利用眼跳测量法结合深部脑刺激研究正常与病理状态下的脑功能

摘要

本文描述了通过定量测量眼动，结合对深部脑区特定区域的刺激，以研究深部脑刺激的生理学、病理生理学机制及作用机制。

摘要

眼动系统涉及大脑的多个区域，包括基底神经节的部分结构，而帕金森病和亨廷顿病等多种神经退行性疾病均可影响该系统。例如，帕金森病患者通常表现出扫视潜伏期延长。因此，对扫视眼动进行定量测量作为神经退行性疾病的潜在生物标志物已受到广泛关注。通过观察特定脑区功能受到干扰时眼动发生的变化，可以更深入地了解健康与疾病状态下的大脑功能。脑深部电刺激是一种用于治疗包括帕金森病在内的多种神经系统疾病的外科干预手段，通过将刺激电极植入特定脑区（包括基底神经节的多个位点）实现治疗。随后可在刺激系统关闭和开启状态下分别进行眼动测量，并对结果进行比较。通过合理设计实验，该方法不仅可用于研究所治疗疾病的病理生理机制、脑深部电刺激产生治疗效应的作用机理，甚至有助于揭示正常神经生理功能的某些方面。

引言

近年来，人们越来越关注利用反应时间测量作为定量且无创地获取神经决策高级机制信息的方法¹。其中被广泛研究的一种反应时间是，在呈现视觉刺激后启动扫视所需的时间，称为扫视潜伏期。扫视是我们快速将视线从一个位置转移到另一个位置时发生的眼球快速运动。这是我们最常见的眼球运动类型，通常每秒发生两到三次。每一次扫视实际上都是在视觉环境中选择注视某个线索而非其他线索的一种决策过程²。

控制眼球运动的神经通路已被广泛研究，相关文献记录较为详尽³。利用高灵敏度的电子设备，可以精确且客观地量化眼动功能的各个方面。这不仅有助于对眼球运动本身进行深入研究，还可将其作为工具用于探索神经生理学和病理生理学的其他领域。

眼动测量可为疾病状态提供有用的信息。例如，扫视眼动最近在神经退行性疾病（包括亨廷顿病^4,5和帕金森病^6,7）中作为潜在生物标志物受到广泛关注。已明确的是，在这些疾病状态下，扫视反应时间往往比正常情况更慢。扫视测量的潜在用途包括辅助诊断和疾病进展追踪。扫视任务包括简单的朝向性扫视（尽快看向左右侧突然出现的视觉刺激），以及更复杂的任务，如反向扫视（尽快看向视觉刺激相反的一侧）或记忆引导性扫视（看向已消失目标的记忆位置）。

脑深部电刺激是治疗多种神经系统疾病的有效方法。它最常用于治疗帕金森病的运动症状，包括震颤、僵直、运动迟缓和异动症。此外，它也用于治疗其他运动障碍，如肌张力障碍和原发性震颤，较少情况下用于神经性疼痛、癫痫以及强迫症等精神类疾病。这是科学家能够直接对人类大脑深部结构进行电生理研究的唯一场景 在体 因此为实验神经学提供了宝贵的机会。根据治疗的疾病不同，刺激的靶点也多种多样，包括基底神经节内的多个部位，其中许多区域参与眼动通路。这意味着可利用脑深部电刺激（DBS）系统对特定脑区施加刺激，同时结合眼动追踪设备记录并分析其效应，开展广泛的研究。根据实验范式的不同，此类研究可提供有关刺激区域生理功能、疾病影响或DBS在特定条件下作用机制的信息。本文介绍了一种针对脑深部电刺激患者进行扫视眼动测试的通用方法。

目前有多种不同类型的视线追踪设备可供选择。本实验方案所描述的研究采用了一种便携式扫视仪来记录水平扫视眼动。便携式扫视仪的优势在于无需固定头部（见图1），这意味着帕金森病患者，尤其是伴有严重运动障碍的患者，检查过程会更加舒适。此处使用的扫视仪重量轻，宽度约为5 cm，高度约为10 cm。该设备通过直接红外眼动图技术测量眼动：在内眦前方设置红外光源和传感器，利用角膜反射的光线，以毫秒级的时间间隔确定眼球的旋转位置。为了获得可用于分析的高质量数据，扫视仪的采样率应至少达到1 kHz，分辨率至少为12位。本研究所用扫视仪的视觉刺激由内置的低功率激光器产生，共三个红色光点，亮度为13 cd m^-2，每个光点视角约0.1度，其中一个位于中线位置，另外两个分别位于±10度处（即左右两侧）。

图1. 扫视仪。 头戴式扫视仪固定在弹性绑带上，置于鼻梁处。四个微型激光器将视觉目标投射到哑光表面，受试者每只眼睛鼻侧的差分红外反射传感器用于测量其眼动。由于激光目标随头部移动，因此无需使用头部固定装置。请点击此处查看该图的放大版本。

方案

本研究已获得当地伦理委员会批准，并按照下文第1节所述，从参与者处获取了知情同意。

1. 受试者知情同意

1. 向参与者提供一份信息表，详细说明测试环节的具体内容。
2. 在参与者有机会阅读并讨论与其参与研究相关的任何问题、疑虑或其他事项后，与他们逐项说明知情同意书中的内容，解释每一条款，并给予他们提问的机会。请参与者完成并签署该表格。

2. 设置眼动仪

1. 将设备放置在患者头部，用可调节的弹性带固定，并置于鼻梁上。由于刺激随头部同步移动，因此无需固定头部，佩戴舒适。
2. 让患者坐在距离平坦无反光屏幕1.5 m处。
3. 确保环境光线较暗，以便清晰观察刺激（红光斑点）。

3. 记录扫视实验会话

注意：此处以一个同时测试前向扫视（prosaccades）和反向扫视（antisaccades）的标准实验方案为例进行说明⁸。该方案包含五个实验区组：60次前向扫视、3组各40次反向扫视，以及60次前向扫视，区组之间休息1分钟。整个实验过程持续约40分钟。

1. 设置扫视仪，使在每次试验中，中央注视目标先随机呈现1.0 - 2.0秒的预备期，随后该目标熄灭，左右两侧之一的外周目标随机出现⁹。
   注意：这三个目标是由扫视仪内置的低功率激光器投射到受试者前方屏幕上的红光光点（见2.2）。扫视仪会自动开关激光器，以按所需顺序显示或熄灭目标。
2. 告知受试者，测试共分为五个区块，区块之间休息一分钟。
3. 在第一个区块开始前，指导受试者尽可能快速且准确地移动眼睛，跟随红点从中间跳向左侧或右侧，并告知他们需重复此动作60次。
4. 将扫视仪设置为生成60次试验的序列。按下扫视仪上的按钮，开始第一组试验（正扫视）。
5. 完成第一组试验后，等待一分钟再开始第二组。将扫视仪重置为生成40次试验的序列，并在这一分钟间隔即将结束时，指导受试者在下一组试验中尽可能快速地将视线移向红点出现的相反方向，并说明他们需要完成此动作40次。开始第二组试验（反扫视）。
6. 完成第二组试验后，再等待一分钟，重复步骤3.5的指导语，并开始第三组试验（反扫视）。
7. 完成第三组试验后，再等待一分钟，重复步骤3.5的指导语，并开始第四组试验（反扫视）。
8. 完成第四组试验后，再等待一分钟，说明在最后一组测试中，要求受试者像第一组一样，尽可能快速且准确地移动眼睛，跟随红点从中间跳向一侧或另一侧。
9. 将扫视仪重置为生成60次试验的序列，并开始最后一组试验（正扫视）。

图2. 眼动任务。 示意图展示了两种扫视任务的示例。实心蓝色圆点代表目标，虚线蓝色圆圈代表注视区域。左侧 显示的是注视性扫视任务，受试者被提示看向目标。右侧 显示的是反向扫视任务，受试者被要求看向视觉刺激的相反方向。这需要抑制更自然的注视性扫视反应，并生成一个反向的扫视动作。请点击此处查看此图的放大版本。

4. 深部脑刺激器设置

注意：对于植入深部脑刺激器的受试者，测试应在其刺激器系统正常运行的情况下进行。 即已获得“刺激开启”状态下的数据集。现在需要在关闭刺激器系统的情况下重复测试（对于没有DBS系统的健康对照参与者，此部分不适用）。

1. 关闭DBS系统。此操作应由经过培训的临床工作人员执行。关闭后等待30分钟再进行测试。
2. 重复进行扫视测试（步骤3.2 - 3.9），以获取完整的“关闭刺激”数据集。
3. 重新打开DBS系统（此操作同样应由经过适当培训的临床工作人员完成）。

5. 数据分析

注意：对于植入深部脑刺激器的受试者，测试应在其刺激器系统正常运行的情况下进行。 即， 已获得“刺激开启”状态下的数据集。现在需要在关闭刺激器系统的情况下重复测试（对于未植入DBS系统的健康对照参与者，本部分不适用）。

1. 将眼动仪的原始数据下载到计算机中进行分析。
2. 使用眼动仪的软件程序排除因眨眼和头部运动而失真的眼跳，并计算包括眼跳潜伏期、峰值速度和幅度在内的各项参数。
   注意：软件会自动剔除因过度头部运动或眨眼而受污染的记录。
   1. 剔除潜伏期小于 80 毫秒或大于 1,000 毫秒的眼跳。
      注意：眼跳潜伏期由基于速度和加速度的眼跳检测算法自动计算。眼跳起始点定义为眼球运动速度超过每秒 5 度阈值的时刻。

结果

图3展示了一名植入了丘脑底核深部脑刺激（DBS）系统的帕金森病患者的眼跳运动轨迹示例。两个图分别绘制了刺激系统关闭（上图）和开启（下图）时该患者的向眼跳（prosaccades）情况。图中每条轨迹表示一次单独眼跳的路径，即眼睛偏离中线的位置（以度为单位，y轴）随时间（x轴）的变化情况。即，左右方向的眼跳在图中均显示为向正值方向的偏转。时间零点是指中央目标消失、外周目标出现的时刻。从该时刻到眼跳起始（轨迹开始偏离零度）之间的时间间隔称为眼跳潜伏期。主要观察结果是，当刺激系统开启时，眼跳的分布发生变化，长潜伏期眼跳的数量减少，平均潜伏期相应降低。

讨论

获得高质量扫视数据最关键的因素除确保向受试者提供的指导语清晰且准确外，别无他法。例如，若反向扫视任务的指导语不够明确，受试者很可能执行的是正向扫视而非反向扫视。如果受试者无法清晰看到刺激，或扫视仪无法精确测量眼位，记录的数据也可能被破坏。因此，若数据质量似乎较低，实验者应检查环境光线是否过亮，并确认扫视仪是否正确地放置在鼻梁上。

深部脑刺激能够直接调节基底神经节多个部位的神经活动。结合可精确且客观量化眼动的设备，DBS可用于研究这些脑区的正常与异常功能。

在联合使用扫视测量法与深部脑刺激（DBS）的实验中，通常需要同时应对多个未知因素。所研究的大脑病变程度各不相同，且目前尚不明确DBS发挥效应的具体机制，相关假说包括：激活靶向区域的神经元、引起神经元的去极化阻滞、刺激传入和/或传出轴突，以及对神经网络活动产生更复杂的调控作用等。

患有神经退行性疾病的受试者通常正在接受药物治疗，而对于接受脑深部电刺激（DBS）系统的帕金森病（PD）患者而言，几乎无一例外地正在服药。抗帕金森...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
扫视计设备	Ober Consulting Poland
配备 Windows 环境的计算机
用于从扫视计下载原始数据的软件，Latency Meter