Poprawione i kompatybilne z neuroobrazowaniem wersje ekranu Dual Task

Każdego roku 42 miliony ludzi na całym świecie doznaje łagodnych urazów mózgu (mTBI)¹. Chociaż kiedyś uważano je za łagodne, nowe badania wskazują, że mTBI, szczególnie powtarzające się mTBI, mogą wywoływać trwałe negatywne konsekwencje, takie jak zaburzenia fizyczne, poznawcze i zaburzenia snu^2,3,4. W związku z tym badacze i klinicyści poszukują ulepszonych ocen i metod leczenia, aby zrozumieć i rozwiązać problem mTBI.

Do tej pory, najlepsza praktyka oceny mTBI obejmuje zgłaszane przez siebie objawy i obiektywny pomiar funkcji neurokognitywnych i motorycznych⁵. Jednak niektóre osoby, takie jak sportowcy wyczynowi na poziomie uniwersyteckim, są znane z zaniżania liczby objawów związanych z mTBI⁶, co ogranicza użyteczność raportów o objawach. Obiektywne pomiary funkcji neurokognitywnych i motorycznych mają również ograniczenia, w tym niską wiarygodność testu i ponownego testu, poleganie na testach podstawowych lub niewystarczającą trudność dla sportowców osiągających wysokie wyniki^7,8,9. Jednak paradygmaty podwójnego zadania - które jednocześnie oceniają zdolności motoryczne i poznawcze - mogą wykrywać subtelne, szczątkowe upośledzenia i mogą być szczególnie przydatne do oceny sportowców osiągających wysokie wyniki^{10,11,12,13,14}.

Wcześniejsze badania wykorzystujące paradygmaty podwójnego zadania często wykorzystywały nieporęczny, drogi sprzęt laboratoryjny, taki jak systemy przechwytywania ruchu¹⁴, do oceny sportowców osiągających wysokie wyniki. Chociaż systemy te mogą dokładnie mierzyć subtelne upośledzenia motoryczne, są niepraktyczne do stosowania w codziennej ocenie mTBI ze względu na wysokie koszty sprzętu, ograniczoną przenośność i długi czas podawania (tj. ≥ 45 minut na osobę). Co więcej, wiele wcześniejszych badań paradygmatu podwójnego zadania koncentrowało się wyłącznie na umiejętnościach dolnej części ciała lub kończyn dolnych, takich jak równowaga lub chód^11,12,13,14. Prawdopodobnie funkcja kończyn górnych i koordynacja ręka-oko są również ważne dla sportowców osiągających wysokie wyniki w wielu dyscyplinach sportowych. W związku z tym opracowaliśmy Dual Task Screen (DTS), który jest krótkim pomiarem przeznaczonym do przeprowadzenia i oceny w ciągu <10 minut za pomocą przenośnych, tanich instrumentów. ten oryginalny dts zawierał podzadanie kończyny dolnej (le) i górnej (ue), które oceniało prędkość chodu (przy użyciu stopera) koordynację ręka-oko w warunkach pojedynczego silnika podwójnego zadania¹⁵.

W pierwszym studium wykonalności, 32 zdrowe, nastoletnie uczestniczki ukończyły oryginalny DTS. Badanie to miało na celu ustalenie, że DTS może powodować koszty silnika dwuzadaniowego, na co wskazuje zmniejszona wydajność silnika w warunkach dwuzadaniowych w porównaniu z pojedynczym silnikiem. Staraliśmy się również ustalić, że DTS może być podawany i oceniany w czasie krótszym niż 10 minut. Odkryliśmy, że wszyscy uczestnicy mieli gorszą wydajność motoryczną dwuzadaniową w co najmniej jednym podzadaniu. Dodatkowo byliśmy w stanie zaaplikować DTS w średnio 5,63 minuty i ocenić test w 2-3 minuty¹⁵.

Chociaż pierwsze studium wykonalności zakończyło się sukcesem, ujawniono kilka ograniczeń. Przede wszystkim prędkość chodu została zmierzona za pomocą stoperów, które są podatne na naturalne błędy ludzkie. Dlatego w poprawionym DTS zastosowaliśmy inteligentne urządzenia z wbudowanymi akcelerometrami (Tabela Materiałów) na każdej kostce. Ten dodatek pozwolił utrzymać użycie przenośnych, tanich instrumentów, jednocześnie zapewniając wyrafinowane pomiary prędkości chodu, całkowitej liczby kroków, średniej długości kroku, średniego czasu trwania kroku i zmienności czasu trwania kroku. Kolejnym ograniczeniem pierwotnego DTS był brak pojedynczych warunków poznawczych, co uniemożliwiało ocenę kosztów poznawczych podwójnego zadania. Koszty poznawcze podwójnego zadania są definiowane jako gorsza wydajność poznawcza podczas podwójnego zadania w porównaniu z pojedynczym warunkiem poznawczym. Następnie, zarówno dla podzadań LE, jak i UE, dodaliśmy pojedynczy warunek poznawczy (opisany w Protokole).

Oprócz opracowania miary do przyszłego użytku klinicznego, jednym z długoterminowych celów zespołu jest ocena neuronalnych podstaw wykonywania pojedynczych i podwójnych zadań u zdrowych sportowców i porównanie tych wyników ze sportowcami z mTBI wywołanym przez sport. W ten sposób stworzyliśmy wersję DTS kompatybilną z neuroobrazowaniem. Staramy się ustalić, czy DTS może być z powodzeniem zmodyfikowany do użytku z jednoczesnym pomiarem funkcjonalnej spektroskopii w bliskiej podczerwieni (fNIRS) i używamy mobilnego urządzenia fNIRS specjalnie zaprojektowanego do dostosowania się do ruchu motorycznego poprzez zmniejszenie wpływu artefaktów ruchu. Co więcej, według naszej wiedzy urządzenie to ma największe pokrycie głowy spośród urządzeń mobilnych, które są obecnie dostępne do celów badawczych (Tabela materiałów).

Podsumowując, protokół badania jest zaprojektowany tak, aby wykonywać następujące czynności:

1. Opisz protokół podawania dla zmienionego Dual Task Screen (DTS), który jest środkiem, który przeprojektowaliśmy, aby rozwiązać problemy z ograniczeniami oryginalnego DTS¹⁵ i środkiem przeznaczonym do przyszłego użytku klinicznego.
2. Opisz protokół badawczy dla kompatybilnego z neuroobrazowaniem ekranu podwójnego zadania (DTS), który zaprojektowaliśmy w celu oceny neuronalnych podstaw wydajności pojedynczego i podwójnego zadania.

Wszystkie procedury badawcze zostały zatwierdzone przez Institutional Review Board (IRB) na Uniwersytecie Stanowym Kolorado, a wszyscy dorośli uczestnicy wyrazili pisemną świadomą zgodę przed zakończeniem jakichkolwiek procedur badawczych. Pisemna świadoma zgoda została udzielona przez rodziców uczestników poniżej 18 roku życia, a niepełnoletni uczestnicy również wyrazili pisemną zgodę przed zakończeniem jakichkolwiek procedur badania.

1. Poprawiony ekran podwójnych zadań (DTS)

1. Podzadanie Kończyna dolna (LE)
   1. Uruchom stan pojedynczego silnika.
      1. Umieść trzy klocki do jogi w pozycji poziomej dokładnie w odległości 4,5 m od siebie wzdłuż 18-metrowego chodnika.
      2. Mocno przymocuj inteligentne urządzenia do każdej kostki, aby wykrywać uderzenia piętą i uzyskiwać charakterystykę chodu.
      3. Rozpocznij nagrywanie wideo za pomocą kamery na statywie.
      4. Poinstruuj uczestników, aby chodzili tak szybko, jak to możliwe, pokonując przeszkody. Rozpocznij zbieranie danych na smartfonach i ostro dotknij urządzeń jednocześnie, aby następnie wyrównać czasowo dwa oddzielne strumienie danych z lewej i prawej nogi.
      5. Zmierz czas do zakończenia za pomocą ręcznego stopera.
      6. Zatrzymaj nagrywanie wideo.
   2. Rozpocznij pojedynczy warunek poznawczy.
      1. Poinformuj uczestnika o czasie przydzielonym mu na ten stan, używając czasu do ukończenia z jego/jej pojedynczego stanu motorycznego (zaokrąglając w górę do pełnej sekundy).
      2. Rozpocznij nagrywanie wideo za pomocą kamery na statywie.
      3. Poinstruuj uczestników, aby podali jak najwięcej słów zaczynających się na określoną literę (A lub F).
         UWAGA: Litery są równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania. Liczby są równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania.
      4. Zatrzymaj nagrywanie wideo.
   3. Uruchom warunek podwójnego zadania.
      1. Rozpocznij nagrywanie wideo za pomocą kamery na statywie.
      2. Poinstruuj uczestników, aby chodzili tak szybko, jak to możliwe, pokonując przeszkody, jednocześnie wypowiadając jak najwięcej słów zaczynających się na określoną literę (A lub F). Szybko dotknij obu akcelerometrów, aby rozpocząć warunek.
      3. Zmierz czas do zakończenia za pomocą ręcznego stopera.
      4. Zatrzymaj nagrywanie wideo.
2. Podzadanie Kończyna górna (UE)
   1. Uruchom stan pojedynczego silnika.
      1. Zmierz odległość 1,5 m od ściany, oznacz taśmą maskującą i poinstruuj uczestnika, aby stanął za taśmą.
      2. Umieść kosz z piłeczkami tenisowymi obok uczestnika.
      3. Rozpocznij nagrywanie wideo za pomocą kamery na statywie.
      4. Poinstruuj uczestnika, aby przez 30 sekund wykonał rzut ścianą naprzemiennie rękami. Powiedz uczestnikowi, że jeśli nie uda mu się złapać piłki, ma zdobyć nową piłkę z kosza z piłkami tenisowymi. Zmierz czas, który upłynął za pomocą stopera.
      5. Zatrzymaj nagrywanie wideo.
   2. Rozpocznij pojedynczy warunek poznawczy.
      1. Rozpocznij nagrywanie wideo za pomocą kamery na statywie.
      2. Powiedz uczestnikowi, że zostanie poproszony o sekwencyjne odejmowanie przez 7 od danej liczby (100 lub 150) przez 30 sekund. Zmierz czas, który upłynął za pomocą stopera.
      3. Zatrzymaj nagrywanie wideo.
         UWAGA: Litery są równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania. Liczby są równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania.
   3. Uruchom warunek podwójnego zadania.
      1. Poproś uczestnika, aby stanął w odległości 1,5 m od ściany.
      2. Umieść kosz z piłkami tenisowymi obok uczestnika.
      3. Rozpocznij nagrywanie wideo za pomocą kamery na statywie.
      4. Poinstruuj uczestnika, aby przez 30 sekund wykonywał rzut ścianą naprzemiennymi rękami. Poinformuj uczestnika, że podczas rzucania i łapania piłek zostanie poproszony o sekwencyjne odejmowanie od danej liczby (100 lub 150) przez 30 sekund. Powiedz uczestnikowi, że jeśli nie uda mu się złapać piłki, ma zdobyć nową piłkę z kosza z piłkami tenisowymi. Zmierz czas, który upłynął za pomocą stopera.
      5. Zatrzymaj nagrywanie wideo.
         UWAGA: Litery są równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania. Liczby są równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania.

2. Podwójny ekran zadaniowy kompatybilny z neuroobrazowaniem (DTS)

1. Konfiguracja DTS
   1. Umieść klocki do jogi w pozycji pionowej, aby zaznaczyć początek i koniec 15-metrowego chodnika.
   2. Umieść dwa klocki do jogi w pozycji poziomej dokładnie w odległości 5 m od siebie wzdłuż 15-metrowego chodnika.
   3. Zmierz i zaznacz taśmą maskującą odległość 1,5 m od gładkiej powierzchni ściany.
   4. Ustaw statyw na początku 15-metrowego chodnika.
2. Umieść urządzenie fNIRS na głowie uczestnika.
   1. Zmierz obwód głowy uczestnika i wybierz odpowiednio dobraną nasadkę fNIRS (Tabela Materiałów) z wcześniej umieszczonymi optodami i detektorami krótkokanałowymi.
   2. Włącz dedykowany laptop do akwizycji i połącz się z siecią Wi-Fi urządzenia fNIRS.
   3. Otwórz oprogramowanie do akwizycji fNIRS i wybierz urządzenie fNIRS.
   4. Wykonaj kalibrację, aby zoptymalizować natężenie światła i sprawdzić poziomy sygnału optycznego. Poziomy sygnału powinny być akceptowalne lub doskonałe.
   5. Napraw wszystkie optody z poziomem sygnału niższym niż akceptowalny, usuwając optodę z nasadki i rozdzielając włosy uczestnika, aby zapewnić bezpośrednie połączenie optody ze skórą głowy uczestnika.
3. Umieść akcelerometry na kostkach uczestnika.
   1. Mocno przymocuj inteligentne urządzenia do każdej kostki, aby wykrywać uderzenia piętą i uzyskiwać charakterystykę chodu.
4. Rozpocznij akwizycję danych podzadania LE.
   1. Otwórz oprogramowanie do prezentacji bodźców (Spis materiałów).
   2. Wybierz plik podzadania LE.
   3. Poproś uczestnika, aby usiadł na krześle w ramach przygotowań do 60-sekundowego okresu spokojnego odpoczynku.
   4. Wróć do oprogramowania do akwizycji fNIRS i kliknij przycisk Start, aby rozpocząć zbieranie danych fNIRS. Wprowadź ID_LE tematu, wiek i płeć w wyskakującym okienku, a następnie kliknij przycisk Start.
   5. Wróć do oprogramowania do prezentacji bodźców, poinformuj uczestnika, że rozpocznie się cichy odpoczynek i naciśnij Spację, aby rozpocząć 60-sekundowy okres odpoczynku.
   6. Pod koniec okresu odpoczynku określ, który warunek podzadania LE (pojedynczy motoryczny, pojedynczy poznawczy lub podwójny test) został wybrany do 1. próby. Przekaż uczestnikowi instrukcje dotyczące tego badania.
      1. Instrukcje dotyczące pojedynczego motoryki: Poinstruuj uczestnika, aby szedł tak szybko, jak to możliwe, przechodząc przez przeszkody, przez 30 sekund. Powiedz uczestnikowi, że zacznie startować, gdy główny badacz powie "Start". Nastąpi to natychmiast po tym, jak drugi badacz stuknie w akcelerometry. Poinstruuj uczestnika, że powinien przestać chodzić, gdy główny badacz powie "przestań". Dodatkowo, gdy główny badacz powie "stop", uczestnik powinien złożyć stopy razem i pozostać tak nieruchomo, jak to możliwe. W tym czasie drugi badacz stuka w akcelerometry po raz drugi i umieszcza marker (karteczkę samoprzylepną) na podłodze, na której zatrzymał się uczestnik.
      2. Pojedyncze instrukcje poznawcze: Poinstruuj uczestnika, aby pozostał na początku 15-metrowego chodnika. Stojąc, zostanie poproszony o podanie jak największej liczby słów zaczynających się na daną literę.
      3. Podwójne instrukcje dotyczące zadań: Poinstruuj uczestnika, aby szedł tak szybko, jak to możliwe, pokonując przeszkody i jednocześnie wypowiadając jak najwięcej słów zaczynających się na określoną literę. Poinformuj go, że on również będzie miał 30 sekund na ten warunek. Powiedz uczestnikowi, że zacznie w momencie, gdy główny badacz powie "start". Nastąpi to natychmiast po tym, jak drugi badacz stuknie w akcelerometry. Poinstruuj uczestnika, że powinien przestać chodzić, gdy główny badacz powie "przestań". Dodatkowo, gdy główny badacz powie "stop", uczestnik powinien złożyć stopy razem i pozostać tak nieruchomo, jak to możliwe. W tym czasie drugi badacz stuka w akcelerometry po raz drugi i umieszcza marker (karteczkę samoprzylepną) na podłodze, na której zatrzymał się uczestnik.
   7. Rozpocznij nagrywanie wideo za pomocą kamery na statywie.
   8. Naciśnij spację, aby rozpocząć 1. próbę. Monitoruj 30-sekundowy timer w oprogramowaniu do prezentacji bodźców; Powiedz uczestnikowi, aby przestał po upływie 30 sekund.
   9. Zidentyfikuj 2. badanie i przekaż uczestnikowi instrukcje. Powtarzaj ten proces, aż uczestnik ukończy 15 randomizowanych prób podzadania LE.
   10. Zatrzymaj nagrywanie wideo.
   11. Poinformuj uczestnika, że odbędzie kolejny 60-sekundowy okres odpoczynku w pozycji siedzącej. Gdy uczestnik usiądzie, naciśnij Start, aby rozpocząć okres odpoczynku.
   12. Po okresie odpoczynku wyjdź z pliku podzadania LE w oprogramowaniu do prezentacji bodźców. Zatrzymaj pobieranie danych w oprogramowaniu do akwizycji danych fNIRS, ale nie zamykaj oprogramowania.
       UWAGA: Litery są losowo przydzielane (przez oprogramowanie do prezentacji bodźców) między próbami i równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania. Litery mają podobny poziom trudności i obejmują: W, D, F, T, S, H, M, A, B i P. Liczby są losowo przydzielane (przez oprogramowanie do prezentacji bodźców) między próbami i równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania. Uwzględniono numery: 185, 225, 220, 175, 205, 165, 170, 180, 245 i 240.
5. Usuń akcelerometry z kostek uczestnika. Przejdź do sekcji na korytarzu przeznaczonej dla Podzadania UE.
6. Rozpocznij pobieranie danych podzadania UE.
   1. Otwórz oprogramowanie do prezentacji bodźców.
   2. Wybierz plik podzadania UE.
   3. Poproś uczestnika, aby usiadł na krześle w ramach przygotowań do 60-sekundowego okresu spokojnego odpoczynku.
   4. Wróć do oprogramowania do akwizycji fNIRS i kliknij przycisk Start, aby rozpocząć zbieranie danych fNIRS. Wprowadź ID_UE tematu, wiek i płeć w wyskakującym okienku i kliknij start.
   5. Wróć do oprogramowania do prezentacji bodźców, poinformuj uczestnika, że za chwilę rozpocznie się okres spokojnego odpoczynku i naciśnij Spację, aby rozpocząć okres odpoczynku 60 sekund.
   6. Pod koniec okresu odpoczynku określ, który warunek podzadania UE (pojedynczy motoryczny, pojedynczy poznawczy lub podwójny cel) został wybrany do 1. próby. Przekaż uczestnikowi instrukcje dotyczące tego badania.
      1. Instrukcje dotyczące pojedynczego silnika: Poinstruuj uczestnika, aby stanął w odległości 1,5 m od ściany. Umieść kosz z piłkami tenisowymi obok uczestnika. Poinstruuj uczestnika, aby wykonał rzut przez ścianę naprzemiennie rękami przez 30 sekund. Powiedz uczestnikowi, że jeśli nie uda mu się złapać piłki, ma zdobyć nową piłkę z kosza z piłkami tenisowymi.
      2. Pojedyncze instrukcje poznawcze: Poinstruuj uczestnika, aby pozostał w pozycji stojącej Powiedz uczestnikowi, że zostanie poproszony o sekwencyjne odejmowanie o 7 od danej liczby przez 30 sekund.
      3. Instrukcje dotyczące podwójnego zadania: Poinstruuj uczestnika, aby wykonał rzut ścianą naprzemiennie rękami przez 30 sekund. Poinformuj uczestnika, że podczas rzucania i łapania piłek zostanie poproszony o sekwencyjne odejmowanie przez 7 od danej liczby² przez 30 sekund. Powiedz uczestnikowi, że jeśli nie uda mu się złapać piłki, aby zdobyć nową piłkę z kosza piłek tenisowych.
   7. Rozpocznij nagrywanie wideo za pomocą kamery na statywie.
   8. Naciśnij spację, aby rozpocząć 1. próbę. Monitoruj 30-sekundowy timer w oprogramowaniu do prezentacji bodźców; Powiedz uczestnikowi, aby przestał po upływie 30 sekund.
   9. Zidentyfikuj 2. badanie i przekaż uczestnikowi instrukcje. Powtarzaj proces, aż uczestnik ukończy 15 randomizowanych badań podzadania UE.
   10. Zatrzymaj nagrywanie wideo.
   11. Poinformuj uczestnika, że odbędzie kolejny 60-sekundowy okres odpoczynku w pozycji siedzącej. Gdy uczestnik usiądzie, naciśnij Start, aby rozpocząć okres odpoczynku.
   12. Po okresie odpoczynku wyjdź z pliku UE Subtask w oprogramowaniu do prezentacji bodźców. Zatrzymaj akwizycję danych w oprogramowaniu do akwizycji danych fNIRS, a następnie zamknij oprogramowanie.
7. Zdejmij nasadkę fNIRS z głowy uczestnika.
   UWAGA: Litery są losowo przydzielane (przez oprogramowanie do prezentacji bodźców) między próbami i równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania. Litery mają podobny poziom trudności i obejmują: W, D, F, T, S, H, M, A, B i P. Liczby są losowo przydzielane (przez oprogramowanie do prezentacji bodźców) między próbami i równoważone między uczestnikami oraz między warunkami pojedynczego i podwójnego zadania. Uwzględniono numery: 185, 225, 220, 175, 205, 165, 170, 180, 245 i 240.

Uczestnicy
Uczestnicy rekrutowali się spośród lokalnych drużyn szkół średnich oraz uniwersyteckich, międzyuczelnianych i klubowych drużyn sportowych za pomocą poczty pantoflowej i ulotek reklamowych. Uczestnicy musieli być w wieku od 15 do 22 lat i regularnie uprawiać zorganizowane sporty kontaktowe. Sporty kontaktowe obejmowały wszystkie sporty, w których podczas rutynowej gry konieczny jest kontakt fizyczny z kolegami z drużyny lub przeciwnikami. Uczestnicy musieli również mieć normalny lub skorygowany wzrok i słuch, brak historii schorzeń neurologicznych lub psychiatrycznych oraz brak historii umiarkowanego lub ciężkiego urazowego uszkodzenia mózgu, zgodnie z samoopisem.

Dołączyliśmy dane od trzech zdrowych mężczyzn uprawiających sporty kontaktowe (średni wiek: 18,0 ± 2,65 roku), aby zilustrować rodzaj danych klinicznych, które można uzyskać ze zmienionego DTS. Dane od zdrowych, zawodniczek uprawiających sporty kontaktowe zostaną uwzględnione w innej publikacji, która nie jest ściśle skoncentrowana na metodach.

Analiza danych dla poprawionego DTS
Ze względu na niewielką liczbę uczestników uwzględnionych w reprezentatywnych wynikach, formalne analizy statystyczne nie zostały zakończone. Jednak dla każdego uczestnika wydajność w warunkach podwójnego zadania porównano z wydajnością w warunkach pojedynczej motoryki i pojedynczych warunków poznawczych; Poniżej znajduje się opis wskaźników wydajności dla obu podzadań.

Wskaźniki wydajności w podzadaniu LE
Wydajność pojedynczej motoryki określono ilościowo na podstawie prędkości chodu (m/s), całkowitej liczby kroków, średniej długości kroku (m), średniego czasu trwania kroku (s) i zmienności czasu trwania kroku (SD). Dane te zostały pozyskane za pomocą wbudowanych akcelerometrów w inteligentnych urządzeniach, które umieściliśmy na kostkach uczestników. Wydajność pojedynczego stanu poznawczego mierzono całkowitą liczbą słów wytworzonych bez powtórzeń, reprezentowanych jako słowo/s, aby uwzględnić zróżnicowaną ilość czasu przeznaczonego na to badanie. Dwóch przeszkolonych asystentów badawczych obejrzało taśmę wideo z pojedynczym stanem poznawczym i musieli osiągnąć konsensus co do całkowitej liczby wytworzonych słów. Wreszcie, wydajność w warunkach podwójnego zadania mierzono za pomocą prędkości chodu (m/s), całkowitej liczby kroków, średniej długości kroku (m), średniego czasu trwania kroku (s) i średniej zmienności czasu trwania kroku (SD) oraz całkowitej liczby słów wytworzonych bez powtórzeń, reprezentowanych jako słowa na sekundę. Dwóch przeszkolonych asystentów badawczych obejrzało również taśmę wideo z warunkiem podwójnego zadania i musieli osiągnąć konsensus co do całkowitej liczby wytworzonych słów.

Koszty podwójnego zadania w podzadaniu LE
Dla każdego uczestnika koszt motoryczny dwuzadaniowości byłby reprezentowany przez następujące zmiany w charakterystyce chodu w warunkach podwójnego zadania w porównaniu ze stanem pojedynczego wysiłku: wolniejsza prędkość chodu, większa całkowita liczba kroków, mniejsza średnia długość kroku, dłuższy średni czas trwania kroku i większa zmienność czasu trwania kroku. Zaobserwowaliśmy, że wszyscy trzej uczestnicy płci męskiej mieli podwójny koszt motoryczny w podzadaniu LE. W szczególności zaobserwowaliśmy wolniejszą prędkość chodu, dłuższy średni czas trwania kroku i większą zmienność czasu trwania kroku podczas zadań podwójnych w porównaniu z zadaniami w jednym stanie; patrz Rysunek 1A. W przeciwieństwie do tego, dwóch z trzech uczestników nie wykazało zmian w liczbie całkowitych kroków lub średniej długości kroku między warunkami pojedynczego silnika i podwójnego zadania; patrz Rysunek 1A.

Dla każdego uczestnika, koszt poznawczy podwójnego zadania byłby reprezentowany przez mniejszą liczbę słów wygenerowanych w warunku podwójnego zadania w porównaniu do liczby słów wygenerowanych w warunku pojedynczego zadania poznawczego. Zaobserwowaliśmy dwuzadaniowe koszty poznawcze u dwóch z trzech uczestników. W szczególności uczestnicy ci wygenerowali mniej słów podczas warunku podwójnego zadania w porównaniu z warunkiem pojedynczego zadania; patrz Rysunek 1B.

Wskaźniki wydajności w podzadaniu UE
Wydajność pojedynczego silnika mierzono łączną liczbą udanych połowów. Dwóch przeszkolonych asystentów badawczych obejrzało taśmę wideo przedstawiającą stan pojedynczego silnika i musieli osiągnąć konsensus co do całkowitej liczby udanych połowów. Wydajność pojedynczego warunku poznawczego mierzono całkowitą liczbą prawidłowych odejmowań. Dwóch przeszkolonych asystentów badawczych obejrzało taśmę wideo z pojedynczym warunkiem poznawczym i musieli osiągnąć konsensus co do całkowitej liczby prawidłowych odejmowań. Błędy odejmowania nie kumulowały się (np. "100, 92, 85..." byłyby rejestrowane jako jeden błąd i jedno poprawne odejmowanie). Wreszcie, wydajność w warunkach podwójnego zadania mierzono całkowitą liczbą udanych połowów i całkowitą liczbą prawidłowych odejmowań. Ponownie dwóch przeszkolonych asystentów badawczych obejrzało taśmę wideo z pojedynczym warunkiem poznawczym i musieli osiągnąć konsensus co do całkowitej liczby udanych połowów i prawidłowych odejmowań.

Koszt podwójnego zadania w podzadaniu UE
W przypadku każdego uczestnika koszt silnika dwuzadaniowego byłby reprezentowany przez mniejszą liczbę udanych połowów w warunkach podwójnego zadania w porównaniu z liczbą udanych połowów wykonanych w warunkach pojedynczego silnika. Okazało się, że wszyscy trzej uczestnicy płci męskiej mieli podwójny koszt motoryczny. W szczególności miały mniej udanych połowów w warunkach podwójnego zadania w porównaniu z warunkami pojedynczego silnika; patrz Rysunek 2A.

Koszt poznawczy podwójnego zadania byłby reprezentowany przez mniejszą liczbę poprawnych odejmowań, warunek podwójnego zadania w porównaniu do liczby poprawnych odejmowań wykonanych podczas warunku pojedynczego zadania. Zaobserwowaliśmy dwuzadaniowe koszty poznawcze u dwóch z trzech uczestników. W szczególności mieli mniej poprawnych odejmowań podczas warunku podwójnego zadania w porównaniu z warunkiem pojedynczego zadania; patrz Rysunek 2B.

Analiza danych dla DTS
kompatybilnych z neuroobrazowaniem. Specyfikacja urządzenia fNIRS
Wykorzystaliśmy mobilny system funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) (Table of Materials). System składa się łącznie z 32 optod, 16 źródeł LED i 16 detektorów oraz bezprzewodowe urządzenie akwizycyjne, które uczestnicy noszą na plecach. To urządzenie jest wyjątkowo przystosowane do dużych ruchów motorycznych i ma (według naszej wiedzy) największe pokrycie głowy w systemie mobilnym. Za pomocą fNIRS oceniliśmy aktywność mózgu poprzez odpowiedź hemodynamiczną przy użyciu wskaźników hemoglobiny natlenionej (HbO) podczas DTS zgodnego z neuroobrazowaniem.

fNIRS Head Probe
Sonda głowicowa zawierała 30 optodów (15 źródeł LED i 15 detektorów), które zostały umieszczone na głowie uczestnika za pomocą nasadki fNIRS z wbudowanymi uchwytami optodowymi. Zmierzyliśmy HbO, umieszczając źródła i detektory LED w lewej i prawej korze ruchowej oraz w dwóch podstawowych regionach prawostronnej sieci czołowo-ciemieniowej 16, prawego PFC i PPC, które zidentyfikowaliśmy za pomocą systemu 10-2017; zobacz Rysunek 3. Źródła LED świecą światłem bliskiej podczerwieni na powierzchowne obszary kory mózgowej, a detektory wychwytują załamane światło, co pozwala nam obliczyć wartości HbO na każdym kanale lub przecięciu źródła i detektora. Dodatkowo dołączamy osiem detektorów krótkiej separacji, które mierzą perfuzję skóry głowy, uciążliwą zmienną, która zostanie regresywna z surowych danych fNIRS18,19.

Projekt bloku dla akwizycji fNIRS
Zarówno podzadania LE, jak i UE zostały przekształcone w projekt blokowy. Oba podzadania rozpoczynały się i kończyły 60-sekundowym okresem odpoczynku w pozycji siedzącej w celu uzyskania podstawowej aktywności hemodynamicznej. Po odpoczynku nastąpiło 15 losowych bloków (5 pojedynczych bloków warunków motorycznych, 5 pojedynczych bloków warunków poznawczych i 5 bloków warunków podwójnych zadań), które trwały 30 sekund, co dawało łącznie 7,5 minuty zbierania danych dla każdego podzadania. Pomiędzy każdym z 15 bloków warunków występował zmienny interwał spoczynku wynoszący około 6-8 s, aby umożliwić uczestnikom powrót odpowiedzi hemodynamicznej do wartości wyjściowej; zobacz Rysunek 4.

Redukcja danych FNIRS i analiza pierwszego poziomu (jednoprzedmiotowa): Surowe dane fNIRS są przesyłane do zastrzeżonego języka programowania i numerycznego środowiska obliczeniowego (Tabela materiałów). Kanały utworzone za pomocą detektorów krótkiej separacji są oznaczone do późniejszej regresji. Domyślne wartości bodźców, które zostały wygenerowane przez oprogramowanie do prezentacji bodźców, są zmieniane w celu identyfikacji bloków DTS (np. pojedynczy silnik, pojedynczy poznawczy, podwójny silnik). Następnie parametry czasu trwania bodźca ustawiane są na 30 sekund dla wszystkich bloków DTS i 60 s dla okresów odpoczynku. Podstawowe przetwarzanie jest następnie wykonywane przy użyciu kroków z niezastrzeżonego zestawu narzędzi, który jest kompatybilny ze środowiskiem obliczeń numerycznych. Kroki te obejmują obliczanie gęstości optycznej, a następnie ponowne obliczanie wartości gęstości optycznej na podstawie danych z krótkich kanałów separacji20. Następnie gęstość optyczna jest przeliczana na wartości hemoglobiny (hemoglobina odtleniona, hemoglobina utleniona i hemoglobina całkowita) przy użyciu zmodyfikowanej klasy Beer Lambert Law21. Po konwersji uruchamiany jest algorytm modelu autoregresyjnego, który obejmuje regresję danych kanału krótkiej separacji. Parametry algorytmu autoregresyjnego są ustawione tak, aby były zgodne z modelem kanonicznym22. Wreszcie, poszczególne dane mogą być wizualizowane za pomocą kontrastów warunków (np. Dual vs Single); zobacz Rysunek 5.

Rysunek 1: Wydajność podzadania LE w warunkach pojedynczego i podwójnego zadania. (A) Wszyscy trzej uczestnicy mieli wolniejszą prędkość chodu, dłuższy średni czas trwania kroku i większą zmienność czasu trwania kroku w warunkach podwójnego zadania w porównaniu z warunkiem pojedynczego zadania, co stanowi koszt silnika dwuzadaniowego w podzadaniu UE. Dwóch z trzech uczestników nie wykazało zmian w liczbie całkowitych kroków lub średniej długości kroku między warunkami podwójnego i pojedynczego zadania. (B) Dwóch z trzech uczestników wygenerowało mniej słów podczas warunku podwójnego zadania w porównaniu z warunkiem pojedynczego zadania, który reprezentuje koszt poznawczy podwójnego zadania w podzadaniu LE. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Wydajność podzadania UE w warunkach pojedynczego i podwójnego zadania. (A) Wszyscy trzej uczestnicy mieli mniej udanych połowów w warunkach podwójnego zadania w porównaniu z warunkiem pojedynczego zadania, który reprezentuje koszt motoryczny podwójnego zadania w podzadaniu UE. (B) Dwóch z trzech uczestników miało mniej prawidłowych odejmowań podczas warunku podwójnego zadania w porównaniu z warunkiem pojedynczego zadania, który reprezentuje koszt poznawczy podwójnego zadania w podzadaniu UE. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Sonda głowicy FNIRS. Sonda głowicowa fNIRS zawierała 15 źródeł LED (czerwone kółka) i 15 detektorów (białe kółka), które umieszczono w lewej i prawej korze ruchowej oraz prawej korze przedczołowej (PFC) i prawej tylnej korze ciemieniowej (PPC). Pozwoliło nam to obliczyć wartości hemoglobiny utlenionej (HbO) w każdym kanale lub przecięciu źródła i detektora. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Projekt blokowy dla akwizycji fNIRS. W przypadku wersji DTS kompatybilnej z neuroobrazowaniem, podzadania LE i UE zostały przekształcone w projekt blokowy. Oba podzadania rozpoczynały się i kończyły 60-sekundowym okresem odpoczynku w pozycji siedzącej w celu uzyskania podstawowej aktywności hemodynamicznej. Po odpoczynku nastąpiło 15 losowych bloków (5 pojedynczych bloków warunków motorycznych, 5 pojedynczych bloków warunków poznawczych i 5 bloków warunków podwójnych zadań), które trwały 30 sekund. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Dane fNIRS dla jednego obiektu. Jest to przedstawienie danych fNIRS dla pojedynczego obiektu przy użyciu kontrastów warunków. Na tym obrazie kontrastuje natlenioną hemoglobinę (HbO) podczas zadania dwuzadaniowego i zadania z pojedynczym silnikiem z podzadania LE. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.