Neurofeedback pro PTSD (NEUROFPTSD)

Virtuální svět/Neuro-zpětná vazba Funkční přístup MRI k léčbě PTSD v reálném čase

Navzdory dostupnosti léčby zůstává posttraumatická stresová porucha (PTSD) hlavním problémem u veteránů s obrovským dopadem na pacienty, jejich rodiny a systém VHA. Hlavním terapeutickým přístupem používaným u veteránů s PTSD je expoziční terapie, která má příznivé účinky u mnoha pacientů. Je však zapotřebí zlepšení současných terapií, protože mnoho veteránů se zlepšuje méně, než by si vyšetřovatelé přáli.

Zastřešující hypotézy tohoto návrhu jsou dvojí. Za prvé, že mozková aktivita měřená funkční MRI (fMRI) může být použita k rozlišení různých mozkových stavů pacienta s PTSD během ohrožujícího zážitku vs. fMRI během zážitku ve virtuální realitě se může naučit snížit jejich odezvu záměrnou úpravou stavu jejich mozku. Za druhé, že nepřetržité měření fyzické aktivity, srdeční frekvence a spánkových vzorců pomocí nositelných zařízení může pomoci při studiu trajektorií léčby PTSD.

Vyšetřovatelé zkombinují virtuální světy, strojové učení, fMRI v reálném čase a neuro-zpětnou vazbu, aby poskytli novou léčbu PTSD, o které vědci doufají, že bude účinnější než současné alternativy, alespoň v určitých náročných případech. Důležité je, že výzkumníci zkonstruují výpočtový model, který je specifický pro kombinaci pacient+stimul. To je kritické, protože pacienti s PTSD jsou velmi heterogenní.

Cíl 1. Využití virtuálního světa/Neurofeedbacku s fMRI v reálném čase jako terapie pro PTSD Patnáct pacientů s PTSD přijatých do MEDVAMC bude vystaveno virtuálnímu Iráku, platformě virtuálního světa, ve které budou vystaveni scénářům podobným válce a uklidnění. scény, kde nebude přítomna žádná hrozba. Mozková aktivita bude shromažďována pomocí fMRI a analyzována pomocí strojového učení, aby bylo možné rozlišit mezi oběma extrémními mozkovými stavy (STRESS vs. CALM). Tyto dva stavy budou použity během tréninku neurofeedbacku: V následujících týdnech budou účastníci vystaveni 7 sezením fMRI/Virtual World, ve kterých budou instruováni, aby se pokusili posunout měřidlo na stranu CALM pomocí individuálních mentálních strategií (aktivní jako např. soustředění na konkrétní vzpomínku nebo pasivní, protože se ukázalo, že neurofeedback nutně nepotřebuje k práci svévolné úsilí). Stresovost virtuálního světa bude ovlivňována měřidlem: když je pacient schopen posunout laťku směrem ke KLIDU (přivedením mozku do tohoto stavu), stres virtuálního světa se sníží.

Hypotéza 1: Příznaky posttraumatické stresové poruchy se budou snižovat s postupujícím tréninkem a pacienti se učí mentální strategie, jak „přivést svět“ do KLIDOVÉHO stavu.

Cíl 2. Studie nositelné technologie k posouzení úspěšnosti léčby PTSD Přestože existují nástroje pro měření PTSD a výzkumníci je budou používat před, během a po tréninku, obecně nejsou sebevýpovědi tak robustní a spolehlivé, jak by si člověk přál. Bylo by tedy prospěšné mít více fyziologických měřítek progrese léčby PTSD a psychiatrie obecně. Vyšetřovatelé budou používat nositelné zařízení podobné náramkovým hodinkám, které bude účastník nepřetržitě nosit po celou dobu školení, a umožní vyšetřovatelům měřit fyzickou aktivitu, srdeční frekvenci a kvalitu spánku.

Hypotéza 2: Data z nositelného zařízení budou korelovat s vlastními hlášeními a se zvýšenou schopností záměrně uvést virtuální svět do KLIDNÉHO stavu během tréninku.

Na závěr výzkumníci navrhují, že neurofeedback dá pacientům s PTSD možnost objevit osobní mentální strategie, aby se během stresových situací zklidnili. Proces učení však nemusí být výsledkem vědomého úsilí, protože bylo prokázáno, že učení související s fMRI v reálném čase může probíhat bez vědomého úsilí nebo vědomí. Kromě toho vědci předpokládají, že nositelná zařízení zachytí fyziologická data spojená s trajektoriemi během léčby PTSD.

Vyšetřovatelé chápou, že tento přístup může být bohužel příliš nákladný na to, aby byl běžně používán (pečlivá studie nákladů a přínosů po studii však může ukázat opak). Vyšetřovatelé však předpokládají, že pokud bude tento pilotní projekt úspěšný, bude možné použít tato data k vývoji méně nákladných hybridních alternativ, které by se přidaly k expoziční terapii, jako je použití fMRI v kombinaci s EEG k rozlišení mezi stavy mozku (pouze jedna návštěva MRI a poté během tréninku používat pouze EEG.

Předběžné studie Výzkum v tomto návrhu bude stavět na čtyřletém výzkumném projektu vyšetřovatelů na UT Austin financovaném Armádním výzkumným úřadem. Tato práce značně rozšířila použitelnost 3D virtuálních světů pro použití jako podněty pro výzkum založený na fMRI a položila základy pro individualizované terapie a školení. Bude hrát ústřední roli při poskytování neuro-zpětné vazby analýzou mozkové aktivity pacientů v reakci na virtuální světy navržené k vyvolání reakcí PTSD, jako jsou ty, které poskytuje BRAVEMIND.

Sběr dat fMRI vzorkuje objem mozkové aktivity každé 2-3 sekundy po dobu několika minut podle potřeby. Každý vzorek je 3D pole voxelů, které měří celkovou mozkovou aktivitu pro několik milionů neuronů. Konvenční analýza dat fMRI zpracovává hodnoty z každého voxelu jako samostatné časové řady a provádí lineární statistickou analýzu, která dává podnět do vztahu k měřené aktivitě. Aby se vypořádali se zvýšenou složitostí používání virtuálních světů v reálném čase jako stimulu, vyšetřovatelé místo toho použili pro analýzu strojové učení. Metody založené na strojovém učení mohou extrahovat složité korelace z mnoha voxelů spíše než z jednoho voxelu. Metoda zahrnuje "trénink" vkládáním příkladů vstupně/výstupních párů do algoritmu. V případě vyšetřovatelů je vstupem časový vzorek fMRI a výstupem, odrážejícím podnět, je kategorie, o kterou se vyšetřovatelé zajímají. Vyšetřovatelé označují každou kategorii jako "stav mozku", což je vzorec aktivace mozku specifikovaný označením každého časového řezu konkrétní kategorií stimulů.

Výzkumníci byli schopni dosáhnout přesného výkonu pro detekci mozkových stavů ve dvou různých experimentech. Oba používali virtuální světy připomínající irácká města a virtuální postavy americké armády a domorodých nepřátelských bojovníků. V prvním experimentu vyšetřovatelé použili paradigma pasivního sledování, ve kterém bylo 1-6 bojovníků prezentováno na různých místech ve virtuálním městě. Průměrný výkon mezi subjekty byl docela dobrý a daleko nad šancí, pokud jde o určení, kolik bojovníků (1-6) účastník v každém okamžiku viděl. Druhý experiment použil podobný, ale složitější podnět, který zahrnoval specifický vizuální úkol vyžadující reakci uživatele. Subjekty byly požádány, aby rychle reagovaly stisknutím tlačítka na zbraň, kterou náhle vytáhl jediný nepřátelský bojovník v davu 20 postav, z nichž polovinu tvořily přátelské síly. Obtížnost úkolu se měnila náhodně během setkání, která trvala každé 30 sekund. Metody strojového učení vyšetřovatelů dokázaly rozpoznat tuto dimenzi stavu mozku se 70%-90% přesností.

Návrh a metody výzkumu Cíl 1. Využití virtuálního světa/neurofeedbacku s fMRI v reálném čase jako terapie PTSD Výzkumníci zkombinují virtuální světy, fMRI v reálném čase, strojové učení a neuro-zpětnou vazbu, aby poskytli novou léčbu PTSD, která vyšetřovatelé doufají, že bude účinnější než současné alternativy. Vyšetřovatelé také předpokládají, že zkoumáním mozkových map, jako jsou ty výše, získají vyšetřovatelé vhled do toho, jak se PTSD projevuje v mozcích různých subjektů. Stereo audio/vizuální podněty zajistí systém BRAVEMIND. Před skenováním se každý subjekt zúčastní terapeutického sezení ve vedlejší laboratoři, kterého se účastní vyškolený terapeut. Vyšetřovatelé upraví parametry stimulu tak, aby poskytly odpovídající terapeutický rozsah odpovědí mezi KLIDNÝM a STRESENÝM. K dispozici budou různé scény/scénáře. Tento rozsah nastavení parametrů bude zachycen pro následné skenování. Ve skeneru budou stimuly virtuální reality dodávány pomocí 3D displeje kompatibilního s MR. Subjekty poskytnou samy zprávu o své úrovni "STRESSED" úzkosti pomocí pětitlačítkového zařízení kompatibilního s MR. Tato data odezvy a data MRI z prvních dvou relací budou použity algoritmy strojového učení k vytvoření klasifikátorů, které dokážou rozlišit odpovědi subjektu mezi KLIDNÝ – STRESENÝ v každém časovém vzorku 1,5 sekundy. V následujících 6 sezeních budou subjektu prezentovány podobné, ale ne identické podněty, přičemž získá zpětnou vazbu ze strojového učení. To jim umožní postupně se naučit, jak samostatně modulovat svou vlastní mozkovou reakci směrem ke klidnější reakci. Takové samovolně vyvolané změny budou detekovány systémem fMRI a budou použity k modulaci virtuálního světa, aby se přímo snížila míra vnímané hrozby; tedy poskytování neuro-zpětné vazby v reálném čase požadované extinkční terapií (zobrazí se „teploměr“).

Data FMRI celého mozku budou shromažďována pomocí skeneru 3T Siemens Prisma pomocí akcelerace SMS pro získání velikosti voxelu 2 mm a TR = 1,5 s (SMS x3, G = 2, TE = 30 ms, FA = 72 ). Skenování bude trvat ~ 1 hodinu a začne sběrem lokalizátorů a anatomie s vysokým rozlišením (MP-RAGE), 1 mm kubických voxelů, po kterých bude následovat sběr dat fMRI během prezentace stimulů ve virtuální realitě. Každý cyklus fMRI bude trvat ~6 minut a bude shromážděno 6–8 cyklů.

Úskalí a alternativní strategie. Vyšetřovatelé prokázali schopnost klasifikovat vnitřní rozměr mozku s 89% přesností, ale nemusí být možné získat podobnou přesnost pro rozměr „PTSD“. Výsledky může být možné zlepšit zahrnutím pozorovaných údajů o pulzu a dýchání jako vstupu do strojového učení. Navíc, i když je zpětná vazba neúspěšná, výzkumníci stále získají náhled na fyziologii PTSD z map citlivosti, které jsou generovány strojovým učením.

Cíl 2. Studie nositelných technologií pro hodnocení úspěšnosti léčby u PTSD Fyzická aktivita, srdeční frekvence a spánkové vzorce – všechny hrají důležitou roli u PTSD. Nositelná technologie se nedávno vyvinula tak, že výzkumníci nyní mohou neustále měřit tyto tři parametry neinvazivním způsobem v průběhu studie. Vyšetřovatelé navrhují studovat symptomy, které si sami oznámili, ve spojení s fyzickou aktivitou, spánkovým vzorcem a datem srdeční frekvence po dobu 9 týdnů. Vyšetřovatelé použijí lineární regresi ke studiu, zda symptomy CAPS5, PCL a deníkové symptomy korelují s aktivitou, spánkem a vzorci srdeční frekvence během léčby. Vyšetřovatelé předpokládají, že u pacientů, u kterých je léčba nejúspěšnější, a) průměrná srdeční frekvence klesne více, b) záchvaty vysoké srdeční frekvence během dne a noci budou méně časté, c) průměrná fyzická aktivita se zvýší, d) fyzická aktivita se zvýší upravit na více aktivity během dne a méně aktivity během noci, e) Průměrná doba spánku se prodlouží a f) Spánkové vzorce se upraví s méně bdělými epochami během noci.

Úskalí a alternativní strategie. Je možné, že data z nositelných zařízení nebudou korelovat se zlepšením symptomů. Pravděpodobným vysvětlením by bylo, že chybovost současných zařízení neumožňuje, aby korelace byly významné. Pokud tomu tak je, měl by být tento přístup v budoucnu znovu testován. Dalším méně pravděpodobným vysvětlením by bylo, že fyzická aktivita, srdeční frekvence a kvalita spánku nejsou tak silně korelovány s příznaky PTSD, jak naznačují dostupné údaje. Protože se jedná o malou pilotní studii, údaje naznačující trend by ukazovaly na možné směry studia v budoucnosti.

Obecný závěr

Hlavní myšlenkou studie je, že VR se změní na méně stresující prostředí, jakmile se mozek přiblíží stavu, který byl dříve definován jako CALM. Vyšetřovatelé předpokládají, že v průběhu času se pacienti naučí vědomě uvést svůj mozek do KLIDOVÉHO stavu, což jim poskytne individualizované mentální strategie ke zklidnění, když je přítomen spouštěč traumatu/stresu.