Dynamiczne testy wzrokowe w celu identyfikacji i ilościowego określenia uszkodzeń wzrokowych i naprawy po demielinizacji u pacjentów z zapaleniem nerwu wzrokowego

Summary

Protokół Object From Motion (OFM) i Time-Limited stereo są czułymi narzędziami do identyfikacji deficytów dynamicznych funkcji wzrokowych jednoocznych i obuocznych, które są wyjątkowo dotknięte u pacjentów z zapaleniem nerwu wzrokowego. Ponadto testy te mogą być wykorzystywane jako ilościowe nieinwazyjne narzędzia do oceny stopnia mielinizacji wzdłuż szlaków wzrokowych.

Abstract

Aby śledzić pacjentów z zapaleniem nerwu wzrokowego i oceniać skuteczność ich leczenia, potrzebne jest poręczne, dokładne i policzalne narzędzie do oceny zmian w mielinizacji w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN). Jednak standardowe pomiary, w tym rutynowe badania wizualne i skany MRI, nie są wystarczająco czułe do tego celu. Przedstawiamy dwa testy wizualne dotyczące dynamicznych funkcji monokularu i lornetki, które mogą być ściśle związane z zakresem mielinizacji wzdłuż ścieżek wzrokowych. Należą do nich ekstrakcja obiektu z ruchu (OFM) i protokoły stereo z ograniczeniami czasowymi. W teście OFM tablica kropek tworzy obiekt, przesuwając kropki na obrazie w prawo, jednocześnie przesuwając kropki na zewnątrz obrazu w lewo lub odwrotnie. Wzór kropki generuje zakamuflowany obiekt, którego nie można wykryć, gdy kropki są nieruchome lub poruszają się jako całość. Co ważne, rozpoznawanie obiektów jest krytycznie zależne od percepcji ruchu. W protokole Time-constrained Stereo przestrzennie rozbieżne obrazy są prezentowane przez ograniczony czas, co stanowi wyzwanie dla dwuokularowej integracji 3wymiarów w czasie. Oba testy są odpowiednie do użytku klinicznego i zapewniają prosty, ale skuteczny sposób identyfikacji i ilościowego określania procesów demielinizacji i remielinizacji wzdłuż ścieżek wzrokowych. Protokoły te mogą być skuteczne w diagnozowaniu i obserwowaniu pacjentów z zapaleniem nerwu wzrokowego i stwardnieniem rozsianym.

W procesie diagnostycznym, te protokoły mogą ujawnić deficyty wzrokowe, których nie można zidentyfikować za pomocą obecnych standardowych pomiarów wizualnych. Co więcej, protokoły te z wyczuciem identyfikują podstawy obecnie niewyjaśnionych ciągłych dolegliwości wzrokowych pacjentów po odzyskaniu ostrości wzroku. W podłużnym cyklu obserwacji protokoły mogą być stosowane jako czuły marker procesów demielinizacyjnych i remielinizacyjnych w czasie. Protokoły te mogą być zatem wykorzystane do oceny skuteczności obecnych i ewoluujących strategii terapeutycznych, ukierunkowanych na mielinizację OUN.

Introduction

Zapalenie nerwu wzrokowego jako model do śledzenia degeneracji i naprawy tkanek

Stwardnienie rozsiane (MS) jest przewlekłą zapalną chorobą neurodegeneracyjną ośrodkowego układu nerwowego (OUN) i jest główną przyczyną nieurazowej niepełnosprawności neurologicznej u młodych dorosłych w krajach rozwiniętych. Demielinizacja jest uważana za najbardziej charakterystyczną cechę histopatologiczną SM. Ostatnie badania wykazały jednak, że stwardnienie rozsiane jest również chorobą neurodegeneracyjną z wczesnym uszkodzeniem neuroaksonów^1-3.

Zapalenie nerwu wzrokowego (ON), zapalenie nerwu wzrokowego, jest objawem występującym u 20% pacjentów ze stwardnieniem rozsianym, a co najmniej 50% osób cierpiących na stwardnienie rozsiane doświadcza co najmniej jednego epizodu ON w ciągu swojego życia⁴. W przeciwieństwie do innych lokalizacji zmian w stwardnieniu rozsianym, które nie zawsze korelują z objawami klinicznymi, epizod demielinizacyjny nerwu wzrokowego zwykle powoduje charakterystyczną manifestację ostrej utraty wzroku. Biorąc pod uwagę współwystępowanie ze stwardnieniem rozsianym i jego wybitne cechy kliniczne, ON oferuje wyjątkową możliwość śledzenia zwyrodnienia i naprawy tkanek oraz ich konsekwencji w pojedynczej zmianie stwardnienia rozsianego.

Potrzeba ulepszonych metod śledzenia degeneracji i naprawy tkanek in vivo

Badania patologiczne w stwardnieniu rozsianym wskazują na demielinizację jako główną przyczynę przecięcia aksonów i późniejszego zwyrodnienia aksonów. Remielinizacja może zapobiegać degeneracji zdemielinizowanych aksonów; Jednak skuteczna remielinizacja może być ograniczona w wyniku powtarzających się ataków. Dlatego obecne i rozwijające się neuroprotekcyjne i regeneracyjne strategie terapeutyczne w SM mają na celu zapobieganie nowym atakom i promowanie procesów remielinizacji w OUN⁵.

Aby obserwować pacjentów z zapaleniem nerwu wzrokowego i ocenić skuteczność ich leczenia, potrzebne jest doskonałe narzędzie do ilościowego określania zmian w mielinizacji w OUN. Jednak standardowe pomiary, w tym rutynowe badania wizualne i skany MRI, nie są wystarczająco czułe do tego celu. Rutynowe testy wzrokowe (tj. ostrość wzroku, wrażliwość na kontrast, pola widzenia i percepcja kolorów) mogą ujawnić przypadki zmniejszonej projekcji wejściowej wzdłuż ścieżek wzrokowych, ale są niewrażliwe na identyfikację opóźnionych wskaźników projekcji, co jest rolą włókien demielinizowanych^6,7. Hiperintensywne zmiany T2, które są cechą charakterystyczną choroby, wynikają z resztkowej mieszaniny obrzęku, stanu zapalnego, demielinizacji, utraty aksonów i glejozy, a zatem nie mogą odróżnić demielinizacji od innych patologii mózgu. Ponadto standardowy rezonans magnetyczny ma na celu ujawnienie jakościowego kontrastu tkankowego. Chociaż są one wystarczające do identyfikacji lokalizacji nietypowej tkanki, są niewystarczające do ilościowej oceny właściwości tkanki.

Dynamiczne testy wizualne mogą być używane jako markery demielinizacji i remielinizacji

Twierdzimy, że dynamiczne funkcje wizualne są bardziej odpowiednie niż funkcje statyczne do identyfikowania i ilościowego określania zmian w opóźnieniach projekcji wzdłuż ścieżek wizualnych. Podczas gdy osiągnięcie zarówno statycznych, jak i dynamicznych funkcji wizualnych wymaga wystarczającej ilości projekcji danych wejściowych, tylko dynamiczne funkcje wizualne zależą od szybkości projekcji. Demielinizacja nerwu wzrokowego może zatem wpływać na dynamiczne, a nie statyczne funkcje wzrokowe, co implikuje potrzebę szybkiej transmisji bodźców wzrokowych w celu postrzegania ruchu.

Opracowaliśmy dwa zadania behawioralne do oceny funkcji wzrokowych jednoocznych i obuocznych, które mogą być ściśle związane z opóźnieniami projekcji wzdłuż ścieżek wzrokowych. Należą do nich ekstrakcja obiektu z ruchu (OFM) i protokoły stereo z ograniczeniami czasowymi.

W teście OFM tablica kropek tworzy obiekt, przesuwając kropki na obrazie w prawo, podczas gdy kropki na zewnątrz obrazu są przesuwane w lewo lub odwrotnie. Wzór kropki generuje zakamuflowany obiekt, którego nie można wykryć, gdy kropki są nieruchome lub poruszają się jako całość. Co ważne, rozpoznawanie obiektów jest zależne od percepcji ruchu. Korzystając z protokołu OFM, wykazaliśmy utrzymujący się deficyt w chorych oczach pacjentów z ON, widoczny nawet 12 miesięcy po ataku zapalenia nerwu wzrokowego, podczas gdy standardowe funkcje wzrokowe zostały przywrócone⁸. Ponadto upośledzona wydajność była związana z opóźnionym przewodnictwem (opóźnione P100, odzwierciedlające demielinizację), a poprawa percepcji ruchu była skorelowana ze skróceniem szybkości przewodzenia (odzwierciedlające remielinizację; liniowa regresja metodą najmniejszych kwadratów z obliczeniem współczynnika korelacji F=27,3; p=0,0005; r=-0,87)⁹.

Aktualnie prezentowany protokół OFM został zaktualizowany w celu dopasowania testu do użytku klinicznego, w tym skrócenia testu, dostosowania oprogramowania testowego do automatycznego pliku wyjściowego i uzyskania wyniku czułości ruchu.

Aby ocenić wpływ opóźnień projekcji na widzenie obuoczne, opracowano protokół Stereo ograniczony czasowo. W tym protokole przestrzennie rozbieżne obrazy są prezentowane przez ograniczony czas, co stanowi wyzwanie dla integracji lornetki w czasie. Test ten został zaprojektowany w celu sprawdzenia hipotezy, że z powodu demielinizacji w dotkniętym nerwie, informacje z dwojga oczu dotrą do kory w różnych punktach czasowych, upośledzając integrację obuoczną w czasie. Testując grupę wyleczonych pacjentów z ON (1-2,5 roku po ataku), wykazaliśmy, że podczas gdy większość pacjentów miała nienaruszony poziom wydajności w standardowym statycznym zadaniu stereo; Wydajność w ograniczonym czasowo zadaniu stereo była w większości przypadków osłabiona¹⁰.

OFM i ograniczone czasowo protokoły stereo zapewniają prosty, ale potężny sposób identyfikacji i ilościowego określania procesów demielinizacji i remielinizacji wzdłuż ścieżek wzrokowych. Protokoły te mogą być skuteczne w diagnozowaniu i obserwacji pacjentów z ON i SM w opłacalny sposób przy użyciu łatwego w użyciu protokołu komputerowego.

Protocol

Protokół jest zgodny z wytycznymi Komitetu Etyki Uniwersytetu Hebrajskiego Hadassah dotyczącymi badań na ludziach. Aby uniknąć wpływu krótkowzroczności lub wad refrakcji na wyniki badań, protokoły powinny być wykonywane podczas noszenia przez pacjentów okularów (widzenie skorygowane).

Protokół Object From Motion (OFM):

1. Inicjacja testów i nauczanie przedmiotów

1. Posadź fotografowaną osobę w odległości 50 cm przed ekranem komputera.
2. Otwórz oprogramowanie OFM.
3. Poinstruuj badanego, że zostaną mu przedstawione obiekty zdefiniowane ruchem. Poinstruuj go, aby odpowiedział tak poprawnie i tak szybko, jak to możliwe, naciskając klawiaturę "A", a następnie werbalnie nazywając postrzegany obiekt.
4. Po udzieleniu odpowiedzi pojawi się ekran wskazujący "naciśnij spację". Poinstruuj osobę, aby nacisnęła spację, gdy będzie gotowa do zidentyfikowania następnego bodźca.
5. Wyjaśnij osobie badanej, że bodźce mogą pojawiać się z bardzo trudnymi do postrzegania prędkościami lub z łatwiejszymi do postrzegania prędkościami.

2. Faza uczenia się

Wpisz "learning OFM" w wierszu poleceń. Podmiot zostanie teraz zaprezentowany z 4 przykładowymi bodźcami. Ta faza jest przeprowadzana, gdy oba oczy badanego są otwarte.

3. Faza testowania

Ogólnie rzecz biorąc, każdy test OFM zawiera 20 bodźców. Wszystkie są najpierw prezentowane z najniższą prędkością 4 pikseli/sek. Te, które nie zostaną rozpoznane, zostaną następnie zaprezentowane z następną prędkością 5,5 piksela/sek. Te, które nie zostaną rozpoznane, zostaną następnie zaprezentowane z następną prędkością 7,5 piksela/s i tak dalej, przechodząc przez 10 pikseli/s, 13,5 pikseli/s, 18 pikseli/s i aż do najszybszej prędkości 24,5 pikseli/s. Prędkości zdefiniowano na podstawie wykładnika y=3*e^0,3. Jeśli pięć kolejnych bodźców o określonej prędkości nie zostanie rozpoznanych, następne bodźce zostaną przedstawione z następną większą prędkością, aby uniknąć frustracji u pacjentów. Spowoduje to skrócenie długości testu, który na ogół jest dłuższy, ponieważ rozpoznawanie jest gorsze (co wymaga przejścia przez większą liczbę prędkości na bodziec).

1. Zakryj jedno oko fotografowanej osoby opaską na oko. Każda opaska na oko może być odpowiednia, o ile zapewnia pełne pokrycie.
2. Wpisz "OFM objects" w wierszu poleceń.
3. Wybierz jeden zestaw bodźców (oprogramowanie zawiera 4 zestawy bodźców. Każdy zestaw zawiera 20 różnych obiektów. Wybór może być losowy. Upewnij się jednak, że stosujesz różne zestawy bodźców dla każdego z badanych oczu; Stosuj różne zestawy bodźców dla kolejnych punktów czasowych uczenia się w przypadku oceny podłużnej).
4. Pojawi się monit z prośbą o podanie imienia i nazwiska badanego, badanego oka i daty badania. Uzupełnij wymagane informacje.
5. Uważnie monitoruj osobę badaną i odpowiadaj jej, gdy wykonuje zadanie w następujący sposób:
   1. Kiedy pojawi się bodziec, badany musi nacisnąć przycisk "A" na klawiaturze i nazwać tożsamość prezentowanego bodźca.
   2. Naciśnij lewy przycisk myszy, aby uzyskać poprawną odpowiedź, lub prawy przycisk myszy, aby uzyskać błędną odpowiedź.
   3. Tester naciska "spację" na klawiaturze, aby zainicjować następny bodziec.
   4. Ta procedura (kroki 3.5.1-3.1.5.3) jest kontynuowana do momentu, gdy wszystkie 20 bodźców w zestawie zostanie rozpoznanych lub zaprezentowanych z największą prędkością.
6. Powtórz całą procedurę (od kroku 3.1) dla drugiego oka badanego, używając innego zestawu bodźców.

Protokół stereo ograniczony czasowo:

1. Inicjacja testów i nauczanie przedmiotów

1. Posadź fotografowaną osobę w odległości 50 cm przed ekranem komputera.
2. Otwórz oprogramowanie stereo.
3. Poinstruuj badanego, że zostaną mu przedstawione trójwymiarowe (3D) kształty i będzie musiał nazwać postrzegany kształt tak poprawnie i szybko, jak to możliwe. Kształty mogą być jednym z następujących: kołem, kwadratem, trójkątem lub gwiazdą.
4. Wyjaśnij osobie, że bodźce mogą pojawiać się w bardzo trudnych do odbioru warunkach lub w łatwiejszych do postrzegania warunkach.
5. Poinstruuj badaną, aby nosiła okulary 3D.
6. Wyłącz oświetlenie w pomieszczeniu.

2. Faza uczenia się

Wpisz "learning Stereo" w wierszu poleceń. Tester zostanie teraz zaprezentowany z 4 powtórzeniami każdego kształtu, prezentowanymi w warunkach najdłuższego czasu trwania bodźca (500 ms) i najłatwiejszej rozbieżności (840 sekund kątowych). Zgodnie z warunkiem prezentacji 3D dla każdego kształtu zostanie utworzona prezentacja 2D. W tym ostatnim przypadku zostanie dodana linia wyznaczająca kontury kształtów, aby upewnić się, że fotografowany dostrzegł wymiary prezentowanego kształtu. Badani, którym nie udało się osiągnąć tego łatwego stanu, nie będą testowani w następnej fazie.

3. Faza testowania: percepcja stereopsji jako funkcja rozbieżności obuocznej

4 kształty będą prezentowane przez 500 ms w 4 różnych warunkach rozbieżności: 120, 300, 540 i 840 sekund kątowych.

1. Wpisz "Stereo Disparity" w wierszu poleceń.
2. Pojawi się monit z prośbą o podanie imienia i nazwiska testera oraz daty testu. Uzupełnij wymagane informacje.
3. Pojawia się bodziec
4. Podmiot nadaje nazwę prezentowanemu kształtowi. Odpowiedzi są kodowane przez egzaminatora za pomocą przycisków kluczowych 1-4 (tj. naciśnij przyciski 1, 2, 3 lub 4, aby uzyskać słowne odpowiedzi badanego odpowiednio "koło", "kwadrat", "trójkąt" lub "gwiazda"). Ze względu na warunki oświetleniowe i fakt, że badany nosi okulary 3D, nie może samodzielnie zakodować odpowiedzi).
5. Tester naciska dowolny, aby przejść do następnego bodźca. Kolejność prezentacji bodźców jest losowa.

4. Faza testowania

Percepcja stereopsji jako funkcja czasu prezentacji bodźca. 4 kształty zostaną przedstawione dla rozbieżności 540 i 840 sekund kątowych przy czasie trwania 40, 60 lub 100 ms.

1. Wpisz "Czas trwania stereo" w wierszu poleceń.
2. Powtórz kroki 3.2-3.5.

Results

protokół OFM

Wynikiem protokołu jest plik tekstowy, który automatycznie podsumowuje odpowiedzi podmiotu. Wynik można analizować na dwa sposoby:

Całkowity wynik: Każdemu prezentowanemu bodźcowi przypisywana jest waga bodźca, a suma wag wszystkich zidentyfikowanych bodźców jest ustawiana jako wynik odpowiedzi badanego. Waga danego bodźca jest ustalana na podstawie prędkości bodźca, przy czym większe wagi to niższe prędkości. Niezidentyfikowanym bodźc...

Discussion

Zapalenie nerwu wzrokowego jest chorobą demielininową nerwu wzrokowego, powodującą ostrą utratę wzroku. Chociaż uważa się, że jest to przejściowe w przypadku korzystania ze standardowych testów wizualnych¹, pacjenci nadal odczuwają trudności w wykonywaniu codziennych zadań wzrokowych. Twierdzimy, że dynamiczne testy wizualne są wystarczające do zidentyfikowania i ilościowego określenia tych trwałych deficytów. Wynika to z faktu, że dynamiczne, ale nie statyczne funkcje wzrokowe zależą ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Komputer osobisty, w tym laptopy			Oprogramowanie OFM działa najlepiej na komputerze Mac lub PC z systemem Windows 7 (lub nowszym). Oprogramowanie Stereo działa na każdym komputerze osobistym.
Monitor  specyfikacja			Rozmiar: co najmniej 15 cali,  Kolor: co najmniej 16 bitów
Oprogramowanie OFM i Stereo	Są to samodzielnie opracowane oprogramowanie		Badacze i lekarze, którzy są zainteresowani tym oprogramowaniem, mogą skontaktować się z nami pod adresem: fmri-hadassah.org
Czerwone/cyjanowe okulary 3D (przetestowaliśmy oprogramowanie Stereo na dwóch następujących okularach 3D):	Nvidia & American Paper Optics	3D Vision Ostateczne okulary anaglifowe 3D i Czerwone/cyjanowe okulary 3D Pro X Style do oglądania filmów i gier na płaskich ekranach
Wydajność w naszym zadaniu stereo została porównana z wydajnością w standardowym teście stereo Randot	Stereo Optical Co.	Randot SO-002