Nervové změny při cvičení: funkční studie MRI

Duševní poruchy jsou hlavní příčinou dlouhodobé invalidity a jsou přímou příčinou úmrtnosti, na celém světě ročně zemře na sebevraždu přibližně 800 000 jedinců – velká část z nich pochází z velké depresivní poruchy (MDD). Znalosti o MDD se v posledních letech rozšířily zjištěním, že neuroplasticita může hrát klíčovou roli v patofyziologii onemocnění. Neuroplasticita v tomto kontextu odkazuje na schopnost mozku měnit se, a proto může být předpokladem pro budování strategií proti duševním poruchám.

Nejlépe charakterizovanými a nejvíce studovanými příklady neuroplasticity jsou molekulární a buněčné adaptace, které jsou základem učení a cvičení. Cvičení zlepšuje kognici, má antidepresivní účinky a bylo také zjištěno, že má pozitivní účinky na strukturu mozku, jak bylo měřeno pomocí magnetické rezonance (MRI). Dále výzkum u starších dospělých naznačuje, že zvýšená aerobní zdatnost může být neuroprotektivní a může zlepšit strukturu a funkci mozku. Zvýšení objemu šedé hmoty v parietálních a frontálních oblastech mozku a odpovídající zvýšení difuzivity ve vláknech bílé hmoty bylo pozorováno již po 2 týdnech tréninku vyrovnávacího úkolu.

Na druhé straně experimentální studie zjistily, že stres a chronické vystavení vysokým hladinám glukokortikoidů vede k depresivním stavům. Tyto stavy byly doprovázeny atrofií a ztrátou neuronů v dospělém hipokampu, což je oblast temporálního laloku mozku zapojená do učení, paměti a regulace nálady. Poškození hipokampu, které je důsledkem nadměrné expozice mozku glukokortikoidům, vede ke zhoršené zpětnovazební inhibici osy hypotalamus-hypofýza-nadledviny (HPA) glukokortikoidy, což způsobuje neomezené uvolňování osy – „Hypotéza kaskády glukokortikoidů“. Dlouhodobý stres nebo nadměrná alostatická zátěž je tedy škodlivá a je pravděpodobně důležitá v procesech zprostředkovávajících demence. Efektivní stresové reakce jsou nezbytné pro zvládání změn v prostředí a schopnost ukončit stresovou reakci má zásadní význam pro návrat k homeostáze. Jedinci s depresí mají relativně vysoký sekreční tonus kortizolu s tupými denními sekrečními vzory sekrece kortizolu, což odráží špatnou regulační zpětnou vazbu v hippocampu. Vyšší kortizolové stresové reakce na probuzení (CAR) se naopak vyskytují u osob, které jsou chronicky stresované, depresivní nebo propadlé depresi nebo bipolární poruše, au dospívajících, u kterých se později deprese rozvine.

Je zajímavé, že výzkumníci zjistili, že strukturální změny hipokampu, mozkové oblasti zapojené do regulace paměti a emocí, se stávají výraznějšími, když se u pacienta s depresí rozvine chronický průběh onemocnění. Nedávno zjistili, že objemy hipokampu u pacientů s MDD, kteří také nesou genetickou rizikovou alelu (SLC6A4, 5-HTTLPR), byly menší, když měli v anamnéze emoční zanedbávání ve srovnání s pacienty, kteří měli pouze genetické nebo emoční zanedbávání. rizikový faktor samostatně. V kontextu neuroimagingu je velmi zajímavé zobrazování difuzních tenzorů (DTI), které je významným krokem vpřed pro charakterizaci mikrostrukturálních změn nebo rozdílů. Pomocí difúzního zobrazování s vysokým úhlovým rozlišením vědci zjistili, že nepostižení zdraví příbuzní prvního stupně pacientů s MDD se silnějším spojením vláken mezi prefrontálními a temporo-parietálními oblastmi mozku zvládli výskyt nepříznivých okolností v raném věku, aniž by se později rozvinula deprese, což naznačuje, že odolnost může být spojena se silnější spojení. Tento směr výzkumu naznačuje, že strukturální a funkční změny mozku existují již před manifestací nemoci a že tyto změny zřejmě souvisejí se zranitelností jednotlivců.

Prevence těchto mozkových změn, normalizace stresových funkcí a zvýšení odolnosti jedinců je tedy velkou výzvou do budoucna, aby se předešlo velkým duševním poruchám souvisejícím se stresem. Schopnost mozku adaptovat se naznačuje, že by mohlo být možné zvýšit odolnost, aby se jedinec ochránil před depresí. Kromě cvičení a učení se ukázalo, že kognitivně behaviorální terapie (CBT) a nápravné programy mají vliv na strukturu a funkci mozku u pacientů s manifestními poruchami, jako je deprese nebo schizofrenie, a zejména kombinace CBT s cvičením a učením může vést k většině případů. prominentní výsledky. U CBT byly hlášeny neuroplastické změny mozku. Například behaviorální aktivační terapie deprese, psychoterapeutická modalita navržená ke zvýšení zapojení s pozitivními podněty a snížení vyhýbavého chování, vedla ke snížení aktivací v prefrontálních strukturách, včetně paracingulárního gyru, pravé orbitofrontální kůry a pravého frontálního pólu, zatímco symptomy deprese se zlepšila. Zvýšená amygdala-hippokampální aktivita se snížila a snížená aktivita ACC se zvýšila během 16 týdnů CBT u 16 pacientů s MDD. Nedávný přehled zdůrazňuje účinky krátkého tréninku pracovní paměti napříč různými studiemi na aktivaci mozku v mnoha oblastech, včetně dorzolaterální prefrontální kůry, parietálního kortexu a okcipitálního kortexu. Zajímavé je, že jízda na kole zvyšuje objem hipokampu jak u pacientů se schizofrenií, tak u zdravých srovnávacích subjektů, beze změny ve skupině pacientů, kteří necvičí. To naznačuje, že CBT a cvičení mohou mít dopad na zotavení mozkového systému ze stavů, jako je schizofrenie a MDD.

Účinky programu odolnosti nebyly nikdy zkoumány pomocí neurozobrazování, ačkoli by bylo možné získat informace o struktuře svazků vláken bílé hmoty, které spojují určité oblasti mozku. Psychologické konstrukty, které podporují odolnost – schopnost vyrovnat se se stresovými situacemi – zahrnují oddanost, trpělivost, optimismus a sebeúctu, kromě schopnosti modulovat emoce a rozvíjet adaptivní sociální chování. Tyto rysy implikují kognitivně-emocionální souhru mozku, která se zdá být kritickým determinantem vzniku spíše patologických než odolných fenotypů. Kognitivně-emocionální souhru a její funkční mozkovou konektivitu lze studovat pomocí funkční MRI. Je zajímavé, že pomocí funkční MRI se ukázalo, že u pacientů s MDD existuje zkreslení mezi emočním a kognitivním zpracováním.

Cíle:

Cílem současného návrhu je provést 20 týdnů trvající rozsáhlý program odolnosti s cílem stimulovat odolnost u zdravé nepostižené populace, která je vystavena běžnému každodennímu pracovnímu stresu v nemocnici. Výzkumníci budou měřit účinnost tohoto programu zkoumáním behaviorálních, denních rytmů sekrece kortizolu a stresových reakcí, mikrostrukturálních i funkčních nervových změn.

hypotézy:

Program "Resilience" stimuluje odolnost označenou

1. lepší stabilita nálady, lepší kvalita spánku a vyšší kvalita života
2. zvýšení objemu hipokampu a přední cingulární kůry
3. zvýšení funkční konektivity mezi frontálními a limbickými oblastmi mozku.
4. zvýšení frakční anizotropie (FA), což je měřítko pro fungování vláken bílé hmoty, mezi limbickými a frontálními oblastmi mozku.
5. zvýšený gradient denní sekrece kortizolu; a snížení stresových reakcí měřených probuzením kortizolu

Metody a materiály Účastníci Čtyřicet zdravých dobrovolníků, např. z Adelaide and Meath Hospital v Dublinu (AMiNCH) budou přijati zaměstnanci. Nebudou mít v anamnéze žádná neurologická, mentální (osa I a osa II) nebo chronická interní onemocnění. Dalším kritériem vyloučení pro všechny účastníky bude předchozí poranění hlavy se ztrátou vědomí. Navíc nebudou členy fitness klubů ani se nebudou věnovat intenzivní každodenní aktivitě. 40 zdravých dobrovolníků bude randomizováno do 20týdenního programu „odolnosti“, 45minutového cvičení dvakrát týdně pod dohledem fyzioterapeuta a také 2 domácích sezení; nebo do kontrolní skupiny bez tohoto programu a každý týden budou dokončena další dvě sezení 45minutového cvičení/joggingu. Klinická hodnocení budou prováděna každý týden. Neuroimaging a testy probuzení kortizolu ve slinách budou provedeny na začátku a po 20 týdnech pro skupinu s programem odolnosti (N=20) i pro kontrolní skupinu (N=20).

Klinická hodnocení Osobnostní dotazník NEO-FFI a strukturovaný klinický rozhovor pro poruchy DSM (SCID)-I a II budou zpočátku provedeny za účelem vyloučení a anamnézy nebo současné psychiatrické poruchy. Nálada bude hodnocena pomocí Hamiltonovy škály pro hodnocení deprese (HDRS), Hamiltonovy škály pro hodnocení úzkosti (HAM-A) a Beckova inventáře deprese (BDI) na začátku a poté jednou za dva týdny. Současné životní stresory budou navíc vyhodnoceny v rozhovoru vedeném podle Kellera et al. na týdenní bázi; Kvalita života (Study-Short Form 36-Item Health Survey (SF-36, QoL-Bref) a Pittsburghský index kvality spánku (PSQI) budou také prováděny jednou za dva týdny. Stres v raném věku bude hodnocen pomocí dotazníku dětského traumatu (CTQ). Při zařazení bude také jednou proveden osobnostní dotazník NEO-FFI a SCID-I a II. Podávání bude určeno inventářem v Edinburghu.

Techniky neurozobrazování MRI snímky budou získány pomocí 3,0 Tesla MRI (Phillips Achieva), které se nachází v Trinity College Institute of Neuroscience (TCIN). MRI se bude provádět pomocí 60minutového zobrazovacího protokolu.

Diffusion Tensor Imaging (DTI): In vivo DTI bude získáno pomocí sekvence jednorázového echo-planárního zobrazování (EPI) se schématem paralelního zobrazování SENSE (SENSivitiy Encoding). Difúzní vážení bude zakódováno v 61 nezávislých směrech. Po předběžném zpracování v programu ExploreDTI, traktografie s ExploreDTI a prostorové statistiky založené na traktech pomocí TBSS (www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/tbss/index.html, FSL) se bude provádět. Máme zkušenosti s používáním této techniky a prováděním analýz (25).

Funkční MRI: Abychom identifikovali funkční změny v systému regulace emocí, použijeme paradigma fMRI. K vizualizaci BOLD kontrastu použijeme Echo Planar Imaging (EPI), T2*-weighted gradient-echo imaging (TR 2000 ms, TE 30 ms, úhel převrácení 90°, matice 80 x 80, FOV 224 x 224 x 150 mm , rozlišení: 3,5 x 3,5 mm, tloušťka řezu: 3,5 mm). Bude použit kognitivně-emocionální inhibiční úkol, který je v naší laboratoři dobře zaveden. Účastníci budou požádáni, aby zpracovali vizuální emocionální podněty buď emocionálním nebo kognitivním způsobem. Tento úkol je zvolen specificky, protože je známo, že vyvolává aktivitu v prefrontálním kortexu, amygdale, gyrus cinguli, orbitofrontálním kortexu, oblastech zapojených do patofyziologie MDD. Bude provedena standardní analýza založená na SPM8, analýza funkční konektivity (33) a analýza psycho-fyziologické interakce (PPI).

Strukturální techniky: Kromě toho je cílem sledovat jakékoli strukturální změny a potvrdit a také rozšířit nejnovější poznatky v této oblasti. Proto budou všechny subjekty skenovány pomocí T1-vážené sekvence 3D-MPRAGE (doba opakování, 8,5 ms; doba echa, 3,5 ms; celková doba akvizice, 7 min 30 sekund; počet akvizic, 1; zorné pole, 250 x 256 x 160 mm; rozlišení: 0,86 x 0,86 x 0,86 mm). Analýza oblasti zájmu (ROI) hipokampu a amygdaly, stejně jako optimalizovaná morfometrie založená na voxelu (VBM), bude použita pro analýzu dat, jak bylo dříve provedeno v naší laboratoři.

Vzorky kortizolu slin Tyto vzorky budou odebírány zúčastněnými subjekty ve dvou po sobě jdoucích dnech v týdnu nebo pracovních dnech. Subjekty plivnou do malé plastové zkumavky při probuzení a 30, 45, 60 a 90 minut později; a večer (12 hodin po probuzení) a těsně před spaním. Vzorky mohou být účastníky uloženy v domácí lednici a poslány v dávce v připravené obálce do výzkumného centra.

Výpočet velikosti vzorku Výzkumníci již dříve provedli řadu longitudinálních zobrazovacích studií. Na základě těchto zkušeností by mělo být 20 subjektů v každé skupině více než dostačujících k získání významných účinků, kde se typicky vyskytují změny signálu v řádu 0,2 % až 0,3 % v kognitivně-emocionálních úkolech nebo by měly být nalezeny alespoň 5 % mikrostrukturální změny. ve strukturální MRI nebo DTI. U 20 subjektů by tedy měly být účinky zjistitelné.