Evaluación de pruebas de cognición utilizando una tableta computarizada sensible al tacto, seguimiento ocular e imagen por resonancia magnética funcional

Summary

Un protocolo para el registro simultáneo del comportamiento visomotor y la actividad cerebral durante pruebas cognitivas estándar en papel, utilizando una tableta compatible con resonancia magnética y tecnología de seguimiento ocular junto con una resonancia funcional, con el objetivo de mejorar el uso de dichas pruebas. Se presentan resultados preliminares de un adulto joven sano que realiza una prueba de Trail-Making.

Abstract

Las pruebas de cognición en papel (como la prueba Trail-Making, o TMT) se han utilizado durante mucho tiempo en entornos clínicos y de investigación para evaluar cómo el cerebro sano o afectado apoya el rendimiento conductual. A pesar de su uso generalizado, los correlatos neuronales de estas pruebas se comprenden poco y las pruebas presentan sensibilidades y especificidades menos de lo deseado. Para abordar estas carencias, se propone un protocolo de investigación multimodal que combina simultáneamente tecnología novedosa de tabletas, seguimiento ocular e imagen por resonancia magnética funcional para explorar las relaciones entre el comportamiento cinemático y visual y la actividad neuronal asociada al rendimiento en pruebas cognitivas. Se proporcionan la justificación del protocolo, la metodología paso a paso y los resultados de un participante representativo para demostrar la validez del protocolo y para ilustrar el potencial de explorar los correlatos cinemáticos, visuales y neuronales de una prueba representativa de la cognición. El protocolo actual puede ampliar los límites de la investigación en neurociencia clínica existente en resonancia magnética, con implicaciones para el diagnóstico y manejo futuros de diversos trastornos cognitivos.

Introduction

Las pruebas de cognición (ToC) se popularizaron por primera vez^{en el} siglo XX para investigar y caracterizar el comportamiento cognitivo normal y anormal o patológico. Desde su aparición, estas pruebas se han adoptado ampliamente en entornos de investigación y^{clínicas 1}. Muchos ToC se desarrollaron con formatos de respuesta sencillos, como hablar o escribir/dibujar usando bolígrafo y papel. Como ejemplo de esta última categoría, la Prueba de Trail Making (TMT) es un ToC representativo ampliamente utilizado y preferido debido a su sensibilidad al deterioro^{cognitivo 2}. Compuesta por dos partes, TMT-A (solo números) y TMT-B (números y letras), la prueba requiere que los participantes utilicen un bolígrafo para conectar (enlazar) 25 caracteres que están dispuestos de forma pseudoaleatoria en la página, en orden secuencial ascendente (y en el caso de TMT-B, también alterno) (es decir, TMT-A: 1-2-3-4-5-6...; TMT-B: 1-A-2-B-3-C...). Para evaluar el rendimiento cognitivo en el TMT, se tabulan el tiempo hasta la finalización y se comparan con valores normativos, basándose en el rango de edad y el estado educativo². Se considera que la TMT recluta y evalúa procesos cognitivos complejos, incluyendo el cambio de tareas, la búsqueda visual, la memoria, el control visuomotor y la atención, todos aspectos importantes de la función ejecutiva del lóbulo frontal ^1,3.

El TMT presenta una alta sensibilidad entre los ToC, pero en cuanto a diagnósticos, su baja especificidad es bien reconocida como una^{limitación 4}. En general, las preocupaciones sobre sensibilidad y especificidad son un inconveniente para la aplicación y validez de ToC, especialmente en entornos^{clínicos 4}. El recurso tradicional para aliviar esta preocupación ha sido administrar ToC en "baterías de prueba" (a menudo incluyendo el TMT) para mejorar la discriminación entre grupos cognitivamente con discapacidad cognitiva y cognitivamente intactos. Sin embargo, las baterías de prueba consumen mucho tiempo, son costosas y requieren una considerable experiencia para administrarlas y^{analizarlas 5}. Estas preocupaciones logísticas, a su vez, llevaron al desarrollo de herramientas de "evaluación cognitiva": baterías de pruebas sustancialmente optimizadas (y cada vez más informatizadas) para una administración rápida en entornos con recursos limitados (por ejemplo, clínicas médicas), a costa de parte de la mejora en sensibilidad y especificidad. Un ejemplo de esta herramienta es la Evaluación Cognitiva de Montreal (MoCA)⁶.

Las evaluaciones informatizadas, como la adaptada MoCA, han sido validadas con éxito mediante comparación con análogos de papel^{y bolígrafo 7}, y para probar baterías de ToC⁸. Sin embargo, persisten limitaciones fundamentales en todas estas herramientas de pruebas conductuales, incluyendo una diferenciación insuficiente entre el rendimiento adecuado y erróneo, el enfoque en las puntuaciones de la prueba completa en lugar de los efectos intra-pruebas, y una comprensión limitada sobre las distintas estrategias conductuales y la actividad cerebral asociada que sustentan el rendimiento del^{ToC 4,9}. Sin embargo, estas limitaciones pueden superarse mediante investigaciones que combinen registros conductuales detallados, evaluación conductual^{intra-tarea 10} y neuroimagen funcional (por ejemplo, electroencefalografía¹⁰, espectroscopía funcional en infrarrojo^{cercano 11} e imagen por resonancia magnética^{funcional 12}).

La resonancia magnética funcional (fMRI) genera imágenes de alta resolución de la actividad cerebral mapeando la respuesta hemodinámica como un proxy de la activación neuronal. Aunque costosa, la superior resolución espacial de la fMRI frente a la electroencefalografía (EEG) y la espectroscopía funcional en el infrarrojo cercano permite localizar la actividad en todo el cerebro. En consecuencia, el presente trabajo describe un método novedoso de administración para la ToC usando la TMT como ejemplo representativo, que combina la fMRI con un registro conductual detallado, continuo y simultáneo mediante tabletas y sistemas de seguimiento ocular compatibles con IRM. Este protocolo multimodal ofrece una evaluación mucho mejorada de la relación entre el rendimiento de tareas cognitivas y la actividad neuronal estimada mediante fMRI, útil para mejorar la comprensión de la ToC existente y posiblemente aportando información para el desarrollo de ToC mejorada en el futuro.

Antes de proporcionar una descripción detallada del montaje experimental para adquirir simultáneamente datos de tabletas, seguimiento ocular y fMRI, es útil resumir el diseño conceptual y el enfoque (Figura 1). Por razones de compatibilidad con resonancia magnética y ergonómica, el sistema de tabletas es ligeramente diferente de las tabletas comerciales. Las tabletas populares tienen una pantalla transparente y sensible al tacto montada sobre una pantalla de ordenador, que permite al usuario mirar directamente la tableta y recibir entradas visuales que incluyen sin interrupciones sus respuestas de escritura y dibujo basadas en el stylus. En el escenario actual, no hay pantalla de ordenador bajo la pantalla sensible al tacto. Este diseño evita la necesidad de electrónica compleja de pantallas informáticas para operar de forma segura en el intenso campo magnético en el centro del diámetro magnético y sin afectar negativamente a las imágenes de la RM. Desde una perspectiva ergonómica, el espacio en el tubo magnético también es bastante limitado, lo que hace poco práctico para un participante en investigación ver directamente su mano mientras escribe y dibuja.

Así, la configuración experimental consiste en que los participantes realicen interacciones con la tableta en un soporte en su cintura, mientras que toda la información visual (estímulos de prueba, respuestas del stylus, vídeo de su mano manipulando el stylus) se integra para verla desde la abertura trasera del tubo magnético a través de un espejo. La información visual se muestra en una pantalla de proyección trasera usando un proyector comercial compatible con resonancia magnética (detalles más abajo). De manera similar, un sistema de seguimiento ocular comercialmente disponible (detalles también se proporcionan a continuación) está montado en el orificio imán trasero para grabar rápidamente los movimientos oculares a través del mismo espejo. El proyector, la pantalla y el aparato de seguimiento ocular deben estar dispuestos cuidadosamente para que no interfieran físicamente entre sí. Por último, las conexiones de alimentación y datos hacia y desde la tableta, el proyector y el sistema de seguimiento ocular se realizan mediante varios cables blindados, que pasan por el "panel de penetración" del blindaje de radiofrecuencia que protege la sala de imanes y el sistema de resonancia magnética de interferencias electromagnéticas circundantes. Los cables de datos están bajo control informático, mostrado conceptualmente en la Figura 1 como un único dispositivo bajo control del operador en el área de la consola de resonancia magnética (distinta de la consola de ordenador utilizada para operar el sistema de resonancia magnética). Como se describe a continuación, en la configuración experimental actual participan varios ordenadores.

Sistema de tabletas

El sistema de tabletas personalizadas y computarizadas está compuesto por componentes compatibles con resonancia magnética (superficie sensible al tacto, plataforma de soporte elevada ajustable, aguja eléctrica sensible a la fuerza, sistema de proyector⁾¹², incluyendo una cámara de vídeo con lente de 4,3 mm (designada como "TabletCam" en el laboratorio) y un iluminador personalizado de diodo emisor de luz^{(LED) 13}, que permite la administración del ToC y el registro de respuestas naturalistas de escritura o dibujo dentro del tubo magnético durante la fMRI (Figura 2A,B). Ubicados en el área de la consola, se utilizan dos ordenadores enlazados para el control del sistema: uno asociado a la recepción y procesamiento de datos de vídeo de la cámara de vídeo ("Tablet Video Camera computer") y otro para la administración de pruebas, entrega de estímulos visuales, registro de datos de tabletas y creación de un archivo de vídeo que consiste en los estímulos visuales administrados dependientes del tiempo superpuestos con respuestas de escritura y dibujo con el stylus ("Ordenador de estímulo/respuesta"; Figura 2C). Se elige el enfoque de dos ordenadores para un rendimiento en tiempo real sin obstáculos de cada conjunto de funciones sensibles a la latencia; modularidad para investigaciones que requieran diferentes configuraciones (por ejemplo, diferentes tareas de comportamiento basadas en tabletas, uso opcional de la cámara de vídeo); y facilidad de compatibilidad (el único requisito es un formato de salida de vídeo compatible).

El sistema de tabletas se ha utilizado anteriormente en varios estudios de fMRI sobre ToC, que sugieren todos su fuerte validez ecológica¹⁴. La cámara de vídeo opcional se añade a la configuración original de la tableta para proporcionar al participante retroalimentación visual de la posición de la mano (VFHP) durante la realización de la tarea, en un entorno interactivo de realidad aumentada (AR), permitiendo la visualización de estímulos de la tarea, así como respuestas del stylus y movimientos de la mano superpuestos en^{tiempo real 13} (Figura 2D). En la implementación original del procesamiento de datos^{de la cámara de vídeo 13}, la mano y el stylus se aislaban de cada fotograma de vídeo mediante un algoritmo de detección de color de piel, con el stylus implementado en rojo para encajar en la distribución rojo-verde-azul (RGB) para el color de piel. Más recientemente, se ha adoptado un enfoque de "pantalla azul" por su simplicidad y otras ventajas. Se crea un fondo azul cubriendo la superficie sensible al tacto de la tableta con cinta de pintor azul. Luego es posible segmentar la mano y el stylus desde el fondo en cada fotograma de vídeo en función de la distribución de color sustancialmente diferente de la cinta. Al mismo tiempo, este proceso también permite la creación de una máscara binaria con un valor de "uno" en cada lugar ocupado por la mano o el stylus, y "cero" en otros lugares. El vídeo de estímulo/respuesta y el vídeo de cámara se superponen creando fotogramas que consisten en a) datos de vídeo de estímulo/respuesta en todas partes donde una máscara dada equivale a cero, y b) datos de vídeo de cámara (mano y stylus) en todas partes donde la máscara dada sea igual a uno. La cinta de pintor tiene la ventaja adicional de introducir fricción extra cuando la punta del stylus se mueve sobre la superficie, más parecido a la experiencia de escribir con bolígrafo o lápiz sobre papel, en comparación con la sensación de baja fricción de "plástico sobre plástico" al retirar la cinta. En general, el entorno interactivo de RA resultante mejora aún más la validez ecológica del diseño de la tableta, al tiempo que reduce la dependencia de la propiocepción para ejecutar movimientos motores finos (como ocurre cuando no hay VFHP)^13,15.

La configuración de tableta se utiliza junto con un proyector compatible con resonancia magnética (Figura 2E) y una pantalla de proyección trasera personalizada en la parte trasera del tubo imán. Los participantes ven la pantalla a través de un espejo inclinado montado en la bobina de la cabeza. Utilizando una yema de dedo o un lápiz óptico (que también incluye un sensor para registrar la fuerza de contacto), el participante interactúa con la superficie sensible al tacto montada en la plataforma de soporte, que se sitúa en la cintura y es ajustable para cada persona. Las señales de tabletas analógicas pasan a través de un filtro de interferencia electromagnética (EMI) en el panel de penetración de radiofrecuencia, se transforman en datos táctiles (datos de ubicación de la superficie y datos de fuerza) mediante una caja de interfaz de tableta fuera de la sala de imáns, se registran e interpretan para la representación gráfica de las respuestas táctiles en el ordenador de Estímulo/Respuesta, y luego se fusionan con estímulos visuales y vídeo segmentado de mano y aguja; y se presentan al participante mediante el proyector.

Diseño de bloques TMT

El TMT se administra en un diseño de bloque fijo que consiste en periodos alternos de desempeño de tareas TMT-A y TMT-B, y de fijación visual a una mira central negra mostrada sobre un fondo blanco. El diseño general de la tarea se adaptó de la literatura existente^{de TMT} 1,16,17,18, donde TMT-A consiste en enlazar números circulados (1 a 25) distribuidos pseudoaleatoriamente por la pantalla, en orden ascendente. De manera similar, TMT-B implica números enlazados y circulados (1–13) y letras (A-L) de forma alterna e ascendente. La condición de fijación visual se incluye para que la actividad cerebral asociada a TMT-A, y separadamente a TMT-B, pueda analizarse como un contraste estadístico entre las activaciones de interés y la de una condición simple, estable y con baja demanda cognitiva. Debido a la inherentemente baja relación contraste-ruido de señal observada en los experimentos de fMRI, cada condición conductual (TMT-A, TMT-B, fijación visual) se repite en múltiples ensayos, aumentando el poder estadístico para detectar la actividad cerebral cuando se analizan los datos colectivos de fMRI. Los gráficos TMT para cada ensayo se adaptan de los diseños estándar de TMT rotando la distribución del estímulo en 180°, intercambiando estímulos solo numéricos y estímulos con letras numéricas, o ambos, minimizando así confusiones visuales y motoras debido a diferencias en la distribución de caracteres y números en los gráficos TMT-A y^{TMT-B 18}.

Las tareas experimentales y de entrenamiento actuales se implementan en software comercial de presentación de estímulos para investigación conductual y de neuroimagen, para su ejecución en el ordenador de Estímulo/Respuesta. Prácticamente, el TMT se administra en dos "pasos", cada uno de 4 min:50 s de duración. Cada partida consiste en un bloque inicial de 10 s de fijación en reposo, seguido de dos intentos de tarea TMT-A (40 s), fijación en reposo (20 s), tarea TMT-B (60 s) y fijación en reposo (20 s) (Figura 3). Al comienzo de cada partida, se les dan instrucciones que reflejan las utilizadas en la prueba estandarizada de TMT^{en papel 16, 17, 18, 19}: conectar los círculos de "Inicio" a "Fin" tan rápido y preciso como sea posible, sin levantar el stylus de la superficie sensible al tacto. A diferencia de la administración convencional de TMT en papel, el administrador de pruebas (miembro del laboratorio de investigación) no detiene y posteriormente reinicia el rendimiento del TMT en caso de que el participante cometa errores. En su lugar, se indica a los participantes que simplemente continúen hasta el siguiente enlace de carácter correspondiente en la secuencia. Esta modificación elimina cualquier confusión en el análisis de datos asociada a detener y reiniciar el seguimiento ocular y la recogida de datos de fMRI dentro de un ensayo TMT determinado. Sin embargo, esto requiere la implementación de métodos de detección y categorización de errores una vez recogidos los datos (véanse las secciones de protocolo y discusión). Además, el administrador de pruebas monitoriza visualmente las respuestas del stylus en tiempo real durante el rendimiento del TMT para registrar si se han cometido errores y para asegurar que la superficie sensible al tacto permanezca bien calibrada. En casos de errores de calibración en la tableta y otros fallos de hardware (por ejemplo, fallo de energía o de equipo), el administrador de la prueba también decide si repetir la ejecución actual de adquisición de datos del TMT, posiblemente incluyendo la recalibración de la superficie sensible al tacto, o detener y excluir el uso de los datos del participante en el análisis posterior.

Seguimiento ocular

Cuando el sistema visual humano procesa una escena, como durante la actuación de TMT, los movimientos balísticos oculares (sacádicos) van precedidos y seguidos por periodos de estabilidad temporal (fijaciones⁾²⁰. Por tanto, en el contexto actual se utiliza un sistema de seguimiento ocular de alta velocidad compatible con IRM para realizar el seguimiento ocular monocular de largo alcance de fijaciones y sacádeos con iluminación infrarroja (longitud de onda de 910 nm) y frecuencia de muestreo de 1 kHz (Figura 4A). Desde la posición de la cámara de seguimiento ocular bajo la pantalla de proyección, el ojo del participante se localiza en el espejo de bobina de cabeza (Figura 4B-D). Cabe señalar que el espejo de bobina de cabeza del producto que venía con el sistema de resonancia magnética fue reemplazado por un espejo frontal de superficie proporcionado por el fabricante del eye-tracker, para permitir un seguimiento de alta calidad. La pupila se detecta mediante un algoritmo estándar de ajuste del centroide que rastrea la reflexión corneal (Figura 4D), y se miden las siguientes métricas: fijaciones, sacadas, así como la frecuencia de parpadeo y el tamaño de la pupila, dos cantidades adicionales asociadas al procesamiento cognitivo (véase Discusión). Un pulso de disparo emitido por el sistema de resonancia magnética al inicio de la fMRI se utiliza para sincronizar temporalmente los registros de activación cerebral con a) la entrega de estímulos de la tarea TMT y las respuestas del stylus (controladas por el ordenador de Estímulo/Respuesta); y b) los datos de seguimiento ocular con el rendimiento del TMT. Para facilitar el análisis de datos, los datos de seguimiento ocular se "marcan con una marca temporal" adicional para proporcionar etiquetas asociadas a eventos clave durante el experimento, incluyendo las horas de inicio y fin de cada TMT-A y bloque TMT en una ejecución determinada.

Un miembro adicional del laboratorio es principalmente responsable de la configuración de seguimiento ocular con el participante, la calibración del seguimiento ocular y la inspección visual en tiempo real de la adquisición de datos de seguimiento ocular. La calibración y validación del sistema de seguimiento ocular se realiza antes de la primera prueba TMT (Figura 4E), y mediante un procedimiento de "comprobación de deriva" entre la primera y la segunda ejecución TMT, para asegurar la consistencia de los resultados teniendo en cuenta posibles cambios leves en la posición de la cabeza (véase Protocolo más abajo para especificaciones exactas y secuencia). La calibración consiste en una prueba de seguimiento ocular de nueve puntos, en la que el participante debe en cada caso fijarse en un objetivo en el centro de la pantalla, seguido sucesivamente por ocho objetivos periféricos diferentes, en orden pseudoaleatorio. Para la validación, el participante vuelve a seguir los mismos nueve objetivos y se utiliza el modelo de calibración para estimar la posición de la mirada. Esto permite recopilar un conjunto de mediciones de error, constituyendo la diferencia entre la mirada estimada y la ubicación real del objetivo. El error espacial se informa en grados de ángulo visual al finalizar la prueba. La calibración y validación iniciales son aceptables si el error medio es <0,5^o y el error máximo es <1,0^o, correspondiente a la calificación "BUENA" proporcionada por el software de seguimiento ocular. Otras categorías con errores cada vez peores se califican como, por ejemplo, "REGULAR", "POBRE" o "REPROBADO", lo que requiere recalibración y validación. El miembro del laboratorio también puede comprobar errores atípicos, que pueden indicar una mala fijación en un momento dado, o patrones sistemáticos de error que sugieren un problema de configuración con el eye tracker. Entre ejecuciones, el procedimiento de comprobación de deriva consiste en realizar una prueba de validación con fijación únicamente en el objetivo central. Una comprobación exitosa (error máximo < 2,0^o) permite que la segunda carrera TMT continúe; De lo contrario, el miembro del laboratorio debe realizar una calibración seguida de una validación hasta que el error medio sea <1,0^O y el error máximo sea <2,0^O. Todos los valores de error se registran para su posterior evaluación. Los ajustes estándar del software del sistema de seguimiento ocular se utilizan para categorizar los datos de seguimiento ocular en sacades y fijaciones. Las sacádicas se clasifican según los siguientes umbrales de detección: movimiento 0,1^o; velocidad 30^o/s; y una aceleración de 8.000^o/s. Todos los demás datos de seguimiento ocular se clasifican como fijaciones.

Neuroimagen

Se utiliza un sistema de resonancia magnética de 3 Teslas con una bobina de cabeza de 64 canales para obtener datos de neuroimagen de alta calidad. La adquisición anatómica comienza con una secuencia de eco rápido gradiente (MPRAGE) preparada por magnetización sagital y ponderada T1 de alta resolución (tiempo de repetición/tiempo de eco/tiempo de inversión/ángulo de invertimiento TR/TE/TI/FA=2.500 ms/4,37 ms/1.100 ms/7^o), factor 2 de adquisiciones parcialmente paralelas generalizadas autocalibradas (GRAPPA) 2, matriz 256 x 256, 192 cortes, vóxeles isotrópicos de 1 mm, tiempo de imagen en 3 min:45 s). A continuación, se obtiene una medición indirecta de la actividad cerebral mediante una resonancia magnética (fMRI) del contraste de señales dependientes del nivel de oxigenación en sangre (BOLD) que surge del acoplamiento^{neurovascular 21}. Para la fMRI, la adquisición típica de BOLD ponderada en T2* utiliza imagen ecoplanar (EPI, TR/TE/FA = 1.750 ms/30 ms/40^o, aceleración por cortes 2, aceleración de fase 2, matriz 80 x 80, 60 cortes, vóxeles isotrópicos de 2,5 mm, 165 puntos de tiempo, tiempo de imagen en 4 min:49 s). Se realizan dos de estas pruebas de fMRI para TMT (descrito arriba).

Protocol

Las pruebas y el desarrollo del protocolo experimental se realizaron a través de participantes voluntarios, quienes proporcionaron su consentimiento informado por escrito gratuito para participar en el estudio. Este estudio ha sido revisado y aprobado por la Junta de Ética en la Investigación (REB) del Sunnybrook Health Sciences Centre, Toronto, Canadá.

1. Procedimiento experimental

NOTA: Los pasos 1–5 ocurren antes de la configuración de los participantes en la tabla de pacientes del sistema de resonancia magnética. Las ubicaciones pertinentes del sistema de resonancia magnética consisten en la zona de consola, la sala de imanes y la sala de equipos adyacente. Los ordenadores y conexiones del área de consola en el panel de penetración se muestran en la Figura 5.

1. Configuración general
   NOTA: El protocolo se describe para el sistema específico de resonancia magnética y el entorno de laboratorio utilizados por los coautores del Instituto de Investigación Sunnybrook. Puede ser necesario variar el protocolo para otros sistemas y entornos de resonancia magnética. Consulte la Tabla de Materiales para una lista completa de hardware y software. Se han puesto a disposición de los investigadores diferentes versiones de la tableta sensible al tacto según las condiciones locales de su sitio.
   1. Prepara la tableta para la retroalimentación visual de la posición de la mano (VFHP).
   2. Asegúrate de que la tableta esté bien sujeta a su marco y que la cámara de vídeo compatible con resonancia magnética esté fija.
   3. Aplica cinta azul nueva sobre la superficie de la tableta, asegurándote de que toda la superficie táctil esté cubierta, sin pliegues importantes que puedan interferir con el dibujo o desajustar la calibración. Quita el exceso de cinta de los bordes de la superficie de la tableta.
2. Configuración del sistema de tabletas (área de consola)
   1. En el lado de la sala de equipos (ERS) del panel de penetración de radiofrecuencia (RF), conecta el adaptador de alimentación de la cámara de vídeo de la tableta y conéctalo a la caja del filtro de la cámara.
   2. Conecta el cable de vídeo de acoplamiento de tuercas de bayoneta (BNC) desde la caja del filtro a la entrada de vídeo manual del ordenador Tablet Video Camera.
   3. Conecta un cable de extensión de 9 pines D-subminiature connector (DB9) desde la caja de interfaz de la tableta hasta el filtro en el ERS del panel de penetración RF.
   4. Una vez que los ordenadores de la cámara de vídeo Estímulo/Respuesta y la Cámara de Vídeo de la Tableta estén en funcionamiento, conecta los dos cables universal del bus serial (USB) desde la caja de interfaz de la caja de interfaz de la caja de Estímulo/Respuesta al ordenador de Estímulo/Respuesta, y conecta la caja de interfaz de la tableta a la alimentación.
   5. Utiliza un cable de interfaz multimedia de alta definición (HDMI) para conectar la salida de la pantalla de estímulo/respuesta del ordenador con la entrada de vídeo de estímulo/respuesta de la Tablet Video Camera.
   6. Para enviar la pantalla procesada de la cámara de vídeo de la tableta al Sistema de Proyección de FMRI, conecta un cable de matriz gráfica de vídeo (VGA) entre ambos dispositivos. Enciende el proyector compatible con resonancia magnética.
   7. Conecta el BNC de la caja de respuesta USB (URB) al sistema de salida de pulsos de disparo de la resonancia magnética. Conecta el extremo USB del cable al ordenador de Estímulos/Respuesta justo antes de comenzar el experimento de fMRI.
3. Configuración del sistema de tabletas (sala imán)
   1. Trae la tableta, el stylus, el enlace de la tablet (DB9) y los cables de enlace de cámara de vídeo de la tableta a la sala de imáns.
   2. Conecta los cables de enlace de la tableta y del enlace de la cámara de vídeo desde el sistema de tabletas hasta el lado de la sala magnética (MRS) del panel de penetración RF.
      NOTA: Asegúrate de que no haya dobleces ni bucles en ninguno de los cables MRS, ya que esto puede causar calentamiento por RF.
   3. Fija el sistema de tabletas a la mesa del paciente deslizando los clips compatibles con resonancia magnética en los raíles de la mesa, dos clips por lado.
   4. Coloca el proyector compatible con IRM detrás de la parte trasera del imán, aproximadamente a 1 m del tubo del imán. Montar la pantalla de proyección trasera compatible con IRM dentro del orificio magnético, aproximadamente a 2 m del proyector (véase la Figura 4B, C).
4. Configuración del sistema de seguimiento ocular (sala imán, sin participante)
   NOTA: Las instrucciones detalladas para la instalación de resonancias magnéticas de montaje a largo alcance se proporcionan en la Guía de instalación del sistema de seguimiento ocular (véase la Tabla de Materiales). La colocación de la cámara de seguimiento ocular en la sala de imán debe seguir las recomendaciones del sistema de seguimiento ocular para la colocación y cableado de componentes en un entorno de resonancia magnética, que pueden variar según el lugar (Guía de instalación del sistema de seguimiento ocular - Instalación de montaje a largo alcance - Instalación de resonancia magnética, pág. 47-57)^22.
   1. Coloca la cámara de seguimiento ocular compatible con IRM dentro del tubo imán, entre la pantalla del proyector y el borde del anónigo, de modo que el soporte de la cámara quede al ras del borde exterior del anónigo. Asegura el sistema de cámara al tubo ajustando los tornillos de plástico del soporte de la cámara.
   2. Conecta el cable de fibra óptica (FO) a la cámara de seguimiento ocular compatible con resonancia magnética. Conecta el cable FO hacia el exterior a la zona de la consola a través de la guía de ondas en la consola para conectarla a la interfaz de cámara ocular insegura para la resonancia magnética.
   3. Lleva el cable de alimentación del eye-tracker a la sala de imáns, conecta el extremo DB9 al filtro del panel de penetración y conecta el otro extremo del cable a la cámara de seguimiento ocular compatible con resonancia magnética y al iluminador. Quita la tapa del objetivo de la cámara.
      NOTA: El extremo DB9 del cable de alimentación puede ser inseguro para MR; Conecta de forma segura este extremo al panel de penetración inmediatamente una vez introducido en el entorno de RM, manteniendo la máxima distancia del imán. Además, mantén el cable FO y el cable de alimentación del eye-tracker separados entre sí y de cualquier otro cable en el suelo de la sala imántica, para evitar posibles enredos e interferencias de señal.
5. Configuración del sistema de seguimiento ocular (área de consola, sin participante)
   1. En el ERS del panel de penetración, conecte el adaptador de alimentación eye-tracker a una toma y al puerto de filtro DB9 correspondiente.
   2. Para capturar los disparos de estímulo/respuesta en el ordenador de seguimiento ocular, conecta sus puertos paralelos con un cable DB25.
   3. Para la comunicación entre el sistema de seguimiento ocular y el ordenador Tablet Video Camera, conecta ambos mediante un cable de red ethernet Categoría 5e (CAT5e). Enciende el ordenador de seguimiento ocular.
6. Configuración de participantes (dentro de la sala de imán)
   1. Prepara la mesa del paciente con la bobina de 64 canales y pide al participante que se tumbe boca abajo en la camilla con la cabeza lo más dentro posible del resorte. Para evitar movimientos, añade acolchado alrededor de la cabeza para un ajuste seguro. Utiliza el láser emblemático para verificar que la cabeza está centrada dentro de la bobina de la cabeza.
   2. Ajusta la posición del espejo de la bobina de cabeza hasta que el participante tenga una vista clara y sin obstáculos de la pantalla de proyección trasera.
   3. Coloca el soporte para la tableta sobre la cintura del participante de modo que la superficie sensible al tacto quede en una posición cómoda para facilitar la escritura y el dibujo.
   4. Coloca el stylus de la tableta en la mano dominante del participante y pídele que lo sostenga como si estuviera sosteniendo un bolígrafo. Pide al participante que toque las cuatro esquinas de la superficie táctil con el stylus, para evaluar su comodidad. Ajusta la posición de la tableta y añade acolchado bajo el codo según sea necesario para minimizar la tensión u obstrucción.
   5. Una vez que se consiga una posición cómoda, asegure firmemente el sistema de pastillas a la cama del paciente usando las correas de Velcro. Mueve lentamente el usuario y el sistema de tabletas hacia el tubo magnético con cuidado. Asegúrate de que el sistema de tabletas no golpee el borde del orificio y que los cables de la tablet no se enreden (Figura 2A).
7. Configuración de software de seguimiento ocular (área de consola y sala de imáns)
   NOTA: Toda la configuración de software realizada en el ordenador con cámara de vídeo tableta o en el ordenador de estímulo/respuesta es realizada por los miembros del laboratorio de investigación utilizando los pulsos de teclado y clics de ratón apropiados.
   1. En la tableta de videocámara, abre el programa de camera.exe de vídeo. Mientras el sistema se inicializa, espera a que aparezca el cuadro de Configuración y pulsa OK usando el ratón del ordenador.
      NOTA: En este punto, el participante debería poder ver la retroalimentación de vídeo a pantalla completa de la posición de su mano/stylus (Figura 2D).
   2. En la tableta de cámara de vídeo, abre el programa Grabador de Pantalla .
   3. Crea una nueva sesión de captura de pantalla para los datos de seguimiento ocular del participante usando su ID de participante.
   4. Siga las recomendaciones del manual de usuario del sistema de seguimiento ocular para configurar los umbrales de reflexión pupilar y corneal, y para calibrar y validar la cámara de seguimiento ocular (Manual de usuario del sistema de seguimiento ocular - Tutorial: Running an Experiment, págs. 81 - 91)²³.
      1. Ajusta la vista de seguimiento ocular del ojo derecho del participante alternando entre diferentes vistas de cámara, enfocando el objetivo y ajustando el iluminador.
      2. Una vez configurados los valores aceptables del umbral de pupila y la reflexión corneal (CR), se registran los valores y se procede a la calibración de 9 puntos (pulsa C).
      3. Valida la calibración ( pulsa V). Registra los valores medios y máximos del ángulo de validación antes de proceder al experimento de fMRI. Si se logran resultados de calibración subóptimos (VÁLIDOS o POBRES), repite la calibración/validación hasta que se logren resultados BUENOS , lo que corresponde a un error medio de <0,5^o y un error máximo de <1,0⁰ (Figura 4D,E).
8. Calibración de tabletas
   1. Usa el ordenador de Estímulos/Respuesta para calibrar la superficie táctil de la tableta.
   2. Abre la calibración ELO de 3 puntos para comenzar la calibración de la tableta.
   3. Indica al participante que use el stylus para tocar y soltar los tres objetivos que aparecen en pantalla, consecutivamente, dentro del tiempo límite.
   4. Una vez completada la calibración, abre la aplicación de edición gráfica referenciada (véase la Tabla de Materiales) e instruye al participante para que dibuje libremente y así confirmar que el stylus está siguiendo correctamente. Repite los pasos 8.1–8.4 según sea necesario.
      NOTA: Los frecuentes tirones o saltos en los gráficos de respuesta de tabletas sugieren que el stylus no está siguiendo bien y requiere recalibración.
9. Protocolo de entrenamiento
   1. Para familiarizar al participante con la escritura y el dibujo en la interfaz de la tableta, pídele que siga las indicaciones guías mediante una tarea de entrenamiento autodidacta de un estudio esencial^{de temblor 24}. Esto incluye que el participante firme su nombre y realice la tarea del Temblor de Fahn-Tolosa-Marin, que consiste en trazar líneas en espiral y horizontales entre directrices cada vez más estrechas.
   2. Para familiarizar al participante con el TMT, guíale a través de una tarea de entrenamiento autodidacta que consiste en versiones simplificadas de TMT-A y TMT-B, con solo 12 elementos. Tras este entrenamiento, guíalos por versiones alternativas y a tamaño real de TMT-A y TMT-B, con los elementos reorganizados, usando el mismo tiempo que la tarea experimental. Monitoriza el rendimiento de los participantes para asegurarte de que la tableta permanece bien calibrada y que el participante está ejecutando la tarea TMT según las indicaciones.
10. Paradigma experimental
    NOTA: Este flujo de trabajo implementa el diseño de bloques TMT descrito anteriormente.
    1. Inicia la grabación con el rastreador ocular. En la tableta de vídeo, selecciona Iniciar grabación en el programa Grabador de Pantalla .
    2. En el ordenador de Estímulo/Respuesta, abre el archivo de script TMT-Run1_slow.ebs2 E-Prime (E-Run).
    3. Haz la conexión final con la salida de disparo del sistema de resonancia magnética: conecta el URB al ordenador de Estímulo/Respuesta.
    4. Introduce el ID del participante y el número de sesión cuando el script E-Run te lo indique.
    5. Da instrucciones verbales al participante para completar el TMT usando el intercomunicador del sistema de resonancia magnética (Figura 6). Confirma que el participante está listo para continuar.
    6. El script E-Run presentará al participante instrucciones TMT. La ejecución de la primera ejecución de TMT-A, TMT-B y las condiciones de fijación visual comenzarán una vez que se envíe un pulso de disparo desde el sistema de resonancia magnética al inicio de la fMRI a través de la URB.
    7. Monitoriza los datos del eye-tracker durante la prueba para asegurarte de que la señal es estable (un miembro del laboratorio). Además, monitoriza el rendimiento del TMT (respuestas con el stylus) del participante para asegurarse de que sigue las instrucciones dadas y que no hay problemas con la configuración (es decir, proyección de vídeo poco fiable, mal seguimiento del stylus, etc.; segundo miembro del laboratorio). Que el segundo miembro del laboratorio también anote la presencia de errores de rendimiento para TMT-A o TMT-B, y el número del ensayo.
    8. Una vez finalizada la prueba, detener la grabación ocular y realizar una corrección de deriva, siguiendo las recomendaciones del Manual de Usuario del sistema de seguimiento ocular (pág. 91-92)²³. Si la comprobación de deriva da un error < 2,0°, procede. Si el error es ≥2,0, realizar calibración/validación hasta que el error medio sea <1,0° y el máximo de <2,0°.
    9. Para la Run 2, reinicia la sesión de grabación ocular y abre el archivo de script E-Run TMT-Run2_slow.ebs2 en el ordenador de Estímulo/Respuesta. Introduce el mismo ID de participante y número de sesión que en la Run 1. Repite las instrucciones de la tarea (Figura 6). De nuevo, el pulso desencadenante iniciará la tarea una vez que haya comenzado la fMRI. En cuanto a la primera ejecución de TMT, que el segundo miembro del laboratorio anote la presencia de errores de rendimiento TMT.
    10. Una vez completado el experimento, realiza una validación final de seguimiento ocular (paso 7.4.3) y registra los valores promedio y máximo de error. Luego, haz clic en Archivo | Cierra el software de seguimiento ocular para exportar los datos. Saca al participante del imán y comienza el desmontaje del equipo.
11. Desmontaje de equipos y almacenamiento de datos
    1. Los datos de TMT se guardarán automáticamente en el ordenador de Estímulo/Respuesta en la misma carpeta que los scripts TMT.
    2. Los datos de seguimiento ocular se guardarán una vez finalizada la sesión de grabación.
    3. En el programa SR Research Screen Recorder de la tableta Videocámara, navega hasta Archivo y selecciona Cerrar ; esto transferirá los archivos desde el ordenador de seguimiento ocular al ordenador de la Tablet con cámara de vídeo.
       NOTA: Simplemente cerrar la ventana del programa no supondrá la transferencia o guardado adecuado de los datos experimentales.
    4. Una vez completada la transferencia de datos, apaga todos los ordenadores y almacena el equipo.

2. Análisis

1. Participante
   1. Para demostrar el protocolo y su posible impacto, se recogieron datos de TMT, seguimiento ocular y fMRI basados en tabletas de una participante voluntaria (una mujer diestra sana de 22 años) sin antecedentes reportados de trastornos neurológicos, psicológicos o de escritura.
2. Métricas cinemáticas de tabletas
   1. Analizar datos en bruto de tabletas cinemáticas (posición del stylus en coordenadas x,y) usando scripts personalizados escritos en MATLAB disponible en^{GitHub 25}. Los datos en bruto se procesan usando el script personalizado NPTF2F_CompleteAnalysis.m, que llama a scripts personalizados adicionales: NPTF2F_RemoveErrors.m; NPTF2F_SpeedData.m; NPTF2F_SignalData.m; getAverageForce.m; getTotalDistance.m; sigfilt1.m; spikeRemoval.m; y zeroX.m. Para ejecutar NPTF2F_CompleteAnalysis,m, introduzca la identificación del participante, la fecha de recogida de datos y el orden de la secuencia de pulsos (EPI/INI o INI/EPI), donde INI indica la imagen^{inversa 26}.
      NOTA: La recopilación de datos de fMRI relacionada con TMT en la institución de los autores puede realizarse en cualquiera de los dos modos de imagen, eligiendo aquí la EPI (véase Neuroimagen arriba). La adquisición de la fMRI del INI registra la actividad cerebral con mayor resolución temporal y está fuera del alcance del trabajo actual. Al ejecutar el guion, el análisis avanza en varias secciones. Las secciones 0 y 1 pueblan el espacio de trabajo de MATLAB y leen y almacenan datos de los archivos de texto de entrada, respectivamente.
      1. La Sección 2 pide al usuario que introduzca el número de Enlaces Totales, Correctos e Incorrectos a partir del análisis visual de las actuaciones del ensayo TMT-A. Asegúrate de que el análisis visual sea más indulgente; si el participante no hizo contacto con un círculo pero se hizo un intento claro en la dirección del círculo, se cuenta el enlace como Correcto. De manera similar, si el participante 'pasó' un círculo y contactó con otro círculo vecino mientras redirigía el stylus al siguiente círculo correcto, no se considere esto como un enlace adicional (e incorrecto).
         NOTA: El ámbito actual de análisis solo examina ensayos totalmente correctos o los enlaces correctos realizados dentro de un ensayo. La Sección 3 permite eliminar los errores de enlace en cada ensayo. No son necesarias eliminaciones en el presente caso porque el participante no cometió errores de enlace.
      2. Espera a que la Sección 4 calcule estadísticas a partir de los datos del ensayo llamando a la función NPTF2F_SpeedData().
      3. Espera a que la Sección 5 llame a NPTF2F_SignalsData().
      4. Observa la Sección 6 que emite datos cinemáticos de la tableta en un formato adecuado para procesamiento posterior de datos (16 ensayos x 15 parámetros).
3. Agregar datos para cuantificar características de rendimiento y estadísticas descriptivas por ensayo.
   1. Determina el tiempo de finalización como el tiempo que tarda el participante en alcanzar el carácter final de secuencia desde el inicio del ensayo TMT, con un límite superior establecido por la duración máxima de bloques de 40 s (ensayos TMT-A) o 60 s (ensayos TMT-B).
   2. Calcula la velocidad (píxeles por segundo, [px/s]) como el cambio en las coordenadas x,y (en función del movimiento del stylus) a lo largo del tiempo. El área activa del panel táctil es de 129 mm x 97 mm, y el área de la pantalla de estímulos es de 103 mm x 77 mm (1.024 x 768 píxeles, ángulo visual de 9,0° x 6,7°, sin incluir el área circundante en el vídeo en directo que muestra la tableta y las manos del participante).
   3. Considerando la posibilidad de efectos de techo derivados de duraciones fijas de bloques (es decir, no completar TMT-A o TMT-B dentro del tiempo máximo), calcular otra métrica, segundos por enlace (SPL)¹⁵, dividiendo el tiempo de finalización (segundos) por el número de enlaces (respuestas correctas del stylus que conectan entre dos elementos).
      NOTA: Valores SPL más altos indican un rendimiento de enlace más lento y viceversa.
   4. Utiliza el archivo de vídeo de la pantalla de seguimiento ocular para confirmar la finalización general de la tarea y anotar cualquier comportamiento erróneo (por ejemplo, enlaces incorrectos, levantamiento del stylus).
      NOTA: El participante en este caso no tuvo un rendimiento erróneo en el TMT.
   5. Utiliza los valores medios, de primer y tercer cuartil de velocidad para diferenciar los periodos de enlace y no enlazamiento de cada ensayo, como se describe a continuación.
   6. Definan los periodos de enlace (valores de velocidad por encima del primer cuartil) mediante aceleraciones rápidas hasta valores de velocidad máxima seguidas de una desaceleración de magnitud similar.
   7. Defina las velocidades por debajo del primer cuartil como periodos no vinculativos, tipificados por el comportamiento de búsqueda visual previo al comportamiento de enlace intencionado.
      NOTA: Estos comportamientos de vinculación y no vinculación, y sus correlatos neuronales, han sido caracterizados recientemente en un estudio sobre el rendimiento de la TMT basada en tabletas en adultos jóvenes durante la electroencefalografía¹⁰.
   8. Utiliza los periodos de enlace y no enlazamiento para determinar la duración de la vinculación (tiempo medio dedicado a conectar un enlace, [ms]) y la duración sin enlazamiento (tiempo medio dedicado a buscar la siguiente conexión, [ms]), respectivamente.
   9. Calcular la distancia total (D) de las respuestas del stylus durante un ensayo en píxeles como otro índice de variabilidad entre ensayos. Calcula el porcentaje medio de distancia extra recorrida (EDT) para cada ensayo, expresado como porcentaje del camino óptimo (el más corto).
   10. Calcular la distancia por enlace (DPL, px/enlace) como la distancia media recorrida para formar un enlace en cada ensayo.
   11. Calcular la fuerza media (unidades arbitrarias, [au]) solo entre los periodos de enlace y no enlazamiento, omitiendo datos entre ensayos.
4. Métricas de seguimiento ocular
   1. Consulta y procesa los datos de seguimiento ocular por ensayo, utilizando el software nativo del sistema de seguimiento ocular (véase la Tabla de Materiales).
   2. Se demuestran pruebas de concepto y potencial para datos de seguimiento ocular promediados en el tiempo por separado para condiciones completas de rendimiento TMT-A y TMT-B. Analiza y separa los datos del flujo continuo registrado para cada ejecución, basándose en los códigos de disparo con marca de tiempo generados por el ordenador de Estímulo/Respuesta, que indican el inicio y el final de cada bloque de tarea TMT-A y TMT-B dentro de los archivos de datos EDF de seguimiento ocular.
   3. Informa estadísticas descriptivas, incluyendo el recuento de sacadas, recuento de fijaciones, tiempo de fijación (ms), porcentaje de fijación, recuento de parpadeos, tasa de parpadeos (parpadeos/s) y tamaño de pupila (en unidades arbitrarias [au]).
      NOTA: Las definiciones específicas para cada parámetro se enumeran en la Tabla 1. Las estadísticas relacionadas con la fijación y las sacádicas se producen mediante generadores de informes integrados en el software usando valores predeterminados de umbral y amplitud.
5. Informes estadísticos
   1. Dada la naturaleza de prueba de concepto del experimento, que involucra a un solo participante en la investigación, realiza pruebas estadísticas simples sin corrección para múltiples comparaciones. Calcular métricas medias de tableta y seguimiento ocular para TMT-A y TMT-B en las dos ejecuciones experimentales (sumando cuatro casos de cada condición de prueba).
   2. Para cada tableta y métrica de seguimiento ocular, se utiliza una prueba t de dos colas emparejada para evaluar si existen diferencias estadísticamente significativas entre las dos partes de TMT (TMT-B frente a TMT-A).
6. Datos de neuroimagen
   1. Generar mapas de fMRI de prueba de concepto de la actividad cerebral utilizando el análisis del software gratuito de neuroimagen funcional (AFNI^{) 27}, que está ampliamente adoptado en la comunidad investigadora.
      NOTA: En GitHub²⁵ se proporciona un script que detalla la pipeline específica de análisis de imágenes y las elecciones de parámetros. En resumen, la secuencia de pasos de la cadena de procesamiento de imágenes AFNI para evaluar la actividad cerebral en cada elemento de volumen (voxel) en el cerebro es la siguiente:
      1. Concatena los datos de fMRI de las dos pruebas de TMT.
      2. Realizar pasos de preprocesamiento antes de la generación del mapa de activación, incluyendo correcciones voxel por picos (valores atípicos) en la amplitud de la señal de fMRI en función del tiempo, efectos fisiológicos relacionados con la respiración y la pulsación^{cardíaca 28}, tiempo de adquisición de la sección de imagen y movimiento.
      3. Alinear los datos de resonancia anatómica ponderados T1 con una plantilla estándar de atlas cerebral^29,30 con un procedimiento de deformación no lineal.
      4. Aplica los parámetros de distorsión a los datos de fMRI.
      5. Filtrar espacialmente los datos de fMRI usando un núcleo Gaussiano de 5 mm de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM).
      6. Divide el curso temporal de la fMRI en cada vóxel por el valor medio y luego multiplica por 100 para reescalar las señales de la fMRI a unidades porcentuales.
      7. Introduce los datos de la fMRI en un modelo lineal general (GLM) que incluye formas de onda tipo boxcar que representan los tiempos activos durante los bloques de tarea TMT-A y TMT-B (derivados de datos de tabletas) convolutos con una función de respuesta hemodinámica canónica, además de regresores para fluctuaciones de baja frecuencia, movimientos y derivadas de movimiento, y regresores fisiológicos para eliminar los efectos residuales de los ciclos cardíaco y respiratorio.
      8. Calcular los mapas iniciales correspondientes a la activación cerebral (coeficientes beta del análisis GLM voxel a voxel) para a) el rendimiento medio de TMT-A más TMT-B frente a la fijación; y b) el rendimiento medio TMT-B – TMT-A. Informa cada mapa en p < 0,0005 y luego aplica un umbral de tamaño de clúster para corregir comparaciones múltiples en p < 0,05.

Results

Utilizando el archivo de grabación de pantalla de seguimiento ocular, las actuaciones representativas de TMT-A y TMT-B en un único momento en el entorno de realidad aumentada se muestran en la Figura 7A y B, respectivamente. Las actuaciones de TMT-A y TMT-B (línea azul) y los datos de mirada (línea roja) en intervalos sucesivos de 2,5 s se muestran en la Figura 7C,D, respectivamente. Este intervalo de tiempo se eligió para facilitar la visualización de varias instancias sucesivas de comportamiento de enlace en un solo gráfico. Un intervalo de tiempo más corto simplemente muestra un enlace (o ninguno), mientras que un intervalo de tiempo más largo muestra más enlaces y desorden, y es más difícil de interpretar visualmente. Al inspeccionar la Figura 7C,D, en particular, es evidente que durante los primeros segundos de realizar TMT-A y TMT-B, el participante busca visualmente y codifica los primeros enlaces que debe hacer antes de mover el stylus. También hay indicios de que, a lo largo de la actuación de TMT-A y TMT-B para los intervalos de tiempo mostrados, la mirada (y el comportamiento de búsqueda visual) precede a los movimientos adecuados que enlazan con el stylus.

La Tabla 1 resume las métricas cinemáticas y de seguimiento ocular promedio del participante para el rendimiento de la TMT en todos los ensayos (cuatro instancias de TMT-A, cuatro instancias de TMT-B, en dos pruebas separadas). Los tiempos de finalización para TMT-B (31,3 s ± 6,0 s) tendieron a ser mayores que para TMT-A (24,0 s ± 5,7 s) (p = 0,06). Esto es coherente con el procesamiento mental más complejo que se requiere para realizar el TMT-B. La velocidad media de rendimiento de extracción de enlace no fue significativamente más lenta para TMT-A (0,35 ± 0,04 px/ms) que para TMT-B (0,36 ± 0,13 px/ms) (p = 0,91), mientras que SPL tendió a ser mayor para TMT-B (1,31 ± 0,25 s) que para TMT-A (1,00 ± 0,24 s) (p = 0,06). Las duraciones medias de los periodos de enlace no fueron significativamente diferentes (702 ± 299 ms (TMT-B) y 729 ± 221 ms (TMT-A) (p = 0,92)), ni tampoco las duraciones de los periodos no relacionados con enlace (576 ± 451 ms (TMT-B) y 260 ± 29 ms (TMT-A) (p = 0,23)). La distancia total (D) no fue significativamente diferente para TMT-B (10.300 ± 1.270 px) en comparación con TMT-A (10.600 ± 1.930 px) (p = 0,52). El porcentaje de distancia adicional recorrida (EDT) en relación con la distancia más corta posible fue del 27,1% ± 7,1% para TMT-A y 24,2 ± 6,3% para TMT-B (p = 0,59). La distancia por enlace (DPL) para TMT-A era de 442 ± 80 px/enlace y 429 ± 53 px/enlace para TMT-B (p = 0,52). La fuerza del agullo tiende ligeramente al alza de media para TMT-B (9,3 ± 1,8) que para TMT-A (5,5 ± 3,5) (p = 0,11). No se cometieron errores durante ninguna de las dos condiciones de tarea. En conjunto, estos resultados son consistentes con la interpretación de que existe una variación significativa en el rendimiento motor tanto sobre TMT-A como TMT-B, de modo que cualquier posible diferencia entre las dos partes de TMT debida a la complejidad cognitiva en la velocidad media de dibujo del enlace, duración del periodo de enlace, periodo no vinculante, D, EDT, DPL y fuerza del stylus queda oscurecida en el análisis a nivel de un solo participante por la presentación pseudoaleatoria de los estímulos en la pantalla. Sin embargo, como era de esperar, la tendencia a un mayor SPL para TMT-B en comparación con TMT-A coincide bien con los hallazgos sobre el tiempo de finalización, reflejando la fuerte correlación entre ambas métricas.

Los datos de seguimiento ocular mostraron una tendencia hacia un ligero aumento de sacádicas en TMT-B (90 ± 24) que en TMT-A (71 ± 22) (p = 0,10). Los resultados análogos para las fijaciones fueron casi idénticos, dado que las sacádicas y las fijaciones están fuertemente interrelacionadas. El tiempo medio de fijación en TMT-A fue de 308 ± 40 ms, mientras que el tiempo medio de fijación en TMT-B fue de 314 ± 32 ms (p = 0,32). El porcentaje medio de tiempo dedicado a una fijación (% de fijación para TMT-A fue del 90,0 ± 2,3%, significativamente diferente del valor de 88,7 ± 2,1% para TMT-B (p = 0,01). El recuento de parpadeos por ensayo fue significativamente mayor en TMT-B (5,0 ± 2,6) que en TMT-A (2,0 ± 1,2) (p = 0,04). Teniendo en cuenta la diferencia en el tiempo medio de finalización entre pruebas, la tasa de parpadeo seguía siendo significativamente mayor para TMT-B (0,15 ± 0,06 parpadeos/s) en comparación con TMT-A (0,08 ± 0,05 parpadeos/s) (p = 0,03), como cabría esperar para la primera tarea, ya que es más exigente cognitivamente. El tamaño medio de la pupila se mantuvo muy similar en todas las condiciones (1.588 ± 140 para TMT-A; 1.648 ± 59 para TMT-B) (p = 0,29).

Al analizar la actividad cerebral durante ambas condiciones de tarea (TMT-A y TMT-B frente a fijación visual), se observó una activación positiva generalizada significativa, junto con varios grupos activados negativamente (que tendían a ser más pequeños). Los 25 primeros grupos por tamaño incluyeron activación positiva en porciones del cerebelo medial y lateral, precuneo izquierdo, lóbulos parietales superior e inferior, giro occipital medio izquierdo, giro precentral, giro postcentral izquierdo, giro frontal superior izquierdo, giro occipital superior derecho, áreas motoras suplementarias, corteza cingulada media izquierda, giro supramarginal derecho, giro frontal medio izquierdo y giro calcarino derecho. Un subconjunto de estas activaciones se muestra en imágenes representativas en la Figura 8. La activación negativa estuvo presente en el giro angular, giro frontal superior izquierdo, giro temporal medio, giro parietal inferior derecho, giro temporal superior derecho, giro postcentral derecho, giro supramarginal derecho, giro frontal inferior izquierdo (pars orbitalis), lóbulo paracentral derecho y giro precentral derecho. Sin embargo, para el contraste TMT-B frente a TMT-A, no se observaron activaciones positivas ni negativas significativas. Como se mencionó en la Discusión (véase más abajo), estas observaciones colectivas de fMRI son coherentes con resultados previos obtenidos en el laboratorio.

Figura 1: Diagrama conceptual del aparato experimental. (A) El monitor del ordenador se utiliza para controlar el aparato y la administración de pruebas cognitivas, y para visualizar los resultados, tal como los realiza (B) el ordenador. Los cables de alimentación, control y grabación de datos pasan por el panel de penetración de radiofrecuencia (C). El aparato clave incluye la tableta informatizada compatible con resonancia magnética (D), que consiste en una superficie y lápiz táctil, un iluminador de diodo emisor de luz y una cámara de vídeo "Tablet Video Camera" que captura movimientos de manos y de aguja. (E) Un espejo reflectante montado en la bobina de la cabeza permite el seguimiento ocular del participante, que está tumbado sobre (F) la mesa del paciente del sistema de resonancia magnética, utilizando (G) un sistema remoto de grabación de vídeo. El espejo también permite al participante ver estímulos de prueba, respuestas a tabletas y movimientos asociados de mano/stylus en (H) una pantalla de proyección trasera presentada por (I) un sistema de proyección remota compatible con resonancia magnética. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 2: Tabletasde la tableta. (A) Disposición de tabletas en la mesa del paciente con un voluntario participante. (B) Primer plano de la tableta, el soporte y el stylus (amarillo) en dos orientaciones diferentes que muestran la disposición de la "cámara de vídeo tableta" y el iluminador de diodo emisor de luz. (C) Cámara de vídeo para tableta y ordenadores de estímulo/respuesta para controlar el sistema de tabletas, desde la zona de la consola de la resonancia magnética. (D) Vista representativa del entorno de realidad aumentada mientras un participante realiza TMT-A. El punto rojo indica la posición instantánea de la mirada y no se muestra al participante. (E) Sistema de proyección compatible con resonancia magnética para la presentación de un entorno de realidad aumentada al participante, en la pantalla trasera. La pantalla está montada en el orificio magnético y no se ve en esta vista; véase la Figura 4 para una representación clara. Abreviatura: TMT = Prueba de Trail-Making. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 3: Las pruebas de creación de senderos sonquímicas. Diagrama de sincronización de la administración de TMT durante la fMRI. Arriba: Diagrama de sincronización que indica la duración de los bloques TMT-A, TMT-B y de fijación, administrados en cada una de dos pasadas. Abajo: Imágenes de muestra de cada condición. Cabe señalar que los ensayos de TMT-A y TMT-B implican diferentes patrones de estímulo para cada ensayo, por lo que los participantes no actúan basándose en la memoria espacial. Todos los ensayos de fijación visual implican la misma visualización de la imagen. Abreviaturas: TMT = Prueba de Creación de Senderos; fMRI = resonancia funcional; TMT-A = parte A; TMT-B = parte B; Fijar = fijación visual. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 4: Eye-tracker setup. (A) Imagen de cámara de vídeo ocular compatible con resonancia magnética, iluminador y montura. (B) Imagen de la abertura del imán frontal, mostrando la relación espacial del aparato de seguimiento ocular con la tableta, la bobina de cabeza y el espejo, y la pantalla de proyección. (C) Imagen de la abertura del imán frontal con la tableta y la bobina de cabeza retiradas, mostrando la relación entre el proyector y la pantalla de proyección utilizada con la tableta, y la cámara de seguimiento ocular y el iluminador. (D) Entorno de software de seguimiento ocular que muestra la grabación de vídeo de un participante en un gran campo de visión y un campo recortado y ampliado donde se detectan reflejos corneales para permitir el seguimiento ocular, y se detecta la pupila para el registro del diámetro de la pupila. (E) Capturas de pantalla de ejemplo durante la calibración y validación del eye-tracker. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 5: Consola y p-enetration p anelset etup. (A) Área de la consola de la resonancia magnética mostrando los cuatro monitores usados en los experimentos. De izquierda a derecha: rastreador ocular; cámara de vídeo para tableta; estímulo/respuesta a la tableta; y la consola del sistema de resonancia magnética. (B) Imagen del lado de la sala magnética del panel de penetración mostrando todas las conexiones hardware pertinentes. (C) Conexiones análogas en el lado de la sala de equipos. Abreviatura: BNC = acoplamiento de tuerca de bayoneta. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 6: Instrucciones verbales dela t. La tarea de entrenamiento consiste en que los participantes utilicen una tableta y un lápiz óptico para practicar el trazo de una línea suave entre las pautas, familiarizándoles con el dispositivo antes de la prueba cognitiva. El TMT consta de dos partes: la Parte A requiere conectar círculos numerados en orden ascendente, mientras que la Parte B alterna entre números y letras en orden ascendente. Abreviatura: TMT = Prueba de Creación de Senderos. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 7: Rendimiento del TMT. Muestras temporales de (A) la actuación de TMT-A y (B) la actuación de TMT-B en realidad aumentada desde la perspectiva del participante. El punto rojo en cada imagen representa el punto de mirada. Las imágenes son fotogramas de la pantalla eye-tracker que graba el archivo de vídeo; Ten en cuenta que el participante no puede ver el punto de mirada durante la prueba. (C,D) Intervalos de tiempo sucesivos de 2,5 s de rendimiento de TMT-A y TMT-B (líneas azules), incluyendo datos de mirada dependientes del tiempo (líneas rojas), respectivamente. Las sacades son evidentes como líneas rojas finas, mientras que los "nudos" también se manifijan cuando la mirada no se mueve rápidamente, indicando fijaciones. Abreviatura: TMT = Prueba de Creación de Senderos. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 8: fMRI unactivación conaps. Activación (contraste de señal de resonancia magnética f) para (TMT-A y TMT-B) frente a fijación. Las posiciones de corte están separadas por 14 mm en las coordenadas Z indicadas en el espacio del atlas estereotáxico. La barra de color representa el porcentaje de contraste de la señal BOLD en áreas significativamente activadas, con valores positivos que demuestran una activación superior a la línea inicial. Abreviaturas: fMRI = IRM funcional; TMT = Prueba de Creación de Senderos; L = Izquierda; R = Derecha; BOLD = dependiente del nivel de oxigenación en sangre. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

PARÁMETRO	DEFINICIÓN	TMT A	TMT B	VALOR P (CON DOS COLAS, EN PAREJA)
Tiempo(s) de finalización	Tiempo medio (en segundos) para completar cada prueba	24.0 (± 5.7)	31.3 (± 6.0)	0.06
Velocidad (px/ms)	Velocidad media (en píxeles por milisegundo) del movimiento del stylus A lo largo de cada juicio	0,35 (± 0,04)	0,36 (± 0,13)	0.91
Segundos por Enlace, SPL (s/Enlace)	Tiempo medio (en segundos) que se tarda en completar cada enlace en cada prueba	1.00 (± 0.24)	1.31 (± 0.25)	0.06
Duración de enlace (ms)	Tiempo medio (en milisegundos) dedicado a conectar cada enlace cada juicio	729 (± 221)	702 (± 299)	0.92
Duración sin enlazamiento (MS)	Tiempo medio (en milisegundos) dedicado a buscar la siguiente conexión A lo largo de cada juicio	260 (29 ±)	576 (± 451)	0.23
Distancia total (px)	Distancia media (en píxeles) que recorrió el stylus en cada prueba	10600 (± 1930)	10300 (± 1270)	0.52
Distancia extra Viajado, EDT (%)	La distancia extra media recorrida por cada ensayo, expresada como Porcentaje del camino óptimo (más corto) posible	27.1 (± 7.1)	24.2 (± 6.3)	0.59
Distancia por enlace, DPL (px/Enlace)	La distancia media (en píxeles) recorrida para formar un enlace en cada prueba	441 (± 80)	429 (± 53)	0.52
Fuerza (unidades abritrary)	Fuerza media (en unidades arbitrarias) ejercida sobre la pantalla de la tableta en cada prueba	5.5 (± 3.5)	9.3 (± 1.8)	0.11
Saccade Count	Número medio de sacádicos en cada prueba	71 (22 ±)	90 (24 ±)	0.10
Recuento de fijaciones	Número medio de fijaciones en cada ensayo	71 (22 ±)	90 (24 ±)	0.09
Tiempo de fijación (ms)	Tiempo medio (en milisegundos) de cada fijación en cada prueba	308 (± 40)	315 (32 ±)	0.32
Porcentaje de fijación (%)	Porcentaje medio de tiempo dedicado a una fijación durante cada ensayo	90.0 (± 2.3)	88.7 (± 2.1)	0.01
Cuenta de parpadeos	Número medio de blink en cada ensayo	2.0 (± 1.2)	5.0 (± 2.6)	0.04
Tasa de parpadeo (parpadeos/s)	Número medio de parpadeos realizados por segundo durante cada prueba	0,08 (± 0,05)	0,15 (± 0,06)	0.03
Tamaño de la pupila (abritrary unidades)	Tamaño medio de alumnos en cada ensayo	1588 (± 140)	1648 (± 59)	0.29

Tabla 1: Estadísticas resumen para métricas cinemáticas en tabletas y métricas de seguimiento ocular, tabuladas para el rendimiento de TMT-A y TMT-B en una mujer adulta joven y sana. Las definiciones de cada métrica se dan con desviaciones estándar entre paréntesis. Las métricas mostradas en cursiva implican promediar el rendimiento de enlace en cada ensayo y luego promediar posteriormente en todos los ensayos, para TMT-A y TMT-B, respectivamente. Los valores p se listan para pruebas t emparejadas y de dos colas de diferencias en valores métricos entre TMT-A y TMT-B. Los valores p mostrados en negrita indican efectos significativos para pruebas bilatérales a p < 0,05. Cursivas = promedio de los promedios de cada prueba. Negrita = Aprueba la prueba de dos colas, pareja.

Discussion

El presente trabajo presenta un protocolo integral para adquirir simultáneamente datos de seguimiento ocular y fMRI durante la realización de ToC basados en tabletas. La siguiente discusión primero evalúa varios aspectos del protocolo y luego se centra en los resultados mostrados para un participante representativo. También se mencionan aplicaciones futuras del protocolo a lo largo del texto.

El protocolo fue cuidadosamente diseñado durante varios años basándose en la amplia experiencia adquirida en el desarrollo del sistema de tabletas y en la realización de investigaciones de fMRI que involucraban tanto la tableta como el seguimiento ocular (pero sin combinar estos dos últimos componentes). En particular, todos los pasos relacionados con la calibración aseguran que los datos obtenidos reflejen con precisión el rendimiento de los participantes. La calibración en tableta al inicio de la sesión garantiza que el stylus (y cursor) rastree con precisión el comportamiento de escritura y dibujo en la pantalla de realidad aumentada, a pesar de cualquier cambio en la vista de la cámara que pueda haberse producido durante el manejo. Para asegurar que el movimiento de la cabeza no confunda significativamente los resultados, se implementan y validan la calibración de seguimiento ocular y la corrección de deriva basándose en las recomendaciones del fabricante y el software del sistema disponible, además de la monitorización continua del flujo de datos de seguimiento ocular durante los ensayos. Una calibración incorrecta u omitida, tanto para la tableta como para el sistema de seguimiento ocular, puede generar resultados sesgados. Sin embargo, los resultados de tabletas y seguimiento ocular presentados aquí, así como otros generados en el laboratorio, sugieren que se pueden obtener datos de excelente calidad en adultos sanos. En el futuro, puede ser necesario un procesamiento adicional de datos en el caso de otras poblaciones estudiadas, como personas mayores o pacientes con condiciones neurológicas o psiquiátricas. Por ejemplo, los datos pueden necesitar excluirse del análisis debido a periodos intermitentes de movimiento excesivo de la cabeza (según se determina a partir de las estimaciones de movimiento obtenidas en la sección 2.6.1.2 del protocolo). Las porciones iniciales de datos en la primera ejecución también pueden necesitar excluirse debido a efectos de aprendizaje o habituación (persistentes incluso después del entrenamiento inicial), aunque su curso temporal también sería interesante de caracterizar en futuras investigaciones, y podría proporcionar un mecanismo adicional para distinguir el rendimiento de la TMT en estas poblaciones del de adultos jóvenes sanos.

Los pulsos de disparo son importantes para el protocolo, ya que permiten la grabación sincronizada en el tiempo de la tableta, el seguimiento ocular y los flujos de datos de fMRI. Mientras que la señal de fMRI se basa en respuestas hemodinámicas BOLD, que suelen variar en la escala de segundos, los datos de seguimiento ocular y cinemática de tabletas muestran contenido significativo en el rango de 10-100 ms. La sincronización temporal del conjunto de datos colectivo ofrece así una oportunidad única para estudiar los mecanismos de percepción, cognición y acción durante la actuación de la TMT con un detalle temporal sin precedentes. Las investigaciones iniciales pudieron caracterizar la asociación entre la actividad cerebral en regiones cerebrales específicas y los parámetros de seguimiento ocular promediados temporalmente en ensayos de TMT-A y TMT-B. Para un grupo de participantes, esto permitiría investigar posibles asociaciones entre la actividad de una región cerebral determinada y cada parámetro de seguimiento ocular, utilizando regresión lineal simple y cálculo de coeficientes de correlación. Explorar si se pueden resolver características adicionales de activación espaciotemporal en los datos de fMRI utilizando las rápidas fluctuaciones en la tableta y los datos de seguimiento ocular también es de interés en el futuro. Trabajos emergentes muestran que los parámetros de adquisición de datos de fMRI pueden ajustarse para medir señales BOLD con muestreos mucho más finos; por ejemplo, un periodo de muestreo de 100 ms con la fMRI INI ha mejorado la detección de la dinámica de activación^{cerebral 31}. Trabajos recientes que investigaron el TMT basado en tabletas utilizando EEG también han demostrado que los periodos de vinculación intra-tarea y no vinculación están asociados a diferentes patrones espaciales de potencia de banda^{de frecuencia 10}, lo que motiva el uso del protocolo para buscar asociaciones similares de señales de fMRI. Reconocer la respuesta hemodinámica subyacente a las señales de fMRI es mucho más lento que la escala temporal de las sacades y fijaciones; sin embargo, los primeros pasos en esta dirección probablemente implicarán caracterizar las posibles diferencias en el rendimiento de TMT-A y TMT-B que impliquen comportamientos que ocurren al principio frente al final de la secuencia de enlace (siendo este último especialmente desafiante en TMT-B); y posibles diferencias entre enlaces que son difíciles de realizar frente a aquellos menos desafiantes, basados en la inspección visual del seguimiento ocular y los datos cinemáticos.

El protocolo incluye un módulo de entrenamiento que permite a los participantes familiarizarse con la realización de respuestas basadas en tabletas y la realización de los movimientos de enlace necesarios para realizar el TMT. Dicha formación (incluyendo futuras modificaciones adaptadas a otras tareas u otros ToC en curso) está diseñada para desarrollar la competencia en quienes tienen poca experiencia interactuando con tabletas de ordenador, como algunas personas mayores, y en quienes pueden enfrentar dificultades en este modo de comunicación debido a disfunciones cerebrales. El entorno de realidad aumentada, incluyendo el VFHP de la cámara de vídeo de la tableta, permite interacciones con tabletas con alta validez ecológica, pero no ofrece una experiencia completamente idéntica a la escritura y el dibujo típicos con bolígrafo y papel. Por ejemplo, el participante debe responder tumbado en el imán y observando gráficos por ordenador, incluyendo una presentación desincorporada de su mano sin la entrada propioceptiva normal y natural ni coordenadas espaciales centradas en el cuerpo. Aunque se pueden contemplar futuros estudios que exploren las consecuencias de manipular estos dos últimos factores, la evidencia anecdótica actual sugiere que, con un entrenamiento sencillo, las personas sanas se vuelven rápida y fácilmente competentes en el uso de esta tecnología de tabletas, de modo que los efectos del aprendizaje en estudios de fMRI basados en tabletas pueden ser descuidados tras un breve módulo de formación.

El protocolo actual puede utilizarse en el futuro, realizando fMRI durante el módulo de formación, para proporcionar evidencia científica cuantitativa que apoye o rejuegue a esta última afirmación. (En estudios previos de fMRI basados en tabletas sobre la TMT que no incluían el entrenamiento, se descartaron los datos de neuroimagen del primer ensayo de TMT-A y TMT-B para evitar efectos de aprendizaje^10,19.) También será interesante explorar los efectos del aprendizaje basado en tabletas y ToC en diversas poblaciones de pacientes (como aquellos con deterioro cognitivo), lo que puede requerir mejorar el módulo de formación. En otras investigaciones fuera del imán, el módulo de formación también podría adaptarse para servir como una herramienta útil de cribado, permitiendo excluir de los estudios de imagen a los participantes que no cumplen las instrucciones o que no pueden realizar tareas adecuadamente.

Como último punto de discusión relacionado con la tarea de entrenamiento, es importante señalar que la neuroimagen funcional de ToC suele estar limitada por la naturaleza ruidosa de las señales de activación cerebral y la necesidad de analizar datos de series temporales extensas a lo largo de múltiples repeticiones de tareas para obtener mapas de activación cerebral^{estadísticamente significativos 32}. Este procedimiento va en contra de la presentación típica de la ToC, en la que la prueba se administra una vez. A medida que mejoren las capacidades de las modalidades de neuroimagen funcional en el futuro (por ejemplo, realizando fMRI a campos magnéticos ultraaltos de 7 T o más), podría ser posible comparar la activación cerebral de una prueba de cognición en un solo ensayo con la obtenida en varios ensayos. Sin embargo, actualmente se ha demostrado que el rendimiento del TMT basado en tabletas en varios ensayos tiene una validez convergente razonable con el desempeño del test real en papel^{y lápiz 15}.

Aunque está diseñado para facilitar la evaluación de ToC con fMRI, el protocolo es inherentemente flexible y modificable para adaptarse a objetivos de investigación de amplio alcance. Por ejemplo, la cámara de vídeo de la tableta se añadió específicamente para permitir que la VFHP reforzara la validez ecológica, pero puede ser excluida si no es necesaria, o activarse y apagarse para diferentes condiciones de la tarea (como en estudios que exploran la integración entre procesamiento visual, propioceptivo y motor). Además, la tableta puede usarse fácilmente de forma sincrónica con el sistema de seguimiento ocular en un entorno no resonante únicamente para pruebas de comportamiento, o con otras modalidades de neuroimagen funcional como EEG, espectroscopía funcional en infrarrojo cercano y tomografía por emisión de positrones. Podrían ser necesarias modificaciones de hardware en el caso de estudios que impliquen magnetoencefalografía (MEG), para suprimir el campo de franjas magnéticas de la tableta muy por debajo de femtoTesla en los sensores de campo magnético MEG. Dependiendo de las necesidades experimentales, el protocolo también puede ampliarse para incluir otros equipos de presentación de estímulos sensoriales y de registro de respuestas. Por ejemplo, esto podría incluir auriculares compatibles con resonancia magnética para presentar estímulos auditivos, y cajas de botones para registrar las respuestas de pulsación de botones, permitiendo finalmente comparar las señales de activación cerebral de cualquier ToC arbitrario con las generadas por tareas de diseño relacionadas con bloques o eventos que suelen adoptar la comunidad de neuroimagen funcional. Se podrían realizar otros cambios en el protocolo para tener en cuenta la discapacidad motora o visual en diversas poblaciones de pacientes. Por ejemplo, se podrían añadir tareas de control adicionales que incluyan movimientos simples de dibujo (como vincular repetidamente dos estímulos con mucha menor demanda cognitiva), permitiendo estimar la contribución de la discapacidad motora al rendimiento global de la TMT (es decir, examinando los contrastes de activación cerebral (TMT-A frente al reposo; dibujo simple frente al descanso; TMT-A frente a dibujo simple; y de forma similar para TMT-B). El número de enlaces necesarios en TMT-A y TMT-B podría reducirse para disminuir la posibilidad de fatiga muscular. La discapacidad visual podría acomodarse presentando estímulos visuales más grandes o con un contraste visual más fuerte. Sin embargo, sería necesario realizar una resonancia magnética fMRI adicional de los grupos de control con tales modificaciones para proporcionar una evaluación imparcial de la actividad cerebral de los pacientes frente a los controles.

A pesar de su robustez, el protocolo podría experimentar varias mejoras. En particular, es algo laborioso de ejecutar: es deseable el uso de tres o más empleados de laboratorio (incluido un tecnólogo para operar el sistema de resonancia magnética) para lograr una alta eficiencia durante la instalación y desmontaje del equipo, y durante la recogida de datos (una persona para monitorizar las tabletas y otra para monitorizar el ordenador de seguimiento ocular). Con dos empleados formados en nuestro centro, actualmente se requieren 10 minutos antes y después de la resonancia para la instalación y el desmontaje, aunque estos tiempos podrían acortarse si se involucra a otro miembro del laboratorio para ayudar. En el futuro, se podría lograr una ganancia de eficiencia en tiempo "preconfigurando" ciertos componentes del hardware y haciendo un uso más eficiente de los carros de equipos para facilitar el transporte y establecer conexiones de cables. La instalación permanente (parcial o completa) en la sala de resonancia magnética sería la opción más sencilla si el espacio y la disponibilidad de equipo lo permiten.

A continuación, el protocolo se demostró obteniendo los resultados representativos de la tableta, el seguimiento ocular y la resonancia magnética (fMRI) de un joven voluntario adulto sano. Los resultados cumplieron en gran medida con las expectativas, como se describe a continuación, pero desde el principio debe enfatizarse que los valores obtenidos para las distintas métricas de comportamiento y áreas cerebrales activadas han sido evaluados estadísticamente a nivel de participante interno y no tienen en cuenta la media y la variabilidad a nivel de grupo. Futuras pruebas multimodales de una gran cohorte de individuos sanos serán necesarias para obtener información a nivel de grupo como datos "normativos", que en última instancia podrán compararse con los resultados obtenidos en pruebas análogas de poblaciones de pacientes con disfunción cerebral. Los cálculos del tamaño de la muestra para estos estudios probablemente dependerán de la baja relación contraste-ruido de las señales de fMRI, así como del coste de obtener dichos datos. Algunas herramientas están disponibles en la literatura científica para la estimación del tamaño de muestra^{de la fMRI 32}. Con esta condición, la narrativa presente se centra principalmente en interpretar brevemente las tendencias y los efectos significativos observados.

El participante demostró un tiempo de finalización ligeramente mayor y mayor duración de no vinculación para TMT-B en comparación con TMT-A, replicando hallazgos previos basados en tabletas y consistente con el rendimiento establecido de TMT en^{el artículo 2, 18 y 33}. Estos hallazgos pueden reflejar la necesidad de más tiempo para procesar, buscar e identificar el siguiente objetivo correcto en TMT-B frente a TMT-A, considerando que se considera que TMT-B es más desafiante mentalmente. No se registraron errores en ninguna de las dos condiciones de tarea, y todos los ensayos de TMT se completaron dentro del tiempo asignado, consistente con la realización estándar de TMT por adultos jóvenes, educados^{y sanos 2}. El valor SPL era mayor para TMT-B que para TMT-A, como se esperaba, dado que tanto TMT-B como -A tienen el mismo número total de enlaces, y el tiempo de finalización de TMT-B era mayor. A pesar del aumento de la complejidad de búsqueda visual en TMT-B, se observaron valores ligeramente mayores de D y EDT en TMT-A. Ambas métricas fueron desarrolladas recientemente para el trabajo actual, por lo que no se pueden hacer comparaciones específicas con informes en la literatura TMT basada en tabletas anteriores. Sin embargo, se especula que el rendimiento más lento en TMT-B podría haber alterado la posición del individuo en el gráfico de compensación "velocidad-precisión^{" 34} en relación con su rendimiento más rápido en TMT-A, lo que llevó a una relación más precisa con la disminución asociada de valores D y EDT. Esta interpretación debe confirmarse en futuras pruebas.

Los resultados de la métrica de seguimiento ocular de este participante son intrigantes. Se encontró un número ligeramente mayor de sacádeos y fijaciones, conteo de parpadeos y tasa de parpadeos cuando el participante realizó TMT-B en comparación con TMT-A. Un mayor recuento de sacades y fijaciones puede indicar un aumento de los efectos de búsqueda visual en los estímulos visuales en la condición B. Apoyando esta posibilidad, trabajos previos han demostrado que ambos conteos aumentan a medida que aumenta el coste mental para procesar un array de búsqueda^{más complejo 35}. El aumento en el número y la tasa de parpadeos para TMT-B en comparación con TMT-A puede representar un mayor control cognitivo para la condición de tarea anterior. Curiosamente, muchos estudios apoyan que la tasa de parpadeos espontáneos (y el recuento de parpadeos dentro de una duración fija del ensayo, como se estudia aquí) son indicadores útiles de la actividad^{dopaminérgica 36}. La dopamina es un neurotransmisor importante implicado en el aprendizaje, la memoria de trabajo y el comportamiento orientado a^objetivos, todos los cuales sustentan el rendimiento exitoso del TMT y son necesarios en mayor medida en el TMT-B en comparación con el TMT-A. Numerosos estudios que investigan parpadeos espontáneos y provocados por tareas muestran que ambas métricas son sensibles a las modulaciones del control^{cognitivo 38}. Por último, se observó un tamaño medio de pupila muy similar para ambas partes de TMT, lo que sugiere que el participante fue capaz de realizar ambas partes con niveles similares de esfuerzo mental sin forzar su capacidad^{de procesamiento 38}. Estas interpretaciones son nuevamente coherentes con la literatura sobre el rendimiento^{TMT 2} y que el participante realizó ambas partes de forma eficiente y sin errores. Se requerirá trabajo futuro para investigar las características detalladas de la mirada asociadas al comportamiento TMT dentro de la tarea. Este tipo de trabajo será extremadamente interesante, ya que proporcionará medios para evaluar hasta qué punto los comportamientos de búsqueda visual a) preceden a las respuestas de tabletas; b) se alteran para enlaces que son difíciles de realizar frente a aquellos que son fáciles de realizar debido a la distribución espacial de estímulos numéricos y de letras, y c) se alteran cuando se cometen errores de rendimiento en el TMT.

En cuanto al tema de los errores en el rendimiento de la TMT, el registro y cuantificación de errores será un aspecto importante de la investigación futura que queda fuera del actual estudio de prueba de concepto de un adulto joven sano de alto rendimiento. El protocolo actual se limita al registro de errores de rendimiento del TMT en el momento de la adquisición de datos, pero puede ampliarse fácilmente para incluir el número de errores cometidos en los ensayos TMT-A y TMT-B, así como medidas estadísticas de tendencia y variación central para un participante dado, basadas en la evaluación manual de archivos de vídeo digitalizados de interacciones con el stylus. Más allá de esto, se requiere una rúbrica para categorizar los tipos de errores de rendimiento de la TMT. Una vez que se acumulen suficientes datos de error mediante inspección manual, también debería ser posible desarrollar métodos de inteligencia artificial para detectar y clasificar errores con precisión, haciendo que el proceso de evaluación de errores sea mucho menos laborioso.

El análisis de neuroimagen reveló una activación generalizada significativa (tanto para las tareas de TMT-A como TMT-B analizadas juntas frente a la condición de reposo) en regiones del cerebro, incluyendo aquellas responsables del procesamiento visual, la función motora y la percepción e integración sensorial. La activación de estas regiones se asemeja a la activación de la fMRI observada en estudios previos de neuroimagen de la^{TMT 15,19}. Como ejemplo sencillo de activación asociada a la función motora, la región pre-central del giro mano precentral contralateral (izquierda) se activó positivamente por la respuesta motora diestra, y también hubo un pequeño grupo de activación ipsilateral negativa (no mostrada en la Figura 8), patrones característicos de activación para las regiones sensoriomotoras primarias durante el movimiento relevante para la^{tarea 39,40}. Incluso con un umbral y una corrección relativamente conservadores, la intensidad de la activación de la fMRI para este participante sugiere que la tarea es una buena sonda de la función viseomotora, incluyendo el cerebelo y el mesencéfalo. Sin embargo, no se deben extraer conclusiones específicas sobre las regiones cerebrales que apoyan el rendimiento de la TMT a partir de los datos de este participante individual, que solo se incluyen para demostración. Cabe también señalar que la falta de actividad observada en el contraste TMT-B frente a TMT-A no fue sorprendente para un solo participante. Este contraste particular es conocido por ser "débil", requiriendo típicamente el análisis de datos de fMRI de un grupo muestral más amplio, así como una canalización de procesamiento de imagen cuidadosamente optimizada para la detección fiable de señales^{de activación 41}. Estos últimos puntos vuelven a subrayar que el trabajo actual de neuroimagen demuestra pruebas de concepto en diseño experimental, registro y análisis de fMRI, pero serán necesarios estudios futuros que involucren a uno o más grupos de participantes (por ejemplo, individuos con enfermedades neurológicas y controles sanos) para obtener resultados generalizables a nivel poblacional.

Es importante destacar que las métricas desarrolladas para este protocolo (para cuantificar las respuestas de seguimiento en tabletas y ojos relacionadas con la TMT, y la activación cerebral durante la fMRI) no son exhaustivas. En cambio, se basan en la experiencia realizando estudios TMT-fMRI basados en tabletas y estudios de fMRI con seguimiento ocular durante los últimos años. Las métricas de tableta y seguimiento ocular no son necesariamente independientes y pueden tener ciertas codependencias, lo que sugiere que un análisis multivariante de su asociación con los datos TMT-fMRI sería beneficioso, por ejemplo, usando el método de mínimos cuadrados^{parciales 42}. En el futuro, serían útiles nuevas métricas que cuantifiquen aspectos de la trayectoria de la mirada, como parte de la caracterización de la variabilidad intra e interindividual en el rendimiento correcto de la prueba (y en los errores), incluyendo entre grupos de individuos sanos y pacientes. Se espera que este tipo de trabajo revele avances sustanciales en sensibilidad y especificidad de la TMT para pacientes discriminantes respecto a los controles que utilizan los datos de TMT basados en tabletas, seguimiento ocular y fMRI y métricas cuantitativas asociadas, en comparación con la administración estándar de TMT en papel y la puntuación estándar de TMT. Si esta predicción es correcta, también habrá oportunidades para explorar si la discriminación puede mejorarse aún más mediante diversos enfoques de inteligencia artificial y mediante el desarrollo de ToC completamente nuevo y moderno, utilizando la visión obtenida de este programa global de investigación.

En conclusión, se presenta un novedoso protocolo multimodal para evaluar el rendimiento humano de la ToC utilizando tecnología de tabletas computarizadas, seguimiento ocular y fMRI. En comparación con protocolos de investigación relacionados pero^{más sencillos} 20,43,44,45, se considera que el actual protocolo es más informativo debido a la inclusión de tecnología de tabletas con alta validez ecológica junto con seguimiento ocular, manteniendo al mismo tiempo un diseño de estudio ergonómico y eficiente. El protocolo ofrece la oportunidad de una correlación fluida entre el rendimiento de la tarea, la actividad neuronal y las métricas de movimiento ocular en diferentes marcos multivariantes y de aprendizaje automático para explorar las bases neuronales de ToC. Los datos piloto, que involucran a un joven adulto sano representativo realizando el TMT basado en tabletas, son muy prometedores. El protocolo abre así la puerta a un amplio programa de investigación que incluye desarrollar una comprensión mucho más matizada de los fundamentos neuronales de la ToC, así como la investigación del potencial de utilizar ToC existente y recién desarrollada, junto con seguimiento ocular y neuroimagen funcional, para una caracterización mucho más sensible y específica de pacientes con diferentes disfunciones cerebrales. en comparación con individuos sanos.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sistema de resonancia magnética 3T con bobina de cabeza de 64 canales	Siemens Healthineers (Erlangen, ALE)	Prisma del magnetón	Registra datos de fMRI.
Filtro de interferencias electromagnéticas	Spectrum Control Inc. (Fairview, PA, EE. UU.)	56-705-005-LI	Envía señales de la tableta y el stylus desde la sala del imán hasta la caja de interfaz de la tableta.
Software de seguimiento ocular	SR Research Ltd. (Ottawa, ON, CAN)	EyeLink Explorer (versión 4.3.1, 64 bits)	Permite la visualización y procesamiento de datos con seguimiento ocular.
Aplicación de edición gráfica	Microsoft Inc. (Redmond, WA, EE. UU.)	Pintura	Se utiliza para familiarizar a los participantes con la escritura y el dibujo en tableta.
MATLAB	MathWorks Inc.  (Natick, MA, EE. UU.)	R2022a	Se utiliza para analizar datos de tabletas cinemáticas y realizar análisis estadísticos.
Rastreador ocular compatible con resonancia magnética	SR Research Ltd. (Ottawa, ON, CAN)	EyeLink 1000 Plus	Registra datos de seguimiento ocular durante la resonancia magnética (fMRI).
Proyector compatible con IRM	Avotec, Inc. (Stuart, FL, EE. UU.)	Visión silenciosa	Presenta estímulos visuales de realidad aumentada al participante.
Componentes para tabletas compatibles con IRM (incluyendo superficie sensible al tacto, plataforma de soporte elevada ajustable, aguja sensible a la fuerza, iluminador de diodo emisor de luz)	No aplicable	No aplicable	Diseñado a medida y ensamblado en el laboratorio. Véanse las referencias 12 y 13 para más detalles.
Software de presentación de estímulos	Herramientas de software de psicología (Sharpsburg, PA, EE. UU.)	E-Prime, versión 2.0	Software para desarrollar y administrar toda la formación basada en tabletas e implementación de tareas.
Ordenador de Estímulos/Respuesta	No aplicable	No aplicable	Diseño multicomponente. Consulta la referencia 13 para más detalles.
Aplicación de controladores de superficie sensibles al tacto	ELO Touch Solutions Inc. (Milpitas, CA, EE. UU.)	Controlador de un solo toque	Se utiliza para calibrar la superficie sensible al tacto cuando los participantes realizan tareas de contacto con el objetivo.
Dispositivo de disparo y respuesta	Instituto Rowland (Cambridge, MA, EE. UU.)	Caja de respuesta USB Rowland	Se utiliza para sincronizar en el tiempo tareas basadas en tabletas, seguimiento ocular y flujos de datos de fMRI.
Cámara de vídeo	MRC Instruments GmbH (Heidelberg, ALE)	12M-i	Graba vídeos de interacciones entre la mano y el lápiz táctil en la tableta.
Ordenador de cámara de vídeo	No aplicable	No aplicable	Diseño multicomponente. Consulta la referencia 13 para más detalles.