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Control Systems Approach to Predicting Individualized Dynamics of Nicotine Cravings

2017년 6월 29일 업데이트: Lilianne Strey, Stony Brook University

Using Control Systems to Predict Individualized Dynamics of Nicotine Cravings

Nicotine is the most common drug of abuse in the United States, and has addiction strength comparable to cocaine, heroin, and alcohol. It is the primary addictive component of tobacco, and its use markedly increases risk for cancer, heart disease, asthma, miscarriage, and infant mortality. Addiction is thought to be caused primarily by the intersection of two components: 1) the impact of drug pharmacokinetics on the dynamics of dopamine response, and 2) dysregulation of the brain's reward circuit. While the term 'dysregulated' tends to be used qualitatively within the neuroscience literature, regulation has a precise and testable meaning in control systems engineering, which has yet to be addressed in a quantitative manner by current neuroimaging methods or models of addiction. Current approaches to neuroimaging have primarily focused on identifying nodes and causal connections within the meso-circuit of interest, but have yet to take the next step in treating these nodes and connection as a self-interacting dynamical system evolving over time. Such an approach is critical for improving our understanding, and therefore prediction, of trajectories for addiction as well as recovery.

연구 개요

상세 설명

Nicotine is the most common drug of abuse in the United States, and has addiction strength comparable to cocaine, heroin, and alcohol. It is the primary addictive component of tobacco, and its use markedly increases risk for cancer, heart disease, asthma, miscarriage, and infant mortality. Addiction is thought to be caused primarily by the intersection of two components: 1) the impact of drug pharmacokinetics on the dynamics of dopamine response, and 2) dysregulation of the brain's reward circuit. While the term 'dysregulated' tends to be used qualitatively within the neuroscience literature, regulation has a precise and testable meaning in control systems engineering, which has yet to be addressed in a quantitative manner by current neuroimaging methods or models of addiction. Current approaches to neuroimaging have primarily focused on identifying nodes and causal connections within the meso-circuit of interest, but have yet to take the next step in treating these nodes and connection as a self-interacting dynamical system evolving over time. Such an approach is critical for improving the understanding, and therefore prediction, of trajectories for addiction as well as recovery. These trajectories are likely to be nonlinear (e.g., involving thresholds, saturation, and self-reinforcement), as well as highly specific to each individual. This study is designed to provide the first step towards addressing this gap: integrating ultra-high-field (7T) and ultra-fast (<1s) fMRI with computational modeling, to provide a bridge between the dynamics of meso-circuit regulation and the dynamics of human addictive behavior. The investigators propose to test the hypothesis that control systems regulation, measured by dynamic analyses of fMRI data, can predict-on an individual basis-exactly when an addicted smoker will want to take his next puff. This will be achieved by first validating a MR-compatible nicotine delivery system, by comparing its neurobiological and autonomic effects against those of a cigarette and e-cigarette. Once this is achieved, the investigators will then acquire fMRI data from addicted smokers while they 'smoke.' Using individual subjects' neuroimaging data, the investigators will derive coupled differential equations for a control system that predicts craving and behavioral response for that individual. Using independent data sets to estimate the parameters and to test them, the investigators will assess the model's accuracy in predicting each individual subject's cravings, as measured behaviorally by the frequency at which each smoker self-administers nicotine. If successful, this approach could then be exploited to develop individualized prevention and treatment of addiction by identifying individual-specific amplitude, duration, and frequency of dosing in nicotine replacement therapy that is least likely to trigger cravings. More generally, the methods proposed have the potential to rigorously examine system-wide dysregulation in addiction for the first time, opening the door to exploration of other dysregulatory brain-based diseases in humans.

연구 유형

중재적

등록 (실제)

23

단계

  • 해당 없음

연락처 및 위치

이 섹션에서는 연구를 수행하는 사람들의 연락처 정보와 이 연구가 수행되는 장소에 대한 정보를 제공합니다.

연구 장소

    • New York
      • Stony Brook, New York, 미국, 11794
        • Bioengineering Building , Stony Brook University

참여기준

연구원은 적격성 기준이라는 특정 설명에 맞는 사람을 찾습니다. 이러한 기준의 몇 가지 예는 개인의 일반적인 건강 상태 또는 이전 치료입니다.

자격 기준

공부할 수 있는 나이

21년 (성인, 고령자)

건강한 자원 봉사자를 받아들입니다

예

연구 대상 성별

모두

설명

Inclusion Criteria:

21-65years of age

Moderate to severe addiction to smoking/nicotine

Willingness to withdraw from nicotine for 12 hours prior to testing

Eyesight correctable to 20/20 with contact lenses.

Exclusion Criteria:

Electrical implants such as cardiac pacemakers or perfusion pumps

Ferromagnetic implants such as aneurysm clips, surgical clips, prostheses, artificial hearts, valves with steel parts, metal fragments, shrapnel, facial tattoos, or steel implants

Claustrophobia

Pregnancy or breastfeeding (for females, pregnancy status will be confirmed with urine test)

Chronic nasal congestion, sinusitis, or common cold Use of nicotine cessation therapy (patch, gum, inhaler, nasal spray)

History of asthma, cardiovascular or peripheral vascular disease (anginas, arrhythmias, myocardial infarction, Raynaud's disease, insulin dependent diabetes)

History of neurological disease (brain tumor, stroke, traumatic brain injury, epilepsy)

Current use of psychotropic medication

공부 계획

이 섹션에서는 연구 설계 방법과 연구가 측정하는 내용을 포함하여 연구 계획에 대한 세부 정보를 제공합니다.

연구는 어떻게 설계됩니까?

디자인 세부사항

  • 주 목적: 특수 증상
  • 할당: 해당 없음
  • 중재 모델: 단일 그룹 할당
  • 마스킹: 없음(오픈 라벨)

무기와 개입

참가자 그룹 / 팔
개입 / 치료
실험적: Nicotine Cravings
다른 이름들:
  • 니코트롤 NS

연구는 무엇을 측정합니까?

주요 결과 측정

결과 측정
기간
Autonomic nervous system activity will be measured by analysis of heart rate variability and electric dermal activity alongside a 0-10 craving scale.
기간: through study completion, an average of 1 year
through study completion, an average of 1 year

공동 작업자 및 조사자

여기에서 이 연구와 관련된 사람과 조직을 찾을 수 있습니다.

수사관

  • 수석 연구원: Lilianne Mujica-Parodi, PhD, Stony Brook University

간행물 및 유용한 링크

연구에 대한 정보 입력을 담당하는 사람이 자발적으로 이러한 간행물을 제공합니다. 이것은 연구와 관련된 모든 것에 관한 것일 수 있습니다.

연구 기록 날짜

이 날짜는 ClinicalTrials.gov에 대한 연구 기록 및 요약 결과 제출의 진행 상황을 추적합니다. 연구 기록 및 보고된 결과는 공개 웹사이트에 게시되기 전에 특정 품질 관리 기준을 충족하는지 확인하기 위해 국립 의학 도서관(NLM)에서 검토합니다.

연구 주요 날짜

연구 시작

2015년 9월 1일

기본 완료 (실제)

2017년 6월 1일

연구 완료 (예상)

2017년 12월 1일

연구 등록 날짜

최초 제출

2015년 11월 24일

QC 기준을 충족하는 최초 제출

2015년 12월 28일

처음 게시됨 (추정)

2015년 12월 31일

연구 기록 업데이트

마지막 업데이트 게시됨 (실제)

2017년 7월 2일

QC 기준을 충족하는 마지막 업데이트 제출

2017년 6월 29일

마지막으로 확인됨

2017년 6월 1일

추가 정보

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