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Research Article
Peter J. Schwab1,2, Alex Miller2, Ann-Marie Raphail3, Ari Levine2, Christopher Haslam2, H. Branch Coslett1,2, Roy H. Hamilton1,2,4
1Department of Neurology,University of Pennsylvania, 2Laboratory for Cognition and Neural Stimulation,University of Pennsylvania, 3Department of Psychology,Drexel University, 4Department of Physical Medicine and Rehabilitation,University of Pennsylvania
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
目標は、一方的な空間無視、急性脳卒中生存者の23〜46%に影響を与える症候群を検出し、特徴付ける新しいバーチャルリアリティタスクを設計、構築、および試験し、神経疾患の研究と管理におけるバーチャルリアリティの役割を拡大することでした。
一方的な空間無視(USN)は、空間の片側に不注意または不作為を特徴とする症候群であり、急性脳卒中生存者の23〜46%の間に影響を及ぼす。個々の患者におけるこれらの症状の診断と特徴付けは困難であり、多くの場合、熟練した臨床スタッフを必要とします。バーチャルリアリティ(VR)は、USN患者のための新しい評価ツールを開発する機会を提供します。
我々は、微妙なUSN症状を検出し、特徴付けるためのVRツールを設計し、構築することを目指し、USNに関連する皮質領域の抑制的な反復経頭蓋磁気刺激(TMS)で治療された被験者に対してツールをテストすることを目指した。
粘度空間処理に関連する2つの異なる領域(上側頭回(STG)と上限回(SMG))にTMSを適用し、シャムTMSをコントロールとして適用することで、3つの実験条件を作成しました。その後、被験者をバーチャルリアリティ環境に置き、両ヘミスペースの茂みに分布する花の横非対称性を持つ花を識別し、各被験者のパフォーマンスに基づいて動的に難易度を調整するよう求められました。
STGで刺激された被験者とSMGで刺激された被験者との間の平均頭部ヨーの有意な差と、平均視覚軸にわずかに有意な効果が見つかりました。
VR技術は、よりアクセスしやすく、手頃な価格で堅牢になりつつあり、便利で斬新なゲームのようなツールを作成するエキサイティングな機会を提供しています。TMSと組み合わせることで、これらのツールは、健康な被験者における特定の孤立した人工神経学的欠陥を研究するために使用することができ、後天性脳損傷による欠陥を有する患者のためのVRベースの診断ツールの作成を知らせる。この研究は、人工的に生成されたUSN症状がVRタスクで評価された最初の研究です。
一方的な空間無視(USN)は、急性脳卒中生存者の23〜46%の間に影響を及ぼす空間の片側の不注意または不作為を特徴とする症候群であり、最も一般的には右脳半球の傷害を伴い、その結果、空間の左側および/または生存者の身体を無視する傾向が生じる1,2。USN患者の大半は短期的に有意な回復を経験するが、微妙なUSN症状はしばしば持続する3。USNは、転倒の患者リスクを高め、日常生活の活動を妨げる2,4モーターおよび世界的な機能的転帰の両方に悪影響を及ぼすことも示されている5,6。
USNの赤字は、人が自分の体(自己中心)に関して空間の片側を無視するか、外部刺激(同心円)7,8,9に関して、または人が自分の注意(注意)または行動(意図的)をスペースの片側に向けることができないかどうかなど、複数の次元にわたって存在するように概念化することができます10.患者は、多くの場合、これらの次元の複数に沿って特徴付けることができる症状の複雑な星座を示す。USN症候群のこの変動は、複雑な11である特定の神経解剖学的構造および神経ネットワークへの傷害の様々な程度から生じると考えられている。同心円下無視は角回(AG)および上側頭回(STG)の病変に関連しており、超周頭回(SMG)を含む後頭頂皮質(PPC)は自己中心的な処理に関与している12,13,14,15である。注意無視は右のIPL16の病変を伴うと考えられているが、意図的な無視は右前頭葉17または基底核の損傷に二次的であると考えられている。
USNの臨床評価は現在、ペンと紙の神経心理学的器具に依存しています。これらの従来の評価ツールは、より技術的に洗練されたツールよりも感度が低く、USN19の一部の患者を誤診または診断不足にする可能性があります。残留欠損のより良い特徴付けは、軽度のUSN患者への治療の提供を促進し、潜在的に全体的な回復を改善する可能性があるが、そのような特徴付けは非常に敏感な診断ツールを必要とするであろう。USNは、脳卒中患者の間で一般的にUSNに付随する運動障害や視覚障害から分離することが困難な実験室の設定でも同様の課題を提起する。
バーチャルリアリティ(VR)は、USNの診断と特性評価のための新しいツールを開発するユニークな機会を提供します。VRは、個人が生態学的に有効なオブジェクト20を含むタスクを実行することができるリアルタイムの相互作用を持つ最初の人に提示された多感覚3D環境です。これは、USNを評価するための有望なツールです。ユーザーが見たり聞いたりするものを正確に制御できるため、開発者はさまざまな仮想タスクをユーザーに提示できます。さらに、現在利用可能な洗練されたハードウェアおよびソフトウェアパッケージは、眼、頭、四肢の動きなど、ユーザーの行動に関する豊富なデータをリアルタイムに収集することができ、従来の診断テスト21で提供される指標をはるかに上回っています。これらのデータストリームは瞬時に利用可能であり、ユーザーのパフォーマンスに基づいて診断タスクをリアルタイムで調整する可能性を開きます(例: 特定のタスクの理想的な難易度レベルを対象とします)。この機能は、USN22の新しい診断ツールの開発において優先事項と見なされるUSNで見られる広範囲の重症度に対するタスクの適応を容易にすることができる。さらに、没入型VRタスクは、患者の注意リソース23,24に負担を増大させ、誤った症状の検出を容易にするエラーを増大させる可能性があります。実際、一部のVRタスクは、USN24,25の従来の紙と鉛筆の尺度と比較して感度が高くなることが示されています。
本研究では、神経学の専門知識を必要としない評価ツールを作成し、USNの微妙な症例を確実に検出して特徴付けることができる評価ツールを作成することが目標でした。私たちは、バーチャルリアリティベースのゲームのようなタスクを構築しました。その後、受話器の頭皮や頭蓋骨を通過し、ニューロンを刺激する被験者の脳内の電流を誘導する、ハンドヘルド刺激コイルから放出される電磁パルスを利用する非侵襲的な脳刺激技術である経頭蓋磁気刺激(TMS)を有する健康な被験者にUSN様症候群を誘発した。この技術は、他の人たちによるUSNの研究で利用されています 13,17,28,29,30 しかし、私たちの知る限りVRベースの評価ツールと組み合わせることはありません。
すでに多くの研究者がVRシステムの診断・治療アプリケーションに取り組んでいます。最近のレビュー31,32は、VRベースの技術を用いたUSNの評価を目的とした多くのプロジェクトを探求し、この目的を持つ他の多くの研究が発表されました33,34,35,36,37,38,39,40,41 .これらの研究の大半は、消費者市場で現在利用可能なVR技術(例えば、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)およびアイトラッキングインサート)を完全に補完するものではなく、データセットを定量化しやすい指標の数を少ない限りとしている。さらに、これらの研究はすべてUSNにつながる後天性脳損傷を有する患者に対して行われ、患者が少なくとも評価タスクに参加できることを保証するためのスクリーニング方法を必要とする(例えば、大きな視野障害または認知障害を有する患者を除く)。これらのスクリーニング方法の閾値の下で、より微妙な認知、運動、または視覚障害が通過し、これらの研究の結果を混乱させる可能性があります。また、このようなスクリーニングは、USNの特定のサブタイプに向けてこれらの研究の参加者のサンプルを偏った可能性があります。
以前の研究のスクリーニングバイアスを避けるために、SMGを標的にしてSTGおよび自己中心的なUSN様症状を標的にして同心円体USN様症状を誘導することを目的として、最近の原稿15によく記載されている標準的なTMSプロトコルを用いて健康な被験者を募集し、人工的にUSN症状をシミュレートした。試験困難を積極的に調整し、USNの異なるサブタイプ、特に同心円状と自己中心的な症状を区別するようにタスクを設計しました。また、USNの標準的な紙と鉛筆の評価を使用して、rTMSで引き起こされた赤字がUSNに似ていることも正式に実証しました。この方法は、USNの評価とリハビリテーションのための新しいVRツールをテストしたい他の研究者にとって有用であると考えています。
この研究は、地元の機関審査委員会によって承認 され、グッド臨床実践ガイドラインによって定められたすべての基準を満たしています.すべての参加者は、研究手続きが始まる前にインフォームド・コンセントを提供しました。研究参加者は、3つの別々のセッションに参加することが期待された(表1に概要)。実験の要素は、以下の段階的な方法で説明されています。セッションの順序がランダム化されました。
| セッション A | 事前の rTMA VR タスク | レスティングモータースレシュホールド* | STG または SMG の rTMR | ポスト rTMS VR 動作タスク |
| 5/10パルスはMEP oフィンガーツイッチを引き出す(*ファーストセッションのみ) | 1 Hzで20分間RMTの110%(合計1200パルス) | |||
| 15分 | 60分 | 20分 | 15分 | |
| セッション B | 事前の rTMA VR タスク | レスティングモータースレシュホールド* | 頂点での rTMR | ポスト rTMS VR 動作タスク |
| 5/10パルスはMEP oフィンガーツイッチを引き出す(*ファーストセッションのみ) | 1 Hzで20分間RMTの110%(合計1200パルス) | |||
| 15分 | 60分 | 20分 | 15分 | |
| セッション C | rTMS前の紙と鉛筆の行動タスク | レスティングモータースレシュホールド* | STG または SMG の rTMR | ポスト rTMS 紙と鉛筆行動タスク |
| ベルのテスト;太田のサークルキャンセル;滞在キャンセル;行の二区分タスク | 5/10パルスはMEP oフィンガーツイッチを引き出す(*ファーストセッションのみ) | 1 Hzで20分間RMTの110%(合計1200パルス) | ベルのテスト;太田のサークルキャンセル;滞在キャンセル;行の二区分タスク | |
| 10分 | 60分 | 20分 | 10分 |
表 1. 各学習セッションの構造。 セッションの順序がランダム化されました。各項目の斜体の推定時間。MEP=モータ呼び起こされる可能性;rTMS=反復経頭蓋磁気刺激;P&P=紙と鉛筆のストローク診断テスト;RMT=レストモーターしきい値
1. 紙と鉛筆の行動タスク
2. TMS の手順
3. VR行動タスク
データは、上述のプロトコルを使用して健康な個人から収集され、バーチャルリアリティタスクから抽出できるさまざまな変数を分析してグループ間の微妙な違いを検出する方法を実証しました。
本研究では、平均年齢25.6歳、平均16.8年の教育を受けた7人(男性2名)が、それぞれTMSの3つの別々のセッションを受けた。これらの被験者は2つのグループに分かれました:4人の参加者は上頭座回(SMG)で繰り返しTMSを受け取り、他の3人の参加者は上側頭回(STG)でTMS刺激を受けました。すべての参加者は、TMSに応答して個々の変動性を考慮するために分析の共変量として使用された別のセッション中に偽TMSを受け取りました。各セッションの間に、参加者は、パフォーマンスの変化を調べるためにTMS刺激の前後にバーチャルリアリティタスクを投与した。
まず、平均ヘッド角(図8)を調べ、SMG群とSTG群の差を特定するのに十分な感度がバーチャルリアリティタスクであるかどうかを判定した。ヘッドアングル変更スコアは、ポストTMSスコアからプレTMSスコアを差し引いて計算した。ANCOVAを実行して、TMS刺激に続くヘッドアングルのグループ間に差があるかどうかを判断しました。シャムTMSヘッドアングル変化スコアは、個人差を考慮する共変量として使用されました。小さなパイロットサンプルを用いて分析を行ったのに対し、SMG群がSTG群と比較して空間の右側に向けられた平均変化スコアが高かったF(1,4)=10.25、p=0.03の2つのグループ間のヘッドアングル変化スコアに有意な差が見られた(図9)。
同様のパターンがラインバイセクション検定を使用して見つかり、SMGグループは、TMS前のtMS、t(4)= 2.78、p = 0.04と比較して、TMS後の投与で右に向かってラインを大幅に多く配置しました。この発見はSTG群t(3)= 3.18,p=0.56では見つからなかった。SMGまたはSTGグループのバーチャルリアリティタスクにおけるTMS前後の頭部角に有意な差はなかったが、SMG群がSTG群と比較して有意に右方向に方向付けられた平均ヘッド角変化スコアを有していたという知見は、同様の知見を示している。バーチャルリアリティタスクからのこの発見は、SMGグループが微妙な無視を持ち、STGグループと比較して右に向かってより多くを見ていた可能性のあるパターンを示したので、従来の紙と鉛筆タスクの結果と一致しています。バーチャルリアリティタスクから収集されたデータを個別の参加者レベルで視覚化して、 図9に示すように、TMS刺激の前後のパフォーマンスを調べることができます。
次に、花のどの側に欠陥のある花びらを含むかによって花が分離された(すなわち、右の花びらと左花びら、 図10を参照)、個々の目標レベルでの同心心的無視の徴候を具体的に評価する。左側に短い花びらを持つ花の2つのグループ間のヘッドアングル変化スコアに違いはありませんでしたが、F(1,4)= 0.09、p = 0.78ですが、右側に小さな花びらを持つ花の2つのグループ間でヘッドアングルの変化スコアに有意な差がありました, F(1,4) = 9.52, p = 0.04.具体的には、SMG群の参加者は、花の右側にある短い花びらを探すときに、さらに右を見る傾向があった(高い花と頭の角度、 図11を参照)。ブッシュに対する被写体の頭部の角度(ブッシュ角、 図12参照)も分析に利用でき、ブッシュに対する同心心の無視の検出を可能にする。これらの分析は、無視の微妙な特定の側面をキャプチャするために、変数をより具体的にする方法を示しています。
データを分析する方法は他にもいくつかあります。参加者が各花を見た平均秒数を調べて、1つのグループが欠陥のある花を特定するのがより困難かどうかを判断しました(花を見て過ごす秒数が増えた場合を特徴とする)。この例では、このスケールが最も敏感であると仮定したため、花びらの残りの部分の95%の大きさの欠陥のある花びらを持つ花からデータを抽出しました。混合 ANCOVA を実行して、グループ (SMG 対 STG) と花の視野 (右対左) を比較しました。TMS前および後の変化スコアを計算し、いずれかのグループがTMSに続く花を見るのに費やされた時間の増加を示したかどうかを調べるために、結果変数として使用されました。左右の花の両方の偽のTMS条件は、再び個々の変動性を考慮するために共変量として使用されました。グループ間に有意差はなかったが、F(1,3)=0.12、p=0.76、花視野にはわずかな有意差があった、F(1,3)=5.62、p= 0.098(図13)。効果は統計的有意性に達しません。そして、より多くの被験者が前進して評価されるべきである。それにもかかわらず、これらのデータは、データをバーチャルリアリティ環境内の特定の花の種類と視野に限定する方法の例として役立ちます。これらの分析が示すように、参加者のパフォーマンスを比較すると、検査者の特定の研究問題に応じてTMSの影響を測定したり、より一般的に無視したりする敏感で動的な方法を研究者に提供することができます。

図1:線の二セクションタスク刺激シートこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:ベルのテスト刺激シートこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:スターキャンセルテスト刺激シート この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:太田サークルのキャンセル刺激シート この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:反復TMS刺激;神経ナビゲーションソフトウェア(左)、磁気刺激ユニット(中央)、および著者CH(右)上の位置にある空冷コイルをクリックして、この図のより大きなバージョンを表示してください。

図6:VRタスク中に主題が見る仮想フォレスト環境 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図7:ターゲットとおとり花が分散した3つの湾曲したヘッジのレイアウトは、この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図8:頭角 - 頭と胴体の前軸との間の角度この 図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 9.この図は、タスクのパフォーマンス中にヘッド角度を使用した 2 つの分析を示しています。
(左)SMG 対 STG グループ ヘッド角度変更スコア。このスケールでは、スコア 0 は各花の中心を見た、正のスコアは右に向かって見た、負のスコアは左に向かって見たことを示します。SMGグループは陽性スコアを有し、刺激後の平均で右に見えたのに対し、STGグループは負のスコアを有し、刺激後の左に見えることを示した。SMG群とSTG群は頭部角変化スコアが有意に異なっていた。(右)。各参加者のプレTMSおよびポストTMSについてプロットされた平均ヘッド角。STGグループは、TMS刺激の前後に強い違いを示さなかったが、刺激に続いて右視野に向かってより多くを見ているように見えたSMG参加者(正の数で表される)。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図10:非対称ターゲットの花、左(左)に小さい花びら、右(右)に小さい花びらを持つ) 、この図のより大きなバージョンを表示するにはここをクリックしてください。

図11:頭角に花 - 頭の前軸と花が摘まれた瞬間に頭から花が下に付いた角度は、 この図のより大きなバージョンを表示するにはここをクリックしてください。

図12:ブッシュ角度 - 花が摘まれた瞬間に頭から花と花の茂みの中心によって下塗りされた角度/識別されたこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図13。TMSの前後の各花を見て過ごした秒の平均変化スコア。 負のスコアは、参加者がTMS前投与と比較してTMS後投与の花を見るのに費やす時間が少ないことを示し、正の数字はTMS後の花を見るのに費やす時間が多い。データは、花が仮想環境内の左と右の視野に配置されたかどうかで区切られます。データもグループ (SMG vs. STG) で区切られました。花は0.95のスケールで欠陥のある花びらを持つものに制限されました。統計的に有意ではないが、花視野の限界効果があった。定性的には、左視野の花の変動が右に比べて大きいようです。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
著者らは開示するものは何もない。
目標は、一方的な空間無視、急性脳卒中生存者の23〜46%に影響を与える症候群を検出し、特徴付ける新しいバーチャルリアリティタスクを設計、構築、および試験し、神経疾患の研究と管理におけるバーチャルリアリティの役割を拡大することでした。
この研究は、ペンシルベニア大学の大学研究基金(URF)と脳血管疾患と脳卒中における米国心臓協会の学生奨学金によって支援されました。研究者、臨床医、認知神経刺激研究所のスタッフに感謝します。
| AirFilmコイル(AFC)、Rapid Version、 | Magstim | N/A | 、空冷TMSコイル |
| 、Alienware 17、R4、ラップトップ、 | Dell | N/A | 、NVIDIA GeForce GTX 1060(https://topics-cdn.dell.com/pdf/alienware-17-laptop_users-guide_en-us.pdf でのフルスペック)、 |
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| CED Micro 401 mkII | Cambridge Electronic Design Limted | N/A | マルチチャンネル波形データ収集ユニット |
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| Magstim Super Rapid 2 plus 1 | Magstim | N/A | 経頭蓋磁気刺激ユニット |
| Unity 2018 | Unity N/A | クロスプラットフォームVRゲームエンジン | |
| Vive Pro | HTC Vive | N/A | VRハードウェアシステム(外部モーションセンサー付き); 片目あたり1440x1600ピクセル、リフレッシュレート90Hz、110°C;視野角 |