Neuralne zmiany w ćwiczeniach: funkcjonalne badanie MRI

Zaburzenia psychiczne są główną przyczyną długotrwałej niepełnosprawności i bezpośrednią przyczyną śmiertelności, a około 800 000 osób umiera każdego roku na całym świecie w wyniku samobójstwa – duża część z nich wynika z poważnych zaburzeń depresyjnych (MDD). Wiedza o MDD poszerzyła się w ostatnich latach dzięki wykryciu, że neuroplastyczność może odgrywać kluczową rolę w patofizjologii choroby. Neuroplastyczność w tym kontekście odnosi się do zdolności mózgu do zmiany, a zatem może być założeniem do budowania strategii przeciwko zaburzeniom psychicznym.

Najlepiej scharakteryzowanymi i najlepiej zbadanymi przykładami neuroplastyczności są adaptacje molekularne i komórkowe leżące u podstaw uczenia się i ćwiczeń. Ćwiczenia poprawiają funkcje poznawcze, mają działanie przeciwdepresyjne, a także stwierdzono, że mają pozytywny wpływ na strukturę mózgu, co zmierzono za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI). Co więcej, badania przeprowadzone na starszych osobach wskazują, że zwiększona wydolność tlenowa może działać neuroprotekcyjnie i może poprawiać strukturę i funkcje mózgu. Wzrost objętości istoty szarej w okolicy ciemieniowej i czołowej mózgu oraz odpowiadające mu wzrosty dyfuzyjności we włóknach istoty białej zaobserwowano już po 2 tygodniach treningu zadania równoważącego.

Z drugiej strony badania eksperymentalne wykazały, że stres i przewlekła ekspozycja na wysoki poziom glukokortykoidów prowadzi do stanów przypominających depresję. Stanom tym towarzyszyła atrofia i utrata neuronów w dorosłym hipokampie, który jest obszarem płata skroniowego mózgu zaangażowanym w uczenie się, pamięć i regulację nastroju. Uszkodzenie hipokampu, wynikające z nadmiernej ekspozycji mózgu na glikokortykosteroidy, prowadzi do upośledzonego sprzężenia zwrotnego hamowania osi podwzgórze-przysadka-nadnercza (HPA) przez glikokortykosteroidy, powodując nieskrępowane uwolnienie tej osi - „hipoteza kaskady glukokortykoidów”. Długotrwały stres lub nadmierne obciążenie allostatyczne jest zatem szkodliwe i prawdopodobnie odgrywa ważną rolę w procesach pośredniczących w demencjach. Skuteczne reakcje na stres są niezbędne do radzenia sobie ze zmianami w środowisku, a umiejętność przerwania reakcji na stres ma kluczowe znaczenie w powrocie do homeostazy. Osoby z depresją mają stosunkowo wysoki ton wydzielania kortyzolu z przytępionymi dziennymi wzorcami wydzielania kortyzolu, co odzwierciedla słabe sprzężenie zwrotne regulacyjne w hipokampie. Odwrotnie, wyższe reakcje stresowe kortyzolu na przebudzenie (CAR) występują u osób przewlekle zestresowanych, przygnębionych lub z remisją depresji lub choroby afektywnej dwubiegunowej, a także u nastolatków, u których później rozwinie się depresja.

Co ciekawe, badacze odkryli, że zmiany strukturalne w hipokampie, regionie mózgu odpowiedzialnym za pamięć i regulację emocji, stają się bardziej wyraźne, gdy u pacjenta z depresją rozwija się przewlekły przebieg choroby. Niedawno wykryli, że objętość hipokampa pacjentów z MDD, którzy są również nosicielami genetycznego allelu ryzyka (SLC6A4, 5-HTTLPR), była mniejsza, gdy mieli historię zaniedbania emocjonalnego w porównaniu z pacjentami, którzy mieli tylko genetyczne lub emocjonalne zaniedbanie czynnik ryzyka oddzielnie. W kontekście neuroobrazowania bardzo interesujące jest obrazowanie tensora dyfuzji (DTI), które jest znaczącym krokiem naprzód w charakterystyce zmian lub różnic mikrostrukturalnych. Korzystając z obrazowania dyfuzyjnego o wysokiej rozdzielczości kątowej, badacze stwierdzili, że zdrowi krewni pierwszego stopnia pacjentów z MDD z silniejszymi połączeniami włókien między przedczołowymi i skroniowo-ciemieniowymi obszarami mózgu radzili sobie z występowaniem przeciwności we wczesnym okresie życia bez późniejszego rozwoju depresji, co sugeruje, że odporność może być związana z silniejszym znajomości. Ten kierunek badań sugeruje, że strukturalne i funkcjonalne zmiany w mózgu zachodzą już przed wystąpieniem choroby i że zmiany te wydają się być związane z wrażliwością jednostek.

Zatem zapobieganie tym zmianom w mózgu, normalizacja funkcji stresowych i zwiększanie odporności jednostek jest głównym wyzwaniem na przyszłość, aby zapobiegać poważnym zaburzeniom psychicznym związanym ze stresem. Zdolność mózgu do adaptacji sugeruje, że możliwe jest zwiększenie odporności w celu ochrony jednostki przed popadnięciem w depresję. Oprócz ćwiczeń i uczenia się wykazano, że terapia poznawczo-behawioralna (CBT) i programy naprawcze mają wpływ na strukturę i funkcjonowanie mózgu u pacjentów z wyraźnymi zaburzeniami, takimi jak depresja lub schizofrenia, a zwłaszcza połączenie CBT z ćwiczeniami i nauką może skutkować większością wybitne wyniki. W przypadku CBT zgłaszano neuroplastyczne zmiany w mózgu. Na przykład behawioralna terapia aktywacyjna depresji, metoda psychoterapii zaprojektowana w celu zwiększenia zaangażowania w pozytywne bodźce i zmniejszenia zachowań unikowych, skutkowała zmniejszoną aktywacją struktur przedczołowych, w tym zakrętu przykręgosłupowego, prawej kory oczodołowo-czołowej i prawego bieguna czołowego, podczas gdy objawy depresji poprawiło się. Podwyższona aktywność ciała migdałowatego i hipokampa zmniejszyła się, a zmniejszona aktywność ACC wzrosła podczas 16 tygodni CBT u 16 pacjentów z MDD. Niedawny przegląd podkreśla wpływ krótkiego treningu pamięci roboczej w różnych badaniach na aktywację mózgu w wielu regionach, w tym w grzbietowo-bocznej korze przedczołowej, korze ciemieniowej i korze potylicznej. Co ciekawe, wykazano, że jazda na rowerze zwiększa objętość hipokampu zarówno u pacjentów ze schizofrenią, jak i zdrowych osób porównawczych, bez zmian w grupie pacjentów niećwiczących. Sugeruje to, że CBT i ćwiczenia mogą mieć wpływ na powrót do zdrowia układu mózgowego po stanach takich jak schizofrenia i MDD.

Efekty programu odporności nigdy nie były badane za pomocą neuroobrazowania, chociaż możliwe byłoby uzyskanie informacji o strukturze wiązek włókien istoty białej, które łączą określone obszary mózgu. Konstrukty psychologiczne promujące odporność – zdolność radzenia sobie w sytuacjach stresowych – obejmują zaangażowanie, cierpliwość, optymizm i poczucie własnej wartości, oprócz zdolności do modulowania emocji i rozwijania adaptacyjnych zachowań społecznych. Cechy te implikują kognitywno-emocjonalne wzajemne oddziaływanie mózgu, które wydaje się być krytycznym wyznacznikiem pojawienia się fenotypów patologicznych, a nie odpornych. Wzajemne oddziaływanie poznawczo-emocjonalne i jego funkcjonalną łączność mózgową można badać za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. Co ciekawe, za pomocą funkcjonalnego MRI wykazano, że u pacjentów z MDD występuje błąd między przetwarzaniem emocjonalnym a poznawczym.

Celuje:

Celem obecnego wniosku jest przeprowadzenie 20-tygodniowego szeroko zakrojonego programu zwiększania odporności w celu stymulowania odporności zdrowej populacji, która jest narażona na normalny, codzienny stres związany z pracą w szpitalu. Badacze zmierzą skuteczność tego programu, badając behawioralne, dobowe rytmy wydzielania kortyzolu i reakcje na stres, mikrostrukturalne i funkcjonalne zmiany neuronalne.

hipotezy:

Program „Odporność” stymuluje odporność wskazaną przez

1. poprawa stabilności nastroju, lepsza jakość snu i wyższa jakość życia
2. zwiększenie objętości hipokampa i przedniej części kory zakrętu obręczy
3. zwiększenie funkcjonalnej łączności między czołowymi i limbicznymi obszarami mózgu.
4. wzrost frakcyjnej anizotropii (FA), która jest miarą funkcjonowania włókien istoty białej, pomiędzy limbicznymi i czołowymi obszarami mózgu.
5. zwiększony gradient dobowego wydzielania kortyzolu; i zmniejszenie odpowiedzi na stres, mierzone jako reakcja przebudzenia kortyzolu

Metody i materiały Uczestnicy Czterdziestu zdrowych ochotników, m.in. zostanie zatrudniony personel Adelaide and Meath Hospital w Dublinie (AMiNCH). Nie będą mieli historii chorób neurologicznych, psychicznych (oś I i oś II) ani przewlekłych chorób wewnętrznych. Kolejnymi kryteriami wykluczającymi dla wszystkich uczestników będzie przebyty uraz głowy z utratą przytomności. Co więcej, nie będą uczęszczać do klubów fitness ani angażować się w codzienną intensywną aktywność. 40 zdrowych ochotników zostanie losowo przydzielonych do 20-tygodniowego programu „odporności”, 45 minut ćwiczeń dwa razy w tygodniu pod nadzorem fizjoterapeuty oraz 2 sesji domowych; lub do grupy kontrolnej bez tego programu, a kolejne dwie sesje 45-minutowych ćwiczeń/joggingu będą przeprowadzane co tydzień. Oceny kliniczne będą przeprowadzane co tydzień. Neuroobrazowanie i testy przebudzenia kortyzolu w ślinie zostaną przeprowadzone na początku badania i po 20 tygodniach zarówno dla grupy programu odporności (N=20), jak i grupy kontrolnej (N=20).

Ocena kliniczna Kwestionariusz osobowości NEO-FFI i ustrukturyzowany wywiad kliniczny dla zaburzeń DSM (SCID)-I i II zostaną przeprowadzone początkowo w celu wykluczenia i historii lub aktualnego zaburzenia psychicznego. Nastrój będzie oceniany za pomocą Skali Oceny Depresji Hamiltona (HDRS), Skali Oceny Lęku Hamiltona (HAM-A) i Inwentarza Depresji Becka (BDI) na początku badania, a następnie co dwa tygodnie. Ponadto w wywiadzie przeprowadzonym według Kellera i in. co tydzień; Jakość życia (Study-Short Form 36-item Health Survey (SF-36, QoL-Bref) i Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI) będą również przeprowadzane co dwa tygodnie. Stres we wczesnym okresie życia zostanie oceniony za pomocą kwestionariusza traumy z dzieciństwa (CTQ). Jednorazowo zostanie również przeprowadzony kwestionariusz osobowości NEO-FFI oraz SCID-I i II. Ręczność zostanie ustalona na podstawie inwentarza z Edynburga.

Techniki neuroobrazowania Obrazy MRI zostaną uzyskane za pomocą MRI 3,0 Tesli (Phillips Achieva), zlokalizowanego w Trinity College Institute of Neuroscience (TCIN). MRI zostanie przeprowadzone przy użyciu 60-minutowego protokołu obrazowania.

Obrazowanie tensora dyfuzji (DTI): DTI in vivo zostanie uzyskane przy użyciu sekwencji obrazowania echoplanarnego (EPI) pojedynczego strzału z równoległym schematem obrazowania SENSE (SENSivitiy Encoding). Ważenie dyfuzji zostanie zakodowane w 61 niezależnych kierunkach. Po wstępnym przetworzeniu w programie ExploreDTI, traktografii w programie ExploreDTI oraz traktograficznej statystyce przestrzennej z wykorzystaniem TBSS (www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/tbss/index.html, FSL) zostanie przeprowadzony. Mamy doświadczenie w stosowaniu tych technik i wykonywaniu analiz (25).

Funkcjonalny MRI: Aby zidentyfikować zmiany funkcjonalne w systemie regulacji emocji, zastosujemy paradygmat fMRI. Użyjemy Echo Planar Imaging (EPI), T2*-ważone obrazowanie gradient-echo do wizualizacji kontrastu BOLD (TR 2000 ms, TE 30 ms, kąt obrotu 90°, matryca 80 x 80, FOV 224 x 224 x 150 mm , rozdzielczość: 3,5 x 3,5 mm, grubość plastra: 3,5 mm). Zastosowane zostanie zadanie hamowania poznawczo-emocjonalnego, które jest dobrze ugruntowane w naszym laboratorium. Uczestnicy zostaną poproszeni o przetwarzanie wizualnych bodźców emocjonalnych w sposób emocjonalny lub poznawczy. To zadanie zostało wybrane specjalnie, ponieważ wiadomo, że wywołuje aktywność w korze przedczołowej, ciele migdałowatym, zakręcie obręczy, korze oczodołowo-czołowej, regionach zaangażowanych w patofizjologię MDD. Przeprowadzona zostanie analiza standardowa oparta na SPM8, analiza połączeń funkcjonalnych (33) oraz analiza interakcji psychofizjologicznych (PPI).

Techniki strukturalne: dodatkowo celem jest śledzenie wszelkich zmian strukturalnych oraz potwierdzenie i rozszerzenie najnowszych odkryć w tej dziedzinie. W związku z tym wszyscy pacjenci zostaną zeskanowani za pomocą sekwencji 3D-MPRAGE zależnej od T1 (czas powtórzenia 8,5 ms; czas echa 3,5 ms; całkowity czas akwizycji 7 min 30 s; liczba akwizycji 1; pole widzenia 250 x 256x160mm rozdzielczość: 0,86x0,86x0,86 mm). Analiza regionu zainteresowania (ROI) hipokampu i ciała migdałowatego, a także zoptymalizowana morfometria oparta na wokselach (VBM) zostaną wykorzystane do analizy danych, tak jak wcześniej zrobiono to w naszym laboratorium.

Próbki kortyzolu w ślinie Zostaną one pobrane przez uczestniczące osoby w dwa kolejne dni tygodnia lub dni robocze. Badani pluli do małej plastikowej rurki po przebudzeniu oraz 30, 45, 60 i 90 minut później; i wieczorem (12h po przebudzeniu) i tuż przed pójściem spać. Próbki mogą być przechowywane przez uczestników w domowej lodówce i wysyłane partiami w przygotowanej kopercie do ośrodka badawczego.

Obliczanie wielkości próbki Badacze przeprowadzili wcześniej szereg podłużnych badań obrazowych. Bazując na tych doświadczeniach, 20 osób w każdej grupie powinno być więcej niż wystarczające do uzyskania znaczących efektów, przy czym zmiany sygnału rzędu 0,2% do 0,3% są typowo stwierdzane w zadaniach poznawczo-emocjonalnych lub co najmniej 5% zmian mikrostrukturalnych powinno być znalezione w strukturalnym MRI lub DTI. Zatem przy 20 osobach efekty powinny być wykrywalne.