1. Platforma ruchu 6DF
Bodźce przedsionkowe były podawane za pomocą platformy ruchowej (patrz Rysunek 1>) zdolnej do generowania bodźców kątowych i translacyjnych w sumie sześciu stopni swobody (FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Holandia). Platforma jest poruszana przez sześć siłowników elektromechanicznych podłączonych do komputera osobistego z dedykowanym oprogramowaniem sterującym. Urządzenie generuje precyzyjne ruchy w sześciu stopniach swobody. Czujniki umieszczone w siłownikach stale monitorowały profil ruchu platformy. Urządzenie posiada precyzję <0,5 mm dla ruchów liniowych i <0,05° dla ruchów kątowych. Wibracje podczas stymulacji wynosiły 0,02°. Częstotliwość rezonansowa urządzenia wynosiła >75 Hz. Profil ruchu platformy był rekonstruowany na podstawie informacji z czujników w siłownikach przy użyciu dynamiki odwrotnej i przesyłany do komputera zbierającego dane. Aby zsynchronizować dane o ruchu platformy i ruchach oczu, z tyłu platformy zamontowano wiązkę laserową, która była rzucana na małą fotokomórkę (1 mm, czas reakcji 10 μsec). Napięcie wyjściowe fotokomórki było próbkowane z częstotliwością 1 KHz wraz z danymi o ruchach oczu, co zapewniało w czasie rzeczywistym wskaźnik początku ruchu z dokładnością do 1 msec. Podczas analizy offline przy użyciu programu Matlab (Mathworks, Natick, MA), zrekonstruowany profil ruchu platformy, oparty na informacjach z czujników siłowników w platformie, został precyzyjnie dopasowany do momentu rozpoczęcia ruchu platformy.
2. Obiekty badań
A. Pozycjonowanie
Badani zostali posadzeni na krześle zamontowanym w centrum platformy (Ryc. 2). Ciało badanego zostało zabezpieczone czteropunktowymi pasami bezpieczeństwa, takimi jak w samochodach wyścigowych. Pasy bezpieczeństwa były zakotwiczone w podstawie platformy ruchomej. Krzesło było otoczone kostką z ram z PVC, która służyła jako wspornik dla cewek polowych. System cewek polowych był regulowany pod względem wysokości, tak aby oczy badanego znajdowały się w centrum pola magnetycznego.
B. Fixacja głowy
Głowę unieruchomiono za pomocą indywidualnie odlewanej płytki zgryzowej z wycisku dentystycznego, przymocowanej do ramy sześciennej za pomocą sztywnego pręta. Poduszkę próżniową owiniętą wokół szyi oraz pierścień przymocowany do fotela dodatkowo zapewniono stabilizację badanego (Rycina 1). Ponadto, w celu monitorowania przypadkowych ruchów głowy podczas stymulacji, bezpośrednio do płytki zgryzowej przymocowano dwa czujniki 3D (Analog Devices Inc, Norwood, MA) – jeden do pomiaru przyspieszeń kątowych, a drugi liniowych.
3. Układ współrzędnych
Rotacje gałek ocznych są zdefiniowane w prawoskrętnym układzie współrzędnych z ustaloną głową (Rycina 3). W tym układzie, z punktu widzenia badanego, za dodatnie przyjmuje się rotację w lewo wokół osi Z (odchylenie poziome/yaw), rotację w dół wokół osi Y (odchylenie pionowe/pitch) oraz rotację w prawo wokół osi X (obrót/roll). Płaszczyzny prostopadłe do osi rotacji X, Y i Z to odpowiednio płaszczyzny obrotu, odchylenia pionowego i odchylenia poziomego (Rycina 3).
4. Rejestracja ruchów gałek ocznych
Ruchy obu oczu rejestrowano za pomocą trójwymiarowych cewek twardówkowych (Skalar, Delft, Holandia) 4, stosując standardowy dwupolowy system cewek o częstotliwości 25 kHz, oparty na metodzie detekcji amplitudy opracowanej przez Robinsona (Model EMP3020, Skalar Medical, Delft, Holandia) 5. Sygnały z cewek przepuszczano przez analogowy filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia 500 Hz, a następnie próbkowano w trybie on-line i zapisywano na dysku twardym z częstotliwością 1 kHz i precyzją 16 bitów (system CED z oprogramowaniem Spike2 v6, Cambridge Electronic Design, Cambridge).
5. Kalibracja cewki poszukiwawczej
Przed rozpoczęciem eksperymentów zweryfikowano in-vitro czułość i brak ortogonalności cewek kierunkowych i skrętnych, montując cewkę w systemie gimbala Ficka umieszczonym w centrum pola magnetycznego. Poprzez obracanie systemu gimbala wokół wszystkich osi głównych potwierdzono, że wszystkie cewki wykorzystane w eksperymentach były symetryczne dla wszystkich kierunków z dokładnością do 2%.
In vivo, sygnały poziome i pionowe obu cewek kalibrowano oddzielnie, prosząc badanego o sukcesywne fiksowanie serii pięciu celów (cel centralny oraz cele oddalone o 10 stopni w lewo, w prawo, w górę i w dół) przez pięć sekund każdy. Cele kalibracyjne były rzutowane na półprzezroczysty ekran w odległości 186 cm. Analiza danych kalibracyjnych po zakończeniu eksperymentu pozwoliła wyznaczyć wartości czułości i przesunięcia dla każdej z cewek poszukujących. Wartości te zostały następnie wykorzystane w procedurach analizy napisanych w programie Matlab 3.
6 Stymulacja
A. Stymulacja sinusoidalna
Platforma generowała sinusoidalne rotacje całego ciała (1 Hz, A = 4°) wokół trzech głównych osi: osi rostralno-kaudalnej lub pionowej (odchylenie), osi międzyusznej (pochylenie) oraz osi nosowo-potylicznej (przechylenie), a także wokół pośrednich osi poziomych zwiększanych w krokach co 22.5° pomiędzy przechyłem a pochyleniem.
Bodźce sinusoidalne podawano w świetle i w ciemności. W świetle badani fiksowali wzrok na stale podświetlonym celu wizualnym (czerwona dioda LED o średnicy 2 mm) umieszczonym 177 cm przed badanym na wysokości oczu (Rysunek 1C lewy panel). Głowa była ustawiona tak, aby linia Reida (umowna linia łącząca otwór zewnętrzny kanału słuchowego z dolnym kącikiem oka) znajdowała się w odległości do 6 stopni od poziomu ziemi. Podczas stymulacji sinusoidalnej w ciemności cel wizualny był prezentowany krótko (2 s), gdy platforma pozostawała w spoczynku w każdym odstępie między dwoma kolejnymi bodźcami. Aby uniknąć spontanicznych ruchów gałek ocznych podczas stymulacji, badani otrzymali instrukcję fiksowania wzroku w wyobrażonym miejscu celu po wyłączeniu go tuż przed rozpoczęciem ruchu. Zweryfikowano, że ten rodzaj instrukcji zredukował głównie ruchy gałek ocznych w ciemności i miał niewielki wpływ na wzmocnienie (<10%). Zmienność ta występowała jednocześnie we wszystkich komponentach (poziomym, pionowym i torsyjnym).
B. Stymulacja impulsowa
Krótkotrwałe impulsy całego ciała podawano w słabo oświetlonym środowisku. Jedynym dostępnym dla badanej osoby bodźcem wzrokowym był cel znajdujący się 177 cm przed osobą badaną na wysokości oczu. Każdy impuls powtórzono sześć razy, podając go w losowej kolejności i z losowym czasem rozpoczęcia ruchu (przerwy wynosiły od 2,5 do 3,5 s). Profil impulsów składał się ze stałego przyspieszenia 100° sec-2 podczas pierwszych 100 msec impulsu, po którym następował stopniowy liniowy spadek przyspieszenia. Bodziec ten doprowadził do liniowego wzrostu prędkości, która po 100 msec osiągnęła 10° sec-1. Aberracyjne ruchy głowy podczas stymulacji przedsionkowej, mierzone za pomocą urządzeń do pomiaru prędkości kątowej i przyspieszenia liniowego, stanowiły mniej niż 4% amplitudy bodźca. Szczytowa prędkość ruchów oczu w odpowiedzi na te impulsy była 100 razy wyższa od poziomu szumu sygnałów cewki.
7. Analiza danych
Sygnały z cewek przekształcono w kąty Ficka, a następnie przedstawiono jako wektory rotacji 6,7. Na podstawie danych z fiksacji wzroku na celu znajdującym się przed badanym określono przesunięcie cewki w oku względem ortogonalnych głównych cewek pola magnetycznego. Sygnały skorygowano o to przesunięcie za pomocą trójwymiarowej kontrarotacji. Zweryfikowano również, czy podczas eksperymentu nie wystąpiło przesunięcie cewki, sprawdzając wartości pozycji podczas fiksacji celu przed każdym rozpoczęciem ruchu.
Aby przedstawić trójwymiarowe ruchy oka w dziedzinie prędkości, przekształcono dane wektora rotacji z powrotem w prędkość kątową. Przed konwersją wektora rotacji na prędkość kątową dane wygładzono za pomocą filtra cyfrowego o zerowej fazie w przód i w tył z 20-punktowym oknem Gaussa (długość 20 msec).
8. Odpowiedzi sinusoidalne
Wzmocnienie (Gain). Wzmocnienie każdego składnika oraz trójwymiarowe wzmocnienie prędkości oka obliczono poprzez dopasowanie sinusoidy o częstotliwości równej częstotliwości platformy do poziomych, pionowych i torsyjnych składowych prędkości kątowej. Wzmocnienie dla każdego składnika, zdefiniowane jako stosunek szczytowej prędkości składnika oka do szczytowej prędkości platformy, obliczono oddzielnie dla każdego oka.
B Niezgodność osi. Niezgodność między 3D osią prędkości oka a osią prędkości głowy obliczono zgodnie z metodą Aw i współpracowników 8,9. Na podstawie iloczynu skalarnego dwóch wektorów niezgodność obliczono jako chwilowy kąt w trzech wymiarach między odwrotnością osi prędkości oka a osią prędkości głowy. 3D wzmocnienie prędkości kątowej oraz niezgodność dla każdej orientacji azymutalnej porównano z wzmocnieniem i niezgodnością przewidywanymi z sumowania wektorowego komponentów azymutu 0° (roll) i 90° (pitch) 10. Z tego sumowania wektorowego wynika, że gdy wzmocnienia prędkości dla roll i pitch są równe, orientacja osi rotacji oka pokrywa się z osią rotacji głowy; gdy oba te parametry różnią się od siebie, maksymalne odchylenie między bodźcem a osią rotacji oka jest spodziewane przy azymucie 45°.
9. Odpowiedzi impulsowe
Osobno przeanalizowano ślady danych z lewego i prawego oka dla sześciu prezentacji dla każdego kierunku ruchu. Ponieważ wartości dla lewego i prawego oka były niemal identyczne, dane z obu oczu uśredniono w celu określenia wzmocnienia prędkości oka w odpowiedzi na stymulację impulsową. Wszystkie ślady zostały indywidualnie sprawdzone na ekranie komputera. W przypadku wystąpienia mrugnięcia lub sakady u badanego podczas impulsu, dany ślad był ręcznie odrzucany. Składowe prędkości kątowej (N = 5 do 6) w ciągu pierwszych 100 msec po rozpoczęciu ruchu zostały uśrednione w przedziałach czasowych 20 msec (co zapewniło efektywne filtrowanie dolnoprzepustowe) i przedstawione jako funkcja prędkości platformy 11,12.