Характеристика отношения между параметрами движения глаз и когнитивными функциями у пациентов с болезнью Паркинсона с отслеживанием глаз

Резюме

Здесь мы представляем протокол для изучения взаимосвязи между параметрами движения глаз и когнитивными функциями у пациентов с болезнью Паркинсона. Эксперимент использовал трекер глаз для измерения саккадной амплитуды и длительности фиксации в задаче визуального поиска. Впоследствии была измерена корреляция с производительностью многодоменных когнитивных задач.

Аннотация

Когнитивные нарушения является распространенным явлением при болезни Паркинсона, которая имеет последствия для прогноза. Простое, неинвазивное и объективное измерение когнитивных функций при болезни Паркинсона будет полезно в выявлении раннего когнитивного спада. Как физиологическая метрика, параметр движения глаз не сбит с толку атрибутами и интеллектом субъекта и может функционировать как прокси-маркер, если он коррелирует с когнитивными функциями. С этой целью, это исследование исследовало связь между параметрами движения глаз и производительности в когнитивных тестов в нескольких областях. В эксперименте была создана задача визуального поиска с отслеживанием глаз, где испытуемым было предложено искать номер, встроенный в массив алфавитов, разбросанных случайным образом на экране компьютера. Дифференциация между числом и алфавитом является переученной задачей, так что смешанный эффект когнитивных способностей на параметры движения глаза сведен к минимуму. Средняя саккадическая амплитуда и длительность фиксации были захвачены и рассчитаны во время визуального поиска задачи. Аккумулятор когнитивной оценки охватывает области фронтально-исполнительных функций, внимания, вербальной и зрительной памяти. Было установлено, что длительная длительность фиксации была связана с более плохой производительности в вербальной беглости, зрительной и вербальной памяти, что позволяет дальнейшее исследование по использованию параметров движения глаз в качестве прокси-маркеров для когнитивных функций при болезни Паркинсона Пациентов. Экспериментальная парадигма была признана весьма терпимой в нашей группе пациентов с болезнью Паркинсона и может быть применена трансдиагностическо к другим организациям болезни для аналогичных вопросов исследования.

Введение

Болезнь Паркинсона является классически местью моторики; тем не менее, болезнь также связана с когнитивными дефицитами, и прогрессирование в деменции является общим¹. Патофизиология когнитивных нарушений при болезни Паркинсона не очень хорошо понимается. Считается, что это связано с альфа-синуклеина осаждения в корковой области на основе постановки Braak². Было также предложено, что двойной синдром дегенерации дофаминергической и холинергической системы приводит к различным когнитивным дефицитом с прогностическим истечением³. Необходимы дополнительные исследования для дальнейшего выяснение точных механизмов, участвующих в когнитивных нарушений при болезни Паркинсона. Что же в клиническом плане, наличие когнитивных нарушений оказывает значительное влияние на прогноз^4,5. Поэтому оценка когнитивных функций в клинической практике имеет важное значение. Однако длительная когнитивная оценка ограничена психическими и двигательными состояниями пациентов. Поэтому необходимо проделать неинвазивное и простое измерение, которое может отражать нагрузку болезни на когнитивные функции.

Аномалии движения глаз широко описаны обнаруживаемые признаки болезни Паркинсона с его ранних стадий^6,но патофизиология еще менее хорошо характеризуется, чем когнитивные нарушения. Поколение движения глаз через преобразование визуального сенсорного ввода, субобслуживается переплетенной корковой и подкорковой сети, в сигналы окуломоторных ядер в стволе мозга для^{эффекта 7}. Участие патологий болезни Паркинсона в этих сетях может привести к наблюдаемым нарушениям движения глаз. Существует, возможно, перекрытия нейроанатомических структур, которые регулируют контроль движения глаз и когнитивных функций. Кроме того, были исследования изучения взаимосвязи между саккадным движением глаз и когнитивных функций в других нейродегенеративных расстройств⁸. На таких основаниях, стоит изучить использование параметров движения глаз в качестве прокси-маркеркогнитивных функций при болезни Паркинсона. Одно поперечное исследование⁹ показало, что снижение саккадной амплитуды и более длительная длительность фиксации были связаны с тяжестью глобальных когнитивных нарушений при болезни Паркинсона. Однако, существует недостаток данных о корреляции между параметрами движения глаз и конкретных когнитивных областях. Значение и необходимость измерения конкретных когнитивных областей, а не общее когнитивное состояние, является то, что индивидуальный когнитивный домен информирует дифференциальной прогностической информации в болезни Паркинсона^3, и они подобслуживаются различных нейронных сетей. Целью данного исследования является изучение специфической взаимосвязи между метриками движения глаз и различными когнитивными функциями. Это первый шаг к созданию основы, на которой развитие биомаркеров когнитивных снижение болезни Паркинсона с использованием технологии слежения за глазами может быть построен.

Представленная экспериментальная парадигма состоит из 2 основных частей: когнитивной оценки и задачи отслеживания глаз. Аккумулятор когнитивной оценки включал в себя целый ряд когнитивных функций, включая внимание и рабочую память, исполнительную функцию, язык, вербальную память и visuospatial функции. Выбор этих 5 когнитивных областей основан на движении расстройство общества Целевая группа Руководящие принципы для мягкой когнитивных нарушений в болезни Паркинсона¹⁰, и набор локально доступных когнитивных тестов были выбраны для создания оценки Батареи. В предыдущем аналогичном исследовании отслеживания глаз на болезнь Паркинсона познания упомянутых⁹, автор извлек параметры движения глаз в то время как испытуемые были заняты в зрительных когнитивных задач, где параметры потенциально могут быть под влиянием когнитивные способности субъекта. Поскольку это исследование направлено на оценку корреляции между параметрами движения глаз и различными когнитивными областями, потенциальное запутанное влияние когнитивных способностей на параметры глаз должно быть решено. В этой связи, визуальный поиск задача, адаптированная из другого глаза отслеживания исследования болезни Альцгеймера¹¹, был использован для захвата параметров движения глаз субъектов. Во время выполнения задания испытуемым приходилось искать единый номер на экране компьютера среди нескольких отвлекающих алфавитов. Эта задача будет вызвать альтернативное использование саккадных движения глаз и визуальной фиксации, аномалии которых широко описаны в болезни Паркинсона. Идентификация и дифференциация числа и алфавита является переученной задачей, где спрос на когнитивные функции минимален и, следовательно, будет подходящим для ответа на исследовательский вопрос этого исследования. Компьютерная программа была разработана на основе спецификаций и дизайна, как указано в Рёслер и др.¹¹. в их первоначальном изучении, то, что будет работать в рамках встроенного программного обеспечения нашего трекера глаз. Для этого исследования был также разработан внутренний алгоритм классификации и анализа данных слежения за глазами.

протокол

Этот исследовательский проект был одобрен Объединенным китайским университетом Гонконга-Новых территорий Восточного кластера клинических исследований комитета по этике (CREC Ref. No. 2015.263).

1. Набор участников и базовая оценка

1. Набирать пациентов болезни Паркинсона в возрасте менее или равна 70 из неврологии специалист клиники с диагнозом, сделанным на основе болезни Общества болезни Паркинсона Соединенного Королевства (UKPDS) Мозг банк Диагностические критерии¹².
   1. Исключите испытуемых с психическими заболеваниями, офтальмологическими заболеваниями, которые могут нарушить движение глаз, или другими неврологическими расстройствами. Кроме того, исключить случаи использования антихолинергики, как они, как известно, влияют на когнитивные функции и движения глаз.
2. Набирать здоровый контроль на основе 1:1 в сочетании с полом, возрастом и образованием.
3. Получить информированное согласие субъекта.
4. Провести клиническое диагностическое интервью с субъектом и, при наличии, их родственников, чтобы исключить слабоумие и скрининг на когнитивные нарушения с мини-психического государственного обследования (MMSE)¹³ и Монреаль когнитивной оценки (MoCA)¹⁴. Исключите случаи деменции из исследования или если оценки субъекта либо MMSE или MoCA является lt;22/30.
5. Оцените остроту зрения с помощью диаграммы Snellen. Исключите предмет, если острота зрения меньше 20/40.
6. Оцените тяжесть мотора и постановку болезни Паркинсона с помощью Единой шкалы рейтинга болезни Паркинсона (UPDRS) Часть II и III¹⁵ и модифицированные Hoehn и Yahr (H и Y) Постановка¹⁶, соответственно. Кроме того, получить информацию о текущих лекарствах, принятых субъектом.
7. Оцените депрессивное состояние настроения Бек Депрессия инвентаризации-II (BDI-II)¹⁷.

2. Экспериментальная настройка

1. Проведите эксперимент в тихой комнате с адекватным источником света.
2. Проведите эксперимент для субъектов болезни Паркинсона, когда они находятся на лекарства с оптимальной двигательной функции.
3. Подготовьте настройку, которая состоит из экранного трекера глаз, компьютера, мыши, стандартной клавиатуры, подбородка и когнитивных инструментовоценки (Таблица материалов).
4. Используйте трекер глаз с частотой отбора проб не менее 300 Гц.
5. Поместите подбородок отдыха 60 см перед экраном глаз трекера.

3. Поток когнитивной оценки и задачи визуального поиска

1. Провести китайский категориальный вербальный тест на беглость¹⁸. Проинструктируйте тему, чтобы назвать как можно больше животных, как это возможно в минуту. Запись количества ответов и настойчивая ошибка. Затем повторите то же самое в категории фруктов и овощей.
2. Проведите регистрационную часть (Испытание 1, 2 и 3) Гонконгского списка Обучения Тест (HKLLT)^19, зачитав заранее определенный 16-словарный список слов и поручить субъекту запомнить их. После этого попросите субъекта сделать бесплатный отзыв списка слов и записать ответ (Испытание 1).
   1. Повторите шаг 3.2 дважды для Trial 2 и Trial 3.
3. Подождите 10 минут и 30 минут после регистрации части HKLLT для 10 и 30 минут задержки отзыва.
4. Перед 10 минут задержкой отзыва HKLLT, выполнить память распознавания образов (PRM) из Кембриджа Нейропсихологический тест Автоматизированная батарея (CANTAB)²⁰ (Таблица материала).
   1. С помощью планшетного компьютера, представить 24 визуальных моделей, по одному, в центре экрана. Поручить объекту запомнить шаблон.
   2. После презентации, в парадигме дискриминации сил 2-выбора, поручить субъекту выбрать шаблон, который он/она может распознать.
5. Выполните 10 минут задержки отзыва HKLLT, попросив субъекта сделать бесплатный отзыв 16-словарный список слов.
6. Перед 30 минут задерживается отзыв HKLLT, выполнять пространственный span (SSP) от CANTAB²⁰.
   1. Используйте планшетный компьютер, чтобы показать шаблон белых коробок, которые изменяются в цвете, один за другим, в переменных последовательностях.
   2. После этого поручить субъекту прикоснуться к ящикам в той же последовательности они были представлены и записывать пространственную длину разъемы, что объект может достичь, как сложность (количество ящиков изменения цвета) задачи увеличивается.
7. Провести 30 минут задержки отзыва, попросив субъекта сделать бесплатный отзыв 16-словарный список слов.
   1. Проведите признание и дискриминацию часть HKLLT, зачитав другой заранее определенный 32-словарный список слов, из которых половина словарей из первоначального списка слов в 3.2. Проинструктируйте предмет, чтобы определить, является ли каждый зачитан словарный запас из первоначального списка слов или нет.
8. Разрешить субъекту отдохнуть спокойно, если они заканчивают задачи в 3,4 и 3,6 до 10-и 30-минутной задержки отзыва, соответственно.
9. Выполните чулок Кембриджа (SOC) от CANTAB²⁰.
   1. С помощью планшетного компьютера, представить 20 сценариев из двух параллельных дисплеев из 3 шаров, проведенных в 3 вертикальных чулки, из которых расположение шаров в дисплеях варьируется в каждом сценарии.
   2. Поручить объекту определить в каждом сценарии наименьшее количество ходов, необходимых для переустройства шаров в нижнем дисплее, чтобы скопировать рисунок, показанный на верхнем дисплее. Запись среднего количества вариантов для правильного ответа.
10. Выполните Stroop Test²¹.
    1. Дайте субъекту 3 карты последовательно; первая карта содержит точки, напечатанные в разных цветах, вторая карта содержит китайские символы, напечатанные в разных цветах, в то время как последняя карта имеет китайские символы, обозначающие разные цвета (например, китайские слова "синий", "желтый", "зеленый" или "красный"), но напечатано в цвете, не обозначенном именем (например, слово "красный", напечатанное синими чернилами).
    2. Попросите субъекта зачитать печатный цвет точек/китайских иероглифов как можно быстрее и записать время, необходимое для каждой карты (T1, T2 и T3).
    3. Рассчитайте индекс помех с формулой (T3-T1)/T1.
11. Приступай к задаче визуального поиска после завершения когнитивных тестов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Не выполняйте никаких словесных когнитивных задач после регистрационной части HKLLT до конца всего HKLLT (3.7) для предотвращения вмешательства в работу вербальной памяти.

4. Задача визуального поиска

1. Поместите предмет на стул и поместите подбородок на подбородок отдыха лбом против бара, чтобы свести к минимуму движение головы. Выровнять глаза субъекта примерно к центру экрана компьютера. Начните с нажатия кнопки «Запись начала» в компьютерной программе.
2. Калибровки
   1. Откалибровать глаз трекер с помощью встроенной программы калибровки, нажав кнопку «Пуск» в интерфейсе калибровки.
   2. Попросите субъекта смотреть на красную точку, движущуюся по экрану с 9 точками фиксации, сохраняя при этом голову неподвижно.
   3. Проверьте качество калибровки, просмотрев участок калибровки(рисунок 1). Убедитесь, что длина зеленых линий, представляющих векторы ошибок, подпадают под серые круги для приемлемого качества калибровки. Переделать калибровку, если есть какая-либо недостающая точка или зеленые линии выпадают за пределы серых кругов. Нажмите Accept, чтобы перейти к задаче визуального поиска.
3. Инструкции
   1. Предоставьте устную инструкцию по предмету и начните с 5 практических запусков, чтобы ознакомить предмет с задачей.
   2. Поручите субъекту зафиксировать свой взгляд на центральном кресте фиксации в начале каждого испытания. Затем нажмите Введите на клавиатуре, чтобы начать судебное разбирательство, при котором экран компьютера будет отображать одно число и 79 отвлекающих алфавитов, разбросанных случайным образом(рисунок 2).
   3. Проинструктируйте объект, чтобы он посмотрел как можно быстрее для номера, а затем одновременно нажмите на мышь и указать номер вслух, как только номер находится.
   4. Перепроверить, является ли указанный номер правильным или нет.
   5. Администрирование в общей сложности 40 испытаний после 5 запусков практики.
4. Проектирование пробных изображений в задаче визуального поиска
   ПРИМЕЧАНИЕ: Программный код, написанный в PHP, для этого раздела можно найти в дополнении файла 1.
   1. Используйте номера 4, 6, 7 и 9 исключительно(Дополнительный файл 1 - Линия 5).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Экспериментальное исследование¹¹ показало, что эти цифры наиболее легко дискриминируются из алфавитов.
   2. Убедитесь, что местоположение целевого номера рандомизировано от суда к пробному делу с правилом, что он не может находиться в одном визуальном квадранте более трех последовательных испытаний(Дополнительный файл 1 - Линия 48-52).
   3. Не используйте двусмысленные алфавиты, такие как "I" и "O"(Дополнительный файл 1 - Линия 76-78).
   4. Установите размер креста фиксации, алфавитов и цифр на 0,85 "визуальный угол( эквивалентно около 0,9 см на 23-дюймов экран компьютера).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Числа и алфавиты используются, потому что они легко узнаваемы визуальные стимулы еще требуют foveation для идентификации.
   5. Разрешить промежуток времени 1,5 с после того, как следователь нажал Enter в 4.3.2 и до отображения центрального креста фиксации переключается на пробное изображение, чтобы начать судебное разбирательство(Дополнительный файл 2 - Линия 71; 156-158).
   6. Убедитесь, что экран будет идти пустым с фиксацией крест снова появляется, как мышь нажал или после 10 s прошло с начала судебного разбирательства, в зависимости от того, что раньше(Дополнительный файл 2 - Линия 72; 162-180).
   7. По мере завершения задачи создайте файл .csv, содержащий временные метки начала и конца каждого испытания(Дополнительный файл 2 - строка 48-59; 199-208). Используйте этот файл в анализе данных в разделе 5.

5. Обработка и анализ данных с отслеживания глаз

1. В разделе Воспроизведение компьютерной программы, проверить Образцы Процент глаз во время визуального поиска задачи(рисунок 3). Откажитесь от данных субъекта, если наблюдается более 20% отсутствующих данных.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Процент образцов обозначает процент времени, в течение чем глаза успешно расположены на глазтрекере во время визуального поиска задачи.
2. Нажмите на кнопку Воспроизведение для записи, чтобы проверить качество данных, eyeballing визуализированные видео пути сканирования генерируется (Рисунок 4). Откажитесь от данных всего субъекта, если они грубо ошибочны(рисунок 5).
3. Откажитесь от любого испытания (ы), в котором субъект нажал на мышь случайно и преждевременно.
4. В разделе Экспорт данных программы выберите GazePointX (ADCSpx) и GazePointY (ADCSpx) и предмет интереса(рисунок 6). Нажмите Экспортные данные, чтобы экспортировать данные каждого субъекта и сохранять их в виде файла .csv. Файл содержит x и y координаты положения глаз субъекта на экране компьютера, в пикселях, в каждый момент времени.
5. Используйте визуальный анализатор поиска и в интерфейсе(рисунок 7), выберите данные, экспортируемые в 5.4 в качестве ввода данных eye Data и файла .csv, генерируемого в 4.4.7 в качестве ввода данных Action. Выберите ST DBScan в качестве алгоритма классификации и нажмите на Run. Затем нажмите на Резюме, чтобы создать файл электронной таблицы, содержащий средную амплитуда саккад и средную продолжительность фиксации объекта.
6. Дизайн визуального анализала поиска
   ПРИМЕЧАНИЕ: Кодирование для разработки анализатора можно найти в https://github.com/lab-viso-limited/visual-search-analyzer. Его программный код можно найти в дополнительном файле 3.
   1. Программа анализатора такова, что он извлекает и анализирует только данные от начала до конца испытания (т.е. от отображения числа и алфавитов до мыши нажата или 10 s прошло), используя файл .csv, созданный в 4.4.7 ( Дополнительный файл 3 - Линия 6-173).
   2. Программа анализатора такова, что он заполняет потерю данных из-за глаз мигает, усреднев х и у координаты точки взгляда непосредственно перед и после мигания(Дополнительный файл 3 - Линия 176-260).
   3. Программа анализатор атакой, что он классифицирует необработанные данные в либо саккад или фиксации с помощью алгоритма, разработанного на основе ST-DBSCAN²² (программный код в дополнительном файле 4).

Результаты

Полный результат этого исследования можно найти в оригинальной статье, опубликованной²³. Испытуемые болезнь Паркинсона (n No 67) были набраны и завершены оценки. Тем не менее, 5 случаев не удалось завершить задачу визуального поиска, поскольку они носили прогрессивный объекти?...

Обсуждение

Протокол, представленный выше, был разработан в качестве первой части продольного исследования в изучении потенциальной клинической полезности параметров движения глаз в качестве суррогатных маркеров когнитивных функций при болезни Паркинсона. Хотя Есть исследования, которые изуча...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Computer	Intel
Computerized cognitive assessment tool	CANTAB	CANTAB Research Suite	Contains Pattern Recognition Memory, Spatial Span, and Stockings of Cambridge
Eye Movement Analyzer	Lab Viso Limited		https://github.com/lab-viso-limited/visual-search-analyzer
Eye tracker	Tobii	Tx300	23 inch computer screen with resolution of 1920 x 1080, Sampling rate at 300 Hz
Hong Kong List Leanrning Test	Department of Psychology, The Chinese University of Hong Kong	The Hong Kong List Learning Test (HKLLT) 2nd Edition
Stroop test	Laboratory of Neuropsychology, The University of Hong Kong	Neuropsychological Measures: Normative Data for Chinese, Second Edition (Revised)
Tobii Studio	Tobii	Tobii Studio version 3.2.2	Computer programme for running the visual search task
Visual Search Task	Lab Viso Limited		https://www.labviso.com/#products