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Research Article
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Desenvolvemos o DTS (Dual Task Screen, tela de tarefa dupla) original como uma medida portátil e de baixo custo que pode avaliar atletas com lesão cerebral traumática leve induzida por esportes. Revisamos o DTS original para uso clínico futuro e desenvolvemos uma versão compatível com neuroimagem do DTS para medir fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla.
Dois paradigmas de tarefas avaliam simultaneamente habilidades motoras e cognitivas, e podem detectar prejuízos sutis e residuais em atletas com lesão cerebral traumática recente (mTBI). No entanto, os paradigmas de duas tarefas anteriores se concentraram apenas em habilidades de extremidade inferior e se basearam em equipamentos de laboratório pesados e caros - limitando assim sua praticidade para a avaliação cotidiana do MTBI. Posteriormente, desenvolvemos o Dual Task Screen (DTS), que leva <10 minutos para administrar e pontuar, usa equipamentos portáteis de baixo custo e inclui subtarefas de extremidade inferior (LE) e extremidade superior (UE). O propósito deste manuscrito era duplo. Primeiro, descrevemos o protocolo de administração para o DTS revisado, que revisamos para abordar as limitações do DTS original. Especificamente, as revisões incluíram adições de dispositivos inteligentes para adquirir dados de marcha mais detalhados e inclusão de condições cognitivas únicas para testar o desempenho cognitivo interrompido em duas condições de tarefa. É importante ressaltar que o DTS revisado é uma medida destinada ao uso clínico futuro, e apresentamos resultados representativos de três atletas do sexo masculino para ilustrar o tipo de dados clínicos que podem ser adquiridos a partir da medida. É importante ressaltar que ainda temos que avaliar a sensibilidade e especificidade do DTS revisado em atletas com mTBI, que é a próxima iniciativa de pesquisa. O segundo propósito deste manuscrito é descrever uma versão compatível com neuroimagem do DTS. Desenvolvemos esta versão para que pudéssemos avaliar os fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla, para uma melhor compreensão empírica dos déficits comportamentais associados ao mTBI. Assim, este manuscrito também descreve as etapas que tomamos para permitir a medição simultânea de espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) durante o DTS, juntamente com a forma como adquirimos e concluímos o processamento de primeiro nível dos dados fNIRS.
Todos os anos, 42 milhões de pessoas em todo o mundo sofrem lesões cerebrais traumáticas leves (mTBIs)1. Embora antes consideradas benignas, novas pesquisas indicam que os mTBIs, particularmente mTBIs repetidos, podem provocar consequências negativas duradouras, como distúrbios físicos, cognitivos e do sono2,3,4. Posteriormente, pesquisadores e médicos estão buscando avaliações aprimoradas e métodos de tratamento para entender e abordar o MTBI.
Até o momento, as melhores práticas para avaliação do MTBI incluem sintomas autorreferidas e medição objetiva da função neurocognitiva emotora 5. No entanto, alguns indivíduos, como atletas de nível colegiado competitivo, são conhecidos por subnotificar sintomas relacionados ao MTBI6, limitando a utilidade dos relatos de sintomas. As medidas objetivas de função neurocognitiva e motora também têm limitações, incluindo má confiabilidade do teste-reteste, dependência de testes de linha de base ou dificuldade insuficiente para atletas de alto desempenho7,8,9. No entanto, os paradigmas de dupla tarefa - que avaliam simultaneamente as habilidades motoras e cognitivas - podem detectar prejuízos sutis e residuais e podem ser particularmente úteis para avaliar atletas de alto desempenho10,11,12,13,14.
Pesquisas passadas usando paradigmas de dupla tarefa muitas vezes incorporaram equipamentos de laboratório pesados e caros, como sistemas de captura de movimento14,para avaliar atletas de alto desempenho. Embora esses sistemas possam medir com precisão os prejuízos motores sutis, eles são impraticáveis para uso na avaliação diária do MTBI devido ao alto custo do equipamento, portabilidade limitada e longos tempos de administração (ou seja, ≥ 45 minutos por indivíduo). Além disso, muitos estudos de paradigma de duas tarefas passados se concentraram apenas em habilidades de extremidade inferior ou inferior, como equilíbrio ou marcha11,12,13,14. Indiscutivelmente, a função extremidade superior e a coordenação mão-olho também é importante para atletas de alto desempenho em muitos esportes. Assim, desenvolvemos o Dual Task Screen (DTS), que é uma breve medida projetada para ser administrada e pontuada em <10 minutos com instrumentos portáteis e de baixo custo. este dts original incluiu um subtarefa extremidade inferior (le) superior (ue), que avaliava a velocidade da marcha (usando cronômetro) coordenação mão-olho em condições tarefa única dupla15.
No primeiro estudo de viabilidade, 32 participantes adolescentes saudáveis e do sexo feminino completaram o DTS original. Este estudo foi concebido para estabelecer que o DTS poderia obter custos de motor de tarefa dupla, como indicado pelo desempenho do motor reduzido durante a dupla tarefa versus condições motoras únicas. Também procuramos estabelecer que o DTS poderia ser administrado e pontuado em menos de 10 minutos. Descobrimos que todos os participantes tinham um desempenho motor de duas tarefas mais pobre em pelo menos um subtarefa. Além disso, conseguimos administrar o DTS em uma média de 5,63 minutos e marcar o teste em 2-3 minutos15.
Embora o primeiro estudo de viabilidade tenha sido bem sucedido, algumas limitações foram reveladas. Mais notavelmente, a velocidade da marcha foi medida com cronômetros, que são propensos a erros humanos naturais. Portanto, no DTS revisado utilizamos dispositivos inteligentes com acelerômetros embutidos(Tabela de Materiais) em cada tornozelo. Esta adição manteve o uso de instrumentos portáteis e de baixo custo, ao mesmo tempo em que forneceu medidas sofisticadas de velocidade de marcha, número total de etapas, comprimento médio da etapa, duração média da etapa e variabilidade da duração da etapa. Outra limitação do DTS original foi a ausência de condições cognitivas únicas, o que impediu a avaliação dos custos cognitivos de dupla tarefa. Os custos cognitivos de tarefa dupla são definidos como desempenho cognitivo mais baixo durante a dupla tarefa versus condição cognitiva única. Posteriormente, tanto para as subtarefas le quanto para UE, adicionamos uma única condição cognitiva (descrita no Protocolo).
Além de desenvolver uma medida para o uso clínico futuro, um dos objetivos de longo prazo da equipe é avaliar os fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla em atletas saudáveis e contrastar esses achados com atletas com mTBI induzido por esportes. Assim, criamos uma versão compatível com neuroimagem do DTS. Procuramos determinar se o DTS pode ser modificado com sucesso para uso com a medição simultânea de espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS), e estamos usando um dispositivo fNIRS móvel projetado especificamente para acomodar o movimento do motor bruto, reduzindo a influência de artefatos de movimento. Além disso, este dispositivo possui a maior quantidade de cobertura de cabeça, ao nosso conhecimento, para dispositivos móveis que estão atualmente disponíveis para fins de pesquisa(Tabela de Materiais).
Em resumo, o protocolo de estudo foi projetado para fazer o seguinte:
Todos os procedimentos de estudo foram aprovados pelo Conselho de Revisão Institucional (IRB) da Universidade estadual do Colorado, e todos os participantes adultos forneceram consentimento por escrito informado antes de completar qualquer procedimento de estudo. O consentimento informado por escrito foi fornecido pelos pais dos participantes menores de 18 anos, e os participantes menores também forneceram parecer favorável escrito antes de concluir qualquer procedimento de estudo.
1. Tela de tarefa dupla revisada (DTS)
2. Tela de tarefa dupla compatível com neuroimagem (DTS)
Participantes
Os participantes foram recrutados de equipes locais de ensino médio e intercolegiato universitário e equipes esportivas de clubes usando panfletos de boca-a-boca e publicidade. Os participantes eram obrigados a ter entre 15 e 22 anos e participar regularmente de esportes de contato organizados. Os esportes de contato incluíam todos os esportes onde o contato físico com companheiros de equipe ou adversários é necessário durante o jogo de rotina. Os participantes também tiveram que ter visão e audição normais ou corrigidas, sem histórico de condições neurológicas ou psiquiátricas, e sem histórico de lesão cerebral traumática moderada ou grave, por auto-relato.
Foram incluídos dados de três atletas de esporte de contato masculino saudáveis (Idade Média: 18,0 ± 2,65 anos.) para ilustrar o tipo de dados clínicos que podem ser adquiridos a partir do DTS revisado. Dados de atletas saudáveis e femininas de esportes de contato serão incluídos em outra publicação que não é estritamente focada em Métodos.
Análise de dados para DTS revisados
Dado o pequeno número de participantes incluídos nos resultados representativos, as análises estatísticas formais não foram concluídas. No entanto, para cada participante, o desempenho na condição de dupla tarefa foi comparado ao desempenho nas condições cognitivas motoras e únicas; veja abaixo a descrição das métricas de desempenho em ambas as subtarefas.
Métricas de desempenho no Subtask LE
O desempenho da condição única do motor foi quantificado pela velocidade da marcha (m/s), número total de etapas, comprimento médio da etapa (m), duração média da etapa (s) e variabilidade da duração da etapa (SD). Esses dados foram adquiridos com os acelerômetros embutidos nos dispositivos inteligentes que afixamos nos tornozelos dos participantes. O desempenho da condição cognitiva única foi medido pelo número total de palavras produzidas sem repetições, representadas como palavras/s para explicar a variada quantidade de tempo atribuída para este estudo. Dois assistentes de pesquisa treinados assistiram a uma fita de vídeo da única condição cognitiva e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de palavras produzidas. Finalmente, o desempenho em duas condições de tarefa foi medido pela velocidade da marcha (m/s), número total de etapas, comprimento médio da etapa (m), duração média da etapa (s) e variabilidade média da duração da etapa (SD) e o número total de palavras produzidas sem repetições, representadas como palavras/segundo. Dois assistentes de pesquisa treinados também assistiram a uma fita de vídeo da condição de tarefa dupla e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de palavras produzidas.
Custos de tarefa dupla no subtarefa LE
Para cada participante, um custo de motor de tarefa dupla seria representado pelas seguintes mudanças nas características da marcha durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição do motor único: velocidade de marcha mais lenta, um maior número de etapas totais, um comprimento médio menor de passo, uma duração média de passo mais longa e maior variabilidade de duração do passo. Observamos que todos os três participantes do sexo masculino tinham um custo de motor de tarefa dupla no LE Subtask. Especificamente, vimos velocidade de marcha mais lenta, maior duração média da etapa e maior variabilidade na duração da etapa durante o duplo, em comparação com tarefas de condição única; ver Figura 1A. Em contrapartida, dois dos três participantes não apresentaram alterações no número de etapas totais ou no comprimento médio da etapa entre as condições de tarefa única e dupla; ver Figura 1A.
Para cada participante, um custo cognitivo de dupla tarefa seria representado por menos palavras geradas na condição de tarefa dupla em comparação com o número de palavras geradas na condição de tarefa cognitiva única. Observamos dois custos cognitivos de tarefa em dois dos três participantes. Especificamente, esses participantes geraram menos palavras durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única; ver Figura 1B.
Métricas de desempenho no Subtarefas da UE
O desempenho em condições motoras únicas foi medido pelo número total de capturas bem sucedidas. Dois assistentes de pesquisa treinados assistiram a uma fita de vídeo da condição motora única e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de capturas bem sucedidas. O desempenho da condição cognitiva única foi medido pelo número total de subtrações corretas. Dois assistentes de pesquisa treinados assistiram a uma fita de vídeo da única condição cognitiva e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de subtrações corretas. Os erros de subtração não foram cumulativos (ou seja, "100, 92, 85..." seriam registrados como um erro e uma subtração correta). Finalmente, o desempenho em duas condições de tarefa foi medido pelo número total de capturas bem sucedidas e número total de subtrações corretas. Mais uma vez, dois assistentes de pesquisa treinados assistiram a uma fita de vídeo da única condição cognitiva e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de capturas bem sucedidas e subtrações corretas.
Custo de tarefa dupla no subtardo da UE
Para cada participante, um custo de motor de tarefa dupla seria representado por menos capturas bem sucedidas durante a condição de tarefa dupla em comparação com o número de capturas bem sucedidas feitas durante a condição motora única. Descobrimos que todos os três participantes do sexo masculino tinham um custo de motor de tarefa dupla. Especificamente, eles tiveram menos capturas bem sucedidas durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição motora única; ver Figura 2A.
Um custo cognitivo de tarefa dupla seria representado por menos subtrações corretas a condição de tarefa dupla em comparação com o número de subtrações corretas feitas durante a condição de tarefa única. Observamos dois custos cognitivos de tarefa em dois dos três participantes. Especificamente, eles apresentaram menos subtrações corretas durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única; ver Figura 2B.
Análise de dados para DTS compatíveis com neuroimagem
Especificações do dispositivo fNIRS
Utilizamos um sistema de espectroscopia funcional móvel (fNIRS)(Tabela de Materiais). O sistema possui 32 optodes totais, 16 fontes LED e 16 detectores, e um dispositivo de aquisição sem fio que os participantes usam nas costas. Este dispositivo é exclusivamente equipado para acomodar o movimento bruto do motor, e tem (pelo nosso conhecimento) a maior quantidade de cobertura de cabeça para um sistema móvel. Utilizando fNIRS avaliamos a atividade cerebral através da resposta hemodinâmica usando índices de hemoglobina oxigenada (HbO) durante o DTS compatível com neuroimagem.
FNIRS Head Probe
A sonda principal incluiu 30 optodes (15 fontes led e 15 detectores) que foram colocados na cabeça do participante usando uma tampa fNIRS com suportes de optode embutidos. Medimos o HbO colocando fontes de LED e detectores no córtex motor esquerdo e direito e duas regiões primárias da rede frontoparietal lateralizada direita16, PFC direita e PPC, que identificamos com o sistema 10-2017; ver Figura 3. As fontes led brilham luz quase infravermelha em regiões corticais superficiais, e os detectores capturam a luz refratada, permitindo calcular os valores de HbO em cada canal, ou intersecção de fonte e detector. Além disso, incluímos oito detectores de separação curtos, que medem a perfusão do couro cabeludo, variável incômoda que será regredida dos dados brutos fNIRS18,19.
Projeto de bloco para aquisição de fNIRS
Tanto as subtarefas LE quanto UE foram convertidas em um projeto de bloco. Ambas as subtarefas começaram e terminaram com um período de descanso sentado de 60 s para adquirir atividade hemodinâmica de linha de base. O descanso foi seguido por 15 blocos randomizados (5 blocos de condição motora única, 5 blocos de condição cognitiva única e 5 blocos de condição de tarefa dupla) que tinham 30 s de duração, totalizando 7,5 minutos de coleta total de dados para cada subtarfato. Entre cada um dos 15 blocos de condição, houve um intervalo de descanso variável de aproximadamente 6-8 s para permitir que a resposta hemodinâmica dos participantes retornasse à linha de base; ver Figura 4.
FNIRS Data Reduction and First-Level (Single-Subject) Análise: Os dados brutos do fNIRS são carregados em uma linguagem de programação proprietária e ambiente de computação numérica(Tabela de Materiais). Os canais criados com detectores de separação curtos são rotulados para regressão posterior. Os valores de estímulo padrão, que foram gerados pelo software de apresentação de estímulo, são renomeados para identificar blocos DTS (por exemplo, motor único, cognitivo único, motor duplo). Em seguida, os parâmetros de duração do estímulo são definidos para 30 segundos para todos os blocos DTS e 60 s para períodos de descanso. O processamento básico é então concluído usando etapas de uma caixa de ferramentas não proprietária compatível com o ambiente de computação numérica. Essas etapas incluem calcular a densidade óptica e, em seguida, recalcular valores de densidade óptica dados dados dos canais de separaçãocurtos 20. Em seguida, a densidade óptica é convertida em valores de hemoglobina (hemoglobina desoxigenada, hemoglobina oxigenada e hemoglobina total) utilizando a Lei21da Cerveja Lambert modificada . Após a conversão, um algoritmo de modelo autoregressivo é executado, o que inclui a regressão de dados de canais de separação curtos. Os parâmetros para o algoritmo autoregressivo são definidos para seguir um modelo Canônico22. Finalmente, os dados individuais podem ser visualizados usando contrastes de condições (por exemplo, Dual vs Single); ver Figura 5.
Figura 1: Desempenho do subtarefa LE durante condições de tarefa única vs. dupla. (A) Todos os três participantes apresentaram velocidade de marcha mais lenta, maior duração média da etapa e maior variabilidade na duração da etapa durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única, o que representa um custo de motor de tarefa dupla na subtarefa da UE. Dois dos três participantes não apresentaram alterações no número de etapas totais ou no comprimento médio da etapa entre as condições de tarefa dupla e única. (B) Dois dos três participantes geraram menos palavras durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única, o que representa um custo cognitivo de dupla tarefa no subtarefas LE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Desempenho do subtarefa DA UE durante condições de tarefa única vs. dupla. (A) Todos os três participantes tiveram menos capturas bem sucedidas durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única, o que representa um custo de motor de tarefa dupla no subtarefas da UE. (B) Dois dos três participantes apresentaram menos subtrações corretas durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única, o que representa um custo cognitivo de dupla tarefa no subtarefas da UE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Sonda de cabeça FNIRS. A sonda de cabeça fNIRS incluiu 15 fontes led (círculos vermelhos) e 15 detectores (círculos brancos) que foram colocados no córtex motor esquerdo e direito e córtex pré-frontal direito (PFC) e córtex parietal posterior direito (PPC). Isso nos permitiu calcular valores de hemoglobina oxigenada (HbO) em cada canal, ou intersecção de fonte e detector. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Projeto de bloco para aquisição de fNIRS. Para a versão compatível com neuroimagem do DTS, as subtarefas LE e UE foram convertidas em um design de bloco. Ambas as subtarefas começaram e terminaram com um período de descanso de 60 segundos sentados para adquirir atividade hemodinâmica de linha de base. O descanso foi seguido por 15 blocos randomizados (5 blocos de condição motora única, 5 blocos de condição cognitiva única e 5 blocos de condição de tarefa dupla) que tinham 30 segundos de duração. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Dados de fNIRS de um único sujeito. Esta é uma representação de dados fNIRS de um único assunto usando contrastes de condição. Esta imagem contrasta a hemoglobina oxigenada (HbO) durante a Tarefa Dupla vs Tarefa Motor Única do subtarefa LE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não têm conflitos de interesse para divulgar.
Desenvolvemos o DTS (Dual Task Screen, tela de tarefa dupla) original como uma medida portátil e de baixo custo que pode avaliar atletas com lesão cerebral traumática leve induzida por esportes. Revisamos o DTS original para uso clínico futuro e desenvolvemos uma versão compatível com neuroimagem do DTS para medir fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla.
Gostaríamos de agradecer à Srta. Isabelle Booth, uma estudante de honra da Universidade estadual do Colorado que ajudou na análise de dados de accelerometria. Gostaríamos também de reconhecer o financiamento do NIH K12 HD055931 e K01 HD096047-02 emitidos ao autor J.S.
| Hardware (em ordem alfabética) | |||
| NIRx NIRSport2 Dispositivo: NSP2-CORE1616 | NIRx | Referência #: GC359 | "O NIRSport 2 é uma plataforma de espectroscopia funcional de infravermelho próximo sem fio (fNIRS) fácil de usar, modular e robusta que mede as respostas hemodinâmicas à neuroativação por meio de alterações de oxi, desoxi e hemoglobina total no córtex cerebral. O NIRSport 2 vem com uma série de atualizações e módulos prontos para implementar para atender às necessidades de uma ampla gama de aplicações de neurociência cognitiva." (Citação direta de nirx.net/nirsport) |
| NIRx NIRSCap (disponível em 5 tamanhos diferentes) | NIRx | N/A | "O NIRScap consiste em uma tampa de medição e suportes de optodo. Os suportes de optode se encaixam nas fendas da tampa de medição." (Citação direta do Guia de Introdução do NIRScap da NIRx) |
| Fontes de Optode NIRx (x 2) | Referência NIRx | #: GC359 | "Bundel de fonte ativa de 8 fontes para iluminação óptica sem fibra com ponta dupla; 240 cm de comprimento." (Citação direta da Descrição da Lista de Embalagem NIRx) |
| Detectores de Optodo NIRx (x 2) | Referência NIRx | #: GC359 | "Pacote de 8 sensores ativos para detecção óptica sem fibra; ponta dupla; 240 cm de comprimento." (Citação direta da descrição da NIRx Packing List) |
| NIRx Short Distance Detector Probes | NIRx | N / A | "As sondas vêm em um pacote de oito clipes detectores que permitem o acoplamento de dados de curta distância de oito locais de fontes independentes a um canal detector comum no instrumento." (Citação direta do Detector de Curta Distância da NIRx Guia de introdução às sondas) |
| Software (em ordem alfabética) | |||
| Aurora | NIRx | N/A | "Software de aquisição NIRSport 2. O Aurora fNIRS se conecta ao seu dispositivo NIRSport 2 via Wi-Fi ou USB e pode definir uma configuração experimental completa em apenas alguns cliques. Graças ao algoritmo automatizado de otimização de sinal, o Aurora fNIRS garante a qualidade ideal do sinal antes que uma medição seja iniciada. Dados brutos, mudanças de concentração de HbO e Hb podem ser visualizados em tempo real em vários modos de exibição. Além disso, visualizações de cabeça inteira de alta qualidade estão imediatamente disponíveis. Os dados gravados podem ser exportados pelo protocolo integrado Lab Streaming Layer (LSL), permitindo o processamento em tempo real nos paradigmas Brain-Computer Interface (BCI) e Neurofeedback." (Citação direta de nirx.net/software) |
| Matlab | Math Works | N/A | "O MATLAB® combina um ambiente de desktop ajustado para análise iterativa e processos de design com uma linguagem de programação que expressa diretamente a matemática de matriz e matriz. Ele inclui o Live Editor para criar scripts que combinam código, saída e texto formatado em um notebook executável." (Citação direta de mathworks.com) |
| NIRS Toolbox | Desenvolvido por Huppert Brain Imaging Lab | N/A | "NIRS toolbox é um programa de análise baseado em Matlab." (Citação direta de huppertlab.net/nirs-toolbox-2/) |
| PsychoPy | Python | N/A | "PsychoPy é um pacote de software de código aberto escrito no programa Python, linguagem ming principalmente para nós em neurociência e pesquisa em psicologia experimental." (Citação direta de psychopy.org) |
| Lower Tech/Cost Research Supplies* (em ordem alfabética) | |||
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| Post-its, 3" x 3", Amarelo Canário, Pacote de 18 Blocos | Office Depot/Office Max | Item # 1230652 | "Post it® As notas aderem com segurança e são removidas de forma limpa, apresentando um adesivo único projetado para uso em papel." |
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