В реальном времени видео-проекция в МРТ для характеризации нейронные корреляты, связанные с зеркалом терапии для фантомные боли конечностей

Резюме

Мы представляем Роман комбинированные поведенческих и нейровизуализации протокол нанимателя в реальном времени видео-проекции для целей характеризующие нейронные корреляты, связанные с зеркалом терапии в рамках окружающей среды сканера магнитно-резонансной томографии в ногу человек с ампутированными конечностями предметы с фантомные боли конечностей.

Аннотация

Зеркало терапии (MT) было предложено как эффективной реабилитационной стратегии для облегчения симптомов боли в ампутации конечностей с фантомные боли конечностей (ПЛП). Однако создание нейронные корреляты, связанные с MT терапии была сложной учитывая, что это трудно управлять терапия эффективно в среде сканера магнитно-резонансная томография (МРТ). Чтобы охарактеризовать функциональной организации корковой регионов, связанных с этой реабилитационной стратегии, мы разработали комбинированных поведенческих и функциональных нейровизуализации протокол, который может быть применен в участников с ампутации ноги. Этот новый подход позволяет участникам пройти МРТ сканер среде MT Просмотр в реальном времени видео изображения, захваченные камерой. Образы рассматриваются участником через систему зеркал и монитор, что участник рассматривает лежа на кровати сканера. Таким образом можно охарактеризовать функциональные изменения в корковых областях, представляющих интерес (например, сенсомоторной коры) в ответ на прямое применение MT.

Введение

ПЛП относится к ощущение боли, воспринимается в пределах области, соответствующей недостающие конечности postamputation^1,2. Это условие является значительным бременем хронических здравоохранения и может иметь огромное влияние на качество жизни индивидуума^3,4. Было высказано предположение о том, что изменения в структуре мозга и функции играют основополагающую роль в развитии и neuropathophysiology ПЛП^5,6. Однако основной нейронные корреляты как развиваться симптомы боли и как они могут быть решены в ответ на лечение остаются неизвестными. Это отсутствие информации обусловлено главным образом технические проблемы и ограничения, связанные с выполнением данного терапевтический подход в пределах ограничений среде нейровизуализации, например МРТ^5,7,8 .

Результаты ряда исследований объясняют развитие ПЛП неадекватные neuroplastic реорганизации, происходящих внутри сенсомоторной коре, а также в других областях головного мозга. Например было показано, что после ампутации конечности, существует сдвиг в соответствующее представление сенсомоторной коры соседних областей. В результате соседние районы видимо начать вторжение в зонах, которые соответствуют ампутированной конечности^9,10. Для того, чтобы облегчить симптомы боли, связанные с ПЛП, лечения, такие как MT или мотор изображений может быть эффективным^9,,1112. Предполагается, что облегчение симптомов происходит предположительно через кросс Модал воссоздание афферентных входов, предоставляемый наблюдения зеркало отражение изображения из nonaffected конечности^{12,13, 14,,1516,17}. Через эти образы участники имеют возможность визуализировать отражение противоположных конечностей вместо одной, которая была ампутирована, таким образом создавая иллюзию, что обе конечности. Иллюзии и погружения последствия ранее были изучены, длительное et al. в здоровых испытуемых, в которых оценивали сравнение функциональных активации через Функциональная МРТ (МР-томографию) после прохождения задачи либо с общей зеркальный шкаф или виртуальной реальности ¹⁸. Однако, по-прежнему осознаются нейронные корреляты, связанные с разворота неадекватные neuroplastic изменений и облегчение симптомов. Кроме того основной механизм ПЛП остается темой исследований, как ясно базовой физиопатологические изменения за развитие ПЛП еще неполно выяснены, хотя спорные выводы были выявлены^{5, 19}. Как указывалось выше, несколько авторов приписать развитие боли деафферентация и корковые реорганизации пострадавших мозга (площадь ампутированной конечности)^6,7,8; Однако напротив результаты были описаны Макин и коллаборационистов, в которых присутствие боль связана с сохранением структуры мозга и боль приписывают сокращение межрегиональных функциональные связи¹⁹. С учетом этих противоречивых и напротив выводы мы считаем, что роман представленный здесь подход принесет дополнительную соответствующую информацию для изучения ПЛП и позволит ученым оценить последствия MT в живой среде со степенью мозга Активация при сравнении их с уровнем боли, оценены в наш полный протокол¹⁹.

Предыдущие литературы на эту тему показал, что МТ является одним из наиболее подходящим поведенческой терапии для лечения ПЛП из-за его легкой имплементации и низкие расходы¹². В самом деле предыдущие исследования этой техники доказали разворота неадаптивные изменений в рамках первичной сенсомоторной коры в ампутации конечностей с ПЛП^8,,2021. Несмотря на то, что MT, пожалуй, один самый недорогой и эффективный подход к лечению ПЛП^12,,2223,24, необходимы дополнительные исследования для подтверждения этих эффектов, так как некоторые пациенты не ответить на этот тип лечения⁸ и есть отсутствие крупных рандомизированных клинических испытаний, которые обеспечивают результаты, на основе доказательств высокого²⁵.

Одна из гипотез, которые МТ может уменьшить ПЛП связана с тем, что зеркальное изображение части тела не ампутировали помогает реорганизовать и интегрировать несоответствие между проприоцепции и визуальной обратной связи²⁶. Основных механизмов MT могут быть связаны с реверсии неадаптивные картирование соматосенсорные^8,27,28.

Для MT предметы требуются для выполнения нескольких моторных и сенсорных задач, используя их нетронутыми конечностей (например, сгибания и разгибания) соблюдая этот эффект в зеркале расположен в срединной участника тела, тем самым создавая яркие и точные представление движения в пределах района ампутированной конечности²⁹.

Для дальнейшего развития научного понимания аспектов патофизиологии участвующих в ПЛП, важно лучше охарактеризовать основные изменения neuroplastic результате ампутации конечностей, а также улучшение симптомов боли, предоставляемый MT. В этой связи нейровизуализационных методов, таких как МР-томографию, превратились в мощные инструменты, чтобы помочь прояснить патофизиологические механизмы, связанные с корковой реорганизации и обеспечивают ключи к оптимизации реабилитации лиц с ПЛП в ^30,клинические контексте³¹. Кроме того, высокое пространственное разрешение обеспечиваемой МР-томографию (по сравнению с электроэнцефалография, например) позволяет для более точного картирования мозга ответов, таких как палец и цифра представлений, в сенсомоторной коры наряду с другими регионами мозг³².

На сегодняшний день, нейрофизиологии, связанные с MT ускользает благодаря в значительной степени проблемы проведения процедуры в среде сканера (то есть, это трудно для индивидуального выполнения терапии лежа в сканер). Здесь мы описываем метод, который позволяет для индивида соблюдать свои собственные движения ног в реальном времени во время лежал Супин в узких рамках сканера родила. Точная отдыха яркие и захватывающие ощущения вызвало терапии могут быть воссозданы с помощью видео камеру, которая захватывает изображения в реальном времени движущиеся ноги, и системы зеркал и монитор, который может рассматриваться непосредственно участника исследования.

Последние исследования пытались включить методы, такие как запись видео, виртуальной реальности и предварительно записанные анимации как средства представить визуальный стимул и обойти эти технические проблемы^{9,16,33 ,34}. Тем не менее эти методы были ограничены в их эффективности^{35,,3637,,3839}. В конкретном случае с помощью предварительно записанное видео, есть часто бедные синхронизации между движениями участников и поставляемые видео, а также отсутствие точности времени, что приводит к плохой реалистичные впечатления что собственной личности нога движется. Для того, чтобы улучшить чувство сенсомоторной погружения, другие методы, такие как виртуальной реальности и цифровой анимации, предпринимались попытки. Тем не менее, они не смогли создать визуально убедительной ощущения из-за низкой разрешение, ограниченное поле зрения, нереалистичные или nonnatural человека подобных ходатайств и присутствие движения ЛАГ (то есть, desynchronization движения). Кроме того отсутствие точного моделирования, в сочетании с плохой контроль над другими функциями, например воздействия трения, импульс и гравитации, затрудняет восприятие яркий и захватывающий вид⁴⁰. Таким образом, для лиц с ампутированными конечностями, стоит изучить стратегии для обеспечения субъектов занимаются когнитивных задач (наблюдения) и погружения на иллюзию ампутацию конечностей движения. Наконец необходимых ресурсов для разработки и осуществления этих сложных стратегий могут быть времени или стоимость непомерно высока.

Мы опишем новый подход, который мы считаем создает реалистичный и яркие ощущение погружения, согласно которому участник видео можно посмотреть живой и реального времени проецируемого изображения их собственных конечностей в то время как они выполняют сессии MT³¹. Такой подход осуществляется в то время как человек лежал в отверстие сканера и без значительных расходов или широкого технического развития.

Этот протокол является частью национальных институтов здравоохранения (НИЗ) исследовательский проект Грант (RO1)-под эгидой клинических испытаний, которая оценивает воздействие комбинации neuromodulatory техники, а именно транскраниальной стимуляции тока (ЦТД), с Поведенческая терапия (зеркало) для того, чтобы уменьшить фантомные боли конечностей³¹. Мы оценить изменения в шкале визуальных аналоговых (VAS) для боли в начале исследования, до и после каждой сессии вмешательства. МРТ используется как нейрофизиологические инструмент для того чтобы оценить структурные изменения в функции мозга и его взаимосвязи с облегчением ПЛП. Таким образом первоначальный МР-томографию получается для того чтобы иметь карту базовой структурной организации участника мозга, который будет показывать либо что является корковая неадаптивные реорганизации^{5,6,8 , 11 , 13 , 14 , 18 , 28} или что не существует¹⁹; Таким же образом ученый может наблюдать, какие области активизируются в базовый с задачей MT для того чтобы понять области активации ответ на МТ; Наконец это возможность получить второй МР-томографию postintervention чтобы увидеть, если изменения (модуляция) были созданы в кортикальной реорганизации после комбинированной терапии с ЦТД и MT и анализировать, если эти изменения связаны или связаны с степень боль изменения. Таким образом этот протокол позволяет ученым оценить изменения структурной реорганизации в больных с обвинителей во время MT и также помогает им понять, если эти изменения, видел в МР-томографию связаны с изменениями в ПЛП, поэтому предоставление дополнительных сведений о MT влияние структурной и функциональной активности мозга для изменения фантомная боль.

протокол

1. Подготовка субъекта

1. До участия имеют форму согласия участника и безопасность МРТ, скрининг оценки, последний осуществляется нейровизуализации техник на объекте сканирования, чтобы обеспечить, что участник не имеет каких-либо известных противопоказания к сканирования (например, металл в их тела, история клаустрофобии, или беременность).
2. Предоставить участнику с подробными инструкциями в отношении экспериментальной процедуры.
3. Тема прослушать учебные записали аудио, чтобы обеспечить, что они способны понять и следовать инструкциям, приведенным в ходе сканирования.
4. Осуществляют практику в фиктивный сканер для облегчения ознакомления задачи инструкций в рамках среды сканера.
   Примечание: Фиктивный сканер аналогично во всех отношениях реального приобретения данных МРТ сканер, но без активного магнита.
5. Дать четкие инструкции для участника, чтобы избежать любых движений остаточных и фантомные конечности, чтобы избежать каких-либо сокращений пень мышц, которые могут мешать мозга сигнал.

2. Подготовка эксперимента

Примечание: Экспериментальный протокол похож на то, что была ранее описана в целях расследования нейронные корреляты, связанные с психического снимки движущихся верхних конечностей. Здесь мы адаптировали подход к движению нижних конечностей. В частности поведенческих задач состоят из следующих.

1. Перед входом в комнату сканера, попросите участников удалить их протезами и любых металлических объектов.
2. У МРТ Техник убедитесь, что участник имеет никакого металла на их теле, которые могли бы поставить их риску.
3. Транспорт участник в комнату МРТ в инвалидной коляске МРТ совместимый; После этого попросите участника передать себя в постели МРТ сканер.
4. Для MT удобно место однокомпонентные, МРТ совместимый, горизонтальное зеркало (10,000 x 255 x 3 мм) поддерживается треугольной стоять между ног участника, пока они лежат лежа на кровати сканера. Использование мешков с песком для обеспечения стабильности и лучше позиционирования зеркала. Прикрепите зеркала стенд к регулируемым рычагом, так что он может быть расположен в соответствии с высоты субъекта и позиционирования без обращения к какой-либо частью тела ( рис. 1).

Рисунок 1 : Видео камеры и зеркало установить вверх Зеркало расположено между ног под углом около 45 °, в зависимости от высоты участника и ампутации. Цель заключается в том, чтобы покрыть культи и сделать его невидимым для видео систем. Мешки с песком используются для держать зеркало в правильном положении. Позиционирования камеры также является гибкой и может быть легко изменен с помощью штатива или адаптации hock (изменяет угол камеры). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

5. Для визуальной обратной связи смонтируйте МРТ совместимой цифровой камеры на Регулируемый штатив стенда возле нетронутыми нога участника ( рис. 1).
   Примечание: Камера используется указана в Таблице материалов по цене приблизительно 217 USD. Фотоаппарат приобретает изображения в 1080 пикселей изображения. Поскольку сама камера не была помещена внутрь МРТ родила, не существует потребность в более дорогостоящим МРТ совместимых систем. Фотокамера прикреплена к МРТ Сейф IV полюс через гусиная шея Модульная шланг для включения изменения позиционирования.
6. Прикрепите камеры на штативе, позволяя соответствующую корректировку угол обзора и полем зрения.
7. Место второй зеркало на МРТ головы катушки, что позволяет участника для просмотра изображения, представленные на мониторе прямо лежа полностью внутри сканера родила ( рис. 2).

Рисунок 2 : Схема видео камеры и проекции изображения в среде сканера. В реальном времени видео-проекция зеркало терапии системы состоит из трех подсистем. 1) Камера и монитор подсистемы. Видео передается на монитор, поэтому тема может смотреть движений ног ноги и зеркало в режиме реального времени. 2) Глава катушка с зеркалом прилагается. Зеркало в голову катушки позволяет участнику смотреть монитор без перемещения их головы. Зеркало под углом 45° на уровне глаз. 3) зеркало и песком. МРТ совместимых зеркало тщательно помещается между ног и культи таким образом, что он охватывает культи и обеспечивает лучшее изображение будет показано. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

8. Настройка передачи в реальном времени видео изображения быть отправлены через систему контролируемой компьютером и проекта его на монитор помещен на задней части сканера родила (возле головы участника).
   Примечание: Существует не воспринимаемое время задержки между проекции и захватили фактическое движение. Фактическое движение и визуальной обратной связи разделены менее чем за секунду, который не вмешивается в реальном времени чувство, как заявили участники.

3. сканирование и сбор данных

1. Приобрести данные МР-томографию с 3 T сканера, с помощью 8-канальный фазированной головы катушки.
2. Получение изображений последовательности, которые включают изображения с высоким разрешением T1-взвешенный структурных (TE: 3.1 мс, TR: 6,8 мс, угол флип: 9°, размер voxel изотропной 1 мм) (анатомические сканирования) и кровь кислород уровня зависимый (BOLD) МР-томографию сигнала измерения с помощью протокола на основе Мультиспиральная градиента (быстро поле) эхо-плоскостное (РПИ) и стандартные параметры (TE: 28 МС, TR: 2 s, флип угол: 90°, изотропным 3 мм voxel размер, ориентированные аксиально и охватывающих весь мозг).
   Примечание: Вся процедура сканирования длится приблизительно 30 мин. Это включает в себя первоначальный 4 мин структурных (анатомическая) сканирования и четыре задачи (функциональные) приобретения 6 мин. Для каждой задачи (функциональные приобретение) пациент, как ожидается, нажмите их ногу со скоростью 1 Нажмите каждую секунду.
3. Во время проверки имеют участник носить звук изолируя МРТ совместимые наушники (например, Westone) на протяжении всего сеанса сканирования слышать следователя слуховой команды.
4. В то время как пациент лежит в сканер, играть слуховой трек, так что участник слышит серии слуховые сигналы для выполнения данной задачи поведенческих.
5. Используйте следующие команды: 1) «ноги» для движения ампутировали ногу (см. Примечание после шага 3.11); 2) «зеркало» для движения ноги нетронутыми во время просмотра в реальном времени записи видео (таким образом, наблюдая движение ноги в положении ампутировали ногу, используя зеркала); 3) «отдых», в котором участник останавливает любое движение ногой и лежит неподвижно с их глаза закрыты. Кроме того, следователь говорит «старт» и «конец» для обозначения начала и конца экспериментальный запуск, соответственно ( рис. 3).

Рисунок 3 : Задача дизайн. Задачи проектирования состоит из трех этапов. На первом этапе «ноги», теме поручил двигаться ноги (сгибание стопы) в темпе около одного движения каждые 2 s (10 движений в 20 s), с закрытыми глазами. На втором шаге «зеркало», участник должен продолжать двигаться ноги (10 движений в 20 s) глядя на видео монитор онлайн в реальном времени изображение зеркала ног. Последний шаг указывает тему для отдыха.

6. У участника выполняют движение с nonamputated голени с закрытыми глазами (то есть, неоднократные подошвенного сгибания и спинной сгибание стопы в темпе около одного крана за 2-3 s).
7. У участника выполняют то же самое движение ноги, но теперь участник отмечает зеркальным отражением его ноги, перемещение месте ампутировали ногу, с использованием реального времени видео-захвата движения ноги нетронутыми.
8. У участника выполняют из состояния покоя, в котором он/она откладывает до сих пор не движением ноги.
   Примечание: Каждое условие длится 20 s (то есть, один экспериментальный блок = 60 s) для запуска Длина время 6 мин (шесть повторений экспериментальный запуск каждого блока).
9. Сбор данных за один сеанс для каждого участника.
10. Поручить следователю принять к сведению любых нежелательных движений и между бежит, поручить участник держать правильный темпы и движений.
11. Убедитесь в том, что, после того, как выполняются процедуры, следователь передает данные зашифрованного накопителя и сохраняет его в надежном месте на объекте.
    Примечание: В настоящем Протоколе, слово «ноги» используется вместо слова «ног». Даже несмотря на то, что участники делают только ноги движений (из-за ограничений из машины МРТ), большинство из них имеют большую часть ампутации нижней конечности и называются ампутации ноги, не ногой.

4. анализ

1. Анализ данных функциональных нейровизуализации, используя стандартные методы^30,41, продольного анализа дизайн (базовые и лечения) и обработки потока в пакет программного обеспечения библиотеки программного обеспечения FMRIB (ПСМ)^{42 ,43}.
   1. Для каждой функциональной проверки коррекции 3D движение с помощью первого тома выравнивание, ВЧ-фильтр для удаления временных линейных трендов и выполнить коррекцию для ломтик времени приобретения и пространственной сглаживания (Gaussian ядра, полная ширина 5,0 мм на половину Максимальная [FWHM]).
      1. Марк томов с движением выше 0,9 мм в любом направлении с ПСМ в движение останец обнаружения обработки потока и математически «скраб» их из окончательного анализа⁴⁴.
         Примечание: Если более чем на 25% объемов предназначены для удаления, весь приобретения должны быть исключены из общего набора данных.
   2. Coregister каждый из обработанного функциональные изображения с высоким разрешением анатомические и, затем, привести их в стандартные Talairach пространство.
   3. Соответствовать общей линейной модели (GLM) курс время voxel где каждое экспериментальной условие моделируется регрессора крытые вагоны, должны быть сглажены с функцией двойной гамма гемодинамические реакции.
   4. Используйте с высоким разрешением анатомические T₁-взвешенный анатомический объем построить завышенные кортикального слоя поверхности сетки, чтобы увидеть sulcal активации, а затем проект отдельного субъекта карты для каждого контраст интерес на предмет в реконструкции сетки.
      Примечание: Прогнозы должны показать значительные ценности от GLM. Установите порог значение статистической значимости в стандартный критерий p < 0,001 исправлены несколько сопоставлений, используя размер кластера порог регулировки.
2. Провести региона интерес (ROI) анализа.
   1. Определить первичный ROI широко с FreeSurfer по Desikan Атлас⁴⁵ первичных сенсомоторной коры и, затем, уточнить его для каждого предмета, используя предметные функциональной активации во время ноги против состояния покоя в базовые проверки.
   2. Отражают изысканный первичного ROI на область гомологичных противоположных полушария (т.е., ипсилатеральные первичной сенсомоторной представление нетронутыми нижних конечностей).
   3. Используйте стандартный FreeSurfer анатомические Desikan Атлас⁴⁵ для определения всего (двусторонних) затылочной зрительной коры для вторичного ROI.

Результаты

Создание ощущения, связанные с MT с помощью реального времени видео-проекция является практически осуществимым. Участники субъективно сообщили, что воспринимается изображения жизни как и ощущение погружения.

Кроме того шаблоны корков...

Обсуждение

Этот протокол описывает роман, возможно процедура, которая позволяет следователям точно характеризуют нейронные корреляты, связанные с MT в индивидуалах с ПЛП.

Как ранее упоминалось, последние исследования пытались расследовать нейронные корреляты, связанных с лечение?...

Материалы

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