Neurofeedback per PTSD (NEUROFPTSD)

Un approccio di risonanza magnetica funzionale in tempo reale al mondo virtuale / neuro-feedback al trattamento del disturbo da stress post-traumatico

Nonostante la disponibilità di cure, il disturbo da stress post-traumatico (PTSD) rimane un grave problema nei veterani, con un enorme impatto sui pazienti, sulle loro famiglie e sul sistema VHA. Un importante approccio terapeutico utilizzato per i veterani con PTSD è la terapia dell'esposizione, che ha effetti benefici in molti pazienti. Tuttavia, sono necessari miglioramenti sulle terapie attuali poiché molti veterani migliorano meno di quanto vorrebbero i ricercatori.

Le ipotesi generali di questa proposta sono duplici. In primo luogo, l'attività cerebrale misurata con la risonanza magnetica funzionale (fMRI) può essere utilizzata per discernere i diversi stati cerebrali di un paziente con disturbo da stress post-traumatico durante un'esperienza minacciosa rispetto a un momento di calma, e che i pazienti, aiutati dal neuro-feedback derivato da dati in tempo reale fMRI durante un'esperienza di realtà virtuale, possono imparare a ridurre la loro risposta modificando intenzionalmente il loro stato cerebrale. In secondo luogo, la misurazione continua dell'attività fisica, della frequenza cardiaca e dei modelli di sonno utilizzando dispositivi indossabili può aiutare nello studio delle traiettorie di trattamento del disturbo da stress post-traumatico.

Gli investigatori combineranno mondi virtuali, apprendimento automatico, fMRI in tempo reale e neuro-feedback per fornire un nuovo trattamento per il disturbo da stress post-traumatico che gli investigatori sperano sia più efficace delle attuali alternative, almeno in alcuni casi difficili. È importante sottolineare che gli investigatori costruiranno un modello computazionale specifico per la combinazione paziente + stimolo. Questo è fondamentale in quanto i pazienti con disturbo da stress post-traumatico sono molto eterogenei.

Obiettivo 1. Uso del mondo virtuale/neurofeedback con fMRI in tempo reale come terapia per il disturbo da stress post-traumatico Quindici pazienti con disturbo da stress post-traumatico reclutati presso MEDVAMC saranno esposti a Virtual Iraq, una piattaforma del mondo virtuale in cui saranno esposti a scenari di tipo bellico e alla calma scene in cui non sarà presente alcuna minaccia. L'attività cerebrale sarà raccolta utilizzando fMRI e analizzata con l'apprendimento automatico per discernere tra entrambi gli stati cerebrali estremi (STRESS vs. CALMA). Questi due stati verranno utilizzati durante l'addestramento al neurofeedback: nelle settimane successive, i partecipanti saranno esposti a 7 sessioni di fMRI/mondo virtuale in cui verranno istruiti a provare a spostare un indicatore sul lato CALMO utilizzando strategie mentali individuali (attive come concentrandosi su un particolare ricordo, o passivo in quanto è stato dimostrato che il neurofeedback non ha necessariamente bisogno di uno sforzo intenzionale per funzionare). Lo stress del Mondo Virtuale sarà manipolato dal misuratore: quando il paziente sarà in grado di spostare la barra verso la CALMA (portando il cervello verso quello stato) lo stress del Mondo Virtuale diminuirà.

Ipotesi 1: i sintomi di PTSD diminuiranno con il progredire dell'allenamento e i pazienti apprendono strategie mentali per "portare il mondo" a uno stato CALMO.

Obiettivo 2. Studio della tecnologia indossabile per valutare il successo del trattamento nel disturbo da stress post-traumatico Sebbene esistano strumenti di misurazione del disturbo da stress post-traumatico e gli investigatori li utilizzeranno prima, durante e dopo la formazione, in generale le autovalutazioni non sono così solide e affidabili come si vorrebbe. Pertanto, sarebbe utile disporre di misure più fisiologiche della progressione del trattamento per il disturbo da stress post-traumatico e per la psichiatria in generale. Gli investigatori utilizzeranno un dispositivo indossabile simile a un orologio da polso che il partecipante indosserà continuamente durante l'allenamento e consentirà agli investigatori di misurare l'attività fisica, la frequenza cardiaca e la qualità del sonno.

Ipotesi 2: i dati del dispositivo indossabile saranno correlati con i rapporti personali e con una maggiore capacità di portare intenzionalmente il mondo virtuale allo stato CALMO durante l'allenamento.

In conclusione, i ricercatori propongono che il neurofeedback darà ai pazienti con PTSD la possibilità di scoprire strategie mentali personali per diventare più calmi durante situazioni stressanti. Tuttavia, non è necessario che il processo di apprendimento sia il risultato di uno sforzo intenzionale, poiché è stato dimostrato che l'apprendimento correlato alla fMRI in tempo reale può avvenire senza uno sforzo cosciente o consapevolezza. Inoltre, i ricercatori postulano che i dispositivi indossabili acquisiranno dati fisiologici collegati alle traiettorie durante il trattamento del disturbo da stress post-traumatico.

Gli investigatori comprendono che sfortunatamente l'approccio potrebbe essere troppo costoso per essere utilizzato di routine (un attento studio costi-benefici post-studio potrebbe però dimostrare il contrario). Tuttavia, i ricercatori ipotizzano che se questo progetto pilota avrà successo, sarà possibile utilizzare questi dati per sviluppare alternative ibride meno costose da aggiungere alla terapia dell'esposizione, come l'utilizzo della fMRI in combinazione con l'EEG per discernere tra gli stati cerebrali (solo una visita di risonanza magnetica necessario), e quindi utilizzando solo l'EEG durante l'allenamento.

Studi preliminari La ricerca in questa proposta si baserà sul progetto di ricerca di 4 anni dei ricercatori presso l'UT Austin finanziato dall'Ufficio di ricerca dell'esercito. Quel lavoro ha notevolmente ampliato l'utilità dei mondi virtuali 3D da utilizzare come stimoli per la ricerca basata sulla fMRI e ha gettato le basi per terapie e formazione personalizzate. Svolgerà un ruolo centrale nel fornire un neuro-feedback analizzando l'attività cerebrale dei pazienti in risposta a mondi virtuali progettati per suscitare risposte PTSD, come quelle fornite da BRAVEMIND.

L'acquisizione dei dati fMRI campiona un volume di attività cerebrale ogni 2-3 secondi per diversi minuti secondo necessità. Ogni campione è una matrice 3D di voxel che misura l'attività cerebrale aggregata per alcuni milioni di neuroni. L'analisi dei dati fMRI convenzionale tratta i valori di ciascun voxel come serie temporali separate ed esegue un'analisi statistica lineare che mette in relazione lo stimolo con l'attività misurata. Per far fronte alla maggiore complessità dell'utilizzo di mondi virtuali in tempo reale come stimolo, i ricercatori hanno invece utilizzato l'apprendimento automatico per l'analisi. I metodi basati sull'apprendimento automatico possono estrarre correlazioni complesse su molti voxel anziché su un singolo voxel. Il metodo prevede l'"addestramento" inserendo coppie di input/output di esempio nell'algoritmo. Nel caso degli investigatori, l'input è un campione temporale fMRI e l'output, che riflette lo stimolo, è una categoria a cui gli investigatori sono interessati. I ricercatori si riferiscono a ciascuna categoria come a uno "stato cerebrale", che è il modello di attivazione cerebrale specificato etichettando ogni intervallo di tempo con una particolare categoria di stimolo.

I ricercatori sono stati in grado di ottenere prestazioni accurate per rilevare gli stati cerebrali in due diversi esperimenti. Entrambi utilizzavano mondi virtuali suggestivi di città irachene e personaggi virtuali dell'esercito americano e combattenti ostili nativi. Nel primo esperimento, i ricercatori hanno utilizzato un paradigma di visione passiva in cui 1-6 combattenti sono stati presentati in luoghi diversi in una città virtuale. La media delle prestazioni tra i soggetti è stata abbastanza buona e molto al di sopra delle probabilità in termini di determinazione del numero di combattenti (1-6) che il partecipante vedeva ogni volta. Il secondo esperimento ha utilizzato uno stimolo simile ma più complesso che includeva un'attività visiva specifica che richiedeva la reazione dell'utente. Ai soggetti è stato chiesto di rispondere rapidamente premendo un pulsante a un'arma che veniva estratta improvvisamente da un singolo combattente ostile all'interno di una folla di 20 personaggi, metà dei quali erano forze amiche. La difficoltà del compito variava in modo casuale durante gli incontri che duravano 30 secondi ciascuno. I metodi di apprendimento automatico degli investigatori potrebbero riconoscere questa dimensione dello stato cerebrale con una precisione del 70% -90%.

Disegno e metodi della ricerca Scopo 1. Uso del mondo virtuale/neurofeedback con fMRI in tempo reale come terapia per il disturbo da stress post-traumatico da stress Gli investigatori combineranno mondi virtuali, fMRI in tempo reale, apprendimento automatico e neuro-feedback, per fornire un nuovo trattamento del disturbo da stress post-traumatico che il la speranza degli investigatori sarà più efficace delle attuali alternative. Gli investigatori prevedono anche che esaminando le mappe cerebrali come quelle sopra, gli investigatori otterranno informazioni su come si manifesta il disturbo da stress post-traumatico nel cervello di diversi soggetti. Lo stimolo audio/visivo stereo sarà fornito dal sistema BRAVEMIND. Prima della scansione, ogni soggetto parteciperà a una sessione di terapia di laboratorio laterale a cui parteciperà un terapista qualificato. Gli investigatori regoleranno i parametri dello stimolo per fornire una gamma di risposte terapeutiche appropriate tra CALMA e STRESSATA. Saranno disponibili varie scene/scenari. Questo intervallo di impostazioni dei parametri verrà acquisito per le successive sessioni di scansione. Nello scanner, gli stimoli di realtà virtuale verranno forniti utilizzando un display 3D compatibile con la RM. I soggetti forniranno un'autovalutazione del loro livello di ansia "STRESSED" utilizzando un dispositivo di risposta compatibile con la RM a cinque pulsanti. Questi dati di risposta e i dati MRI delle prime due sessioni saranno utilizzati da algoritmi di apprendimento automatico per costruire classificatori in grado di discriminare le risposte del soggetto tra CALMO - STRESSATO ogni 1,5 sec. Nelle 6 sessioni successive, al soggetto verranno presentati stimoli simili ma non identici mentre riceve feedback dal machine learning. Ciò consentirà loro di imparare gradualmente come automodulare la propria risposta cerebrale verso una reazione più calma. Tali cambiamenti autoindotti saranno rilevati dal sistema fMRI e saranno utilizzati per modulare il mondo virtuale per ridurre direttamente il grado di minaccia percepita; fornendo così il neuro-feedback in tempo reale richiesto dalla terapia di estinzione (verrà visualizzato un "termometro").

I dati FMRI dell'intero cervello saranno raccolti utilizzando uno scanner 3T Siemens Prisma utilizzando l'accelerazione SMS per ottenere una dimensione del voxel di 2 mm e TR = 1,5 sec (SMS x3, G = 2, TE = 30 ms, FA = 72). Le sessioni di scansione dureranno circa 1 ora e inizieranno con la raccolta di localizzatori e un'anatomia ad alta risoluzione (MP-RAGE), voxel cubici da 1 mm, seguita dalla raccolta di dati fMRI durante la presentazione dello stimolo di realtà virtuale. Ogni corsa fMRI durerà ~ 6 min e verranno raccolte 6-8 corse.

Insidie ​​e strategie alternative. I ricercatori hanno dimostrato la capacità di classificare una dimensione cerebrale interna con un'accuratezza dell'89%, ma potrebbe non essere possibile ottenere un'accuratezza simile per la dimensione "PTSD". Potrebbe essere possibile migliorare i risultati includendo i dati del polso e della respirazione osservati come input nell'apprendimento automatico. Inoltre, anche se il feedback non ha successo, gli investigatori otterranno comunque informazioni sulla fisiologia del disturbo da stress post-traumatico dalle mappe di sensibilità generate dall'apprendimento automatico.

Obiettivo 2. Studio della tecnologia indossabile per valutare il successo del trattamento nel disturbo da stress post-traumatico L'attività fisica, la frequenza cardiaca e i modelli di sonno svolgono tutti un ruolo importante nel disturbo da stress post-traumatico da stress. La tecnologia indossabile si è recentemente evoluta in modo tale che i ricercatori possono ora misurare costantemente questi tre parametri in modo non invasivo durante il corso di uno studio. Gli investigatori propongono di studiare i sintomi auto-riferiti insieme all'attività fisica, ai modelli di sonno e alla data della frequenza cardiaca per 9 settimane. Gli investigatori useranno la regressione lineare per studiare se i sintomi di CAPS5, PCL e diario sono correlati all'attività, al sonno e ai modelli di frequenza cardiaca durante il trattamento. I ricercatori ipotizzano che nei pazienti in cui il trattamento ha maggior successo, a) la frequenza cardiaca media diminuirà maggiormente, b) gli attacchi di frequenza cardiaca elevata durante il giorno e la notte saranno meno comuni, c) l'attività fisica media aumenterà, d) l'attività fisica diminuirà regolarizzarsi a più attività durante il giorno e meno attività durante la notte, e) il tempo medio di sonno aumenterà, e f) i modelli di sonno si regolarizzeranno con meno periodi di veglia durante la notte.

Insidie ​​e strategie alternative. È possibile che i dati dei dispositivi indossabili non siano correlati al miglioramento dei sintomi. Una probabile spiegazione sarebbe che il tasso di errore dei dispositivi attuali non consente correlazioni significative. In tal caso, questo approccio dovrebbe essere nuovamente testato in futuro. Un'altra spiegazione meno probabile sarebbe che l'attività fisica, la frequenza cardiaca e la qualità del sonno non sono così fortemente correlate con i sintomi di PTSD come suggeriscono i dati disponibili. Poiché si tratta di un piccolo studio pilota, i dati che suggeriscono una tendenza indicherebbero possibili direzioni da studiare in futuro.

Conclusione generale

L'idea principale dello studio è che la realtà virtuale cambierà in un ambiente meno stressante man mano che il cervello si avvicina allo stato precedentemente definito come CALMO. Gli investigatori postulano che nel tempo i pazienti impareranno a portare consapevolmente il loro cervello allo stato CALMO, che fornirà loro strategie mentali individualizzate per calmarsi quando è presente un fattore scatenante di trauma/stress.