Name: quantification of oculomotor responses and accommodation through instrumentation and analysis toolboxes
Uploaded: 2023-03-03T13:40:00
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Questa ricerca è stata supportata dalla sovvenzione R01EY023261 del National Institutes of Health a T.L.A. e da una borsa di studio Barry Goldwater e dal NJIT Provost Doctoral Award a S.N.F.

Lo studio, per il quale questa suite di strumentazione e analisi dei dati è stata creata e implementata con successo, è stato approvato dal New Jersey Institute of Technology Institution Review Board HHS FWA 00003246 Approval F182-13 e approvato come studio clinico randomizzato pubblicato su ClinicalTrials.gov Identificatore: NCT03593031 finanziato tramite NIH EY023261. Tutti i partecipanti hanno letto e firmato un modulo di consenso informato approvato dall'Institutional Review Board dell'università.
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	<li>Alvarez, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disparity+vergence+differences+between+typically+occurring+and+concussion-related+convergence+insufficiency+pediatric+patients.">Disparity vergence differences between typically occurring and concussion-related convergence insufficiency pediatric patients.</a> Vision Research. 185, 58-67 (2021).</li><li>Alvarez, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Underlying+neurological+mechanisms+associated+with+symptomatic+convergence+insufficiency.">Underlying neurological mechanisms associated with symptomatic convergence insufficiency.</a> Scientific Reports. 11, 6545 (2021).</li><li>Scheiman, M., Kulp, M. T., Cotter, S. A., Lawrenson, J. 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L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=VisualEyes:+A+modular+software+system+for+oculomotor+experimentation.">VisualEyes: A modular software system for oculomotor experimentation.</a> Journal of Visualized Experiments. (49), e2530 (2011).</li><li>Convergence Insufficiency Treatment Trial Study Group. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Randomized+clinical+trial+of+treatments+for+symptomatic+convergence+insufficiency+in+children.">Randomized clinical trial of treatments for symptomatic convergence insufficiency in children.</a> Archives of Ophthalmology. 126 (10), 1336-1349 (2008).</li><li>Borsting, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Association+of+symptoms+and+convergence+and+accommodative+insufficiency+in+school-age+children.">Association of symptoms and convergence and accommodative insufficiency in school-age children.</a> Optometry. 74 (1), 25-34 (2003).</li><li>Sheard, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Zones+of+ocular+comfort.">Zones of ocular comfort.</a> American Journal of Optometry. 7 (1), 9-25 (1930).</li><li>Hofstetter, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+longitudinal+study+of+amplitude+changes+in+presbyopia.">A longitudinal study of amplitude changes in presbyopia.</a> American Journal of Optometry and Archives of American Academy of Optometry. 42, 3-8 (1965).</li><li>Donders, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> On the Anomalies of Accommodation and Refraction of the Eye. , (1972).</li><li>Sravani, N. G., Nilagiri, V. K., Bharadwaj, S. 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N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prospective+comparison+of+convergence+insufficiency+and+normal+binocular+children+on+CIRS+symptom+surveys.+Convergence+Insufficiency+and+Reading+Study+(CIRS)+group.">Prospective comparison of convergence insufficiency and normal binocular children on CIRS symptom surveys. Convergence Insufficiency and Reading Study (CIRS) group.</a> Optometry and Vision Science. 76 (4), 221-228 (1999).</li><li>Maxwell, J., Tong, J., Schor, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+first+and+second+order+dynamics+of+accommodative+convergence+and+disparity+convergence.">The first and second order dynamics of accommodative convergence and disparity convergence.</a> Vision Research. 50 (17), 1728-1739 (2010).</li><li>Alvarez, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Convergence+Insufficiency+Neuro-mechanism+in+Adult+Population+Study+(CINAPS)+randomized+clinical+trial:+Design,+methods,+and+clinical+data.">The Convergence Insufficiency Neuro-mechanism in Adult Population Study (CINAPS) randomized clinical trial: Design, methods, and clinical data.</a> Ophthalmic Epidemiology. 27 (1), 52-72 (2020).</li><li>Leigh, R. J., Zee, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Neurology of Eye Movements. , (2015).</li><li>Alvarez, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+and+functional+imaging+changes+induced+from+vision+therapy+in+patients+with+convergence+insufficiency.">Clinical and functional imaging changes induced from vision therapy in patients with convergence insufficiency.</a> Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2019, 104-109 (2019).</li><li>Scheiman, M. M., Talasan, H., Mitchell, G. L., Alvarez, T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Objective+assessment+of+vergence+after+treatment+of+concussion-related+CI:+A+pilot+study.">Objective assessment of vergence after treatment of concussion-related CI: A pilot study.</a> Optometry and Vision Science. 94 (1), 74-88 (2017).</li><li>Yaramothu, C., Greenspan, L. D., Scheiman, M., Alvarez, T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vergence+endurance+test:+A+pilot+study+for+a+concussion+biomarker.">Vergence endurance test: A pilot study for a concussion biomarker.</a> Journal of Neurotrauma. 36 (14), 2200-2212 (2019).</li></ol>

Applicazioni del metodo nella ricerca Le innovazioni del software iniziale VisualEyes2020 (VE2020) includono l'espandibilità del VE2020 per proiettare su più monitor con uno o più stimoli visivi, che consente l'indagine di questioni scientifiche che vanno dalla quantificazione delle componenti Maddox di vergence18 all'influenza di obiettivi che distraggono su obiettivi istruiti19. L'espansione del sistema aploscopico a VE2020 insieme allo sviluppo com...

La coordinazione binoculare concertata e le appropriate risposte accomodative e oculomotorie agli stimoli visivi sono aspetti cruciali della vita quotidiana. Quando un individuo ha una ridotta velocità di risposta del movimento oculare, quantificata attraverso la registrazione del movimento oculare, la visione raddoppiata (diplopia) può essere percepita 1,2. Inoltre, una meta-analisi della letteratura Cochrane ha riportato che i pazienti con disfunzioni oculomotorie, nel tentativo di mantenere una normale visione binoculare, sperimentano sintomi visivi comunemente condivisi, tra cui visione offuscata / doppia, mal di testa, stress / affaticamento degli occhi e difficoltà a leggere comodamente3. I movimenti oculari coniugati rapidi (saccadi), quando carenti, possono rispondere in modo insufficiente o eccessivo ai bersagli visivi, il che significa che sono necessarie ulteriori saccadi sequenziali per correggere questo errore4. Queste risposte oculomotorie possono anche essere confuse dal sistema accomodativo, in cui la messa a fuoco impropria della luce dalla lente crea sfocatura5.
Compiti come la lettura o il lavoro su dispositivi elettronici richiedono il coordinamento dei sistemi oculomotori e accomodativi. Per gli individui con movimento oculare binoculare o disfunzioni accomodanti, l'incapacità di mantenere la fusione binoculare (singola) e la visione acuta (chiara) diminuisce la qualità della vita e la produttività complessiva. Stabilendo una metodologia procedurale per la registrazione quantitativa di questi sistemi in modo indipendente e concertato attraverso configurazioni di strumentazione ripetibili e analisi obiettive, è possibile comprendere le caratteristiche distintive circa l'acclimatazione a carenze specifiche. Le misurazioni quantitative dei movimenti oculari possono portare a diagnosi più complete6 rispetto ai metodi convenzionali, con il potenziale di prevedere la probabilità di rimedio tramite interventi terapeutici. Questa suite di strumentazione e analisi dei dati fornisce informazioni per comprendere i meccanismi alla base degli attuali standard di cura, come la terapia della visione, e l'effetto a lungo termine che gli interventi terapeutici possono avere sui pazienti. Stabilire queste differenze quantitative tra individui con e senza visione binoculare normale può fornire nuove strategie terapeutiche personalizzate e aumentare l'efficacia della correzione sulla base di misurazioni oggettive dei risultati.
Ad oggi, non esiste una singola piattaforma disponibile in commercio in grado di stimolare e registrare quantitativamente simultaneamente i dati sul movimento oculare con corrispondenti risposte posizionali e veloci accomodative che possono essere ulteriormente elaborate come flussi di dati separati (movimento oculare e accomodativo). Le analisi di elaborazione del segnale per le risposte posizionali e veloci accomodative e oculomotorie hanno rispettivamente stabilito requisiti minimi di campionamento di circa 10 Hz7 e una frequenza di campionamento suggerita tra 240 Hz e 250 Hz per i movimenti oculari saccadici 8,9. Tuttavia, il tasso di Nyquist per i movimenti oculari di vergenza deve ancora essere stabilito, sebbene la vergenza sia circa un ordine di grandezza inferiore nella velocità di picco rispetto ai movimenti oculari saccadici. Tuttavia, c'è una lacuna nella letteratura attuale per quanto riguarda la registrazione del movimento oculare e l'integrazione della piattaforma di strumentazione auto-rifrattiva. Inoltre, la capacità di analizzare le risposte oggettive del movimento oculare con risposte di accomodazione sincrone non è stata ancora open-source. Pertanto, il Vision and Neural Engineering Laboratory (VNEL) ha affrontato la necessità di strumentazione e analisi sincronizzate attraverso la creazione di VE2020 e due suite di programmi di elaborazione del segnale offline per analizzare i movimenti oculari e le risposte accomodanti. VE2020 è personalizzabile tramite procedure di calibrazione e protocolli di stimolazione per l'adattamento a una varietà di applicazioni dalla scienza di base alla clinica, inclusi progetti di ricerca sulla visione binoculare su insufficienza / eccesso di convergenza, insufficienza / eccesso di divergenza, insufficienza / eccesso accomodativo, disfunzioni binoculari correlate alla commozione cerebrale, strabismo, ambliopia e nistagmo. VE2020 è completato da VEMAP e AMAP, che successivamente forniscono capacità di analisi dei dati per questi occhi stimolati e movimenti accomodanti.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Analog Terminal Breakout Box</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>2090A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Convex-Sphere Trial Lens Set</td>
			<td>Reichert</td>
			<td>Portable Precision Lenses</td>
			<td>Utilized for autorefractor calibration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphics Cards</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Minimum performance requirement of GTX980 in SLI configuration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ISCAN Eye Tracker</td>
			<td>ISCAN</td>
			<td>ETL200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>v2022a</td>
			<td>AMAP software rquirement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>v2015a</td>
			<td>VEMAP software requirement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microsoft Windows 10</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>Windows 10</td>
			<td>Required OS for VE2020</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plusoptix PowerRef3 Autorefractor</td>
			<td>Plusoptix</td>
			<td>PowerRef3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stimuli Monitors (Quantity: 4+)</td>
			<td>Dell</td>
			<td>Resolution 1920x1080</td>
			<td>Note all monitors should be the same model and brand to avoid resolution differences as well as physical configurations</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

quantification of oculomotor responses and accommodation through instrumentation and analysis toolboxes

Attraverso la stimolazione mirata e la registrazione dei movimenti oculari, è possibile osservare le caratteristiche fondamentali dei meccanismi neurali sottostanti ai movimenti oculari. VisualEyes2020 (VE2020) è stato sviluppato sulla base della mancanza di stimolazione visiva basata su software personalizzabile disponibile per i ricercatori che non si basa su motori o attuatori all'interno di un aploscopio tradizionale. Questo nuovo strumento e metodologia sono stati sviluppati per una nuova configurazione dell'aploscopio che utilizza sia sistemi di tracciamento oculare che di autorefrattore. Il software di analisi che consente l'analisi sincronizzata del movimento oculare e delle risposte accomodative fornisce ai ricercatori della visione e ai medici un ambiente riproducibile e uno strumento condivisibile. Il Vision and Neural Engineering Laboratory's (VNEL) Eye Movement Analysis Program (VEMAP) è stato istituito per elaborare le registrazioni prodotte dagli eye tracker di VE2020, mentre l'Accommodative Movement Analysis Program (AMAP) è stato creato per elaborare le uscite di registrazione dal corrispondente sistema di autorefrattore. Il VNEL studia tre stimoli primari: accomodazione (cambiamenti guidati dalla sfocatura nella convessità della lente intraoculare), vergenza (rotazione convergente verso l'interno e verso l'esterno, rotazione divergente degli occhi) e saccadi (movimenti oculari coniugati). VEMAP e AMAP utilizzano processi di flusso di dati simili, interazioni manuali con l'operatore e interventi ove necessario; Tuttavia, queste piattaforme di analisi favoriscono la creazione di una suite software obiettiva che riduce al minimo la dipendenza dell'operatore. L'utilità di un'interfaccia grafica e dei suoi algoritmi corrispondenti consente di condurre un'ampia gamma di esperimenti visivi con una minima esperienza di codifica richiesta dai suoi operatori.

I grafici di ensemble a livello di gruppo dei movimenti oculari stimolati evocati da VE2020 sono rappresentati nella Figura 11 con le corrispondenti caratteristiche di velocità del primo ordine.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64808/64808fig11.jpg"> Figura 11: Insiemi di risposta al movimento oculare. Vengono mostrati i grafici d'insieme dei pa...

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Quantification of Oculomotor Responses and Accommodation Through Instrumentation and Analysis Toolboxes

VisualEyes2020 (VE2020) è un linguaggio di scripting personalizzato che presenta, registra e sincronizza gli stimoli visivi del movimento oculare. VE2020 fornisce stimoli per movimenti oculari coniugati (saccadi e inseguimento regolare), movimenti oculari disconiugati (vergenza), accomodamento e combinazioni di ciascuno. Due programmi di analisi unificano l'elaborazione dei dati dai sistemi di tracciamento oculare e registrazione degli alloggi.

Quantificazione delle risposte oculomotorie e dell'accomodazione attraverso strumenti di strumentazione e analisi

Through the purposeful stimulation and recording of eye movements, the fundamental characteristics of the underlying neural mechanisms of eye movements ...

I pacchetti software utilizzati in questo studio forniscono un controllo completo e completo su qualsiasi esperimento di interesse. Visualize 2020 personalizza la stimolazione, AMAP e VMAP forniscono rispettivamente un'analisi complementare dei comportamenti motori accomodativi e oculari. La trasparenza è il principale vantaggio di questa tecnica.A livello di programmazione, il comportamento dello stimolo, la routine di calibrazione e i processi analitici possono essere definiti dall'utente per qualsiasi protocollo sperimentale all'interno degli ambiti del software. La misurazione oggettiva dei movimenti oculari e dell'accomodamento con l'analisi dei dati consente agli scienziati della visione e ai medici di essere in grado di distinguere tra i pazienti con disfunzione binoculare e i controlli del neuroma binoculare. E in secondo luogo, essere in grado di comprendere il meccanismo neurologico sottostante delle terapie della visione.Le registrazioni dei momenti oculari possono essere utilizzate come potenziale biomarcatore per le disfunzioni motorie oculari e hanno potenziali applicazioni nella popolazione di commozione cerebrale e malattia di Parkinson che hanno un'alta comorbilità di disfunzioni della visione binoculare. Iniziare monitorando le connessioni e l'hardware della configurazione. Il sistema VisualEyes 2020 assegna i monitor spazialmente e in senso orario.Garantire la corretta configurazione spaziale dei monitor di stimolo. Il monitor di controllo primario è indicizzato come zero e tutti i monitor successivi sono indicizzati da uno in poi. Selezionare Identifica per visualizzare gli indici del monitor assegnati per ogni display di stimolo collegato al computer di controllo.Nelle impostazioni del monitor dello schermo, accedere a Risoluzione dello schermo e verificare la risoluzione consigliata. Assicurarsi che il sistema di tracciamento oculare sia sulla linea mediana ottica con una distanza minima della fotocamera di 38 centimetri. Verificare che il sistema di autorefrattore sia sulla linea mediana ottica e a circa un metro dagli occhi.Convalidare la configurazione dell'hardware e delle apparecchiature facendo riferimento alle quote. Assicurarsi che il desktop e l'hardware di tracciamento oculare corrispondente siano configurati e calibrati secondo le istruzioni del produttore. Occludere monocularmente l'occhio sinistro dei partecipanti con un filtro di trasmissione a infrarossi e posizionare una lente di prova a sfera convessa davanti al filtro.Successivamente, il binocolo presenta uno stimolo di quattro gradi ad alta acuità dai monitor di stimolo fisicamente vicini. Quindi binocolo presentare uno stimolo ad alta acuità di 16 gradi dai monitor di stimolo fisicamente vicini. Una volta acquisito il consenso informato, dirigere il partecipante a sedersi nell'aploscopio.Posizionare la fronte e il mento del partecipante contro un poggiatesta fisso per ridurre al minimo il movimento della testa e regolare l'altezza della sedia in modo che il collo del partecipante sia comodo per l'intero esperimento. Regolare le telecamere di registrazione del movimento oculare per garantire che gli occhi del partecipante siano catturabili all'interno del campo visivo delle telecamere. Quindi, regola il segnale di tracciamento oculare e i guadagni di gating di tracciamento oculare per catturare caratteristiche anatomiche come il limbus, la pupilla e il riflesso corneale.Convalidare l'acquisizione dei dati di movimento oculare chiedendo al partecipante di eseguire ripetuti movimenti di vergenza o saccadici. Per configurare i dati, utilizzare il dispositivo di archiviazione esterno che contiene i dati dell'autorefrattore ed esportare i dati in un dispositivo con AMAP installato. Avviare l'applicazione AMAP e selezionare il preprocessore file o il preprocessore batch.Controllare la barra di avanzamento e le notifiche AMAP come il sistema fornisce questi quando i dati selezionati sono stati pre-elaborati. Le directory delle cartelle vengono generate dalla pre-elaborazione degli AMAP per la trasparenza dell'elaborazione dei dati e l'accessibilità tramite l'unità locale del computer nell'output AMAP. Se viene selezionata una funzione AMAP senza previa elaborazione dei dati, verificare la presenza di una finestra Esplora file visualizzata per consentire all'utente di selezionare una directory di dati.Successivamente, per eseguire l'analisi dei dati AMAP, selezionare un file di dati da analizzare tramite il pulsante Carica dati che carica tutti i file disponibili nella directory dei file corrente, per impostazione predefinita una cartella di output di sottolineatura AMAP generata. Il nome del file di dati selezionato viene visualizzato nel campo del file corrente. Sotto il selettore oculare, controllare la selezione predefinita che presenta i dati mediati dal binocolo per la rifrazione accomodativa registrata.Cambiare il tipo di dati tra rifrazione accomodativa e vergenza oculomotoria, indicata come Gaze attraverso il selettore del tipo. Controlla ulteriori personalizzazioni grafiche disponibili per presentare le metriche dei dati e le caratterizzazioni del primo e del secondo ordine. Controllare le metriche predefinite per l'AMAP.Dopo aver visualizzato le opzioni grafiche, eseguire modifiche all'indice iniziale di risposta, all'indice di fine risposta e all'indice di velocità di picco tramite gli spinner di modifica della metrica. Dopo l'analisi di tutti i movimenti registrati visualizzati, salvare le metriche analizzate per ogni file di dati nel campo ID movimento, oppure tramite le frecce di navigazione parola sinistra e parola destra. I movimenti non analizzati hanno una classificazione predefinita di non un numero indicato come NaN e non vengono salvati o esportati.Esegui la classificazione manuale come buono o cattivo per ogni movimento per garantire un'analisi completa da parte di qualsiasi operatore. Selezionare il pulsante Salva per salvare i dati analizzati. Quindi selezionare il pulsante Esporta per esportare i dati analizzati in un foglio di calcolo accessibile che contiene le singole metriche di movimento e i fogli metrici medi esportati.I grafici di ensemble a livello di gruppo dei movimenti oculari stimolati evocati da VisualEye 2020 sono qui rappresentati con le corrispondenti caratteristiche di velocità del primo ordine. Ogni traccia della posizione del movimento oculare viene tracciata come una linea colorata in modo univoco e sovrapposta alla risposta della velocità a livello di gruppo in rosso. La visualizzazione delle prestazioni dei partecipanti può anche essere realizzata con l'AMAP, che mostra un insieme di risposte convergenti di cinque gradi e le corrispondenti risposte accomodative di 1,5 diottrie risultanti dall'elaborazione dei dati.È fondamentale che un partecipante sia centrato sulla linea mediana e capisca cosa deve fare con i suoi occhi per l'esperimento. Le immagini chiare degli occhi con il gating appropriato sono fondamentali per registrare dati che possono essere analizzati offline. Stiamo esplorando nuove tecnologie come la realtà virtuale per tradurre queste tecniche in dispositivi portatili che sono per interventi diagnostici e terapeutici per aiutare i pazienti con disfunzione binoculare, che è comune nella popolazione generale dopo una commozione cerebrale o per i pazienti con malattia di Parkinson.

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Extracellular vesicles (EVs), including &#8216;microvesicles&#8217; and &#8216;exosomes&#8217;, are highly abundant in bodily fluids. Recent years have ...

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Un metodo per la valutazione tempestività e l&#39;accuratezza delle risposte volitivo motore a vibrotattili stimoli

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