アイトラッキングを使用して、ロール面での皮質下運動処理に対する視覚および前庭入力の相対的な重要性を評価する

サマリー

この方法論では、視運動および全身回転中の視線安定化に対する視覚的および前庭の寄与を調査しました。刺激は、視覚、前庭、および視前庭の試験を通じて実施されました。ねじれ眼球運動の増加と眼振の頻度は、各試験の反射的脳幹反応に対する感覚特異的運動情報の皮質下リレーの指標として機能しました。

要約

本プロトコルは、視運動刺激、前庭刺激、および視野前庭刺激の組み合わせを使用して、ロール面回転中の視覚および前庭入力の相対的な影響を評価します。被験者は、孤立した視覚回転、暗闇の中での全身前庭回転、および静的な視覚シーンと頭の回転を組み合わせた視前庭刺激を受けました。動的および静的な眼球運動の増加、絶対振幅、速度、および加速度を、知覚応答とともに測定しました。試験には、動眼運動固定を安定させるための運動前後のベースライン休憩期間が含まれていました。Chronos Eye-Tracking Device (C-ETD) を使用して、3 つの並進次元と 3 つの回転次元にわたって眼のねじれと頭の動きを記録し、正確な目と頭の追跡が達成されました。眼球運動は、遅位相速度と眼振頻度について分析され、両眼からのねじれ出力を平均し、アーティファクトのあるフレームを除外することでデータ品質が保証されました。リアルタイムの視線アライメントモニタリングにより、必要に応じて試験を繰り返すことができ、事後分析により交絡運動が排除されました。視運動刺激には、固定点の周りを回転する投影された視覚要素が含まれていましたが、前庭試験では、暗闇の中で電動全身回転が使用されました。視前庭試験は両方の刺激を組み合わせて、相対的な網膜運動を作成しました。アイトラッカーとヘッドトラッカー間のデータ同期により、100 Hzで記録された正確なフレームごとの分析が保証されました。視線の安定化に対する感覚固有の寄与は、試験タイプ間で遅い位相速度を比較することによって定量化されました。感覚特異的な増加は、視覚反応と前庭反応を視前庭転帰で割ることによって指標化され、合計された個々の反応との比較を通じて検証されました。結果は、視覚と前庭入力の相対的な寄与を定量化した、堅牢な感覚統合を明らかにしました。このプロトコルは、ロールプレーンの回転中の多感覚統合を評価するための詳細なフレームワークを提供します。したがって、このプロトコルは、モーション処理における感覚障害を解明し、新しい眼球運動バイオマーカーを提示するのに役立つ可能性があります。これは以前、視覚的混乱と動きの加速が動き処理にどのような影響を与えるかを評価するために使用されており、脳震盪患者の視覚入力への依存度が高まっていることを強調してきました。

概要

モーション処理は、基本的かつ継続的なニューラルプロセスです。人間では、主に視覚感覚系と前庭感覚系を通じて情報を受け取り、それぞれ外部運動と自己運動を反映します。これら2つのシステムは、下部および上部の神経領域にわたって複雑なニューラルネットワークを採用していますが、最も基本的なレベルでは、基本的な皮質下経路に依存して、良好な姿勢制御と視線安定性を可能にする反射反応を生成します^1,2。固有受容感覚は、良好な姿勢制御への 3 番目の感覚寄与因子として機能し、体性感覚が視線安定化行動を導く可能性があることが示されていますが、明確な眼球運動を生み出す上でのその役割は限られています ^1,3。

視線安定化は、一般に、目を動かす視覚要素に追従させる視運動反射 (OKR) と、目を頭の反対方向に動かすことで視力をサポートする前庭眼反射 (VOR) の 2 つの別々の反射弧によって達成されます¹。これらの反射的弧は別個の実体ではありますが、いくつかの神経経路も共有しており、習慣的な状態では、視覚入力と前庭入力を自然に組み合わせて、動きの印象を作り出します⁴。

この基本的な感覚運動統合中に視覚と前庭入力がどのように処理されるかを評価するには、いくつかの方法があります。多くの機能バランステストは、異なる反復で視覚入力と前庭入力を組み合わせた^5,6,7ですが、他のテストは視線安定^{化反応を評価する}ためにアイトラッキングを採用しています^8,9。これら 2 つの非常に異なる運動反応は重要な神経経路を共有しており、最近の研究では、視線の安定化と姿勢制御の間の強力な相関関係を概説しました^10,11。アイトラッキングがますます利用可能になり、非自発的な運動コマンドに完全に依存しているため、アイトラッキングはバランス反応よりも生来の感覚運動統合を反映しているという議論がなされるかもしれません。

研究の大部分は、眼球運動反応を評価する際に、垂直方向または水平方向の視線安定化を利用しています^12,13。現在のプロトコルは、代わりに、視線安定化の主な指標として、視軸を中心とした目の回転である眼球ねじれを実装しています。眼ねじれは、ヨーまたはピッチの回転、または並進運動によって引き起こされる視線安定化よりも動的なゲインを示します¹⁴。これは、より大きな変動性と相まって、ねじれが視覚的な乱雑さや加速度などの運動パラメータ、または病状の影響を受けやすいことを意味します^{15、16、17、18}。ねじれは自発的な眼球運動制御の範囲外であるため、被験者は意図された運動命令ではなく、注意を通じてのみ反応に影響を与えることができるため、基本的な感覚運動統合のより直接的な指標としても機能します¹⁹。眼ねじれは、ロール面^20,21における視覚回転と前庭回転の両方によって引き起こされる可能性があります。したがって、ねじれ OKR と VOR を使用して、感覚運動統合中に視覚および前庭運動情報が最も基本的なレベルでどのように処理されるかを評価することができます。孤立した視覚刺激と前庭刺激を発行し、その反応を視野前庭試験を組み合わせた試験中に観察された反応と比較することにより、各感覚系が眼球運動反応にどのように影響しているか、その結果、脳が特定の設定で外部運動と自己運動をどのように処理するかを推測できます。また、主観的な運動処理障害を特徴とするさまざまな病状が、視前庭統合のこの基本的な能力にどのように影響するかを調査することもできます。視線安定性は姿勢安定性^10,11と直接相関し、ほぼ同じ基本的な神経経路²²を共有していることが示されているため、眼球運動反応は、プレッシャープレート測定を必要とせずに、さまざまな条件に対する個人の姿勢安定性を示す可能性もあります。これは、脳震盪後症候群で観察されるような感覚再重み付けの患者を評価するときに特に興味深い場合があります¹⁸。

本プロトコルは、視動力学的回転と全身ロール面回転の組み合わせを採用して、ねじりOKRおよびVOR応答を引き起こす方法論を概説する。目と頭の追跡を使用して眼の捻転と前庭入力を追跡し、結果のデータを使用して、各感覚モダリティが互いにどのように比較されるかを推測できます。このプロトコルの目標は、人間および感覚の再計量に苦しむ個人における視線の安定化と感覚運動統合の基本的な能力に対する感覚の影響を評価するための堅牢な方法論を提示することでした。

本研究では、ロール面回転中の視覚および前庭運動処理への相対的な寄与を評価しました。これには、被験者を孤立した視運動回転、暗闇の中で孤立した前庭全身回転、および静的な視覚シーンを見ながら被験者を回転させる複合視前庭運動刺激をさらすことが含まれていました( 図1を参照)。これは、脳震盪後の視覚運動に対する主観的過敏症によって示されるように、健康な対照者と感覚の再体重測定に苦しんでいる個人に対して行われました。主な結果パラメータには、各刺激中の動的および静的な眼球運動の増加、および絶対的な眼球運動の振幅、速度、および加速度が含まれていました。現在のプロトコルの各試験は、回転運動が開始される前に被験者、または視覚シーンを 20 秒間静止させておくことから開始されました。所定の振幅に達した後、シーンまたは被験者は、試験が終了する前にさらに 20 秒間、その回転振幅に保たれました。安定した動眼運動固定を可能にし、ベースラインを確立するための最小要件を満たすために、各回転運動の前後に少なくとも 10 秒間刺激を静止させることをお勧めします。本プロトコルは、反時計回り方向にすべての刺激を発行したが、方向性はねじり応答¹⁵に影響を与えないことが示されていることに注意してください。結果変数の再帰的な性質により、トレーニングや順応は必要とは考えられませんでした。

プロトコル

すべての参加者は、参加前に書面によるインフォームドコンセントを提供しました。この研究は地域倫理審査委員会(2018/1768-31/1)によって承認され、ヘルシンキ宣言に概説されている原則に従って実施されました。プロトコルは STROBE ガイドラインに従いました。

1. 参加者の選定

1. すべての参加者に、医師と神経心理学者による包括的な臨床評価を課します。
2. 次の除外基準を使用してください: 眼球運動障害または視線機能障害、前庭または体性感覚障害、中枢作用薬の最近の開始 (3 か月以内)、または脳震盪後症候群 (PCS) 以外の神経学的または感覚的障害。
3. 眼球運動性と立体視 (TNO ≤ 60 秒角) を評価し、実験セットアップで視覚刺激を融合できるすべての参加者を選択します。
4. すべての管面で頭部インパルステストを使用して末梢前庭機能を評価します。スキュー偏差のスクリーン中央機能。目を閉じた状態で、フォームベースのロンバーグテストを使用してバランスをとる体性感覚入力をテストします。両眼視不良のため1人の患者は除外され、暗闇での潜在的な眼振のため1人の対照は除外されました。

2. 視線と頭の追跡

注:現在のプロトコルでは、視運動と前庭運動のパラメータをそれぞれ反映して、全身回転中に正確な目と頭の追跡が必要です。このため、ヘッドマウント型視線追跡装置が必要であり、本プロトコルではChronos Eye-Tracking Device(C-ETD)が実装された。

1. 視線追跡のセットアップ
   注: 視覚および前庭刺激の効果を評価するために使用される眼球運動パラメータは、眼捻転の動的変化に焦点を当てています。視線追跡装置はねじれの動きを記録する必要があり、誤差を最小限に抑えるために、鼻と側頭の両方の瞳孔側からデータを収集し、平均化する必要があります。両眼の眼球運動を追跡して、マスクが目に対して動くためにカメラの位置がずれる、誤ったねじれやマスクの滑りなどの問題を特定する必要があります。ねじり解析では、片目からのデータを使用できます。この分析には、眼球運動ゲインとクイック位相分布を評価するために、遅位相速度と眼振拍動周波数が含まれます。信頼性の高い低位相解析のために、最低でも100 Hzのサンプルレートを推奨します。
   1. 被験者の準備: すべての試行で被験者が指定された椅子にしっかりと座っていることを確認してください。安定性と快適さのために座り位置を調整し、不要な頭の動きやマスクの滑りのリスクを最小限に抑えます。
   2. アイトラッカーの配置:ヘッドマウントアイトラッカーを被写体の頭に置きます。頭の動きを最小限に抑えるために、面ファスナーストラップまたは同等の方法を使用して頭とアイトラッカーを固定します。
   3. カメラの位置合わせとキャリブレーション: カメラがすべての動きを通して目の遮るもののない視界があることを確認します。アクティブな頭の動き中に目立ったマスクのずれが発生しないようにしてください。被験者を椅子にストラップで固定し、アイトラッカーのキャリブレーションを実行します。キャリブレーション後にアイトラッカーの位置を調整しないでください。
2. ヘッドトラッキングのセットアップ
   注: 研究者は、視運動学試験中に不動を維持することと、前庭および視前庭試験中に頭と眼の回転の間のゲインを計算するという 2 つの理由から、適切な頭の位置を確保する必要があります。C-ETDヘッドマウントには、ヘッドの動きを6次元で追跡する加速度計があり、ロール面と水平移動でのヘッドの位置、速度、加速度を測定する必要条件が最小限です。頭の傾きはねじれ眼球運動を変化させる可能性があるため、水平寸法での頭の位置を監視して、傾かないようにする必要があります。加速度計は、被験者自身の動きではなく、被験者の頭の動きを追跡する必要があり、ヘッドマウントはしっかりと固定されている必要があります。ヘッドトラッカーの周波数はアイトラッカーと同期し、ヘッドトラッカーのレートがアイトラッカーの周波数を下回らないようにする必要があります。
   1. 回転点の決定:機械式そりの回転点を調整することで、全身回転が行われる回転点を設定します。この点が被写体の目の間に位置し、高低差を調整してください。
   2. ヘッドトラッカーの取り付け:ヘッドマウントトラッカーを被写体の頭にしっかりと固定します。
   3. ケーブルの管理と同期: アイトラッカーとヘッドトラッカーの間の接続ケーブルが絡まないように配置されていることを確認してください。刺激中にケーブルが被験者の頭に力を加えていないことを確認してください。

3. 視運動刺激

注: 視運動刺激中、被験者は前庭試験中と同じ位置で安静に座ります。被写体は画面の前の中央に配置し、視線を主要な視線位置に合わせ、水平方向と垂直方向の両方で前方を向いた視線を確保する必要があります。中央の固定点である円は、アクティブな刺激段階で方向性のある動きの手がかりを提供します。小さな円などのオプトキネティック要素が画面全体に均等に分散され、明確なコントラストを提供します。視覚要素は、所定の速度または加速度で固定点の周りを回転し、設定された振幅に達します。

1. 視覚的刺激の選択: 注視点を中心に散在する線や点がある、コントラストの高い視覚シーンを選択します。固定点を被写体の目の正面に垂直方向と水平方向の両方で配置します。その後、回転の中心は被写体の視軸に揃います。
2. 環境の準備: 気を散らす光源を排除して、視覚的なシーンが唯一の照明になるようにします。被写体の視野をできるだけ多く包み込むのに十分な大きさの画面を使用してください。
3. 被験者の指示: 試験中、中心点に固定し続けるように被験者に指示します。録音を開始する前に、試験が開始されていることを被験者に通知します。
4. 試用実行: アイトラッキングとヘッドトラッキングソフトウェアを起動します。モーションを開始する前に、静的な視覚シーンを10秒間提示します。
5. 動きの刺激:動きが始まる1〜2秒前に、被験者に目を大きく開けておくように指示します。視覚的な動きを開始し、シーンを所定の加速度で固定振幅まで回転させます。本プロトコルでは、オプトキネティックシーンは7°/s²、14°/s²、および28°/s²で反時計回りに最大振幅28°まで回転した。これらのパラメータは、眼球運動反応に対する視覚および前庭入力の微妙な分布を提供するために選択されました^13,14。
6. 刺激後の評価:静的な目の位置を評価する場合は、エンドポイントで静的シーンを10秒間維持します。それ以外の場合は、動議停止後すぐに裁判を終了します。

4.前庭刺激

注: 前庭試験では、視覚的および固有受容的な入力を最小限に抑えながら、ロール面での頭の回転を分離するために、完全な暗闇の中で全身を回転させました。このプロトコルでは、それぞれがACブラシレスサーボモーター(400 V)によって駆動される2つの独立したベルトで駆動されるカスタム設計の電動スレッドを使用し、動きを正確に制御できるようにしました。回転中心は、高さの違いに対応するために眉間に一直線に合わせました。参加者は、意図しない動きを最小限に抑えるために頭を固定しながら、前方の想像上の基準点に注視するように指示されました。C-ETD システムからの加速度計データを使用して、頭部の安定性を監視し、動きパラメータがプロトコルに準拠していることを確認しました。

1. 環境と被写体の準備: 視覚的な方向の合図を排除するために、部屋が完全に暗くなっていることを確認してください。被写体を機械化されたそりに固定し、意図しない頭や体の動きのリスクを最小限に抑えます。回転中心を被写体の眉間に合わせ、身長差に対応します。
2. 被験者の指示: 被験者に、中心の注視点を視覚化し、試験中ずっとその注視を維持するように指示します。小さなずれをなくすのは困難ですが、これにより、動き中の視線の安定性が向上します。
3. 裁判の実行: 試行が間もなく開始されることを被験者に知らせます。目と頭の追跡ソフトウェアを起動し、動きを開始する前に10秒かかります。
4. 動きの刺激:動きが始まる1〜2秒前に、被験者に目を大きく開けたままにするように指示します。機械式そりを作動させて、ステップ3.5の視運動の振幅と加速度に一致する頭の回転を生成します。各動きの前後に加速度計データを使用して頭の安定性を検証します。突然の頭のけいれんは、影響を受ける時点での眼球運動記録を損ないます
5. 刺激後の評価: 静的な目の位置を評価する場合は、被験者を最終回転位置に 10 秒間維持します。それ以外の場合は、動議停止後すぐに裁判を終了します。

5.視前庭刺激

注: 視前庭刺激は、前庭試験で説明されているように、全身回転と視運動試験からの静的視覚画像を組み合わせたものです。これにより、網膜上の視野が体の回転と反対の方向に相対的に回転し、視運動と前庭運動の両方の入力が単一の凝集刺激に統合されました。

1. 複合刺激セットアップ: 被験者を機械式そりに座らせ、手順 3.1 から 3.3 に従って視覚的なシーンを提示します。組み合わせた刺激は、前庭入力と視覚入力の間に相対的な動きを生み出すはずです。
2. 試行:手順4.3〜4.5を繰り返して、被験者が静的な視覚シーンを見ている間に全身回転をアクティブにします。視覚刺激が空間内で静止し、被験者の回転の反対方向に動いていることを確認してください。正確なデータ収集には、視運動刺激と前庭刺激の同期が不可欠です。

6. データ分析

注: 眼のねじれは、信号品質が 0.5 を超えるデータのみを含む、C-ETD ソフトウェアによる虹彩特徴追跡を使用して評価されました。瞳孔の両側にある2本のトラッキングラインを各眼に選択し、信号品質が0.5を超えるフレーム数が最も多い眼からのデータを平均化しました。データは、眼振と頭の動きのアーティファクトを除いたOriginPro 2017を使用して分析され、参加者はまばたきのアーティファクトを最小限に抑えるために刺激の1秒前に目を開けたままにするよう促されました。

1. データ収集と準備
   1. アイトラッキングソフトウェア(C-ETDなど)を使用して、アイトラッキングビデオを分析し、ねじれ、垂直、水平の眼球運動を抽出します。
   2. 視線追跡システムのガイドラインに従って瞳孔追跡を構成および調整します。特徴追跡によってねじれ応答を評価する場合は、両眼の瞳孔の両側にある 2 つの基準点を選択します。これらの基準点は、テンプレートのマッチングに使用できる明確な地形フィーチャを備えている必要があります。視線追跡解析プログラムを実行して、経時的な位置データを生成し、すべての眼球運動データを別のファイルにエクスポートします。
   3. エクスポートされたファイルで、ソフトウェアが提供する信号品質インデックスを使用してデータをフィルタリングします。C-ETD の場合は、信号品質が 0.5 >、または他のシステムでは同等の品質しきい値のデータのみを保持します。
   4. 信号品質>0.5のフレーム数が最も多いアイを選択します。選択した目の最高品質のトラッキングラインにわたる平均ねじれデータにより、瞳孔の両側からの表現が保証されます。
2. データの可視化と品質管理
   1. 視線追跡システムからの入力データ(目の動き、頭の位置、椅子の動き)をデジタル化して同期してから、解析ソフトウェアにインポートします。
   2. 経時的なねじれ、垂直、水平の目の位置、およびロール面での頭の位置などのデータを目視検査して、安定したベースラインと各試験中の予想される動きの反応を確認します (代表的な眼球運動反応については 、図 1 を参照)。水平方向または垂直方向の交絡する眼球運動を特定します。
3. 予期しない目や頭の動きと一致する遅い段階を除外して、データの品質と注視の一貫性を維持します。このような動きが能動運動刺激中に発生した場合は、データを削除し、試行を繰り返すことを検討してください。
   1. 低速位相を解析するには、各ねじり低速位相を手動でトレースして、交絡データを除外します。低速位相速度を振幅の変化を持続時間で割ったものとして計算します。眼振拍動 (クイック フェーズの開始) のタイミングを評価して、時間的分布を分析します。試行ごとの眼振拍動の総数を記録します。これは、各試行および被験者について記録されたクイック フェーズの数をカウントすることによって行うことができます。
   2. すべての試験と参加者からのすべての低速期トレースを含めることで、信頼性の高い代表的なデータを確保し、統計的検出力を高めます。
4. 感覚の寄与を定量化する
   1. 視覚、前庭、および視覚前庭試験の低位相速度をリストしたスプレッドシートを作成します。
   2. 各試行の低速位相加速度と対応する刺激加速度を比較し、ねじり加速度を視運動加速度または頭回転加速度で割ることにより、眼刺激ゲインを決定します。
   3. 視覚および前庭試験からの平均遅位相ゲインを視覚前庭試験からの平均低速位相ゲインで割って指標を計算することにより、感覚固有の寄与を評価します。これは、各被験者と加速条件の平均データに対して実行します。たとえば、視覚試験と前庭試験でそれぞれ 3 度/秒² と 7 度/秒² のねじり加速度が得られ、視覚前庭試験で 10 度/秒² が発生した場合、視覚と前庭の寄与はそれぞれ 30% と 70% になります。
   4. 被験者および試験全体で、視覚前庭の遅い位相のゲインと、視覚および前庭の遅い位相のゲインの合計を比較することにより、この方法を検証します。たとえば、視運動学試験で平均ねじり速度が 3 度/秒² で前庭試験が 7 度/秒² の場合、視覚前庭試験は約 10 度/秒² になるはずです。
   5. t 検定を使用して、視覚と前庭のゲインの合計を、観察された視覚前庭ゲインと比較します。堅牢な統合では、大きな違いは示されません。
   6. 最終的なデータセットを、遅い位相加速度、ねじれゲイン、眼振頻度、個々の眼振拍動のタイムスタンプ、および相対的な視覚および前庭の寄与のインデックス値を含むテーブルに整理します。被験者、試行タイプ (視覚、前庭、または視覚前庭)、および運動加速別の構造データ。
   7. 変数を遅い位相加速度、眼振頻度、経時的な眼振分布、感覚寄与指数に分離して統計分析を行います。主題、モダリティ、加速度などの要素を考慮してください。データ分布に応じて、ANOVA などの多因子分析手法を採用することをお勧めします。

結果

合計 171 件の試験が実施され、すべての参加者が 3 つの加速レベルで視覚刺激、前庭刺激、および視覚と前庭の組み合わせ刺激を受けました。結果として生じたすべての眼振遅い段階について、アイトラッキング評価を実施しました(対照参加者9人(女性7人)でn = 223、患者10人(女性3人)でn = 331)。統計分析は、各参加者(n = 19)について得られた平均値に基づいており、データは試験間で平均化されました。健康な対照者と患者は、年齢の点で一致しました。

皮質下運動統合測定の検証
主な目的は、実験パラダイムが期待される皮質下視線安定化反応を誘発し、各刺激モダリティと加速レベルが遅位相ねじれの異なるパターンを誘発することを確認することでした。すべての条件において、視覚のみの刺激は最も遅い遅位相速度を生成しましたが、最も速いものは、加法皮質下統合と一致して、視覚と前庭を組み合わせた試験中に記録されました( 図2を参照)。同様に、刺激の加速が増加すると、すべてのモダリティで緩速位相速度が...

ディスカッション

現在のプロトコルは、脳幹回路によって媒介される反射であるねじれ注視安定化を通じて皮質下運動処理を評価するための検証済みの方法論を提供します²³。視覚刺激と前庭刺激を組み合わせることで、眼捻転反応による多感覚統合の評価が可能になります。以前の実装では、脳震盪患者における加速度依存性前庭寄与¹⁶、視覚情報密度¹⁵、薬理学的調節²⁴、および病理学的視動力学的優位性に対する感受性が実証されています¹⁸。これらの発見は、運動処理障害を特定し、眼球運動バイオマーカーを開発するためのプロトコルの有用性を強調しています。

ミスマッチ理論は、めまいとめまいは、入ってくる感覚信号(通常は視覚系、前庭系、固有受容系の間)の間に競合がある場合に発生すると仮定しており、これらは自己運動中に合同であると予想...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
交流ブラシレスサーボモーター / バルドール BSM90C、400 V	BBモーターズ&メカニカル、アラスカ州フォートスミス、アメリカ合衆国	UPC 781568378342	機械式そりの製造に使用されました
クロノス目追跡装置(C-ETD)	クロノス・ビジョン GmbH、ベルリン、ドイツ	現在は利用できません	同社からはより新しいモデルも提供されており、より高い記録速度を提供しています。
オリジンプロ	オリジンラボ、マサチューセッツ州ノーサンプトン、アメリカ合衆国	オリジンプロ17	目の痕跡、頭部痕跡、椅子の痕跡を視覚化・分析するために使用されました。
SPSS統計学	IBM、シカゴ、イリノイ州、アメリカ合衆国	SPSS統計 28	統計解析に使用