Name: 通过仪器和分析工具量化动眼神经反应和调节 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-03T13:40:00.000+00:00
Duration: 8 min 27 s
Description: 了解如何使用VisualEyes2020和AMAP工具量化动眼神经反应与调节功能。该方法通过自定义脚本呈现视觉刺激并同步记录眼动数据，为神经科学和视觉科学研究提供客观测量手段，帮助区分双眼功能障碍患者与正常对照组。

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本研究由美国国立卫生研究院资助项目R01EY023261（T.L.A. 负责）以及巴里·戈德华特奖学金和新泽西理工学院教务长博士生奖（S.N.F. 获得）支持。

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<li>Maddox, E. E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMaddox%2C+EE+%22The+Clinical+Use+of+Prisms+and+the+Decentering+of+Lenses%22">The Clinical Use of Prisms and the Decentering of Lenses</a>. , John Wright and Co. London, UK. (1893).</li>
<li>Yaramothu, C., Santos, E. M., Alvarez, T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+visual+distractors+on+vergence+eye+movements%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vision%22%5BJournal%5D)">Effects of visual distractors on vergence eye movements.</a> Journal of Vision. 18 (6), 2(2018).</li>
<li>Borsting, E., Rouse, M. W., De Land, P. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prospective+comparison+of+convergence+insufficiency+and+normal+binocular+children+on+CIRS+symptom+surveys.+Convergence+Insufficiency+and+Reading+Study+%28CIRS%29+group%5BTitle%5D)+AND+%22Optometry+and+Vision+Science%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((The+first+and+second+order+dynamics+of+accommodative+convergence+and+disparity+convergence%5BTitle%5D)+AND+%22Vision+Research%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((The+Convergence+Insufficiency+Neuro-mechanism+in+Adult+Population+Study+%28CINAPS%29+randomized+clinical+trial%3A+Design%2C+methods%2C+and+clinical+data%5BTitle%5D)+AND+%22Ophthalmic+Epidemiology%22%5BJournal%5D)">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://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLeigh%2C+RJ+%22The+Neurology+of+Eye+Movements%22">The Neurology of Eye Movements</a>. , Oxford Academic Press. Oxford, UK. (2015).</li>
<li>Alvarez, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Clinical+and+functional+imaging+changes+induced+from+vision+therapy+in+patients+with+convergence+insufficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+International+Conference+of+the+IEEE+Engineering+in+Medicine+and+Biology+Society%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Objective+assessment+of+vergence+after+treatment+of+concussion-related+CI%3A+A+pilot+study%5BTitle%5D)+AND+%22Optometry+and+Vision+Science%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Vergence+endurance+test%3A+A+pilot+study+for+a+concussion+biomarker%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">Vergence endurance test: A pilot study for a concussion biomarker.</a> Journal of Neurotrauma. 36 (14), 2200-2212 (2019).</li>
</ol>

作者声明无利益冲突。

该方法在研究中的应用 
相较于最初的 VisualEyes2020（VE2020）软件，其创新之处在于 VE2020 可扩展至多个显示器，呈现一个或多个视觉刺激，从而支持从集合的 Maddox 组分量化18到干扰性目标对指令性目标影响19等一系列科学问题的研究。将 haploscope 系统扩展至 VE2020，并结合 VEMAP 与 AMAP 的配套开发，构建了一个自成体系的刺激呈现与分析平台，可兼容当前可获取的眼动与调节记录设备。在成功创建 VE2020 刺激程序并完成后续记录后，将原始的眼动位置和调节数据转换为有意义且可分析的数据子集，使研究人员能够利用必要的无创工具，全面探究常见及潜在的视觉功能障碍，例如正常发生或轻度创伤性脑损伤引发的功能障碍以及集合不足，并可与双眼视觉正常的对照参与者功能进行比较1,2,13</su...

双眼协调运动以及对视觉刺激产生适当的调节和眼动反应是日常生活中至关重要的方面。当个体的集合性眼动反应速度降低时，通过眼动记录可量化该异常，并可能出现复视（diplopia）1,2。此外，一项Cochrane文献荟萃分析指出，患有眼动功能障碍的患者在试图维持正常双眼视觉时，常出现一系列共有的视觉症状，包括视物模糊或复视、头痛、眼部疲劳或紧张感，以及难以舒适地阅读3。快速共轭眼动（扫视）若存在缺陷，可能对视觉目标反应不足或过度，因而需要额外的连续扫视来纠正这种误差4。这些眼动反应还可能受到调节系统的影响，当晶状体对光线的聚焦不当时，会导致视物模糊5。
诸如阅读或操作电子设备等任务需要眼球运动系统与调节系统的协调配合。对于存在双眼运动功能障碍或调节功能障碍的个体而言，无法维持双眼融合（单视）和清晰视觉会降低其生活质量及整体工作效率。通过建立可重复的仪器配置和客观分析方法，对这两个系统进行独立且协同的定量记录，有助于深入理解个体对特定功能缺陷的适应特征。眼动的定量测量可为临床诊断提供更全面的依据。6 与传统方法相比，具有预测修复概率的潜力 通过 治疗干预。该仪器与数据分析套件有助于理解当前临床护理标准（如视觉训练）背后的机制，以及治疗干预对患者可能产生的长期影响。明确具有正常双眼视觉与不具正常双眼视觉个体之间的定量差异，可能为基于客观结果测量的个性化治疗策略提供新思路，并提高康复干预的有效性。
迄今为止，尚无任何一种商业化的平台能够同时刺激并定量记录眼动数据以及相应的调节位置和速度反应，且这些数据无法进一步处理为独立的（眼动和调节）数据流。针对调节和眼动的位置及速度反应的信号处理分析，分别确立了约10 Hz的最低采样频率要求。7 以及建议的扫视眼动采样率为 240 Hz 至 250 Hz8,9然而，辐辏性眼动的奈奎斯特采样率尚未确立，尽管其峰值速度比扫视眼动低约一个数量级。尽管如此，当前文献中仍存在眼动记录与自动验光仪器平台整合方面的空白。此外，对客观眼动反应与同步调节反应进行联合分析的能力尚未实现开源。因此，视觉与神经工程实验室（VNEL）通过开发VE2020系统及两套离线信号处理程序，解决了仪器同步与数据分析的需求，用于分析眼动和调节反应。VE2020具有可定制性 通过 校准程序和刺激方案，适用于从基础科学到临床的多种应用，包括针对会聚不足/过度、散开不足/过度、调节不足/过度、与脑震荡相关的双眼视觉功能障碍、斜视、弱视和眼球震颤等双眼视觉研究项目。VE2020 配合 VEMAP 和 AMAP 使用，可进一步实现对这些刺激条件下眼动及调节运动的数据分析功能。

<table><tbody><tr><td>模拟终端转接盒</td><td>National Instruments</td><td>2090A</td><td></td></tr><tr><td>凸球面试镜片组</td><td>Reichert</td><td>Portable Precision Lenses</td><td>用于自动验光仪校准</td></tr><tr><td>显卡</td><td>-</td><td>-</td><td>最低性能要求为SLI配置的GTX980</td></tr><tr><td>ISCAN 眼动仪</td><td>ISCAN</td><td>ETL200</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks</td><td>v2022a</td><td>AMAP软件要求</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks</td><td>v2015a</td><td>VEMAP软件要求</td></tr><tr><td>Microsoft Windows 10</td><td>Microsoft</td><td>Windows 10</td><td>VE2020所需的运行操作系统</td></tr><tr><td>Plusoptix PowerRef3 自动验光仪</td><td>Plusoptix</td><td>PowerRef3</td><td></td></tr><tr><td>刺激显示屏幕（数量：4台及以上）</td><td>Dell</td><td>分辨率 1920x1080</td><td>注意所有显示器应为相同品牌和型号，以避免分辨率及物理配置上的差异</td></tr></tbody></table>

通过仪器与分析工具箱对眼动反应和调节进行量化

Quantification of Oculomotor Responses and Accommodation Through Instrumentation and Analysis Toolboxes

通过有目的地刺激并记录眼动，可以观察到眼动背后神经机制的基本特征。VisualEyes2020（VE2020）的开发是由于目前缺乏可定制的、不依赖传统haploscope中电机或执行器的基于软件的视觉刺激系统供研究人员使用。该新型仪器与方法采用了一种新颖的haploscope配置，结合了眼动追踪与自动验光仪系统。配套的分析软件可实现对眼动与调节反应的同步分析，为视觉研究人员和临床医生提供了一个可重复且可共享的研究工具。视觉与神经工程实验室（VNEL）开发了眼动分析程序（VEMAP），用于处理VE2020眼动追踪器所产生的记录数据；同时开发了调节运动分析程序（AMAP），用于处理相应自动验光仪系统的记录输出。VNEL主要研究三种基本刺激：调节（由模糊驱动的晶状体曲率变化）、辐辏（双眼向内会聚旋转与向外发散旋转）以及扫视（共轭性眼动）。VEMAP与AMAP采用相似的数据处理流程，在必要时也包含人工操作干预，但这些分析平台推动了客观软件套件的建立，从而最大限度减少对操作者的依赖。图形化界面及其相应算法的实用性使得操作者即使缺乏编程经验，也能开展广泛多样的视觉实验。

VE2020诱导的刺激性眼动的组水平集合图及其相应的一阶速度特征如图11所示。
<img alt="图11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64808/64808fig11.jpg" /> 
图11：眼动反应集合图。 展示了使用VE2020刺激产生的辐辏步进（左侧）和扫视运动（右侧）的集合图。每条眼动位置轨迹（度）以不同颜色的线条表示，并与红色的群体水平速度反应叠加显示。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64808/64808fig11large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
AMAP 导出的特征可在一个易于访问的电子表格中...

VisualEyes2020（VE2020）是一种自定义脚本语言，用于呈现、记录和同步视觉眼动刺激。VE2020 可提供共轭眼动（扫视和平滑追踪）、非共轭眼动（辐辏）、调节以及这些眼动形式组合的刺激。两个分析程序整合了眼动追踪系统和调节记录系统的数据处理。

通过有目的地刺激并记录眼动，可揭示眼动背后神经机制的基本特征……

本研究中使用的软件包可对任何特定实验进行全面且完整的控制。Visualize 2020 可自定义刺激参数，AMAP 和 VMAP 分别提供针对调节反应和眼动行为的互补性分析。该技术的主要优势在于其透明性。从程序上讲，用户可在软件范围内针对任何特定实验方案自定义刺激行为、校准流程和分析过程。通过数据解析对眼动和调节进行客观测量，使视觉科学家和医生能够首先区分双眼功能障碍患者与双眼神经瘤对照者，其次理解视觉治疗背后的神经机制。眼动记录可作为眼动功能障碍的潜在生物标志物，在伴有高发双眼视觉功能障碍的脑震荡和帕金森病人群中具有潜在应用价值。首先监测设备的连接和硬件设置。VisualEyes 2020 系统按空间位置以顺时针顺序分配显示器。确保刺激显示器的空间配置正确。主控显示器的索引为零，所有后续显示器的索引从一开始依次编号。选择“识别”以查看分配给连接到控制计算机的每个刺激显示的显示器索引。在显示器设置中，进入显示分辨率并检查推荐的分辨率。确保眼动追踪系统位于光轴中线上，且相机与被测者之间的最小距离为 38 厘米。检查自动验光系统的放置位置是否位于光轴中线上，并距离眼睛约一米。通过参考尺寸来验证硬件和设备的配置。确保桌面及相应的眼动追踪硬件已根据制造商的说明进行配置和校准。使用红外透射滤光片单眼遮挡受试者的左眼，并在滤光片前放置一个凸球面试镜片。接下来，从物理上较近的刺激显示器向双眼呈现一个高视锐度的4度刺激。然后，从物理上较近的刺激显示器向双眼呈现一个高视锐度的16度刺激。在获得知情同意后，指导受试者坐入 haploscope 中。将受试者的前额和下巴紧贴固定头托，以尽量减少头部移动，并调节座椅高度，使受试者在整个实验过程中颈部保持舒适。调节眼动记录摄像头，确保受试者的眼睛位于摄像头视野范围内。然后调节眼动追踪信号及眼动追踪门控增益，以捕捉角膜缘、瞳孔和角膜反射等解剖特征。通过要求受试者重复进行辐辏或扫视运动，验证眼动数据的捕获效果。配置数据时，使用包含自动验光仪数据的外部存储设备，并将数据导出至安装有 AMAP 的设备。启动 AMAP 应用程序，选择文件预处理器或批量预处理器。在系统完成所选数据的预处理后，查看 AMAPs 进度条和通知。AMAPs 预处理会生成文件夹目录，以提高数据处理的透明度，并可通过计算机本地驱动器中的 AMAP 输出目录进行访问。如果在未进行先前数据处理的情况下选择了 AMAP 功能，系统将弹出文件资源管理器窗口，提示用户选择一个数据目录。接下来，为了进行 AMAP 数据分析，通过“加载数据”按钮选择一个数据文件进行分析，该按钮会将所有可用文件加载到当前文件目录中，默认目录为生成的 AMAP_输出文件夹。所选数据文件的名称将显示在当前文件字段中。在“眼睛选择器”下，勾选默认选项，以显示记录的调节屈光度的双眼平均数据。通过类型选择器将数据类型切换为调节性屈光度和眼动集合，表示为注视。查看可用于展示数据指标以及一阶和二阶特征的其他图形自定义选项。查看AMAP的默认指标。通过指标修改微调器，调整响应起始索引、响应结束索引和峰值速度索引。在完成所有已显示记录运动的分析后，将每个数据文件的分析指标保存至运动ID字段，或通过左侧单词和右侧单词导航箭头进行保存。未分析的运动默认分类为“非数字”（记为 NaN），且不会被保存或导出。对每个动作进行手动分类，判断为良好或不良，以确保任何操作者都能完成全面分析。选择“保存”按钮以保存已分析的数据，然后选择“导出”按钮，将分析后的数据导出至一个可访问的电子表格中，该表格包含各个动作的指标以及平均导出指标的工作表。此处展示了由VisualEye 2020诱发的刺激性眼动的组水平集合图及其对应的一阶速度特征。每个眼动位置轨迹以唯一颜色的线条绘制，并与红色表示的组水平速度响应叠加显示。参与者的表型可视化也可通过AMAP实现，该图显示了五个会聚反应的集合以及由数据处理得到的相应1.5屈光度调节反应。确保受试者位于中线上，并理解实验过程中眼睛需要如何配合，这一点至关重要。清晰的眼动图像以及适当的门控对于记录可用于离线分析的数据极为关键。我们正在探索虚拟现实等新技术，以将这些技术转化为便携式设备，用于诊断和治疗干预，帮助患有双眼视功能障碍的患者，这类功能障碍在脑震荡后的普通人群中或帕金森病患者中较为常见。

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