Real-time fMRI Biofeedback Targeting des orbitofrontalen Cortex für die Kontamination Anxiety

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Personen zu trainieren, eine Region ihres Gehirns zu kontrollieren, die an Kontaminationsangst beteiligt ist, und zu untersuchen, ob dieses Training die Hirnfunktion verändert und die Kontrolle über Kontaminationsangst verbessert. Dies wird erreicht, indem zunächst eine Region des orbitofrontalen Cortex des Probanden identifiziert wird, die an Kontaminationsangst beteiligt ist. Diese Region wird als Zielbereich für eine Biofeedback-Intervention dienen.

Der nächste Schritt besteht darin, vor der Biofeedback-Intervention die Angststufe zu bewerten, die der Proband als Reaktion auf kontaminationsbezogene Bilder empfindet, sowie seine Gehirn-Konnektivitätsmuster. Anschließend wird der Proband mittels Biofeedback trainiert, die Zielhirnregion zu kontrollieren. Der letzte Schritt besteht darin zu überprüfen, ob die Probanden eine stärkere Kontrolle über ihre Zielhirnregion und über ihre Kontaminationsangst infolge des Biofeedbacks entwickelt haben und ob solche Veränderungen mit Veränderungen in der Konnektivität zur Zielhirnregion assoziiert sind.

Letztlich wird dieser Ansatz aufzeigen, ob ein Biofeedback mittels Echtzeit-fMRT einen klinischen Nutzen für Patienten mit einer Zwangsstörung besitzt, und die neuronale Grundlage der Kontaminationsangst untersuchen. Das Echtzeit-fMRT-Biofeedback besitzt ein therapeutisches Potenzial für viele verschiedene Formen psychischer Erkrankungen, da es Betroffenen möglicherweise ermöglicht, Aspekte ihrer Hirnfunktion zu steuern, die für die Symptome verantwortlich sind.

Hier untersuchen wir, ob es Menschen helfen kann, ihre Kontaminationsangst zu kontrollieren. Falls dies der Fall ist, könnte es für Patienten mit einer Zwangsstörung klinisch nützlich sein. Der hier vorgestellte Ansatz, der Biofeedback mit vorherigen und nachfolgenden Bewertungen klinischer Variablen und der Hirnkonnektivität kombiniert, kann zudem grundlegende Fragen in der Neurowissenschaft und Psychiatrie beantworten.

Das Biofeedback ermöglicht es uns, die Gehirndynamik zu verändern, und anschließend können wir messen, wie Veränderungen in der Gehirnkonnektivität zu Unterschieden bei klinischen oder kognitiven Variablen führen. Vor Beginn dieses Experiments ist eine umfangreiche Stimulusentwicklung erforderlich. Kontaminationsbezogene und neutrale Bilder müssen zunächst gesammelt und anschließend in einer Pilotstudie getestet werden, um sicherzustellen, dass die durch diese Reize hervorgerufene Angst über die Provokationsbedingungen hinweg ausgeglichen ist und dass die Angst in den Provokationsbedingungen signifikant stärker ausgeprägt ist als in den neutralen Bedingungen.

Wenn die Pilotstudien abgeschlossen sind, sollten potenzielle Probanden rekrutiert und untersucht werden, um gesunde Personen zu identifizieren, die sicher an MRT-Experimenten teilnehmen können und hohe Werte an Kontaminationsangst berichten sowie den Wunsch äußern, diese Angst zu kontrollieren. Für dieses Experiment erscheinen die Probanden an vier getrennten Tagen, die in Abständen von etwa einer halben Woche liegen, sodass die gesamte Studie zwei Wochen in Anspruch nimmt. Das hier dargestellte Flussdiagramm skizziert zusätzlich den Ablauf für jeden Probanden, der echte Biofeedback-Sitzungen erhält.

Ein weiterer Proband sollte rekrutiert werden, der hinsichtlich Alter und Geschlecht angepasst ist, um vor jeder MR-Untersuchung eine Placebo-Biofeedback-Behandlung zu erhalten. Die Probanden werden am ersten Tag auf metallische Gegenstände untersucht, wobei ein strukturelles Bild mit hoher Auflösung aufgenommen wird. Anschließend werden zwei Aufnahmen des Ruhezustands in funktioneller Bildgebung durchgeführt, gefolgt von drei Lokalisierungsläufen mit funktionellen Daten, bei denen der Proband im Wechsel intensive, kontaminationsbezogene Bilder und neutrale Bilder in 42-Sekunden-Intervallen betrachtet.

Diese Lokalisierungsläufe dienen dazu, die Region des orbitofrontalen Cortex (OFC) zu lokalisieren, die durch Kontaminationsangst aktiviert wird. Im Anschluss an die bildgebende Untersuchung am ersten Tag treffen die Probanden mit der klinischen Psychologin zusammen, die über Expertise in Angststörungen verfügt, um eine Sitzung zur Entwicklung einer Umdeutungsstrategie durchzuführen. Ziel dieser Sitzung ist es, eine individuell angepasste kognitive Strategie für den Probanden zu entwickeln, die ihm eine erste Kontrolle über die Aktivität in seinem orbitofrontalen Cortex ermöglicht.

Diese Strategien zur Erhöhung oder Verringerung der OFC-Aktivität dienen lediglich dazu, eine erste begrenzte Kontrolle über den orbitofrontalen Cortex (OFC) zu ermöglichen. Während der Biofeedback-Sitzungen erhalten die Probanden die Möglichkeit, kognitive Strategien auszuprobieren und direktes Feedback zu erhalten, wodurch sie schrittweise eine verbesserte Kontrolle über den OFC entwickeln können. Anschließend werden die am ersten Tag im Lokalisationsexperiment erhobenen Daten vor der Sitzung am zweiten Tag analysiert.

Die resultierende Team-Karte zeigt, welche Bereiche des Gehirns stärker aktiv waren, als der Proband kontaminationsbezogene Bilder betrachtete, im Vergleich zur Betrachtung neutraler Bilder. Die oberen 30 Pixel in dieser TM-Karte, die sich innerhalb des orbitofrontalen Cortex (OFC) oder des angrenzenden frontopolareren Bereichs befinden, werden ausgewählt, um die Zielregion des OFC dieses bestimmten Probanden für die anschließenden Biofeedback-Scans darzustellen. Diese Region wird anschließend durch eine starre Registrierung mit nearest-neighbor-Interpolation vom funktionellen in den anatomischen Raum übertragen.

Ein Kontrollbereich wird ebenfalls definiert, um die gesamte weiße Substanz im Gehirn einzuschließen, und wird in denselben Raum vom MNI-Gehirn übertragen. Diese beiden Bereiche werden während der Biofeedback-Sitzung am zweiten Tag vom Echtzeitanalyseprogramm verwendet. Am zweiten Tag des Experiments nehmen die Probanden zunächst an einer Untersuchungssitzung außerhalb des Magnetresonanztomographen teil.

Vor jeder Testsession werden die Probanden mündlich angewiesen, ihre Angst während der Betrachtung der anstehenden kontaminationsbezogenen Bilder so gering wie möglich zu halten. Anschließend erhalten sie detaillierte Anweisungen auf dem Bildschirm, in denen sie aufgefordert werden, das Ausmaß der kontaminationsbezogenen Angst zu bewerten, das sie als Reaktion auf die Bilder empfinden. Gleichzeitig wird die galvanische Hautreaktion überwacht.

Die Probanden nehmen anschließend an einer 1,5-stündigen Echtzeit-fMRT-Biofeedback-Sitzung teil. Die Sitzung beginnt mit der Aufnahme axialer anatomischer Bilder in denselben Schichtpositionen wie die funktionellen Daten. Danach wird ein funktioneller Referenzscan durchgeführt.

Die beiden interessierenden Regionen werden durch eine Verkettung zweier starrer Registrierungen in den Funktionsraum der aktuellen Sitzung übertragen. Die erste Registrierung bildet die Regionen vom anatomischen Raum des ersten Tages auf den anatomischen Raum des zweiten Tages ab. Die zweite Registrierung projiziert die Regionen vom anatomischen Raum des zweiten Tages in den Raum der funktionellen Referenzaufnahme des zweiten Tages.

Während die Registrierung der Regionen erfolgt, werden zwei funktionelle Durchläufe erfasst, die als Kontrollaufgaben-Durchläufe bezeichnet werden. Diese Durchläufe beinhalten kein Biofeedback, dienen jedoch dazu, die Fähigkeit der Probanden zu bewerten, die Aktivität in ihrer interessierenden orbitofrontalen Cortex-Region (OFC) zu steuern, wenn sie kontaminationsbezogenen Bildern ausgesetzt sind. Während des Scans sehen die Probanden Bilder, die jeweils einen Pfeil enthalten, der bei kontaminationsbezogenen Bildern nach oben oder unten zeigt, bzw. bei neutralen Bildern nach vorne zeigt.

Den Probanden wird gesagt, dass sie versuchen sollen, die Aktivität ihres orbitofrontalen Cortex (OFC) zu erhöhen, wenn der Pfeil nach oben zeigt, die Aktivität ihres OFC zu verringern, wenn er nach unten zeigt, und sich einfach zu entspannen, wenn der Pfeil nach rechts zeigt. Der Pfeil und das Bild wechseln alle 26 Sekunden und durchlaufen abwechselnd die drei Bedingungen, nachdem die Kontrollaufgabe durchgeführt wurde und die Zielregion sowie die Kontrollregion mit dem aktuellen funktionellen Raum verknüpft wurden. Sechs Biofeedback-Läufe oder Schein-Biofeedback-Läufe, je nach Proband, werden durchgeführt.

Die Biofeedback-Läufe dienen dazu, die Probanden darin zu schulen, die Aktivität in ihrem O-F-C-R-O-I zu steuern. Sie ähneln den Kontrollaufgaben-Läufen, mit dem Unterschied, dass die Probanden am unteren Bildschirmrand Rückmeldung über ihren Erfolg bei der Steuerung des Gehirnareals erhalten. Die hier gezeigte Biofeedback-Anzeige wurde beschleunigt dargestellt, entspricht ansonsten aber exakt dem, was ein Proband während des Biofeedbacks sah.

Die Placebo-Biofeedback-Durchläufe entsprechen genau den Biofeedback-Durchläufen, mit dem Unterschied, dass die Probanden den zeitlichen Verlauf der Aktivität im orbitofrontalen Cortex (OFC) eines zuvor auf Alter und Geschlecht abgestimmten Probanden sehen, und zwar in dem Ausmaß, in dem der Biofeedback-Proband die Aktivität im OFC kontrollieren konnte. Der Placebo-Proband scheint während der Placebo-Durchläufe ebenso erfolgreich zu sein, was zu vergleichbaren Erfolgsimpressionen führt. Schließlich werden für jeden Probanden zwei weitere Durchläufe einer Kontrollaufgabe erhoben.

Dann sollten die Probanden am dritten Tag zu einer Untersuchungssitzung zurückkehren, die identisch mit der des zweiten Tages ist, aber am vierten Tag sollten separate, jeweils passende Stimulus-Sets verwendet werden, wobei die Probanden an einer abschließenden Beurteilungssitzung teilnehmen. Anschließend folgt eine letzte eine Stunde dauernde MR-Bildgebungssitzung, in der Daten zur funktionellen Konnektivität im Ruhezustand erhoben werden, nachdem die Daten von allen Probanden erfasst wurden. Probanden, die echtes Biofeedback erhalten hatten, können mit Probanden verglichen werden, die Schein-Biofeedback erhalten hatten, um zu bestimmen, ob sie eine stärkere Kontrolle über ihre Zielregion entwickelt hatten und ob dies ihnen ermöglichte, eine größere Kontrolle über ihre Kontaminationsangst auszuüben.

Änderungen in der Kontaminationsangst bei Biofeedback-Teilnehmern hängen mit Veränderungen in der Kontrolle über ihre Zielregion sowie mit Veränderungen in den Mustern der funktionellen Konnektivität zusammen. Hier sehen wir einen Screenshot der visuellen Anzeige aus einem der letzten Biofeedback-Durchläufe eines Teilnehmers, der erfolgreich die Kontrolle über sein orbitofrontales Cortex (OFC) erlangt hat. Der Durchlauf endet mit der neutralen Bedingung, weshalb der Pfeil weiß ist und nach vorne zeigt.

Dieser Proband zeigte außerdem eine stärkere Kontrolle über seine Kontaminationsangst, was sich in niedrigeren Angstwerten in der Nachuntersuchung nach der Intervention widerspiegelte, und hatte während der Durchführung der Kontrollaufgabe eine größere Kontrolle über seinen orbitofrontalen Cortex. Diese Methode hat ein großes Potenzial in der Psychiatrie, sowohl als klinische Behandlung als auch als Forschungsinstrument zur Untersuchung der neuronalen Substrate, die klinischen Symptomen zugrunde liegen.