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Method Article
Dans l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle en temps réel (rtfMRI), l’activité cérébrale est manipulée expérimentalement comme une variable indépendante, et le comportement est mesuré comme une variable dépendante. Le protocole présenté ici se concentre sur l’utilisation pratique de l’IRMtf comme outil thérapeutique pour les troubles psychiatriques tels que la dépendance à la nicotine.
Cela fait plus d’une décennie que la première approche de neurofeedback basée sur l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a été mise en œuvre avec succès. Depuis, diverses études ont démontré que les participants peuvent apprendre à contrôler volontairement une région cérébrale circonscrite. Par conséquent, l’IRMf en temps réel (rtfMRI) a fourni une nouvelle opportunité d’étudier les modifications du comportement dues à la manipulation de l’activité cérébrale. Par conséquent, les rapports d’applications de l’IRMtf pour entraîner l’autorégulation de l’activité cérébrale et les modifications concomitantes des conditions comportementales et cliniques telles que les troubles neurologiques et psychiatriques (par exemple, la schizophrénie, le trouble obsessionnel compulsif (TOC), les accidents vasculaires cérébraux) ont rapidement augmenté.
Des études de neuroimagerie dans le domaine de la toxicomanie ont montré que le cortex cingulaire antérieur, le cortex orbitofrontal et le cortex insulaire sont activés lors de la présentation de signaux associés à la drogue. De plus, il a été démontré que l’activité dans les cortex insulaires gauche et droit est fortement corrélée avec les envies de drogue lorsque les participants sont exposés à des signaux suscitant l’envie de fumer. Par conséquent, l’insula bilatérale est d’une importance particulière dans la recherche sur les pulsions de drogue et la toxicomanie en raison de son rôle dans la représentation des états corporels (intéroceptifs). Cette étude explore l’utilisation du neurofeedback rtfMRI pour la réduction de l’activité dépendante du niveau d’oxygène dans le sang (BOLD) dans les cortex insulaires bilatéraux des participants dépendants à la nicotine. L’étude teste également s’il existe des modifications associées à l’entraînement en neurofeedback dans les attitudes implicites des participants envers les signaux de manque de nicotine et le comportement de manque explicite.
Le neurofeedback est une procédure de conditionnement opérant par laquelle les humains ou les animaux peuvent apprendre à moduler l’activité neuronale dans une ou plusieurs régions du cerveau. La formation conduit généralement à des modifications comportementales1. En principe, les signaux cérébraux provenant d’une ou de plusieurs régions cérébrales circonscrites sont transformés en rétroaction sensorielle (par exemple, visuelle, auditive ou tactile), qui est fournie au participant pour le contrôle de l’activité cérébrale par conditionnement opérant ou d’autres formes d’apprentissage. À l’inverse du paradigme traditionnel de la neuroimagerie, les études de neurofeedback modulent l’activité cérébrale en tant que variable indépendante et mesurent le comportement en tant que variable dépendante. Ainsi, le neurofeedback offre une nouvelle approche pour étudier l’implication des régions cérébrales dans différentes fonctions cognitives et comment l’hyperactivation ou l’hypoactivation de ces régions cérébrales peut conduire à un comportement anormal.
Le neurofeedback a été utilisé avec différentes modalités de neuroimagerie telles que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), l’électroencéphalographie (EEG) et la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS). Les paradigmes de neurofeedback basés sur l’EEG et la fNIRS présentent les avantages d’une résolution temporelle plus élevée, d’un prix abordable et d’une portabilité 2,3. Cependant, ils se caractérisent par une faible résolution spatiale et une incapacité à accéder aux régions cérébrales plus profondes. De plus, l’EEG présente la complexité computationnelle du problème inverse pour déterminer une source d’activations neuronales à partir de signaux EEG de surface4. Cependant, avec les développements récents de l’IRMf en temps réel (rtfMRI), il est possible d’accéder aux signaux hémodynamiques de toutes les parties du cerveau, avec une bonne résolution spatiale (par exemple, 2 mm3) et une résolution temporelle de 720 ms5. Ainsi, l’IRMf surmonte les limitations mentionnées ci-dessus possédées par les techniques fNIRS et EEG.
La dépendance à la nicotine est l’une des principales causes de décès dans le monde en raison d’un certain nombre de maladies associées autabagisme6. Les facteurs reconnus conduisant à la dépendance à la nicotine sont la susceptibilité sociale, environnementale, psychologique7 et génétique8. Sur le plan neurobiologique, des études ont montré une activation dans le cortex cingulaire antérieur (ACC), le cortex orbitofrontal (OFC), l’aire tegmentale ventrale (VTA), le striatum ventral, l’amygdale, l’hippocampe, le cortex préfrontal (PFC) et le cortex insulaire lors de la présentation de signaux associés à des médicaments, contrairement aux signaux de contrôle neutres 9,10,11,12,13,14 . L’activité des insulas gauche et droit est fortement corrélée avec les envies de fumer lorsque les fumeurs ont regardé des indices associés à la drogue15,16. L’insula joue un rôle important dans l’induction du comportement de manque 17,18,19,20,21, car elle est responsable de la perception de l’état corporel. Il a été rapporté que les fumeurs présentant des lésions dans leur cortex insulaire étaient plus susceptibles d’arrêter de fumer que les fumeurs ayant des lésions cérébrales n’impliquant pas l’insula18.
L’un des plus grands défis des méthodes actuelles de sevrage tabagique est le taux élevé de rechute22. Plus de 80 % des fumeurs rechutent dans les premiers mois suivant l’arrêt dutabac23. L’exposition à des signaux précédemment associés à la consommation de drogues est l’une des principales raisons du taux élevé de rechute de la dépendance à la nicotine24. Ce mécanisme s’appelle l’effet d’incubation. Le protocole actuel est développé pour cibler l’effet d’incubation évalué par une tâche d’amorçage affectif. Des études antérieures ont démontré que les fumeurs abstinents ont des attitudes implicites négatives à l’égard des signaux liés au tabagisme 25,26,27,28. Dans la tâche typique d’amorçage affectif, les stimuli d’amorçage émotionnel modifient le traitement d’une cible affective de sorte que le temps de réaction et la précision des réponses sont modifiés29. En d’autres termes, si les stimuli premiers et cibles sont de la même valence, le temps de réaction en réponse aux stimuli cibles sera plus rapide, et vice versa.
Dans la présente étude, on suppose que la régulation négative du cortex insulaire antérieur bilatéral réduira l’envie et, par conséquent, que la valence des signaux induisant l’envie passera de négative à neutre, car les biais attentionnels et associatifs s’éloigneront des signaux liés au tabagisme30. La tâche de comportement implicite est une tâche d’amorçage affectif adaptée à l’origine de Czyzewska et Graham31. Sur la base de l’hypothèse susmentionnée, on s’attend à observer une diminution du temps de réaction en réponse à une combinaison de mots premiers (image déclenchant l’envie ou son homologue neutre) et de mots cibles avec une valence positive après le bloc de régulation négative par rapport au bloc de base. La tâche d’amorçage (figure 2B) se compose d’un mot premier (c’est-à-dire une image déclenchant l’envie ou son homologue neutre image32) et d’un mot cible avec une valence positive ou négative. L’image première est présentée pendant 200 ms, suivie d’un mot cible présenté pendant 1 seconde. L’asynchronie d’apparition du stimulus (SOA) est de 250 ms. Les participants sont ensuite invités à juger de la valence du mot cible (positif ou négatif) et à répondre en appuyant sur un bouton aussi rapidement et précisément que possible.
Le système rtfMRI (Figure 1) se compose des sous-systèmes suivants : (1) participant, (2) acquisition de signaux, (3) analyse de signaux en ligne et (4) retour de signal. L’acquisition du signal est effectuée à l’aide d’un scanner corps entier Siemens Trio 3.0T à l’aide d’une séquence d’imagerie par écho planaire (EPI)33. Des procédures telles que la reconstruction d’image, la correction de la distorsion et le calcul de la moyenne du signal sont effectuées sur l’ordinateur du scanner. Une fois les images reconstruites et prétraitées, elles sont exportées vers le sous-système d’analyse du signal. Le sous-système d’analyse du signal est mis en œuvre à l’aide du Turbo Brain Voyager (TBV)34. TBV récupère les images reconstruites et effectue le traitement des données qui comprend la correction de mouvement 3D et l’analyse statistique en temps réel à l’aide du modèle linéaire général35. TBV permet à l’utilisateur de dessiner des régions d’intérêt (ROI) sur plusieurs voxels sur les images fonctionnelles et d’extraire des valeurs BOLD moyennes du ROI après chaque temps de répétition (TR). Les séries chronologiques des retours sur investissement sélectionnés sont ensuite exportées vers le script MATLAB qui calcule et présente les retours d’expérience au participant.
Un retour visuel de l’activité cérébrale est fourni aux participants sous la forme d’un thermomètre graphiquement animé, ses barres changeant proportionnellement au pourcentage de changements BOLD dans les ROI. Plusieurs études ont utilisé la rétroaction intermittente (rétroaction fournie à un participant après un certain nombre de TR de la séquence EPI) pour la formation des participants36,37. Cependant, dans l’étude actuelle, on s’attendait à ce que les participants aient plus de difficultés à réguler à la baisse le signal BOLD dans l’insula antérieure avec une rétroaction continue en raison du rôle de l’insula dans l’intégration sensorielle et de son implication dans le traitement de l’information de rétroaction visuelle38. Par conséquent, il a été présumé que la rétroaction continue entraînerait un conflit entre deux processus dans le cortex insulaire, l’un qui augmente le signal en raison de la rétroaction externe, et l’autre qui diminue le signal en raison de l’entraînement en neurofeedback. Par conséquent, dans cette étude, nous ne fournissons une rétroaction qu’à la fin de chaque bloc de régulation descendante (rétroaction différée). Les participants voient un texte (par exemple, 0,87 euro) en guise de retour visuel (figures 2A, C) qui indique le montant d’argent qu’ils ont gagné (récompense monétaire). Cette récompense est proportionnelle au pourcentage de régulation négative réalisé dans le bloc réglementaire.
L’IRMr est une nouvelle neurotechnologie qui pourrait être en mesure de surmonter les problèmes dans les approches thérapeutiques du traitement de la toxicomanie et pourrait fournir des interventions plus fiables et efficaces pour réduire les rechutes. Les objectifs à long terme de la présente étude sont triples : 1) tester si les toxicomanes à la nicotine peuvent apprendre à réguler à la baisse les signaux BOLD dans l’insula antérieure en présence de stimuli suscitant un comportement de manque ; 2) examiner si l’entraînement en neurofeedback entraîne des modifications du comportement de manque ; et 3) d’explorer si les changements dans les niveaux de manque pendant l’entraînement en neurofeedback de la régulation négative de l’insula persistent après six mois d’entraînement sans aucune autre intervention. Cet article fournit une description détaillée du protocole expérimental rtfMRI et de ses différentes composantes. Des exemples de données de l’étude sont également présentés et une discussion sur les défis futurs et le potentiel de cette méthode en plus de la recherche. Le protocole présenté est conçu pour déterminer si l’entraînement par neurofeedback basé sur l’IRMf peut être utilisé pour étudier les réductions de l’activité cérébrale dans le cortex insulaire des fumeurs de cigarettes. De plus, le protocole est destiné à étudier les relations entre l’activation du cortex insulaire et les comportements de manque de fumer des fumeurs de cigarettes.
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Le Comité d’éthique de la Faculté de médecine de l’Université de Tübingen et de la Pontificia Universidad Católica de Chile a approuvé le protocole rtfMRI suivant.
1. Configuration matérielle
2. Préparation des participants en dehors du scanner
3. Positionnement des participants
REMARQUE : La procédure de positionnement du participant sur la table du scanner est similaire à l’expérience traditionnelle d’IRMf.
4. Acquisition de données
5. Neurofeedback IRMf
6. Groupe témoin
7. Analyse hors ligne
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Quatre patients ont été recrutés en fonction de leurs scores au questionnaire du test de Fagerström pour la dépendance à la nicotine (FTND)45 , du questionnaire pour la dépendance à la nicotine de niveau moyen (score FTND >4) et du nombre de cigarettes fumées chaque jour (>15). De plus, il a été garanti que les participants n’avaient pas de tatouage ou d’implants métalliques, conformément aux mesures de sécurité IRM de l’institution. Cinq séances d’IRMr...
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Les résultats de quatre participants démontrent la possibilité pour les fumeurs de cigarettes d’apprendre à réguler à la baisse l’activation dans l’insula antérieure bilatérale en présence d’un signal déclenchant l’envie de fumer. Les changements dans les comportements tabagiques implicites et explicites après l’entraînement en neurofeedback chez le participant de l’échantillon peuvent être liés à une régulation négative apprise, car le participant n’a p...
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Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Cette étude a été financée par la Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica de Chile (Conicyt) par l’intermédiaire du Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico, de la bourse postdoctorale Fondecyt (n° 3100648), de Fondecyt Regular (projets n° 1171313 et n° 1171320) et du CONICYT PIA/Anillo de Investigación en Ciencia y Tecnología ACT172121.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
MATHSWORK | MATLAB version 2014a | ||
Presentation - Neurobehavioral Systems | Presentation version 18.0 | ||
Brain Innovation B.V. | Turbo Brain Voyager Version 2.6 or 3.0 |
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