Frontiers in Neuroscience

Introduction

Zaburzenie uwagi z deficytem/nadpobudliwością (ADHD) jest jednym z najczęstszych zaburzeń neuropsychiatrycznych u dzieci i dotyczy od 3 do 5% dzieci w wieku szkolnym. ADHD charakteryzuje się głównie odpowiednimi do wieku objawami nadpobudliwości, nieuwagi i impulsywności (American Psychiatric Association, 2013). Te podstawowe objawy mogą być zidentyfikowane u dzieci z ADHD we wczesnych latach szkoły podstawowej (Mucina, 2005). Ponadto, dzieci z ADHD często rozwijają choroby współistniejące, w tym zaburzenia opozycyjno-obronne, zachowania antyspołeczne, nadużywanie substancji oraz problemy związane z zachowaniem i uczeniem się w późniejszym okresie życia (Klassen i in., 2004; Wehmeier i in., 2010). Funkcjonowanie poznawcze jest łagodnie zaburzone w tym zaburzeniu (Sergeant et al., 2002). W szczególności ADHD wpływa na hamowanie reakcji, czyli zdolność do powstrzymywania niewłaściwych myśli i działań. W kilku badaniach stwierdzono, że dysfunkcja hamowania jest kluczowym defektem neurofizjologicznym ADHD (Durston i in., 2003; Smith i in., 2006; Bledsoe i in., 2010), a kora przedczołowa (PFC) jest jednym z najważniejszych regionów, który silnie wpływa na hamowanie reakcji (Schmitz i in., 2006; Zang i in., 2006; Kana i in., 2007).

Zgodnie z modelem poznawczym Barkleya, hamowanie reakcji obejmuje trzy powiązane ze sobą procesy: (1) zahamowanie początkowej reakcji poprzedzającej, (2) zatrzymanie trwającej reakcji lub opóźnionego reagowania oraz (3) ograniczenie interferencji lub rozproszenia uwagi w okresach opóźnienia (Barkley, 1997). Zadanie Go/no-go jest klasycznym zadaniem neuropsychologicznym szeroko stosowanym w warunkach klinicznych do oceny hamowania reakcji (Casey i in., 1997; Smith i in., 2006; Fang i in., 2010; Monden i in., 2012a). Podczas tego zadania tendencja prepotencjalna jest hamowana do wykonania odpowiedzi. Hamowanie to może wystąpić tylko na etapie wyboru odpowiedzi lub jej wykonania (Rubia i in., 2001; Xiao i in., 2012). Nakładanie się bodźca lub odpowiedzi prowadzi do innych form interferencji (Rubia i in., 2001; Wager i in., 2005).

Funkcjonalna spektroskopia w bliskiej podczerwieni (fNIRS) może mierzyć zmiany w stężeniach utlenowanej, odtlenowanej i całkowitej hemoglobiny (oxy-HB, deoxy-HB i total-HB) w hemodynamice mózgu poprzez pomiar absorpcji światła w bliskiej podczerwieni (zwykle w zakresie 700-1000 nm) rzutowanego przez skórę głowy (Liao i in., 2013). fNIRS dostarcza pośredniej miary aktywności neuronalnej na podstawie zmian w utlenowaniu krwi spowodowanych procesami metabolicznymi w obrębie kory mózgowej (Vanderwert i Nelson, 2014). Możemy zatem ocenić aktywację mózgu dzieci z ADHD podczas testów neuropsychologicznych za pomocą fNIRS. fNIRS ma wiele zalet, takich jak nieinwazyjność, nieradiowa właściwość i niewrażliwość na artefakty ruchowe; fNIRS dostarcza również danych o wysokiej rozdzielczości czasowej w porównaniu z fMRI (Quaresima i in., 2012).

Kilku badaczy wykorzystało fNIRS do zbadania różnic w aktywacji PFC podczas zadań hamowania odpowiedzi (takich jak test go/no-go) pomiędzy dziećmi z ADHD i dopasowanymi typowo rozwijającymi się dziećmi (dzieci TD). Dzieci z ADHD wykazały zmniejszoną aktywację PFC w porównaniu z dziećmi TD. Jednak lokalizacja aktywacji związanej z hamowaniem w obrębie kory czołowej jest niespójna we wcześniejszych badaniach, w których stosowano fNIRS i zadanie go/no-go. Monden (Monden i in., 2012a) wykorzystał fNIRS do badania dzieci z ADHD wykonujących zadania hamowania reakcji; wyniki wykazały obniżony poziom aktywacji prawego dolnego zakrętu czołowego/środkowego zakrętu czołowego. W badaniu Fangyue (Fang i in., 2010), dzieci z ADHD zostały poproszone o wykonanie zadań hamujących; wyniki fNIRS wskazały, że podczas zadania go/no-go, dzieci z ADHD wykazywały słabą aktywację w lewej PFC. Odwrotnie, w badaniu Inoue (Inoue i in., 2012), dzieci z ADHD wykazały znacznie zmniejszoną aktywację w obustronnych obszarach czołowych w porównaniu z dziećmi TD podczas warunku no-go, który wymaga hamowania.

W tym badaniu ocenialiśmy aktywację dzieci z ADHD i dzieci TD w PFC podczas zadania go/no-go poprzez fNIRS. Zakładamy, że aktywność mózgu będzie zmieniona u pacjentów z ADHD w przeciwieństwie do kontroli w PFC.

Metody

Badani

Czternaścioro dzieci z ADHD zostało zrekrutowanych ze Szpitala Dziecięcego afiliowanego do Capital Institute of Pediatrics i porównanych z 15 dziećmi z TD zrekrutowanymi z lokalnej społeczności (Tabela 1). Uczestnicy byli dopasowani do grupy pod względem wieku, płci, IQ w pełnej skali i ręki. Wszyscy uczestnicy byli praworęczni, a średnia wieku wynosiła 6-9 lat. Osoby, które spełniały kryteria DSM-V dla ADHD, zostały włączone do grupy ADHD. IQ oceniano za pomocą chińskiej wersji Wechsler Intelligence Scale for Children-Revised, a wynik IQ uczestników wynosił ≥70. Dzieci z TD nie miały w wywiadzie żadnych zaburzeń psychicznych ani neurologicznych. Kryteria wykluczenia dla wszystkich badanych obejmowały występowanie w przeszłości napadów drgawkowych lub urazów głowy, jak również rozpoznanie zaburzeń neurologicznych, zaburzeń genetycznych lub poważnych schorzeń medycznych. Od rodziców wszystkich badanych uzyskano pisemną zgodę na udział w badaniu. Badanie zostało zatwierdzone przez Komitet Etyczny Szpitala Dziecięcego przy Stołecznym Instytucie Pediatrii.

Zadanie eksperymentalne

Zadanie go/no-go zostało wygenerowane przez E-Prime2.0 i zaprezentowane na 17″ ekranie komputera stacjonarnego. Odległość pomiędzy oczami osoby badanej a ekranem wynosiła ~50 cm. Zadanie o konstrukcji blokowej składało się z sześciu zestawów blokowych (ryc. 1). Każdy zestaw składał się z naprzemiennych bloków „idź” (sytuacja wyjściowa) i „idź/nie idź” (sytuacja docelowa). Na początku każdego bloku prezentowano instrukcję trwającą 3 sekundy. Każdy blok zawierał 24 próby, a każda próba trwała 1 s. Całe zadanie trwało 5,4 min. W warunku go, badanym prezentowano losową sekwencję dwóch liter („A” i „B”) i wymagano od nich odpowiedzi na obie litery. W blokach go/no-go uczestnicy byli proszeni o wykonanie reakcji, gdy prezentowana była litera „O” i zahamowanie reakcji na literę „X”. Wszyscy badani zostali poinstruowani, aby reagować na każdą literę tak szybko, jak to możliwe. Uczestnicy odpowiadali używając palca wskazującego prawej ręki. Przed pomiarami każdy uczestnik wykonał blok ćwiczeniowy, aby upewnić się, że zrozumiał instrukcję. Wybraliśmy stosunek go/no-go wynoszący 50% (Dillo i in., 2010; Monden i in., 2012a; Nagashima i in., 2014). Rejestrowano czas reakcji (RT) dla prób go oraz dokładność (ACC) dla prób go i no-go.

Nr: Liczba prawidłowych odpowiedzi. Nt: Całkowita liczba odpowiedzi.

pomiary fNIRS

Zmiany stężenia oksy-HB, deoksy-HB i całkowitego-HB (mM.mm) rejestrowano w PFC za pomocą ciągłego wielokanałowego instrumentu fNIRS (ETG-4000; Hitachi Medical Corporation, Kashiwa, Japonia), który pracował z dwiema różnymi długościami fal światła w bliskiej podczerwieni (695 i 830 nm). Wykorzystaliśmy zestaw sond zawierający 17 źródeł i 16 detektorów, aby uzyskać 52 kanały pomiarowe fNIRS (rysunek 2). Dane optyczne były analizowane w oparciu o zmodyfikowane prawo Beer-Lamberta (Cope i in., 1988). Dane fNIRS były mierzone z częstotliwością próbkowania 10 Hz. Zestaw sondy umieszczano na głowie z uwzględnieniem odpowiednich pozycji standardowych międzynarodowego systemu 10-20 dla rozmieszczenia elektrod EEG (Klem i in., 1999; Okamoto i in., 2004). Środkowa dolna optoda była umieszczona na Fpz, a dolny rząd optod był zorientowany w kierunku T3 lub T4 (Schecklmann i in., 2010).

Analiza danych fNIRS

Aby przeanalizować dane fNIRS, skupiliśmy się na sygnale oxy-HB ze względu na jego większą wrażliwość na zmiany w mózgowym przepływie krwi niż sygnał deoxy-HB i total-HB (Strangman i in., 2002; Hoshi, 2003), jak również jego wyższy stosunek sygnału do szumu (Strangman i in., 2002) i wiarygodność powtórnych testów (Plichta i in., 2006). Dane szeregu czasowego każdego kanału dla danych fNIRS zostały wstępnie przetworzone poprzez filtrację z cyfrową filtracją pasmową ustawioną pomiędzy 0,01 i 0,8 Hz. Przeprowadzono korekcję linii podstawowej oxy-HB (10 s przed zadaniem), aby skompensować dryf w czasie. Do dalszej analizy wybierano względnie stabilne sygnały blokowe bez ruchu głowy i oczywistych szumów, które poddawano oględzinom. Obliczyliśmy średnią międzytrialową różnic pomiędzy szczytowymi sygnałami oxy-HB (4-24 s po rozpoczęciu bloku go/no-go) i okresami bazowymi (14-24 s po rozpoczęciu bloku go) (Nagashima i in., 2014). Aby zbadać, czy zmiana oxy-HB jest istotnie rosnąca w bloku go/no-go w stosunku do linii podstawowej, określono i poddano analizie statystycznej średnie zmiany stężenia oxy-HB podczas każdego zadania minus średnie zmiany w okresie podstawowym przed zadaniem.

Analiza statystyczna

Sygnały oxy-HB poddano analizie statystycznej w sposób kanałowy. Po pierwsze, zbadaliśmy różnicę między zmianami w oxy-HB szczyt i linii podstawowej dla przedmiotów z ADHD. Po drugie, zbadaliśmy różnicę między zmianami w oxy-HB piku i linii podstawowej dla kontroli. Po trzecie, różnica zmian w oxy-HB szczyt dla podmiotów z ADHD i kontroli temat zostały obliczone.

W kroku 1 i kroku 2 zbadaliśmy różnicę między zmianami w oxy-HB szczyt i linii podstawowej dla każdego przedmiotu przy użyciu jednej próbki t-testów. Aby określić różne aktywności mózgu pomiędzy ADHD i grupami kontrolnymi, zastosowaliśmy dwuogonowe niezależne testy t na różnicy zmian w piku oxy-HB, aby zidentyfikować kanały zaangażowane w zadania go/no-go.

Wyniki

Wyniki behawioralne

W danych dotyczących zachowania podczas zadania go/no-go, pięć wskaźników zostało poddanych analizie statystycznej. Tabela 2 podsumowuje średnią dokładność dla prób go i nie-go oraz RT dla poprawnych prób go w zadaniu go/nie-go, błędy popełnione (reakcja na bodziec nie-go) i błędy pominięcia (brak reakcji na bodziec Go) dla osób z ADHD i kontrolnych. Wyniki testu t wykazały, że zachowanie go/no-go nie różniło się istotnie między osobami z ADHD a osobami z grupy kontrolnej.

fNIRS

Przesiewaliśmy pod kątem wszelkich kanałów fNIRS zaangażowanych w zadanie go/no-go dla kontrastów kontroli i ADHD. Znaleźliśmy znaczący wzrost oxy-HB w lewym CH 37(średnia = 0.045, SD = 0.068, p = 0.023), 48(średnia = 0.069, SD = 0.011, p = 0.002), 49 (średnia = 0.051, SD = 0.087, p = 0.037) w przedmiotach kontrolnych. Kanały te zlokalizowane były w lewej korze czołowo-skroniowej (FPC). Ale nie znaleźliśmy żadnych kanałów wykazały znaczący wzrost oxy-HB w ADHD subjects.

Dodatkowo, CH 37, CH48, i CH 49 zostały wybrane jako kanały zainteresowania do zbadania różnic między ADHD i TD. Porównanie sygnałów oxy-HB osób z grupy kontrolnej i ADHD wykazało znaczącą aktywację sygnału oxy-HB w lewym CH 37, 48 u osób z grupy kontrolnej (dwubiegunowy test t niezależnej próby, Tabela 2). Rycina 3 przedstawia przebiegi sygnałów oxy-HB dla CH 37. Kanały te były zlokalizowane w lewym FPC. To odkrycie wskazuje, że kontrola wykazywała wyższą aktywację lewego FPC podczas zadań go/no-go niż dzieci z ADHD.

Dyskusja

To badanie ma na celu głównie zbadanie możliwości wykorzystania fNIRS do różnicowania dzieci z ADHD od dzieci z TD. Aktywacja lewej FPC mogłaby służyć jako obiektywny neurofunkcjonalny biomarker dla pomiaru fNIRS. W porównaniu z grupą kontrolną, dzieci z ADHD wykazywały zmniejszoną aktywację mózgu w lewym FPC podczas bloków zadań go/no-go.

Behavioral Performance for Go/No-Go Task

Paradygmat go/no-go wymaga wyboru pomiędzy wykonaniem lub wstrzymaniem reakcji motorycznej wywołanej bodźcem go- lub no-go. Zadanie to wymaga funkcji poznawczych wysokiego poziomu, takich jak podejmowanie decyzji, wybór odpowiedzi i hamowanie odpowiedzi (Rubia i in., 2001). Te funkcje poznawcze są niezbędne w codziennym życiu, a upośledzone hamowanie reakcji jest potencjalnym biomarkerem ADHD u dzieci (Barkley, 1997). W związku z tym liczni badacze badali dezynwoltury w ADHD za pomocą paradygmatu go/no-go (Monden i in., 2012a; Vasic i in., 2014).

W tym badaniu wyniki behawioralne nie różniły się istotnie między dziećmi z ADHD i kontrolami, podobnie jak w przypadku wcześniej zgłoszonych wyników (Durston i in., 2003; Smith i in., 2006; Nagashima i in., 2014). Dzieci z ADHD wykazują różne trajektorie rozwojowe w zakresie kontroli impulsów (Barkley, 1997), a dzieci z TD wykazują większą kontrolę na wczesnym etapie rozwoju. W niniejszym badaniu uczestnicy byli w wieku 6 i 9 lat. Kontrola poznawcza rozwija się w tym przedziale wiekowym (Diamond i in., 1994; Casey i in., 1997, 2001; Carver i in., 2001); zatem rozbieżność w trajektoriach rozwojowych między grupami może być początkiem w naszej obecnej próbie. To ustalenie może tłumaczyć brak różnic w ogólnej trafności dla dzieci, które uczestniczyły w badaniu obrazowym (Durston i in., 2003). Jednak nasz wynik jest niezgodny z wcześniejszymi badaniami, w których dzieci z ADHD przejawiały upośledzoną sprawność w porównaniu z kontrolami (Monden i in., 2012a).

fNIRS

fMRI badania nad hamowaniem odpowiedzi zgłosiły aktywację płatów czołowych (Mostofsky i in., 2003; Wager i in., 2005; Blasi i in., 2006). Dlatego w obecnym badaniu pomiary fNIRS objęły PFC. Wykryliśmy aktywację mózgu w lewej FPC podczas bloków zadania Go/No-go u dzieci z TD; co więcej, badania fMRI zadania Go/No-go u dzieci z TD konsekwentnie wykorzystywały FPC (Casey i in., 1997; Booth i in., 2003). Jako takie, stwierdzamy, że nasze obecne pomiary fNIRS solidnie wyodrębniły równoczesną aktywację dla hamowania odpowiedzi w lewym FPC u osób z grupy kontrolnej.

Aktywacja w PFC nie była obserwowana podczas okresu zadania go/no-go u osób z ADHD. Ponadto, dzieci z ADHD wykazywały zmniejszoną aktywację w lewym FPC w porównaniu z dziećmi z TD. Obecne badania dodatkowo potwierdzają, że dzieci z ADHD mają defekt funkcji hamowania. Co więcej, funkcja lewego FPC związana z wykonywaniem zadań go/no-go może być upośledzona u dzieci z ADHD.

Dysfunkcja lewego FPC u dzieci z ADHD w wykonywaniu zadań hamowania reakcji obserwowana za pomocą fNIRS jest zgodna z innymi badaniami, w których stosowano techniki obrazowania mózgu (Smith i wsp., 2006; Rubia i wsp., 2009; Cubillo i wsp., 2011). W badaniu Smith i wsp. (Smith i wsp., 2006), dzieci z TD i ADHD zostały poproszone o wykonanie zadania go/no-go; wyniki fMRI wskazały, że dzieci z ADHD wykazywały zmniejszoną aktywację w lewym FPC podczas zadania go/no-go. Cubillo i wsp. (2011) wykorzystali fMRI u dzieci z ADHD, które wykonywały zadania hamowania reakcji (zadanie z kulą dziwną); wyniki wykazały, że poziom aktywacji lewego FPC był obniżony. Rubia i wsp. (2009) również odnotowali indukowaną aktywację lewego FPC u dzieci z ADHD przy użyciu fMRI.

FPC jest największym przednim regionem w obrębie ludzkiej PFC (Roca i wsp., 2011) i jest związany z funkcjami poznawczymi wysokiego rzędu (Badre, 2008; Vincent i wsp., 2008; Lee i Kim, 2014). Kilku badaczy umieściło ten region mózgu na szczycie hierarchii przetwarzania czołowego (Badre i D’Esposito, 2007, 2009; Shimoda i in., 2014). Badania obrazowe wskazały, że hamowanie reakcji jest silnie zależne od PFC (Schmitz i in., 2006; Zang i in., 2006; Xiao i in., 2012). FPC odgrywa rolę w koordynacji i integracji grzbietowej bocznej kory przedczołowej i brzusznej bocznej kory przedczołowej (Shimoda i in., 2014). Jest to jedyny region PFC, który niemal wyłącznie łączy się z innymi obszarami supramodalnymi w obrębie PFC (Ramnani i Owen, 2004; Burgess i in., 2007). Ponadto, obszar FPC może kontrolować podtrzymywanie uwagi (Sturm i Willmes, 2001; Derosiere i in., 2014). Badacze zakładali, że obniżona aktywacja FPC podczas nieuszkodzonej sprawności hamowania może być związana z dochodzącymi procesami selektywnej uwagi i podejmowania decyzji (Rubia i in., 2003; Smith i in., 2006; Monden i in., 2012b). Ponadto, kilku badaczy uważało, że wysoki stosunek go/no-go może prowadzić do aktywacji podczas bloków no-go i jest związany raczej z selektywną uwagą niż z hamowaniem reakcji (Tamm i in., 2004; Dillo i in., 2010; Monden i in., 2012b). Dla kontrastu, stosunek go/no-go wynoszący 50% został wybrany, ponieważ jest on powszechnie stosowany w badaniach neuroobrazowych (Tamm i in., 2004; Dillo i in., 2010; Monden i in., 2012b).

Badanie fNIRS również dodało kolejne dowody dotyczące zaangażowania lewej PFC podczas zadań go/no-go. W badaniu Fangyue, dzieci z ADHD wykazywały słabszą aktywację i upośledzone funkcje poznawcze w lewej PFC niż dzieci z TD (Fang et al., 2010). Co więcej, ostatnie badanie fNIRS wykazało zmniejszoną aktywację przedczołową u dzieci z ADHD w porównaniu z normalnymi osobami z grupy kontrolnej podczas warunku go/no-go (aczkolwiek nie odnotowano lateralizacji; Inoue i in., 2012). Ponadto w kilku badaniach fNIRS zaobserwowano, że dzieci z ADHD wykazywały zmniejszoną aktywację podczas zadania go/no-go w regionie prawej środkowej kory czołowej (MFC)/przyśrodkowej kory czołowej (IFC) (Monden i in., 2012a). Dlatego też różnice między badaniami w konstrukcji zadania go/no-go i warunkach kontrastu mogą wyjaśniać różnice w lateralności lub dokładnej lokalizacji (Rubia i in., 2001). Dane te ilustrują, że technika fNIRS może być stosowana do badania hemodynamiki mózgowej w ADHD podczas zadań hamowania odpowiedzi.

Limitations

This study has several limitations, which include a small sample size and fNIRS measurement. Wielkość próby w obecnym badaniu jest raczej niewielka, co ogranicza naszą zdolność do wykrywania subtelnych różnic między grupami. Dlatego przyszłe badania muszą mieć dużą liczebność próby, aby potwierdzić nasze wnioski. Biorąc pod uwagę, że system fNIRS mógł objąć tylko PFC, nie badaliśmy żadnych innych obszarów korowych, poza PFC. Co więcej, fNIRS nie może wykryć aktywności głębokich struktur podkorowych, do których światło bliskiej podczerwieni nie dociera. Dlatego też w dalszych badaniach należy uwzględnić szerszy zakres kory mózgowej. Co więcej, technika ta musi być połączona z innymi metodami obrazowania w celu zbadania zależności między aktywnością PFC a reakcjami na bodźce.

Wnioski

W tym badaniu monitorowaliśmy aktywację kory przedczołowej za pomocą fNIRS u dzieci z ADHD i dzieci z TD, które wykonywały zadanie go/no-go (zadanie hamowania odpowiedzi). Uzyskaliśmy następujące wyniki: Po pierwsze, ogniska aktywacji (lewy FPC) były aktywowane tylko u dzieci z TD, które wykonywały zadanie go/no-go. Po drugie, w porównaniu z osobami z grupy kontrolnej, dzieci z ADHD wykazywały zmniejszoną aktywację mózgu w lewej FPC podczas bloków zadania go/no-go. W związku z tym aktywacja lewej PFC może być obiektywnym biomarkerem neurofunkcjonalnym pozwalającym na odróżnienie dzieci z ADHD od dzieci z TD. Badanie oparte na fNIRS, wspomagające diagnozę ADHD, jest możliwe do zastosowania u dzieci w wieku szkoły podstawowej, w tym już w wieku 6 lat. Therefore, fNIRS-based examination is a promising clinical tool for early diagnosis of patients with ADHD.

Ethics Statement

This study was carried out in accordance with the recommendations of the Ethics Committee of Capital Institute of Pediatrics with written informed consent from all subjects. Wszyscy badani wyrazili pisemną świadomą zgodę zgodnie z Deklaracją Helsińską. Protokół został zatwierdzony przez Komitet Etyczny Stołecznego Instytutu Pediatrii.

Wkład autorów

SM: Projekt eksperymentu, zbieranie danych, pisanie pracy. JH i YG: Pisanie zadań testowych, przetwarzanie danych. XW, WS, DL i ZL: Zbieranie danych. JY i XL: Opracowanie eksperymentu, Zarządzanie realizacją projektu.

Oświadczenie o konflikcie interesów

Autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek komercyjnych lub finansowych powiązań, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Podziękowania

Badania te były wspierane przez granty z National Key Research and Development Program of China (Grant nos. 2016YFC1306203 i 2016YFC1306204) oraz Beijing Municipal Science and Technology Commission (No. Z161100000116043).

.