Methodenartikel

Verwendung von Eye-Tracking zur Beurteilung der relativen Bedeutung von visuellem und vestibulärem Input für die subkortikale Bewegungsverarbeitung in der Rollebene

DOI:

10.3791/68289

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22. August 2025

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1Marianne Bernadotte Centrum, Department for Clinical Neuroscience, Karolinska Institutet, 2St Erik Eye Hospital

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Die Methodik untersuchte visuelle und vestibuläre Beiträge zur Blickstabilisierung während optokinetischer und Ganzkörperrotationen. Die Stimulation erfolgte durch visuelle, vestibuläre und visuovestibuläre Studien. Die Torsions-Augenbewegungsverstärkung und die Nystagmusfrequenzen dienten als Indikatoren für die subkortikale Weiterleitung sensorischer Bewegungsinformationen an die reflexive Hirnstammreaktion für jeden Versuch.

Zusammenfassung

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Das vorliegende Protokoll bewertet den relativen Einfluss von visuellen und vestibulären Eingaben während der Rotationen der Rollebene unter Verwendung optokinetischer, vestibulärer und kombinierter visuovestibulärer Stimulationen. Die Probanden durchliefen isolierte visuelle Rotationen, vestibuläre Ganzkörperrotationen in der Dunkelheit und visuovestibuläre Stimulationen, die statische visuelle Szenen mit Kopfrotationen kombinierten. Dynamische und statische Augenbewegungsverstärkungen, absolute Amplituden, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen wurden neben den Wahrnehmungsreaktionen gemessen. Die Versuche umfassten eine Ruhephase vor und nach der Bewegung, um die okulomotorische Fixation zu stabilisieren. Ein präzises Eye- und Head-Tracking wurde mit dem Chronos Eye-Tracking Device (C-ETD) erreicht, das die Augentorsion und die Kopfbewegungen über drei translationale und drei rotationale Dimensionen aufzeichnete. Die Augenbewegungen wurden auf langsame Phasengeschwindigkeiten und Nystagmushäufigkeit analysiert, wobei die Datenqualität durch die Mittelung der Torsionsleistungen beider Augen und den Ausschluss von Frames mit Artefakten sichergestellt wurde. Die Echtzeit-Überwachung der Blickausrichtung ermöglichte die Wiederholung des Versuchs nach Bedarf, und die Post-hoc-Analyse schloss störende Bewegungen aus. Bei der optokinetischen Stimulation wurden projizierte visuelle Elemente um einen Fixationspunkt gedreht, während bei vestibulären Versuchen motorisierte Ganzkörperrotationen in der Dunkelheit verwendet wurden. Visuovestibuläre Versuche kombinierten beide Stimuli, wodurch eine relative Netzhautbewegung erzeugt wurde. Die Datensynchronisation zwischen Eye- und Head-Trackern gewährleistete eine genaue Frame-by-Frame-Analyse, die bei 100 Hz aufgezeichnet wurde. Sensorische Beiträge zur Blickstabilisierung wurden durch den Vergleich der langsamen Phasengeschwindigkeiten über verschiedene Studientypen hinweg quantifiziert. Sensorische Gewinne wurden indiziert, indem visuelle und vestibuläre Reaktionen durch visuovestibuläre Ergebnisse dividiert und durch Vergleiche mit summierten individuellen Reaktionen validiert wurden. Die Ergebnisse zeigten eine robuste sensorische Integration, wobei die relativen Beiträge von visuellen und vestibulären Eingaben quantifiziert wurden. Dieses Protokoll bietet einen detaillierten Rahmen für die Bewertung der multisensorischen Integration während der Drehung der Rollebene. Das Protokoll kann daher dazu dienen, sensorische Defizite in der Bewegungsverarbeitung aufzuklären und neue okulomotorische Biomarker zu präsentieren. Es wurde bereits früher eingesetzt, um zu bewerten, wie sich visuelle Unordnung und Bewegungsbeschleunigungen auf die Bewegungsverarbeitung auswirken, und hat eine erhöhte Abhängigkeit von visuellen Eingaben bei Patienten mit Gehirnerschütterung hervorgehoben.

Einleitung

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Die Bewegungsverarbeitung ist ein grundlegender und kontinuierlicher neuronaler Prozess. Beim Menschen erhalten wir Informationen hauptsächlich über unser visuelles und vestibuläres sensorisches System, das die Außen- bzw. Selbstbewegung widerspiegelt. Diese beiden Systeme verwenden komplexe neuronale Netze über untere und höhere neuronale Regionen hinweg, verlassen sich jedoch auf grundlegende subkortikale Bahnen, um reflexive Reaktionen zu erzeugen, die eine gute Haltungskontrolle und Blickstabilität ermöglichen 1,2. Die Propriozeption ist der dritte sensorische Faktor für eine gute Haltungskontrolle, und obwohl gezeigt wurde, dass die Somatoempfindung blickstabilisierende Verhaltensweisen steuern kann, ist ihre Rolle bei der Erzeugung unterschiedlicher Augenbewegungen begrenzt 1,3.

Die Blickstabilisierung wird im Allgemeinen durch zwei getrennte reflexive Bögen erreicht, den optokinetischen Reflex (OKR), der das Auge dazu bringt, einem sich bewegenden visuellen Element zu folgen, und den vestibulo-okulären Reflex (VOR), der die Sehschärfe unterstützt, indem er die Augen dazu bringt, sich in die entgegengesetzte Richtung des Kopfes zu bewegen1. Obwohl es sich um unterschiedliche Entitäten handelt, teilen sich diese reflexiven Bögen auch mehrere neuronale Bahnen, und in unserem gewohnheitsmäßigen Zustand kombinieren wir auf natürliche Weise visuellen und vestibulären Input, um einen Eindruck von Bewegungzu erzeugen 4.

Es gibt verschiedene Methoden, um zu beurteilen, wie das Sehen und der vestibuläre Input während dieser grundlegenden sensomotorischen Integration verarbeitet werden. Viele Merkmalsbalance-Tests, bei denen visuelle und vestibuläre Eingaben in verschiedenen Iterationen kombiniertwerden 5,6,7, während andere Eye-Tracking verwenden, um die blickstabilisierende Reaktion zu beurteilen 8,9. Diese beiden sehr unterschiedlichen motorischen Reaktionen teilen sich wichtige neuronale Bahnen, und wir haben in neueren Studien robuste Korrelationen zwischen Blickstabilisierung und Haltungskontrolle skizziert10,11. Da Eye-Tracking zunehmend verfügbar wird und sich ausschließlich auf unfreiwillige motorische Befehle stützt, könnte ein Argument dafür angeführt werden, dass sie eine angeborenere sensomotorische Integration widerspiegeln als die Gleichgewichtsreaktion.

In der Mehrzahl der Studien wird die vertikale oder horizontale Blickstabilisierung bei der Beurteilung der Augenbewegungsreaktion verwendet12,13. Das vorliegende Protokoll implementiert stattdessen die Augentorsion, die Drehung des Auges um seine Sehachse, als Hauptindikator für die Blickstabilisierung. Die Augentorsion weist einen dynamischeren Gewinn auf als die Blickstabilisierung, die durch Gier- oder Nickdrehungen oder translatorische Bewegungen verursacht wird14. In Verbindung mit einer größeren Variabilität bedeutet dies, dass die Torsion leichter von Bewegungsparametern wie visueller Unordnung oder Beschleunigung oder medizinischen Bedingungen beeinflusst wird 15,16,17,18. Da die Torsion außerhalb des Zuständigkeitsbereichs der willkürlichen okulomotorischen Kontrolle liegt, dient sie auch als direkterer Indikator für die grundlegende sensomotorische Integration, da ein Proband in der Lage ist, die Reaktion nur durch seine Aufmerksamkeit und nicht durch einen beabsichtigten motorischen Befehl zu beeinflussen19. Die okuläre Torsion kann sowohl durch visuelle als auch durch vestibuläre Rotationen in der Rollebeneausgelöst werden 20,21. Das torsionale OKR und VOR können daher verwendet werden, um zu beurteilen, wie visuelle und vestibuläre Bewegungsinformationen während der sensomotorischen Integration auf ihrer grundlegendsten Ebene gehandhabt werden. Durch isolierte visuelle und vestibuläre Stimulationen und den anschließenden Vergleich der Reaktionen mit denen, die in kombinierten visuovestibulären Studien beobachtet wurden, kann man ableiten, wie jedes sensorische System die Augenbewegungsreaktion beeinflusst und folglich wie das Gehirn Außen- und Selbstbewegungen in einer bestimmten Umgebung verarbeitet. Man kann auch untersuchen, wie sich verschiedene Erkrankungen mit subjektiven Motion-Processing-Defiziten auf diese grundlegende Fähigkeit zur visuovestibulären Integration auswirken. Da gezeigt wurde, dass die Blickstabilität direkt mit der Haltungsstabilitätkorreliert 10,11 und weitgehend die gleichen grundlegenden neuronalen Bahnen22 aufweist, kann die Augenbewegungsreaktion auch die Haltungsstabilität eines Individuums unter verschiedenen Bedingungen anzeigen, ohne dass Druckplattenmessungen erforderlich sind. Dies kann von besonderem Interesse sein, wenn Patienten mit sensorischer Regewichtung untersucht werden, wie sie beim Post-Concussion-Syndrombeobachtet wurde 18.

Das vorliegende Protokoll skizziert eine Methodik zur Verwendung von Kombinationen aus optokinetischen und Ganzkörper-Rollebenenrotationen, um torsionale OKR- und VOR-Reaktionen zu provozieren. Unter Verwendung von Augen- und Kopfverfolgung zur Verfolgung von Augentorsion und vestibulärem Input können die resultierenden Daten dann verwendet werden, um abzuleiten, wie jede sensorische Modalität im Verhältnis zueinander verglichen wird. Ziel des Protokolls war es, eine robuste Methodik zur Bewertung sensorischer Einflüsse über die Blickstabilisierung und die grundlegende Fähigkeit zur sensomotorischen Integration bei Menschen und Individuen, die unter sensorischem Nachwiegen leiden, vorzustellen.

Die vorliegende Studie untersuchte den relativen Beitrag zur visuellen und vestibulären Bewegungsverarbeitung während der Rotationen der Rollebene. Dabei wurden die Probanden isolierten optokinetischen Rotationen, isolierten vestibulären Ganzkörperrotationen in der Dunkelheit und kombinierten visuovestibulären Bewegungsstimulationen ausgesetzt, bei denen die Probanden gedreht wurden, während sie eine statische visuelle Szene betrachteten (siehe Abbildung 1). Dies geschah mit gesunden Kontrollpersonen und Personen, die an sensorischem Nachwiegen litten, was sich in einer subjektiven Überempfindlichkeit gegenüber visuellen Bewegungen nach einer Gehirnerschütterung zeigte. Zu den wichtigsten Ergebnisparametern gehörten die dynamischen und statischen Augenbewegungsverstärkungen während jeder Stimulation sowie absolute Augenbewegungsamplituden, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Jeder Versuch im vorliegenden Protokoll begann damit, dass das Subjekt oder die visuelle Szene 20 Sekunden lang in Ruhe gehalten wurde, bevor die Rotationsbewegung einsetzte. Nach Erreichen der vorgegebenen Amplitude wurde die Szene oder das Subjekt für weitere 20 s in dieser Rotationsamplitude gehalten, bevor der Versuch beendet wurde; Es wird empfohlen, die Stimulation vor und nach jeder Rotationsbewegung mindestens 10 s lang in Ruhe zu halten, um die Mindestanforderungen für eine stabile okulomotorische Fixation und die Etablierung einer Basislinie zu erfüllen. Während das vorliegende Protokoll alle Stimulationen gegen den Uhrzeigersinn ausgab, ist zu beachten, dass die Richtungsabhängigkeit nachweislich keinen Einfluss auf die Torsionsreaktionhat 15. Aufgrund des reflexiven Charakters der Ergebnisvariablen wurde kein Training oder eine Akklimatisierung als notwendig erachtet.

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Protokoll

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Alle Teilnehmer haben vor der Teilnahme eine schriftliche Einverständniserklärung abgegeben. Die Studie wurde von der regionalen Ethikkommission (2018/1768-31/1) genehmigt und in Übereinstimmung mit den in der Deklaration von Helsinki dargelegten Grundsätzen durchgeführt. Das Protokoll folgte den STROBE-Richtlinien.

1. Auswahl der Teilnehmer

  1. Unterziehen Sie alle Teilnehmer einer umfassenden klinischen Beurteilung durch einen Arzt und einen Neuropsychologen.
  2. Verwenden Sie die folgenden Ausschlusskriterien: okuläre motorische oder Blickdysfunktion, vestibuläre oder somatosensorische Defizite, kürzliche Einleitung einer zentral wirkenden Medikation (innerhalb von 3 Monaten) oder jede neurologische oder sensorische Störung mit Ausnahme des Post-Concussion-Syndroms (PCS).
  3. Beurteilen Sie die Augenmotilität und das stereoskopische Sehen (TNO ≤ 60 Bogensekunden) und wählen Sie alle Teilnehmer aus, die visuelle Reize im Versuchsaufbau fusionieren können.
  4. Beurteilung der peripheren vestibulären Funktion mit Hilfe von Kopfimpulstests in allen Kanalebenen; Bildschirmzentralfunktion für Schrägabweichung. Testen Sie den somatosensorischen Input zum Gleichgewicht mit einem schaumbasierten Romberg-Test mit geschlossenen Augen. Ein Patient wurde aufgrund eines schlechten binokularen Sehens ausgeschlossen, und eine Kontrollpatientin wurde aufgrund eines latenten Nystagmus in der Dunkelheit ausgeschlossen.

2. Eye- und Head-Tracking

HINWEIS: Das vorliegende Protokoll erfordert eine präzise Augen- und Kopfverfolgung während Ganzkörperrotationen, die optokinetische bzw. vestibuläre Bewegungsparameter widerspiegelt. Aus diesem Grund ist ein am Kopf montiertes Eye-Tracking-Gerät erforderlich, und das vorliegende Protokoll implementierte das Chronos Eye-Tracking Device (C-ETD).

  1. Eye-Tracking-Einrichtung
    HINWEIS: Die Augenbewegungsparameter, die zur Bewertung der Auswirkungen visueller und vestibulärer Reize verwendet werden, konzentrieren sich auf dynamische Veränderungen der Augentorsion. Eye-Tracking-Geräte müssen Torsionsbewegungen aufzeichnen, und um Fehler zu minimieren, sollten Daten sowohl von der Nasen- als auch von der Schläfenpupillenseite gesammelt und gemittelt werden. Binokulare Augenbewegungen sollten verfolgt werden, um Probleme wie falsche Torsion oder Maskenrutsch zu identifizieren, bei denen sich die Position der Kameras ändert, wenn sich die Maske in Bezug auf die Augen bewegt. Bei der Torsionsanalyse können dann Daten von einem Auge verwendet werden. Die Analyse umfasst langsame Phasengeschwindigkeiten und die Nystagmusschlagfrequenz, um die okulomotorische Verstärkung und die Schnellphasenverteilungen zu bewerten. Für eine zuverlässige Slow-Phase-Analyse wird mindestens eine Abtastrate von 100 Hz empfohlen.
    1. Vorbereitung der Probanden: Stellen Sie sicher, dass der Proband bei allen Versuchen sicher auf dem dafür vorgesehenen Stuhl sitzt. Passen Sie die Sitzposition für Stabilität und Komfort an, um das Risiko unerwünschter Kopfbewegungen oder des Verrutschens der Maske zu minimieren.
    2. Platzierung des Eye-Trackers: Platzieren Sie den am Kopf montierten Eye-Tracker auf dem Kopf des Motivs. Sichern Sie den Kopf und den Augentracker mit Klettverschlüssen oder einer gleichwertigen Methode, um Kopfbewegungen zu minimieren.
    3. Kameraausrichtung und -kalibrierung: Vergewissern Sie sich, dass die Kameras bei allen Bewegungen eine ungehinderte Sicht auf die Augen haben. Stellen Sie sicher, dass bei aktiven Kopfbewegungen kein merkliches Verrutschen der Maske auftritt. Schnallen Sie das Motiv an den Stuhl und führen Sie die Kalibrierung des Eye-Trackers durch. Passen Sie die Position des Eyetrackers nach der Kalibrierung nicht an.
  2. Head-Tracking-Einrichtung
    HINWEIS: Der Prüfer muss aus zwei Gründen für eine korrekte Kopfpositionierung sorgen: zur Aufrechterhaltung der Unbeweglichkeit während optokinetischer Versuche und zur Berechnung des Gewinns zwischen Kopf- und Augendrehungen während vestibulärer und visuovestibulärer Versuche. Die C-ETD-Kopfhalterung verfügt über Beschleunigungsmesser, die die Kopfbewegung in sechs Dimensionen verfolgen, mit einer Mindestanforderung zur Messung von Kopfposition, Geschwindigkeit und Beschleunigung in der Rollebene und in horizontalen Verschiebungen. Kopfneigungen können die Torsionsaugenbewegung verändern, daher muss die Kopfposition in der horizontalen Dimension überwacht werden, um sicherzustellen, dass keine Neigungen auftreten. Der Beschleunigungsmesser muss die Kopfbewegung des Motivs verfolgen, nicht seine eigene, und die Kopfhalterung muss sicher befestigt sein. Die Frequenz des Headtrackers muss mit der des Eyetrackers synchronisiert werden, wobei die Frequenz des Headtrackers nicht unter die des Eyetrackers fallen darf.
    1. Bestimmung des Drehpunkts: Stellen Sie den Drehpunkt ein, um den die Ganzkörperdrehung erfolgen soll, indem Sie den Drehpunkt des mechanischen Schlittens einstellen. Stellen Sie sicher, dass sich dieser Punkt zwischen den Augen des Motivs befindet, um Höhenunterschiede auszugleichen.
    2. Installation des Head-Trackers: Befestigen Sie den Head-Tracker fest am Kopf des Motivs.
    3. Kabelmanagement und Synchronisation: Stellen Sie sicher, dass das Verbindungskabel zwischen dem Eyetracker und dem Headtracker so positioniert ist, dass ein Verheddern vermieden wird. Vergewissern Sie sich, dass das Kabel während der Stimulation keine Kraft auf den Kopf des Probanden ausübt.

3. Optokinetische Stimulation

HINWEIS: Während der optokinetischen Stimulation sitzt der Proband in Ruhe in der gleichen Position wie bei den vestibulären Versuchen. Das Motiv sollte vor dem Bildschirm zentriert sein, wobei die Sichtlinie an der primären Blickposition ausgerichtet sein sollte, um ein nach vorne gerichtetes Anvisieren sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Dimension zu gewährleisten. Der zentrale Fixationspunkt, ein Kreis, gibt während der aktiven Stimulationsphase gerichtete Bewegungssignale. Optokinetische Elemente, wie z. B. kleine Kreise, sind gleichmäßig über den Bildschirm verteilt und bieten einen klaren Kontrast. Die visuellen Elemente drehen sich mit vorgegebenen Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen um den Fixationspunkt und erreichen eine festgelegte Amplitude.

  1. Auswählen der visuellen Stimulation: Wählen Sie eine kontrastreiche visuelle Szene mit verstreuten Linien oder Punkten, die um einen Fixationspunkt zentriert sind. Positionieren Sie den Fixierungspunkt sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Dimension direkt vor den Augen des Motivs. Der Drehmittelpunkt wird anschließend an der visuellen Achse des Motivs ausgerichtet.
  2. Vorbereitung der Umgebung: Eliminieren Sie störende Lichtquellen, um sicherzustellen, dass die visuelle Szene die einzige Beleuchtung ist. Verwenden Sie einen Bildschirm, der groß genug ist, um so viel wie möglich vom Gesichtsfeld des Motivs abzudecken.
  3. Anweisungen für das Subjekt: Weisen Sie das Subjekt an, während des gesamten Prozesses auf den zentralen Punkt fixiert zu bleiben. Informieren Sie den Probanden darüber, dass die Studie beginnt, bevor Sie mit den Aufzeichnungen beginnen.
  4. Durchführung der Probe: Starten Sie die Eye- und Head-Tracking-Software. Präsentieren Sie die statische visuelle Szene 10 s lang, bevor Sie eine Bewegung einleiten.
  5. Bewegungsstimulation: Weisen Sie den Probanden 1-2 s vor Beginn der Bewegung an, die Augen weit offen zu halten. Initiieren Sie eine visuelle Bewegung, indem Sie die Szene mit einer festgelegten Beschleunigung auf eine feste Amplitude drehen. In dem vorliegenden Protokoll drehte sich die optokinetische Szene um 7°/s², 14°/s² und 28°/s² bis zu einer maximalen Amplitude von 28° gegen den Uhrzeigersinn; Diese Parameter wurden so gewählt, dass sie eine nuancierte Verteilung des visuellen und vestibulären Inputs auf die Augenbewegungsreaktion bieten13,14.
  6. Auswertung nach der Stimulation: Halten Sie die statische Szene für 10 s am Endpunkt, wenn Sie die statische Augenposition bewerten. Andernfalls beenden Sie die Testversion sofort nach Beendigung des Antrags.

4. Vestibuläre Stimulation

HINWEIS: Vestibuläre Versuche umfassten Ganzkörperrotationen in völliger Dunkelheit, um Kopfrotationen in der Rollebene zu isolieren und gleichzeitig den visuellen und propriozeptiven Input zu minimieren. Das Protokoll verwendete einen speziell entwickelten motorisierten Schlitten, der von zwei unabhängigen Riemen angetrieben wird, die jeweils von einem bürstenlosen AC-Servomotor (400 V) angetrieben werden, was eine präzise Steuerung der Bewegung ermöglicht. Das Rotationszentrum wurde mit der Glabella ausgerichtet, um Höhenunterschiede auszugleichen. Die Teilnehmer wurden angewiesen, sich auf einen imaginären Referenzpunkt vor ihnen zu fixieren, während ihre Köpfe gesichert waren, um unbeabsichtigte Bewegungen zu minimieren. Die Daten des Beschleunigungsmessers aus dem C-ETD-System wurden verwendet, um die Kopfstabilität zu überwachen und sicherzustellen, dass die Bewegungsparameter dem Protokoll entsprachen.

  1. Vorbereitung der Umgebung und des Motivs: Stellen Sie sicher, dass der Raum vollständig dunkel ist, um visuelle Richtungshinweise zu eliminieren. Sichern Sie die Person im mechanisierten Schlitten und minimieren Sie so das Risiko unbeabsichtigter Kopf- oder Körperbewegungen. Richten Sie den Drehmittelpunkt an der Glabella des Motivs aus, um Höhenunterschiede auszugleichen.
  2. Anweisungen für Probanden: Weisen Sie den Probanden an, einen zentralen Fixationspunkt zu visualisieren und ihn während des gesamten Prozesses im Auge zu behalten. Kleine Abweichungen sind zwar schwer zu beseitigen, aber dies trägt dazu bei, die Blickstabilität während der Bewegung zu fördern.
  3. Ausführung der Gerichtsverhandlung: Informieren Sie den Probanden darüber, dass die Gerichtsverhandlung bald beginnt. Starten Sie die Eye- und Head-Tracking-Software und lassen Sie 10 s vergehen, bevor die Bewegung eingeleitet wird.
  4. Bewegungsstimulation: Weisen Sie den Probanden 1-2 s vor Beginn der Bewegung an, die Augen weit offen zu halten. Aktivieren Sie den mechanischen Schlitten, um eine Kopfdrehung zu erzeugen, die der Amplitude und Beschleunigung der optokinetischen Bewegung in Schritt 3.5 entspricht. Überprüfen Sie die Stabilität des Kopfes anhand von Beschleunigungsmesserdaten vor und nach jeder Bewegung. Plötzliche Kopfstöße beeinträchtigen die okulomotorischen Aufzeichnungen zu den betroffenen Zeitpunkten
  5. Auswertung nach der Stimulation: Halten Sie das Motiv 10 s lang in der endgültigen gedrehten Position, wenn Sie die statische Augenposition bewerten. Andernfalls beenden Sie die Testversion sofort nach Beendigung des Antrags.

5. Visuovestibuläre Stimulation

HINWEIS: Bei der visuovestibulären Stimulation wurden Ganzkörperrotationen, wie sie für vestibuläre Versuche beschrieben wurden, mit dem statischen visuellen Bild aus den optokinetischen Versuchen kombiniert. Dies erzeugte eine relative Rotation des Gesichtsfeldes auf der Netzhaut in die entgegengesetzte Richtung zur Körperrotation, wodurch sowohl optokinetische als auch vestibuläre Bewegungseingaben in einer einzigen zusammenhängenden Stimulation integriert wurden.

  1. Kombinierter Stimulationsaufbau: Setzen Sie den Probanden in den mechanischen Schlitten und präsentieren Sie die visuelle Szene gemäß den Schritten 3.1-3.3. Der kombinierte Stimulus sollte eine Relativbewegung zwischen vestibulären und visuellen Eingaben erzeugen.
  2. Ausführung des Versuchs: Wiederholen Sie die Schritte 4.3-4.5, um die Ganzkörperrotation zu aktivieren, während der Proband die statische visuelle Szene betrachtet. Stellen Sie sicher, dass der visuelle Reiz stationär im Raum ist und sich in die entgegengesetzte Richtung der Drehung des Motivs bewegt. Die Synchronisation zwischen optokinetischer und vestibulärer Stimulation ist für eine genaue Datenerfassung unerlässlich.

6. Datenanalyse

HINWEIS: Die Augendrehung wurde mittels Irismerkmalsverfolgung mit der C-ETD-Software bewertet, wobei nur Daten mit einer Signalqualität über 0,5 eingeschlossen wurden. Für jedes Auge wurden zwei Tracking-Linien auf beiden Seiten der Pupille ausgewählt, und die Daten des Auges mit der höchsten Anzahl von Bildern über 0,5 in der Signalqualität wurden gemittelt. Die Daten wurden mit OriginPro 2017 analysiert, wobei Nystagmus und Kopfbewegungsartefakte ausgeschlossen wurden, wobei die Teilnehmer aufgefordert wurden, ihre Augen eine Sekunde vor der Stimulation offen zu halten, um Blinzelartefakte zu minimieren.

  1. Datenerhebung und -aufbereitung
    1. Verwenden Sie Eye-Tracking-Software (z. B. C-ETD), um Eye-Tracking-Videos zu analysieren und torsionale, vertikale und horizontale Augenbewegungen zu extrahieren.
    2. Konfigurieren und kalibrieren Sie die Pupillenverfolgung gemäß den Richtlinien des Eye-Tracking-Systems. Wenn Sie die Torsionsreaktionen durch Merkmalsverfolgung bewerten, wählen Sie für beide Augen zwei Referenzpunkte auf jeder Seite der Pupille aus. Diese Referenzpunkte sollten unterschiedliche topografische Merkmale aufweisen, die für den Vorlagenabgleich verwendet werden können. Führen Sie das Eye-Tracking-Analyseprogramm aus, um Positionsdaten im Zeitverlauf zu generieren und alle Augenbewegungsdaten in eine separate Datei zu exportieren.
    3. Filtern Sie in der exportierten Datei die Daten anhand des von der Software bereitgestellten Signalqualitätsindexes. Bewahren Sie für C-ETD nur Daten mit einer Signalqualität > 0,5 oder einem gleichwertigen Qualitätsschwellenwert für andere Systeme auf.
    4. Wählen Sie das Auge mit der höchsten Anzahl von Bildern aus, die eine Signalqualität von > 0,5 erreichen. Durchschnittliche Torsionsdaten über die Tracking-Linien in bester Qualität für das ausgewählte Auge, um die Darstellung von beiden Seiten der Pupille zu gewährleisten.
  2. Datenvisualisierung und Qualitätskontrolle
    1. Digitalisieren und synchronisieren Sie die Eingabedaten aus dem Eye-Tracking-System (Augenbewegungen, Kopfposition und Stuhlbewegung), bevor Sie sie in die Analysesoftware importieren.
    2. Überprüfen Sie visuell die Daten, einschließlich der torsionalen, vertikalen und horizontalen Augenpositionen im Laufe der Zeit sowie der Kopfposition in der Rollebene, um eine stabile Ausgangslinie und die erwarteten Bewegungsreaktionen während jedes Versuchs zu überprüfen (siehe Abbildung 1 für repräsentative Augenbewegungsreaktionen). Identifizieren Sie verwirrende Augenbewegungen in horizontaler oder vertikaler Richtung.
  3. Schließen Sie langsame Phasen aus, die mit unerwarteten Augen- oder Kopfbewegungen zusammenfallen, um die Datenqualität und die Konsistenz der Fixierung zu erhalten. Wenn solche Bewegungen während der aktiven Bewegungsstimulation aufgetreten sind, entfernen Sie die Daten und erwägen Sie, den Versuch zu wiederholen.
    1. Um langsame Phasen zu analysieren, verfolgen Sie jede langsame Torsionsphase manuell, um verwirrende Daten auszuschließen. Berechnen Sie die Geschwindigkeit der langsamen Phase als Änderung der Amplitude geteilt durch die Dauer. Bewerten Sie das Timing von Nystagmusschlägen (Beginn schneller Phasen), um die zeitliche Verteilung zu analysieren. Notieren Sie die Gesamtzahl der Nystagmusschläge pro Versuch. Dies kann durch Zählen der Anzahl der aufgezeichneten Schnellphasen für jeden Versuch und Probanden erfolgen.
    2. Beziehen Sie alle Langsamphasen-Traces von jeder Studie und jedem Teilnehmer ein, um zuverlässige, repräsentative Daten zu gewährleisten und die statistische Aussagekraft zu verbessern.
  4. Quantifizierung sensorischer Beiträge
    1. Erstellen Sie eine Tabelle, in der die Geschwindigkeiten der langsamen Phase für visuelle, vestibuläre und visuo-vestibuläre Studien aufgeführt sind.
    2. Bestimmen Sie die Augenreizverstärkung, indem Sie jede langsame Phasenbeschleunigung mit der entsprechenden Reizbeschleunigung vergleichen und die Torsionsbeschleunigung durch die optokinetische oder Kopfrotationsbeschleunigung für jeden Versuch dividieren.
    3. Bewerten Sie sensorische Beiträge, indem Sie den mittleren langsamen Phasengewinn aus visuellen und vestibulären Versuchen durch den aus visuo-vestibulären Studien dividieren, um einen Index zu berechnen. Führen Sie diese Option für die gemittelten Daten für jedes Motiv und jede Beschleunigungsbedingung aus. Wenn beispielsweise visuelle und vestibuläre Versuche Torsionsbeschleunigungen von 3 Grad/s2 bzw. 7 Grad/s2 ergeben und visuo-vestibuläre Versuche 10 Grad/s2 ergeben, würden die visuellen und vestibulären Beiträge 30 % bzw. 70 % betragen.
    4. Validieren Sie diese Methode, indem Sie die visuo-vestibuläre langsame Phasenverstärkung mit der Summe der visuellen und vestibulären langsamen Phasenverstärkung bei Probanden und Studien vergleichen. Wenn beispielsweise optokinetische Versuche eine durchschnittliche Torsionsgeschwindigkeit von 3 Grad/s2 und vestibuläre Versuche 7 Grad/s2 ergeben, sollten visuo-vestibuläre Versuche etwa 10 Grad/s2 ergeben.
    5. Verwenden Sie einen t-Test, um die Summe der visuellen und vestibulären Gewinne mit dem beobachteten visuo-vestibulären Gewinn zu vergleichen. Eine robuste Integration sollte keinen signifikanten Unterschied aufweisen.
    6. Organisieren Sie den endgültigen Datensatz in einer Tabelle, die die Beschleunigung der langsamen Phase, die Torsionsverstärkung, die Nystagmusfrequenz, die Zeitstempel für einzelne Nystagmusschläge und die indizierten Werte der relativen visuellen und vestibulären Beiträge enthält. Strukturieren Sie die Daten nach Proband, Versuchstyp (visuell, vestibulär oder visuo-vestibulär) und Bewegungsbeschleunigung.
    7. Führen Sie statistische Analysen durch, indem Sie Variablen in langsame Phasenbeschleunigung, Nystagmushäufigkeit, Nystagmusverteilung über die Zeit und sensorische Beitragsindizes unterteilen. Berücksichtigen Sie Faktoren wie Thema, Modalität und Beschleunigung. Es wird empfohlen, je nach Datenverteilung eine multifaktorielle Analysemethode, wie z. B. ANOVA, zu verwenden.

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Ergebnisse

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Insgesamt wurden 171 Versuche durchgeführt, in denen alle Teilnehmer visuellen, vestibulären und kombinierten visuo-vestibulären Stimulationen in drei Beschleunigungsstufen unterzogen wurden. Eye-Tracking-Assessments wurden an allen resultierenden langsamen Phasen des Nystagmus durchgeführt (n = 223 für neun Kontrollteilnehmer (sieben Frauen); n = 331 für 10 Patienten (drei Frauen)). Die statistischen Analysen basierten auf den für jeden Teilnehmer erhaltenen Mittelwerten (n = 19), wobei die Daten über die Studien hinweg...

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Diskussion

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Das vorliegende Protokoll bietet eine validierte Methodik zur Beurteilung der subkortikalen Bewegungsverarbeitung durch Torsionsblickstabilisierung, einen Reflex, der durch Hirnstammschaltkreise vermittelt wird23. Durch die Kombination von visueller und vestibulärer Stimulation ermöglicht die Methode die Bewertung der multisensorischen Integration durch okuläre Torsionsreaktionen. Frühere Implementierungen haben ihre Sensitivität für beschleunigungsabhängige vesti...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu berichten.

Danksagungen

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Die vorliegende Studie wurde von der Stiftung Promobilia unterstützt (Forschungsstipendium A23126 an TW).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
AC bürstenlose Servomotoren / Baldor BSM90C, 400 VBB Motors and Mechanical, Fort Smith, AK, USAUPC 781568378342Verwendet zum Bau des mechanisierten Schlittens
Chronos Eye Tracking-Gerät (C-ETD)Chronos Vision GmbH, Berlin, DeutschlandNicht mehr verfügbarNeuere Modelle sind vom Unternehmen erhältlich und bieten höhere Aufnahmeraten.
OriginProOriginLab, Northampton, MA, USAOriginPro 17Wird verwendet, um Augen-, Kopf- und Stuhlspuren zu visualisieren und zu analysieren.
SPSS StatistikIBM, Chicago, IL, USASPSS Statistiken 28Verwendet für die statistischen Analysen

Referenzen

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