Drie dimensionaal Vestibulaire oculaire reflex testen met behulp van een Six Degrees of Freedom Motion Platform
23 mei 2013
Een methode wordt beschreven om driedimensionale vestibulo oculaire reflex (3D VOR) bij mensen met het zes graden van vrijheid (6DF) motion simulator te meten. De versterking en uitlijning van de 3D hoekige VOR een directe maat voor de kwaliteit van vestibulaire functie. Representatieve gegevens over gezonde proefpersonen worden verstrekt
Het algemene doel van deze procedure is om de driedimensionale vestibulaire functie te bepalen bij patiënten met vestibulaire stoornissen. Dit wordt bereikt door de proefpersoon eerst op een bewegingsplatform te laten zitten en de veiligheidsgordel vast te maken. Breng scleral search coils aan op de ogen van de proefpersoon.
Om de vestibulaire oculaire reflex in drie dimensies te meten, gebruikt u een vacuüm kussen en een bijtplaat om de proefpersoon te bevestigen. Vervolgens wordt het platform geactiveerd. Het geeft sinusoïdale en stapstimulatie in een willekeurige volgorde om een vestibulär systeem in alle drie dimensies te testen.
De laatste stap is de offline analyse van de oogspoelgegevens om de grootte en uitlijning van de vestibulaire oculaire reflex te extraheren. Uiteindelijk worden de versterking en uitlijning van de vestibulaire oculaire reflex gebruikt om normale van abnormale vestibulaire functie te onderscheiden. Deze techniek stelt ons in staat om het vestibulaire systeem in alle drie dimensies te testen.
Dit is een belangrijk voordeel ten opzichte van bestaande methoden zoals enkelzijdige roterende stoelen die worden gebruikt in KNO-klinieken. Deze methode biedt inzicht in 3D-vestibulaire functie bij gezonde proefpersonen. Bovendien wordt de methode gebruikt om vestibulaire ziekten zoals Sonoma-tumoren, vestibulaire neuritis en veel foutziekte te bestuderen.
De procedure wordt gedemonstreerd door Joyce DITs Kasper Boer, beide promovendi en Johan Pell-medewerker binnen mijn onderzoeksgroep. Om deze procedure te starten, zet u de proefpersoon op een stoel gemonteerd op het centrum van een bewegingsplatform en bevestigt u deze met de vierpuntsveiligheidsgordel die aan de basis van het platform is verankerd. Tijdens het experiment registreert u de oogbewegingen van beide ogen met behulp van 3D scleral search coils met een standaard 25 kilohertz tweedeveld-spoelsysteem op basis van de amplitudedetectiemethode van Robinson.
Om dit te bereiken, verdooft u eerst de ogen van de proefpersoon met een paar druppels oxybutaan in elk oog. Breng vervolgens de scleral search coils, die zijn ingebed in siliconen, in elk oog in. Zodra de spoelen zijn geplaatst, plaatst u het hoofd van de proefpersoon zodat de denkbeeldige lijn die de miis externa verbindt met de onderste orbitale canus of reeds-lijn binnen zes graden van de aarde horizontaal staat.
Vervolgens immobiliseert u het hoofd van de proefpersoon door een vacuümkussen rond de nek van de proefpersoon op te blazen. Laat de proefpersoon vervolgens op een individueel gegoten tandheelkundig indrukbijtbord bijten. De bijtplaat is via een stijve staaf aan het kubieke frame bevestigd en bevat twee 3D-sensoren voor het meten van onopzettelijke hoofdbewegingen via hoek- en lineaire versnelling.
Activeer vervolgens het bewegingsplatform en breng het naar zijn werkpositie. Calibreer de horizontale en verticale signalen van beide scleral search coils afzonderlijk door de proefpersoon te instrueren om vijf seconden lang op een reeks doelen te fixeren. Begin vervolgens met een reeks voorgeprogrammeerde bewegingen.
Het bewegingsplatform is in staat om angulare en translationele stimuli te genereren met een totaal van zes vrijheidsgraden door gebruik te maken van zes computergestuurde elektromechanische actuatoren die hier worden getoond. Om de beweging te definiëren, gebruikt u een standaard rechtshandig coördinatensysteem. Het coördinatensysteem is gecentreerd op een punt halverwege de oren van de proefpersoon en wordt gedefinieerd vanuit het gezichtspunt van de proefpersoon.
Definieer eerst linkse rotatie als positieve beweging in de Z-richting. Dit staat bekend als Y. Definieer vervolgens neerwaartse beweging als positieve beweging en de Y-richting. Dit staat bekend als pitch.
Definieer ten slotte een rechter woordrotatie als positieve beweging in de X-richting. Dit staat bekend als rol. Om te beginnen synchroniseert u het platform en de oogbewegingsgegevens met behulp van een laserstraal die aan de achterkant van het platform is gemonteerd.
De startpositie wordt herkend wanneer de laser op een kleine fotocel wordt geprojecteerd die zich aan de achterwand bevindt, die tijdens de procedure wordt gemonitord, levert sinusoïdale stimuli in zowel lichte als donkere omgevingen. In het licht, laat de proefpersoon zijn ogen fixeren op een continu verlichte rode LED die zich altijd 177 centimeter voor hen bevindt in de duisternis. Het licht wordt twee seconden aangezet en uitgezet voordat elke beweging begint.
Vervolgens levert u volledige lichaamsrotaties over de drie kardinale AE's via het bewegingsplatform, de roc coddle of verticale as, de interorale as en de nasale occipitale as. Naast stimulatie over de kardinale assen, levert u volledige lichaamsrotaties in stappen van 22,5 graden tussen rol en pitch. Voer vervolgens impulsstimulatie uit in een zwak verlichte omgeving met behulp van de LED als visueel doelwit.
Om dit te bereiken, levert u korte duurimpulsen in elk van de drie kardinale assen en tussenliggende horizontale assen op 45 graden. Herhaal elke impuls zes keer en lever ze in willekeurige volgorde. Bovendien varieert u de bewegingsstart willekeurig tussen 2,5 en 3,5 seconden.
Gescheiden van elke nieuwe beweging tijdens de stimulaties Verzamel oogbewegingsgegevens met een frequentie van 1000 hertz. Gebruik een CED-gegevensverzamelingssysteem. Voorbeeldgegevens van de oogpositie worden hier voor elke individuele component weergegeven.
Converteer vervolgens de ruwe gegevens van de oogspoelsignalen naar hoeksnelheid voor elke component. De hoeksnelheidsgegevens worden gebruikt om de versterking te berekenen, die is gedefinieerd als de grootte van compensatoire oogbewegingen ten opzichte van opgelegde stimuli. Verkeerde uitlijning is de onmiddellijke hoek in graden die wordt berekend in drie dimensies tussen de inverse van de oogsnelheidsas en de hoofdsnelheidsas.
Een voorbeeld van verkeerde uitlijning als functie van stimulus. De asoriëntatie wordt hier als stippellijn getoond. Hier is een grafiek voor de gemiddelde resultaten van de versterking. Voor horizontale as sinusoïdale simulatie van de controlegroep verscheen
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een methode voor het meten van driedimensionale vestibulo-oculaire reflexen (3D VOR) bij mensen met behulp van een zes graden van vrijheid (6DF) bewegingssimulator. De procedure is bedoeld om de kwaliteit van de vestibulaire functie te beoordelen aan de hand van de versterking en onjuiste uitlijning van de 3D hoekige VOR.
Belangrijkste onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Vestibulaire functie
- Menselijke fysiologie
Achtergrond
- Het begrijpen van de vestibulaire functie is cruciaal voor het diagnosticeren van vestibulaire stoornissen.
- De vestibulo-oculaire reflex is essentieel voor het stabiliseren van het zicht tijdens hoofdbewegingen.
- Het meten van VOR in drie dimensies geeft uitgebreide inzichten in de vestibulaire gezondheid.
- Traditionele methoden kunnen de volledige complexiteit van vestibulaire reacties niet vastleggen.
Doel van het onderzoek
- Om de driedimensionale vestibulaire functie bij patiënten met vestibulaire stoornissen te bepalen.
- Om een directe maatstaf te bieden voor de kwaliteit van de vestibulaire functie.
- Om de begrip van vestibulaire systeemaantwoorden in verschillende omstandigheden te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Proefpersonen worden geplaatst op een bewegingsplatform en vastgezet met een veiligheidsgordel.
- Sclerale zoekspoelen worden in de ogen van de proefpersonen geplaatst voor meting.
- Een vacuümkussen en beetplaat worden gebruikt om de proefpersonen te beveiligen.
- Het platform levert sinusoïdale en stapstimulussen in willekeurige volgorde om het vestibulair systeem te testen.
Belangrijkste resultaten
- Representatieve gegevens van gezonde proefpersonen tonen de effectiviteit van de methode aan.
- Versterking en onjuiste uitlijning metrische gegevens bieden inzichten in de kwaliteit van de vestibulaire functie.
- De methode maakt een uitgebreide beoordeling van 3D VOR mogelijk.
- Resultaten kunnen helpen bij het diagnosticeren van vestibulaire stoornissen.
Conclusies
- De 6DF bewegingssimulator is een waardevol hulpmiddel voor het beoordelen van de vestibulaire functie.
- Het meten van 3D VOR kan de diagnostische mogelijkheden voor vestibulaire stoornissen verbeteren.
- Verder onderzoek kan de toepassing van deze methode in klinische omgevingen uitbreiden.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Assessing three-dimensional vestibular function provides critical insights into sensorimotor integration, supporting target validation in neurological and vestibular disorder research. The method enables mechanistic de-risking by quantifying gain and alignment of compensatory eye movements, offering predictive confidence in preclinical models of vestibular dysfunction. This approach supports translational biomarker development by linking functional readouts to underlying neural pathways, informing go/no-go decisions in early discovery pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of vestibular hypotheses by measuring 3D VOR gain and alignment across stimulus orientations.
- Operational Value: Provides quantitative, reproducible outputs for assessing vestibular system integrity in disease models.
- Predictive Value: Supports biological de-risking through detection of abnormal vestibular function via deviations in gain and misalignment.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized sinusoidal and impulse stimulation protocols for consistent vestibular response measurement.
- Quantitative Output: Delivers gain and co-linearity metrics as measurable endpoints for screening vestibular modulators.
- Platform Reuse: The 6DF motion platform supports scalable testing across multiple axes and conditions, enabling assay standardization.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Demonstrated applicability in modeling unilateral vestibular impairment, such as vestibular schwannoma, supporting translational continuity.
- Risk-Adjusted Advancement: Gain and alignment metrics inform preclinical go/no-go decisions by quantifying functional deficits.
- Mechanistic Insight: Reveals how differential gains across eye rotation components (torsion vs. vertical) drive axis misalignment, clarifying sensorimotor integration mechanisms.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation to preclinical evaluation, providing functional vestibular readouts that bridge in vitro findings and in vivo disease modeling.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of vestibular pathways by quantifying 3D VOR responses to controlled angular stimuli.
- Screening: Enables assay development through repeatable delivery of sinusoidal and impulse stimuli across six degrees of freedom.
- Analytics: Generates gain (input-output ratio) and misalignment (co-linearity) as quantifiable, multidimensional readouts for comparative analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical validity by detecting functional differences between healthy subjects and vestibular impairment models.
- Enterprise Reuse: The 6DF platform serves as a reusable capability for cross-functional teams studying sensorimotor integration and balance disorders.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides mechanistic de-risking through precise measurement of 3D VOR gain and alignment, reducing ambiguity in vestibular function assessment.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility via calibrated motion platform delivery and scleral search coil eye tracking.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by offering quantitative biomarkers of vestibular health, reducing late-stage biological risk in CNS programs.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds targeting vestibular or cerebellar pathways based on functional rescue of gain and alignment.
Implementation Considerations
- Requires expertise in vestibular physiology, eye movement recording, and motion control systems.
- Dependent on six degrees of freedom motion platform and scleral search coil instrumentation with 1 kHz sampling.
- Necessitates cross-team standardization for stimulus protocols, data acquisition, and offline gain/alignment analysis.
- Adaptation considerations include species-specific anatomy and coil sizing for translational model systems.
- Practical limitations include subject discomfort from prolonged immobilization and sensitivity to visual fixation conditions, as gain and alignment vary between light and dark environments.
