文摘
本研究调查的影响“生活kinetik”训练对大脑可塑性的增加功能连通性在静息状态功能磁共振成像(rs-fMRI)。相结合的培训是一个集成的多通道运动和认知方面和挑战大脑通过引入新的和不熟悉的协调任务。21岁受试者完成至少11 one-hour-per-week“生活kinetik”训练在13周之前和之后rs-fMRI扫描。此外,11对照组2 rs-fMRI扫描了。康涅狄格州工具箱是几个seed-to-voxel用来进行分析。我们寻找脑区之间的功能连通性增加预计将参与演习。连接大脑区域代表地区的默认模式网络,如内侧额叶皮层和后扣带皮层,没有改变。重要的变化发生在视觉皮层的连接和部分的顶叶区域(BA7)。运动前区和扣带回也受到了影响。我们可以得出结论,不断挑战陌生的组合协调任务,结合视觉感知和工作记忆的要求,似乎诱导大脑可塑性中表达增强的连接强度由于coactivation大脑区域。
1。介绍
已经在1949年赫提出,同时神经元活动刺激突触可塑性(1]。后几项研究发现证据进行双向神经发生在成年小鼠的海马(审查[2])。今天也有积累的证据表明,人类的大脑一直是由经验在整个成年期(3- - - - - -5]。这些适应性变化已被证明发生在结构以及功能水平(6- - - - - -9]。
可行的方法来研究人类经验依赖可塑性研究纵向暴露后大脑结构和功能变化的训练。最近,许多研究已经出版调查培训效果的静息状态功能磁共振成像的大脑的功能体系结构(rs-fMRI)(审查[9,10])。静息状态的功能连通性通常被定义为时间相关性的自发的,大胆的信号的低频波动在其他大脑区域之间由于共同coactivation的历史。因此,它允许task-independent评估培训与大脑功能的变化(11- - - - - -14]。
培训的研究大致可以分为运动和认知干预措施。运动训练不同从操纵杆跟踪任务15处理[],筷子16],手指敲击[17),和力场学习18]全身平衡[19和有氧健身训练20.]。培训持续时间变化从11分钟15几周或几个月,20.]。在认知领域训练包括工作记忆训练21,22),多任务(23),和逻辑推理24从4周)和持续时间不同的3个月。
新方法使用也视频25)和基于功能磁共振成像的neurofeedback (26,27]。
在汽车领域,一些研究小组调查了不同类型的运动技能训练和不同持续时间、强度和复杂性。总的来说,变化的内在功能连通性是位于感觉运动和小脑区域。在这些领域内在功能连通性增加(15,17- - - - - -19和减少16- - - - - -19]被发现;减少相当与小脑区域(16,18]。在《Taubert等所做的研究。19和马等。17]内在功能连通性下降回到基线而减少被发现的组Yoo et al。16)和Vahdat et al。18];培训后,内在功能连通性前相比减少干预。
在认知领域,培训,而受影响的内在功能额叶和顶叶区域之间的连接(21,22,24]。然而,培训与变化的精确位置之间的内在功能连通性与研究。关于各种不同研究小组发现的变化,训练效果似乎针对培训的内容,时间,强度,静息状态的量化的时机。然而,前面提到的研究表明,改变内在功能连通性可靠可以诱导训练,也就是说,经验,在各种各样的领域。
大多数发表的干预研究调查单峰训练的效果。健康老龄化研究领域内问题上升如果联合干预可能比单峰更成功的干预措施(审查[28])。也在调查研究体育锻炼对神经可塑性和认知的影响建议增加认知训练可以增强体能训练的有益作用(审查[29日])。然而,只有少数研究关注综合干预措施的效果。据我们所知,只有两个研究探索多通道使用神经影像技术培训的效果(30.,31日]。在两个研究中,进行了物理和认知训练除了对方。李等人的研究中老年人参加太极演习一次,记忆训练和支持团体辅导在另一个时间。他们发现了静息状态之间的连接内侧前额叶皮层和内侧颞叶。Holzschneider等的研究参与者从事自行车会话和额外的空间记忆训练。然而,只有基于任务的功能磁共振成像变化量化。相结合的训练后,大脑活动的变化和心血管健康相关的积极变化的中央前回和楔片。
在这里,我们调查的影响,结合全身运动协调训练和综合健康成年人认知练习。鲁茨和他的同事们(“生活kinetik”:http://www.lifekinetik.de/)开发了一种多通道相结合的培训协调,认知和视觉任务的方式进行体育锻炼,而参与者认知同时挑战。培训由组合运动活动和认知的挑战和视觉感知的培训,特别是周边视野的感知。移动四肢在不同的不寻常的组合、捕捉和投掷物体,因此培训视觉感知和limb-eye协调,是一个基本的特征训练。此外,修改培训任务不练习完美但几分钟后或每当性能达到60%左右。除了避免无聊和沮丧,这应该是刺激大脑不断适应新的陌生的挑战。我们的动机是测试培训概念,是灵活和有趣的参与者,包括认知和运动元素。虽然“生活kinetik”训练最初的设计训练运动员(足球运动员,滑雪者)协调困难的任务可以很容易地适应患者群体的能力。
基于假设自发活动反映的历史coactivation本地大脑网络内或脑区之间26,32)我们预计增加静息状态连接的大脑区域和任务可能参与演习。
的丘脑是一个大脑皮质下区域处理和集成皮层(输入和输出33]。它的连接似乎随着年龄增长而减少(34)和减少在轻度认知障碍(MCI)和阿尔茨海默病(AD) (35,36]。作为“交换机信息”或感官信息的中转站。培训包括不寻常的肌肉运动的活动与认知任务相结合的模式,我们希望丘脑的连通性增加。
所有的练习和任务涉及一些汽车行动;因此我们预计的变化初级运动区(BA4 M1)和运动前区(BA6)因为不仅执行也持续警觉性参与执行一个操作任务。尤其是连接到正确的运动区可能增加,因为练习包括大量的左侧肢体的运动,这是具有挑战性的右手的参与者。
的小脑高度参与运动活动和学习和大脑皮层的功能连接反映连接(37,38),所以我们可以期待一些改变连接。
的额眼领域(FEF),一个大脑区域负责眼球运动和注视控制,是在学习的过程中改变处理移动对象(39- - - - - -41),这也是运动的一部分,除了这不是训练完美像杂耍。
整个视觉皮层此外挑战尝试培养周边视觉和操作不同的移动对象和由于分配请求的行动的可能性,通过视觉刺激(特定姿态的教练或颜色)。所以小学以及中学视觉皮层(BA17 BA18, BA19)预计将改变他们的连接到其他的大脑区域。
每个运动或任务由链运动,交替随机。提示改变通常是由一个口头命令。因此,我们预计增加之间的连接听觉区域(中小学BA41和BA42)和其他大脑区域尤其是汽车和运动前区和由于coactivation重复。
和功能连通性背外侧前额叶皮层(DLPFC)可能会增加,因为工作记忆参与连接操作或移动到指定命令或提示。的前扣带皮层(ACC)预计也将参与作为一个地区所需的错误检测和控制冲动和可能因此改变连接到其他的大脑区域。
2。方法
2.1。参与者
32右手科目没有历史的精神或神经系统疾病包括在这项研究中。21人(12名女性,平均年龄48(±9)年)参与11或12的13个“生活kinetik”培训(每周1小时)。其他11个学科(7女性,平均年龄49岁(±8)年)感兴趣的培训但未能出席,由于他们的时间安排但完成两个核磁共振扫描。
这项研究是医学院伦理委员会批准的曼海姆,海德堡大学和执行符合赫尔辛基宣言。
2.2。训练描述
“生活kinetik”训练追求的目标结合运动协调训练和认知训练强调工作记忆。运动协调练习可以包括多个四肢在同一时间。此外,大部分时间一个或多个块运动器材(如球、球拍、杂耍球和围巾)使用需要,抓住,反弹,或类似的操作。认知方面发挥作用,不同的电动机的任务分配给不同的视觉或听觉信号(符号/关键字)。例如,红旗可能意味着跳跃的球的左手而蓝旗表明扔,用右手抓住球。同一movement-cue耦合可以用语义类别,例如,城市的名字,动物,或树木。这些对电动机的任务和特定线索必须记住在一次训练。随机化的线索是不言自明的。在一个训练(每周1小时)大约6种不同类型的运动已经在执行组,成对,或自己。
这组合训练的一个重要方面是练习才训练自动化的。一旦参与者的表现达到约60%正确的试验任务要求的变化和新组合符号和动作。关注新奇参与者应该不断的挑战。此外,相声的半球培养包括运动四肢故意越过矢状中线(例如,接球到达身体的左边与右边)。
总共有13个训练1小时每周的参与者之后至少11;最小的训练时间是11个小时在13周的时期。
2.3。数据采集
功能和解剖数据从每个参与者获得前2周内开始的第一次训练,后2周内持续训练在3特斯拉磁共振扫描仪(Magnetom三蒂姆技术,西门子医疗服务,埃朗根,德国)配备了32路头线圈。200年rs-fMRI与梯度回波图像被收购了三echo-planar-imaging序列(TE = 28女士,TR = 1.79 s, FOV = 192毫米×192毫米,矩阵大小= 64×64,和总持续时间6分钟)。卷由34片AC-PC取向3毫米的厚度和切片1毫米的差距。参与者的头轻轻克制使用软垫,以防止头部运动。受试者被要求看固定交叉和保持他们的眼睛睁开。
t1加权解剖图像也记录(TE = 3.03毫秒,TR = 2.3秒,192片FOV = 256 mm×256 mm,矩阵的大小是256×256,和切片厚度1毫米)。
2.4。数据预处理
数据预处理和分析使用SPM12 (Wellcome认知神经学部门,伦敦,英国,http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/)。所有功能是把时间分割图像纠正和重新使用six-parameter第一卷刚体变换。阈值排除由于过度运动被设置为3毫米。运动不超过1.5毫米在每一个主题,所以没有人被删除。
的解剖图像和功能图像coregistered对应的时间点。分段灰质和白质的图像所有参与者被用来构造一个研究特定的模板使用DARTEL [42]。模板规范化MNI空间和所有图片,解剖和功能,根据流场规范化这个模板使用。函数图像的平滑的内核是8毫米和2毫米的解剖图像。
2.5。连通性分析
功能连通性分析进行了使用CONN-fMRI功能连通性工具箱第十四节(43)(http://www.nitrc.org/projects/conn)。的温和的两次试验法的可靠性rs-fMRI似乎归因于剩余噪声预处理后,添加nonneural相关性的信号(44]。去除噪声是可能增加rs-fMRI数据的可靠性。提出了几个预处理步骤(44)来实现这一目标。
一个主要的观点是通过解剖CompCor方法降低噪声。该方法提取主成分(5)从WM和CSF时间序列。WM和脑脊液压确定通过解剖图像的分割。这些组件被添加在康涅狄格州的去噪步骤混淆工具箱(43,45]。六头运动参数来源于空间运动校正也添加为混淆。我们没有执行全球信号回归的讨论仍在进行的影响(44,46),它不是在康涅狄格州的工具箱。
推荐带通滤波的频率窗口执行0.01到0.1赫兹。发现这个预处理步骤提高测试可靠性(44]。
Seed-to-voxel和ROI-to-ROI功能连通性的地图创建为每个参与者。ROI-to-ROI分析是用来识别可能在pretraining学员和对照组之间的差异,来验证大脑网络的控制对象不随时间变化。这个分析我们使用所有提供的Brodmann领域。的意思是大胆的时间序列计算所有体素在每个ROI。Bivariate-correlation分析是用于确定线性协会每一对之间大胆的时间序列的来源和费舍尔Z变换应用。
个人seed-to-voxel和ROI-to-ROI地图进入第二级分析。
在组ROI-to-ROI分析对照组测试连接的稳定性。各组ROI-to-ROI分析验证了缺乏第一测量两组之间的差异。
Seed-to-voxel分析被用于两个目的。首先,我们使用后扣带和内侧前额叶皮质种子区域和验证默认模式网络的出现在每个组和跨度为。这似乎是必要的因为不同大小的两组。
第二个seed-to-voxel分析被用来检查连接变化的差异因子分析随着时间的推移,通过训练交互(集团时间;对比−1 + 1 + 1−1)。年龄和性别是不感兴趣的进入不分析(47]。显著变化的阈值设置整个大脑集群级别FWE集群建立阈值的修正未修正的体素水平。正如我们预期的增加培训参与者由于coactivation和对照组没有改变我们验证的方向变化有两个事后配对样本测试的实习和对照组分别为每个重要seed-to-voxel集群。这一步被选为确保重大结果不是由主客体之间差异引起的。这种方法的另一个理由是两组不同的样本大小。我们报告重要成果三个标准:(a)大量的时间通过组织互动,培训组(b)显著增加,和(c)在对照组没有显著下降。
用于显示集群为result-figure构建阈值设置为0.002未修正的体素的水平。
2.6。感兴趣的区域
我们无法调查任务相关活动的练习和有些武断,容易产生偏见来创建一个感兴趣的区域的一个坐标和一个球体,我们使用提供的roi基于Brodmann地区根据WFU PickAtlas (http://fmri.wfubmc.edu/software/PickAtlas)。我们使用所有现有区域roi,为了得到一个完整的图片的对照组中可能发生的变化。一些roi并不提供的工具箱(例如,丘脑、小脑和FEF);这里我们使用提供的面具ROI创建WFU PickAtlas的大脑区域。
3所示。结果
在第一个时间点ROI-to-ROI分析rs-fMRI显示学员和控制之间没有差异。默认网络将显示与内侧前额叶皮质种子在两组和两个跨度为。
的影响分析的训练是一个2×2方差分析(集团和时间)与年龄和性别不不感兴趣。所有种子有重大积极的地区连接学员和无显著的变化减少控制表中列出1。
培训涉及大量的运动活动和运动区域的虚拟区域改变他们的连接强度。只增加发生左边运动区域。左侧初级运动区(BA4 M1)显示增加视觉皮层的连接部分(图1(一)、红)和躯体感觉联合区(BA7,图1(一),红色)。正确的初级运动皮层显示没有改变其他大脑区域。整体的连接强度运动前区区域(BA6)作为种子到其他皮质区域并没有改变。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
主感觉运动皮层(BA1,菲律宾媒体,和BA3)作为感觉运动的一部分,网络显示几个连接强度的变化。只剩下的自发波动BA1显示更高的相关部分的联想视觉皮层(BA19,图1(一)青色)和部分顶叶皮层(BA7,图1(一)青色)。连接从BA2或把并没有改变。
视觉中的功能耦合网络的改变主要感官领域(BA17)右半球。这ROI增加功能连通性腹ACC (BA24,图1 (b)、紫)和部分正确的前运动皮层(BA6,图1 (c)、紫)。左前运动皮层(图的连接1 (c),蓝色)是增加的二级视觉皮层(BA18)。增加到腹侧的连接ACC (midcingulate;图1 (b)紫色和蓝色)的视觉区域是重叠的。视觉皮层的不同区域显示功能耦合变化相同的前运动区和扣带皮层。
之间的功能连接强度初级听觉皮层(BA41)听觉网络的一部分和右小脑(第八和第九)增加与培训以及连接部分躯体感觉皮层(BA7,图1 (d)、绿、红)。这个连接改变两半球间的重叠。的连接次级听觉皮层(BA42)顶叶皮层(BA7,图1 (d)紫色和蓝色)改变,部分重叠的连通性增加初级听觉皮层。连接从听觉到视觉皮层也增加(数据1 (d)和1 (e)蓝色和绿色)。
的离开FEF但是不正确的FEF显示连接更改几个集群在视觉皮层(图1 (f)、蓝色)和腹侧ACC(图1 (f),蓝色)。
之间的连接性正确的背外侧前额叶皮层和正确的supramarginal回(图1 (f),红色)增加。BA24 (ACC)显示没有连接。更后的部分扣带回的显示功能连通性增加前向右额叶皮层和背外侧前额叶皮层的部分(BA10 BA9,图1 (f)、紫)。
特征区域的默认模式网络,内侧前额叶皮质,顶叶,后扣带,卓越的额叶皮质,显示没有连接训练后的变化。
4所示。讨论
这项研究是第一个调查的影响一个集成多通道训练脑功能连接。培训结合了物理和认知练习,不针对自动化,但重点是新奇。为此我们比较静息状态的变化的内在功能连通性的一组受试者参加第一个标准培训课程的“生活kinetik”rs-fMRI控制样本的变化。训练提供了各种各样的练习,可以很容易地适应临床人群。我们发现大量的培训组静息状态功能连通性的变化。在默认模式网络的连接,最突出的静息状态的网络,没有改变。
功能连通性镜子激活的变化在训练和增加一些相关已知地区发生认知障碍的关键地区,老化或精神疾病。
连通性增加电机的地区被认为是最可能的。尤其是来自正确的运动,运动前区皮层的连接,负责左边身体的一部分,将加强。培训涉及大量的运动活动和所有参与者是右手,因此被迫协调他们的左手,胳膊,腿。增加了整个地区只有可见的连接左侧初级运动区。连接的部分躯体感觉联合区改变以及视觉皮层。运动区在大脑可塑性的参与多项研究证实。音乐家,例如,有历史悠久的肌肉运动的训练显示增加了静息状态连接在电机领域和多种感觉的皮质相比对照组(48]。这与其他的研究发现连通性下降伴随着累积性能增加初始“初学者”后增加的连接(17]。“生活”kinetik培训关注的是新奇的运动减少连接在出乎意料的时候。
各种种子的视觉皮层区域显示增加连接部分的前运动皮层,几乎重叠(见图1 (c))。大量的训练任务包括抛出和捕获不同,在某些情况下,相对小的对象。其他研究中使用的最类似的任务是在培训的影响强度被发现(49]。低强度训练导致增加在汽车网络功能连通性,而高强度的培训组显示功能连通性下降。结果表明,不同的培训制度与不同的大脑变化模式(50]。另一方面我们的培训比低强度的训练更密集的由每天15分钟,此外,正如前面提到的,“生活kinetik”训练是不定向到完美。
小脑是映射到协会的大脑区域37)所以,我们预计一些连接的变化,我们发现,但明显低于预期。对比分析Buckner et al。37]谁发现的主要感觉皮质并不代表在小脑,我们发现改变时间的相关课程的初级听觉皮层和小脑。也许这是在练习口头提示的效果,这说明不同的动作。
视觉皮层也是多样化的。一些条件负责视觉运动信息的保留51)被证明改变他们的结构在运动训练。而不是结构功能的变化发生在我们的样例的学员与控制样本。
最突出的大脑区域连通性变化是次要的躯体感觉皮层(BA7)。一些地区BA7连接增加与其他地区展出。主要的改变他们的听觉皮层与部分BA7(图1 (d))。这些集群都显示重叠无论种子区域。也不同于这些区域集群改变运动皮层(图的连接1 (b)、红)和感觉运动皮层。这个结果似乎证实了研究结果的多样化顶叶皮层(52,53]。把握和视觉空间任务激活顶叶皮层的不同部分(53),重叠的区域显示在“生活”kinetik培训(数据变化1(一)和1 (d))。
左FEF种子区域之间的功能连通性和集群在视觉皮层和腹侧ACC增加,但不是与背侧注意网络。FEF肯定负责眼球运动和活动期间抛出和捕获的对象。FEF和视觉皮层之间的连接的变化可能表明联合激活这些区域由于增加视觉注意力在训练。
额叶皮质的区域参与工作记忆过程和错误处理显示几个连接增加。ACC显示,与我们的假设,没有连接到其他大脑区域的变化。腹侧的前扣带皮层显示增加了连接到前额叶皮层,FEF,视觉皮层。左背外侧前额叶皮层(BA9)另一方面显示了连接到正确的supramarginal回(BA40)。
考虑到培训的具体属性,连接的变化似乎合理。提示输入的动作和任务口头或视觉线索。线索转化为行动,在大多数情况下,运动或操纵的对象。显示部分的运动前区皮层增加视觉区域连接。这些区域没有明显的但重叠从而表明这些地区准备行动的重要性和操纵的对象(54]。
问题是为什么听觉区域主要显示功能连通性增加躯体感觉区(BA7),但不是运动前区。关注的一个重要方面的培训与工作记忆。受训人员的主要工作之一是记得运动显示提示。但这并没有导致预期的变化在背外侧前额叶皮层的连接。
丘脑的功能连接右额下回和脑岛在控制增加学员也减少。这使得解释困难。丘脑是一个地区多个连接(33,55,56]。丘脑皮层的连接已经报道的强度预测的性能在运动学习57),随着年龄的增长而改变(34,减少在MCI和广告(35,36,中断的thalamus-cortex关系对心理健康有严重的影响(58- - - - - -60]。
适当的或最优的函数BA7似乎表明认知储备,防止痴呆症状(61年]。切换注意力训练的一个重要组成部分;区域被激活在这样一个任务是顶叶皮层和运动的一部分地区和背外侧PFC (62年),但这些区域之间的关系,特别是尚未研究的变化关系。
我们可以与我们的研究表明,应用“生活kinetik”培训更改多个脑区之间的连接强度。有很多证据表明成人大脑可塑性甚至和老化的大脑。基本的研究表明,大脑的不同方面可以由各种类型的培训和任务。静息状态的连接似乎是相对稳定(63年),但干扰在精神疾病64年随着年龄的增长,改变(65年,66年由活动[],多变的26]。内在连接显示是一个效率指标(67年)与认知能力呈正相关(68年,69年)和情报(70年]。
方向上的数据更改或变更增加或减少不一致。不知道哪个方向是更有益的。这最有可能取决于许多功能连通性方面支持。例如,抑郁症患者显示增加功能连通性(71年),而精神分裂症似乎伴随着减少功能连通性(60]。
运动皮层的功能连接,例如,随着年龄的增加,但不同的关系绩效报告。一项研究解释的积极关系连接作为保护和性能下降(66年]。第二项研究发现连接随着年龄的增加伴随着性能降低(65年]。这矛盾的结果连通性增加关于性能表明,干预导致增强的大脑区域之间的连接可能不一定有助于减弱年龄下降有关。
任务和类型的训练中使用不同的研究调查大脑网络的变化存在一些主观因素,不同的感知任务根据机械手动作杂耍或经颅电或磁刺激。大多数培训概念不有可能作为一种训练方法或精神病人的治疗方法或老年人。
例外是各种类型的汽车培训像杂耍50),视频游戏(25),有氧训练(72年),或者quadrato-motor培训73年)这些都是旨在完善任务没有改变。
我们的动机是寻找一个培训,包括电动机和认知练习和有潜力成为刺激患者人群。
4.1。限制
两次试验法的可靠性是一个尚未完全解决的问题在功能磁共振成像研究74年- - - - - -77年]。一些研究解决这一问题的rs-fMRI但重新测试可靠性是健壮的44,78年]。改善可以通过包含几个预处理步骤(44]。这增强了intersession重新测试可靠性,至0.81。我们解决这个问题,以减少噪音(包括预处理步骤44,79年,80年]。我们仔细筛选对照组的变化,只报告结果事后考验。
第二个限制我们的结果是整个样本容量的大小以及不同的实习和对照组。我们试图解决这个问题通过验证默认模式网络的出现并没有改变在对照组尽管小样本大小。
训练强度的影响是未知的。实际的程序由小时每周训练。进一步的研究应该调查的影响较短但更频繁的训练。
学科组参加培训显示静息状态的功能连通性的增加,但对任务绩效的影响是未知的,不能被监控培训的性质。下一步是找到合适的电动机和认知测试任务量化改进后“生活kinetik”培训。
进一步的调查应包括一个活跃的对照组(练习运动性能或认知任务或培训有限数量的任务完美)显示联合训练的好处相比,其孤立的部分。此外,我们将调查培训对认知的影响性能和内存,最好是在一群受试者受损。
因为它是不可能测量大脑活动在培训期间,我们只能假设的大脑区域被激活。本研究计划的初步研究表明,训练是能够改变大脑连通性。我们假定我们的主题显示“正常”静息状态的网络。在病人组连通性增加可能取决于网络的根本改变。
信息披露
结果提出了OHBM会议2015在火奴鲁鲁。
利益冲突
作者和合作者宣布没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢Inanc Karaca提供训练和和劳拉Uhrig Gunilla Oberthur和茱莉亚·Eijk扫描先生的支持。这项研究是由格兰特SFB636 DFG通过中心项目Z03。