Medicine

一个神经科学方法脑震荡的学生运动员的考试

Published: December 8, 2014 doi: 10.3791/52046

Caroline J. Ketcham¹, Eric Hall¹, Walter R. Bixby¹, Srikant Vallabhajosula², Stephen E. Folger², Matthew C. Kostek³, Paul C. Miller¹, Kenneth P. Barnes¹, Kirtida Patel⁴

¹Department of Exercise Science, Elon University, ²Department of Physical Therapy Education, Elon University, ³Department of Physical Therapy, Duquesne University, ⁴Department of Sports Medicine, Elon University

Summary

有一个在个人的风险冲击及其相应的恢复极大的可变性。从多方面入手，以震荡评价是必要的;包括运动员参与体育运动，及时的评估后受伤之前的基准测试。此协议的目的是提供一个合适的多方面的方法来检查脑震荡。

Abstract

脑震荡是发生在美国惊人的速度，已经成为一个严重的公共卫生问题。疾病预防控制中心估计，1.6至380万，每年脑震荡发生在体育和娱乐活动。震荡的2013震荡共识声明定义为“可能造成或者通过直接打击头部，面部，颈部或身体其他部位有传送到头上的'冲动'的力量。”脑震荡留下个人提供短期和长期影响。运动相关的脑震荡短期影响可能包括改变播放能力，思维混乱，记忆障碍，意识丧失，反应时间慢，协调，头痛，头晕，呕吐的丧失，睡眠方式的改变和情绪变化。这些症状通常解决天的事。然而，尽管一些人从一个单一的震荡而迅速恢复，许多经验挥之不去的影响，可以持续数周或数月。该因素相关的震荡易感性和随后的恢复时间是不为人所熟知或理解，在这个时候。几个因素已经提出，它们包括个人的历史震荡，初始损伤的严重程度，偏头痛史，学习障碍的病史，精神病合并症的历史，以及可能的话，遗传因素。许多研究都单独调查某些因素均震荡，恢复时间当然，易感性和复苏的短期和长期影响。什么还没有明确规定是一种有效的多方面的方法来评价震荡，将产生相关的病因，功能改变和恢复有价值的信息。这份手稿的目的是要表明这样一个多层面的接触使用电脑的神经认知测试，事件相关电位，体感知觉反应会检查脑震荡，平衡驴sment，步态评估和基因检测。

Introduction

脑震荡是发生在美国惊人的速度，并囊括了不少关注的公共健康问题^。1-3美国疾病控制和预防中心（CDC）的估计，1.6至380万的脑震荡发生在体育和娱乐活动每年，由2013年的震荡共识声明²定义^4,5震荡“可能造成或者通过直接打击对身体的头部，面部，颈部或其他与传送到头上的'冲动'的力量。”震荡可能导致神经病理学和/或子结构的变化可能会导致功能障碍的^。2，这些缺陷可能会持续数周。这种情况并不少见。运动员遇到增加自我报告的症状，递减在姿势控制，降低神经认知功能甚至后14天的初始损伤⁶症状的长期性质，在一致的鉴定脑震荡，并在受伤前的能力的可变性常常导致复杂的和非标准化的返回到播放决定由医师，不确定的恢复时间，并有可能长期后遗症^。7-9

经过震荡，个人可能会遇到的短期和长期影响。运动相关的脑震荡短期影响可能包括改变播放能力，思维混乱，记忆障碍，意识丧失，反应时间慢，协调，头痛，头晕，呕吐的丧失，睡眠方式的改变和情绪变化。这些症状通常解决天的事^。2,10然而，尽管一些人从一个单一的脑震荡中恢复相当快，很多经验挥之不去的影响，可以持续数周或数月后的伤害^。10,11,12这些症状的扰动日常功能可以通过认知和性能与量化ð测试。虽然没有一个单一的测试应该确定脑震荡，测试电池的诊断和测试之间的已知关系可以做出诊断帮助医务人员，回到教室，并返回到播放的决定^。2

有一个在个人的风险冲击及其相应的恢复很大差异^。11〜震荡易感性和恢复时间课程相关的因素没有得到很好的已知或理解的。几个因素已经提出了可能影响个体的震荡易感性和恢复。这些因素包括个体的震荡历史，初始损伤的严重程度，偏头痛史，学习障碍的病史，精神病合并症的历史，以及可能的遗传因素^{。7，第9，第13，14}

许多研究已经调查了单独的具体因素对两者的短期和长期影响脑震荡，恢复时间当然和遗传学作为脑震荡的一个因素^。4,8,15-17什么还没有明确规定是一种有效的多方面的方法来评价震荡，将产生相关的病因，功能改变有价值的信息，并恢复从脑震荡。由于各种症状和恢复的不确定当然，从多方面震荡的评价是必要的，这应该包括所有的运动员在参赛前的练习和比赛基准测试以及及时评估后受伤。最近的审查表明，神经认知评估可能是从震荡比单独监控症状更加敏感复苏^。18这可能是有其他目的的措施，可能是从震荡复苏的更好的指标。

此协议中，我们使用几个任务，以评估该系统的各种部件，看看它们是如何影响B雅震荡。计算机化的神经认知测试可以评估的内存，处理速度快，解决问题的能力，认知效率和冲动控制^。6 EEG与听觉和视觉处理任务，可以使用通过事件相关电位的检查，以评估^{neuroefficiency。19将}体感识别任务可以用于评估外周和中枢感觉处理能力^。20余额和步态措施可以用来评估功能表现能力^。6,21此外，我们评估，可能有关系到震荡历史，震荡恢复和认知功能的各种基因型^。22，我们在这组测试基准测试我们校队的学生运动员，重复测试，如果他们收取震荡时无症状。

本项目的目的是利用基因，neuroc评估性能震荡的结果潜在的短期和长期的递减ognitive，电生理，行为，体感，平衡和步态的措施。了解这可能与脑震荡发生在推动我们对震荡的知识很重要的各种症状和损伤的潜在机制。这些变化可能在震荡诊断未来援助大knowledgle以及脑震荡的管理，因为它涉及到回到赛场，回到学术界。

下面描述的所有措施都采取了在基准（前体育学生运动员参与）。我们目前的协议来完成电脑的神经认知测试在48小时伴随着平衡的协议，因为我们相信这些提供关于恢复和可能返回到播放，并返回到学者的有用信息。当学生运动员报告无症状，他们再次返回到除了基因检测再次进行的所有基本措施，实验室。完整的协议，BASELINE和无症状，大约需要90分钟才能完成一个测试阶段。

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Protocol

下面描述的所有程序已经批准伊隆的机构审查委员会。

1.电脑神经认知测试

要求参与者在电脑前坐下。登录到系统的参与者和指导他们完成电脑神经心理测试，由人口和背景信息部分，自报症状自评量表，以及6个模块（字歧视，设计内存，X和O的，符号匹配，色彩搭配，以及三个字母）。
下载总结报告，并进入四复合分数言语记忆，视觉记忆，反应时间和电机的处理速度。

2.事件相关电位

测量头围使用卷尺，以确定要使用的脑电图净的大小。通过测量解剖标志确定EEG网布局。
浸泡EEG网等lution氯化钠和婴儿洗发水5分钟。
将EEG网对参与者的头上。我们使用的系统包括32个频道。
检查电脑上的网站阻抗水平。对于我们的系统，低于100欧姆的阻抗被认为是可以接受的。
解释认知任务，让参与者练习每一个任务。
1. 听觉穿着或行为古怪任务：指示参与者戴上耳机，坐在舒适的桌子。告诉他们，他们会听到一连串的低音和高音，并通过点击一个按钮，高频听觉语气快速而准确地做出反应。
2. 侧卫任务：指导参与者坐在电脑屏幕前，他们将获得一系列的箭头投射到屏幕上的。指导参与者通过点击鼠标左键，如果它是指向左边或单击如果它是指向钻机鼠标右键来应对中间箭头方向HT迅速和准确地。
指导学员完成这两个听觉古怪的任务和侧卫任务两项试验。
去除EEG净额参与者和浸泡在消毒液杀菌10分钟清洁EEG网。

3.体感知觉回应

舒适座位参与者的人用左手以俯卧位休息感官刺激的设备上和他们的手指沿着装置具有放置成与刺激探针接触位数2和3的衬垫尖端的轮廓位置²³
请参与者查看计算机显示器上的任务相关的说明和提示，并采用两键鼠标进入应答。项目5个不同的测试：2简单单活性中心反应时间的任务，一个双位点幅度鉴别^，24与单个站点适配刺激^，24和一个双位点振幅任务一时间顺序判断的任务^。25
前每个测试运行开始时，在计算机上的线索将指示参与者完成练习试验，以与任务熟习。电脑会给出每个测试后，学员表现的意见（如正确的，不正确的）。

4.平衡协议

指导参与者穿上防滑袜，然后站在平衡系统上，成为熟悉的工具。
指示参与者站立在一个舒适的位置，与屏幕上的中央点相匹配的压力点的中心。研究人员记录下这舒适的起始位置，这样所有的测试发生在同一只脚的位置，而站在设备上。
请参与者静置30秒，每四个条件（睁眼/坚硬的表面，闭着眼睛/坚硬的表面，睁眼/泡沫表面，闭眼/泡沫表面）。提供参与者每个条件和每个记录开始前3秒倒计时之间的10秒休息。
同时完成次要任务重复各条件。指导他们向后7开始从给他们（例如 843）随机3位数字计算。
记录一个摇摆指数得分，摇摆的每个条件和压力数据中心后用于进一步分析的量的标准偏差的量度。

5.步态评估

'使用便携式15步态'长地毯仪表步态分析系统在整个地毯的长度存在来检测参与者的脚步声的压力传感器评估的参与者。
要求参与者在整个垫赤脚走在一个舒适的速度五倍离开垫后“垫子和3开始前'的距离为3起。
指示PARTICIPANTS完成五个附加步行试验，而从随机3位数字倒数七的并发认知双重任务。
获得从步态分析输出的因变量包括几个时空参数，如速度，节奏和步长绝对值和变化的措施。

6.遗传学

请参与者谨慎从无菌容器中取出棉签棒（小心只触摸棉签棒的棒结束），将拭子放入嘴里，大力搓拭双颊内总共20秒。
手棉签粘谁是戴乳胶或丁腈手套的技师。仅握住棒端，然后将拭子末端放入无菌1.7毫升管（标记有唯一的识别号码），它被立即置于冰上。
在24小时内转移样品到-20℃的冰箱中。
DNA提取使用根据制造商的协议的标准的DNA纯化试剂盒。为了获得更浓缩的样品，萃取后，执行一个异丙醇沉淀步骤和在20μl的EDTA缓冲液（pH 8.0）中再水化的DNA。
储存在-80℃下提取的DNA，直至使用标准聚合酶链反应（PCR）测定用荧光标记的基因分型分析。
“呼”的基因型PCR软件，然后通过观察PCR扩增曲线手动验证。

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Representative Results

计算机化神经认知测试

结果计算机化神经认知测试的一个例子可以看出，在图1中的计算机程序引发综合得分上言语记忆，视觉记忆，可视电动机速度和其经常被用来使返回到播放并返回到反应时间-learn震荡的管理协议。在语言和视觉记忆力的复合材料评估注意过程，学习和记忆。视觉电机速度的措施视觉处理，学习记忆和视觉运动反应速度（影响临床解读手册）。它还列出了总症状评分的测试，冲动控制分数和认知效指数的时间。该脉冲控制得分是相关于检测作出错误的数量，并可以是在解释结果是有用的。认知效指数试图测量的速度和准确性之间的折衷。如果学生一thlete经历了脑震荡，他们被要求无症状时回来在48小时以下的震荡和。根据复苏的长度学生运动员可能会被要求完成评估，研究恢复。假定以下震荡会有对1的综合得分的一个或多个性能显著递减并且将恢复到基线时，因为这无症状经常被用来作为一个指标，返回到播放并返回到学者。

事件相关电位

对于侧卫任务要求参与者到中间箭头指向左边或右边响应。这中间的箭头可以将相同的方向上在两个侧翼箭头侧翼箭头（不一致）的（全等）或相反。从反应能够确定响应精度以及响应时间的箭头为一致和不一致。另外，从胸罩在活动被测量是可能的派生的事件相关电位（ERP）。图2示出的各个数据有关的侧卫任务一课题。这个数据是从所有的侧卫任务的一致和不一致的审判的正确反应平均而得。在研究不同的ERP组件之一通常是在ERP成分的振幅和潜伏期感兴趣。目前，我们正在研究的P3，但是我们也可以考察N1，N2和P2组件。在P3通常300-600毫秒之间发生刺激呈现之后并且被认为代表上下文更新。在P3可以在幅度上被量化，有多高的峰值为基准，和延迟，从发生刺激呈现高峰多久。为听觉穿着或行为古怪任务还能够确定响应精度（正确反应次数），以及响应时间的高音调的音调（不是低音阶）。类似于馅饼KER任务，ERP系统的组件和它们的振幅和延迟可以被确定。

图3和在侧卫和听觉穿着或行为古怪任务的P3的振幅和潜伏期4本初步数据。有人可能会想到，那些谁遭受了脑震荡可能有较大的幅度和更长的潜伏期相比，他们的基准或不脑震荡同行。

体感知觉回应

图5示出被检者的表现（差阈限）上使用和不使用单活性中心适应一个幅度鉴别任务。类似图表，也可以为简单的单活性中心反应时间的任务，双中心幅度鉴别，使用单中心适配刺激和时间顺序判断任务的双位点的幅度的任务来确定。谁遭受脑震荡的个人预计在一个amplit表现更好相比，非脑震荡对照受试者与混杂单个站点适配刺激UDE区分任务。强调的重要一点是，一个受损神经系统（即脑震荡）导致更好的性能上的一些体感测试任务（包括与振幅变乱持续歧视），这是一个有价值的对比度，以在性能上的预期下降注意到其他的感觉和运动试验。测试体感系统可以迅速地进行，并且可以提供一个灵敏的度量来识别一个震荡并在恢复阶段跟踪进度通知返回到播放决定。

平衡

图6是从平衡的协议的结果的一个代表性的例子。的摇摆索引和压力数据中心用于进一步的分析。表1显示了从CE计算的运动学变量压力数据NTER并告诉我们更多关于平衡控制与公正平衡的稳定性。经过震荡平衡与稳定，经常会要么不太稳定（高挥洒）或更稳定（下挥洒）。复苏将是措施时回来基线。这两个变化对从恢复或稳定的损失从而有可能把一个学生运动员的风险增加受伤的准备能力的影响。

步态

图7示出了单个对象的数据输出。数据被从多个试验汇编和分析作为一个大的步行通。表2包括了装置和变异跨震荡历史步态的措施。人们可以期待一个学生运动员之后震荡速度和步行运动将改变。这在动态任务的影响是深远的。步态参数可以帮助我们understanð系统如何控制已发生变化，如何恢复。

遗传学

表3是PCR分析后获得的样本输出。一旦接收到该输出的基因型可被确定为不同的参与者，然后与其他变量如震荡的历史，从震荡和认知功能恢复等同。正在确定目前的基因型包括载脂蛋白E（APOE），APOE的多态性启动子区，儿茶酚-O-甲基转移酶（COMT）和多巴胺受体（DRD2）。

图1：电脑神经心理测试报告示例。

人物2：典型的事件相关电位（ERP）的一个例子的本次调查的目的，感兴趣的组件是P3。

图3：初步的结果表示在幅度和延迟与侧卫任务关联P3差异结果从与正面（Fz的），frontocentral（FCZ），顶叶（PZ）和枕骨（OZ）区域关联的中线电极呈现大脑。此前脑震荡科目显示深灰色，而非脑震荡科目显示为浅灰色。

图4：初步结果表示为P3的振幅和潜伏期的差异相关联听觉穿着或行为古怪的任务。结果列从与正面（Fz的），大脑frontocentral（FCZ），顶叶（PZ）和枕骨（OZ）区域关联的中线电极。此前脑震荡科目显示深灰色，而非脑震荡科目显示为浅灰色。

图5：差别阈限的带或不带单个站点适应在震荡后和恢复幅度歧视任务获得的单科比较与一个单一的网站适应刺激的脑震荡后的表现类似，没有条件刺激的表现。然而，在正常对照组单站点适应刺激的存在导致性能下降（即差别阈限的增加）;类似于恢复PE rformance。

图6：平衡测试报告示例顶部图显示挥洒分数比标准数据。的底部示出了压力数据的中心每次试验。

图7：通过步态分析系统产生实施例的数据的顶部是在垫子上的脚的压力和底部具有所有运动的措施。

表1：在整个条件的压力运动学对策中心的一组学生运动员的具有和不震荡的先前历史。

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表2.从收集的伊隆BrainCARE协议的一部分高中足球运动员的步态评估利用步态分析仪时空参数

表下面PCR分析3.遗传的结果。

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Discussion

这种多层面的方式来基准测试震荡的目标是双重的：1），以更好地了解神经肌肉系统的脑震荡（急性和长期）的影响; 2）帮助运动医学人员对回波发挥决定（他们主要使用神经认知测试，已建议由麦克罗伊^）。26这个多面的方法来评价震荡提供相关的病因，功能的变化，并从震荡恢复有价值的信息。很少了解有关脑震荡的系统的综合影响，作为一个整体，该协议允许从多个学科的科学家不仅要看的影响涉及到他们的专业知识，但对如何微小变化会影响多个系统或行为方面的合作。

这种多学科方法的意义在于更好地了解这些系统可能会受到影响，并恢复f显示时间表ollowing伤害。此协议是目前用于帮助回归到游戏，并返回到学者的决策，并建立数据的身体，以确定哪些组件是在确定受伤和恢复有帮助。这种多学科的方法使研究人员能够了解在任何一个领域，以及它如何可能会影响一些非常实用的任务，如走路或保持稳定和平衡控制赤字。

在这项研究中所使用的方法提供的运动员在他们的大学生涯的开始目标系统的测试，这样，如果发生伤害有一个很好的基准来衡量的恢复。本协议的是最有用的医务人员中的组件基线和伤后神经认知电脑和平衡的评估。平衡衣评估往往是做在场边，并利用客观的测试可能会有所帮助。如果运动员不返回到基线时，运动医学工作人员和学术advisiNG的工作人员可以与运动员确定和个性化计划短期和长期住宿，如果需要的工作。大多数运动员恢复到基线分数在7-10天^，6,10这些数据可以让医务人员有告知和客观的措施，支持与运动员艰难的对话特别是如果恢复时间较长。

一些本协议的限制，包括测试时间，从获得适当的成分在购买和培训研究助理。大约需要90分钟来测试每个学生运动员。的EEG帽可能需要额外的时间以获得阻抗，以所希望的阈值，并且在某些情况下，研究人员必须从测试会话放弃它。我们花时间教育和建立信任，以获得完整的由运动医学人员，教练员，管理人员和学生运动员，在我们的大学是必不可少的能够测试每一个运动员购买。这需要大量的时间研究人员测试所有队打student运动员在我司的大学。我们致力于为我们的总体目标;提供福祉的学生运动员无论在校园，几年来的。因此，需要进行测试，教育，培训和分析时间相比相形见绌可为客户提供价值。

一旦该协议的测试或子集已经建立，研究小组可以提供外展试验本地高中和青年体育队。此外，长期的后续测试就可以完成看看职业生涯的比较结束。这是脑震荡的评估，研究和教育的未来。

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Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
ImPACT	ImPACT, Pittsburgh, PA		Neurocognitive concussion testing
EEG	EGI, Eugene, OR		EEG 32-channel system
Stim2	Compumedics Neuroscan, Charlotte, NC		Software for task presentation for flanker task and auditory oddball
NetStation	EGI, Eugene, OR		Software for data collection and analysis of EEG
Sensory Device	Cortical Metrics		Sensory testing
Balance System SD	Biodex Medical Systems, Inc., Shirley, NY		balance testing
GAITRite	CIR systems, Inc., Sparta, NJ, USA		Gait analysis
PCR	Applied Biosystems, Foster City, CA		Genetic Analysis
Matlab	Mathworks, Natick, MA, USA		Gait and balance analysis