Methodenartikel

Eye-tracking gebruiken om het relatieve belang van visuele en vestibulaire input voor de verwerking van subcorticale bewegingen in het rolvlak te beoordelen

DOI:

10.3791/68289

⸱

22 augustus 2025

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

In dit artikel

Samenvatting

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

De methodologie onderzocht visuele en vestibulaire bijdragen aan blikstabilisatie tijdens optokinetische rotaties en rotaties van het hele lichaam. Stimulaties werden uitgevoerd door middel van visuele, vestibulaire en visuovestibulaire onderzoeken. Torsie-oogbewegingswinst en nystagmusfrequenties dienden als indicatoren voor het subcorticale doorgeven van sensorisch-specifieke bewegingsinformatie naar de reflexieve hersenstamrespons voor elke proef.

Samenvatting

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

Het huidige protocol evalueert de relatieve impact van visuele en vestibulaire input tijdens rotaties van het rolvlak met behulp van optokinetische, vestibulaire en gecombineerde visuovestibulaire stimulaties. Proefpersonen ondergingen geïsoleerde visuele rotaties, vestibulaire rotaties van het hele lichaam in het donker en visuovestibulaire stimulaties die statische visuele scènes combineerden met hoofdrotaties. Dynamische en statische oogbewegingswinsten, absolute amplitudes, snelheden en versnellingen werden gemeten naast perceptuele reacties. Proeven omvatten een basisrustperiode voor en na de beweging om de oculomotorische fixatie te stabiliseren. Nauwkeurige oog- en hoofdtracking werden bereikt met behulp van het Chronos Eye-Tracking Device (C-ETD), dat oculaire torsie en hoofdbewegingen registreerde over drie translatie- en drie rotatiedimensies. Oogbewegingen werden geanalyseerd op snelheden in langzame fase en nystagmusfrequentie, waarbij de gegevenskwaliteit werd gegarandeerd door het gemiddelde te nemen van de torsie-output van beide ogen en frames met artefacten uit te sluiten. Real-time monitoring van de uitlijning van de blik maakte herhaling van de proef mogelijk als dat nodig was, en post-hocanalyse sloot verstorende bewegingen uit. Optokinetische stimulatie omvatte geprojecteerde visuele elementen die rond een fixatiepunt roteerden, terwijl vestibulaire proeven gemotoriseerde rotaties van het hele lichaam in het donker gebruikten. Visuovestibulaire onderzoeken combineerden beide stimuli, waardoor een relatieve beweging van het netvlies ontstond. Gegevenssynchronisatie tussen oog- en hoofdtrackers zorgde voor een nauwkeurige frame-voor-frame analyse die werd geregistreerd bij 100 Hz. Sensorisch-specifieke bijdragen aan blikstabilisatie werden gekwantificeerd door langzame fasesnelheden in verschillende soorten onderzoeken te vergelijken. Sensorisch-specifieke winsten werden geïndexeerd door visuele en vestibulaire responsen te delen door visuovestibulaire uitkomsten en gevalideerd door vergelijkingen met opgetelde individuele reacties. De resultaten toonden een robuuste sensorische integratie, waarbij de relatieve bijdragen van visuele en vestibulaire input werden gekwantificeerd. Dit protocol biedt een gedetailleerd kader voor het evalueren van multisensorische integratie tijdens rotaties van het rolvlak. Het protocol kan daarom dienen om sensorische stoornissen in bewegingsverwerking op te helderen, evenals om nieuwe oculomotorische biomarkers te presenteren. Het is eerder gebruikt om te evalueren hoe visuele rommel en bewegingsversnellingen de bewegingsverwerking beïnvloeden en heeft een grotere afhankelijkheid van visuele input bij patiënten met een hersenschudding benadrukt.

Inleiding

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

Bewegingsverwerking is een fundamenteel en continu neuraal proces. Bij mensen ontvangen we informatie voornamelijk via onze visuele en vestibulaire sensorische systemen, die respectievelijk externe en zelfbeweging weerspiegelen. Deze twee systemen maken gebruik van complexe neurale netwerken in lagere en hogere neurale regio's, maar vertrouwen op hun meest basale niveau op basale subcorticale paden om reflexieve reacties te produceren die een goede houdingscontrole en blikstabiliteit mogelijk maken 1,2. Proprioceptie dient als de derde sensorische bijdrage aan een goede houdingscontrole, en hoewel is aangetoond dat somatosensatie blikstabiliserend gedrag kan sturen, is de rol ervan bij het produceren van verschillende oogbewegingen beperkt 1,3.

Blikstabilisatie wordt over het algemeen bereikt door middel van twee afzonderlijke reflexieve bogen, de optokinetische reflex (OKR), die het oog ertoe brengt een bewegend visueel element te volgen, en de vestibulo-oculaire reflex (VOR), die de gezichtsscherpte ondersteunt door ervoor te zorgen dat de ogen in de tegenovergestelde richting van het hoofd bewegen1. Hoewel ze verschillende entiteiten zijn, delen deze reflexieve bogen ook verschillende neurale paden, en in onze gebruikelijke toestand combineren we op natuurlijke wijze visuele en vestibulaire input om een indruk van beweging te creëren4.

Er zijn verschillende methoden om te beoordelen hoe visie en vestibulaire input worden verwerkt tijdens deze basale sensomotorische integratie. Veel bevatten balanstests, waarbij visuele en vestibulaire input in verschillende iteraties worden gecombineerd 5,6,7, terwijl andere eye-tracking gebruiken om de blikstabiliserende respons te beoordelen 8,9. Deze twee zeer verschillende motorische reacties delen belangrijke neurale paden, en we hebben in recente studies robuuste correlaties geschetst tussen blikstabilisatie en houdingscontrole10,11. Nu eye-tracking steeds meer beschikbaar wordt en volledig vertrouwt op niet-vrijwillige motorische commando's, kan er een argument worden aangevoerd voor hun weerspiegeling van een meer aangeboren sensomotorische integratie dan de evenwichtsrespons.

Een meerderheid van de onderzoeken maakt gebruik van verticale of horizontale blikstabilisatie bij het beoordelen van de oogbewegingsrespons12,13. Het huidige protocol implementeert in plaats daarvan oculaire torsie, de rotatie van het oog rond zijn visuele as, als een belangrijke indicator voor blikstabilisatie. Oculaire torsie vertoont een meer dynamische versterking dan blikstabilisatie veroorzaakt door yaw- of toonhoogterotaties, of translatiebewegingen14. In combinatie met een grotere variabiliteit betekent dit dat torsie gemakkelijker wordt beïnvloed door bewegingsparameters, zoals visuele rommel of versnelling, of medische aandoeningen 15,16,17,18. Aangezien torsie buiten het bereik van vrijwillige oculomotorische controle valt, dient het ook als een directere indicator van basale sensomotorische integratie, aangezien een proefpersoon de respons alleen kan beïnvloeden door zijn aandacht in plaats van door een bedoeld motorisch commando19. Oculaire torsie kan worden veroorzaakt door zowel visuele als vestibulaire rotaties in het rolvlak20,21. De torsie-OKR en VOR kunnen daarom worden gebruikt om te beoordelen hoe visuele en vestibulaire bewegingsinformatie wordt behandeld tijdens sensomotorische integratie op het meest basale niveau. Door geïsoleerde visuele en vestibulaire stimulaties uit te voeren en vervolgens de responsen te vergelijken met die waargenomen tijdens gecombineerde visuovestibulaire onderzoeken, kan men afleiden hoe elk sensorisch systeem de oogbewegingsrespons beïnvloedt en bijgevolg hoe de hersenen externe en zelfbeweging in een bepaalde omgeving verwerken. Men kan ook onderzoeken hoe verschillende medische aandoeningen met subjectieve bewegingsverwerkingsstoornissen deze basiscapaciteit voor visuovestibulaire integratie beïnvloeden. Aangezien is aangetoond dat blikstabiliteit direct gecorreleerd is met houdingsstabiliteit10,11, die grotendeels dezelfde fundamentele neurale paden deelt22, kan de oogbewegingsrespons ook de houdingsstabiliteit van een persoon onder verschillende omstandigheden aangeven zonder dat drukplaatmetingen nodig zijn. Dit kan met name van belang zijn bij het evalueren van patiënten met sensorische herweging, zoals waargenomen bij het post-hersenschuddingsyndroom 18.

Het huidige protocol schetst een methodologie voor het gebruik van combinaties van optokinetische rotaties en rotaties van het hele lichaam om torsie-OKR- en VOR-responsen uit te lokken. Door oog- en hoofdtracking te gebruiken om oculaire torsie en vestibulaire input te traceren, kunnen de resulterende gegevens vervolgens worden gebruikt om af te leiden hoe elke sensorische modaliteit zich ten opzichte van elkaar verhoudt. Het doel van het protocol was om een robuuste methodologie te presenteren voor het beoordelen van sensorische invloeden op blikstabilisatie en de basiscapaciteit voor sensomotorische integratie bij mensen en personen die lijden aan sensorische herweging.

De huidige studie evalueerde de relatieve bijdrage aan visuele en vestibulaire bewegingsverwerking tijdens rotaties van het rolvlak. Het omvatte het blootstellen van proefpersonen aan geïsoleerde optokinetische rotaties, geïsoleerde vestibulaire rotaties van het hele lichaam in het donker en gecombineerde visuovestibulaire bewegingsstimulaties waarbij proefpersonen worden geroteerd tijdens het bekijken van een statische visuele scène (zie figuur 1). Dit werd gedaan met gezonde controles en personen die leden aan sensorische herweging, zoals aangegeven door een subjectieve overgevoeligheid voor visuele beweging, na een hersenschudding. De belangrijkste uitkomstparameters waren de dynamische en statische oogbewegingswinst tijdens elke stimulatie, evenals absolute oogbewegingsamplitudes, snelheden en versnellingen. Elke proef in het huidige protocol begon met 20 s van de proefpersoon, of de visuele scène, die in rust werd gehouden vóór het begin van de roterende beweging. Na het bereiken van de vooraf bepaalde amplitude werd de scène of het onderwerp nog 20 s op die rotatieamplitude gehouden voordat de proef werd beëindigd; Het wordt aanbevolen om de stimulatie voor en na elke rotatiebeweging ten minste 10 s in rust te houden om te voldoen aan de minimumvereisten voor het mogelijk maken van een stabiele oculomotorische fixatie en het vaststellen van een basislijn. Hoewel het huidige protocol alle stimulaties tegen de klok in uitgeeft, moet u er rekening mee houden dat is aangetoond dat directionaliteit geen effect heeft op de torsierespons15. Er werd geen training of acclimatisatie nodig geacht vanwege de reflexieve aard van de uitkomstvariabelen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

Alle deelnemers gaven voorafgaand aan deelname geïnformeerde schriftelijke toestemming. De studie werd goedgekeurd door de regionale ethische beoordelingscommissie (2018/1768-31/1) en uitgevoerd in overeenstemming met de principes die zijn uiteengezet in de Verklaring van Helsinki. Het protocol volgde de STROBE-richtlijnen.

1. Selectie van deelnemers

  1. Onderwerp alle deelnemers aan een uitgebreide klinische beoordeling door een arts en een neuropsycholoog.
  2. Gebruik de volgende uitsluitingscriteria: oculaire motorische of blikdisfunctie, vestibulaire of somatosensorische stoornissen, recente start van centraal werkende medicatie (binnen 3 maanden) of een andere neurologische of sensorische aandoening dan het post-hersenschuddingsyndroom (PCS).
  3. Beoordeel de oculaire motiliteit en stereoscopisch zicht (TNO ≤ 60 boogseconden) en selecteer alle deelnemers die visuele stimuli kunnen samensmelten in de experimentele opstelling.
  4. Beoordeel de perifere vestibulaire functie met behulp van hoofdimpulstests in alle kanaalvlakken; Centrale functie van het scherm voor scheefstand. Test somatosensorische input om in evenwicht te komen met behulp van een op schuim gebaseerde Romberg-test met gesloten ogen. Eén patiënt werd uitgesloten vanwege slecht binoculair zicht en één controlegroep werd uitgesloten vanwege latente nystagmus in het donker.

2. Eye- en head-tracking

OPMERKING: Het huidige protocol vereist nauwkeurige oog- en hoofdtracking tijdens rotaties van het hele lichaam, waarbij respectievelijk de optokinetische en vestibulaire bewegingsparameters worden weerspiegeld. Om deze reden is een op het hoofd gemonteerd eye-tracking apparaat vereist, en het huidige protocol implementeerde het Chronos Eye-Tracking Device (C-ETD).

  1. Eye-tracking instellen
    OPMERKING: De oogbewegingsparameters die worden gebruikt om de effecten van visuele en vestibulaire stimuli te evalueren, zijn gericht op dynamische veranderingen in oculaire torsie. Eye-tracking-apparaten moeten torsiebewegingen registreren en om fouten te minimaliseren, moeten gegevens worden verzameld van zowel de nasale als de temporale pupilzijden en worden gemiddeld. Oogbewegingen van de verrekijker moeten worden getraceerd om problemen te identificeren, zoals onjuiste torsie of het wegglijden van het masker, waarbij de positie van de camera's verschuift als gevolg van het bewegen van het masker ten opzichte van de ogen. Torsieanalyse kan dan gebruik maken van gegevens van één oog. De analyse omvat langzame fasesnelheden en nystagmus-slagfrequentie om oculomotorische versterking en snelle faseverdelingen te evalueren. Een samplefrequentie van 100 Hz wordt minimaal aanbevolen voor een betrouwbare analyse in de langzame fase.
    1. Voorbereiding van de proefpersoon: Zorg ervoor dat de proefpersoon voor alle proeven stevig op de daarvoor bestemde stoel zit. Pas de zitpositie aan voor stabiliteit en comfort om het risico op ongewenste hoofdbewegingen of wegglijden van het masker te minimaliseren.
    2. Plaatsing van de eye-tracker: Plaats de op het hoofd gemonteerde eye-tracker op het hoofd van het onderwerp. Zet het hoofd en de eye-tracker vast met klittenband of een gelijkwaardige methode om hoofdbewegingen te minimaliseren.
    3. Uitlijning en kalibratie van de camera: Controleer of de camera's tijdens alle bewegingen een onbelemmerd zicht op de ogen hebben. Zorg ervoor dat het masker niet merkbaar wegglijdt tijdens actieve hoofdbewegingen. Bind de proefpersoon vast aan de stoel en voer de eye-tracker-kalibratie uit. Pas de positie van de eyetracker niet aan na kalibratie.
  2. Head-tracking instellen
    OPMERKING: De onderzoeker moet om twee redenen zorgen voor de juiste positionering van het hoofd: om immobiliteit te behouden tijdens optokinetische onderzoeken en om de winst tussen hoofd- en oogrotaties te berekenen tijdens vestibulaire en visuovestibulaire onderzoeken. De C-ETD-hoofdbevestiging heeft versnellingsmeters die de beweging van het hoofd in zes dimensies volgen, met een minimumvereiste om de positie, snelheid en versnelling van het hoofd in het rolvlak en horizontale translaties te meten. Kantelingen van het hoofd kunnen de beweging van het torsieoog veranderen, dus de positie van het hoofd in de horizontale dimensie moet worden bewaakt om ervoor te zorgen dat er geen kantelingen zijn. De versnellingsmeter moet de beweging van het hoofd van het onderwerp volgen, niet die van hemzelf, en de hoofdbevestiging moet stevig zijn vastgemaakt. De frequentie van de head-tracker moet worden gesynchroniseerd met de eye-tracker, waarbij de head-tracker-snelheid niet lager mag zijn dan die van de eye-tracker.
    1. Bepaling van het rotatiepunt: Stel het rotatiepunt in waaromheen de rotatie van het hele lichaam zal plaatsvinden door het rotatiepunt van de mechanische slee aan te passen. Zorg ervoor dat dit punt zich tussen de ogen van het onderwerp bevindt om hoogteverschillen aan te passen.
    2. Head-tracker installatie: Bevestig de op het hoofd gemonteerde tracker stevig op het hoofd van het onderwerp.
    3. Kabelbeheer en synchronisatie: Zorg ervoor dat de verbindingskabel tussen de eye-tracker en de head-tracker zo is geplaatst dat deze niet in de knoop raakt. Controleer of de kabel tijdens de stimulatie geen kracht uitoefent op het hoofd van de proefpersoon.

3. Optokinetische stimulatie

OPMERKING: Tijdens optokinetische stimulatie zit de proefpersoon in dezelfde houding als tijdens de vestibulaire proeven, in rust. Het onderwerp moet gecentreerd zijn voor het scherm, met de zichtlijn uitgelijnd met de primaire blikpositie, zodat de blik naar voren gericht is in zowel horizontale als verticale afmetingen. Het centrale fixatiepunt, een cirkel, geeft richtinggevende bewegingsaanwijzingen tijdens de actieve stimulatiefase. Optokinetische elementen, zoals kleine cirkels, zijn gelijkmatig verdeeld over het scherm en bieden een duidelijk contrast. De visuele elementen draaien rond het fixatiepunt met vooraf bepaalde snelheden of versnellingen en bereiken een ingestelde amplitude.

  1. De visuele stimulatie selecteren: Kies een visuele scène met veel contrast met verspreide lijnen of stippen gecentreerd rond een fixatiepunt. Plaats het fixatiepunt direct voor de ogen van de proefpersoon in zowel verticale als horizontale afmetingen. Het rotatiecentrum wordt vervolgens uitgelijnd met de visuele as van het onderwerp.
  2. De omgeving voorbereiden: Elimineer storende lichtbronnen om ervoor te zorgen dat de visuele scène de enige verlichting is. Gebruik een scherm dat groot genoeg is om zoveel mogelijk van het gezichtsveld van het onderwerp te omvatten.
  3. Instructies voor de proefpersoon: Instrueer de proefpersoon om gedurende de hele proef gefixeerd te blijven op het centrale punt. Informeer de proefpersoon dat de proef begint voordat u met opnames begint.
  4. Uitvoering van de proef: Start de eye- en head-tracking software. Presenteer de statische visuele scène gedurende 10 seconden voordat u de beweging initieert.
  5. Bewegingsstimulatie: Instrueer de proefpersoon 1-2 s voor het begin van de beweging om zijn ogen wijd open te houden. Start visuele beweging en draai de scène naar een vaste amplitude met een vooraf bepaalde versnelling. In het huidige protocol draaide de optokinetische scène met 7°/s², 14°/s² en 28°/s² tot een maximale amplitude van 28° tegen de klok in; Deze parameters werden gekozen om een genuanceerde verdeling van visuele en vestibulaire input te bieden over de oogbewegingsrespons13,14.
  6. Evaluatie na stimulatie: Houd de statische scène op het eindpunt gedurende 10 seconden vast als u de statische oogpositie evalueert. Beëindig anders de proefperiode onmiddellijk na het stopzetten van de motie.

4. Vestibulaire stimulatie

OPMERKING: Vestibulaire onderzoeken omvatten rotaties van het hele lichaam in volledige duisternis om hoofdrotaties in het rolvlak te isoleren en tegelijkertijd visuele en proprioceptieve input te minimaliseren. Het protocol maakte gebruik van een op maat ontworpen gemotoriseerde slee die werd aangedreven door twee onafhankelijke riemen, elk aangedreven door een AC-borstelloze servomotor (400 V), waardoor nauwkeurige controle over de beweging mogelijk was. Het draaipunt werd uitgelijnd met de glabella om hoogteverschillen op te vangen. Deelnemers kregen de opdracht om zich te fixeren op een ingebeeld referentiepunt voor hen, terwijl hun hoofd werd vastgezet om onbedoelde bewegingen te minimaliseren. Versnellingsmetergegevens van het C-ETD-systeem werden gebruikt om de stabiliteit van het hoofd te bewaken en ervoor te zorgen dat de bewegingsparameters zich aan het protocol hielden.

  1. Voorbereiding van de omgeving en het onderwerp: Zorg ervoor dat de kamer helemaal donker is om visuele richtingsaanwijzingen te elimineren. Zet het onderwerp vast in de gemechaniseerde slee, waardoor het risico op onbedoelde hoofd- of lichaamsbewegingen wordt geminimaliseerd. Lijn het rotatiecentrum uit met de glabella van het onderwerp om hoogteverschillen op te vangen.
  2. Instructies voor de proefpersoon: Instrueer de proefpersoon om een centraal fixatiepunt te visualiseren en er tijdens de proef naar te blijven kijken. Hoewel kleine afwijkingen moeilijk te elimineren zijn, zal dit de stabiliteit van de blik tijdens beweging helpen bevorderen.
  3. Proefuitvoering: Informeer de proefpersoon dat de proef op het punt staat te beginnen. Start de oog- en hoofdvolgsoftware en laat 10 seconden verstrijken voordat u de beweging initieert.
  4. Bewegingsstimulatie: Instrueer de proefpersoon 1-2 s voor het begin van de beweging om zijn ogen wijd open te houden. Activeer de mechanische slee om een hoofdrotatie te produceren die overeenkomt met de amplitude en versnelling van de optokinetische beweging in stap 3.5. Controleer de stabiliteit van het hoofd met behulp van versnellingsmetergegevens voor en na elke beweging. Plotselinge schokken in het hoofd zullen de oculomotorische opnames op de getroffen tijdstippen in gevaar brengen
  5. Evaluatie na stimulatie: Houd de proefpersoon gedurende 10 seconden in de uiteindelijke gedraaide positie als u een statische oogpositie evalueert. Beëindig anders de proefperiode onmiddellijk na het stopzetten van de motie.

5. Visuovestibulaire stimulatie

OPMERKING: Visuovestibulaire stimulatie combineerde rotaties van het hele lichaam, zoals beschreven voor vestibulaire onderzoeken, met het statische visuele beeld van de optokinetische onderzoeken. Dit creëerde een relatieve rotatie van het gezichtsveld op het netvlies in de richting tegengesteld aan de lichaamsrotatie, waarbij zowel optokinetische als vestibulaire bewegingsinvoer werden geïntegreerd in een enkele samenhangende stimulatie.

  1. Gecombineerde stimulatie-opstelling: Zet het onderwerp in de mechanische slee en presenteer de visuele scène volgens de stappen 3.1-3.3. De gecombineerde stimulus moet een relatieve beweging creëren tussen vestibulaire en visuele input.
  2. Proefuitvoering: Herhaal stap 4.3-4.5 om de rotatie van het hele lichaam te activeren terwijl het onderwerp de statische visuele scène bekijkt. Zorg ervoor dat de visuele stimulus stationair in de ruimte staat en in de tegenovergestelde richting van de rotatie van het onderwerp beweegt. Synchronisatie tussen optokinetische en vestibulaire stimulatie is essentieel voor nauwkeurige gegevensverzameling.

6. Gegevensanalyse

OPMERKING: Oculaire torsie werd beoordeeld met behulp van het volgen van iriskenmerken met C-ETD-software, inclusief alleen gegevens met een signaalkwaliteit van meer dan 0,5. Voor elk oog werden twee volglijnen aan weerszijden van de pupil geselecteerd en werd het gemiddelde genomen van gegevens van het oog met het hoogste aantal frames van meer dan 0,5 in signaalkwaliteit. De gegevens werden geanalyseerd met behulp van OriginPro 2017, met uitzondering van nystagmus en artefacten van hoofdbewegingen, waarbij de deelnemers werden gevraagd om hun ogen een seconde voor stimulatie open te houden om knipperartefacten te minimaliseren.

  1. Gegevensverzameling en -voorbereiding
    1. Gebruik eye-trackingsoftware (bijv. C-ETD) om eye-trackingvideo's te analyseren en torsie-, verticale en horizontale oogbewegingen te extraheren.
    2. Configureer en kalibreer pupiltracking volgens de richtlijnen van het eye-trackingsysteem. Bij het beoordelen van torsiereacties door middel van feature tracking, selecteert u twee referentiepunten aan elke kant van de pupil voor beide ogen. Deze referentiepunten moeten verschillende topografische kenmerken bevatten die kunnen worden gebruikt voor het matchen van sjablonen. Voer het eye-tracking-analyseprogramma uit om positiegegevens in de loop van de tijd te genereren en exporteer alle oogbewegingsgegevens naar een afzonderlijk bestand.
    3. Filter de gegevens in het geëxporteerde bestand met behulp van de signaalkwaliteitsindex die door de software wordt geleverd. Bewaar voor C-ETD alleen gegevens met een signaalkwaliteit > 0,5 of een gelijkwaardige kwaliteitsdrempel voor andere systemen.
    4. Selecteer het oog met het hoogste aantal frames met een signaalkwaliteit > 0,5. Gemiddelde torsiegegevens over de volglijnen van de beste kwaliteit voor het geselecteerde oog, waardoor weergave aan beide zijden van de pupil wordt gegarandeerd.
  2. Datavisualisatie en kwaliteitscontrole
    1. Digitaliseer en synchroniseer invoergegevens van het eye-tracking-systeem (oogbewegingen, hoofdpositie en stoelbeweging) voordat u deze in de analysesoftware importeert.
    2. Inspecteer de gegevens visueel, inclusief torsie-, verticale en horizontale oogposities in de loop van de tijd, evenals de positie van het hoofd in het rolvlak, om een stabiele basislijn en verwachte bewegingsreacties tijdens elke proef te verifiëren (zie figuur 1 voor representatieve oogbewegingsreacties). Identificeer eventuele storende oogbewegingen in horizontale of verticale richting.
  3. Sluit langzame fasen uit die samenvallen met onverwachte oog- of hoofdbewegingen om de gegevenskwaliteit en fixatieconsistentie te behouden. Als dergelijke bewegingen optraden tijdens actieve bewegingsstimulatie, verwijder dan de gegevens en overweeg de proef te herhalen.
    1. Als u langzame fasen wilt analyseren, traceert u handmatig elke torsiefase om verstorende gegevens uit te sluiten. Bereken de snelheid in langzame fase als de verandering in amplitude gedeeld door de duur. Evalueer de timing van nystagmusslagen (begin van snelle fasen) om de temporele verdeling te analyseren. Noteer het totale aantal nystagmusslagen per proef. Dit kan worden gedaan door het aantal geregistreerde snelle fasen voor elk onderzoek en elke proefpersoon te tellen.
    2. Voeg alle langzame fasesporen van elke studie en deelnemer toe om betrouwbare, representatieve gegevens te garanderen en de statistische kracht te vergroten.
  4. Kwantificeren van sensorische bijdragen
    1. Maak een spreadsheet met snelheden in langzame fase voor visuele, vestibulaire en visueel-vestibulaire onderzoeken.
    2. Bepaal de oogstimulusversterking door elke langzame faseversnelling te vergelijken met de overeenkomstige stimulusversnelling, waarbij de torsieversnelling wordt gedeeld door de optokinetische of koprotatieversnelling voor elke proef.
    3. Beoordeel sensorisch-specifieke bijdragen door de gemiddelde langzame fasewinst van visuele en vestibulaire onderzoeken te delen door die van visuo-vestibulaire onderzoeken om een index te berekenen. Voer dit uit op de gemiddelde gegevens voor elk onderwerp en elke versnellingstoestand. Als visuele en vestibulaire proeven bijvoorbeeld torsieversnellingen opleveren van respectievelijk 3 graden/s2 en 7 graden/s2, en visueel-vestibulaire onderzoeken 10 graden/s2 produceren, zouden de visuele en vestibulaire bijdragen respectievelijk 30% en 70% zijn.
    4. Valideer deze methode door visuo-vestibulaire slow-phase gain te vergelijken met de som van visuele en vestibulaire slow-phase gain tussen proefpersonen en onderzoeken. Als optokinetische proeven bijvoorbeeld een gemiddelde torsiesnelheid van 3 graden/s2 opleveren en vestibulaire proeven 7 graden/s2, moeten visueel-vestibulaire proeven ongeveer 10 graden/s2 bedragen.
    5. Gebruik een t-toets om de som van visuele en vestibulaire winsten te vergelijken met de waargenomen visuo-vestibulaire winst; Een robuuste integratie zou geen significant verschil moeten laten zien.
    6. Organiseer de uiteindelijke dataset in een tabel met langzame faseversnelling, torsieversterking, nystagmusfrequentie, tijdstempels voor individuele nystagmusslagen en geïndexeerde waarden van relatieve visuele en vestibulaire bijdragen. Structureer gegevens per proefpersoon, type proef (visueel, vestibulair of visueel-vestibulair) en bewegingsversnelling.
    7. Voer statistische analyses uit door variabelen te scheiden in langzame faseversnelling, nystagmusfrequentie, nystagmusverdeling in de tijd en sensorische bijdrage-indices. Houd rekening met factoren als onderwerp, modaliteit en versnelling. Het wordt aanbevolen om een multifactoriële analysemethode te gebruiken, zoals ANOVA, afhankelijk van de gegevensdistributie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Er werden in totaal 171 onderzoeken uitgevoerd, waarbij alle deelnemers visueel-vestibulaire stimulaties ondergingen op drie versnellingsniveaus. Eye-tracking assessments werden uitgevoerd op alle resulterende nystagmus slow phases (n = 223 voor negen controledeelnemers (zeven vrouwen); n = 331 voor 10 patiënten (drie vrouwen)). Statistische analyses waren gebaseerd op de gemiddelde waarden verkregen voor elke deelnemer (n = 19), met gegevens gemiddeld over de onderzoeken. Gezonde contro...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Het huidige protocol biedt een gevalideerde methodologie voor het beoordelen van de verwerking van subcorticale bewegingen door middel van torsieblikstabilisatie, een reflex die wordt gemedieerd door hersenstamcircuits23. Door visuele en vestibulaire stimulatie te combineren, maakt de methode de evaluatie van multisensorische integratie mogelijk door middel van oculaire torsiereacties. Eerdere implementaties hebben hun gevoeligheid aangetoond voor versnellingsafha...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Dankbetuigingen

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

De huidige studie werd ondersteund door de Promobilia Foundation (onderzoekssubsidie A23126 aan TW).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
AC Brushless Servo Motors / Baldor BSM90C, 400 VBB Motors and Mechanical, Fort Smith, AK, USAUPC 781568378342Gebruikt voor het construeren van de gemechaniseerde slee
Chronos Eye tracking device (C-ETD)Chronos Vision GmbH, Berlijn, DuitslandNiet langer beschikbaarNieuwere modellen zijn verkrijgbaar bij het bedrijf, met hogere opnamefrequenties.
OriginProOriginLab, Northampton, MA, USAOriginPro 17Gebruikt om oog-, hoofd- en stoelsporen te visualiseren en te analyseren.
SPSS StatististicsIBM, Chicago, IL, USASPSS Statistics 28Gebruikt voor de statistische analyses

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Land, M. Eye movements in man and other animals. Vision Res. 162, 1-7 (2019).
  2. Wibble, T., Pansell, T., Grillner, S., Pérez-Fernández, J. Conserved subcortical processing in visuo-vestibular gaze control. NatComm. 13 (1), 4699(2022).
  3. Wibble, T., Pansell, T. Human proprioceptive gaze stabilization during passive body rotations underneath a fixed head. Sci Rep. 14, 17355(2024).
  4. Cullen, K. E. The vestibular system: multimodal integration and encoding of self-motion for motor control. Trends Neurosci. 35 (3), 185-196 (2012).
  5. Guerraz, M., Bronstein, A. M. Mechanisms underlying visually induced body sway. Neurosci Lett. 443 (1), 12-16 (2008).
  6. Pavlou, M., et al. The effect of repeated visual motion stimuli on visual dependence and postural control in normal subjects. Gait Posture. 33 (1), 113-118 (2011).
  7. Wollseifen, T. Different methods of calculating body sway area. Pharmac Prog. 4, 91-106 (2011).
  8. Morrow, M. J., Sharpe, J. A. The effects of head and trunk position on torsional vestibular and optokinetic eye movements in humans. Exp Brain Res. 95 (1), 144-150 (1993).
  9. Pansell, T., Schworm, H. D., Ygge, J. Torsional and vertical eye movements during head tilt dynamic characteristics. Invest Ophthalmol Vis Sci. 44 (7), 2986-2990 (2003).
  10. Wibble, T., Sodergard, U., Traisk, F., Pansell, T. Intensified visual clutter induces increased sympathetic signalling, poorer postural control, and faster torsional eye movements during visual rotation. PLoS One. 15 (1), e0227370(2020).
  11. Sukkar, M., Khatirnamani, A., Wibble, T. Visually induced vertical vergence as a motion processing biomarker associated with postural instability. Neuroscience. 555, 106-115 (2024).
  12. Meldrum, D., Jahn, K. Gaze stabilisation exercises in vestibular rehabilitation: review of the evidence and recent clinical advances. J Neurol. 266 (Suppl 1), 11-18 (2019).
  13. Reynders, M., Van der Sypt, L., Bos, J., Cools, W., Topsakal, V. Systematic review and meta-analysis of the diagnostic value of optokinetic after-nystagmus in vestibular disorders. Front Neurol. 15, 1367735(2024).
  14. Guyton, D. L. Ocular torsion: sensorimotor principles. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 226 (3), 241-245 (1988).
  15. Wibble, T., Pansell, T. Vestibular Eye Movements Are Heavily Impacted by Visual Motion and Are Sensitive to Changes in Visual Intensities. Invest Ophthalmol Vis Sci. 60 (4), 1021-1027 (2019).
  16. Wibble, T., Engström, J., Pansell, T. Visual and Vestibular Integration Express Summative Eye Movement Responses and Reveal Higher Visual Acceleration Sensitivity than Previously Described. Invest Ophthalmol Vis Sci. 61 (5), 4(2020).
  17. Wibble, T., Frattini, D., Benassi, M., Bolzani, R., Pansell, T. Concussed patients with visually induced dizziness exhibit increased ocular torsion and vertical vergence during optokinetic gaze-stabilization. Sci Rep. 13 (1), 3690(2023).
  18. Frattini, D., Rosén, N., Wibble, T. A proposed mechanism for visual vertigo: post-concussion patients have higher gain from visual input into subcortical gaze stabilization. Invest Ophthalmol Vis Sci. 65 (4), 26(2024).
  19. Frattini, D., Wibble, T. Alertness and Visual Attention Impact Different Aspects of the Optokinetic Reflex. Invest Ophthalmol Vis Sci. 62 (13), 16(2021).
  20. Goodenough, D. R., Sigman, E., Oltman, P. K., Rosso, J., Mertz, H. Eye torsion in response to a tilted visual stimulus. Vision Res. 19 (10), 1177-1179 (1979).
  21. Cheung, B. S., Howard, I. P. Optokinetic torsion: dynamics and relation to circularvection. Vision Res. 31 (7-8), 1327-1335 (1991).
  22. Cullen, K. E. Vestibular processing during natural self-motion: implications for perception and action. Nat Rev Neurosci. 20, 346-363 (2019).
  23. Vilis, T., Hepp, K., Schwarz, U., Henn, V. On the generation of vertical and torsional rapid eye movements in the monkey. Exp Brain Res. 77 (1), 1-11 (1989).
  24. Wibble, T., Engström, J., Verrecchia, L., Pansell, T. The effects of meclizine on motion sickness revisited. Br J Clin Pharmacol. 86 (8), 1510-1518 (2020).
  25. Reason, J. T. Motion sickness adaptation: a neural mismatch model. J R Soc Med. 71 (11), 819-829 (1978).
  26. Dichgans, J., Brandt, T. Visual-Vestibular Interaction: Effects on Self-Motion Perception and Postural Control. Handbook Sens Physiol. 8, 755-804 (1978).
  27. Cousins, S., et al. Visual dependency and dizziness after vestibular neuritis. PLoS One. 9 (9), e0105426(2014).
  28. Brandt, T., Dieterich, M. Vestibular syndromes in the roll plane: topographic diagnosis from brainstem to cortex. Ann Neurol. 36 (3), 337-347 (1994).
  29. Collewijn, H., Van der Steen, J., Ferman, L., Jansen, T. C. Human ocular counterroll: assessment of static and dynamic properties from electromagnetic scleral coil recordings. Exp Brain Res. 59 (1), 185-196 (1985).
  30. Miller, E. F. Evaluation of otolith organ function by means of ocular counter-rolling measurements. , 69N30986 (1969).
  31. Diamond, S. G., Markham, C. H. Ocular counterrolling as an indicator of vestibular otolith function. Neurology. 33 (11), 1460-1469 (1983).
  32. Vieville, T., Masse, D. Ocular counter-rolling during active head tilting in humans. Acta Otolaryngol. 103 (3-4), 280-290 (1987).
  33. Kassner, M., Patera, W., Bulling, A. Pupil: an open source platform for pervasive eye tracking and mobile gaze-based interaction. Proc 2014 ACM Int Joint Conf Pervasive Ubiquitous Computing. , 1151-1160 (2014).
  34. Pansell, T., Sverkersten, U., Ygge, J. Visual spatial clues enhance ocular torsion response during visual tilt. Exp Brain Res. 175 (3), 567-574 (2006).
  35. Zemblys, R., Niehorster, D. C., Komogortsev, O., Holmqvist, K. Using machine learning to detect events in eye-tracking data. Behav Res. 50, 160-181 (2018).
  36. Otero-Millan, J., Roberts, D. C., Lasker, A., Zee, D. S., Kheradmand, A. Knowing what the brain is seeing in three dimensions: A novel, noninvasive, sensitive, accurate, and low-noise technique for measuring ocular torsion. J Vis. 15 (14), 11(2015).
  37. Sadeghi, R., Ressmeyer, R., Yates, J., Otero-Millan, J. Open Iris - An Open Source Framework for Video-Based Eye-Tracking Research and Development. bioRxiv. , (2024).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Visuele inputrotaties in het rolvlakoptokinetische stimulatievisuovestibulaire stimulatieoculomotorische biomarkersnystagmusfrequentiesensorische integratie

Gerelateerde artikelen