学生·アスリートで脳震盪の検討に神経科学のアプローチ

Summary

脳震盪とそれに対応する回復のための個々のリスクに大きなばらつきがあります。脳震盪の評価に多面的アプローチが正当化される。スポーツとタイムリーな評価損傷後の参加の前にアスリートのベースラインテストを含む。このプロトコルの目的は、脳震盪を検討するための適切な多面的なアプローチを提供することにある。

Abstract

脳震盪は、米国の憂慮すべき速度で発生していると、深刻な公衆衛生上の懸念となっている。 CDCは1.6から3800000脳震盪は年間スポーツやレクリエーション活動で発生すると推定している。 2013脳震盪合意声明で定義されて脳震盪は「どちらか頭に伝え「衝動」の力で体の他の部分に頭、顔、首、またはへの直接打撃によって引き起こされることがあります。「脳震盪は短期両方で個人を残すそして長期的な影響。スポーツ関連の脳震盪の短期的効果は能力、錯乱、記憶障害、意識消失、反応時間の遅延、協調運動障害、頭痛、めまい、嘔吐、睡眠パターンと気分の変化の推移を再生における変化を含むことができる。これらの症状は通常、数日で解決する。そのことができますしかし、いくつかの個人はむしろすぐにシングル脳震盪から回復しつつ、多くの経験長引く効果数週間または数ヶ月続く。要因は、感受性を脳震盪に関連するとその後の回復時間は、このときにも知られているか、または理解されていない。いくつかの要因が示唆されていると、彼らは個人の脳震盪の歴史、初期傷害の重症度、片頭痛の歴史、学習障害の歴史、精神科併存疾患の病歴、および場合によっては、遺伝的要因が含まれる。多くの研究は、個別に特定の因子の両方脳震盪、回復の時間経過、感受性および回復の短期および長期の効果を調べた。どのような明確に確立されていないことは病因、機能変化、およびリカバリに関連の貴重な情報をもたらすでしょう脳震盪評価への効果的な多面的なアプローチである。この原稿の目的は、そのようなコンピュータ化された神経認知検査、イベント関連電位、体性感覚知覚応答を使用して脳震盪を調べている近づいて、バランスを多面ロバを表示することですsment、歩行評価および遺伝子検査。

Introduction

脳震盪は、米国の憂慮すべき速度で発生していると公衆衛生上の懸念として注目のかなり多くを集めている。疾病管理予防^1-3米国センター（CDC）は、1.6から3800000脳震盪がスポーツやレクリエーション活動で発生すると推定している毎年。2013脳震盪合意声明²で定義されている^4,5脳震盪」はどちらか頭に伝え「衝動」の力で頭、顔、首、または身体の他の場所での直接の打撃によって引き起こされることがあります。 "脳震盪月機能障害を生じ得る神経病理学的および/ ​​または下部構造の変化をもたらす^。2これらの赤字が数週間持続し得る。選手は最初の損傷後の姿勢制御における増加した自己報告された症状、デクリメントを経験し、さらには14日神経認知機能の低下することは珍しいことではありません^。6症状の長期の性質を、で一貫性の脳震盪の同定、およびpreinjury能力の変動は、多くの場合、医師、不確実な回復時間、そしておそらく長期的な後遺症により、複雑で非標準化されたリターン·ツー·プレイの決定につながる^。7-9

脳震盪後、個々の短期および長期の両方の効果を経験し得る。スポーツ関連の脳震盪の短期的効果は能力、錯乱、記憶障害、意識消失、反応時間の遅延、協調運動障害、頭痛、めまい、嘔吐、睡眠パターンと気分の変化の推移を再生における変化を含むことができる。これらの症状は通常、数日で解決する^。2,10たが、損傷後の数週間または数ヶ月続くことができるいくつかの個体ではなく、すぐにシングル脳震盪から回復しつつ、多くの経験長引く効果^{。10,11、12}これらの症候性外乱毎日の機能は、認知と性能が関係用いて定量化することができるDテスト。誰も単一のテストは脳震盪、一連のテストの診断を決定するべきではないとテストの間の既知の関係は、診断を行う際に医療スタッフを支援教室に戻り、決定を場に戻すことができますが^。2

脳震盪のための個々のリスクとそれに対応する回復に大きなばらつきがある。感受性と回復時間経過を脳震盪に関連する¹¹の要因は、よく知られているか理解されていない。いくつかの要因が個々の脳震盪感受性と回復に影響を与える可能性があることが示唆されている。これらの要因は、個人の脳震盪の歴史、初期傷害の重症度、片頭痛の歴史、学習障害の歴史、精神科併存疾患の歴史、そしておそらく遺伝的要因が含まれています^{。7、9、13、14}

多くの研究は、個々の短期および長期の両方の効果のための特定の要因を検討した脳震盪の要因として脳震盪、回復時間コース、遺伝学^。4,8,15-17明確に確立されていない、何が効果的な多面的病因、機能的な変更に関連する貴重な情報が得られるだろうな評価を脳震盪するアプローチ、および回復で脳震盪から。起因するさまざまな症状と回復の不確実な時間経過に、脳震盪評価への多面的アプローチが正当化されると、これは事前の練習と競技への参加へのすべてのアスリートのベースライン検査だけでなく、タイムリーな評価ポスト傷害を含める必要があります。最近のレビューは、神経認知評価は、症状のみを監視するより脳震盪からの回復に対してより感受性であり得ることを示唆する^。18これは脳震盪からの回復の良い指標であり得る他の客観的測定が存在することであってもよい。

このプロトコルのために、我々は彼らがBに影響を与えているかを確認するために、システムのさまざまなコンポーネントを評価するためにいくつかのタスクを使用するYA脳震盪。コンピュータ化された神経認知試験は、メモリ、処理速度、問題解決能力、認知効率および衝動制御を評価することができる^。6 EEGを聴覚および視覚処理タスク、イベント関連電位の検討を通してneuroefficiencyを評価するために用いることができる^。19性感覚弁別課題があることができる末梢および中枢感覚処理能力を評価するために使用される^。20バランスと歩行対策機能性能能力を評価するために使用することができる。さらに^、6,21、我々は歴史、脳震盪回復および認知機能を脳震盪する関係を有していてもよいさまざまな遺伝子型を評価する^。22今後ベースラインは、テストのこのバッテリーで私たちの代表チームの学生選手をテストし、彼らは無症候時脳震盪を被る場合、テストを繰り返します。

このプロジェクトの目的は、遺伝的、neurocを用い脳震盪の結果として性能の潜在的な短期および長期の減分を評価することであるognitive、電気生理学的、行動的、体性感覚、バランス、歩行措置。脳震盪で発生するさまざまな症状や障害に関連している可能性が潜在的なメカニズムを理解することは、脳震盪についての我々の知識を促進する際に重要である。それがプレーや学者に戻るに戻るに関連するこれらの変更の大knowledgleは将来の脳震盪の診断の補助としてだけでなく、脳震盪管理で発生することがあります。

以下に説明されているすべての措置は、ベースラインで撮影されている（スポーツの学生運動選手の参加の前に）。私たちの現在のプロトコルは、我々はこれらが回復し、可能リターン·ツー·プレイに関する有用な情報を提供し、リターン·ツー·学者と考えているため、バランスのプロトコルと一緒に48時間でコンピュータ化された神経認知テストを完了することです。学生運動選手が無症候報告すると彼らは再びすべてのベースライン措置が再び遺伝子検査を除き、行われている研究室に戻る。完全なプロトコル、BASELINEと無症候性、1テスト期間中に完了するのに約90分かかります。

Protocol

以下に説明するすべての手順は、エロンの治験審査委員会によって承認されています。

1.コンピュータ化された神経認知テスト

1. コンピュータの前に座っても、参加者に依頼する。システムに参加者をログインし、人口統計や背景の情報セクション、自己報告症状のチェックリスト、および6モジュール（ワード差別、設計メモリ、XのおよびOの、シンボルマッチング、カラーマッチを構成されてコンピュータ化された神経心理学的テストを完了するように指示し、 3文字）。
2. 要約レポートをダウンロードして、言葉の記憶、視覚的記憶、反応時間とモータ処理速度のための4つの複合スコアを入力してください。

2.事象関連電位

1. 使用するEEGネットのサイズを決定するために巻き尺を使用して、頭囲を測定する。解剖学的ランドマークを測定することにより、脳波ネットの配置を決定します。
2. そこらで脳波ネットソーク塩化ナトリウムおよび5分間ベビーシャンプーのリュー。
3. 参加者の頭部に脳波ネットを置きます。我々が使用するシステムは、32チャネルを含む。
4. コンピュータ上のサイトのインピーダンス·レベルを確認してください。私たちのシステムでは、100キロオーム以下のインピーダンスが許容可能であると考えられる。
5. 認知課題を説明し、参加者がそれぞれのタスクを練習しましょう​​。
   1. 聴覚オドボール課題：ヘッドフォンを装着し、テーブルで快適に座って参加者に指示します。彼らは低域と高一連のトーンが聞こえますし、高周波聴覚トーンにボタンをクリックすることで限り迅速かつ正確に可能な限り対応することことを通知。
   2. フランカータスク：彼らはスクリーンに投影一連の矢印が与えられますどこにコンピュータの画面の前に座って、参加者に指示します。それが左を指していた場合、マウスの左ボタンをクリックするか、リグを指していた場合は、マウスの右ボタンをクリックすることにより、中央の矢印の方向に対応するため、参加者に指示HTとして迅速かつ正確に可能な限り。
6. 聴覚オドボール課題とフランカータスクの両方の2つの試験を完了するために、参加者に指示します。
7. 参加者からのEEGネットを外し、10分間殺菌消毒剤に浸漬することにより、EEGネットを清掃してください。

3.体性感覚知覚応答

1. 刺激プローブと接触させて配置桁2と3のパッド入りの先端を有するデバイスの輪郭に沿って配置感覚刺激装置およびその指に載って腹臥位での左手で快適に参加者を座席²³
2. コンピュータのモニタにタスク関連の命令や合図を表示し、2つのボタンコンピュータのマウスを使用して応答を入力するよう参加者に依頼。プロジェクト5の異なるテスト：2単純な単一サイトの反応時間の作業、デュアルサイト振幅差別^、24刺激を適応させる単一のサイトとのデュアルサイト振幅タスク^、24と時間的順序判断タスク^。25
3. 前に各テスト実行の先頭に、コンピュータ上の手がかりは、タスクに慣れるために練習試行を完了するために、参加者に指示します。コンピュータが（;正しくない例えば正しい）各試験後の参加者のパフォーマンスフィードバックが得られます。

4.バランスプロトコル

1. 滑りにくい靴下を置くために、参加者に指示して、楽器と知り合いになるためにバランス·システム上に立つ。
2. 画面の中央にドットで圧力ドットの中心に一致する、快適な位置に立って、参加者に指示します。研究者は、デバイスの上に立っている間、すべてのテストが同じ足の位置で行われるように、この快適な開始位置を記録する。
3. 4つの条件のそれぞれについて、30秒間放置する参加者へ質問（目オープン/固い表面、目はフォーム表面/目を閉じて、/しっかり表面を閉じた目をオープン/フォーム表面）。参加者それぞれの条件と各記録の開始前に3秒のカウントダウンの間に10秒の休息を提供します。
4. 二次タスクを完了しながら、各条件を繰り返します。彼らに与えられたランダム3桁の数字（ 例えば 、843）から始まる7によって後方にカウントするように指示。
5. スウェイインデックススコア、さらなる分析のために、後で使用するために、各条件と圧力データの中心のための動揺量の標準偏差の測定値を記録します。

5.歩行評価

1. 参加者の足音を検出することがカーペットの長さ全体に存在する圧力センサとの長いカーペット計装歩行分析システム「ポータブル15使って歩行」を参加者を評価する。
2. マットを離れた後「マットの開始前および3 '3の距離から始まる快適な速度で裸足マット全体で5回を歩くよう参加者に依頼。
3. participaに指示同時認知デュアルタスクとしてランダム3桁の数字から7によって後方にカウントしながら国税庁は5つの追加の歩行試験を完了します。
4. 歩行分析からの出力として得られた従属変数は、速度、ケイデンスと歩幅のようないくつかの時空間パラメータの絶対及び変動対策を含む。

6.遺伝学

1. （のみ綿棒スティックのスティック最後に触れないように注意して）、慎重にその無菌容器から綿棒スティックを削除するには、参加者に依頼彼らの口の中に綿棒を動かし、激しく20秒の合計で両頬の内側に綿棒をこする。
2. ラテックスまたはニトリル手袋を着用している技術者にハンド綿棒スティックを。唯一のスティックの端を保持し、その後直ちに氷上に置かれ、（識別番号のみで標識）を滅菌1.7ミリリットルチューブに綿棒先端を置く。
3. 24時間の転送内のサンプルは、-20℃の冷凍庫にある。
4. 用いてDNAを抽出製造業者のプロトコールに従って、標準DNA精製キット。より濃縮されたサンプルを得るために、抽出後、イソプロパノール沈殿工程を実行し、EDTA緩衝液（pH8.0）20μlにDNAを再水和する。
5. 蛍光タグで標準ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）アッセイを用いて遺伝子型決定分析を行うまで-80℃で抽出したDNAを保存する。
6. PCRソフトウェアにより遺伝子型を「呼び出し」、その後のPCR増幅プロットを表示して、手動で確認してください。

Representative Results

コンピュータ化された神経認知テスト

コンピュータ化された神経認知試験の結果の一例を図1に見ることができる。コンピュータプログラムは、多くの場合、復帰再生を行い、復帰するために使用される動詞メモリ上の複合スコア、視覚記憶、視覚モーター速度と反応時間を誘発-learn脳震盪管理プロトコル。口頭および視覚的記憶複合材料は、注意のプロセス、学習と記憶を評価する。視覚的なモータ速度を測定視覚処理、学習および記憶および視覚運動応答速度（衝撃臨床解釈マニュアル）。また、テスト時の総症状スコア、衝動調節スコアと認知効率指標が一覧表示されます。衝動調節スコアは、試験で行われたエラーの数に関連し、その結果を解釈するのに有用であり得る。認知効率指数は、速度と精度の間のトレードオフを測定しようとします。学生-Aの場合thleteは、それらが時無症候脳震盪と、次の48時間後に戻って来るように要求され脳震盪を経験する。回復の長さに応じて学生運動選手は、回復を調べるための評価を完了するように要求することができる。これは、脳震盪次複合スコアのうちの1つ以上に性能に大きな減分が存在すると、これは多くの場合に、プレイ戻り、戻りツー学者1つの指標として使用されているので時無症状のベースラインに回復しているものとする。

事象関連電位

フランカータスクの参加者は、左または右にミドル矢印に対応するように求められます。この中央の矢印は、隣接する矢印（一致しない）の2つの隣接矢印（合同）または反対の方向と同じ方向に行くことができる。応答から、合同と一致しないために、矢印に応答精度ならびに応答時間を決定することが可能である。さらに、ブラジャーから活動には、事象関連電位（ERP）を導出することができる測定されている。 図2に、フランカー課題に一つの主題のための個々のデータを示している。このデータは、フランカータスクの一致と一致しない臨床試験のためのすべての正しい応答全体で平均することに由来している。異なるERPのコンポーネントを調べる一つ、典​​型的には、ERP成分の振幅と潜時に興味があります。現在、我々はP3を検討しているが、我々はまた、同様にN1、N2とP2のコンポーネントを調べることができます。 P3は、典型的には、刺激提示の後に300〜600ミリ秒の間で発生するコンテキストの更新を表すと考えられている。 P3はピークは刺激提示から発生するどのくらい、ピークはベースライン、および待ち時間からどれだけ高い、振幅に定量することができる。聴覚オドボールタスクのためには、高ピッチ音（ない低ピッチ音）に対する応答の精度（正確な応答の数）、ならびに、応答時間を決定することも可能である。フランと同様にKerのタスクは、ERPのコンポーネントとその振幅と潜時を決定することができる。

図3と図フランカーと聴覚オドボール課題におけるP3の振幅と潜時のために4存在予備データ。一つは、脳震盪を受けている人たちが自分のベースラインまたは非concussed対応物と比較大きな振幅と長い待ち時間を有することができることを期待することができる。

体性感覚知覚応答

図5は単一のサイトの適応がある場合とない場合の振幅弁別課題に被験者のパフォーマンス（差分閾）を示す。同様のグラフは、単純な単一のサイトの反応時間課題、デュアルサイト振幅差別、刺激的、時間的順序判断タスクを適応させる単一のサイトとのデュアルサイト振幅タスクに決定することができた。脳震盪に苦しむ個人はamplitに良好に機能することが期待される非concussed対照被験者と比較して刺激を適応交絡単一のサイトでUDE弁別課題。強調の重要な点は妥協神経系（ すなわち脳震盪は）パフォーマンスの期待の減少に貴重なコントラストが他の感覚と運動のために注目される（振幅交絡と持続差別を含む）いくつかの体性感覚テストのタスクに優れた性能を導くことであるテスト。体性感覚系のテストを迅速に行うことができ、脳震盪を識別し、決定を再生するリターンを通知するために、回復期の間の進捗状況を追跡するための感度の高い手段を提供することができる。

バランス

図6はバランスプロトコルからの結果の代表例である。圧力データの動揺指数と中心をさらなる分析のために使用されている。 表1のceから計算された運動学的変数を示してい圧力データのNTER、よりちょうど安定性のバランスをとる対バラ​​ンス制御について教えてくれる。脳震盪バランスと安定性に続いて、多くの場合、安定性の低い（高い揺れ）以上の安定（下スウェイ）のいずれかに変更されます。対策がベースラインに戻ってきたときの回復は次のようになります。両方の変更は、から回復または潜在的に怪我のリスクが高い学生運動選手を入れて安定性の損失に備えるする能力に影響を持つことができます。

足取り

図7は、単一の対象のデータ出力を示している。データは、複数の試験からコンパイルされ、1つの大きな歩行パスとして分析されている。 表2は、脳震盪履歴を横断歩行対策のための手段と変動が含まれています。一つは、脳震盪以下の学生運動選手の速度および歩行運動学が変わることが期待できる。動的なタスクでこれの意味ははるかに達している。歩容パラメータはunderstan私たちを助けることができるシステムの制御がどのように変化したかをDとそれが回復する方法。

遺伝学

表3は、PCR分析後に受信されたサンプル出力です。この出力が受信されると遺伝子型が異なる参加者のために決定した後、そのような脳震盪の歴史、脳震盪と認知機能の回復などの他の変数と同一視することができます。決定されている現在の遺伝子型は、アポリポタンパク質E（APOE）、APOE多型のプロモーター領域、カテコール-O-メチルトランスフェラーゼ（COMT）およびドーパミン受容体（DRD2）を含む。

図1：コンピュータ化された神経心理学的テストレポートの例。

フィギュア2：代表的な事象関連電位（ERP）の例は、この調査の目的のために興味のある成分がP3である。

図3：フランカータスクに関連付けられたP3振幅と待ち時間の違いを示す予備的結果結果を正面（FZ）、frontocentral（FCZ）、頭頂（PZ）と後頭部（オズ）領域のに関連した正中線電極から提示されている脳。非concussed被験者はライトグレーで表示されている間、以前concussed被験者は濃い灰色で示されている。

図4：関連付けられているP3振幅と待ち時間の違いを示す予備的な結果聴覚オドボール課題。結果は、正面（FZ）に関連した正中線電極、frontocentral（FCZ）、頭頂（PZ）と脳の後頭（オズ）領域から提示されている。非concussed被験者はライトグレーで表示されている間、以前concussed被験者は濃い灰色で示されている。

図5：ポスト脳震盪でと回復でのシングルサイトの適応の有無にかかわらず振幅弁別課題で得られた単一の対象のための差分閾の比較は、単一のサイトの適応刺激とポスト脳震盪のパフォーマンスが条件刺激のないパフォーマンスに似ています。しかし、正常な対照被験者において、シングルサイト適応刺激の存在は、性能の低下（ すなわち 、差閾増加する）につながる。回復ペーに類似 rformance。

図6：。バランスの試験報告書の例上部の図は、規範的なデータと比較して、動揺スコアを示す。底部は各試験用圧力データの中心を示している。

図7：。歩行分析システムによって生成例データトップはマットの上に足圧、ボトムはすべての運動学的な措置を持っています。

表1：脳震盪の既往歴がある場合とない学生アスリートのグループのための条件を横切る圧力キネマ施策のセンター。

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エロンBrainCAREプロトコルの一部として収集された高校のフットボール選手の歩容評価から表2.時空間パラメータ歩行分析機器を使用して

PCR分析以下の表3の遺伝的な結果を。

Discussion

ベースライン脳震盪のテストにこの多次元アプローチの目的は2つあります。1）優れた神経筋システム上の脳震盪（急性および長期）の影響を理解する。 2）（マクロイによって示唆されているように、彼らは主に神経認知テストを使用）決定をプレイするスポーツ医学スタッフメイク復帰を支援する^。26評価を脳震盪するために、この多面的なアプローチは、病因、機能変化、及び脳震盪からの回復に関連する貴重な情報を提供しています。リトルは、全体として、システム上の脳震盪の総合的な影響について理解されており、このプロトコルは、複数の分野の科学者が自分の専門知識に関連した影響を見ていないだけでできますが、複数のシステムや行動の側面をどのように影響するか小さな変更で協力。

この学際的なアプローチの重要性は、システムが損なわれる可能性があるそのうちのより良い理解と回復fのタイムラインを取得することですollowingけが。このプロトコルは、現在、復帰プレイを行い、復帰学者の決定をし、負傷し、回復を決定するのに役立ちますどのコンポーネントを決定するためにデータの本体の構築を支援するために使用されます。この学際的なアプローチは、研究者がいずれかの領域の欠損を理解し、それがどのように歩いたり、バランスの安定性と制御を維持のようないくつかの非常に機能的なタスクに影響を与える可能性がありことができます。

傷害が発生した場合の回復を測定するための適切なベースラインが存在するように本研究で用いたアプローチは、彼らの大学のキャリアの始まりで、アスリートの客観的な体系的なテストを提供します。医療スタッフに最も有用であるこのプロトコルのコンポーネントは、ベースラインと損傷後にコンピュータ化神経認知とバランスの評価である。バランスasessmentsは、多くの場合、サイドライン上で行われており、客観的なテストを利用する可能性が参考になります。アスリートがベースラインに戻らない場合は、スポーツ医学のスタッフや学術advisiNGのスタッフは、必要に応じて決定し、短期および長期の宿泊施設のための個別計画する選手で作業することができます。ほとんどの選手は、7〜10日以内にベースラインのスコアに戻ります^。6,10このデータは、医療スタッフが情報を与えていることを可能にし、回復時間が長い場合は特にスポーツ選手との困難な会話をサポートするための客観的な措置。

このプロトコルの制限の一部は、適切な成分からで買い増し、および研究助手を訓練し、試験時間を含む。それは、それぞれの学生運動選手をテストするのに約90分かかります。 EEGキャップが所望のしきい値にし、研究者がテストセッションからそれをドロップする必要がある場合にはインピーダンスを得るために余分な時間がかかることがあります。私たちは、教育と完全にはすべてのアスリートをテストすることができることに不可欠である私たちの大学でスポーツ医学のスタッフ、コーチ、管理者や学生運動選手によってで買う得るために信頼を確立する時間を費やしてきました。これは、すべての代表チームSをテストするために膨大な研究者の時間を要する課私大学でtudent-選手。私たちは、包括的な目標にコミットしている。キャンパスのと、今後数年間のために両方の学生アスリートの幸福のために提供する。したがってそれは、テストし、列車を教育し、分析に要する時間は、それが提供することができる値と比較して見劣りする。

テストのこのプロトコルまたはサブセットが確立されると、研究チームは、地元の高校や青少年のスポーツチームへのアウトリーチテストを提供することができます。また、長期的なフォローアップ試験はキャリア比較の終わりに見て完了することができる。これは脳震盪評価、研究と教育の未来である。

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