운동의 신경 변화: 기능적 MRI 연구

정신 장애는 장기 장애의 주요 원인이며 사망의 직접적인 원인으로, 매년 전 세계적으로 약 800,000명이 자살로 사망합니다. 이들 중 높은 비율이 주요 우울 장애(MDD)에서 발생합니다. MDD에 대한 지식은 신경가소성이 질병의 병태생리학에서 핵심 역할을 할 수 있음을 감지함으로써 최근 몇 년 동안 확장되었습니다. 이 맥락에서 신경가소성은 뇌의 변화 능력을 의미하므로 정신 장애에 대한 전략을 세우기 위한 전제가 될 수 있습니다.

가장 잘 특성화되고 가장 많이 연구된 신경가소성의 예는 학습과 운동의 근간이 되는 분자 및 세포 적응입니다. 운동은 인지력을 향상시키고 항우울제 효과가 있으며 자기 공명 영상(MRI)으로 측정했을 때 뇌 구조에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 또한 노인에 대한 연구에 따르면 유산소 운동의 증가는 신경 보호 효과가 있으며 뇌 구조와 기능을 향상시킬 수 있습니다. 정수리 및 전두엽 뇌 영역의 회백질 부피 증가와 이에 상응하는 백질 섬유의 확산성 증가는 균형 작업을 훈련한지 2주 후에 이미 나타났습니다.

반면에 실험 연구에 따르면 높은 수준의 글루코 코르티코이드에 대한 스트레스와 만성적 노출은 우울한 상태를 유발합니다. 이러한 상태는 학습, 기억 및 기분 조절에 관여하는 측두엽 뇌 영역인 성인 해마에서 뉴런의 위축 및 손실을 동반했습니다. 글루코코르티코이드에 대한 뇌의 과도한 노출로 인한 해마 손상은 글루코코르티코이드에 의한 시상하부-뇌하수체-부신(HPA) 축의 피드백 억제 장애를 유발하여 축의 무제한 방출을 유발합니다 - "글루코코르티코이드 캐스케이드 가설(Glucocorticoid Cascade Hypothesis)". 따라서 장기간의 스트레스 또는 과도한 정력학적 부하(allostatic load)는 해로우며 아마도 치매를 매개하는 과정에서 중요할 것입니다. 효율적인 스트레스 반응은 환경 변화에 대처하는 데 필요하며 스트레스 반응을 종료하는 능력은 항상성으로 돌아가는 데 가장 중요합니다. 우울증이 있는 개인은 코티솔 분비의 둔화된 일중 분비 패턴과 함께 상대적으로 높은 코티솔 분비 톤을 가지며, 이는 해마의 불량한 조절 피드백을 반영합니다. 반대로 각성(CAR)에 대한 높은 코티솔 스트레스 반응은 만성적으로 스트레스를 받거나 우울하거나 우울증이나 양극성 장애에서 완화된 사람과 나중에 우울증이 발병할 청소년에게서 발견됩니다.

흥미롭게도 연구자들은 기억과 감정 조절에 관여하는 뇌 영역인 해마의 구조적 변화가 우울증 환자가 만성 질환 과정을 겪을 때 더욱 두드러진다는 사실을 발견했습니다. 최근 그들은 유전적 위험 대립유전자(SLC6A4, 5-HTTLPR)를 가지고 있는 MDD 환자의 해마 부피가 유전적 또는 정서적 방치만 있는 환자에 비해 정서적 방치의 병력이 있을 때 더 작다는 것을 발견했습니다. 위험인자 따로. 신경 영상의 맥락에서 미세 구조 변화 또는 차이를 특성화하기 위한 중요한 단계인 DTI(확산 텐서 영상)는 매우 흥미롭습니다. 연구자들은 고해상도 확산 영상을 사용하여 전전두엽과 측두엽 뇌 영역 사이에 더 강한 섬유 연결을 가진 MDD 환자의 영향을 받지 않은 건강한 1촌 친척이 나중에 우울증이 발생하지 않고 초기 삶의 역경의 발생을 관리한다는 것을 발견했습니다. 사이. 이 연구 라인은 질병이 나타나기 전에 구조적 및 기능적 뇌 변화가 이미 존재하며 이러한 변화가 개인의 취약성과 관련이 있는 것으로 보인다고 제안합니다.

따라서 이러한 뇌의 변화를 방지하고 스트레스 기능을 정상화하며 개인의 회복력을 높이는 것이 주요 스트레스 관련 정신 장애를 예방하기 위한 미래의 주요 과제입니다. 적응하는 뇌의 능력은 개인이 우울해지지 않도록 보호하기 위해 탄력성을 높이는 것이 가능할 수 있음을 시사합니다. 운동 및 학습 외에도 인지 행동 치료(CBT) 및 치료 프로그램은 우울증 또는 정신 분열증과 같은 명백한 장애가 있는 환자의 뇌 구조 및 기능에 영향을 미치는 것으로 나타났으며 특히 CBT와 운동 및 학습의 조합은 대부분의 결과를 초래할 수 있습니다. 눈에 띄는 결과. CBT에서 신경가소성 뇌 변화가 보고되었습니다. 예를 들어, 우울증에 대한 행동 활성화 요법은 긍정적인 자극에 대한 참여를 늘리고 회피 행동을 줄이기 위해 고안된 심리 요법 양식으로, 대뇌회, 우측 안와 전두엽 피질, 우측 전두엽을 포함한 전전두엽 구조의 활성화를 감소시키는 반면 증상은 우울증이 개선되었습니다. 16명의 MDD 환자에서 CBT 16주 동안 증가된 편도체-해마 활동이 감소하고 감소된 ACC 활동이 증가했습니다. 최근 리뷰에서는 배외측 전두엽 피질, 정수리 피질 및 후두 피질을 포함한 여러 영역의 뇌 활성화에 대한 다양한 연구에서 간단한 작업 기억 훈련의 효과를 강조합니다. 흥미롭게도, 사이클링은 정신분열증 환자와 건강한 대조군 모두에서 해마의 부피를 증가시키는 것으로 나타났으며 운동을 하지 않는 환자 그룹에서는 변화가 없었습니다. 이것은 CBT와 운동이 정신분열증 및 MDD와 같은 상태에서 뇌 시스템의 회복에 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다.

특정 뇌 영역을 연결하는 백질 섬유 다발의 구조에 대한 정보를 얻을 수는 있지만 탄력성 프로그램의 효과는 신경 영상으로 조사된 적이 없습니다. 회복탄력성(스트레스 상황에 대처하는 능력)을 촉진하는 심리적 구성에는 감정을 조절하고 적응력 있는 사회적 행동을 개발하는 능력 외에도 헌신, 인내, 낙관주의 및 자존감이 포함됩니다. 이러한 특성은 뇌의 인지-정서적 상호 작용을 암시하며, 이는 회복력 있는 표현형보다는 병리학적 표현형의 출현을 결정하는 중요한 요인인 것으로 보입니다. 인지-정서적 상호 작용 및 기능적 뇌 연결성은 기능적 MRI를 사용하여 연구할 수 있습니다. 흥미롭게도 기능적 MRI를 사용하여 MDD 환자에게 감정적 처리와 인지적 처리 사이의 편향이 존재한다는 것이 밝혀졌습니다.

목표:

현재 제안의 목표는 병원에서 정상적인 일상 업무 스트레스에 노출된 건강하고 영향을 받지 않은 인구의 회복력을 자극하기 위해 20주간 지속되는 광범위한 회복력 프로그램을 수행하는 것입니다. 조사관은 행동, 주간 코르티솔 분비 리듬 및 스트레스 반응, 미세구조 및 기능적 신경 변화를 조사하여 이 프로그램의 효과를 측정할 것입니다.

가설:

"Resilience" 프로그램은 다음과 같은 탄력성을 자극합니다.

1. 향상된 기분 안정성, 더 나은 수면 품질 및 더 높은 삶의 질
2. 해마 및 전방 대상 피질 부피의 증가
3. 전두엽과 변연계 뇌 영역 사이의 기능적 연결성 증가.
4. 변연계와 전두엽 영역 사이의 백질 섬유의 기능에 대한 척도인 분수 이방성(fractional anisotropy, FA)의 증가.
5. 코티솔의 일중 분비 기울기 증가; 코르티솔 각성 반응으로 측정되는 스트레스 반응의 감소

방법 및 재료 참가자 40명의 건강한 지원자, 예. Adelaide and Meath Hospital, Dublin(AMiNCH) 직원을 모집합니다. 그들은 신경학적, 정신적(축 I 및 축 II) 또는 만성 내부 질환의 병력이 없을 것입니다. 모든 참가자에 대한 추가 제외 기준은 의식 상실을 동반한 이전의 머리 부상입니다. 또한 그들은 피트니스 클럽의 회원이 아니거나 집중적인 일상 활동에 참여하지 않을 것입니다. 40명의 건강한 지원자는 무작위로 20주 "회복력" 프로그램, 물리치료사의 감독 하에 주당 2회 45분 운동 및 2회의 가정 세션에 배정됩니다. 또는 이 프로그램이 없는 통제 그룹으로 전환하고 매주 45분 운동/조깅의 추가 2개 세션을 완료합니다. 임상 평가는 매주 수행됩니다. 탄력성 프로그램 그룹(N=20)과 대조군(N=20) 모두에 대해 기준선과 20주 후에 신경영상 및 타액 코르티솔 각성 테스트를 수행할 것입니다.

임상 평가 NEO-FFI 성격 설문지 및 DSM 장애(SCID)-I 및 II에 대한 구조화된 임상 인터뷰는 초기에 정신 장애의 병력 또는 현재 정신 장애를 배제하기 위해 수행됩니다. 기분은 기준선에서 그리고 격주로 Hamilton Depression Rating Scale(HDRS), Hamilton Anxiety Rating Scale(HAM-A) 및 Beck Depression Inventory(BDI)를 사용하여 평가됩니다. 또한 현재 생활 스트레스 요인은 Keller et al.에 따라 수행된 인터뷰에서 평가됩니다. 매주; 삶의 질(Study-Short Form 36-Item Health Survey(SF-36, QoL-Bref) 및 피츠버그 수면 질 지수(PSQI)도 격주로 실시됩니다. 어린 시절의 외상 설문지(CTQ)를 사용하여 초기 생활 스트레스를 평가합니다. NEO-FFI 성격 설문지와 SCID-I 및 II도 한 번에 수행됩니다. Handedness는 Edinburgh 인벤토리에 의해 결정됩니다.

Neuroimaging 기술 MRI 이미지는 Trinity College Institute of Neuroscience(TCIN)에 위치한 3.0 Tesla MRI(Phillips Achieva)로 얻을 수 있습니다. MRI는 60분 이미징 프로토콜을 사용하여 수행됩니다.

DTI(Diffusion Tensor Imaging): 생체 내 DTI는 SENSE 병렬 이미징 체계(SENSivitiy Encoding)와 함께 단일 샷 에코 평면 이미징(EPI) 시퀀스를 사용하여 획득됩니다. 확산 가중치는 61개의 독립적인 방향으로 인코딩됩니다. 프로그램 ExploreDTI에서 전처리 후, ExploreDTI를 사용한 트랙토그래피 및 TBSS를 사용한 트랙 기반 공간 통계(www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/tbss/index.html, FSL)을 실시한다. 우리는 이러한 기술을 사용하고 분석을 수행한 경험이 있습니다(25).

기능적 MRI: 감정 조절 시스템의 기능적 변화를 확인하기 위해 fMRI 패러다임을 적용합니다. EPI(Echo Planar Imaging), T2*-weighted gradient-echo 이미징을 사용하여 BOLD 대비(TR 2000ms, TE 30ms, 뒤집기 각도 90°, 매트릭스 80 x 80, FOV 224 x 224 x 150mm)를 시각화합니다. , 해상도: 3.5 x 3.5mm, 슬라이스 두께: 3.5mm). 우리 실험실에서 잘 확립된 인지-감정 억제 작업이 사용될 것입니다. 참가자는 감정적 또는 인지적 방식으로 시각적 정서적 자극을 처리하도록 요청받습니다. 이 과제는 MDD의 병리생리학에 연루된 영역인 전두엽 피질, 편도체, 이랑, 안와전두 피질에서 활동을 유도하는 것으로 알려져 있기 때문에 특별히 선택되었습니다. SPM8 기반의 표준 분석, 기능적 연결성 분석(33) 및 PPI(Psycho-Physiological Interaction) 분석이 수행됩니다.

구조적 기술: 또한 목표는 모든 구조적 변화를 추적하고 이 영역에서 최근 발견 사항을 확인하고 확장하는 것입니다. 따라서 모든 주제는 T1 가중 3D-MPRAGE 시퀀스(반복 시간, 8.5ms, 에코 시간, 3.5ms, 총 획득 시간, 7분 30초, 획득 횟수, 1, 시야, 250 x 256 x 160mm, 해상도: 0.86x0.86x0.86 mm). 해마와 편도체의 관심 영역(ROI) 분석과 최적화된 복셀 기반 형태 측정법(VBM)은 이전에 실험실에서 수행한 데이터 분석에 사용됩니다.

타액 코르티솔 샘플 참여 피험자가 연속 2주 또는 근무일에 수집합니다. 피험자는 깨어날 때와 30, 45, 60, 90분 후에 작은 플라스틱 튜브에 침을 뱉습니다. 그리고 저녁(일어난 후 12시간)과 잠자리에 들기 직전에. 샘플은 참가자가 가정용 냉장고에 보관하고 준비된 봉투에 배치하여 연구 센터에 게시할 수 있습니다.

샘플 크기의 계산 연구자들은 이전에 여러 종적 영상 연구를 수행했습니다. 이러한 경험을 바탕으로, 각 그룹의 20명의 피험자는 유의미한 효과를 얻기에 충분해야 하며, 인지-정서 작업에서 일반적으로 0.2%에서 0.3% 정도의 신호 변화가 발견되거나 최소 5%의 미세구조 변화가 발견되어야 합니다. 구조적 MRI 또는 ​​DTI에서. 따라서 20명의 피험자가 있으면 효과를 감지할 수 있어야 합니다.