区正在注册中，有两个功能运行收集 （132卷收集每次运行时，前两个被允许外地，以达到稳定状态），被称为控制任务运行。这些运行不涉及生物反馈，但用于评估的学科能力CON控制活动与污染有关的图像时，接触到他们感兴趣的大洋洲地区内。在显示屏的左侧，受试者认为一个向上的红色箭头，一个蓝色箭头指向下，白色直行箭头指向正确的。此箭头的权利，是一个大型的形象，这是污染有关，当箭头指向或向下，和中性的时候，它指向着。受试者被告知设法增加他们的OFC活动时箭头指向，要尽量减少他们的OFC活动，它分的情况下时，简单地放松时的箭头指向右侧。箭头和图片的变化，每26秒，交替通过的三个条件。鉴于我们在跨学科的研究（如在评估过程中会污染焦虑控制的大脑区域的变化和变化之间的相关性）脑行为的相关性的兴趣，我们希望所有受试者暴露于相同的块序列。因此，秩序没有平衡块是跨学科的控制运行或运行的生物反馈治疗。相反，在所有科目交替使用两个运行类型。在第一次运行，块的顺序是休息下休息，下休息，下休息。在第二次运行时，它是休息，休息下，休息下，休息。因此，在一个运行，同比增长先下来，并在旁边，下来之前。
   5. 后控制任务运行时，当目标区域和控制区域已经注册到目前的功能空间，六（或深水生物反馈运行，取决于主体）进行生物反馈运行（132卷收集为每个运行，前两个最后两个被丢弃）。
      生物反馈运行：这些运行是用来训练科目来控制他们的OFC的投资回报率活动。他们有类似的控制任务运行，除该科目收到反馈关于他们成功地控制大脑面积在屏幕的底部。更多specificaLLY，在显示屏的底部，受试者提供他们在大洋洲地区的活动图表，因为它随着时间的推移而改变整个运行。科目指示尝试增加的OFC活动时，线的颜色是红色，并减少在这一地区的活动时，线的颜色变成蓝色，并休息的时候，它是白色。在下文中介绍的图像，每增加/减少/休息块的变化是污染相关期间的增加和减少块，并在休息块中性线图。由于在控制任务的运行，也有一种颜色编码的箭头左边的图像显示当前的任务（增加/减少/休息）。科目指示尝试在自己的战略重新评估发展会议所讨论的战略，但也感到自由与他人的实验，并使用生物反馈作为评估最佳的工具。此外，为鼓励试验新的战略，它是emphas ized所有受试者在生物反馈运行中，他们控制的OFC表现进行评估，只有在控制任务的运行没有生物反馈。受试者被告知有一个六到八秒的延迟活动的变化，他们的目标脑区和线图的变化，由于血流缓慢的响应和处理延迟。委员会还建议，他们不应该延迟块内的战略变化的时间当然科目，使评估每个策略难的成功，当策略改变得太快。
      用于生物反馈运行期间提供反馈的实时功能磁共振成像系统如图2所示。写一个特殊的重建程序，节省每片数据的副本，因为它是收集，图像重建系统，图像处理计算机通过局域网连接访问目录。 BioImage套房模块（HREF =“http://www.bioimagesuite.org”> www.bioimagesuite.org）运行目录和内容，因为它似乎在每个切片图像处理计算机调查。当整个卷已经来临，它是通过串口注册功能的参考扫描（调整的议案）和目标大洋洲地区的平均信号电平，以及在控制脑白质区域，计算和输出激励/反馈的计算机。刺激/反馈的计算机上运行的MATLAB程序（www.mathworks.com）接收的数据和规范化的OFC活动水平的调整使用deCharms和他的同事介绍的公式漂移和整个^大脑的波动。8更具体，为每个卷收集的数据，从正在运行的平均的％信号的变化是计算的OFC和白质的投资回报，并在这两项措施的区别在于计算。这个值是随着时间的推移，B线图绘制ottom的视觉显示。
      
      图2。实时功能磁共振成像系统的原理图。图像重建系统进程的议员，因为它是数据收集，并创建一个写入到文件中的每个片的形象。这些切片图像检索图像处理计算机通过局域网和使用BioImage套房实时处理。投资回报率的活动水平，然后发送到电脑是收到一个Matlab程序，创建可视化显示，包括一个正常化的OFC活动时间为主题的情节刺激/反馈。
      深水生物反馈：这些运行提供一个控制条件比较生物反馈。深水生物反馈运行将是相同的生物反馈的运行，除了科目会认为，在以前，年龄和性别匹配的主体的生物反馈运行的OFC活动的时间当然。程度的previo我们的题目是能够控制生物反馈运行期间的OFC活动，当前主题会出现同样的成功，在他们的深水生物反馈运行，从而导致类似的成功跨越两个条件的主体所经历的印象。由于控制这一地区的成功经验，可能会影响主体的动机，从而间接地影响他们学习的OFC控制在何种程度上，重要的是要保持尽可能一致。
   6. 最后，两个控制任务运行收集 。

3.3第3天：同第2天，但使用不同的（匹配）设置的刺激。

3.4第4天

1. 科目参加最后的评估会议（3.2.1）。
2. 科目参加最后的1小时磁共振成像的会议，在其中静息状态功能连接数据收集。

4。述职的深水主题

在研究完成后，所有的深水参与者被告知，他们收到假的反馈和debriefed，以确保他们不会欺骗心烦，并检查他们怀疑是不是不虚伪，他们收到的反馈。

5。离线数据分析

5.1三个主要结果测量计算每个题目：

1. 在焦虑的变化经历了当主体的意见，最后的评估会议的污染比第一次评估会议的相关图片。请注意，显示特定的图像是在不同的评估会议（避免习惯），但他们通常诱发焦虑水平相匹配（与试点测试证实）。自我报告的焦虑平均得分作为最终将减去平均自我报告的焦虑评分从第一次评估会议sessment会议产量估计在每个科目的焦虑变化。一个内受自我报告的焦虑评分比较t检验，以确定是否有任何特定主题显示在最后评估会议的初步评估会议在焦虑显著下降。
2. 控制的OFC目标区域的变化，受干预期间经历。对该地区的控制是控制任务的基础上计算运行在每个生物反馈会议的开始和结束。对于每一个控制任务的运行，GLM分析进行两个回归：“增加”块和“减少”块之一，这是每个考虑在适当的任务期间，编码向量计算在所有其他时间点与血流动力学响应函数的卷积为零。每个回归测试地图减去产生一个地图，在增加的信号差异，对减少集团KS。在这张地图上的平均值，平均跨主题的具体大洋洲地区的产量估计在每个控制任务的运行目标大洋洲地区的控制权。在大洋洲的控制，在启动的第一个生物反馈会议，将减去在最后的生物反馈会议结束时产生一个变化的生物反馈干预造成该地区的控制措施，从控制的OFC。
3. 在休息状态连接的变化，在研究过程中的OFC地区。这是计算每个科目减去种子区域的第1天休息种子区域连接的第4天休息运行图运行的连接图。

5.2集团层面分析

至少，以下是检查组级别 ：

1. 谁收到真正的生物反馈的主题是对比科目谁收到假生物反馈，以确定它们是否开发更大的目标区域和控制，使他们能够发挥更好地控制其污染的焦虑是否。配对t -检验用来比较两组控制的变化和焦虑的变化估计。
2. 污染，生物反馈科目焦虑的变化与控制他们的目标区域的变化，在功能连接模式的变化。跨学科得到了真正的生物反馈，控制在目标区域的变化，将与焦虑使用皮尔逊积差相关的变化。通过一个标准的R - P转换的意义将被评估。相关连接到每个科目的OFC变化的地图将在一个像素明智的方式与他们在焦虑的变化估计。

进行离线分析和实时分析这个手稿中描述使用BioImaGE套房（ www.bioimagesuite.org ）。该软件包是自由和开放源码。实时分析的组成部分，虽然没有获得上线，可应要求提供。它的目的是显示程序中分离出来的实时数据分析，使后者可以无需修改前修改。这允许在实验设计的灵活性，例如，可以书面显示程序使用任何标准的软件（例如，电子黄金，MATLAB，演示）。此外，实时分析采用图形处理单元加速运动校正，使高品质的议案修正几乎没有延误处理。 Scheinost 等详细介绍这个系统是2011年^26。

6。代表性的成果

在生物反馈控制对他们的目标大脑区域的一个主题，谁收益，应该有一个增加控制目标脑区中，作为评估过程中的控制任务运行，并且这应该转化为在评估会议期间减少污染焦虑。图3显示了视觉显示屏幕截图从最终生物反馈的一门学科，谁成功地获得控制他们的OFC运行。这个问题在此期间运行控制该地区的成功是反映线图是在红色比蓝色的时期，特别是调整后的预期六到八秒的延迟，时期的事实。这一问题上表现出增加的控制，在他的控制任务运行（从0.003的平均β值0.23平均β值），以及在焦虑显著减少评估在评估会议中提出的污染图像（P < 0.005），如图4所示。这是一次成功的主题。相比之下，其他科目没有学会控制目标区域，ð没有表现出任何污染焦虑跌幅在评估会议评估。在一般情况下，我们发现在他们的学习能力，以控制这一地区跨学科很大的变化。

图3。一个生物反馈运行期间观看了视觉显示的屏幕快照，在运行结束。由于中性条件下运行结束后，在屏幕转储的时间（在这种情况下，图片的书籍）上看到的图像是中立的，箭头是白色的，指向前进。在增加和减少块，污染有关的图像显示。左边的箭头是一个在增加块红色向上箭头和一个蓝色向下箭头在减少块。在显示屏的底部线图表示在运行过程中的OFC活动。该行的颜色表示哪种块是发生在这一段时间的扫描（重新d为增加，减少，蓝色和白色为中性）。该图涵盖的那一刻起第一册（约3秒后开始运行），直到^第 128卷的处理时间（开始运行后约257s）处理的时限。 Y轴表示％的OFC运行意味着信号的变化减去％的信号变化，从白质控制的投资回报率的运行平均值（在此运行，振幅2.1和-3.7之间不等）。请注意，占6 - 8S延迟（对应3-4个时间点），在这一地区的活动后，在红色比蓝色时期，反映了这个问题，在控制该地区的成功。这一主题相匹配的深水主题会看到相同的刺激，但是，在深水主题的情况下，线图不会与他们大脑活动的真实模式。

图4。自我报告的焦虑评级总结（一）第一次评估会议（前生物反馈）和（b）最后评估会议（生物反馈后）从主体的生物反馈时程污染图像的条形图显示在图3。这个主题报告显着降低焦虑的生物反馈治疗后，星号表示。

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讨论

实时fMRI数据的生物反馈是一种新技术，需要更多的工作来优化这种方法，以最大限度地提高学习的科目。最近的研究探讨不同的电话号码或扫描会话的运行^{，14，18，27，}如何学习改变反馈范式如何^影响学习28，是否一个给定的生物反馈治疗在脑功能的变化，坚持超越，最终协议结果引起学习生物反馈训练期间^{15，18，27，29}然而，需要更大量的工作沿着这些路线是，在心中?...

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