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Methodenartikel

Messung und Analyse der zeitlichen Diskriminierung Schwelle angewendet, zervikale Dystonie

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DOI:

10.3791/56310

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27. Januar 2018

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1School of Engineering, Trinity College Dublin, The University of Dublin, 2Department of Neurology, St. Vincent's University Hospital, 3School of Medicine and Medical Sciences, University College Dublin, 4School of Mathematical Sciences, Dublin Institute of Technology, 5School of Medicine Trinity College Dublin, The University of Dublin

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Methoden für die Messung und Analyse der zeitlichen Diskriminierung Schwelle werden vorgestellt, und seine Anwendung auf die Untersuchung der Pathogenese der zervikalen Dystonie werden diskutiert.

Zusammenfassung

Die zeitliche Diskriminierung Schwelle (TDT) ist das kürzeste Zeitintervall an dem Beobachter zwei sequentielle Reize als asynchrone (in der Regel 30-50 ms) unterscheiden kann. Es hat sich gezeigt, abnorme (längeren) in neurologischen Störungen, einschließlich zervikale Dystonie, ein Phänotyp der Altersdiabetes idiopathischer isolierter fokale Dystonie sein. Die TDT ist ein quantitatives Maß für die Fähigkeit, schnelle Veränderungen in der Umwelt wahrnehmen und gilt als Hinweis auf das Verhalten der visuellen Neuronen in der superior Colliculus, ein wichtiger Knoten im verdeckte Aufmerksamkeits orientieren. Dieser Artikel enthält Methoden zur Messung der TDT (einschließlich zwei Hardware-Optionen und zwei Modi der Reize Präsentation). Wir untersuchen auch zwei Ansätze der Datenanalyse und TDT Berechnung. Die Anwendung der Beurteilung der zeitlichen Diskriminierung zum Verständnis der Pathogenese der zervikalen Dystonie und Altersdiabetes idiopathischer isolierter fokale Dystonie wird auch diskutiert.

Einleitung

Zeitliche Diskriminierung beschreibt die Fähigkeit einer Person zu unterscheiden, oder wahrnehmen, schnelle Veränderungen in ihrer Umgebung. Die zeitliche Diskriminierung Schwelle (TDT) ist das kürzeste Zeitintervall an dem Individuum wahrnehmen kann, dass zwei sequentielle Sinnesreize asynchron sind. Zeitliche Diskriminierung hat sich gezeigt, ungewöhnlich in Erkrankungen der Basalganglien, einschließlich Dystonie1,2,3,4,5,6 verlängert werden , 7.

Dystonie ist die dritthäufigste neurologische Bewegungsstörung - nach'Parkinson Krankheit und essentiellem Tremor. Es zeichnet sich durch anhaltenden oder intermittierenden Muskelkontraktionen verursachen anormale, oft monotonen Bewegungen oder Körperhaltungen8. Dystonie kann jeden Teil des Körpers betreffen. Wenn sie ein Körperteil betrifft ist es als fokale Dystonie8bekannt. Dystonie, die Auswirkungen auf die Nackenmuskulatur ist bekannt als zervikale Dystonie und ist der häufigste Phänotyp der Altersdiabetes idiopathischer isolierter fokale Dystonie. 9 , 10 die Pathogenese der zervikalen Dystonie ist unbekannt; Es gilt eine Erbkrankheit mit autosomal dominant vererbt und deutlich reduzierten Penetranz. Umweltfaktoren sind auch wichtig in Bezug auf Krankheit Penetranz und Ausdruck betrachtet.

Die superior Colliculus, eine sensomotorische Struktur befindet sich in der dorsalen Mittelhirn ist wichtig für die schnelle Erkennung von Reize aus der Umwelt in den Prozess der verdeckten Aufmerksamkeits orientierende2,11,12. Visuelle Reize zugreifen superior Colliculus schnell über Retino-tectal magnozelluläre Pfad. Die TDT ist eine einfache und objektive Maßnahme, geglaubt, um die Verarbeitung der visuellen (und andere Sinnesreize) vertreten in den oberflächlichen Schichten des superior Colliculus. Die TDT wurde bei Patienten mit zervikaler Dystonie, unberührt Verwandten und gesunden Teilnehmern untersucht. Im Vergleich zu Alter und Geschlecht abgestimmt Kontrolle Teilnehmer, eine abnorme TDT hat hohe Empfindlichkeit (97 %, 36 von 37 Patienten) und Spezifität (98-100 %) in der zervikalen Dystonie1. Eine abnorme TDT gefunden worden in 50 % der unberührt weiblichen Verwandten ersten Grades von Patienten mit zervikaler Dystonie (14, 25, 48 Jahre alt oder älter), demonstrieren im Zusammenhang von Alter und Geschlecht Penetranz mit autosomal dominante Vererbung13, 14. eine abnorme TDT in unberührt Verwandten der zervikalen Dystonie-Patienten (im Vergleich zu Verwandten mit normalen TDT) ist assoziiert mit erhöhten putaminal Volumen (durch Voxel-basierte Morphometrie)15 und reduziert putaminal Aktivität (fMRT)4 . Die superior Colliculus gilt einen signifikanten Knoten in das neuronale Netz die dysfunktionalen in zervikale Dystonie12ist. Die Beurteilung der zeitlichen Diskriminierung gilt als eine wichtige Hinweise auf die Pathomechanismen zugrunde liegenden zervikale Dystonie.

Das Ziel dieses Artikels ist es, zwei Methoden zur Messung und Analyse von zeitlichen Diskriminierung sowie demonstriert die Anwendung dieser Methode zur Untersuchung der Pathophysiologie der zervikalen Dystonie.

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Protokoll

Die medizinische Forschung-Ethik-Kommission am St. Vincent University Hospital, Dublin erteilte Zustimmung für die Rekrutierung von Patienten mit zervikaler Dystonie, Geschwister (unbeeinflusst von Dystonie) und der gesunden Kontrollpersonen, zur Teilnahme an des Protokolls beschrieben unten.

(1) Hardware & Softwarelösungen

Hinweis: Zwei Hardware-Optionen wurden entwickelt, um visuelle Reize mit präzise inter-Stimulus Intervalle anzuzeigen. Beide wurden entworfen und gebaut im eigenen Haus in der Trinity-Mitte für Biotechnologie, Trinity College Dublin, und wurden zuvor beschriebenen5,16. Diejenigen, die die genaue Hardware-Lösungen, die hierin verwendeten replizieren können gleich anfordern, indem das Trinity-Zentrum für Bioengineering direkt zu kontaktieren. Alternativ eine ganze Reihe von Anweisungen, einschließlich 3D Druckdateien für die Kopfhörer, Anweisungen für die begleitenden Arduino-Mikrocontroller, etc.. kann von http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/ heruntergeladen werden. Die Reize präsentiert in der Tischplatte Ansatz können generiert werden, mit benutzerdefinierte Programme in Präsentation (z. B.Nerven-Systems), auf einem Desktop-Computer installiert und programmiert die Leuchtdioden (LED) Steuern über die parallele Schnittstelle des der Computer. Alternativ kann wie unten beschrieben, die Tischplatte LEDs über einen Arduino-Mikrocontroller gesteuert werden. Die Präsentations-Codes und Arduino-Dateien zur Verfügung stehen, von den obigen Link herunterladen.

  1. TDT Hardware: Table-Top-Methode
    1. Markieren Sie ein "X", als einen Punkt Fixierung auf eine schwarze Matte oder ein Blatt auf dem Tisch vor dem Teilnehmer platziert.
    2. Bitten Sie die Teilnehmer, sich zu positionieren, so dass sie direkt vor der Fixierung Punkt sitzen.
    3. Die gelbe Leuchtdiode (LED) Paare (5 mm Durchmesser, 90 cd/m2 Leuchtdichte), eingehüllt in ein Feld, auf dem Tisch vor dem Teilnehmer zu platzieren.
    4. Orientieren Sie die Box so, dass die LEDs sind vertikal ausgerichtet und 7° aus das Thema Mittelpunkt auf der linken und rechten Seite positioniert, nach Bedarf.
    5. Führen Sie dieses Experiment in einem abgedunkelten Raum. Eine kleine Menge der Hintergrund Leuchtdichte möglicherweise erforderlich, damit der Bediener, genug, um das Experiment auszuführen zu sehen.
    6. Weisen Sie die Teilnehmer Fixierung darauf zu konzentrieren, zu allen Zeiten und nicht direkt auf die blinkende LEDs zu schauen.
    7. Den Mikrocontroller mit der LED-Box verbinden und folgen Sie die Anweisungen auf dem Bildschirm Anweisungen auf der Flüssigkristallanzeige der Mikrocontroller Box, z. B.Präsentation Methode auswählen: "zufällig" oder "Treppe" und wählen Sie Modus: "links oben an erster Stelle", etc. .
    8. Bitten Sie die Teilnehmer, "gleich" oder "verschieden" folgende Präsentation jedes Paares Reiz, je nachdem, ob sie die Reize, synchron oder asynchron sein empfinden zu reagieren.
    9. Dem Teilnehmer zu informieren, wenn jede Prüfung soll etwa durch vocalizing beginnen die On-Screen-Countdown von 5-0 s.

figure-protocol-1
Abbildung 1: (a) schematische Darstellung der das Design der Kopfhörer. Ein paar gelbe LEDs (5 mm Durchmesser) und die rote Fixierung LED (3 mm Durchmesser), sind auf der linken und rechten Seite des Teilnehmers über ein Head mounted gelegt und in den Spiegel vor dem Benutzer durch Reflexion sichtbar gemacht. (b) schematische 3D Modell der Kopfhörer. Der Kopfhörer wurde von Laser gesintert Nylon Kunststoff entwickelt, 0,70 kg wiegt, hat einen geringen Transparenz-Index und ist schwarz in der Farbe, leichte Penetranz zu minimieren. (ein und b) werden mit geringfügigen Änderung von Butler Et al.wiedergegeben. 16 mit Erlaubnis von IOP Publishing. (c) die LED-Reiz-Box für Tischplatte Präsentation.

  1. TDT Hardware: Tragbare TDT Kopfhörer
    1. Führen Sie das Experiment in jedem geeigneten Platz.
    2. Schließen Sie den Mikrocontroller an die Kopfhörer die Anweisungen auf dem Bildschirm Anweisungen auf der Flüssigkristallanzeige der Mikrocontroller Box, z. B.Präsentation Methode auswählen: "zufällig" oder "Treppe" und Modus: "links oben an erster Stelle", etc..
    3. Richten Sie die Teilnehmer, sich mit den Ellbogen auf einem Tisch vor ihnen zu positionieren. Dann halten Sie das Gerät in ihren Händen, leiten sie sanft ihr Gesicht in der Kautschuk-Dichtstoff rund um das Okular so drücken Abdichtung Umgebungslicht.
    4. Weisen Sie die Teilnehmer auf die roten Fixierung LED zu allen Zeiten zu konzentrieren und nicht direkt auf die blinkende LEDs zu schauen.
    5. Bitten Sie die Teilnehmer, "gleich" oder "verschieden" folgende Präsentation jedes Paares Reiz, je nachdem, ob sie die Reize, synchron oder asynchron sein empfinden zu reagieren.
    6. Dem Teilnehmer zu informieren, wenn jede Prüfung soll etwa durch vocalizing beginnen die On-Screen-Countdown von 5-0 s.

(2) Reizdarbietung

Hinweis: Es sind zwei Ansätze zur Reizdarbietung eingesetzt worden.

  1. Treppe-Methode
    1. Wählen Sie "Staircase" Präsentation; Reize sind präsentiert alle 5 s mit dem inter-Stimulus-Intervall, beginnend bei 0 und zunehmend zunehmend asynchron (5 ms) jedes Mal.
    2. Wählen Sie eine der vier Präsentation Modalitäten: (i) linke obere LED erste (Ii) links untere erste (Iii) rechts oben LED LED zuerst, oder (iv) rechter untere LED zuerst.
    3. Wiederholen Sie Schritt 2.1.2, so dass jede Modalität zweimal ausgeführt wird, was zu insgesamt acht Läufen.
    4. Der Versuch zu beenden, wenn ein Teilnehmer "anders" für drei aufeinander folgenden Paaren der Reize reagiert.
  2. Zufällige Präsentation Methode
    1. Wählen Sie "Random" Präsentation; Reize Paare präsentieren sich alle 5 s. Das inter-Stimulus-Intervall variiert in einem randomisierten Mode von 0-100 ms.
    2. Wählen Sie eine der vier Präsentation Modalitäten: (i) linke obere LED erste (Ii) links untere erste (Iii) rechts oben LED LED zuerst, oder (iv) rechter untere LED zuerst.
    3. Wiederholen Sie Schritt 2.2.2, so dass jede Modalität zweimal ausgeführt wird, was zu insgesamt acht Läufen.
      Hinweis: Jedem Lauf ist die gleiche Länge und wird automatisch abgeschlossen.

(3) Datenanalyse

  1. TDT Einzelwert
    1. Anhand der Daten aus der Treppe-Methode, markieren Sie die erste der drei letzten "anderen" Antworten für jede der acht Läufe. Dies sind die Schwellenwerte für jeden Lauf.
    2. Zeitliche Diskriminierung Schwelle (TDT) für jeden Teilnehmer zu berechnen, wobei des Median der Schwellenwerte von jedem ihrer acht Durchläufe; was in einem einzigen TDT-Wert (in Millisekunden) pro Person.
    3. Berechnen Sie die Z-Score für jeden Teilnehmer. Definieren der Z-Score als die Differenz zwischen TDT des Teilnehmers und die mittlere TDT aus ein Alter abgestimmt Kontrollgruppe (figure-protocol-2, geteilt durch die Standardabweichung der Werte für die Kontrollgruppe TDT figure-protocol-3 .
      figure-protocol-4
    4. Bestimmen Sie, ob die betroffene Person eine normal oder abnormal TDT hat. Ein Z-Score ≥ 2,5 gilt eine abnorme TDT widerspiegeln.
  2. Verteilungsanalyse
    1. Anhand der Daten aus der Treppe-Methode, die Antwortdaten codieren Sie, dass "0" entspricht "gleich" und "1", "anders", Tabelle 1.
    2. Laden Sie eine kostenlose MATLAB.exe um die Verteilung von http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/ beschriebenen Analyse. Vgl. Butler Et al. 16 für eine vollständige Beschreibung dieser Methode. Alternativ gehen Sie wie nachfolgend beschrieben.
    3. Polstern Sie die Daten um sicherzustellen, dass alle die gleiche Länge wie die längste Abfahrt sind. Dies geschieht unter der Annahme, alle nachfolgenden Antworten, nach Beendigung eines Laufes sind "anders", Tabelle 1 Buchstabe b.
    4. Durchschnittliche Antworten über Studien für jeden Teilnehmer, Tabelle 1 Buchstabe c. Dies kann als eine Funktion der Reiz Asynchronie geplottet werden.
    5. Passen Sie diese gemittelten oder repräsentative Daten mit einer kumulativen Gaußsche Funktion. Der Mittelwert dieser Verteilung ist der Punkt an dem Teilnehmer gleich wahrscheinlich reagieren "gleich" oder "anders" sind. Diesen Punkt nennt man den "Point of subjektive Gleichheit" (PSE). Die Standardabweichung der Gauß-Verteilung, auch genannt der "gerade wahrnehmbare Unterschied" (JND) gibt an, wie empfindlich die Teilnehmer sollen Änderungen im zeitlichen Asynchronie um ihren Mittelwert.
    6. Erweitern Sie die Analyse mit dem Absenden der Daten zu einem nicht-parametrische bootstrapping-Verfahren um 95 %-Konfidenzintervall für den TDT und der PSE und JND der psychometrischen, kumulative Gaußsche Funktion zu schätzen. Um dies zu tun, erzeugen Sie neue repräsentative Datensätze durch Stichproben mit Ersatz aus den ursprünglichen Antworten Tabelle 1 Buchstabe b, für jeden Zeitschritt. Berechnen Sie der TDT und passen Sie eine neue psychometrische Funktion für jedes repräsentative Daten Set16.
    7. Berechnen Sie die Güte der Passform oder Devianz (D), für jeden Teilnehmer mit Hilfe der Log-Likelihood Ratio,16,17
      figure-protocol-5
      wo K die Anzahl der Zeitpunkte ist, ist nich , dass die Anzahl der Wiederholungen zu diesem Zeitpunkt, in der Regel acht Wiederholungen (vier Links und vier rechts), yich die beobachteten Anteil der asynchronen Antworten ist, p i ist der Anteil der asynchronen Antworten durch die angepasste Kurve vorhergesagt. Abweichung der Wert 0 bedeutet eine perfekte Passform.
    8. Zeichnen Sie die Ergebnisse.
      Hinweis: Daten aus der zufälligen Präsentation Ansatz können analysiert werden, um die Einzel- oder verteilte TDT zu bestimmen, wie in Abschnitt 3 dargelegt für Daten aus der Treppe Präsentation Methode beschrieben. Jedoch aufgrund der zufälligen Darstellungsreihenfolge der Inter Reize Intervalle, müssen diese Daten zuerst (vom kleinsten bis zum größten inter-Stimulus-Intervall) bestellt werden, vor dem Beginn der Analysis beschrieben, Tabelle 2. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, pad die Daten nach zufälliger Präsentation, da standardmäßig alle Läufe gleich lang sind.

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Ergebnisse

Beispiele für gefüllt Wertungsbögen sind in Tabellen 1 und 2, wo diese stellen bzw. nach Treppe und zufällige Impulse Präsentationsmethoden Ergebnisse zur Verfügung gestellt. Die Schwellenwerte für jeden Lauf (der Zeitpunkt für die erste von drei Impulse Paare gilt als verschiedene ''), werden hervorgehoben. Im Fall von Tabelle 1errechnet sich der TDT als 25 ms (d. h., der Median des 40, 25, 25, 25, 45, 25, 40, 1...

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Diskussion

TDT-Messung und Analyse

Zwei Formen der Apparat (Tischplatte und Kopfhörer), zwei Methoden der Reizdarbietung (Treppe und zufällige), und zwei Ansätze zur Datenanalyse (traditionelle und Vertrieb) wurden präsentiert veranschaulichen wie Sie messen und quantifizieren einer Person die zeitliche Diskriminierung-Fähigkeit. Tragbare Kopfhörer bietet eine günstige Hardware-Option, die Konsistenz in Abstand und Winkel zwischen dem Teilnehmer und der LED-Lichtquellen sichert und ermög...

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Offenlegungen

Rebecca B Beck, Eavan M Mc Govern, John Butler, Dorina Birsanu, Brendan Quinlivan, Ines Beiser, Shruti Narasimham haben keine Finanzierungsquellen, finanzielle Angaben oder Interessenkonflikt zu erklären. Michael Hutchinson erhält Forschungsgelder von Dystonie Irland, Health Research Board of Ireland (CSA-2012-5), Stiftung für Dystonie-Forschung (Belgien) und irischen Institut für klinische Neurowissenschaften. Sean O'Riordan Berichte empfangen einen Lautsprecher's Honorar von Abbvie. Richard Reilly erhält Mittel von Science Foundation Ireland, Enterprise Ireland und Health Research Board of Ireland.

Danksagungen

Diese Forschung wurde durch Zuschüsse aus der Health Research Board, Dystonie Irland, Science Foundation Ireland und der irischen Institut für klinische Neurowissenschaften unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
TDT-KopfsatzKann vom Trinity Centre for Bioengineering, Trinity College Dublin geliefert werden. Alternativ steht eine vollständige Anleitung zum kostenlosen Download zur Verfügung unter http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/1Ein speziell angefertigtes, tragbares Gerät zur Darstellung visueller Reize.
TDT Tisch-LED-BoxKann vom Trinity Centre for Bioengineering, Trinity College Dublin geliefert werden. Alternativ steht eine vollständige Anleitung zum kostenlosen Download unter http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/2zur Verfügung. Ein speziell angefertigtes Tischgerät zur Präsentation visueller Reize.
MikrocontrollerKann vom Trinity Centre for Bioengineering, Trinity College Dublin, geliefert werden. Alternativ stehen vollständige Anweisungen zum kostenlosen Download zur Verfügung unter http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/3Ein speziell angefertigter Mikrocontroller für die Abgabe visueller Reize in treppenaufsteigender oder zufälliger Reihenfolge, mit präzisen Inter-Stimulus-Intervallen.

Referenzen

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Schlagwörter

Superioren ColliculusTreppenmethoderandomisierte Pr sentationkumulative Gau VerteilungPunkt der subjektiven Gleichheitgerade noch wahrnehmbarer UnterschiedZed Score BerechnungGABAerge Inhibition
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