Article de méthode

Caractérisation de la relation entre les paramètres du mouvement oculaire et les fonctions cognitives chez les patients atteints de la maladie de Parkinson non démente avec suivi oculaire

DOI :

10.3791/60052

⸱

26 septembre 2019

 ,  , 
1Department of Psychiatry, The Chinese University of Hong Kong, 2Lab Viso Limited

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ici, nous présentons un protocole pour étudier la relation entre les paramètres de mouvement d'oeil et les fonctions cognitives dans les patients non-déments de la maladie de Parkinson. L'expérience a utilisé un traqueur oculaire pour mesurer l'amplitude saccadienne et la durée de fixation dans une tâche de recherche visuelle. La corrélation avec la performance dans les tâches cognitives multi-domaines a été plus tard mesurée.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L'affaiblissement cognitif est un phénomène commun dans la maladie de Parkinson qui a des implications sur le pronostic. Une mesure proxy simple, non invasive et objective de la fonction cognitive dans la maladie de Parkinson sera utile en détectant le déclin cognitif tôt. En tant que mesure physiologique, le paramètre de mouvement oculaire n'est pas confondu par les attributs et l'intelligence du sujet et peut fonctionner comme marqueur proxy s'il est en corrélation avec les fonctions cognitives. À cette fin, cette étude a exploré la relation entre les paramètres du mouvement oculaire et la performance dans les tests cognitifs dans de multiples domaines. Dans l'expérience, une tâche de recherche visuelle avec suivi des yeux a été mis en place, où les sujets ont été invités à chercher un nombre intégré dans un tableau d'alphabets dispersés au hasard sur un écran d'ordinateur. La différenciation entre le nombre et l'alphabet est une tâche surappris de telle sorte que l'effet de confusion de la capacité cognitive sur les paramètres du mouvement oculaire est minimisé. L'amplitude saccadienne moyenne et la durée de fixation ont été capturées et calculées au cours de la tâche de recherche visuelle. La batterie d'évaluation cognitive couvrait les domaines des fonctions frontales-exécutives, de l'attention, de la mémoire verbale et visuelle. On l'a constaté que la durée prolongée de fixation a été associée à la performance plus pauvre dans la fluidité verbale, la mémoire visuelle et verbale, permettant davantage d'exploration sur l'utilisation des paramètres de mouvement d'oeil comme marqueurs proxy pour la fonction cognitive dans la maladie de Parkinson Patients. Le paradigme expérimental s'est avéré très tolérable dans notre groupe de patients de maladie de Parkinson et pourrait être appliqué transdiagnostically à d'autres entités de la maladie pour des questions de recherche semblables.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La maladie de Parkinson est classiquement un trouble moteur; pourtant, la maladie est également associée à des déficits cognitifs, et la progression dans la démence est commune1. La pathophysiologie de l'affaiblissement cognitif dans la maladie de Parkinson n'est pas bien comprise. On pense qu'il est lié au dépôt d'alpha-synucléine dans la zone corticale basée sur la mise en scène de Braak2. Il a également été proposé qu'un double syndrome de dégénérescence du système dopaminergique et cholinergique mène à différents déficits cognitifs avec implication pronostique3. D'autres recherches sont nécessaires pour élucider davantage les mécanismes exacts impliqués dans l'affaiblissement cognitif dans la maladie de Parkinson. Sur l'aspect clinique, la présence de troubles cognitifs a un impact significatif sur le pronostic4,5. L'évaluation de la fonction cognitive dans la pratique clinique est, par conséquent, essentielle. Cependant, une longue évaluation cognitive est limitée par les conditions mentales et motrices des patients. Par conséquent, une mesure non invasive et simple qui peut refléter le fardeau de la maladie sur la fonction cognitive est nécessaire.

Les anomalies de mouvement d'oeil sont des signes détectables largement décrits de la maladie de Parkinson de ses premiers stades6,pourtant la pathophysiologie est encore moins bien caractérisée que celle de l'affaiblissement cognitif. La génération du mouvement des yeux est par une transformation de l'entrée sensorielle visuelle, subservie par un réseau cortical et subcortical entrelacés, en signaux aux noyaux oculomoteurs dans le tronc cérébral pour l'effet7. La participation des pathologies de la maladie de Parkinson dans ces réseaux peut mener aux anomalies observables de mouvement d'oeil. Il y a, peut-être chevauchement des structures neuroanatomiques qui régissent le contrôle du mouvement d'oeil et de la fonction cognitive. En outre, il y a eu des études examinant la relation entre le mouvement saccadidique d'oeil et la fonction cognitive dans d'autres désordres neurodegenerative8. Pour de telles raisons, il est intéressant d'explorer l'utilisation des paramètres de mouvement oculaire comme marqueur proxy des fonctions cognitives dans la maladie de Parkinson. Une étude transversale9 a montré que l'amplitude saccadienne réduite et la durée de fixation plus longue étaient associées à la sévérité de l'affaiblissement cognitif global dans la maladie de Parkinson. Cependant, il y a un manque de données sur la corrélation entre les paramètres du mouvement oculaire et des domaines cognitifs spécifiques. L'importance et le besoin de mesurer des domaines cognitifs spécifiques, plutôt qu'un état cognitif général, est que le domaine cognitif individuel informe l'information pronostique différentielle dans la maladie de Parkinson3 et ils sont subservis par différents réseaux neuronaux. Le but de cette étude est d'explorer la relation spécifique entre les mesures du mouvement oculaire et les différentes fonctions cognitives. Il s'agit de la première étape pour établir une base sur laquelle le développement de biomarqueurs du déclin cognitif de la maladie de Parkinson à l'aide de la technologie de suivi des yeux pourrait être construit.

Le paradigme expérimental présenté est composé de 2 parties principales : l'évaluation cognitive et la tâche de suivi oculaire. La batterie d'évaluation cognitive englobait une gamme de fonctions cognitives, y compris l'attention et la mémoire de travail, la fonction exécutive, le langage, la mémoire verbale et la fonction visuospatiale. Le choix de ces 5 domaines cognitifs est basé sur les lignes directrices du Groupe de travail de la Société des troubles du mouvement pour la déficience cognitive légère dans la maladie de Parkinson10, et un ensemble de tests cognitifs disponibles localement ont été sélectionnés pour construire l'évaluation batterie. Dans une étude similaire précédente de suivi d'oeil sur la cognition de la maladie de Parkinson a mentionné9, l'auteur a extrait les paramètres de mouvement d'oeil tandis que les sujets étaient engagés dans des tâches cognitives visuelles, où les paramètres peuvent potentiellement être influencés par le capacité cognitive du sujet. Comme cette étude visait à évaluer la corrélation entre les paramètres du mouvement oculaire et les différents domaines cognitifs, l'effet de confusion potentiel des capacités cognitives sur les paramètres oculaires doit être abordé. À cet égard, une tâche de recherche visuelle, adaptée d'une autre étude de suivi oculaire sur la maladie d'Alzheimer11, a été utilisée pour capturer les paramètres de mouvement oculaire des sujets. Pendant la tâche, les sujets ont dû rechercher un seul numéro sur un écran d'ordinateur parmi plusieurs distrayants d'alphabet. Cette tâche susciterait l'utilisation alternative du mouvement saccadique d'oeil et de fixation visuelle, les anomalies dont sont décrites largement dans la maladie de Parkinson. L'identification et la différenciation du nombre et de l'alphabet sont une tâche surappris où la demande de fonctions cognitives n'est que minime et serait donc appropriée pour répondre à la question de recherche de cette étude. Un programme informatique a été élaboré en fonction des spécifications et de la conception, comme l'ont indiqué rsler et coll.11. dans leur étude originale à exécuter dans le logiciel intégré de notre eye tracker. Un algorithme interne de classification et d'analyse des données de suivi oculaire a également été développé pour cette étude.

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Protocole

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ce projet de recherche a été approuvé par le Joint Chinese University of Hong Kong-New Territories East Cluster Clinical Research Ethics Committee (CREC Ref. No.: 2015.263).

1. Recrutement des participants et évaluation de base

  1. Recruter des patients atteints de la maladie de Parkinson âgés de moins ou d'égale à 70 ans d'une clinique spécialisée en neurologie avec le diagnostic fait sur la base de la Société de la maladie de Parkinson du Royaume-Uni (UKPDS) Brain Bank Critères diagnostiques12.
    1. Exclure les sujets atteints de maladies psychiatriques, de maladies ophtalmologiques qui altéreraient le mouvement des yeux ou d'autres troubles neurologiques. En outre, exclure les cas utilisant des anticholinergiques car ils sont connus pour affecter la performance cognitive et le mouvement des yeux.
  2. Recruter des contrôles sains sur une base 1:1 assortie au sexe, à l'âge et à l'éducation.
  3. Obtenir le consentement éclairé du sujet.
  4. Mener une entrevue diagnostique clinique avec le sujet et, le cas échéant, ses proches, afin d'exclure la démence et le dépistage des troubles cognitifs avec l'examen d'état mini-mental (MMSE)13 et l'évaluation cognitive de Montréal (MoCA)14. Exclure les cas de démence de l'étude ou si les scores du sujet de MMSE ou MoCA est lt;22/30.
  5. Évaluer l'acuité visuelle à l'aide d'un graphique Snellen. Exclure le sujet si l'acuité visuelle est inférieure à 20/40.
  6. Évaluer la gravité motrice et la mise en scène de la maladie de Parkinson à l'aide de l'échelle unifiée d'évaluation de la maladie de Parkinson (UPDRS) Partie II et III15 et Hoehn modifié et Yahr (H et Y) Staging16, respectivement. Aussi, obtenir des informations sur les médicaments actuels pris par le sujet.
  7. Évaluer l'état d'humeur dépressif par le Beck Depression Inventory-II (BDI-II)17.

2. Configuration expérimentale

  1. Menez l'expérience dans une pièce calme avec une source de lumière adéquate.
  2. Mener l'expérience pour les sujets atteints de la maladie de Parkinson lorsqu'ils prennent des médicaments dont la fonction motrice est optimale.
  3. Préparer la configuration qui se compose d'un traqueur d'oeil à l'écran, un ordinateur, une souris, un clavier standard, un repose-menton, et des outils d'évaluation cognitive (Tableau des matériaux).
  4. Utilisez un eye tracker avec un taux d'échantillonnage d'au moins 300 Hz.
  5. Placez le repose-menton 60 cm devant l'écran du traqueur oculaire.

3. Le flux de l'évaluation cognitive et de la tâche de recherche visuelle

  1. Effectuer le test de fluidité verbale catégorique chinoise18. Instruisez le sujet pour nommer autant d'animaux que possible en une minute. Enregistrez le nombre de réponses et les erreurs persévérantes. Ensuite, répétez la même chose dans la catégorie des fruits et légumes.
  2. Effectuez la partie d'enregistrement (procès 1, 2 et 3) du test d'apprentissage de la liste de Hong Kong (HKLLT)19 en lisant une liste de mots prédéfinie de 16 vocabulaires et demandez au sujet de s'en souvenir. Ensuite, demandez au sujet de faire le rappel gratuit de la liste de mots et d'enregistrer la réponse (Procès 1).
    1. Répétez l'étape 3.2 deux fois pour le procès 2 et le procès 3.
  3. Attendez 10 min et 30 min après la partie d'enregistrement du HKLLT pour le rappel de retard de 10 et 30 min.
  4. Avant le rappel retardé de 10 minutes du HKLLT, effectuez la mémoire de reconnaissance de modèle (PRM) de la batterie automatisée de test neuropsychologique de Cambridge (CANTAB)20 (tableau du matériel).
    1. À l'aide de l'ordinateur tablette, présentez 24 modèles visuels, un à la fois, au centre de l'écran. Instruisez le sujet pour qu'il se souvienne du motif.
    2. Après la présentation, dans un paradigme de discrimination de force à 2 choix, demandez au sujet de choisir le modèle qu'il peut reconnaître.
  5. Effectuer le rappel de 10 min de retard de HKLLT en demandant au sujet de faire le rappel gratuit de la liste de mots de 16 vocabulaires.
  6. Avant le rappel retardé de 30 minutes du HKLLT, effectuer Spatial Span (SSP) de CANTAB20.
    1. Utilisez l'ordinateur tablette pour afficher un modèle de boîtes blanches qui changent de couleur, une par une, dans des séquences variables.
    2. Ensuite, demandez au sujet de toucher les cases dans la même séquence qu'elles ont été présentées et d'enregistrer la durée de la durée spatiale que le sujet pourrait atteindre à mesure que la difficulté (nombre de boîtes changent de couleur) de la tâche augmente.
  7. Effectuer le rappel de retard de 30 min en demandant au sujet de procéder à un rappel gratuit de la liste de mots de 16 vocabulaires.
    1. Mener la partie de reconnaissance et de discrimination de la HKLLT en lisant une autre liste de mots prédéfinies de 32 vocabulaires, dont la moitié des vocabulaires sont de la liste de mots d'origine dans 3.2. Instruisez le sujet pour déterminer si chaque vocabulaire lu est de la liste de mots d'origine ou non.
  8. Laissez le sujet se reposer tranquillement s'il termine les tâches en 3,4 et 3,6 avant le rappel de retard de 10 et 30 minutes, respectivement.
  9. Effectuer le bas de Cambridge (SOC) de CANTAB20.
    1. À l'aide de l'ordinateur tablette, présentez 20 scénarios de deux écrans parallèles de 3 boules tenues en 3 bas verticaux, dont l'arrangement des boules dans les affichages varie dans chaque scénario.
    2. Instruisez le sujet pour déterminer, dans chaque scénario, le moins de mouvements nécessaires pour réorganiser les boules dans l'affichage inférieur afin de copier le modèle indiqué dans l'affichage supérieur. Enregistrez le nombre moyen de choix pour corriger la réponse.
  10. Effectuer le Test Stroop21.
    1. Donnez au sujet 3 cartes consécutivement; la première carte contient des points imprimés dans différentes couleurs, la deuxième carte contient des caractères chinois imprimés dans différentes couleurs tandis que la dernière carte a des caractères chinois dénotant différentes couleurs (par exemple, les mots chinois de «bleu», «jaune», «vert», ou «rouge») imprimé dans une couleur non indiquée par le nom (par exemple, le mot «rouge» imprimé à l'encre bleue).
    2. Demandez au sujet de lire la couleur imprimée des points/caractères chinois le plus rapidement possible et enregistrez le temps requis pour chaque carte (T1, T2 et T3).
    3. Calculer l'indice d'interférence avec la formule (T3-T1)/T1.
  11. Passez à la tâche de recherche visuelle après avoir terminé les tests cognitifs.
    REMARQUE: Ne pas effectuer de tâche cognitive verbale après la partie d'enregistrement de HKLLT jusqu'à la fin de l'ensemble HKLLT (3.7) pour empêcher l'effet d'interférence sur la performance de mémoire verbale.

4. Tâche de recherche visuelle

  1. Placez le sujet sur une chaise et placez leur menton sur le menton avec leur front contre une barre pour minimiser le mouvement de la tête. Alignez les yeux du sujet sur environ le centre de l'écran de l'ordinateur. Commencez par cliquer sur le bouton Démarrer l'enregistrement dans le programme informatique.
  2. Étalonnage
    1. Calibrer le eye tracker avec le programme d'étalonnage intégré en cliquant sur le bouton Démarrer dans l'interface d'étalonnage.
    2. Demandez au sujet de regarder un point rouge se déplaçant à travers l'écran avec 9 points de fixation, tout en gardant la tête immobile.
    3. Vérifier la qualité de l'étalonnage en regardant la parcelle d'étalonnage (figure 1). Assurez-vous que la longueur des lignes vertes, qui représentent les vecteurs d'erreur, se situent dans les cercles gris pour une qualité acceptable de l'étalonnage. Refaites l'étalonnage s'il y a un point manquant ou si les lignes vertes tombent en dehors des cercles gris. Cliquez sur Accepter de procéder à la tâche de recherche visuelle.
  3. instruction
    1. Fournir des instructions verbales au sujet et commencer par 5 courses de pratique pour familiariser le sujet avec la tâche.
    2. Instruisez le sujet à fixer son regard sur la croix de fixation centrale au début de chaque épreuve. Ensuite, appuyez sur Entrez sur le clavier pour commencer un essai, au cours duquel l'écran de l'ordinateur affichera un seul numéro et 79 alphabets distrayant dispersés au hasard (Figure 2).
    3. Instruisez le sujet à regarder aussi rapidement que possible pour le nombre, puis cliquez simultanément sur la souris et indiquez le numéro à haute voix dès que le numéro est localisé.
    4. Vérifiez si le numéro indiqué est correct ou non.
    5. Administrer un total de 40 essais après les 5 essais.
  4. Conception des images d'essai dans la tâche de recherche visuelle
    REMARQUE:     Le code du programme, écrit dans PHP, pour cette section peut être trouvé dans le fichier de supplément 1.
    1. Utilisez les numéros 4, 6, 7 et 9 exclusivement(Fichier supplémentaire 1 - ligne 5).
      REMARQUE : L'étude pilote11 a montré que ces chiffres sont plus facilement discriminés des alphabets.
    2. Veiller à ce que l'emplacement du numéro cible soit randomisé d'un essai à l'autre avec la règle qu'il ne pourrait pas être dans le même quadrant visuel pour plus de trois essais successifs(fichier supplémentaire 1 - ligne 48-52).
    3. N'utilisez pas d'alphabets ambigus tels que « I » et « O »(Fichier supplémentaire 1 - ligne 76-78).
    4. Fixez la taille de la croix de fixation, des alphabets et des nombres à un angle visuel de 0,85 degrés (équivalent à environ 0,9 cm sur un écran d'ordinateur de 23 pouces).
      REMARQUE: Les nombres et les alphabets sont utilisés parce qu'il s'agit de stimuli visuels facilement reconnaissables mais nécessitent une foveation pour l'identification.
    5. Prévoyez un laps de temps de 1,5 s après que l'enquêteur a appuyé sur Entrez dans 4.3.2 et avant que l'affichage de la croix de fixation centrale ne soit commuté à une image d'essai pour commencer un essai(Fichier supplémentaire 2 - ligne 71; 156-158).
    6. Assurez-vous que l'écran sera vide avec la croix de fixation réapparaître lorsque la souris est cliqué ou après 10 s se sont écoulés depuis le début d'un essai, selon ce qui est plus tôt(Fichier supplémentaire 2 - Ligne 72; 162-180).
    7. Au fur et à mesure que la tâche est terminée, générer un fichier .csv qui contient les horodateurs du début et de la fin de chaque essai(Fichier supplémentaire 2 - ligne 48-59; 199-208). Utilisez ce fichier dans l'analyse des données à la section 5.

5. Traitement et analyse de données de suivi des yeux

  1. Dans la section Replay du programme informatique, vérifiez le pourcentage d'échantillons des yeux pendant la tâche de recherche visuelle (Figure 3). Jetez les données du sujet si plus de 20 % des données manquantes sont observées.
    REMARQUE: Échantillons Pourcentage dénote le pourcentage de temps que les yeux sont localisés avec succès par le traqueur d'oeil pendant la tâche visuelle de recherche.
  2. Cliquez sur le bouton Lecture pour l'enregistrement pour vérifier la qualité des données en regardant la vidéo de chemin d'analyse visualisée générée (Figure 4). Jetez les données du sujet entier si elles sont grossièrement erronées (figure 5).
  3. Jetez tout essai (s) dans lequel le sujet a appuyé sur la souris accidentellement et prématurément.
  4. Dans la section Export de données du programme, sélectionnez GazePointX (ADCSpx) et GazePointY (ADCSpx) et le sujet d'intérêt (figure 6). Cliquez sur Export Data pour exporter les données de chaque sujet et enregistrer sous forme de fichier .csv. Le fichier contient les coordonnées x et y de la position des yeux du sujet sur l'écran de l'ordinateur, en pixels, à chaque moment.
  5. Utilisez l'analyseur de recherche visuelle et dans l'interface (Figure 7), sélectionnez les données exportées en 5.4 comme entrée de données oculaires et le fichier .csv généré en 4.4.7 comme entrée de données d'action . Sélectionnez ST DBScan comme algorithme de classification et cliquez sur Run. Ensuite, cliquez sur Résumé pour générer un fichier de feuille de calcul contenant l'amplitude de saccade moyenne et la durée de fixation moyenne du sujet.
  6. Conception de l'analyseur de recherche visuelle
    REMARQUE :     Le codage de la conception de l'analyseur peut être trouvé à https://github.com/lab-viso-limited/visual-search-analyzer. Son code de programme se trouve dans le fichier supplémentaire 3.
    1. Programmez l'analyseur de telle sorte qu'il extrait et analyse uniquement les données du début à la fin de l'essai (c.-à-d., de l'affichage du nombre et des alphabets jusqu'à ce que la souris soit cliqué ou 10 s se sont écoulées), en utilisant le fichier .csv généré en 4.4.7 ( Dossier supplémentaire 3 - Ligne 6-173).
    2. Programmez l'analyseur de telle sorte qu'il remplit la perte de données due à des yeux clignotants en faisant la moyenne des coordonnées x et y du point de regard immédiatement avant et après le clignotement(Fichier supplémentaire 3 - ligne 176-260).
    3. Programmez l'analyseur de telle sorte qu'il classe les données brutes en saccade ou fixation en utilisant l'algorithme développé sur la base de ST-DBSCAN22 (code de programme dans le fichier supplémentaire 4).

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Résultats

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Le résultat complet de cette étude est disponible dans l'article original publié23. Des sujets de maladie de Parkinson (n - 67) ont été recrutés et ont terminé l'évaluation. Cependant, 5 cas n'ont pas terminé la tâche de recherche visuelle car ils portaient l'objectif progressif incompatible avec le traqueur d'oeil et leurs données ont été jetées. L'âge moyen des sujets était de 58,9 ans (DD à 7,5 ans) avec un rapport homme-femme de 1,7:1. 62 contrôles sains adaptés à l'âge, au sexe et à l'éducati...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Le protocole présenté ci-dessus a été conçu comme la première partie d'une étude longitudinale dans l'exploration de l'utilité clinique potentielle des paramètres de mouvement oculaire comme marqueurs de substitution pour les fonctions cognitives dans la maladie de Parkinson. Bien qu'il existe des études qui examinent des paradigmes plus classiques de suivi des yeux tels que saccade auto-entraînée, saccade réflexive, et anti-saccade25,26,

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs tenons à remercier le Dr Harvey Hung pour ses conseils sur le manuscrit.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Ordinateur  ;informatisé d’évaluation cognitive INFORMATISÉ
CANTABCANTAB Research Suitecontient une mémoire de reconnaissance de formes, une portée spatiale et des bas de Cambridge
Eye Movement AnalyzerLab Viso Limitedhttps://github.com/lab-viso-limited/visual-search-analyzer
Eye trackerTobiiTx300Écran d’ordinateur de 23 pouces avec une résolution de 1920 x 1080, Taux d’échantillonnage à 300 Hz
Hong Kong List Leanrning TestDépartement de psychologie, Université chinoise de Hong Kong Test d’apprentissage dela liste de Hong Kong (HKLLT) 2e édition
de Stroop Laboratoire de neuropsychologie, Université de Hong KongMesures neuropsychologiques : données normatives pour le chinois, deuxième édition (révisée)
Tobii StudioTobiiTobii Studio version 3.2.2Programme d’ordinateur pour l’exécution de la tâche de recherche
visuelle Tâche de recherche visuelleLab Viso Limitedhttps://www.labviso.com/#products
L’outil Test

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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T che de recherche visuelleamplitude saccadiquedur e de fixationvaluation cognitivem moire verbalem moire visuelle

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