Geschlossene Neurofeedback-Schleife zur gezielten Modulation der kardialen Autonomie im rechten dorsolateralen präfrontalen Kortex bei koronarer Herzkrankheit mit Angststörung (HEART-SET-1)

Diese Studie ist eine randomisierte, scheinkontrollierte Neurofeedback-Studie mit parallelen Gruppen, die testen soll, ob Echtzeit-fNIRS-BCI, das auf den rechten dorsolateralen präfrontalen Kortex (rechten DLPFC) abzielt und aktive willentliche Kontrolle während eines langsamen Wellen auditiven akustischen Paradigmas verwendet, die kardiale sympathische Aktivität unterdrücken und die autonome Regulation bei rechtshändigen Patienten mit stabiler koronarer Herzkrankheit und komorbider DSM-5-Angststörung verbessern kann. Die Teilnahmekriterien, Ergebnismessungen, Arme und Interventionen sowie die statistische Analyse sind in ihren jeweiligen Feldern dieses Datensatzes angegeben, um Dopplungen zu vermeiden.

Die Teilnehmer absolvieren ein Screening und eine dreitägige Adaptionsphase, gefolgt von zwei formellen Experimentsitzungen an aufeinanderfolgenden Tagen. An Testtagen wird keine verbale Anleitung gegeben. Während jeder formellen Sitzung durchlaufen die Teilnehmer 15 Blockzyklen von je 60 Sekunden, bestehend aus 20 Sekunden Ruhe und 40 Sekunden auditorischer Stimulation. Der auditorische Reiz ist ein 1 Hz amplitudenmodulierter Reinerton bei etwa 60 dB. Innerhalb des 40-Sekunden-Fensters wird ein 10-Sekunden-Weißrauschen zufällig eingebettet, wobei die ersten und letzten 2 Sekunden vermieden werden; Startzeiten werden ohne Zurücklegen aus einem diskreten Satz ausgewählt, um Vorhersagbarkeit und Sequenzeffekte zu minimieren und die Interferenzresistenz zu testen.

Das Neurofeedback zielt auf den rechten DLPFC ab. Echtzeit-Statistikwerte der kortikalen Aktivierung werden auf eine visuelle Energieleiste abgebildet, die als Rückmeldesignal dient. Die Teilnehmer verwenden aktive willentliche Strategien, um die Energieleiste während der Stimulation unter eine unbeschriftete Schwellenlinie zu drücken. In der Echt-Rückmeldungsgruppe ist der statistische Schwellenwert auf T = -3,3 eingestellt, was eine empfindliche, kontingente Abbildung zwischen der Aktivität des rechten DLPFC und der Energieleiste erzeugt. In der Schein-Rückmeldungsgruppe ist der Schwellenwert auf T = -1 eingestellt, was die effektive Kopplung zwischen dem neuralen Zustand und dem Bildschirm-Feedback schwächt, während die Schnittstelle identisch bleibt. Nur der Sitzungsoperator kennt die Gruppenzuweisung; die Ergebnisevaluatoren und Datenanalysten sind verblindet.

Signale werden synchron erfasst. fNIRS verwendet ein NirSmart-System mit 7 Quellen und 7 Detektoren, die 19 Kanäle bilden, dualen Wellenlängen bei 730 nm und 850 nm, einem Quellen-Detektor-Abstand von 3 cm und einer Abtastrate von 11 Hz mit Avalanche-Photodioden-Detektoren. Die Optoden werden über dem bilateralen präfrontalen Kortex unter Verwendung des 10-20-Systems mit FPz als zentraler Referenz positioniert. Kanäle werden im MNI-Raum koregistriert, wobei der rechte DLPFC (Brodmann-Areal 46) a priori als Region von Interesse festgelegt ist; die Kanäle 11 und 13 repräsentieren den rechten DLPFC für das Feedback, und die Kanäle 17 und 18 repräsentieren den linken DLPFC als Referenz. EKG wird mit einer 3-Kanal-Konfiguration bei 1.000 Hz aufgezeichnet.

Die Online-Verarbeitung und das Feedback werden mit der NeuroMind-NIRS-Pipeline implementiert. Ein MATLAB-Timer bietet eine feste Aktualisierungsfrequenz. Die Streaming-Architektur ist in Daten-, Visualisierungs-, Steuerungs- und Persistenzkanäle geschichtet. Ein Gleitfenster-Allgemeines-Lineares-Modell wird auf fNIRS-Signale mit Tiefpassfilterung, linearer Detrendung und Normalisierung innerhalb des Fensters angewendet. Ein Kastenträger-Aufgabenregressor, der mit einer kanonischen hämodynamischen Antwortfunktion gefaltet wird, wird verwendet; der statistische Auslesewert am Ende jedes Fensters aktualisiert die Energieleiste und die Schwellenwertentscheidung. Statistische Inferenz wird vor dem Rendering innerhalb eines festen Echtzeit-Budgets priorisiert, um eine stabile Feedback-Frequenz zu erhalten. Die Rechenzeit pro Frame, Renderzeit, gesamte Pipeline-Zeit, Latenz und die Rate der ausgelassenen Frames werden protokolliert. Der akustische Reiz wird nicht durch den statistischen Auslesewert ausgelöst oder gesteuert.

Die Offline-fNIRS-Vorverarbeitung wird in MATLAB unter Verwendung des Homer2-Toolkits durchgeführt. Schritte umfassen die Umwandlung in optische Dichte, Bewegungskunstefakterkennung pro Kanal, Spline-Interpolationskorrektur, Bandpassfilterung bei 0,01 bis 0,08 Hz und die Berechnung der Oxyhämoglobinkonzentration über das modifizierte Beer-Lambert-Gesetz. Analysen konzentrieren sich auf HbO aufgrund seines höheren Signal-Rausch-Verhältnisses. Für die Aktivierungsanalyse gehen normalisierte HbO-Zeitreihen aus DLPFC-Kanälen in ein allgemeines lineares Modell mit einem Aufgabenregressor, basierend auf der gefalteten kanonischen hämodynamischen Antwortfunktion und ihren Ableitungen; vorverarbeitete EKG-abgeleitete Kovariaten werden einbezogen, um niederfrequente physiologische Oszillationen zu berücksichtigen. Subjektebene Aufgaben-β-Schätzungen werden für gruppenebene lineare Mixed-Effects-Modelle weiterverwendet.

Die EKG-Verarbeitung umfasst R-Zacken-Erkennung durch den Pan-Tompkins-Algorithmus, Korrektur fehlerhafter Detektionen, Konstruktion von RR-Intervall-Serien, Entfernung ektopischer Schläge mittels robuster Filter und bei Bedarf Resampling zur Ausrichtung mit fNIRS. Herzfrequenz und Herzfrequenzvariabilität werden innerhalb blockausgerichteter Fenster mit Baseline-Korrektur unter Verwendung des Prä-Stimulationsintervalls berechnet. Für die Spektralanalyse werden Zeit-Frequenz-Methoden angewendet, um die Leistung um 0,0167 Hz zu quantifizieren, was dem 60-Sekunden-Blockrhythmus im sehr niederfrequenten Band entspricht.

Die Sicherheit wird kontinuierlich vom Beginn der Adaptation bis zum Ende von Sitzung 2 überwacht. Antizipierte unerwünschte Ereignisse im Zusammenhang mit sympathischer Dämpfung umfassen leichten Schwindel oder Schläfrigkeit, vorübergehende Bradykardie oder hypotoniebedingtes Unbehagen, Kopfschmerzen und Übelkeit. Standardbetriebsverfahren legen das Anhalten oder Beenden von Sitzungen und die Einleitung klinischer Bewertungen nach Bedarf fest; schwerwiegende unerwünschte Ereignisse lösen sofortige Beendigung und Nachverfolgung aus. Die Qualitätskontrolle umfasst ungeplante Aufsichtsprüfungen, standardisierte Operatorenschulungen, geprüfte kritische Schritte, Echtzeitaufzeichnungen, anonymisierte Datenhandhabung, gestaffelte Zugriffskontrolle und überprüfbare Transferprotokolle. Anonymisierte individuelle Daten und Analyseskripte werden bei Veröffentlichung gemäß den Datennutzungs- und Ethikrichtlinien in einem anerkannten Repository geteilt.