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,

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....

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