利用眼动追踪评估视觉与前庭输入在翻滚平面中对皮层下运动处理的相对重要性

摘要

该方法探讨了视动和全身旋转过程中视觉与前庭觉对凝视稳定性的贡献。通过视觉、前庭觉以及视听觉联合试验实施刺激。每项试验中，扭转性眼动增益和眼震频率作为感觉特异性运动信息向反射性脑干反应的皮层下传递通路的指标。

摘要

本方案通过视动、前庭及视前庭联合刺激，评估在滚动平面旋转过程中视觉与前庭输入的相对影响。受试者接受独立的视觉旋转刺激、在黑暗环境中的全身前庭旋转刺激，以及将静态视觉场景与头部旋转相结合的视前庭联合刺激。测量指标包括动态和静态的眼动增益、绝对振幅、速度和加速度，并同步记录感知反应。每次试验前后均设置基线静息期，以稳定眼动注视状态。采用Chronos眼动追踪设备（C-ETD）实现精确的眼动与头动追踪，该设备可记录眼球扭转及头部位移在三个平移和三个旋转维度上的数据。眼动分析重点关注慢相速度和眼震频率，通过双侧眼动扭转信号的平均值提升数据质量，并剔除含伪迹的帧。实时注视对齐监控可根据需要重复试验，事后分析则排除干扰性运动的影响。视动刺激通过围绕注视点旋转的投影视觉元素实现，前庭试验则采用在黑暗中由电机驱动的全身旋转。视前庭联合试验将两种刺激结合，产生相对的视网膜运动。眼动与头动追踪数据同步，确保以100 Hz采样率进行逐帧精确分析。通过比较不同类型试验中的慢相速度，量化不同感觉输入对注视稳定性的特异性贡献。感觉特异性增益通过将视觉和前庭反应除以视前庭联合反应结果进行指数化，并通过与单独反应之和的比较加以验证。结果表明存在显著的感觉整合效应，并量化了视觉与前庭输入的相对贡献。本方案为评估滚动平面旋转过程中的多感觉整合提供了详细框架，可用于揭示运动处理中的感觉功能缺陷，并提出新颖的眼动生物标志物。该方案此前已被用于研究视觉杂乱程度和运动加速度对运动处理的影响，并发现脑震荡患者对视觉输入的依赖性增强。

引言

运动处理是一种基本且持续的神经过程。在人类中，我们主要通过视觉和前庭感觉系统接收信息，分别反映外部运动和自身运动。这两个系统在低级和高级神经区域中利用复杂的神经网络，但在最基本层面上依赖于基本的皮层下通路，以产生反射性反应，从而实现良好的姿势控制和凝视稳定性^1,2。本体感觉作为实现良好姿势控制的第三种感觉输入，尽管已有研究表明躯体感觉可能引导稳定凝视的行为，但其在产生特定眼动中的作用较为有限^1,3。

注视稳定通常通过两个独立的反射弧实现：视动反射（OKR），使眼睛跟随移动的视觉目标；以及前庭-眼反射（VOR），通过使眼睛向头部运动的相反方向移动来维持视觉清晰度¹。尽管这两个反射弧是独立的实体，但它们也共享多条神经通路，在日常状态下，我们会自然地整合视觉和前庭输入，从而形成对运动的感知⁴。

评估基本感觉运动整合过程中视觉与前庭输入如何被处理的方法有多种。许多方法采用平衡测试，以不同方式组合视觉与前庭输入^5,6,7，而另一些则利用眼动追踪来评估凝视稳定反应^8,9。这两种截然不同的运动反应共享关键的神经通路；在近期研究中，我们已阐明凝视稳定与姿势控制之间存在显著的相关性^10,11。随着眼动追踪技术日益普及，且完全依赖于非自主性运动指令，有观点认为，相较于平衡反应，眼动反应更能反映一种更本质的感觉运动整合。

大多数研究在评估眼动反应时采用垂直或水平凝视稳定作为指标^12,13。本方案则以眼球扭转（即眼球围绕其视轴的旋转）作为凝视稳定性的主要指标。相较于由偏航或俯仰旋转或平移运动引起的眼动稳定性，眼球扭转表现出更高的动态增益¹⁴。结合其较大的变异性，这意味着扭转更易受到运动参数（如视觉干扰或加速度）或医学状况的影响^15,16,17,18。由于眼球扭转不受自主眼动控制，因此它可作为感觉运动整合基本机制的更直接指标，受试者只能通过注意力而非主动的运动指令来影响该反应¹⁹。眼球扭转可由视觉和前庭系统在滚动平面内的旋转共同触发^20,21。因此，扭转性视动性眼震（OKR）和前庭眼反射（VOR）可用于评估在感觉运动整合最基本层面上，视觉与前庭运动信息的处理方式。通过分别施加独立的视觉和前庭刺激，并将反应与联合视听前庭试验中的反应进行比较，可推断出每种感觉系统如何影响眼动反应，进而揭示大脑在特定条件下如何处理外部运动与自我运动信息。此外，还可研究伴有主观运动处理障碍的各种医学状况如何影响这种基本的视听前庭整合能力。由于凝视稳定性已被证明与姿势稳定性直接相关^10,11，且两者共享基本相同的神经通路²²，因此眼动反应也可在无需压力板测量的情况下，反映个体在不同条件下的姿势稳定性。这在评估存在感觉权重重新分配的患者（如脑震荡后综合征患者）时可能尤为有意义¹⁸。

本方案概述了一种利用视动刺激与全身滚动平面旋转相结合的方法，以诱发扭转性视动性眼震（OKR）和前庭眼反射（VOR）反应。通过眼动与头部运动追踪来记录眼球扭转及前庭输入信号，所得数据可用于推断不同感觉模态之间的相对作用。该方案的目标是提供一种可靠的方法，用于评估感觉输入对注视稳定性的调控作用，以及人类个体及存在感觉权重改变个体的感觉运动整合基本能力。

本研究评估了在滚转平面旋转过程中视觉与前庭运动处理的相对贡献。实验包括向受试者施加孤立的视动旋转刺激、在黑暗环境中施加孤立的前庭全身旋转刺激，以及联合的视听前庭运动刺激，后者在受试者观察静态视觉场景的同时进行身体旋转（见图1）。研究对象包括健康对照者以及因脑震荡后出现感觉权重重新调整（表现为对视觉运动主观性过度敏感）的个体。主要结局指标包括每种刺激条件下的动态和静态眼动增益，以及绝对眼动幅度、速度和加速度。本方案中的每次试验均以受试者或视觉场景保持静止20秒开始，随后启动旋转运动。在达到预设的旋转幅度后，场景或受试者保持该幅度再持续20秒，然后结束试验；建议在每次旋转运动前后至少保持10秒的静止状态，以满足稳定眼动固视和建立基线的最低要求。尽管本方案中所有刺激均为逆时针方向，但已有研究表明旋转方向对扭转性眼动反应无影响¹⁵。由于结局变量具有反射性特征，因此无需进行训练或适应性准备。

方案

所有参与者在参加研究前均签署了知情同意书。本研究已获得地区伦理审查委员会批准（批准号：2018/1768-31/1），并依照《赫尔辛基宣言》所列原则进行。本研究遵循STROBE指南中的规范。

1. 受试者选择

1. 由医生和神经心理学家对所有参与者进行全面的临床评估。
2. 采用以下排除标准：眼动或凝视功能障碍、前庭或躯体感觉缺陷、近3个月内开始使用中枢作用药物，或除脑震荡后综合征（PCS）以外的任何神经系统或感觉系统疾病。
3. 评估眼动功能和立体视觉（TNO ≤ 60 角秒），并纳入所有能够在实验装置中融合视觉刺激的参与者。
4. 使用头脉冲试验在所有半规管平面评估外周前庭功能；通过垂直分离（skew deviation）筛查中枢功能；通过闭眼泡沫垫Romberg试验评估躯体感觉对平衡的输入作用。一名患者因双眼视觉不良被排除，一名对照因暗处存在隐性眼震被排除。

2. 眼动与头部追踪

注意：本方案要求在全身旋转过程中精确追踪眼球和头部运动，分别反映视动性与前庭性运动参数。因此，需要使用头戴式眼动追踪设备，本方案采用Chronos眼动追踪设备（C-ETD）。

1. 眼动追踪设备设置
   注意：用于评估视觉和前庭刺激效应的眼动参数主要关注眼球扭转的动态变化。眼动追踪设备必须能够记录扭转运动，为尽量减少误差，应从鼻侧和颞侧瞳孔两侧采集数据并取平均值。应追踪双眼的眼动以识别诸如扭转方向错误或面罩滑动等问题，其中摄像头位置会因面罩相对于眼睛移动而发生偏移。随后的扭转分析可使用单眼数据。分析内容包括慢相速度和眼震频率，以评估眼动增益和快相分布。建议采样率至少为100 Hz，以确保慢相分析的可靠性。
   1. 受试者准备：确保受试者在所有试验过程中稳固地坐在指定座椅上。调整坐姿以保证稳定性和舒适性，最大限度降低不必要的头部运动或面罩滑动的风险。
   2. 眼动追踪仪放置：将头戴式眼动追踪仪佩戴在受试者头部。使用钩环带或其他等效方法固定头部和眼动追踪仪，以减少头部移动。
   3. 摄像头对准与校准：确认摄像头在整个眼球运动过程中均能无遮挡地观察到眼睛。确保在主动头部运动期间未出现明显面罩滑动。将受试者固定在座椅上，并执行眼动追踪仪的校准。校准后不得再调整眼动追踪仪的位置。
2. 头部追踪设备设置
   ​注意：研究者必须确保正确的头部定位，原因有两个：一是在进行视动试验时保持头部静止，二是在前庭和视听前庭试验中计算头眼旋转之间的增益。C-ETD头部支架配备六维加速度计用于追踪头部运动，最低要求是测量头部在滚动平面内的位置、速度和加速度以及水平方向的平移。头部倾斜可能改变扭转性眼动，因此必须监测头部在水平方向的位置，确保无倾斜。加速度计必须追踪受试者头部的运动而非其自身运动，且头部支架必须牢固固定。头部追踪器的采样频率必须与眼动追踪器同步，且头部追踪器的采样率不得低于眼动追踪器。
   1. 确定旋转点：通过调节机械滑轨的旋转点来设定全身旋转所围绕的旋转中心。确保该点位于受试者双眼之间，以补偿身高差异。
   2. 头部追踪器安装：将头戴式追踪器牢固地固定在受试者头部。
   3. 线缆管理与同步：确保眼动追踪器与头部追踪器之间的连接线缆布置合理，避免缠绕。验证在刺激过程中线缆不会对受试者头部施加任何外力。

3. 视动刺激

注意：在进行视动性刺激期间，受试者应保持与前庭试验期间相同的静止坐姿。受试者应位于屏幕正前方中央位置，视线对准原眼位，确保在水平和垂直方向上均保持正前方注视。中央注视点为一个圆形，在主动刺激阶段提供方向性运动线索。视动性元素（如小圆点）均匀分布在屏幕各处，具有清晰的对比度。这些视觉元素围绕注视点以预设的速度或加速度旋转，达到设定的振幅。

1. 选择视觉刺激：选择一个高对比度的视觉场景，其中包含围绕注视点分布的散在线条或点。将注视点置于受试者眼睛前方，在垂直和水平方向上均对准。随后将旋转中心与受试者的视轴对齐。
2. 准备实验环境：消除干扰光源，确保视觉场景是唯一的照明来源。使用足够大的屏幕，尽可能覆盖受试者的整个视野。
3. 受试者指导：指示受试者在整个试验过程中持续注视中心点。在开始任何记录之前，告知受试者试验即将开始。
4. 试验执行：启动眼动与头部追踪软件。在启动运动前，先呈现静态视觉场景 10 秒。
5. 运动刺激：在运动开始前 1–2 秒，指示受试者保持眼睛完全睁开。启动视觉运动，以预设的加速度将场景旋转至固定幅度。在本实验方案中，视动场景以 7°/s²、14°/s² 和 28°/s² 的加速度逆时针旋转，最大幅度为 28°；这些参数的选择旨在为眼动反应提供精细分布的视觉与前庭输入^13,14。
6. 刺激后评估：若需评估静态眼位，则在运动终点维持静态场景 10 秒；否则，在运动停止后立即结束试验。

4. 前庭刺激

注意：前庭试验在完全黑暗环境中进行全身旋转，以在最小化视觉和本体感觉输入的同时，分离出矢状面上的头部旋转。实验采用一种定制的电动滑轨系统，该系统由两条独立的皮带驱动，每条皮带由一台交流无刷伺服电机（400 V）驱动，可对运动实现精确控制。旋转中心与眉间对齐，以适应不同身高受试者。要求受试者注视前方一个假想的参考点，同时将其头部固定以尽量减少非预期运动。利用C-ETD系统中的加速度计数据监测头部稳定性，确保运动参数符合实验方案要求。

1. 准备环境与受试者：确保房间完全黑暗，以消除视觉方向线索。将受试者固定在机械滑轨装置上，尽量减少头部或身体的非预期移动。根据受试者的身高差异，调整装置使旋转中心与受试者的眉间对齐。
2. 受试者指导：指导受试者想象一个中央注视点，并在整个试验过程中保持凝视该点。尽管微小的视线偏移难以完全避免，但此操作有助于在运动期间维持凝视稳定性。
3. 试验执行：告知受试者试验即将开始。启动眼动与头部追踪软件，并在开始运动前等待10秒。
4. 运动刺激：在运动开始前1-2秒，指示受试者保持眼睛充分睁开。启动机械滑轨装置，产生与步骤3.5中视动性眼动刺激相匹配的头旋转幅度和加速度。通过加速度计数据在每次运动前后验证头部稳定性。突发性的头部抖动将影响相应时间点的眼动记录质量。
5. 刺激后评估：若需评估静态眼位，则在运动结束后让受试者保持最终旋转位置10秒；否则，在运动停止后立即结束试验。

5. 视觉前庭刺激

注意：视前庭刺激结合了前庭试验中描述的全身旋转和视动试验中的静态视觉图像。这导致视觉场在视网膜上相对于身体旋转方向产生反向旋转，将视动和前庭运动输入整合为单一、协调的刺激。

1. 联合刺激设置：将受试者安置在机械滑车上，并按照步骤 3.1-3.3 呈现视觉场景。联合刺激应在前庭输入与视觉输入之间产生相对运动。
2. 试验执行：重复步骤 4.3-4.5，在受试者观察静态视觉场景的同时启动全身旋转。确保视觉刺激在空间中保持静止，且移动方向与受试者的旋转方向相反。眼动刺激与前庭刺激之间的同步对于准确的数据采集至关重要。

6. 数据分析

注意：使用 C-ETD 软件通过虹膜特征追踪评估眼扭转，仅纳入信号质量高于 0.5 的数据。每只眼睛选择瞳孔两侧的两条追踪线，对信号质量高于 0.5 的帧数最多的那只眼睛的数据进行平均。使用 OriginPro 2017 分析数据，排除眼震和头部运动伪影，并提示受试者在刺激前一秒钟保持睁眼，以尽量减少眨眼伪影。

1. 数据收集与准备
   1. 使用眼动追踪软件（例如 C-ETD）分析眼动追踪视频，提取扭转性、垂直性和水平性眼球运动。
   2. 根据眼动追踪系统的指南配置并校准瞳孔追踪。在通过特征追踪评估扭转反应时，为每只眼睛的瞳孔两侧各选择两个参考点。这些参考点应具有明显的地形特征，可用于模板匹配。运行眼动追踪分析程序，生成随时间变化的位置数据，并将所有眼动数据导出至单独的文件中。
   3. 在导出的文件中，使用软件提供的信号质量指数对数据进行筛选。对于 C-ETD，仅保留信号质量 > 0.5 的数据，或其他系统相应的质量阈值。
   4. 选择在信号质量上得分 > 0.5 的帧数最多的那只眼睛。对所选眼睛的最佳质量追踪线的扭转数据进行平均，确保涵盖瞳孔两侧的信息。
2. 数据可视化与质量控制
   1. 在将来自眼动追踪系统（眼球运动、头部位置和座椅运动）的数据导入分析软件之前，对其进行数字化和同步处理。
   2. 目视检查数据，包括扭转性、垂直性和水平性眼位随时间的变化，以及头部在翻滚平面内的位置，以验证每次试验期间基线稳定且运动反应符合预期（代表性的眼球运动反应见图1）。识别水平或垂直方向上是否存在干扰性的眼球运动。
3. 排除与意外的眼球或头部运动重叠的慢相，以保持数据质量和注视一致性。如果此类运动发生在主动运动刺激期间，应剔除相关数据，并考虑重复该次试验。
   1. 为分析慢相，手动追踪每个扭转性慢相，以排除干扰数据。将慢相速度计算为幅度变化除以持续时间。通过分析快速相起始时间来评估眼震节律的时间分布。记录每次试验中眼震的总次数。可通过统计每位受试者每次试验中记录的快速相数量来完成。
   2. 纳入每位受试者每次试验中的所有慢相轨迹，以确保数据可靠且具代表性，并提高统计效能。
4. 量化感觉输入的贡献
   1. 创建一个电子表格，列出视觉、前庭以及视-前庭试验中的慢相速度。
   2. 通过将每次慢相加速度与相应刺激加速度进行比较，计算眼-刺激增益，即用扭转加速度除以每次试验中的视动或头部旋转加速度。
   3. 通过将视觉和前庭试验的平均慢相增益分别除以视-前庭试验的平均慢相增益，计算指数，以评估特定感觉的贡献。对每位受试者和每种加速度条件下的平均数据进行此计算。例如，若视觉和前庭试验分别产生 3 deg/s² 和 7 deg/s² 的扭转加速度，而视-前庭试验产生 10 deg/s²，则视觉和前庭的贡献分别为 30% 和 70%。
   4. 通过比较受试者和试验中视-前庭慢相增益与视觉和前庭慢相增益之和，验证该方法的有效性。例如，若视动试验产生平均扭转速度为 3 deg/s²，前庭试验为 7 deg/s²，则视-前庭试验应接近 10 deg/s²。
   5. 使用 t 检验比较视觉和前庭增益之和与观察到的视-前庭增益；若存在稳健的整合效应，则两者之间应无显著差异。
   6. 将最终数据集整理成表格，包含慢相加速度、扭转增益、眼震频率、单个眼震事件的时间戳，以及视觉和前庭相对贡献的指数值。按受试者、试验类型（视觉、前庭或视-前庭）和运动加速度对数据进行结构化组织。
   7. 将变量分为慢相加速度、眼震频率、眼震随时间分布及感觉贡献指数进行统计分析。考虑受试者、模态和加速度等因素。建议根据数据分布情况采用多因素分析方法，如方差分析（ANOVA）。

结果

共进行了171次试验，所有参与者均接受了三种加速度水平下的视觉、前庭以及视听-前庭联合刺激。对所有诱发的眼震慢相进行了眼动追踪评估（对照组9名参与者（7名女性）共223个数据点；患者组10名（3名女性）共331个数据点）。统计分析基于每位参与者在各次试验中所得数据的平均值（n = 19），并按参与者进行数据平均。健康对照组与患者组在年龄方面相匹配。

皮层下运动整合测量的验证
主要目的是确认实验范式能够引发预期的皮层下凝视稳定反应，不同刺激模式和加速度水平均引发特征性的慢相扭转反应模式。在所有实验条件下，仅视觉刺激产生的慢相速度最慢，而视觉-前庭联合刺激时记录到的速度最快，符合皮层下加和性整合的特征（见图2）。同样，在所有刺激模式中，随着刺激加速度的增加，慢相速度也逐步升高。这些结果验证了C-ETD追踪方案的敏感性，并证实基于刺激起始至峰值加速度期间计算的眼-刺激增益，能够准确反映多感觉运动处理中的动态差异。

脑...

讨论

本方案提供了一种经过验证的方法，用于通过扭转性凝视稳定来评估皮层下运动处理，该反射由脑干环路介导²³。通过结合视觉和前庭刺激，该方法能够利用眼扭转反应评估多感官整合功能。先前的研究已证实该方法对加速度依赖性前庭贡献¹⁶、视觉信息密度¹⁵、药物调节作用²⁴以及脑震荡患者中病理性视动优势的敏感性¹⁸。这些发现凸显了该方案在识别运动处理缺陷和开发眼动生物标志物方面的实用性。

错配理论认为，当传入的感觉信号之间存在冲突时，就会引发眩晕和头晕——这种冲突通常发生在视觉、前庭和本体感觉系统之间，而这些系统在自主运动过程中本应保持一致。该理论在解释诸如视觉诱发性头晕、晕动病以及持续性姿势-感知性头晕（PPPD）等慢性功能性障碍方面发挥了重要作用^25,26<...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
交流无刷伺服电机 / Baldor BSM90C，400 V	BB Motors and Mechanical，福斯特史密斯，阿肯色州，美国	UPC 781568378342	用于构建机械滑轨装置
Chronos 眼动追踪设备（C-ETD）	Chronos Vision GmbH，柏林，德国	已不再提供	该公司提供更新的型号，具有更高的记录速率。
OriginPro	OriginLab，北安普顿，马萨诸塞州，美国	OriginPro 17	用于可视化和分析眼动、头动及座椅轨迹。
SPSS Statistics	IBM，芝加哥，伊利诺伊州，美国	SPSS Statistics 28	用于统计分析