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最近,商用可穿戴技术的激增已经允许实时自我监测行为(如身体活动)和生理(如葡萄糖水平)。然而,神经成像工作(如功能性磁共振成像[fMRI])有限,以确定人们的大脑如何对接收这种个性化的健康反馈做出反应,以及这如何影响后续行为。
识别大脑被激活的区域,并检查激活和行为之间的联系。
这是一项初步研究,评估33名成年人(30至60岁)14天内的身体活动、久坐时间和葡萄糖水平。提取的加速度测量、倾斜度测量和间质葡萄糖数据为个性化反馈信息的构建提供了依据(例如,每天的平均步数)。这些信息随后在功能磁共振成像中以视觉方式呈现给参与者。在收到个性化反馈后的8天内,再次评估参与者的身体活动水平和久坐时间。
独立测试发现,与行为反馈相比,前额叶皮层对葡萄糖反馈的反应有显著的激活(
与行为相比,呈现个性化的葡萄糖反馈会导致更明显的大脑激活。在随访中,参与者减少了久坐时间。关于行为反馈和生理反馈的研究值得进一步研究。
9%的过早死亡和7%的2型糖尿病病例是由缺乏体育活动或体育活动水平不足导致的[
在过去的十年中,可穿戴式活动监测器在消费市场中越来越受欢迎,可以帮助用户跟踪他们的运动行为(例如,活动分钟数、步数、行走距离、坐着的时间)[
神经成像技术有助于识别和确定认知、脑功能和行为之间的复杂关系[
功能磁共振成像可以提高我们对那些在接触刺激后改变行为的人和那些随后没有改变行为的人之间认知过程的差异的理解。
通过广告海报和电子邮件从英国的一所大学招募了33名参与者(57%为女性)。参与者年龄在30至60岁之间,没有与活动相关的肌肉骨骼问题,没有确诊的糖尿病,愿意并能够遵守研究方案,符合标准的fMRI安全标准(体内没有金属,没有幽闭恐怖症,没有怀孕),并且是右撇子。所有参与者都完成了一份身体活动准备问卷[
根据《赫尔辛基宣言》获得每位参与者的同意,所有实验程序均由拉夫堡大学伦理咨询委员会批准(R15-P142)。
数据收集于2016年6月至9月。研究设计介绍在
研究设计。
脱鞋脱袜后,使用MC 780 MA秤(Tanita)测量体重和体脂率。体重指数计算为体重(kg)除以身高(m)的平方(体重/身高)2).葡萄糖和血红蛋白A1 c(HbA1 c)分别使用Cholestech LDX系统和Afinion AS100分析仪(均为Alere公司)进行分析。受试者在采集毛细血管血样前禁食≥8小时。
将ActiGraph wGT3x-BT加速度计(ActiGraph LLC)佩戴在腰带上(右腋窝前线),客观地测量身体活动。参与者被要求佩戴经过验证的设备[
在基线和随访期间,将Lumo (Lumo Bodytech Inc)姿势传感器佩戴在与皮肤接触的腰带上(在腰骶区),以测量久坐行为(坐着、开车、躺着、站着、踩着的时间,以及从坐到站的转换次数)。设备是根据佩戴者进行校准的。参与者被要求只在清醒的时候佩戴该设备,在进行任何水上活动(如淋浴或洗澡)时将其取下,并每天整夜处于充电状态。研究发现,与ActivPAL (PAL Technologies Ltd)相比,Lumo可以有效测量久坐行为,平均误差为9.5% [
Freestyle Libre闪光灯血糖监测仪(雅培实验室)通过插入上臂后部的微创5毫米柔性灯丝来测量间质葡萄糖水平。该传感器基于葡萄糖氧化酶过程,通过测量与葡萄糖浓度成比例的电流来工作。在传感器顶部应用Tegaderm透明薄膜敷料(3M Health Care)以保持其位置。参与者被告知不要移除传感器,并且至少每7小时扫描一次(这是一个保守的决定,因为制造商说8小时以避免数据丢失)。结果,参与者能够在基线佩戴期间看到自己的实时血糖水平。参与者浏览这些信息的次数(暴露水平)是由他们扫描的次数确定的。由于故障(传感器持续时间<14天)或参与者每8小时未扫描至少一次而导致数据丢失。此前,Freestyle Libre已与静脉采样进行了验证,总体平均绝对相对差值为11.4%,14天内准确度一致[
为了这项研究的目的,我们创建了20条个性化的反馈信息,涵盖了4个主题:MVPA、轻度体育活动、久坐行为和葡萄糖水平
刺激显示在扫描仪孔中心后2.8米的监视器上,并通过安装在头部线圈上的镜子进行观察。为参与者调整了镜子的位置,以确保可以看到完整的监视器屏幕。我们检查了参与者的神经活动,同时向参与者提供反馈,并要求他们在整个过程中保持注意力。在fMRI任务开始之前,有一段40秒的虚拟扫描,这些扫描立即被丢弃。功能磁共振成像任务概述在
个性化的反馈刺激。
试验设置包括24个区块中的8个。
脑成像数据是在英国拉夫堡大学国家运动和运动医学中心使用32通道头部线圈的3T Discovery MR750w扫描仪(通用电气)上获得的。结构图像(t1 -加权)使用快速破坏梯度回波(FSPGR) Bravo序列(3D体积,FSPGR;TR = 8.2毫秒;TE = 3.1毫秒;矩阵大小240×240;160个矢状切片;FOV = 240毫米;厚1毫米)。在任务期间进行了一次持续16分钟(480卷)的功能扫描(2D梯度回波EPI;TR = 2000毫秒; TE=30 ms; flip angle=75 degrees; matrix size 64×64; 35 axial slices; FOV=205 mm; 3 mm thick). Stimulus presentation and synchronization to scanner acquisition were performed using Presentation version 18.1 (Neurobehavioral Systems Inc).
使用统计参数映射(SPM12, Wellcome认知神经内科)对功能数据进行预处理和分析。所有报告的数据均来自平动≤3mm的扫描。数据处理采用标准的统计参数映射方法,包括扫描重新对齐、共配准、分割、归一化和平滑。使用四度b样条插值将数据空间对齐到第一个功能图像。然后对扫描进行共配准(将平均功能图像与T1对齐,然后将参数应用于所有功能图像)。功能图像归一化到蒙特利尔神经学研究所(MNI)标准立体定向空间,参数应用于所有功能图像。最后采用全宽半最大值为8 mm的高斯核进行平滑,以提高信噪比。根据协议中描述的块设计,对每个感兴趣的条件的开始和持续时间进行建模。对于每个参与者,使用通用线性模型(GLM)估计大脑激活,并将运动参数(3次平移,3次旋转)和会话常数作为回归量。所有回归因子均与SPM12血流动力学响应函数的标准差进行卷积。 Data were high-pass filtered with a cut off of 128 seconds to remove low-frequency noise and slow drifts in the signal. Family-wise error (FWE) correction was used to correct for multiple comparisons at
为每个任务构建的二级随机效应模型在参与者之间平均,并受到进一步的兴趣区域(ROI)和组间分析(如下所述)。对每种对比进行探索性全脑搜索,阈值设置为
为了检查人口统计和自我报告数据,我们使用SPSS 22.0版(IBM Corp)进行了描述性分析。两组
通过fMRI数据分析,提取每个参与者对应于每个显著激活区域的参数估计值。线性回归提供了来自重要感兴趣区域的参数估计值与随访时的后续行为(即在MVPA中花费的时间、轻度体育活动和久坐)之间的部分相关系数,并控制了佩戴时间。在每个ROI的单独模型中检查了行为变化和ROI活动之间的关系,并通过加速度测量和倾角测量数据重复分析以评估行为。
通过研究的个人流程图和研究样本的特点,在
每个研究阶段的个体流程图。
样本特征。
特征 | 整个样本(n=28) | |
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年龄(年),平均值(SD) | 44.2 (9.5) |
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男,% | 42.9 |
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重量(kg),平均值(SD) | 75.2 (15.3) |
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体重指数(kg/m2),平均值(SD) | 25.2 (4.3) |
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体脂(%),平均值(SD) | 26.7 (9.3) |
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HbA1 c一个(%),平均值(SD) | 5.4 (0.4) |
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葡萄糖(mmol/L),平均值(SD) | 5.0 (0.6) |
一个HbA1 c:血红蛋白A1 c.
28名参与者(43%为男性)的平均年龄为44.2岁(SD 9.5岁)(范围为30至59岁)。3人(11%)完成了中学教育,5人(18%)完成了一些额外的培训,20人(71%)获得了学士学位或更高学位。25人(89%)是白人,2人(7%)是中国人,1人(4%)是亚洲人或亚裔英国人。男性明显更高(178.7厘米对167.5厘米),体脂率较低(18.8%对32.6%),扫描Freestyle Libre的频率更高(每天9.5次对5.7次)。
首先,我们用固定交叉对4个主题进行对比。对最初的兴趣对比做出反应而显著激活的大脑区域表现在
然后,我们继续进行主要分析,将主题之间进行对比。被确定为显著激活的大脑区域显示在
平均对比差异(阈值为
地区 | MNI一个坐标 | ||||||||||||||||
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哼哼b | x | y | z | 体素 | Z | t |
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枕中回 | l | -38年 | -74年 | -14年 | 178 | 6.29 | 9.99 | <措施 | ||||||||
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舌回 | l | -14年 | -94年 | -10年 | - - - - - - | 6.25 | 9.89 | <措施 | ||||||||
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枕下回 | l | -22年 | -90年 | -14年 | - - - - - - | 6.21 | 9.76 | <措施 | ||||||||
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Subgyral | R | 36 | -62年 | -16年 | 11 | 6.06 | 9.29 | <措施 | ||||||||
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梭状回 | l | -36年 | -54年 | -16年 | 9 | 5.97 | 9.03 | <措施 | ||||||||
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Subgyral | R | 34 | -84年 | 6 | 93 | 5.95 | 8.97 | <措施 | ||||||||
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舌回 | R | 24 | -92年 | -10年 | - - - - - - | 5.86 | 8.74 | <措施 | ||||||||
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舌回 | R | 16 | -90年 | 8 | - - - - - - | 5.63 | 8.11 | 措施 | ||||||||
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枕下回 | R | 44 | -76年 | -12年 | 2 | 5.62 | 8.09 | 措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 30. | -88年 | 4 | 1 | 5.57 | 7.97 | 措施 | ||||||||
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楔片 | l | -16年 | -96年 | 2 | 101 | 6.47 | 10.61 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | l | -32年 | -84年 | -14年 | 119 | 6.23 | 9.80 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | l | -38年 | -72年 | -14年 | - - - - - - | 6.05 | 9.28 | <措施 | ||||||||
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Subgyral | R | 34 | -84年 | 6 | 83 | 6.05 | 9.26 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 30. | -84年 | -14年 | - - - - - - | 5.68 | 8.24 | 措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 46 | -76年 | -10年 | 23 | 6.01 | 9.14 | <措施 | ||||||||
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Subgyral | R | 36 | -62年 | -16年 | 23 | 5.90 | 8.83 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 28 | -98年 | 6 | 19 | 5.77 | 8.48 | <措施 | ||||||||
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梭状回 | l | -36年 | -54年 | -16年 | 3. | 5.77 | 8.47 | <措施 | ||||||||
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梭状回 | l | -34年 | -50年 | -18年 | 2 | 5.70 | 8.30 | <措施 | ||||||||
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额下回 | l | -54年 | 18 | 20. | 4 | 5.69 | 8.27 | <措施 | ||||||||
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舌回 | R | 16 | -90年 | -10年 | 10 | 5.65 | 8.18 | 措施 | ||||||||
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枕中回 | l | -36年 | -72年 | -16年 | 19 | 5.99 | 9.11 | <措施 | ||||||||
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枕下回 | l | -38年 | -82年 | -10年 | 46 | 5.95 | 8.98 | <措施 | ||||||||
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Subgyral | l | -20年 | -94年 | 6 | 36 | 5.87 | 8.77 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 36 | -84年 | 4 | 4 | 5.78 | 8.50 | <措施 | ||||||||
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额下回 | l | -48年 | 14 | 22 | 3. | 5.65 | 8.16 | 措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 48 | -76年 | -10年 | 3. | 5.59 | 8.02 | 措施 | ||||||||
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Subgyral | R | 28 | -88年 | 6 | 1 | 5.57 | 7.97 | 措施 | ||||||||
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楔片 | l | -16年 | -96年 | 6 | 218 | 6.69 | 11.38 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | l | -36年 | -74年 | -16年 | - - - - - - | 6.13 | 9.50 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | l | -20年 | -90年 | -14年 | - - - - - - | 5.90 | 8.83 | <措施 | ||||||||
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Subgyral | R | 36 | -62年 | -16年 | 13 | 5.99 | 9.10 | <措施 | ||||||||
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舌旋转的 | R | 14 | -90年 | 8 | 28 | 5.97 | 9.05 | <措施 | ||||||||
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Subgyral | R | 28 | -84年 | 6 | 56 | 5.88 | 8.78 | <措施 | ||||||||
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额中回 | l | -40年 | 10 | 30. | 6 | 5.69 | 8.27 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 44 | -76年 | -14年 | 1 | 5.60 | 8.05 | 措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 30. | -84年 | -14年 | 2 | 5.58 | 8.00 | 措施 | ||||||||
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枕中回 | l | -38年 | -72年 | -16年 | 272 | 6.44 | 10.49 | <措施 | ||||||||
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楔片 | l | -16年 | -96年 | 6 | - - - - - - | 6.33 | 10.12 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | l | -32年 | -84年 | -14年 | - - - - - - | 6.07 | 9.33 | <措施 | ||||||||
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Subgyral | R | 36 | -62年 | -16年 | 27 | 6.16 | 9.61 | <措施 | ||||||||
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Subgyral | R | 34 | -84年 | 6 | 135 | 6.14 | 9.53 | <措施 | ||||||||
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舌旋转的 | R | 22 | -92年 | -10年 | - - - - - - | 5.85 | 8.69 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 30. | -84年 | -14年 | - - - - - - | 5.75 | 8.42 | <措施 | ||||||||
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上顶叶 | l | -32年 | -62年 | 58 | 5 | 6.06 | 9.28 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 46 | -76年 | -12年 | 24 | 5.96 | 9.00 | <措施 | ||||||||
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枕中回 | R | 48 | -66年 | -14年 | - - - - - - | 5.88 | 8.79 | <措施 | ||||||||
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梭状回 | l | -36年 | -54年 | -16年 | 8 | 5.95 | 8.98 | <措施 | ||||||||
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额中回 | l | -52年 | 26 | 26 | 9 | 5.73 | 8.38 | <措施 | ||||||||
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丘脑 | R | 22 | -28年 | 2 | 2 | 5.69 | 8.27 | 措施 |
一个蒙特利尔神经学研究所。
b哼哼:半球。
cFWE:家庭智慧的错误。
dMVPA:中等到剧烈的体育活动。
控制年龄、性别和平均每日葡萄糖扫描次数(阈值为
地区 | MNI一个坐标 | ||||||||
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哼哼b | x | y | z | 体素 | Z | t |
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中间frontalgyrus | l | -32年 | 36 | -12年 | 25 | 5.60 | 8.17 | <措施 |
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Subgyral | l | -26年 | 48 | 4 | 16 | 5.33 | 7.48 | <措施 |
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楔片 | l | 2 | -80年 | 4 | 34 | 5.05 | 6.85 | <措施 |
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额中回 | l | -32年 | 36 | -12年 | 8 | 4.95 | 6.63 | <措施 |
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额中回 | l | -20年 | 34 | 42 | 11 | 4.94 | 6.61 | <措施 |
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额上回 | l | -26年 | 50 | 4 | 3. | 4.79 | 6.29 | <措施 |
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Subgyral | R | 28 | -52年 | 24 | 1 | 4.66 | 6.04 | <措施 |
一个蒙特利尔神经学研究所。
b哼哼:半球。
cFWE:家庭智慧的错误。
在MNI坐标(a) -32, 36, -12和(b) -26, 48, 4处,对比葡萄糖>行为的组水平显著激活模式。
从加速度测量法和倾角测量法得到的行为特征。
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个加速器一个,平均值(SD) | 测斜b,平均值(SD) | ||||
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基线 | 后续 |
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基线 | 后续 |
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有效天数 | 7.0 (0.0) | 7.0 (1.0) | - - - - - - | 4.2 (2.1) | 5.5 (1.7) | - - - - - - |
穿的时间 | 903.5 (67.7) | 868.2 (70.4) |
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924.3 (61.9) | 884.0 (61.6) | 措施 |
步数 | 9065.2 (3456.2) | 9634.0 (3699.3) | - - - - - - | 8660.9 (2995.7) | 9580.3 (4326.0) | - - - - - - |
每分钟计数 | 194.0 (82.0 | 410.0 | <措施 | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - |
久坐不动的(最小值) | 589.0 (84.7) | 560.0 (75.6) | .014 | 602.2 (91.1) | 554.5 (89.4) | 措施 |
光PAc(分钟) | 265.0 (69.0) | 254.2 (71.1) | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - |
中度(分钟) | 45.8 (31.0) | 50.7 (33.2) | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - |
活力(分钟) | 3.6 (6.6) | 3.2 (6.2) | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - |
MVPAd(分钟) | 49.4 (34.2) | 53.9 (35.5) | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - |
LVPAe(分钟) | 314.4 (66.4) | 308.1 (72.1) | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - |
步进(分钟) | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - | 93.5 (26.7) | 103.2 (44.1) | - - - - - - |
站(分钟) | - - - - - - | - - - - - - | - - - - - - | 228.5 (98.5) | 226.5 (67.8) | - - - - - - |
一个≥4天有效,n=28(100%符合≥600分钟加速度计磨损)。
b≥1天有效,n=23,(100%符合≥600分钟的测斜磨损)。
c体育活动。
dMVPA:中等到剧烈的体育活动。
eLVPA:轻度到剧烈的身体活动。
通过加速度测量和倾斜测量得到的行为特征
为了研究大脑激活和后续行为之间的关系,计算了神经激活模式的参数估计。其中,只有葡萄糖反馈与随后几分钟的MVPA (
最近的神经成像工作强调了分析个人对与生活方式行为相关的反馈的反应的价值[
通过比较个性化葡萄糖反馈和行为反馈,我们的研究结果确定了前额叶皮层区域的激活,特别是额中回、次回、楔状回和额上回。之前的研究也发现,在接触禁烟图像后,前额叶皮层内的某些区域会出现变化。
调查个人如何回应个性化的健康相关反馈是这项研究的一个重要组成部分,因为有充分的证据表明,接受量身定制的反馈可以产生更大的共鸣,从而导致理想的健康行为[
我们的研究发现,从基线到随访,久坐时间显著减少了29分钟(或者用测斜法减少了47分钟)。之前的研究结果也支持这一发现,每天久坐的时间减少了39.6分钟。
关于激活与随访期间的后续行为之间的关系,研究结果发现与MVPA的分钟数呈正相关。先前的研究调查了fMRI后的行为变化,并证明了神经反应(例如,对厌恶吸烟相关图像的反应)与戒烟之间的正相关[
定位在一些不断发展的兴趣领域的交集,这个跨学科的研究提供了一些优势。一个优点是向参与者提供有关运动行为和生理的个性化反馈。在基线和随访期间,使用新型自我监测技术客观测量这些成分,获取数据直接告知反馈。此外,fMRI任务中呈现的信息是基于通常通过可穿戴设备或智能手机应用程序呈现的反馈而设计的,反映了在现实世界中可以实时接收到的信息。客观量化的行为随访允许评估暴露后的行为和神经激活与行为之间的联系。
我们研究的局限性包括参与者在基线佩戴期间查看他们的血糖水平,这是一种不可避免的情况,目的是尽量减少数据丢失。该方案证实了参与者事先暴露于随后在功能磁共振成像中呈现的葡萄糖相关反馈。然而,为了帮助尝试和解释这一点,分析将扫描次数作为协变量,因为我们认为扫描次数表明了参与者查看他们葡萄糖水平的频率(例如,扫描次数越多,就意味着接触的次数越多,因此对他们的葡萄糖水平的认识就越强)。此外,缺乏行为改变可能归因于我们招募的样本(即,受过良好教育且相对健康),因此他们可以被描述为高度积极的观众,他们可能不认为自己的行为需要改进。此外,我们的无动力样本量是另一个限制,因为我们无法对研究结果提供明确的解释。此外,由于活跃和不活跃的人数不同,我们无法在参与者组之间进行任何比较(例如,最活跃和最不活跃的人之间的大脑激活模式)。最后,由于反向推理的性质,应谨慎解释所观察到的神经活动模式和相关的心理过程[
这项多学科研究强调,功能磁共振成像可用于评估对个性化健康反馈的神经反应。特别是,与行为反馈相比,暴露在葡萄糖中前额叶皮层的激活更大。观察到久坐时间的减少以及参数估计值与随后的MVPA分钟数之间的负相关。未来的研究将行为反馈与生理反馈并行,以鼓励积极的行为改变。
协方差分析
每分钟计数
功能性磁共振成像
快速破坏梯度回波
family-wise错误
一般线性模型
糖化血红蛋白
半球
轻度到高强度的体育活动
任务代谢当量
蒙特利尔神经学研究所
内侧前额叶皮层
适度到剧烈的体育活动
国家运动和运动医学中心
国家健康研究所
感兴趣地区
统计参数映射
维克森林大学
作者感谢所有参与这项研究的参与者。作者也要感谢Julie Thompson(莱斯特大学医院高级放射技师,计算机断层扫描/MRI)的技术支持,以及Mark Orme博士(格伦菲尔德医院呼吸生物医学研究组运动与康复科学中心)和Ruth Trethewey博士(拉夫堡大学运动、运动和健康科学学院)在数据收集方面的帮助。这项工作得到了拉夫堡大学体育、运动和健康科学学院、国家体育和运动医学中心(NCSEM)以及国家健康研究所(NIHR)莱斯特生物医学研究中心的支持。所表达的观点是作者的观点,不一定是国家卫生服务,NIHR, NCSEM英格兰,卫生部或相关合作伙伴的观点。
没有宣布。