文摘
呼吸困难在慢性阻塞性肺疾病(COPD)通常是不一致的与气道病理生理学(“感知”)。肺康复深刻影响呼吸困难,影响肺功能。学协会影响感官知觉的脑机制。我们提出改善呼吸困难,肺康复可能解释了通过改变神经学协会表示。
在31个COPD患者,我们测试了肺康复如何改变大脑活动之间的关系在breathlessness-related word-cue任务(使用功能性磁共振成像),和临床和心理呼吸困难的措施。
呼吸困难的词线索积极评级的变化与脑岛的活动和前扣带皮层的变化。评级的变化breathlessness-anxiety负相关与激活在关注监管和汽车网络。基线脑岛的活动,前扣带皮层和前额叶皮层与改善呼吸困难和breathlessness-anxiety。
肺康复学会呼吸困难与改变相关神经反应相关关联,从而最终影响呼吸困难的感觉。这些发现强调目标的重要性在治疗慢性阻塞性肺病学协会,演示神经影像可能导致患者分层和更成功的个性化治疗。
文摘
肺康复改善呼吸困难,调整大脑的感官知觉网络http://ow.ly/crhy30cQerx
介绍
呼吸困难是一种“强烈和改变生活”体验,是主观的,强烈的个人和与深刻的恐惧1,2]。它的主要症状是慢性阻塞性肺疾病(COPD)。呼吸困难的严重程度与气道病理生理学(通常是不和谐的3]。
最有效的治疗呼吸困难在稳定的COPD肺康复4]。这福利个人健康和运动能力,但没有可衡量的影响肺功能(5]。肺康复的临床反应变量。大约有40%的人完成肺康复中没有可衡量的效益(6]。
最近有一个方面的感官知觉的神经科学的理解,强调自上而下的知觉加工的重要性(2,7]。到目前为止,这些模型是最严格测试领域的视觉神经科学。最近的一项评估V一个窝B纯砂沙漠et al。(7)解释了这种模式将与呼吸道症状感知。传统上,人们一直认为外围感官等大脑处理信息调制的学习,期望和负面影响,影响意识知觉的感觉(如。呼吸困难)[8]。最近的模型表明,感官知觉包含一个更加突出的自上而下的过程(7,9]。而不是一个刺激反应的器官,被动地等待提升输入,大脑构造形式的预测从先前的经验(或称为“先知先觉”)。这些先验更新或修正由神经观察的感官信息(7,9]。负面影响,注意力和内感受器的能力可以作为主持人在这个系统中,调整先验或权重(增益)的感官信息来影响症状不调和。
先知先觉生成刺激评估网络由前脑岛、前扣带皮层,眼窝前额皮质和腹内侧前额叶皮层9),生成信息和预测身体和情感状态。传入的感觉信息进入这个网络,通过中脑导水管周围灰质和岛叶(10,11]。学协会(影响先验)之间的联系和呼吸已经被证明在许多实验研究使用空调来演示联想学习如何影响呼吸感知及其神经处理(10- - - - - -16])。
在慢性阻塞性肺病,反复急性呼吸困难可能加强学习协会与背景相关的线索如。楼梯,陡峭的山坡)。这些学习协会可能会影响大脑的先知先觉。强大的先验可能主导意识知觉,伴随着减少增加感官处理区域。综上所述,这些过程可以促进从客观生理症状的解耦。这种解耦得到抑郁和焦虑(17]。呼吸困难然后驱动器恶化的恶性循环活动避免和物理退化,并日趋恶化的呼吸困难。
肺康复中断这下降的恶性循环。参与者学会更好地处理他们的呼吸困难通过反复接触锻炼呼吸困难在“安全”的医疗环境中,与深远的影响在呼吸困难的情感成分(18,19]。大脑机制还有待研究。我们提出,肺康复的一个重要影响是减少了负面联想breathlessness-related线索(即。减少“感知”)。这将反映在减少刺激激活的价值网络。扩展这一假设,我们预测,这些学科与最强的学习协会可能最有利可图的肺康复。
因此我们评估大脑活动与breathlessness-related相关词提示之前和之后的COPD患者肺康复的一门课程。使用功能性磁共振成像(fMRI),我们测量了大脑的反应验证组breathlessness-related词提示(20.)结合详细的临床和心理描述。
方法
这里提供研究方法的简要概述。有关详细信息,请参见补充材料。pre-rehabilitation fMRI的比较发现与健康对照组和发展breathlessness-cue任务已经出版的其他地方(20.,21]。
参与者
31日轻度至中度慢性阻塞性肺病(中位数(四分位范围)慢性阻塞性肺疾病的全球倡议第二阶段(1 - 2),21岁男,意味着±sd68±9岁)研究了立即前后六周的门诊病人肺康复。所有参与者给书面知情同意和牛津郡研究伦理委员会批准了一项研究。
行为和生理测量和分析
自我报告的问卷调查
以下自我报告问卷完成并得分根据各自的手册:流行病学研究中心抑郁量表(鉴定)22状态-特质焦虑问卷》),库存(23),疲劳严重程度量表(24),圣乔治呼吸问卷(SGRQ) [25),医学研究委员会(MRC)呼吸困难量表(26),Dyspnoea-12 (D12)调查问卷27哮喘,灾难性的思考规模(修改用“呼吸困难”一词代替这个词“哮喘”)(28),疼痛意识和警惕量表(修改用“呼吸困难”一词代替这个词“痛苦”)(29日),和行为抑制系统/行为激活系统规模(30.]。
生理学
肺量测定法和增量穿梭行走测试(ISWT)是根据标准进行实践31日]。
分析
完整的相关矩阵计算所有行为和生理指标基线,和肺康复后的变化,使用MATLAB版本R2013a(美国马Mathworks,纳蒂克)。偏相关矩阵计算相关变量,定义为p < 0.05(未调整的)。D12分数作为临床呼吸困难,并与视觉模拟量表(血管)呼吸困难评分相比之前和在肺康复。探索任何测量的行为变量是否调解这些VAS-D12关系,我们进行了一项使用CANlab中介中介分析工具箱(32]。
脑成像和分析
与西门子核磁共振进行3 T TIM-Trio扫描仪(西门子、桑德赫、萨里、英国),使用12-channel头线圈。结构性t1扫描(立体像素大小1×1×1毫米),功能磁共振T2 *三扫描(立体像素大小3×3×3毫米)和fieldmaps收集。功能磁共振成像扫描期间,被试看一组breathlessness-related单词提示(20.],要求每个线索根据呼吸困难和breathlessness-anxiety问题”的脉管气喘吁吁这会让你感觉如何?”(wB)和“焦虑这让你感觉如何?”(wA)。词提示选择,适用于所有科目。所有受试者观看同一组词在两个会议,与词的顺序表示随机在每个会话。
控制条件的匹配random-letter-string演示点缀着气喘吁吁的线索。这允许我们测试的任何变化是否意味着血管反应与普遍负价的变化或兴奋,或者更有呼吸困难具体。
功能磁共振成像数据处理是目前内进行(牛津中心功能性磁共振成像的大脑软件库,牛津大学,英国),使用的壮举(fMRI专家分析工具版本5.98)。集群Z阈值为2.3和纠正集群意义阈值p = 0.05 (33]。为多个比较分析纠正整个大脑;没有使用的方法。
第一级(个人主题)分析专长结合一般线性模型,解释变量包括词表示,两个(de-meaned)解释变量建模trial-by-trial变异性在脉管反应呼吸困难(wB)和breathlessness-anxiety (wA)信号在扫描。中层分析然后进行计算不同大脑活动从pre - post-rehabilitation为每个主题。
组级别分析旨在审问大脑区域可以占主客体之间变化的血管反应的肺康复。要做到这一点,我们退化每个wB和wA脉管分数的变化意味着从中层word-cue解释变量的变化分析。我们还进行了二次分析,回归出血管的变化反应pre-rehabilitation word-cue大脑活动,调查基线因素与肺康复后改善呼吸困难有关。中介分析也进行血管评分及相关大脑区域之间的关系,与行为问卷分数作为潜在的介质,使用CANlab中介工具箱(32]。
结果
参与者
人口结构、生理和问卷调查数据,以及平均呼吸困难脉管评级,提出了表1和2。改善以上最低临床重要的区别(MCID)的生活质量(以SGRQ [34])发生在16个受试者(52%;MCID 4分),功能性运动能力(以ISWT [35])在19个科目(61%;MCID -48)和呼吸困难的临床措施(以D12 [36])在14个科目(45%;MCID 3分)。
肺康复组均值±sd改善血管反应(pre 40.5±19.4与文章28.8±21.1;双尾配对t检验,p = 0.002)。见图1在肺康复的过程中,24例wA下降,六个病人佤邦增加,在一个病人没有变化。白平衡的改善脉管反应没有达到统计学意义(52.6±14.2与文章49.1±19.9;p = 0.086双尾配对t检验)。在22名患者肺康复的过程中,世行在9个病人世行的增加而减少。
“上气不接下气这会让你感觉如何?”(wB)
世行评级变化的肺康复与血氧变化呈正相关,等级相关(粗体)激活左前脑岛、左脑岛后,左supramarginal回和前扣带皮层。我们没有观察到任何重要的激活在相反的方向。
“这焦虑如何让你感觉吗?”(wA)
佤邦评级变化的肺康复是负相关大胆的后扣带皮层活动的变化,角形脑回,初级运动皮层和supramarginal回。我们没有观察到任何重要的激活在相反的方向。
随机字母字符串
没有大脑活动的变化随机字母字符串与世行或wA观察的变化。
“上气不接下气这会让你感觉如何?”(wB)
我们观察到一个积极的变化之间的相关性在世行和pre-rehabilitation活动前岛叶(双边),眼窝前额皮质(双边)、楔前叶、侧枕叶皮质区和初级运动皮层(双边)。
“这焦虑如何让你感觉吗?”(wA)
我们观察到一个积极的变化之间的相关性在佤邦和pre-rehabilitation前扣带皮层和腹内侧前额叶皮层的活动。
讨论
重要发现
肺康复与改善呼吸困难、运动能力和生活质量,符合先前发表的研究(4,6,18,19]。脉管呼吸困难(wB)评级的变化与大脑活动的变化呈正相关的刺激估值网络,而评级的变化脉管breathlessness-anxiety attention-regulating (wA)负相关活动网络。在基线,刺激的活动价值网络与世行和佤邦分数变化后肺康复。
肺康复对脑和行为的影响
观察组改进的情感域(表2)独立于任何变化发生在肺量测定法5]。然而,并不是所有的参与者显示临床上重要的改进,强调需要了解相关的大脑处理与肺康复。
在慢性疾病,如慢性阻塞性肺病,之前经历的症状可以大大改变结果和症状感知(37]。学习环境因素之间的关联和症状可以影响这个症状的期望和随后的知觉。因此,我们使用一个word-cue任务来调查这些关联。breathlessness-anxiety评级的变化(wA)与临床指标的变化呈正相关呼吸困难(D12)在康复的过程中(图4)。这支持以前的工作证明肺康复对呼吸困难的情感成分(有更大的影响18,19]。
然后我们研究大脑活动的变化与word-cue演示跨肺康复。评级的变化呼吸困难(wB)呈正相关的大脑活动的变化前岛叶皮质、前扣带皮层,前额叶皮层和后岛叶皮质。综上所述,这些形式刺激评估网络的关键组件,负责内部状态的意识知觉的身体,或interoception [9]。这些观察结果可能代表重新评估协会有关呼吸困难的预期。
后部脑岛在sensory-discriminative处理中所起的作用,与连通性躯体感觉皮层和前岛叶与刺激评估网络整合感官输入(9]。世行评级变化之间的正相关和大胆的活动在这个结构的变化在肺康复也表明学协会的重新评价可能影响低阶感官处理。
fMRI活动是负相关的评级breathlessness-anxiety (wA)角形脑回,supramarginal回和后扣带皮层。大脑活动的变化将是在预期转向健康对照(14,21]。角形脑回和supramarginal回形式相结合的多元复杂的大脑躯体感觉输入和与注意力相关处理。后扣带皮层被认为调解情绪和记忆之间的相互作用,控制注意力的焦点(38]。所有这些功能都受焦虑(39,40]。此外,颗粒主要活动的增加和pre-motor皮层可能反映了转向更客观的知觉加工少由学协会(9,14,41]。
基线功能磁共振成像与血管的变化分数后肺康复
改变在脉管反应肺康复呈正相关,基线大胆的腹内侧前额叶皮质和前扣带皮层的活动在佤邦评级(图5在前脑岛),(两国),眶额皮层和运动皮层响应世界银行的评级。这些领域包括评估网络的刺激。我们的研究表明,人们更大的大脑活动在word-cue演讲更有可能受益于肺康复,特别是关于佤邦的对比,这与临床验证D12得分。虽然诱人解剖具体详细佤邦和世行有关的大脑区域,这就是连接配置文件最好留给未来的研究可以更好的解释这个网络的组件功能更全面。
可能经历的反复急性呼吸困难在“安全”环境在肺康复有助于重塑关联。这些发现支持和解释行为最近的一项研究[42前),这表明高breathlessness-fear肺康复期间减少呼吸困难大后肺康复锻炼。
背后的驱动力的变化行为
我们也询问如何脉管尺度之间的关系和相关的大脑活动可能与其他临床呼吸困难和行为的措施。完整的相关矩阵(图3)表明,许多行为措施至少部分解释了对方。一个显著的例外是肺量测定法,解释所有的其他措施。这种区分肺功能和呼吸困难知觉的各种措施增加了重量的证据表明,慢性阻塞性肺病是糟糕的影响反映在肺量测定法(3]。
当调查脉管分数与呼吸困难相关的预期任务,最大关联与佤邦D12问卷;经临床测量呼吸困难的27]。此外,佤邦和呼吸困难catastrophising和抑郁之间存在密切联系。相反,世行措施没有显著关联的任何措施。中介分析(32)透露,佤邦和D12规模之间的关系似乎是由抑郁的变化,当此组件被删除没有剩余的D12和佤邦之间的关系(图4 f)。尽管方向之间关系的焦虑、抑郁和呼吸困难仍然是未知的,许多人认为它是双向的(17]。有些人甚至推测,异常的预测由刺激估值网络可能驱动抑郁,焦虑和疲劳9]。
因此,基于预测模型的感官知觉,我们推测,肺康复产生大脑中的两大机制的好处:1)通过更新大脑的一系列breathlessness-related先验(通过联想学习),和2)通过采取措施的负面影响,作为主持人的先验和影响力获得感官信息处理。改善肌肉功能与健身另外调整传入输入(4]。这些因素有可能一起工作证据确凿的改善福祉作出贡献与肺康复(4,19,42]。
进一步的考虑
尽管一些大脑区域中确定目前的研究重叠和脑区激活诱导呼吸困难,重要的是要注意,这并不涉及相同的神经元数量或网络的活动。一个核磁共振成像体素可能包含超过一百万个神经元,并不是所有的同时将激活。未来的工作也可以探索连接配置文件,或功能性大脑的不同区域之间的通信,可能都有各自不同的看法甚至有类似任务激活模式。
虽然可能呼吸困难(wB)和breathlessness-anxiety评级的变化(wA)可能受到普遍的变化负价,兴奋和关注,我们没有观察到大脑活动的变化与世行和佤邦random-letter-string控制任务表明这可能是一个主要的混淆。
目前的研究使用了一个参数化设计、调查大脑活动的变化与个人主体的脉管的佤邦和白平衡。与反应肺康复的范围,未来的工作可能会更正式地比较与nonresponders反应者,但这需要相当大的样本量。
我们不包括对照组的COPD受试者没有进行肺康复治疗或收到一个虚假的治疗。没有一个对照组,潜在因素(例如安慰剂效应和疾病严重程度)的自然波动从肺康复的影响是分不开。然而,我们的主要问题是了解大脑机制与呼吸困难认知上的变化。未来的工作可以包括一个对照组,以更好地理解集团康复的影响与控制或sham-treated科目。重要的是,我们观察到的临床变化是非常符合临床肺康复的报告(如。英国国家肺康复审计(6]),我们研究了一个具有代表性的个体。
临床意义
这项研究审查了呼吸困难的大脑机制变量变化的肺康复。我们已经表明,呼吸困难评分的变化与刺激的活动变化呈正相关估值网络,和评级的变化breathlessness-anxiety活动呈低度负相关,注意处理和电机控制的大脑区域。我们还表明,breathlessness-anxiety评级的变化与临床有意义的衡量呼吸困难,D12问卷。因此,专门针对联想学习可能会进一步提高肺康复的功效。这可能源自肺康复结合药物目标相关的神经递质系统(43]。许多病人拒绝邀请肺康复,替代行为疗法可以开发关注重新评估呼吸感觉的解释,比如通过呼吸练习或正念44]。
我们的研究结果也证实了第一步使用功能磁共振成像作为患者分层的工具。我们推测,这是最有可能实现在现实生活中通过详细了解神经机制指导开发适当的行为测试(问卷调查、计算机化的任务),可以使用在床边。这些测试可以用适当的合并慢性阻塞性肺病的临床个性化治疗的措施,针对每个个体治疗方案需要的地方。
结论
总之,我们已经表明,呼吸困难和breathlessness-anxiety评级的变化在肺康复可能反映联想学习的变化。我们的研究表明,大脑的变化反应breathlessness-related词线索的肺康复变得不那么依赖学习协会,从而减少“感知”的症状。了解呼吸困难在临床的神经处理人口是进步的关键,在其治疗,如患者分层的发展,导致个性化治疗可能目标独立呼吸困难疾病的机制。
补充材料
披露的信息
补充材料
K.T.S.帕丁森erj - 01029 - 2017 - _pattinson
确认
作者感谢史蒂夫•奈特贝森休斯,伊莎贝尔Chabata戴比Nicoll,塔拉哈里斯,弗兰Sinfield,艾玛·塔克瑞秋拉德纳,朱莉年轻和牛津郡肺康复团队(英国牛津大学)研究的继续支持,和理查德明智(卡迪夫、卡迪夫、英国),安德里亚Reinecke(牛津大学、牛津大学、英国),罗伯·戴维斯(已故;前牛津大学),安娜贝利Nickol(牛津大学)和纳吉布•拉赫曼(牛津大学)为他们的慷慨的输入。我们要感谢卡罗琳乔利(伦敦国王学院,伦敦,英国),萨拉·阿卜杜拉(加拿大蒙特利尔麦吉尔大学,QC),萨拉·布斯(剑桥大学、剑桥大学、英国)和本安斯沃思(南安普顿大学、南安普顿、英国)评价早期版本的手稿。
作者的贡献:M.H.,好F和K.T.S.P.有完全访问所有的数据在这项研究中,并负责数据的完整性和数据分析的准确性。M.H.,F.M.H., K.W. and K.T.S.P. contributed to the study concept and design. M.H., O.K.F., A.H., E.E., K.W. and K.T.S.P. contributed to the data acquisition and analysis. All authors contributed to drafting the manuscript and reviewing it for important intellectual content. All authors contributed to the final approval of the manuscript.
脚注
可以从本文的补充材料www.qdcxjkg.com
支持声明:这项研究是由英国医学研究理事会(英国)和国家卫生研究所牛津大学生物医学研究中心(牛津大学医院的信任)。资金信息,本文已沉积的Crossref资助者注册表。
利益冲突:披露可以找到与这篇文章www.qdcxjkg.com
- 收到了2017年3月28日。
- 接受2017年6月17日。
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