Avaliação de Testes de Cognição usando um Tablet Computadorizado Sensível ao Toque, Rastreamento Ocular e Ressonância Magnética Funcional

Summary

Um protocolo para registro simultâneo do comportamento visomotor e da atividade cerebral durante testes cognitivos padrão em papel, utilizando um tablet compatível com ressonância magnética e tecnologia de rastreamento ocular junto com ressonância magnética funcional, visando melhorar o uso desses testes. Resultados preliminares são apresentados por um jovem adulto saudável realizando um teste de Trail-Making.

Abstract

Testes de cognição baseados em papel (como o teste Trail-Making, ou TMT) são usados há muito tempo em ambientes clínicos e de pesquisa para avaliar como o cérebro saudável ou comprometido apoia o desempenho comportamental. Apesar do uso generalizado, os correlatos neurais desses testes são pouco compreendidos, e os testes apresentam sensibilidades e especificidades menos do que o desejado. Para corrigir essas limitações, é proposto um protocolo de pesquisa multimodal que combina simultaneamente tecnologia inovadora de tablets, rastreamento ocular e ressonância magnética funcional para explorar as relações entre comportamento cinemático e visual e atividade neural associada ao desempenho em testes cognitivos. Justificativa do protocolo, metodologia passo a passo e resultados de um participante representativo são fornecidos para demonstrar a validade do protocolo e ilustrar o potencial de explorar os correlatos cinemáticos, visuais e neurais de um teste representativo de cognição. O protocolo atual pode ampliar os limites das pesquisas clínicas existentes em neurociência em ressonância magnética, com implicações para o diagnóstico e manejo futuros de vários distúrbios cognitivos.

Introduction

Os Testes de Cognição (ToC) foram popularizados pela primeira vez^{no século XX} para investigar e caracterizar comportamentos cognitivos normais e anormais ou patológicos. Desde seu surgimento, esses testes tornaram-se amplamente adotados em ambientes de pesquisa e^{clínicos 1}. Muitos ToC foram desenvolvidos com formatos simples de resposta, como falar ou escrever/desenhar usando caneta e papel. Como exemplo dessa última categoria, o Teste de Criação de Trilhas (TMT) é um ToC representativo amplamente utilizado, preferido devido à sua sensibilidade ao comprometimento^{cognitivo 2}. Composto por duas partes, TMT-A (apenas números) e TMT-B (números e letras), o teste exige que os participantes usem uma caneta para conectar (linkar) 25 caracteres que são organizados pseudo-aleatoriamente na página, em ordem sequencial crescente (e, no caso do TMT-B, também alternada) (ou seja, TMT-A: 1-2-3-4-5-6...; TMT-B: 1-A-2-B-3-C...). Para avaliar o desempenho cognitivo no TMT, o tempo até a conclusão e os erros são tabulados e comparados com valores normativos, com base na faixa etária e no nível educacional². Acredita-se que a TMT recrute e avalie processos cognitivos complexos, incluindo troca de tarefas, busca visual, memória, controle visomotor e atenção — todos aspectos importantes da função executiva do lobo frontal ^1,3.

O TMT apresenta alta sensibilidade entre os ToC, mas, em termos de diagnóstico, sua baixa especificidade é bem reconhecida como uma^{limitação 4}. Em geral, preocupações com sensibilidade e especificidade são uma desvantagem para a aplicação e validade da ToC, especialmente em ambientes^{clínicos 4}. A solução tradicional para aliviar essa preocupação tem sido administrar ToC em "baterias de teste" (frequentemente incluindo o TMT) para melhorar a discriminação entre grupos cognitivamente deficientes e cognitivamente intactos. No entanto, baterias de teste são demoradas, caras e exigem considerável expertise para serem administradas e^{analisadas 5}. Essas preocupações logísticas, por sua vez, levaram ao desenvolvimento de ferramentas de "avaliação cognitiva": baterias de teste substancialmente simplificadas (e cada vez mais computadorizadas) para administração rápida em ambientes com recursos limitados (por exemplo, clínicas médicas), ao custo de parte do ganho de sensibilidade e especificidade. Um exemplo desse tipo de ferramenta é a Avaliação Cognitiva de Montreal (MoCA)⁶.

Avaliações computadorizadas, como o MoCA adaptado, foram validadas com sucesso por comparação com análogos de papel^{e caneta 7}, e para testar baterias de ToC⁸. No entanto, limitações fundamentais permanecem em todas essas ferramentas de teste comportamental, incluindo diferenciação insuficiente entre desempenho apropriado e errado, foco nas pontuações do teste inteiro em vez de efeitos intra-testes, e compreensão limitada sobre as diversas estratégias comportamentais e atividade cerebral associada que fundamentam o desempenho do^{ToC 4,9}. No entanto, essas limitações podem ser superadas por meio de pesquisas que combinem registros comportamentais detalhados, avaliação comportamental^{intra-tarefa 10} e neuroimagem funcional (por exemplo, eletroencefalografia¹⁰, espectroscopia funcional no infravermelho^{próximo 11} e ressonância magnética^{funcional 12}).

A ressonância magnética funcional (fMRI) gera imagens de alta resolução da atividade cerebral mapeando a resposta hemodinâmica como um proxy para a ativação neural. Embora cara, a resolução espacial superior da fMRI em relação à eletroencefalografia (EEG) e à espectroscopia funcional no infravermelho próximo permite a localização da atividade em todo o cérebro. Assim, o presente trabalho descreve um método inovador de administração para ToC usando o TMT como exemplo representativo, que combina a fMRI com registros comportamentais detalhados, contínuos e simultâneos, utilizando tablets computadorizados compatíveis com ressonância magnética e sistemas de rastreamento ocular. Esse protocolo multimodal oferece uma avaliação muito aprimorada da relação entre desempenho cognitivo da tarefa e atividade neural estimada por fMRI, útil para melhorar a compreensão do ToC existente e possivelmente fornecendo insights para o desenvolvimento de ToC aprimorado no futuro.

Antes de fornecer uma descrição detalhada do sistema experimental para adquirir simultaneamente dados de tablet, eye-tracking e fMRI, é útil resumir o layout conceitual e a abordagem (Figura 1). Por razões de compatibilidade com ressonância magnética e ergonômica, o sistema de tablets é ligeiramente diferente dos tablets comercialmente disponíveis. Tablets populares possuem uma tela sensível ao toque transparente montada sobre uma tela de computador, permitindo que o usuário olhe diretamente para o tablet e receba entradas visuais que incluem perfeitamente suas respostas de escrita e desenho baseadas na caneta stylus. No cenário atual, não há tela de computador sob a tela sensível ao toque. Esse projeto evita a necessidade de eletrônica complexa de displays de computador operar com segurança no intenso campo magnético no centro do ímã e sem impactar negativamente as imagens de RM. Do ponto de vista ergonômico, o espaço no ímã também é bastante limitado, tornando impraticável para um participante da pesquisa ver a própria mão diretamente enquanto escreve e desenha.

A configuração experimental faz com que os participantes realizem interações com tablets em um suporte na cintura, enquanto todas as informações visuais (estímulos de teste, respostas da caneta stylus, vídeo da mão manipulando a stylus) são integradas para visualização na abertura traseira do ímã através de um espelho. As informações visuais são exibidas em uma tela de projeção traseira usando um projetor comercialmente disponível e compatível com ressonância magnética (detalhes fornecidos abaixo). De forma semelhante, um sistema de rastreamento ocular comercialmente disponível (detalhes também fornecidos abaixo) é montado no furo traseiro do ímã para gravação rápida de vídeo dos movimentos oculares através do mesmo espelho. O projetor, a tela e o aparelho de rastreamento ocular devem ser organizados cuidadosamente para que não interfiram fisicamente entre si. Por fim, as conexões de energia e dados para e do tablet, projetor e sistema de rastreamento ocular são feitas usando vários cabos blindados, passando pelo "painel de penetração" do escudo de radiofrequência que protege a sala de ímãs e o sistema de ressonância magnética contra interferências eletromagnéticas ao redor. Os cabos de dados estão sob controle de computador, mostrado conceitualmente na Figura 1 como um único dispositivo sob controle do operador na área do console de ressonância magnética (diferente do console de computador usado para operar o sistema de ressonância magnética). Como descrito abaixo, múltiplos computadores estão envolvidos no atual sistema experimental.

Sistema de tablets

O sistema de tablet computadorizado e personalizado é composto por componentes compatíveis com ressonância magnética (superfície sensível ao toque, plataforma de suporte elevada ajustável, caneta agulha sensível à força, sistema de projetor⁾¹², incluindo uma câmera de vídeo com lente de 4,3 mm (designada "TabletCam" no laboratório) e um iluminador personalizado de diodo emissor de luz^{(LED) 13}, permitindo a administração do ToC e o registro de respostas naturalistas de escrita ou desenho dentro do ímã durante a fMRI (Figura 2A,B). Localizados na área do console, dois computadores interligados são usados para controle do sistema: um associado ao recebimento e processamento de dados de vídeo da câmera de vídeo ("Tablet Video Camera computer") e outro para administração de testes, entrega de estímulos visuais, registro de dados de tablets e criação de um arquivo de vídeo consistindo nos estímulos visuais administrados dependentes do tempo sobrepostos com respostas de escrita e desenho com stylus ("Computador Estímulo/Resposta"; Figura 2C). A abordagem de dois computadores é escolhida para um desempenho em tempo real sem impedimentos de cada conjunto de funções sensíveis à latência; modularidade para pesquisas que exigem diferentes configurações (por exemplo, diferentes tarefas comportamentais baseadas em tablets, uso opcional da câmera de vídeo); e facilidade de compatibilidade (o único requisito é um formato de saída de vídeo compatível).

O sistema de comprimidos já foi usado anteriormente em vários estudos de fMRI sobre ToC, que sugerem sua forte validade ecológica¹⁴. A câmera de vídeo opcional é adicionada à configuração original do tablet para fornecer ao participante feedback visual da posição da mão (VFHP) durante a execução da tarefa, em um ambiente interativo de realidade aumentada (AR), permitindo visualização de estímulos da tarefa, bem como respostas da caneta agulha e movimentos das mãos sobrepostos em^{tempo real 13} (Figura 2D). Na implementação original do processamento de dados da câmera^{de vídeo 13}, a mão e a caneta eram isoladas de cada quadro de vídeo usando um algoritmo de detecção de cor de pele, com a caneta a implementada em vermelho para se encaixar na distribuição vermelho-verde-azul (RGB) para cor de pele. Mais recentemente, uma abordagem de "tela azul" foi adotada por sua simplicidade e outras vantagens. Um fundo azul é criado cobrindo a superfície sensível ao toque do tablet com fita azul de pintor. É então possível segmentar a mão e a stylus do fundo em cada quadro de vídeo com base na distribuição de cores substancialmente diferente da fita. Ao mesmo tempo, esse processo também permite a criação de uma máscara binária com valor de "um" em cada local ocupado pela mão ou caneta, e "zero" em outros lugares. O vídeo de estímulo/resposta e o vídeo da câmera são então sobrepostos criando quadros que consistem em a) dados de vídeo de estímulo/resposta em todos os lugares em que uma dada máscara é zero, e b) dados de vídeo da câmera (mão e caneta) em todos os lugares onde a máscara dada é igual a um. A fita de pintor tem o benefício adicional de introduzir atrito extra quando a ponta da caneta é movida sobre a superfície da caneta, mais próxima da experiência de escrever com caneta ou lápis no papel, em comparação com a sensação de baixo atrito de "plástico sobre plástico" quando a fita é removida. No geral, o ambiente interativo de RA resultante aumenta ainda mais a validade ecológica do design do tablet, ao mesmo tempo em que reduz a dependência da propriocepção para executar movimentos motores finos (como ocorre quando o VFHP está ausente^)13,15.

O sistema de tablet é usado em conjunto com um projetor compatível com ressonância magnética (Figura 2E) e uma tela de projeção traseira personalizada na parte traseira do ímã. Os participantes visualizam a tela através de um espelho inclinado montado na bobina da cabeça. Usando uma ponta de dedo ou caneta agulha (que também inclui um sensor para registrar a força de contato), o participante interage com a superfície sensível ao toque montada na plataforma de suporte, que está posicionada na cintura e é ajustável para cada indivíduo. Os sinais de tablets analógicos passam por um filtro de interferência eletromagnética (EMI) no painel de penetração de radiofrequência, são transformados em dados de toque (localização da superfície e dados de força) por uma caixa de interface de tablet fora da sala do ímã, são registrados e interpretados para representação gráfica das respostas ao toque no computador Estímulo/Resposta, e então são fundidos com estímulos visuais e vídeos segmentados de mão e caneta; e são apresentadas ao participante usando o projetor.

Projeto de blocos TMT

O TMT é administrado em um design de bloco fixo consistindo em períodos alternados de desempenho das tarefas TMT-A e TMT-B, e de fixação visual a uma mira central preta exibida sobre fundo branco. O design geral da tarefa foi adaptado da literatura existente do^TMT 1,16,17,18, onde o TMT-A envolve ligar números circulados (de 1 a 25) distribuídos pseudo-aleatórios pela tela, em ordem crescente. De forma semelhante, o TMT-B envolve números circulados ligados (1–13) e letras (A-L) alternados e ascendentes. A condição de fixação visual é incluída para que a atividade cerebral associada ao TMT-A, e separadamente ao TMT-B, possa ser analisada como um contraste estatístico entre as ativações de interesse e a de uma condição simples e estável com baixa demanda cognitiva. Devido à proporção inerentemente baixa entre contraste e ruído observada em experimentos de fMRI, cada condição comportamental (TMT-A, TMT-B, fixação visual) é repetida em múltiplos testes, aumentando o poder estatístico para detectar atividade cerebral quando os dados coletivos de fMRI são analisados. Os gráficos TMT para cada ensaio são adaptados dos layouts padrão TMT, girando a distribuição do estímulo em 180°, trocando estímulos apenas numéricos e estímulos com letras numéricas, ou ambos — minimizando assim confusões visuais e motoras devido às diferenças na distribuição de caracteres e números nos gráficos TMT-A e^{TMT-B 18}.

As atuais tarefas experimentais e de treinamento são implementadas em softwares comerciais de apresentação de estímulos para pesquisas comportamentais e de neuroimagem, para execução no computador de Estímulo/Resposta. Na prática, o TMT é administrado em duas "corridas", cada uma com duração de 4 min:50 s. Cada execução consiste em um bloco inicial de 10 s de fixação em repouso, seguido por duas tentativas de tarefa TMT-A (40 s), fixação em repouso (20 s), tarefa TMT-B (60 s) e fixação em repouso (20 s) (Figura 3). No início de cada corrida, os participantes recebem instruções que espelham as usadas nos testes padronizados de TMT^{em papel 16, 17, 18, 19}: conectar os círculos de "Início" a "Fim" o mais rápido e preciso possível, sem levantar a caneta da superfície sensível ao toque. Diferentemente da administração convencional de TMT em papel, o administrador de testes (um membro do laboratório de pesquisa) não para e subsequentemente reinicia o desempenho do TMT caso o participante cometa erros. Em vez disso, os participantes são instruídos simplesmente a continuar para o próximo link correspondente do caractere na sequência. Essa modificação elimina qualquer confusão na análise de dados associada à parada e reinício do rastreamento ocular e da coleta de dados de fMRI dentro de um determinado ensaio TMT. No entanto, isso então exige a implementação de métodos de detecção e categorização de erros após a coleta dos dados (veja as seções de protocolo e discussão). Além disso, o administrador de teste monitora visualmente as respostas da caneta em tempo real durante o desempenho do TMT para registrar se houve erros e garantir que a superfície sensível ao toque permaneça bem calibrada. Em casos de erros de calibração de tablets e outros erros de hardware (por exemplo, falha de energia ou equipamento), o administrador do teste também decide se repete a sequência atual de aquisição de dados do TMT, possivelmente incluindo a recalibração da superfície sensível ao toque, ou se interrompe e exclui o uso dos dados dos participantes na análise subsequente.

Rastreamento ocular

Quando o sistema visual humano processa uma cena, como durante a apresentação de TMT, movimentos oculares balísticos (saccades) são precedidos e seguidos por períodos de estabilidade temporal (fixações⁾²⁰. Um sistema de rastreamento ocular de alta velocidade compatível com ressonância magnética é então utilizado no contexto atual para realizar o rastreamento ocular monocular de longo alcance de fixações e sacadas com iluminação infravermelha (comprimento de onda de 910 nm) e frequência de amostragem de 1 kHz (Figura 4A). A partir da posição da câmera de rastreamento ocular sob a tela de projeção, o olho do participante está localizado no espelho da bobina da cabeça (Figura 4B-D). Note que o espelho de bobina de cabeça do produto fornecido com o sistema de ressonância magnética foi substituído por um espelho frontal fornecido pelo fabricante do eye-tracker, para permitir rastreamento de alta qualidade. A pupila é detectada usando um algoritmo padrão de ajuste do centroide que acompanha a reflexão corneana (Figura 4D), e as seguintes métricas são medidas: fixações, sacadas, assim como taxa de piscar e tamanho da pupila, duas quantidades adicionais associadas ao processamento cognitivo (veja Discussão). Um pulso de gatilho emitido pelo sistema de ressonância magnética no início da fMRI é usado para sincronizar no tempo as gravações de ativação cerebral com a) a entrega do estímulo da tarefa TMT e as respostas da agulha (conforme controlado pelo computador de Estímulo/Resposta); e b) os dados de rastreamento ocular com desempenho do TMT. Para facilitar a análise de dados, os dados de rastreamento ocular são adicionalmente "carimbados de tempo" para fornecer rótulos associados aos eventos-chave durante o experimento, incluindo os horários de início e fim de cada bloco TMT-A e TMT em uma determinada execução.

Um membro adicional do laboratório é principalmente responsável pelo sistema de rastreamento ocular com o participante, calibração do rastreamento ocular e inspeção visual em tempo real da aquisição de dados de rastreamento ocular. A calibração e validação do sistema de rastreamento ocular são realizadas antes da primeira execução TMT (Figura 4E), e em um procedimento de "verificação de deriva" entre a primeira e a segunda execução TMT, para garantir consistência dos resultados enquanto consideram possíveis pequenas mudanças na posição da cabeça (veja Protocolo abaixo para especificações exatas e sequência). A calibração consiste em um teste de rastreamento ocular de nove pontos, com o participante obrigado em cada caso a fixar um alvo no centro da tela, seguido sucessivamente por oito alvos periféricos diferentes, em ordem pseudo-aleatória. Para validação, o participante rastreia novamente os mesmos nove alvos, e o modelo de calibração é usado para estimar a posição do olhar. Isso permite que um conjunto de medições de erro seja coletado, constituindo a diferença entre o olhar estimado e a localização real do alvo. O erro espacial é relatado em graus de ângulo visual ao final do teste. A calibração e validação iniciais são aceitáveis se o erro médio for <0,5^o e o erro máximo for <1,0^o, correspondendo à avaliação "BOA" fornecida pelo software de rastreamento ocular. Outras categorias com erros sucessivamente piores são classificadas como, por exemplo, "JUSTO", "RUIM" ou "REPROVADO", exigindo recalibração e validação. O membro do laboratório também pode verificar erros atípicos, que podem indicar uma fixação errada em determinado momento, ou padrões sistemáticos de erro que sugiram um problema de configuração com o rastreador ocular. Entre as execuções, o procedimento de verificação de deriva consiste em realizar um teste de validação com fixação apenas no alvo central. Uma verificação bem-sucedida (erro máximo < 2,0⁰⁾ permite que a segunda execução TMT prossiga; caso contrário, o membro do laboratório deve realizar calibração seguida de validação até que o erro médio seja <1,0^O, e o erro máximo seja <2,0^O. Todos os valores de erro são registrados para avaliação posterior. As configurações padrão do software do sistema de rastreamento ocular são usadas para categorizar os dados de rastreamento ocular em saccades e fixações. As sacádicas são classificadas pelos seguintes limiares de detecção: movimento 0,1^o; velocidade 30^O/s; e aceleração de 8.000^o/s. Todos os outros dados de rastreamento ocular são classificados como fixações.

Neuroimagem

Um sistema de ressonância magnética de 3 Teslas é utilizado com uma bobina de cabeça de 64 canais para obter dados de neuroimagem de alta qualidade. A aquisição anatômica começa com uma sequência de ecos rápidos de gradiente (MPRAGE) preparada por magnetização sagital e ponderada em T1 de alta resolução (tempo de repetição/tempo de eco/tempo de inversão/ângulo de inversão TR/TE/TI/FA=2.500 ms/4,37 ms/1.100 ms/7^o, fator de aquisições parcialmente paralelas (GRAPPA) generalizado autocalibrando (GRAPPA) 2, matriz 256 x 256, 192 fatias, vóxels isotrópicos de 1 mm, tempo de imagem de 3 min:45 s). Uma medição indireta da atividade cerebral é então obtida por fMRI do contraste do sinal dependente do nível de oxigenação no sangue (BOLD) decorrente do acoplamento^{neurovascular 21}. Para fMRI, a aquisição típica BOLD ponderada em T2* utiliza imagem ecoplanar (EPI, TR/TE/FA = 1.750 ms/30 ms/40^o, aceleração de corte 2, aceleração de fase 2, matriz 80 x 80, 60 fatias, vóxeles isotrópicos de 2,5 mm, 165 pontos de tempo, tempo de imagem em 4 min:49 s). Duas dessas execuções de fMRI são realizadas para TMT (descrito acima).

Protocol

Os testes e o desenvolvimento do protocolo experimental ocorreram por meio de participantes voluntários, que forneceram consentimento livre e escrito para participar do estudo. Este estudo foi revisado e aprovado pelo Conselho de Ética em Pesquisa (REB) do Sunnybrook Health Sciences Centre, Toronto, Canadá.

1. Procedimento experimental

NOTA: Os passos 1 a 5 ocorrem antes da configuração dos participantes na tabela do paciente do sistema de ressonância magnética. As localizações pertinentes dos sistemas de ressonância magnética consistem na área do console, na sala de ímãs e na sala de equipamentos adjacente. Computadores da área do console e conexões no painel de penetração são mostrados na Figura 5.

1. Configuração geral
   NOTA: O protocolo é descrito para o sistema específico de ressonância magnética e o ambiente laboratorial usados pelos coautores do Instituto de Pesquisa Sunnybrook. Variações de protocolo podem ser necessárias para outros sistemas e ambientes de ressonância magnética. Veja a Tabela de Materiais para uma lista completa de hardware e software. Diferentes versões do tablet sensível ao toque foram disponibilizadas para pesquisadores com base nas condições locais do local.
   1. Prepare o tablet para o feedback visual da posição da mão (VFHP).
   2. Certifique-se de que o tablet esteja firmemente preso à sua estrutura e que a câmera de vídeo compatível com ressonância magnética esteja conectada.
   3. Aplique fita azul nova na superfície do tablet, garantindo que toda a área de toque esteja coberta, sem vincos importantes que possam interferir no desenho ou desequilibrar a calibração. Remova o excesso de fita das bordas da superfície do tablet.
2. Configuração do sistema de tablets (área do console)
   1. No lado da sala de equipamentos (ERS) do painel de penetração de radiofrequência (RF), conecte o adaptador de energia da câmera de vídeo do tablet e conecte-o à caixa do filtro da câmera.
   2. Conecte o cabo de vídeo do Baionet Nut Coupling (BNC) da caixa do filtro à entrada de vídeo manual do computador Tablet Video Camera.
   3. Conecte um cabo de extensão D-subminiature (DB9) de 9 pinos da caixa de interface do tablet ao filtro no ERS do painel de penetração RF.
   4. Assim que os computadores Estímulo/Resposta e Câmera de Vídeo Tablet estiverem funcionando, conecte os dois cabos universais do barramento serial (USB) da caixa de interface ao computador de Estímulo/Resposta, e conecte a caixa de interface do tablet à energia.
   5. Use um cabo de interface multimídia de alta definição (HDMI) para conectar a saída do display do computador Estímulo/Resposta à entrada de vídeo estímulo/resposta do computador da Câmera de Vídeo do Tablet.
   6. Para enviar a tela processada da câmera de vídeo do tablet para o Sistema de Projeção fMRI, conecte um cabo de matriz gráfica de vídeo (VGA) entre os dois dispositivos. Ligue o projetor compatível com ressonância magnética.
   7. Conecte o BNC da caixa de resposta USB (URB) ao sistema de saída de pulsos de gatilho para ressonância magnética. Conecte a extremidade USB do cabo no computador de Estímulo/Resposta pouco antes de iniciar o experimento de fMRI.
3. Configuração do sistema de tablets (sala do ímã)
   1. Traga os cabos do tablet, caneta stylus, link do tablet (DB9) e link da câmera de vídeo para o tablet para a sala do ímã.
   2. Conecte os cabos de link do tablet e do link da câmera de vídeo do tablet do sistema de tablet ao lado da sala magnética (MRS) do painel de penetração RF.
      NOTA: Certifique-se de que não haja dobras ou loops em nenhum dos cabos MRS, pois isso pode causar aquecimento por RF.
   3. Fixe o sistema de tablet na mesa do paciente deslizando os clipes compatíveis com ressonância magnética nos trilhos da mesa do paciente, dois clipes de cada lado.
   4. Coloque o projetor compatível com ressonância magnética atrás da extremidade traseira do ímã, aproximadamente 1 m de distância do tubo do ímã. Monte a tela de projeção traseira compatível com ressonância magnética dentro do tubo magnético, aproximadamente 2 m de distância do projetor (veja as Figuras 4B,C).
4. Configuração do sistema de rastreamento ocular (sala magnética, sem participante)
   NOTA: Instruções detalhadas para instalação de ressonância magnética de montagem de longo alcance são fornecidas no Guia de Instalação do sistema de rastreamento ocular (veja a Tabela de Materiais). O posicionamento da câmera de rastreamento ocular na sala de ímãs deve adotar as recomendações do sistema de rastreamento ocular para posicionamento e fiação dos componentes em um ambiente de ressonância magnética, que podem variar conforme o local (Guia de Instalação do Sistema de Rastreamento Ocular - Instalação de Montagem de Longo Alcance - Instalação de Ressonância Magnética pp. 47-57)^22.
   1. Coloque a câmera de rastreamento ocular compatível com ressonância magnética dentro do tubo magnético, entre a tela do projetor e a borda do cano, de modo que o suporte da câmera fique alinhado com a borda externa do furo. Fixe o sistema de câmera no tubo ajustando os parafusos plásticos do suporte da câmera.
   2. Conecte o cabo de fibra óptica (FO) à câmera de rastreamento ocular compatível com ressonância magnética. Encaminhe o cabo FO para fora até a área do console através do guia de onda no console para conectar à interface da câmera ocular que não é segura para ressonância magnética.
   3. Leve o cabo de energia do eye-tracker para a sala do ímã, conecte a extremidade do DB9 ao filtro do painel de penetração e conecte a outra extremidade do cabo à câmera de rastreamento ocular compatível com ressonância magnética e ao iluminador. Remova a tampa da lente da câmera.
      NOTA: A extremidade DB9 do cabo de alimentação pode ser MR-insegura; conectar firmemente essa extremidade ao painel de penetração imediatamente após ser colocado no ambiente de RM, mantendo a máxima distância do ímã. Além disso, mantenha o cabo FO e o cabo de energia do eye-tracker afastados um do outro e de quaisquer outros cabos no chão da sala do ímã, para evitar possíveis emaranhamentos e interferências de sinal.
5. Configuração do sistema de rastreamento ocular (área do console, sem participante)
   1. No ERS do painel de penetração, conecte o adaptador de energia eye-tracker a uma tomada e à porta correspondente do filtro DB9.
   2. Para capturar os disparos do computador de Estímulo/Resposta no computador de rastreamento ocular, conecte suas portas paralelas com um cabo DB25.
   3. Para comunicação entre o sistema de rastreamento ocular e o computador Tablet Video Camera, conecte os dois por meio de um cabo de rede ethernet Categoria-5e (CAT5e). Ligue o computador de rastreamento ocular.
6. Configuração do participante (dentro da sala do ímã)
   1. Prepare a mesa do paciente com a bobina de 64 canais e peça ao participante que fique deitado deitado na mesa com a cabeça o mais dentro possível da bobina. Para evitar movimentos, adicione acolchoamento ao redor da cabeça para um ajuste seguro. Use o laser de referência para verificar se a cabeça está centralizada dentro da bobina da cabeça.
   2. Ajuste a posição do espelho da bobina da cabeça até que o participante tenha uma visão clara e desobstruída da tela de projeção traseira.
   3. Coloque o suporte para tablet sobre a cintura do participante de modo que a superfície sensível ao toque fique em uma posição confortável para facilitar a escrita e o desenho.
   4. Coloque a caneta tablet na mão dominante do participante e peça que ele segure a caneta como se estivesse segurando uma caneta. Peça ao participante que toque todos os quatro cantos da superfície de toque com a caneta para avaliar o conforto. Ajuste a posição do tablet e adicione acolchoamento sob o cotovelo conforme necessário para minimizar esforço ou obstrução.
   5. Uma vez que uma posição confortável estiver alcançada, prenda firmemente o sistema de comprimidos à cama do paciente usando as tiras de Velcro. Leve lentamente o dispositivo e o tablet para dentro do ímã com cuidado. Certifique-se de que o sistema de tablet não encosta a borda do furo e que os cabos do tablet não se embaralhem (Figura 2A).
7. Configuração de software de rastreamento ocular (área do console e sala de ímãs)
   NOTA: Toda configuração de software realizada no computador Tablet Video Camera ou no computador de Estímulo/Resposta é realizada pelos membros do laboratório de pesquisa usando os toques de teclado e cliques do mouse apropriados.
   1. No computador Tablet Video Camera, abra o programa de vídeo camera.exe. Enquanto o sistema inicializa, espere o diálogo Configurações aparecer e pressione OK usando o mouse do computador.
      NOTA: Neste ponto, o participante deve ser capaz de ver o feedback em vídeo em tela cheia da posição da mão/caneta (Figura 2D).
   2. No computador Tablet Video Camera, abra o programa Screen Recorder .
   3. Crie uma nova sessão de captura de tela para os dados de rastreamento ocular do participante usando seu ID de participante.
   4. Siga as recomendações do manual do usuário do sistema de rastreamento ocular para configurar os limiares de reflexão pupilar e córnea, e para calibrar e validar a câmera de rastreamento ocular (Manual do Usuário do sistema de rastreamento ocular - Tutorial: Executando um Experimento, pág. 81 - 91)²³.
      1. Ajuste a visão de rastreamento ocular do olho direito do participante alternando entre diferentes vistas da câmera, focando a lente e ajustando o iluminador.
      2. Uma vez que os valores aceitáveis de limiar da pupila e reflexão da córnea (CR) estejam configurados, registre os valores e prossiga com a calibração de 9 pontos (pressione C).
      3. Valide a calibração (pressione V). Registre os valores médios e máximos dos ângulos de validação antes de prosseguir para o experimento de fMRI. Se resultados de calibração subótimos forem alcançados (JUSTO ou MAU), repita a calibração/validação até que resultados BONS sejam alcançados, correspondendo a um erro médio de <0,5^zero e um erro máximo de <1,0^{zero (}Figura 4D,E).
8. Calibração de tablets
   1. Use o computador Estímulo/Resposta para calibrar a superfície tátil do tablet.
   2. Abra a calibração ELO de 3 pontos para iniciar a calibração do tablet.
   3. Instrua o participante a usar a caneta para tocar e soltar os três alvos que aparecem na tela, consecutivamente, dentro dos limites de tempo.
   4. Após a calibração estar concluída, abra o aplicativo de edição gráfica referenciado (veja a Tabela de Materiais) e instrua o participante a desenhar livremente para confirmar que a caneta está acompanhando corretamente. Repita os passos 8.1–8.4 conforme necessário.
      NOTA: Movimentos ou saltos frequentes nos gráficos de resposta em tablets sugerem que a caneta não está acompanhando bem e precisa de recalibração.
9. Protocolo de treinamento
   1. Para familiarizar o participante com a escrita e o desenho na interface do tablet, peça que ele siga as orientações por meio de uma tarefa de treinamento auto-ritmada a partir de um estudo essencial de^{tremores 24}. Isso inclui o participante assinar seu nome e realizar a tarefa do Tremor Fahn-Tolosa-Marin, que consiste em desenhar linhas espirais e horizontais entre diretrizes cada vez mais estreitas.
   2. Para familiarizar o participante com o TMT, guie-o por uma tarefa de treinamento auto-ritmada, composta por versões simplificadas do TMT-A e TMT-B, com apenas 12 itens. Após esse treinamento, guie-os por versões alternativas em tamanho real do TMT-A e TMT-B, com os itens reorganizados, usando o mesmo tempo da tarefa experimental. Monitore o desempenho dos participantes para garantir que o tablet permaneça bem calibrado e que ele esteja executando a tarefa TMT conforme os prompts.
10. Paradigma experimental
    NOTA: Este fluxo de trabalho implementa o design de blocos TMT descrito acima.
    1. Inicie a gravação do rastreador ocular. No computador Tablet Video Camera, selecione Iniciar Gravação no programa Gravador de Tela .
    2. No computador Estímulo/Resposta, abra o arquivo de script TMT-Run1_slow.ebs2 E-Prime (E-Run).
    3. Faça a conexão final com a saída de gatilho do sistema de ressonância magnética: conecte o URB ao computador de Estímulo/Resposta.
    4. Insira o ID do participante e o número da sessão quando solicitado pelo script E-Run.
    5. Dê instruções verbais ao participante para completar o TMT usando o interfone do sistema de ressonância magnética (Figura 6). Confirme que o participante está pronto para prosseguir.
    6. O script E-Run apresentará ao participante instruções TMT. A execução da primeira sequência de TMT-A, TMT-B e as condições de fixação visual começará assim que um pulso de gatilho for enviado pelo sistema de ressonância magnética no início da fMRI via URB.
    7. Monitore os dados do rastreador ocular durante a execução para garantir que o sinal esteja estável (um membro do laboratório). Além disso, monitore o desempenho do TMT (respostas da caneta stylus) do participante para garantir que ele está seguindo as instruções dadas e que não há problemas de configuração (por exemplo, projeção de vídeo pouco confiável, acompanhamento deficiente da caneta stylus, etc.; segundo membro do laboratório). Peça ao segundo membro do laboratório também para anotar a presença de erros de desempenho para TMT-A ou TMT-B, e o número do teste.
    8. Após o término da corrida, pare a gravação ocular e realize uma correção de deriva, seguindo as recomendações do Manual do Usuário do sistema de rastreamento ocular (pág. 91-92)²³. Se a verificação de deriva resultar em erro < 2,0°, prossiga. Se o erro for ≥2,0, realize a calibração/validação até que o erro médio seja <1,0° e o erro máximo <2,0°.
    9. Para a Run 2, reinicie a sessão de gravação ocular e abra o arquivo de script E-Run TMT-Run2_slow.ebs2 no computador Stimulus/Response. Insira o mesmo ID do participante e número da sessão da Run 1. Repita as instruções da tarefa (Figura 6). Novamente, o pulso de gatilho iniciará a tarefa assim que a fMRI começar. Quanto à primeira execução do TMT, peça ao segundo membro do laboratório para anotar a presença de erros de desempenho do TMT.
    10. Após a conclusão do experimento, conclua uma validação final de rastreamento ocular (passo 7.4.3) e registre os valores médios e máximos de erro. Depois, clique em Arquivo | Feche o software de rastreamento ocular para exportar os dados. Tire o participante do ímã e comece a desmontar o equipamento.
11. Desmontagem de equipamentos e salvamento de dados
    1. Os dados do TMT serão automaticamente salvos no computador de Estímulo/Resposta na mesma pasta dos scripts TMT.
    2. Os dados de rastreamento ocular serão salvos assim que a sessão de gravação for encerrada.
    3. No programa SR Research Screen Recorder no computador Tablet Video Camera, navegue até Arquivo e selecione Fechar – isso transferirá os arquivos do computador de rastreamento ocular para o computador Tablet Video Camera.
       NOTA: Simplesmente sair da janela do programa não resultará na transferência/salvamento correto dos dados experimentais.
    4. Após a conclusão da transferência de dados, desligue todos os computadores e armazene os equipamentos.

2. Análise

1. Participante
   1. Para demonstrar o protocolo e seu potencial impacto, dados de TMT, rastreamento ocular e fMRI baseados em comprimidos foram coletados de um participante voluntário (uma mulher saudável, destra de 22 anos) sem histórico relatado de distúrbios neurológicos, psicológicos ou de escrita.
2. Métricas cinemáticas de tablets
   1. Analise dados brutos de tablets cinemáticos (posição da caneta em coordenadas x,y) usando scripts personalizados escritos no MATLAB disponível no GitHub²⁵. Os dados brutos são processados usando o script personalizado NPTF2F_CompleteAnalysis.m, que chama scripts personalizados adicionais: NPTF2F_RemoveErrors.m; NPTF2F_SpeedData.m; NPTF2F_SignalData.m; getAverageForce.m; getTotalDistance.m; sigfilt1.m; spikeRemoval.m; e zeroX.m. Para rodar NPTF2F_CompleteAnalysis,m, insira a identificação do participante, a data de coleta dos dados e a ordem da sequência de pulsos (EPI/INI ou INI/EPI), onde INI indica a imagem^{inversa 26}.
      NOTA: A coleta de dados de fMRI relacionada ao TMT na instituição dos autores pode ser realizada em qualquer um dos modos de imagem, com EPI escolhido aqui (veja Neuroimagem acima). A aquisição da fMRI do INI registra a atividade cerebral com maior resolução temporal e está além do escopo do presente trabalho. Ao executar o roteiro, a análise ocorre em múltiplas seções. As Seções 0 e 1 preenchem o Workspace do MATLAB e leem e armazenam dados de arquivos de texto de entrada, respectivamente.
      1. A Seção 2 pede ao usuário que insira o número de Links Totais, Corretos e Incorretos a partir da análise visual dos desempenhos do ensaio TMT-A. Garantir que a análise visual seja flexível; se o participante não fez contato com um círculo, mas uma tentativa clara foi feita na direção do círculo, conte o elo como Correto. Da mesma forma, se o participante 'passou de um círculo' e fez contato com um círculo vizinho enquanto redirecionava a caneta para o próximo círculo correto, não considere isso como um link adicional (e incorreto).
         NOTA: O escopo atual da análise examina apenas ensaios totalmente corretos ou os links corretos feitos dentro de um ensaio. A Seção 3 permite a remoção de erros de vinculação em cada tentativa. Nenhuma remoção é necessária no presente caso porque o participante não cometeu erros de ligação.
      2. Espere a Seção 4 calcular estatísticas a partir dos dados do ensaio chamando a função NPTF2F_SpeedData().
      3. Aguarde a Seção 5 para ligar NPTF2F_SignalsData().
      4. Observe a Seção 6 que emite dados cinemáticos de tablets em um formato adequado para processamento posterior de dados (16 testes x 15 parâmetros).
3. Agregar dados para quantificar características de desempenho e estatísticas descritivas por ensaio.
   1. Determine o tempo de conclusão como o tempo que o participante leva para alcançar o caractere final da sequência desde o início do teste TMT, com um limite superior definido pela duração máxima dos blocos de 40 s (ensaios TMT-A) ou 60 s (ensaios TMT-B).
   2. Calcule a velocidade (pixels por segundo, [px/s]) como a mudança nas coordenadas x,y (em função do movimento da caneta stylus) ao longo do tempo. A área ativa do painel sensível ao toque é de 129 mm x 97 mm, e a área do display de estímulos é de 103 mm x 77 mm (1.024 x 768 pixels, ângulo visual de 9,0° x 6,7°, sem contar a área ao redor no vídeo ao vivo mostrando o tablet e as mãos do participante).
   3. Considerando a possibilidade de efeitos de teto resultantes de durações fixas dos blocos (ou seja, falha em completar o TMT-A ou TMT-B dentro do tempo máximo), calcule outra métrica, segundos por link (SPL)¹⁵, dividindo o tempo de conclusão (segundos) pelo número de links (respostas corretas da caneta que fazem conexões entre dois itens).
      NOTA: Valores SPL mais altos indicam desempenho de ligação mais lento e vice-versa.
   4. Use o arquivo de vídeo de rastreamento ocular para confirmar a conclusão geral da tarefa e anotar qualquer comportamento errado (por exemplo, links incorretos, levantamento da caneta stylus).
      NOTA: O participante neste caso não teve desempenho incorreto no TMT.
   5. Use os valores médios, primeiro e terceiro quartil de velocidade para diferenciar períodos de ligação e não ligação para cada teste, conforme descrito abaixo.
   6. Defina períodos de ligação (valores de velocidade acima do primeiro quartil) por aceleração rápida até valores de velocidade máxima seguida por uma desaceleração de magnitude semelhante.
   7. Defina velocidades abaixo do primeiro quartil como períodos não vinculativos, tipificados pelo comportamento de busca visual antes do comportamento de vinculação intencional.
      NOTA: Esses comportamentos de ligação e não ligação, e seus correlatos neurais, foram recentemente caracterizados em um estudo sobre o desempenho do TMT baseado em comprimidos em jovens adultos durante a eletroencefalografia¹⁰.
   8. Use períodos de vinculação e não vinculação para determinar a duração da ligação (tempo médio gasto conectando um link, [ms]) e duração sem ligação (tempo médio gasto procurando pela próxima conexão, [ms]), respectivamente.
   9. Calcule a distância total (D) das respostas da caneta durante um teste em pixels como outro índice de variabilidade entre ensaios. Calcule a porcentagem média de distância extra percorrida (EDT) para cada ensaio, expressa como uma porcentagem do caminho ótimo (mais curto).
   10. Calcule a distância por elo (DPL, px/link) como a distância média percorrida para formar um elo em cada ensaio.
   11. Calcule a força média (unidades arbitrárias, [au]) apenas entre períodos de ligação e não ligação, omitindo dados entre os ensaios.
4. Métricas de rastreamento ocular
   1. Visualize e processe os dados de rastreamento ocular por teste, utilizando o software nativo do sistema de rastreamento ocular (veja a Tabela de Materiais).
   2. Prova de conceito e potencial são demonstrados para dados de rastreamento ocular, com média temporal separada para todas as condições de desempenho do TMT-A e TMT-B. Analise e separe os dados do fluxo contínuo de dados registrado para cada execução, com base nos códigos de gatilho com carimbo de data gerados pelo computador de Estímulo/Resposta, indicando o início e o fim de cada bloco de tarefas TMT-A e TMT-B dentro dos arquivos de dados EDF com rastreamento ocular.
   3. Relate estatísticas descritivas, incluindo contagem de sacade, contagem de fixações, tempo de fixação (ms), percentual de fixação, contagem de piscadas, taxa de piscar (piscadas/s) e tamanho da pupila (em unidades arbitrárias [au]).
      NOTA: Definições específicas para cada parâmetro estão listadas na Tabela 1. As estatísticas relacionadas à fixação e saccades são produzidas por geradores de relatórios incorporados ao software, usando valores padrão de limiar e amplitude.
5. Relatórios estatísticos
   1. Dada a natureza de prova de conceito do experimento, envolvendo um único participante da pesquisa, realize testes estatísticos simples sem correção para múltiplas comparações. Calcule métricas médias de monitoramento em tablets e olhos para TMT-A e TMT-B ao longo das duas execuções experimentais (totalizando quatro casos de cada condição de teste).
   2. Para cada comprimido e métrica de rastreamento ocular, utilize um teste t bicaudal pareado para avaliar se existem diferenças estatisticamente significativas entre as duas partes do TMT (TMT-B versus TMT-A).
6. Dados de neuroimagem
   1. Gerar mapas de prova de conceito da atividade cerebral de fMRI usando a análise do freeware de neuroimagem funcional (AFNI^{) 27}, amplamente adotado na comunidade de pesquisa.
      NOTA: Um script detalhando o pipeline específico de análise de imagem e as escolhas de parâmetros é fornecido no^{GitHub 25}. Resumidamente, a sequência de etapas do pipeline de processamento de imagem AFNI para avaliar a atividade cerebral em cada local do elemento de volume (voxel) no cérebro é a seguinte:
      1. Concatene os dados de fMRI das duas execuções TMT.
      2. Realize etapas de pré-processamento antes da geração do mapa de ativação, incluindo correções voxéis para picos (outliers) na amplitude do sinal de fMRI em função do tempo, efeitos fisiológicos relacionados à respiração e pulsação^{cardíaca 28}, tempo de aquisição de fatias da imagem e movimento.
      3. Alinhe dados de ressonância magnética anatômica ponderados em T1 a um modelo padrão de atlas cerebral^29,30 com um procedimento de distorção não linear.
      4. Aplique os parâmetros de dobra aos dados da fMRI.
      5. Filtrar espacialmente os dados da fMRI usando um núcleo Gaussiano de 5 mm de largura total a metade do máximo (FWHM).
      6. Divida o curso temporal da fMRI em cada voxel pelo valor médio e depois multiplique por 100 para redimensionar os sinais da fMRI para unidades percentuais.
      7. Introduzam os dados da fMRI em um modelo linear geral (GLM) que inclui formas de onda de vagão de caixa representando os tempos ativos durante os blocos de tarefas TMT-A e TMT-B (derivados de dados de tablets) envolvidos com uma função de resposta hemodinâmica canônica, além de regressores para flutuações de baixa frequência, movimento e derivadas de movimento, e regressores fisiológicos para remover efeitos residuais dos ciclos cardíaco e respiratório.
      8. Calcule mapas iniciais correspondentes à ativação cerebral (coeficientes beta da análise GLM voxel-wise) para a) o desempenho médio de TMT-A mais TMT-B versus fixação; e b) a média de desempenho TMT-B – TMT-A. Relate cada mapa em p < 0,0005 e, em seguida, aplique um limiar de tamanho de cluster para corrigir comparações múltiplas em p < 0,05.

Results

Usando o arquivo de gravação da tela de rastreamento ocular, performances representativas do TMT-A e TMT-B em um único momento no ambiente de realidade aumentada são mostradas nas Figuras 7A e B, respectivamente. Desempenhos do TMT-A e TMT-B (linha azul) e dados de olhar (linha vermelha) em intervalos sucessivos de 2,5 s são mostrados nas Figuras 7C, D, respectivamente. Esse intervalo de tempo foi escolhido pela facilidade de visualizar várias instâncias sucessivas de comportamento de ligação em um único gráfico. Um intervalo de tempo mais curto simplesmente mostra um elo (ou nenhum), enquanto um intervalo de tempo mais longo mostra mais links e desordem e é mais difícil de interpretar visualmente. Ao inspecionar a Figura 7C,D, em particular, é evidente que nos primeiros segundos de execução do TMT-A e TMT-B, o participante pesquisa visualmente e codifica os primeiros links a fazer antes de mover a caneta. Também há indicações de que, ao longo da performance do TMT-A e TMT-B nos intervalos de tempo mostrados, o olhar (e o comportamento de busca visual) precedem os movimentos apropriados de ligação do stylus.

A Tabela 1 resume as métricas cinemáticas médias e de acompanhamento ocular do participante para desempenho da TMT em todos os ensaios (quatro instâncias de TMT-A, quatro instâncias de TMT-B, em duas execuções separadas). Os tempos de conclusão para TMT-B (31,3 s ± 6,0 s) tenderam a ser maiores do que para TMT-A (24,0 s ± 5,7 s) (p = 0,06). Isso é consistente com o processamento mental mais complexo necessário para realizar o TMT-B. A velocidade média de desempenho no desenho do link não foi significativamente mais lenta para o TMT-A (0,35 ± 0,04 px/ms) do que para o TMT-B (0,36 ± 0,13 px/ms) (p = 0,91), enquanto o SPL apresentou tendência maior para o TMT-B (1,31 ± 0,25 s) do que para o TMT-A (1,00 ± 0,24 s) (p = 0,06). As durações médias dos períodos de ligação não foram significativamente diferentes (702 ± 299 ms (TMT-B) e 729 ± 221 ms (TMT-A) (p = 0,92)), nem as durações dos períodos sem ligação (576 ± 451 ms (TMT-B) e 260 ± 29 ms (TMT-A) (p = 0,23)). A distância total (D) não foi significativamente diferente para TMT-B (10.300 ± 1.270 px) em comparação com TMT-A (10.600 ± 1.930 px) (p = 0,52). A porcentagem de distância extra percorrida (EDT) em relação à menor distância possível foi de 27,1 ± 7,1% para TMT-A e 24,2 ± 6,3% para TMT-B (p = 0,59). A distância por link (DPL) para o TMT-A foi de 442 ± 80 px/link e 429 ± 53 px/link para o TMT-B (p = 0,52). A força da agulha teve uma tendência ligeiramente superior em média para o TMT-B (9,3 ± 1,8) do que para o TMT-A (5,5 ± 3,5) (p =0,11). Nenhum erro foi cometido durante nenhuma das condições da tarefa. Coletivamente, esses resultados são consistentes com a interpretação de que há variação significativa no desempenho motor tanto entre o TMT-A quanto o TMT-B, de modo que quaisquer possíveis diferenças entre as duas partes do TMT devido à complexidade cognitiva na velocidade média do desenho do link, duração do período de ligação, período não vinculante, D, EDT, DPL e força do stylus são obscurecidas na análise no nível de participante único pela apresentação pseudo-aleatória dos estímulos na tela. Como esperado, entretanto, a tendência de maior SPL para o TMT-B em comparação com a do TMT-A concorda bem com os achados sobre o tempo de conclusão, refletindo a forte correlação entre as duas métricas.

Os dados de acompanhamento ocular demonstraram uma tendência para um pouco mais de sacadas no TMT-B ( 90 ± 24) do que no TMT-A ( 71 ± 22) (p = 0,10). Os resultados análogos para fixações foram quase idênticos, dado que saccadas e fixações estão fortemente interrelacionadas. O tempo médio de fixação no TMT-A foi de 308 ± 40 ms, enquanto o tempo médio de fixação no TMT-B foi de 314 ± 32 ms (p = 0,32). A porcentagem média de tempo gasto em uma fixação (% de fixação para TMT-A foi de 90,0 ± 2,3%, significativamente diferente do valor de 88,7 ± 2,1% para TMT-B (p = 0,01). A contagem de piscadas por ensaio foi significativamente maior no TMT-B (5,0 ± 2,6) do que no TMT-A (2,0 ± 1,2) (p = 0,04). Ao considerar a diferença no tempo médio de conclusão entre os testes, a taxa de piscar ainda foi significativamente maior para o TMT-B (0,15 ± 0,06 piscadas/s) em comparação com o TMT-A (0,08 ± 0,05 piscadas/s) (p = 0,03), como seria de se esperar para a primeira tarefa, pois é mais exigente cognitivamente. O tamanho médio da pupila permaneceu muito semelhante em todas as condições (1.588 ± 140 para TMT-A; 1.648 ± 59 para TMT-B) (p = 0,29).

Ao analisar a atividade cerebral durante ambas as condições de tarefa (TMT-A e TMT-B versus fixação visual), foi observada ativação positiva significativa e ampla, junto com vários agrupamentos ativados negativamente (que tendiam a ser menores). Os 25 principais agrupamentos por tamanho incluíram ativação positiva em porções do cerebelo medial e lateral, precúneo esquerdo, lóbulos parietais superior e inferior, giro occipital médio esquerdo, giros pré-centrais, giro pós-central esquerdo, giro frontal superior esquerdo, giro occipital superior direito, áreas motoras suplementares, córtex cingulado médio esquerdo, giro supramarginal direito, giro frontal médio esquerdo e giro calcarino direito. Um subconjunto dessas ativações é mostrado em imagens representativas na Figura 8. Ativação negativa estava presente no giro angular, giro frontal superior esquerdo, giro temporal médio, giro parietal inferior direito, giro temporal superior direito, giro pós-central direito, giro supramarginal direito, giro frontal inferior esquerdo (pars orbitalis), lóbulo paracentral direito e giro pré-central direito. No contraste TMT-B versus TMT-A, no entanto, não foram observadas ativações positivas ou negativas significativas. Como mencionado na Discussão (veja abaixo), essas observações coletivas de fMRI são consistentes com resultados anteriores obtidos no laboratório.

Figura 1: Diagrama conceitual do aparelho experimental. (A) O monitor do computador é usado para controlar o aparelho e a administração dos testes cognitivos, além de visualizar resultados, conforme realizado por (B) o computador. Cabos de energia, controle e gravação de dados passam pelo painel de penetração de radiofrequência (C). O principal aparelho inclui o tablet computadorizado compatível com ressonância magnética (D), composto por uma superfície sensível ao toque e caneta agulha, iluminador de diodo emissor de luz e câmera de vídeo "Tablet Video Camera" que captura movimentos de mãos e canetas. (E) Um espelho refletor montado na bobina da cabeça permite o rastreamento ocular do participante, deitado sobre (F) a mesa do paciente do sistema de ressonância magnética, usando (G) um sistema remoto de gravação de vídeo. O espelho também permite que o participante visualize estímulos de teste, respostas de tablets e movimentos associados de mão/caneta agulha em (H) uma tela de projeção traseira apresentada por (I) um sistema de projeção remota compatível com ressonância magnética. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 2: Tablet etup. (A) Disposição de tablets na mesa do paciente com um participante voluntário. (B) Close-up do tablet, suporte e caneta agulha (amarelo) em duas orientações diferentes, mostrando a disposição da "câmera de vídeo tablet" e do iluminador de diodo emissor de luz. (C) Câmera de vídeo para tablet e computadores de estímulo/resposta para controlar o sistema de tablets, a partir da área do console de ressonância magnética. (D) Visão representativa do ambiente de realidade aumentada enquanto um participante realiza o TMT-A. O ponto vermelho indica a posição instantânea do olhar e não é mostrado ao participante. (E) Sistema de projeção compatível com ressonância magnética para apresentação de um ambiente de realidade aumentada ao participante, na tela de projeção traseira. A tela é montada no furo do ímã e não é vista nessa visão; veja a Figura 4 para uma representação clara. Abreviação: TMT = Teste de Criação de Trilhas. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 3: Testes de Criação deTrilhas são químicos. Diagrama de tempo da administração de TMT durante a fMRI. Topo: Diagrama de tempo indicando a duração dos blocos TMT-A, TMT-B e fixação, administrados em cada uma das duas execuções. Parte inferior: Imagens de exemplo de cada condição. Note que os ensaios de TMT-A e TMT-B envolvem padrões de estímulo diferentes para cada ensaio, de modo que os participantes não atuam com base na memória espacial. Todas as tentativas de fixação visual envolvem a mesma exibição de imagem. Abreviações: TMT = Teste de Trilha; fMRI = ressonância magnética funcional; TMT-A = parte A; TMT-B = parte B; Fixar = fixação visual. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 4: Etup do eye-tracker. (A) Imagem de câmera de vídeo, iluminador e suporte de olhos compatíveis com ressonância magnética. (B) Imagem da abertura frontal do ímã, mostrando a relação espacial do aparelho de rastreamento ocular com o tablet, a bobina da cabeça e o espelho, e a tela de projeção. (C) Imagem da abertura frontal do ímã com tablet e bobina de cabeça removidos, mostrando a relação entre o projetor e a tela de projeção usada com o tablet, e a câmera de rastreamento ocular e iluminador. (D) Ambiente de software de rastreamento ocular que mostra gravação de vídeo de um participante em um amplo campo de visão e um campo cortado e ampliado, onde reflexos da córnea são detectados para permitir o rastreamento ocular, e a pupila é detectada para registro do diâmetro da pupila. (E) Exemplos de capturas de tela durante a calibração e validação do eye-tracker. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 5: Console e p-enetration p anelset etup. (A) Área do console de ressonância magnética mostrando os quatro monitores usados nos experimentos. Da esquerda para a direita: rastreador ocular; câmera de vídeo tablet; estímulo/resposta a comprimidos; e o console do sistema de ressonância magnética. (B) Imagem do lado da sala magnética do painel de penetração mostrando todas as conexões de hardware pertinentes. (C) Conexões análogas no lado da sala de equipamentos. Abreviação: BNC = acoplamento da porca da baioneta. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 6: Instruções verbais de pergunta t. A tarefa de treinamento envolve os participantes usando um tablet e uma caneta para praticar o traço de uma linha suave entre as diretrizes, familiarizando-os com o dispositivo antes do teste cognitivo. O TMT consiste em duas partes: a Parte A exige a conexão de círculos numerados em ordem crescente, enquanto a Parte B alterna entre números e letras em ordem crescente. Abreviação: TMT = Teste de Trilha. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: Desempenho do TMT. Amostras de tempo de (A) desempenho TMT-A e (B) desempenho TMT-B em realidade aumentada sob a perspectiva do participante. O ponto vermelho em cada imagem representa o ponto de olhare. As imagens são quadros da tela do eye-tracker gravando arquivos de vídeo; Note que o participante não pode ver o ponto de olhar durante o desempenho do teste. (C,D) Intervalos de tempo sucessivos de 2,5 s de desempenho do TMT-A e TMT-B (linhas azuis), incluindo dados de olhar dependentes do tempo (linhas vermelhas), respectivamente. As sacádeas são evidentes como linhas vermelhas finas, enquanto "nós" também são evidentes onde o olhar não se move rapidamente, indicando fixações. Abreviação: TMT = Teste de Trilha. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8: fMRI umactivação maps. Ativação (contraste do sinal de fMRI) para (TMT-A e TMT-B) versus fixação. As posições dos cortes estão separadas por 14 mm nas coordenadas Z indicadas no espaço do atlas estereotáxico. A barra de cor representa o percentual de contraste do sinal BOLD em áreas significativamente ativadas, com valores positivos demonstrando uma ativação superior à linha de base. Abreviações: fMRI = ressonância magnética funcional; TMT = Teste de Construção de Trilhas; L = Esquerda; R = Direita; BOLD = dependente do nível de oxigenação no sangue. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

PARÂMETRO	DEFINIÇÃO	TMT A	TMT B	P-VALOR (2-CAUDA, PAREADO)
Tempo(s) de conclusão	Tempo médio (em segundos) levado para completar cada teste	24,0 (± 5,7)	31.3 (± 6.0)	0.06
Velocidade (px/ms)	Velocidade média (em pixels por milissegundo) do movimento da caneta Ao longo de cada julgamento	0,35 (± 0,04)	0,36 (± 0,13)	0.91
Segundos por Link, SPL (s/Link)	Tempo médio (em segundos) levado para completar cada link em cada tentativa	1,00 (± 0,24)	1.31 (± 0.25)	0.06
Duração de Vinculação (ms)	Tempo médio (em milissegundos) gasto conectando cada ligação ao longo de todo o elo Cada julgamento	729 (± 221)	702 (± 299)	0.92
Duração sem Ligação (ms)	Tempo médio (em milissegundos) gasto procurando a próxima conexão Ao longo de cada julgamento	260 (29 ±)	576 (± 451)	0.23
Distância Total (px)	Distância média (em pixels) que a caneta percorreu em cada teste	10600 (± 1930)	10300 (± 1270)	0.52
Distância Extra Viajou, EDT (%)	A distância extra média percorrida para cada ensaio, expressa como um porcentagem do caminho ótimo (mais curto) possível	27.1 (± 7.1)	24,2 (± 6,3)	0.59
Distância por Link, DPL (px/Link)	A distância média (em pixels) percorrida para formar um elo em cada tentativa	441 (± 80)	429 (± 53)	0.52
Força (unidades abritrary)	Força média (em unidades arbitrárias) exercida na tela do tablet em cada teste	5.5 (± 3.5)	9.3 (± 1.8)	0.11
Conde Saccade	Número médio de sacadas em cada prova	71 (22 ±)	90 (24 de ±)	0.10
Contagem de Fixações	Número médio de fixações em cada ensaio	71 (22 ±)	90 (24 de ±)	0.09
Tempo de Fixação (ms)	Tempo médio (em milissegundos) de cada fixação em cada tentativa	308 (± 40)	315 (32 ±)	0.32
Percentual de Fixação (%)	Percentual médio de tempo gasto em uma fixação ao longo de cada ensaio	90.0 (± 2.3)	88,7 (± 2,1)	0.01
Contagem de Piscar	Número médio de blink em cada tentativa	2.0 (± 1.2)	5.0 (± 2.6)	0.04
Taxa de Piscar (Piscas/s)	Número médio de piscadas realizadas por segundo em cada ensaio	0,08 (± 0,05)	0,15 (± 0,06)	0.03
Tamanho da Pupila (abritrary unidades)	Tamanho médio dos alunos em cada ensaio	1588 (± 140)	1648 (± 59)	0.29

Tabela 1: Estatísticas resumidas para métricas cinemáticas em comprimidos e métricas de rastreamento ocular, tabuladas para desempenho de TMT-A e TMT-B por uma jovem adulta saudável. As definições de cada métrica são dadas com desvios padrão entre parênteses. Métricas apresentadas em itálico envolvem a média entre o desempenho de ligação em cada ensaio e, posteriormente, a média sobre todos os ensaios, para TMT-A e TMT-B, respectivamente. Os valores P são listados para testes t pareados e de duas caudas das diferenças nos valores métricos entre TMT-A e TMT-B. Valores p mostrados em negrito indicam efeitos significativos para testes de duas caudas em p < 0,05. Itálico = média das médias de cada teste. Em negrito = Passa no teste de duas caudas, pareado.

Discussion

O trabalho atual apresenta um protocolo abrangente para adquirir simultaneamente dados de rastreamento ocular e fMRI durante a execução do ToC baseado em tablets. A discussão seguinte avalia primeiro vários aspectos do protocolo e depois foca nos resultados apresentados para um participante representativo. Aplicações futuras do protocolo também são mencionadas ao longo do texto.

O protocolo foi cuidadosamente elaborado ao longo de vários anos, com base na longa experiência adquirida no desenvolvimento do sistema de tablets e na realização de pesquisas de fMRI envolvendo tanto o tablet quanto o rastreamento ocular (mas sem combinar os dois últimos componentes). Em particular, todas as etapas relacionadas à calibração garantem que os dados obtidos reflitam com precisão o desempenho dos participantes. A calibração do tablet no início da sessão garante que a caneta (e cursor) acompanhe com precisão o comportamento de escrita e desenho na tela de realidade aumentada, independentemente de qualquer alteração na visão da câmera que possa ter ocorrido durante o manuseio. Para garantir que o movimento da cabeça não confunda significativamente os resultados, a calibração do rastreamento ocular e a correção de deriva são implementadas e validadas com base nas recomendações do fabricante e no software do sistema disponível, além do monitoramento contínuo do fluxo de dados de rastreamento ocular durante os ensaios. Calibração incorreta ou omitida, tanto para o tablet quanto para o sistema de rastreamento ocular, pode gerar resultados tendenciosos. No entanto, os resultados de comprimidos e monitoramento ocular apresentados aqui, assim como outros gerados no laboratório, sugerem que dados de excelente qualidade podem ser obtidos em adultos saudáveis. Processamento adicional de dados pode ser necessário no futuro em outros grupos do estudo, como idosos ou pacientes com condições neurológicas ou psiquiátricas. Por exemplo, os dados podem precisar ser excluídos da análise devido a períodos intermitentes de movimento excessivo da cabeça (conforme determinado a partir das estimativas de movimento obtidas na seção 2.6.1.2 do protocolo). Porções iniciais dos dados na primeira rodagem também podem precisar ser excluídas devido a efeitos de aprendizagem ou habituação (persistentes mesmo após o treinamento inicial), embora seu curso temporal também seja interessante de caracterizar em pesquisas futuras e possa fornecer um mecanismo adicional para distinguir o desempenho do TMT nessas populações do de adultos jovens saudáveis.

Pulsos de gatilho são importantes para o protocolo, permitindo o registro sincronizado do tablet, o rastreamento ocular e fluxos de dados de fMRI. Enquanto o sinal da fMRI é baseado em respostas hemodinâmicas BOLD, que normalmente variam na escala de segundos, os dados de rastreamento ocular e cinemática de comprimidos mostram conteúdo significativo na faixa de 10-100 ms. A sincronização temporal do conjunto coletivo de dados oferece, assim, uma oportunidade única para estudar mecanismos de percepção, cognição e ação durante a performance do TMT com detalhes temporais sem precedentes. Investigações iniciais puderam caracterizar a associação entre atividade cerebral em regiões específicas do cérebro e parâmetros de rastreamento ocular que foram temporalmente mediados em ensaios TMT-A e TMT-B. Para um grupo de participantes, isso permitiria investigar possíveis associações entre a atividade de uma determinada região cerebral e cada parâmetro de rastreamento ocular, usando regressão linear simples e cálculo de coeficientes de correlação. Explorar se características adicionais da ativação espaço-temporal podem ser resolvidas nos dados da fMRI usando as flutuações rápidas no tablet e os dados de rastreamento ocular também é de interesse no futuro. Trabalhos emergentes mostram que os parâmetros de aquisição de dados da fMRI podem ser ajustados para medir sinais BOLD com amostragem muito mais fina; por exemplo, um período de amostragem de 100 ms com fMRI INI resultou em melhor detecção da dinâmica de ativação cerebral³¹. Trabalhos recentes investigando o TMT baseado em tablets usando EEG também mostraram que períodos de ligação intra-tarefa e não ligação estão associados a diferentes padrões espaciais de potência da banda^{de frequência 10}, motivando o uso do protocolo para buscar associações semelhantes de sinais de fMRI. Reconhecer a resposta hemodinâmica subjacente aos sinais de fMRI é muito mais lento do que a escala de tempo das sacades e fixações, porém, os primeiros passos nessa direção provavelmente envolverão caracterizar possíveis diferenças no desempenho do TMT-A e TMT-B envolvendo comportamentos que ocorrem no início versus no final da sequência de ligação (sendo este último particularmente desafiador no TMT-B); e possíveis diferenças entre links que são difíceis de realizar versus aqueles menos desafiadores, baseados na inspeção visual do rastreamento ocular e dos dados cinemáticos.

O protocolo inclui um módulo de treinamento que permite que os participantes se familiarizem com respostas baseadas em tablets e executem os movimentos de ligação necessários para realizar o TMT. Esse tipo de treinamento (incluindo modificações futuras adaptadas a outras tarefas ou outros ToC em estudo) é projetado para desenvolver proficiência naqueles que têm pouca experiência em interagir com tablets de computador, como alguns idosos, e naqueles que podem enfrentar dificuldades nesse modo de comunicação devido a disfunções cerebrais. O ambiente de realidade aumentada, incluindo o VFHP do feed de vídeo da câmera de vídeo do tablet, permite interações com tablets com alta validade ecológica, mas não proporciona uma experiência completamente idêntica à escrita e desenho típicos usando caneta e papel. Por exemplo, o participante deve fazer suas respostas deitado no ímã e observando gráficos computacionais, incluindo uma apresentação desencarnada da mão sem a entrada proprioceptiva natural normal e coordenadas espaciais centradas no corpo. Embora estudos futuros possam ser contemplados para explorar as consequências de manipular esses dois últimos fatores, as evidências anedóticas atuais sugerem que, com treinamento simples, indivíduos saudáveis rapidamente e facilmente se tornam proficientes no uso dessa tecnologia de tablet, de modo que os efeitos de aprendizagem em estudos de fMRI baseados em tablets podem ser negligenciados após um curto módulo de treinamento.

O protocolo atual pode ser usado no futuro, com fMRI realizada durante o módulo de treinamento, para fornecer evidências científicas quantitativas a favor ou contra a última afirmação. (Em estudos anteriores de fMRI baseados em tablets sobre o TMT que não incluíam o treinamento, os dados de neuroimagem do primeiro ensaio de TMT-A e TMT-B foram descartados para evitar efeitos de aprendizagem^10,19.) Também será interessante explorar os efeitos de aprendizagem baseada em tablets e ToC em várias populações de pacientes (como aqueles com comprometimento cognitivo), o que pode exigir aprimoramento do módulo de treinamento. Em outras investigações fora do magnetismo, o módulo de treinamento também poderia ser adaptado para servir como uma ferramenta útil de triagem, permitindo que participantes pacientes que não cumprem as instruções ou que não conseguem realizar tarefas adequadamente sejam excluídos dos estudos de imagem.

Como último ponto de discussão relacionado à tarefa de treinamento, é importante notar que a neuroimagem funcional do ToC geralmente é limitada pela natureza ruidosa dos sinais de ativação cerebral e pela necessidade de analisar longos dados de séries temporais em múltiplas repetições de tarefas para obter mapas de ativação cerebral estatisticamente^{significativos 32}. Esse procedimento é diferente da apresentação típica do ToC, na qual o teste é aplicado uma vez. À medida que as capacidades das modalidades funcionais de neuroimagem melhoram no futuro (por exemplo, realizando fMRI em campos magnéticos ultraaltos de 7 T ou mais), pode ser possível comparar a ativação cerebral de um teste único de cognição com a obtida em múltiplos testes. No entanto, atualmente, foi demonstrado que o desempenho do TMT baseado em comprimidos em múltiplos ensaios tem validade convergente razoável com o desempenho do teste real de papel^{e caneta 15}.

Embora projetado para facilitar avaliações de ToC com fMRI, o protocolo é inerentemente flexível e modificável para acomodar objetivos de pesquisa amplos. Por exemplo, a câmera de vídeo do tablet foi adicionada especificamente para permitir que o VFHP fortaleça a validade ecológica, mas pode ser excluída se não for necessária, ou ligada e desligada para diferentes condições da tarefa (como em estudos que exploram a integração entre processamento visual, proprioceptivo e motor). Além disso, o comprimido pode ser facilmente usado sincronizadamente com o sistema de rastreamento ocular em ambientes sem ressonância magnética, exclusivamente para testes comportamentais, ou com outras modalidades funcionais de neuroimagem, como EEG, espectroscopia funcional no infravermelho próximo e tomografia por emissão de pósitres. Modificações de hardware podem ser necessárias no caso de estudos envolvendo magnetoencefalografia (MEG), para suprimir o campo de franja magnética da tábua bem abaixo do femtoTesla nos sensores de campo magnético MEG. Dependendo das necessidades experimentais, o protocolo também pode ser ampliado para incluir outros equipamentos de apresentação e registro de respostas de estímulos sensoriais. Por exemplo, isso pode incluir fones de ouvido compatíveis com ressonância magnética para apresentar estímulos auditivos, e caixas de botões para registrar respostas ao apertar botões, permitindo que os sinais de ativação cerebral de ToC arbitrário sejam comparados com aqueles gerados por tarefas de design relacionadas a blocos ou eventos, mais tipicamente adotadas pela comunidade de neuroimagem funcional. Outras mudanças no protocolo podem ser feitas para considerar deficiência motora ou visual em várias populações de pacientes. Por exemplo, tarefas adicionais de controle poderiam ser adicionadas que incluam movimentos simples de desenho (como ligar repetidamente dois estímulos com muito menor demanda cognitiva), permitindo estimar a contribuição do comprometimento motor para o desempenho geral do TMT (ou seja, examinando os contrastes de ativação cerebral (TMT-A versus repouso; desenho simples versus repouso; TMT-A versus desenho simples; e de forma semelhante para o TMT-B). O número de ligações necessárias no TMT-A e TMT-B pode ser reduzido para diminuir a possibilidade de fadiga muscular. A deficiência visual pode ser acomodada apresentando estímulos visuais maiores ou estímulos com contraste de exibição mais forte. No entanto, seria necessário realizar fMRI adicional dos grupos controle com essas modificações para fornecer uma avaliação imparcial da atividade cerebral dos pacientes versus os controles.

Apesar de sua robustez, o protocolo pode passar por várias melhorias. Em particular, é relativamente trabalhoso para executar: o uso de três ou mais profissionais de laboratório (incluindo um tecnólogo para operar o sistema de ressonância magnética) é desejável para alcançar alta eficiência durante a montagem e desmontagem do equipamento, e durante a coleta de dados (um indivíduo para monitorar os tablets e outro para monitorar o computador de rastreamento ocular). Com dois funcionários treinados em nosso local, atualmente são necessários 10 minutos antes e depois da ressonância magnética para a preparação e desmontagem, embora esses tempos possam ser reduzidos com a participação de outro membro do laboratório para ajudar. No futuro, um ganho de eficiência de tempo poderia ser alcançado "pré-configurando" certos componentes de hardware e fazendo uso mais eficiente dos carrinhos de equipamentos para facilitar o transporte e estabelecer conexões de cabos. A instalação permanente (parcial ou total) na suíte de ressonância magnética seria a opção mais fácil, se espaço e disponibilidade de equipamentos permitirem.

Em seguida, o protocolo foi demonstrado obtendo os resultados representativos do comprimido, do rastreamento ocular e da fMRI de um jovem adulto saudável voluntário. Os resultados atenderam em grande parte às expectativas, conforme descrito abaixo, mas, inicialmente, deve-se enfatizar que os valores obtidos para as diversas métricas comportamentais e áreas cerebrais ativadas foram estatisticamente avaliados no nível do participante interno e não levam em conta a média e a variabilidade no nível do grupo. Futuros testes multimodais de uma grande coorte de indivíduos saudáveis serão necessários para obter informações em nível de grupo como dados "normativos", que poderão ser comparados com os resultados obtidos em testes análogos de populações de pacientes com disfunção cerebral. Os cálculos do tamanho da amostra para tais estudos provavelmente serão impulsionados pela baixa relação contraste-ruído dos sinais de fMRI, bem como pelo custo de aquisição desses dados. Algumas ferramentas estão disponíveis na literatura científica para estimativa do tamanho da amostra^{de fMRI 32}. Com essa condição, a narrativa atual foca principalmente em interpretar brevemente as tendências e efeitos significativos observados.

O participante demonstrou um tempo de conclusão ligeiramente maior e maior duração de não ligação para o TMT-B em comparação com o TMT-A, replicando achados anteriores baseados em comprimidos e consistente com o desempenho estabelecido do TMT nos^{artigos 2, 18 e 33}. Esses achados podem refletir a necessidade de mais tempo para processar, pesquisar e identificar o próximo alvo correto no TMT-B versus TMT-A, considerando que o TMT-B é considerado mais desafiador mentalmente. Nenhum erro foi registrado para nenhuma das condições, e todos os testes de TMT foram concluídos dentro do tempo alocado, consistente com a conclusão padrão de TMT por adultos jovens, educados^{e saudáveis 2}. O valor SPL foi maior para TMT-B do que TMT-A, como esperado, dado que tanto TMT-B quanto -A têm o mesmo número total de links, e o tempo de conclusão TMT-B foi maior. Apesar do aumento da complexidade da busca visual no TMT-B, valores ligeiramente maiores de D e EDT foram observados no TMT-A. Ambas as métricas foram desenvolvidas recentemente para o trabalho atual, portanto não há comparações específicas feitas com relatórios da literatura TMT baseada em tablets anteriores. No entanto, especula-se que o desempenho mais lento no TMT-B possa ter alterado a posição do indivíduo no gráfico de "troca velocidade-precisão^{" 34} em relação ao seu desempenho mais rápido no TMT-A — levando assim a uma ligação mais precisa com valores associados diminuídos de D e EDT. Essa interpretação precisa ser confirmada em testes futuros.

Os resultados da métrica de rastreamento visual desse participante são intrigantes. Um número ligeiramente maior de saccades e fixações, contagem de piscadas e taxa de piscadas foram encontrados quando o participante realizou TMT-B em comparação com TMT-A. Contagens maiores de saque e fixação podem indicar efeitos de busca visual aumentados entre os estímulos visuais na condição B. Apoiando essa possibilidade, trabalhos anteriores mostraram que ambas as contagens aumentam conforme o custo mental para processar um array de busca^{mais complexo 35} aumenta. O aumento na quantidade e na taxa de piscadas para TMT-B em comparação com as TMT-A pode representar maior controle cognitivo para a condição anterior da tarefa. Curiosamente, muitos estudos apoiam que a taxa de piscadas espontâneas nos olhos (e a contagem de piscadas dentro de uma duração fixa do ensaio, como estudado aqui) são indicativos úteis da atividade^{dopaminérgica 36}. A dopamina é um neurotransmissor importante envolvido no aprendizado, memória de trabalho e comportamento orientado a objetivos³⁷, todos eles fundamentando o desempenho bem-sucedido do TMT e sendo exigidos em maior grau no TMT-B em comparação com o TMT-A. Diversos estudos que investigam piscadas espontâneas e provocadas por tarefas mostram que ambas as métricas são sensíveis a modulações do controle^{cognitivo 38}. Por fim, foi observado um tamanho médio de pupila muito semelhante para ambas as partes do TMT, sugerindo que o participante conseguiu realizar ambas as partes com níveis semelhantes de esforço mental sem sobrecarregar sua capacidade^{de processamento 38}. Essas interpretações são novamente consistentes com a literatura sobre desempenho^{TMT 2} e que o participante realizou ambas as partes de forma eficiente, sem erros. Trabalhos futuros serão necessários para investigar as características detalhadas do olhar associadas ao comportamento do TMT intra-tarefa. Esse tipo de trabalho será extremamente interessante, fornecendo meios para avaliar até que ponto os comportamentos de busca visual a) precedem as respostas em tablets; b) são alterados para links que são difíceis de executar versus aqueles que são fáceis de executar devido à distribuição espacial de estímulos numéricos e de letras, e c) são alterados quando erros de desempenho no TMT são cometidos.

Sobre o tema dos erros no desempenho do TMT, o registro e a quantificação de erros serão aspectos importantes de pesquisas futuras que estão fora do atual estudo de prova de conceito de um jovem adulto saudável de alto desempenho. O protocolo atual é limitado ao registro de erros de desempenho do TMT no momento da aquisição dos dados, mas pode ser facilmente ampliado para incluir o número de erros cometidos nas tentativas TMT-A e TMT-B, bem como medidas estatísticas de tendência central e variação para um participante, baseadas na avaliação manual de arquivos de vídeo digitalizados das interações com a caneta. Além disso, é necessária uma rubrica para categorizar os tipos de erros de desempenho do TMT. Uma vez que dados suficientes de erro sejam acumulados por inspeção manual, também deve ser possível desenvolver métodos de inteligência artificial para detectar e classificar erros com precisão, tornando o processo de avaliação de erros muito menos demorado.

A análise de neuroimagem revelou ativação significativa e generalizada (tanto para as tarefas do TMT-A quanto do TMT-B analisadas em conjunto versus a condição de repouso) em regiões do cérebro, incluindo aquelas responsáveis pelo processamento visual, função motora e percepção e integração sensorial. A ativação dessas regiões se assemelha à ativação da fMRI observada em estudos anteriores de neuroimagem^{TMT 15,19}. Como exemplo simples de ativação associada à função motora, a região pré-central do giro da mão contralateral (esquerda) foi ativada positivamente pela resposta motora do destro, e também houve um pequeno agrupamento de ativação ipsilateral negativa (não mostrada na Figura 8), padrões característicos de ativação para regiões sensorimotoras primárias durante movimentos relevantes para a^{tarefa 39,40}. Mesmo com um limiar e correção relativamente conservadores, a força da ativação da fMRI para esse participante sugere que a tarefa é uma boa sonda da função visuomotora, incluindo no cerebelo e no mesencéfalo. No entanto, conclusões específicas sobre as regiões cerebrais que sustentam o desempenho da TMT não devem ser extraídas dos dados para esse único participante, que são incluídos apenas para demonstração. Note também que a falta de atividade observada no contraste TMT-B versus TMT-A não foi surpreendente para um único participante. Esse contraste específico é conhecido por ser "fraco", normalmente exigindo análise de dados de fMRI de um grupo amostral maior, bem como um pipeline de processamento de imagem cuidadosamente otimizado para detecção confiável dos sinais^{de ativação 41}. Esses últimos pontos enfatizam novamente que o trabalho atual de neuroimagem demonstra prova de conceito em desenho experimental, registro e análise de fMRI, mas serão necessários estudos futuros envolvendo um ou mais grupos de participantes (por exemplo, indivíduos com doenças neurológicas e controles saudáveis) para obter resultados generalizáveis em nível populacional.

É importante enfatizar que as métricas desenvolvidas para esse protocolo (para quantificar respostas de monitoramento em comprimidos e olhos relacionadas à TMT, e ativação cerebral durante a fMRI) não são exaustivas. Em vez disso, eles se baseiam na experiência conduzindo estudos TMT-fMRI baseados em tablets e estudos de fMRI envolvendo rastreamento ocular ao longo dos últimos anos. As métricas de tablet e rastreamento ocular não são necessariamente independentes e podem ter certas codependências, sugerindo que uma análise multivariada de sua associação com os dados TMT-fMRI seria benéfica, por exemplo, usando o método dos mínimos quadrados^{parciais 42}. No futuro, novas métricas que quantifiquem aspectos do caminho do olhar seriam úteis, como parte da caracterização da variabilidade intra e interindividual no desempenho correto dos testes (e nos erros), inclusive entre grupos de indivíduos saudáveis, bem como entre pacientes. A expectativa é que esse trabalho revele ganhos substanciais na sensibilidade e especificidade do TMT para pacientes discriminados dos controles usando dados de TMT baseado em tablet, rastreamento ocular e fMRI e métricas quantitativas associadas, em comparação com a administração padrão de TMT em papel e pontuação padrão do TMT. Se essa previsão estiver correta, também haverá oportunidades para explorar se a discriminação pode ser melhorada ainda mais por meio de várias abordagens de inteligência artificial e pelo desenvolvimento de ToC completamente novo e moderno, utilizando os insights obtidos com esse programa de pesquisa como um todo.

Em conclusão, um novo protocolo multimodal é apresentado para avaliar o desempenho humano do ToC usando tecnologia de tablets computadorizados, rastreamento ocular e fMRI. Quando comparado aos protocolos de pesquisa relacionados, porém^{mais simples, 20,43,44,45}, o protocolo atual é considerado mais informativo devido à inclusão de tecnologia de tablets com alta validade ecológica aliada ao rastreamento ocular, mantendo um desenho de estudo ergonômico e eficiente. O protocolo oferece a oportunidade de correlação contínua entre desempenho da tarefa, atividade neural e métricas de movimento ocular em diferentes frameworks multivariados e de aprendizado de máquina para explorar as bases neurais da ToC. Os dados piloto, envolvendo um jovem adulto representativo e saudável realizando a TMT baseada em tablets, são muito promissores. O protocolo assim abre a porta para um grande programa de pesquisa que inclui o desenvolvimento de uma compreensão muito mais aprofundada das bases neurais do ToC, bem como a investigação do potencial de usar ToC existente e recém-desenvolvido, combinado com rastreamento ocular e neuroimagem funcional para caracterizações muito mais sensíveis e específicas de pacientes com diferentes disfunções cerebrais, em comparação com indivíduos saudáveis.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sistema de ressonância magnética 3T com bobina de cabeçote de 64 canais	Siemens Healthineers (Erlangen, GER)	Magnetom Prisma	Registros de dados de fMRI.
Filtro de Interferência Eletromagnética	Spectrum Control Inc. (Fairview, PA, EUA)	56-705-005-LI	Passa sinais de tablet e stylus da sala de ímãs para a caixa de interface do tablet.
Software de rastreamento ocular	SR Research Ltd. (Ottawa, ON, CAN)	EyeLink Explorer (versão 4.3.1, 64 bits)	Permite visualização e processamento de dados com rastreamento ocular.
Aplicação de Edição Gráfica	Microsoft Inc. (Redmond, WA, EUA)	Pintura	Usado para familiarizar os participantes com a escrita e o desenho em tablet.
MATLAB	MathWorks Inc.  (Natick, MA, EUA)	R2022a	Usado para analisar dados de comprimidos cinemáticos e realizar análises estatísticas.
Rastreador de Olhos compatível com ressonância magnética	SR Research Ltd. (Ottawa, ON, CAN)	EyeLink 1000 Plus	Registra dados de rastreamento ocular durante a fMRI.
Projetor compatível com ressonância magnética	Avotec, Inc. (Stuart, FL, EUA)	Visão Silenciosa	Apresenta estímulos visuais de realidade aumentada ao participante.
Componentes para tablets compatíveis com ressonância magnética (incluindo superfície sensível ao toque, plataforma de suporte elevada ajustável, caneta sensível à força, iluminador de diodo emissor de luz)	Não aplicável	Não aplicável	Projetado sob medida e montado no laboratório. Veja as referências 12, 13 para detalhes.
Software de Apresentação de Estímulos	Ferramentas de Software de Psicologia (Sharpsburg, PA, EUA)	E-Prime, versão 2.0	Software para desenvolver e administrar todos os treinamentos e implementações de tarefas baseados em tablets.
Computador de Estímulo/Resposta	Não aplicável	Não aplicável	Design multicomponente. Veja a referência 13 para detalhes.
Aplicação de Driver de Superfície sensível ao toque	ELO Touch Solutions Inc. (Milpitas, CA, EUA)	Driver de Toque Único	Usado para calibrar a superfície sensível ao toque quando os participantes realizam tarefas touch-to-target.
Dispositivo de Disparo e Resposta	Instituto Rowland (Cambridge, MA, EUA)	Caixa de Resposta USB Rowland	Usado para sincronizar no tempo tarefas baseadas em tablets, rastreamento ocular e fluxos de dados de fMRI.
Câmera de Vídeo	MRC Instruments GmbH (Heidelberg, GER)	12M-i	Grava vídeos das interações da mão e da caneta na superfície sensível ao toque do tablet.
Computador de Câmera de Vídeo	Não aplicável	Não aplicável	Design multicomponente. Veja a referência 13 para detalhes.