Eye-Tracking de control para evaluar las funciones cognitivas en pacientes con esclerosis lateral amiotrófica

Resumen

Cognitive deficits are common in about one third of patients with amyotrophic lateral sclerosis, a neurological condition leading to progressive impairments in speech and movement abilities. To conduct cognitive tests in patients unable to speak or write a reliable and easy to administer eye-tracking paradigm was developed.

Resumen

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder with pathological involvement of upper and lower motoneurons, subsequently leading to progressive loss of motor and speech abilities. In addition, cognitive functions are impaired in a subset of patients. To evaluate these potential deficits in severely physically impaired ALS patients, eye-tracking is a promising means to conduct cognitive tests. The present article focuses on how eye movements, an indirect means of communication for physically disabled patients, can be utilized to allow for detailed neuropsychological assessment. The requirements, in terms of oculomotor parameters that have to be met for sufficient eye-tracking in ALS patients are presented. The properties of stimuli, including type of neuropsychological tests and style of presentation, best suited to successfully assess cognitive functioning, are also described. Furthermore, recommendations regarding procedural requirements are provided. Overall, this methodology provides a reliable, easy to administer and fast approach for assessing cognitive deficits in patients who are unable to speak or write such as patients with severe ALS. The only confounding factor might be deficits in voluntary eye movement control in a subset of ALS patients.

Introducción

La esclerosis lateral amiotrófica (ELA) es un trastorno neurodegenerativo fatal por lo general conduce a la muerte a menos de 3 a 5 años. En el curso de la patología, los pacientes presentan pérdida progresiva de las vías respiratorias y funcionamiento bulbar, así como deficiencias en la capacidad de movimiento ^1. Se comparte algunas de las características clínicas, patológicas y genéticas con demencia frontotemporal ² y está bien documentado que alrededor del 30% de los pacientes de ELA muestran déficits cognitivos ^3. Estos déficits son más prominentes en los dominios de la función ejecutiva, fluidez verbal y el lenguaje ⁴ y tener una influencia en ^la supervivencia a ^{5, 6} y cumplimiento cuidador carga ^7. Por lo tanto, la evaluación neuropsicológica fiable es crucial en esta enfermedad.

Avanzando impedimentos en el habla y las habilidades motoras son, sin embargo, un factor limitante para la evaluación completa de las capacidades cognitivas en etapas posteriores de la enfermedad ^8. Sue, los enfoques basados oculomotores parece ser muy prometedor, ya que el control básico del movimiento del ojo permanece intacto durante mucho tiempo comparativamente durante el curso de ALS para la mayoría de los pacientes ^9. Sí mismo parámetros de seguimiento ocular se han utilizado para obtener información sobre el estado cognitivo de los pacientes con ALS ¹⁰ y también se correlacionan con el patrón de difusión secuencial de ALS ^11. Movimiento de los ojos como un medio para controlar las pruebas cognitivas en el contexto de la ELA también se ha estudiado en trabajos anteriores. Un estudio ha demostrado con éxito su facilidad de uso en los controles sanos utilizando una versión basada oculomotor del Trail-Making Test ^12, mientras ^que otro encontró que es adecuado para distinguir entre controles sanos y pacientes con ELA basado en el rendimiento cognitivo y de discriminar entre pacientes cognitivamente más y menos deteriorados ^13.

La investigación descrita aquí utiliza una metodología basada en el motor ocular común para estudiar los deterioros cognitivos en ALS pacientes, específicamente en el dominio de la función ejecutiva. Dos pruebas neuropsicológicas bien validados y comúnmente utilizados se adaptaron al control del movimiento ocular: matrices de Raven colores progresivos (CPM) ¹⁴ y la prueba ^D2-15. El CPM es un instrumento no verbal utilizado para medir las habilidades visuoespaciales y ejecutivas, así como la inteligencia fluida. El D2-prueba es también una herramienta no verbal utilizado para descubrir la disfunción ejecutiva en el área de la atención selectiva y sostenida y velocidad de procesamiento visual. Ambos se usan ampliamente herramientas clínicas que se han empleado con éxito en los estudios anteriores evaluar el potencial deterioro cognitivo durante el curso de la enfermedad ¹⁶ y el estado neuropsicológico de pacientes con ELA en comparación con los controles sanos ^17.

El objetivo de este trabajo es mostrar los requisitos para la evaluación satisfactoria de los déficits cognitivos en la ELA independiente del movimiento y el habla discapacidad utilizando un reliable versión, basada en el seguimiento ocular de la CPM y la prueba D2. Es importante destacar que el método descrito aquí tiene el potencial de ser ampliado para estudiar otras poblaciones de pacientes con deficiencias motoras severas.

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Protocolo

El estudio fue aprobado por el Comité de Ética de la Universidad de Ulm (Declaración Nº 19/12) y el protocolo descrito por lo tanto, sigue sus directrices. Todos los participantes dieron su consentimiento informado por escrito.

1. Los estímulos y el entorno de pruebas

1. Para mantener al mínimo las distracciones realizar la investigación en un lugar oscuro o en una habitación con luz tenue y tranquilo.
2. Utilice un dispositivo de seguimiento ocular adecuada.
   NOTA: Hay una amplia variedad de dispositivos disponibles para llevar a cabo estudios de movimiento de los ojos. En la presente investigación se utilizó un dispositivo de grabación portátil de movimiento de los ojos con gafas, que miden de forma sincrónica posiciones oculares binoculares, utilizando dos cámaras integradas con un diodo emisor de luz infrarroja (IR LED), una para cada ojo ^18.
   1. Para asegurar la óptima de seguimiento ocular, ajustar las cámaras de forma manual por la inclinación en los 6 grados de libertad (3 de traslación, de rotación 3) hasta la detección del movimiento del ojo es óptima.
      NOTA:Las mediciones del sistema se visualizan en tiempo real en la pantalla de un experimentador para controlar la calidad de grabación y comportamiento de respuesta de los participantes. Las características principales del sistema se describen a continuación y especificaciones detalladas se dan en la Tabla 1.
3. Implementar un paradigma de prueba estandarizada motor ocular común, que es capaz de detectar deficiencias en el control del movimiento ocular.
   NOTA: Esto puede ser una serie de tareas como tareas de persecución lisas o sacadas, en el que los participantes con deterioro de control del movimiento ocular realizan mal (por ejemplo, los métodos descritos por Gargantas et al 2015). ^11. Estos participantes tienen que ser excluidos de realizar más pruebas.
4. Tareas actuales que utilizan el software apropiado que proyecta los estímulos en una pantalla de hemi-cilíndrica a través de un proyector montado encima de la cabeza ¹¹ del sujeto. Además, asegúrese de que un punto rojo del láser (diámetro: 0,3 °, la posición: 10 ° vertical) está presente para el D2prueba.
5. Sentar a los participantes en una silla elevada con una mentonera ajustable, por lo que la distancia de ojo a la pantalla es de aproximadamente 150 cm.
6. Usar el set A y B de la RPC (12 estímulos para cada conjunto) para la primera parte del experimento. Mostrar dichos estímulos como 22 ° / 15 ° largas altos matrices con seis posibles alternativas descritas a continuación, que podrían encajar en un gran espacio en blanco 6 ° de ancho y 5 ° cortado de la matriz.
7. Para el D2-test, utilizar los cinco bloques con 47 estímulos, correspondiente a la línea 2-6 de la norma D2-test ^15, y ellos representar un estímulo tras otro en el centro de la pantalla con una altura de 11 ° y una anchura de 2,5 °. Asegúrese de que cada estímulo tiene una duración de 2,000 ms.

2. Ejecución del experimento

1. Antes del comienzo del experimento, pida a los participantes que llenar un formulario de consentimiento informado por escrito para asegurar que el estudio es de conformidad con las normas éticas.
2. Dar instrucciones generalessobre el objetivo y el procedimiento del experimento y el control de las drogas activas sobre el SNC, es decir, pedir al participante si él / ella está tomando algún medicamento que afecta el estado de alerta y el rendimiento cognitivo, por lo tanto.
3. Apague todos los dispositivos que podrían ser una perturbación potencial, como los teléfonos móviles o buscapersonas.
4. participantes asiento cómodamente con la mentonera en la posición óptima. Asegúrese de que toda la pantalla es visible y pedir al participante para mantener la postura durante todo el experimento.
5. Pida a los participantes a poner su cabeza en la mentonera y colocar las gafas videooculography en su cabeza. Ajustarlos al tamaño de la cabeza / forma individual.
   NOTA: De este modo, se debe hacer el mejor compromiso posible entre la comodidad para el participante y el mínimo riesgo de deslizamiento no deseado durante la medición.
6. Asegúrese de que los dos ojos son visibles en la pantalla del experimentador, donde las imágenes de las dos cámaras de grabación de movimiento de los ojos dentro de la goggles se muestran a continuación, se enfocan las cámaras para centrar las imágenes en la pantalla.
   NOTA: Esto es importante para la detección y el seguimiento de la pupila óptimo como una agudeza inadecuada puede dar lugar a una señal perturbada.
7. Para asegurar una grabación continua de los movimientos oculares en todo momento, iniciar la calibración del sistema instruyendo al participante que mirar en cada esquina de la pantalla semicilíndrica. En caso de que se pierde la señal, cambiar el ángulo de la cámara de seguimiento de la pupila respectiva del ojo para resolver el problema.
8. Iniciar el paradigma de pruebas de motor ocular común armonizado que se describe arriba y excluir todos los pacientes con deficiencias visuales sustanciales ya que causarán que la ejecución de tareas dañado.
9. Instruir al participante para realizar un seguimiento de un solo punto en la pantalla, hacer oscilar horizontalmente (± 20 °) y luego verticalmente (± 15 °) con una frecuencia de 0.125 Hz a asignar los datos no calibrados ortogonalizados "en bruto" desde el dispositivo de grabación de movimiento ocular won respecto a la posición de los ojos "verdadero" ortogonalizado para la calibración del sistema.
10. Compruebe si la calibración es aceptable, es decir, si el "verdadero" movimiento de los ojos y los datos "en bruto" son espacial y temporalmente sincronizados y luego instruir al participante para no mover la cabeza ya que esto podría dar lugar a mala calidad de los datos.
    NOTA: Posición del dispositivo videooculography y el sujeto se espera que sea estacionario durante el transcurso del experimento, por lo que no hay necesidad de re-calibración.
11. Explicará el procedimiento de la sesión de entrenamiento para el CPM:
    1. Instruir a los sujetos para identificar las piezas que faltan por debajo de los próximos matrices que aparecen en la pantalla semicilíndrica para los que tienen un tiempo infinito. Después de hacer una elección, tiene el tema cerrar sus ojos durante al menos 250 ms para empezar un marco verde detalle todas las posibles alternativas de piezas que faltan para 1.500 ms cada uno.
    2. Haga que el participante elijala alternativa que creen que es correcto al cerrar sus ojos durante al menos 250 ms, mientras que su elección se quedar enmarcadas.
    3. Proyectar la elección por separado en la pantalla semicilíndrica. Pregunte a los participantes para confirmar. Si el participante confirma, instruirlos a cerrar sus ojos de nuevo durante al menos 250 ms.
    4. Instruir a los participantes que el siguiente estímulo (matriz con 6 alternativas de piezas que faltan) será automáticamente (de nuevo, presentados por el software que se describe en el paso 2) aparecerán y que esto se llevará a cabo cuatro veces con estímulos de entrenamiento tomados del conjunto AB del CPM ¹⁴ .
12. Responder a cualquier pregunta sujetos podrían tener al respecto. Entonces, instruir a los participantes a elegir la pieza que falta de la matriz, ya que han aprendido durante la sesión de entrenamiento e iniciar el CPM (Figura 1).
13. Explicará el procedimiento de la sesión de entrenamiento para el D2-test:
    1. Instruir a los participantes para dirigir su mirada hacia el center de la pantalla y observar 47 estímulos por separado (47 d's que corresponde a la línea 1 del D2-prueba estándar).
    2. Instruir a los participantes a mirar el punto rojo del láser situado por encima de los estímulos cada vez que se presenta una "d" con dos guiones hasta que aparezca el siguiente estímulo. NOTA: Si no se presenta el estímulo objetivo mirada tiene que estar centrado en el centro de la pantalla en la que se presentará el siguiente estímulo.
14. Responder a cualquier pregunta sujetos podrían tener al respecto. A continuación, dar instrucciones al participante para proceder a los siguientes cinco bloques de 47 estímulos, similar a la sesión de entrenamiento e iniciar el D2-prueba.
15. Para el control de calidad, inspeccionar los datos obtenidos de cada sesión para cada tema con cuidado (visualmente por un experimentador entrenado). Compruebe si está dañado calidad de los datos, por ejemplo debido a dificultades técnicas, movimientos oculares dañados o malentendidos.
16. Gracias sujetos por su participación y responder a todas las preguntasdurante el experimento.

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Resultados

Para el propósito de la investigación que aquí se presenta, es decir, el desarrollo de un motor ocular común fiable de evaluación neuropsicológica de pacientes con ELA, de desarrollo propio software almacena las opciones del sujeto de la CPM en un archivo separado, lo que permite el cálculo manual de la porcentaje de correcta basada respuestas. Para el D2-test, un registro de los movimientos oculares verticales se analiza de forma manual utilizando un umbral de + 5 ° par...

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Discusión

Es una tarea difícil de evaluar correctamente el estado cognitivo de los pacientes con ELA que no son capaces de hablar y escribir. El uso de sistemas videooculography proporciona un enfoque prometedor. La técnica aquí presentada es fiable en la detección de déficits cognitivos, que desempeñan un papel fundamental en el contexto de la carga para el cuidador y la enfermedad de gestión ²⁰ en pacientes con ELA. Además, las versiones oculomotores de la CMF y la prueba D2 se correlacionan significativament...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
EyeSeeCam	EyeSeeTec GmbH; 82256 Fürstenfeldbruck, Germany		Videooculography device