利用眼动追踪技术表征非痴呆帕金森病患者眼动参数与认知功能之间的关系

摘要

本文介绍了一种研究非痴呆型帕金森病患者眼动参数与认知功能之间关系的实验方案。实验采用眼动仪测量患者在视觉搜索任务中的扫视幅度和注视时间，并进一步分析这些眼动指标与多领域认知任务表现之间的相关性。

摘要

认知功能障碍是帕金森病中常见的现象，且会影响疾病的预后。一种简单、无创且客观的认知功能替代性测量方法将有助于早期发现帕金森病患者的认知衰退。作为一种生理学指标，眼动参数不受受试者个体特征和智力水平的干扰，若其与认知功能存在相关性，则可作为认知功能的替代标志物。为此，本研究探讨了眼动参数与多领域认知测试表现之间的关系。实验中设置了一项结合眼动追踪的视觉搜索任务，要求受试者在计算机屏幕上随机分布的字母阵列中寻找嵌入其中的数字。由于区分数字与字母是一项高度熟练的任务，因此可最大限度地减少认知能力对眼动参数的混杂影响。在视觉搜索任务过程中，采集并计算平均扫视幅度和注视持续时间。认知评估量表涵盖额叶-执行功能、注意力、言语记忆和视觉记忆等多个认知领域。研究发现，较长的注视持续时间与较差的言语流畅性、视觉及言语记忆表现相关，这为进一步探索眼动参数作为帕金森病患者认知功能替代标志物的应用提供了依据。该实验范式在本研究的帕金森病患者群体中耐受性良好，亦可跨诊断地应用于其他疾病群体，以回答类似的研究问题。

引言

帕金森病传统上被认为是一种运动障碍性疾病；然而，该病也常伴有认知功能缺陷，且病情进展至痴呆的情况十分常见¹。目前对帕金森病中认知功能障碍的病理生理机制尚不完全清楚。根据 Braak 分期理论，认知障碍被认为与皮层区域中 α-突触核蛋白沉积有关²。此外，有研究提出，多巴胺能系统与胆碱能系统的双重退行性变可导致不同类型的认知缺陷，并具有不同的预后意义³。目前仍需更多研究以进一步阐明帕金森病认知功能障碍的确切机制。在临床方面，认知功能障碍的存在对疾病预后具有显著影响^4,5。因此，在临床实践中对认知功能进行评估至关重要。然而，由于患者的精神状态和运动功能受限，长时间的认知评估往往难以实施。因此，亟需一种无创且简便的检测方法，以反映疾病对认知功能的影响程度。

眼球运动异常是帕金森病早期阶段广泛描述的可检测体征⁶，但其病理生理机制的研究甚至不如认知功能障碍明确。眼球运动的产生是将视觉感觉输入通过复杂的皮层和皮层下神经网络转化为脑干眼动核的输出信号，从而实现运动控制⁷。帕金森病的病理过程若累及这些神经网络，可能导致可观察到的眼球运动异常。此外，控制眼球运动和认知功能的神经解剖结构可能存在部分重叠。已有研究探讨了其他神经退行性疾病中扫视眼动与认知功能之间的关系⁸。基于上述依据，探索将眼球运动参数作为帕金森病认知功能的替代指标具有重要意义。一项横断面研究⁹表明，扫视幅度减小和注视时间延长与帕金森病患者整体认知障碍的严重程度相关。然而，目前尚缺乏关于眼球运动参数与特定认知领域之间相关性的数据。相较于仅评估总体认知状态，测量特定认知领域的重要性在于，不同认知领域可提供差异化的预后信息³，且由不同的神经网络所支持。本研究旨在探讨眼球运动指标与不同认知功能之间的特异性关系，这是建立基于眼动追踪技术的帕金森病认知衰退生物标志物体系的第一步。

本实验范式包含两个主要部分：认知评估和眼动追踪任务。认知评估量表涵盖了一系列认知功能，包括注意力与工作记忆、执行功能、语言、言语记忆以及视空间功能。选择这五个认知领域是基于国际运动障碍学会（Movement Disorder Society）关于帕金森病轻度认知障碍的指南¹⁰，并据此遴选了一组本地可获取的认知测试工具以构建评估量表。在前述一项关于帕金森病认知功能的类似眼动追踪研究中⁹，作者在受试者执行视觉认知任务时提取眼动参数，而这些参数可能受到受试者认知能力的潜在影响。由于本研究旨在评估眼动参数与不同认知领域之间的相关性，因此必须排除认知能力对眼动参数的潜在混杂效应。为此，本研究采用了一项改编自阿尔茨海默病眼动追踪研究的视觉搜索任务¹¹，以采集受试者的眼动参数。在该任务中，受试者需在计算机屏幕上多个字母干扰项中搜索一个单独的数字。该任务可诱发受试者交替使用扫视眼动和视觉注视，而这两种眼动模式的异常在帕金森病中已有广泛报道。识别和区分数字与字母是一项高度熟练的任务，对认知功能的需求极低，因此非常适合用于回答本研究的科学问题。根据Rösler等¹¹原始研究中所述的规格与设计，我们开发了一个计算机程序，可在眼动仪内置软件环境中运行。此外，本研究还自主开发了一套用于眼动追踪数据分类与分析的算法。

方案

本研究项目已获香港中文大学—新界东联网联合临床研究伦理委员会批准（伦理审查编号：2015.263）。

1. 受试者招募与基线评估

1. 从神经科专科门诊招募年龄小于或等于70岁的帕金森病患者，诊断依据为英国帕金森病学会（UKPDS）脑库诊断标准¹².
   1. 排除患有精神疾病、可能影响眼动的眼科疾病或其他神经系统疾病的受试者。同时排除使用抗胆碱能药物的病例，因其已知会影响认知功能和眼动。
2. 按性别、年龄和教育程度以1:1比例匹配招募健康对照者。
3. 获得受试者的知情同意。
4. 与受试者进行临床诊断性访谈，如有条件，同时访谈其亲属，以排除痴呆，并使用简易精神状态检查（Mini-Mental State Examination, MMSE）进行认知功能障碍的筛查¹³ 蒙特利尔认知评估（MoCA）¹⁴排除患有痴呆的受试者，或其简易精神状态检查量表（MMSE）或蒙特利尔认知评估量表（MoCA）评分低于规定阈值的受试者 <22/30.
5. 使用斯内伦视力表评估视力。若受试者视力低于20/40，则予以排除。
6. 使用统一帕金森病评定量表（UPDRS）第二部分评估帕金森病的运动严重程度与分期 & III¹⁵ 以及改良的霍恩和亚尔（Hoehn and Yahr，H&Y）分期¹⁶分别获取受试者当前服用的药物信息。
7. 采用贝克抑郁量表第二版（Beck Depression Inventory-II, BDI-II）评估抑郁情绪状态¹⁷.

2. 实验设置

1. 在安静且光线充足的房间内进行实验。
2. 对帕金森病受试者在服药后运动功能处于最佳状态时进行实验。
3. 准备实验装置，包括基于屏幕的眼动仪、计算机、鼠标、标准键盘、颏托和认知评估工具（材料表）。
4. 使用采样率至少为 300 Hz 的眼动仪。
5. 将颏托放置在眼动仪屏幕前方 60 cm 处。

3. 认知评估与视觉搜索任务的流程

1. 进行中文分类言语流畅性测试¹⁸让受试者在一分钟内尽可能多地列举动物名称。记录回答的数量和持续性错误。然后在水果和蔬菜类别中重复相同步骤。
2. 进行香港词语学习测验（HKLLT）的注册部分（试验1、2和3）¹⁹ 通过朗读一份预先设定的包含16个词汇的词表，并指导受试者记住这些词汇。随后要求受试者自由回忆该词表内容并记录其回答（试验1）。
   1. 重复步骤 3.2，进行试验 2 和试验 3。
3. 在HKLLT注册部分结束后，分别等待10分钟和30分钟以进行10 以及30分钟延迟回忆。
4. 在HKLLT延迟10分钟回忆之前，执行剑桥神经心理测验自动化成套测验（CANTAB）中的图案识别记忆（Pattern Recognition Memory, PRM）任务²⁰ 材料表
   1. 使用平板电脑，将24个视觉图案逐一呈现在屏幕中央。指导受试者记住每个图案。
   2. 演示结束后，在二选一强制辨别范式中，指导受试者选择其能够识别的图案。
5. 通过要求受试者自由回忆16个词汇的单词表，进行HKLLT的10分钟延迟回忆测试。
6. 在进行HKLLT的30分钟延迟回忆之前，先执行CANTAB中的空间广度（Spatial Span，SSP）测试²⁰.
   1. 使用平板电脑显示一组白色方框，这些方框按不同序列逐个变色。
   2. 随后，要求受试者按照先前呈现的相同顺序触摸方框，并记录随着任务难度（变色方框数量增加）的提升，受试者能够达到的空间跨度长度。
7. 通过要求受试者自由回忆16个词汇的单词表，进行30分钟延迟回忆测试。
   1. 通过朗读另一份预先设定的包含32个词汇的词表，进行HKLLT的识别与辨别部分，其中一半词汇来自3.2中的原始词表。指导受试者判断所朗读的每个词汇是否属于原始词表。
8. 如果受试者在10分钟和30分钟延迟回忆前已完成3.4和3.6步骤中的任务，则让其安静休息。
9. 执行剑桥自动神经心理测验系统（CANTAB）中的剑桥 stocking 任务（SOC）²⁰.
   1. 使用平板电脑呈现20种情境，每种情境包含两个并列显示的画面，每个画面中有3个球分别置于3个垂直的长筒袜中，各情境中球的排列方式各不相同。
   2. 指导受试者确定在每种情境下，将下方显示的球重新排列以复制上方显示的模式所需的最少移动次数。记录达到正确答案的平均选择次数。
10. 进行斯特鲁普测试²¹.
    1. 依次给予受试者3张卡片；第一张卡片上印有不同颜色的圆点，第二张卡片上印有不同颜色的汉字，而第三张卡片上印有表示不同颜色的汉字（例如，表示颜色的中文词语） "蓝色", "黄色", "绿色"，或 "红色"）但印刷的颜色与该词名称所指的颜色不符（例如，词语“红色”以绿色印刷） "红色" 用蓝色墨水印刷。
    2. 要求受试者尽快读出点/汉字的印刷颜色，并记录每张卡片所需的时间（T1、T2 和 T3）。
    3. 使用公式 (T3-T1)/T1 计算干扰指数。
11. 完成认知测试后，进入视觉搜索任务。
    注意： 在HKLLT的注册部分结束后，直至整个HKLLT（3.7）完成之前，不得进行任何言语认知任务，以避免对言语记忆表现产生干扰效应。

4. 视觉搜索任务

1. 让受试者坐在椅子上，下巴置于下颌托上，前额紧贴固定横杆以减少头部移动。调整受试者双眼位置，使其大致与计算机屏幕中心对齐。在计算机程序中点击开始记录按钮以开始实验。
2. 校准
   1. 通过点击校准界面中的开始按钮，使用内置校准程序对眼动仪进行校准。
   2. 要求受试者在保持头部静止的同时，注视屏幕上移动的红色圆点，该圆点共经过9个固定注视点。
   3. 通过查看校准图（图1）检查校准质量。确保代表误差向量的绿色线条长度落在灰色圆圈内，以达到可接受的校准质量。若存在缺失点或绿色线条超出灰色圆圈范围，则需重新校准。校准合格后点击接受，进入视觉搜索任务。
3. 指导说明
   1. 向受试者口头说明实验要求，并先进行5次练习试验，使其熟悉任务流程。
   2. 指示受试者在每次试验开始时注视屏幕中央的注视十字。然后按键盘上的Enter键启动试验，此时计算机屏幕将随机呈现一个数字和79个干扰字母（图2）。
   3. 要求受试者尽快找到目标数字，并在发现数字的瞬间同时点击鼠标并大声说出该数字。
   4. 核对受试者说出的数字是否正确。
   5. 完成5次练习试验后，正式进行共40次试验。
4. 视觉搜索任务中试验图像的设计
   注意：本部分所用PHP编写的程序代码见于补充文件1。
   1. 仅使用数字4、6、7和9（补充文件1 - 第5行）。
      注意： 前期研究¹¹表明，这些数字最容易与字母区分开来。
   2. 确保目标数字在每次试验中的位置随机分布，且遵循连续不超过三次出现在同一视觉象限的规则（补充文件1 - 第48–52行）。
   3. 避免使用易混淆的字母，如"I" 和 "O"（补充文件1 - 第76–78行）。
   4. 将注视十字、字母和数字的大小设置为0.85°视场角（相当于23英寸计算机屏幕上约0.9 cm）。
      注意：选用数字和字母是因为它们是易于识别的视觉刺激，但仍需中央凹注视才能准确辨认。
   5. 在实验人员按下Enter键（步骤4.3.2）后，延迟1.5秒再将中央注视十字切换为试验图像以开始试验（补充文件2 - 第71行；156–158行）。
   6. 确保在点击鼠标或自试验开始后10秒（以先发生者为准），屏幕变为空白并重新显示注视十字（补充文件2 - 第72行；162–180行）。
   7. 任务完成后，生成一个.csv文件，记录每次试验的开始和结束时间戳（补充文件2 - 第48–59行；199–208行）。该文件用于第5部分的数据分析。

5. 眼动追踪数据处理与分析

1. 在计算机程序的回放部分，检查视觉搜索任务期间眼睛的采样百分比（图3）。如果缺失数据超过20%，则舍弃该受试者的数据。
   注意：采样百分比表示在视觉搜索任务期间，眼动仪成功定位眼睛的时间所占的百分比。
2. 点击播放按钮以回放记录，通过目视检查生成的可视化扫描路径视频来评估数据质量（图4）。如果数据存在明显错误，则舍弃该受试者的全部数据（图5）。
3. 舍弃受试者意外或过早点击鼠标的任何试验数据。
4. 在程序的数据导出部分，选择GazePointX (ADCSpx)和GazePointY (ADCSpx)以及目标受试者（图6）。点击导出数据以导出每位受试者的数据，并保存为.csv文件。该文件包含在每个时间点上受试者眼睛在计算机屏幕上的x和y坐标（以像素为单位）。
5. 使用视觉搜索分析器，在其界面中（图7），选择步骤5.4中导出的数据作为眼动数据输入，选择步骤4.4.7生成的.csv文件作为动作数据输入。选择ST DBScan作为分类算法，然后点击运行。接着点击汇总，生成一个电子表格文件，其中包含受试者的平均扫视幅度和平均注视持续时间。
6. 视觉搜索分析器的设计
   注意：分析器设计的编码可在 https://github.com/lab-viso-limited/visual-search-analyzer 找到。其程序代码见于补充文件3。
   1. 编写分析器程序，使其仅提取和分析试验开始至结束期间的数据（即从数字和字母显示开始，到点击鼠标或经过10秒为止），使用步骤4.4.7生成的.csv文件（补充文件3 - 第6-173行）。
   2. 编写分析器程序，使其通过取眨眼前后注视点x和y坐标的平均值，填补因眨眼造成的数据缺失（补充文件3 - 第176-260行）。
   3. 编写分析器程序，使其使用基于ST-DBSCAN²²开发的算法将原始数据分类为扫视或注视（程序代码见补充文件4）。 

结果

本研究的完整结果可参见已发表的原始论文²³。共招募了67名帕金森病患者并完成了评估。然而，其中有5例因佩戴与眼动仪不兼容的渐进多焦点镜片而未能完成视觉搜索任务，其数据已被剔除。受试者的平均年龄为58.9岁（标准差=7.5岁），男女比例为1.7:1。另招募了62名年龄、性别和教育程度相匹配的健康对照者进行比较。

认知与眼动参数
与其他先前研究一致²⁴，帕金森病组在多项认知任务中的表现较对照组更差（表1）。采用实验室内部算法对视觉搜索任务数据进行分类，识别并提取注视点和扫视眼动，用于后续计算与分析。研究发现，患者组的平均扫视幅度（16.36° ± 2.36）小于对照组（17.27° ± 2.49；p = 0.037）。两组间的平均注视持续时间差异无统计学意义（216.58 ms ± 31.64 vs. 211.59 ms ± 24.90；p = 0.331）（表2）。

讨论

上述方案设计为一项纵向研究的第一部分，旨在探索眼动参数作为帕金森病认知功能替代标志物的潜在临床应用价值。尽管已有研究探讨了更为经典的眼动追踪范式，例如自发起跳视、反射性跳视和抗跳视^25，26，27，但本研究采用视觉搜索任务来测量眼动参数。如前所述，该视觉搜索任务的设计至关重要，因其必须最大限度地减少认知能力对眼动追踪任务表现的已知混杂效应，否则可能影响所记录的眼动参数。例如，额叶执行功能会影响跳视潜伏期²⁸。设计中的关键问题在于数字与字母的随机分布，以及目标数字所在象限的变化，从而增加受试者使用认知策略提升任务表现的难度。结合每位受试者在40次试验中平均测量约650次跳视，所计算出的平均跳视幅度更能反映眼球产生跳视的生理能力。与既往文献一致，研究发现帕金森病患者的跳视幅度较小^29，30。在...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
计算机	Intel
计算机化认知评估工具	CANTAB	CANTAB Research Suite	包含图案识别记忆、空间跨度和剑桥袜子任务
眼动分析仪	Lab Viso Limited		https://github.com/lab-viso-limited/visual-search-analyzer
眼动仪	Tobii	Tx300	23 英寸计算机屏幕，分辨率为 1920 x 1080，采样频率为 300 Hz
香港词语学习测验	香港中文大学心理学系	香港词语学习测验（HKLLT）第二版
斯特鲁普测验	香港大学神经心理学实验室	中文版神经心理测验常模数据（第二版修订版）
Tobii Studio	Tobii	Tobii Studio 3.2.2 版	用于运行视觉搜索任务的计算机程序
视觉搜索任务	Lab Viso Limited		https://www.labviso.com/#products