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Neuroscience

宫颈肌张力障碍的时间分辨阈值测量 & 分析

doi: 10.3791/56310 Published: January 27, 2018
* These authors contributed equally

Summary

本文介绍了时间分辨阈值的测量和分析方法, 并对其在颈椎张力障碍发病机制研究中的应用进行了探讨。

Abstract

时间分辨阈值 (TDT) 是指观察者可以将两个顺序刺激区分为异步 (通常为30-50 毫秒) 的最短间隔。它已被证明是异常 (延长) 的神经紊乱, 包括颈椎肌张力障碍, 一个表型的成人特发性孤立性肌张力障碍。TDT 是一种定量的衡量能力, 感知迅速变化的环境, 并被视为指示的行为的视觉神经元的优势丘, 一个关键节点的隐蔽注意定向。本文阐述了测量 TDT 的方法 (包括两种硬件选择和两种刺激方式)。本文还探讨了两种数据分析和 TDT 计算的方法。本文还讨论了时间歧视的评估在了解颈椎张力障碍和成人特发性孤立性肌张力障碍发病机制中的应用。

Introduction

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时间歧视描述一个人的能力, 歧视, 或感知, 他们的环境迅速变化。时间分辨阈值 (TDT) 是一个个体能够感知到两个连续的感官刺激是异步的最短间隔。颞叶辨别在影响基底节的障碍中表现为异常延长, 包括张力障碍123456,7

肌张力障碍是第三个最常见的神经运动障碍-在帕金森 s 病和必要的震颤后.它的特点是持续或间歇性的肌肉收缩导致异常, 经常重复, 运动或姿势8。肌张力障碍可影响身体的任何部分。当它影响一个身体部分被称为局灶性肌张力障碍8。肌张力障碍影响颈部肌肉被称为颈椎肌张力障碍, 是最常见的表型成人首发特发性离体肌张力障碍。9,10颈椎张力障碍的发病机制尚不清楚;它被认为是一种遗传性疾病, 具有常染色体显性遗传, 并明显减少显。环境因素在疾病显和表达方面也被认为是重要的。

优越的丘, 一个运动结构位于背中脑, 是重要的快速检测环境刺激的过程中的隐蔽注意力定向2,11,12。视觉刺激通过醇-盖大通路迅速进入上级丘。TDT 是一个简单的, 客观的措施, 相信代表的视觉 (和其他感官刺激) 在表面层的高级丘。TDT 已研究的个人与颈部肌张力障碍, 其未受影响的亲属和健康的控制参与者。与年龄和性别匹配的控制参与者, 异常 TDT 有高灵敏度 (97%, 36 37 患者) 和特异性 (98-100%) 颈椎张力障碍1。50% 例宫颈肌张力障碍患者 (14 25, 年龄48岁或以上) 未受影响的一级女性亲属出现异常 TDT, 显示年龄和性别相关显常染色体显性遗传13, 14. 宫颈肌张力障碍患者未受影响亲属的异常 TDT (与正常 TDTs 的亲属相比) 与增加的 putaminal 体积有关 (按体素计算)15和减少 putaminal 活动 (由 fMRI)4.高级丘被认为是神经网络中的一个重要节点, 在颈椎张力障碍12中功能失调。时间歧视的评估被认为是提供了重要的线索, pathomechanisms 潜在的颈部肌张力障碍。

本文的目的是提出两种测量和分析时间歧视的方法, 并说明该方法在颈椎张力障碍的病理生理学研究中的应用。

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Protocol

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St. 文森特大学医院的医学研究伦理委员会批准了对宫颈肌张力障碍患者的招募, 他们的兄弟姐妹 (不受肌张力障碍的影响), 和健康的控制, 参与所描述的协议下面.

1. 硬件 & 软件解决方案

注: 两个硬件选项已开发, 以显示视觉刺激与精确的间刺激间隔。两者都是设计和内置在三位一体的生物工程中心, 都柏林三一学院, 并曾被称为5,16。那些希望复制在这里使用的精确的硬件解决方案的人可以通过直接联系三一生物工程中心来要求相同。或者, 一组完整的说明, 包括用于耳机的3D 打印文件、随附的 Arduino 微控制器的说明、。可以从 http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/下载。在桌面计算机上安装的自定义程序 (例如, 神经系统) 中, 可能会生成在表顶方法中提供的刺激, 并通过编程来通过并行端口控制发光二极管 (LED)计算机。另外, 如下所述, 表顶部的 led 可以通过 Arduino 微控制器控制。还可以从上述链接下载演示代码和 Arduino 文件。

  1. TDT 硬件: 表顶方法
    1. 将一个 "X" 标记为一个固定点, 在参与者面前的桌子上放置一个黑色的垫子或被单上。
    2. 让参与者自己定位, 让他们直接坐在固定点的前面。
    3. 将黄色发光二极管 (LED) 对 (5 mm 直径、90 cd/m2亮度) 放置在一个框中, 在参与者前面的表中。
    4. 定向该框, 使 led 垂直对齐, 并根据需要在左侧和右侧的主体中心点位置放置7°。
    5. 在黑暗的房间里进行这个实验。可能需要少量的背景亮度才能使操作员看到足够的时间来运行实验。
    6. 指示参与者始终关注固定点, 而不是直视闪烁的 led。
    7. 将微控制器连接到 LED 盒, 并按照液晶显示屏上显示的屏幕指示操作,例如, 选择演示方法: "随机" 或 "楼梯", 并选择模式: "左上第一",.
    8. 要求参与者在每一个刺激对的呈现中做出 "相同" 或 "不同" 的反应, 这取决于他们是否认为刺激是同步的或异步的。
    9. 当每项试验即将开始时, 通过发声 5-0 秒的屏幕倒计时来通知参与者。

Figure 1
图 1: (a) 耳机设计示意图。一对黄色 led (5 毫米直径) 和红色固定 led (3 毫米直径), 被放置在参与者的左侧和右侧通过一个头部安装的单位, 并使可见的方式在镜子中的用户面前的反射。(b) 耳机的示意图3D 模型。该耳机是由激光烧结尼龙塑料, 重量0.70 公斤, 有一个低透明度指数和黑色的颜色, 以减少光显。(a 和 b) 由巴特勒et al复制, 稍加修改。16 , 具有眼压发布的权限。(c) 用于桌面演示的 LED 刺激箱。

  1. TDT 硬件: 便携式 TDT 耳机
    1. 在任何合适的地点进行实验。
    2. 将微控制器连接到耳机上, 并按照微控制器盒液晶显示屏上显示的屏幕指示操作,例如, 选择演示方法: "随机" 或 "楼梯", 和模式: "左上第一", etc
    3. 引导参与者在他们面前的桌子上放置自己的肘部。然后, 手持设备在他们的手中, 引导他们轻轻地按他们的脸到橡胶密封圈周围的目镜, 从而密封了周围的光。
    4. 指示参与者在任何时候都要专注于红色固定, 而不是直视闪烁的 led。
    5. 要求参与者在每一个刺激对的呈现中做出 "相同" 或 "不同" 的反应, 这取决于他们是否认为刺激是同步的或异步的。
    6. 当每项试验即将开始时, 通过发声 5-0 秒的屏幕倒计时来通知参与者。

2. 刺激表现

注: 两种刺激方案的方法已经被采用。

  1. 楼梯方式
    1. 选择 "楼梯" 介绍;刺激是每5秒提出的相互刺激间隔从0开始, 并逐步变得更加异步 (增加5毫秒) 每次。
    2. 选择四种演示方式中的任何一种: (i) 左顶部 led 第一 (ii) 左下角 led 第一 (iii) 右顶部为首, 或 (iv) 右下头为首。
    3. 重复步骤 2.1.2, 使每个模式运行两次, 总共运行八。
    4. 当参与者对三连续对刺激反应 "不同" 时终止试验。
  2. 随机表示法
    1. 选择 "随机" 表示;刺激对每5秒呈现。不同的刺激间隔, 以随机的方式, 从0-100 毫秒。
    2. 选择四种演示方式中的任何一种: (i) 左顶部 led 第一 (ii) 左下角 led 第一 (iii) 右顶部为首, 或 (iv) 右下头为首。
    3. 重复步骤 2.2.2, 使每个模式运行两次, 总共运行八。
      注意: 每次运行都是相同的长度, 并将自动完成。

3. 数据分析

  1. 单 TDT 值
    1. 使用楼梯方法中的数据, 在八次运行的每一个中, 突出显示最后三 "不同" 响应的第一个。这些是每个运行的阈值。
    2. 计算每个参与者的时间分辨阈值 (TDT), 方法是将阈值的中值从其八运行中的每一个中取到;导致单个 TDT 值 (以毫秒为单位)。
    3. 计算每个参与者的 Z评分。将 Z评分定义为参与者的 TDT 和与年龄匹配的控件总体 () 之间的平均值 TDT, 除以该控件填充的 TDT 值的标准偏差.Equaiton 1 Equaiton 2
      Equaiton 3
    4. 确定个人是否有正常或异常的 TDT。Z评分≥2.5 被视为反映异常 TDT。
  2. 分布分析
    1. 使用楼梯方法中的数据, 对响应数据进行编码, 使 "0" 对应于 "相同" 和 "1" 对应于 "不同",表 1
    2. 下载一个免费的 MATLAB.exe, 以执行下面描述的分布分析从 http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/。见巴特勒et al.16以得到此方法的完整说明。或者, 按照下面的说明进行操作。
    3. 将数据移出以确保所有运行与最长运行的长度相同。这样做的前提是, 在运行结束后, 所有后续响应都是 "不同的",表 1 (b)
    4. 每个参与者在试验中的平均响应,表 1 (c)。这可以被绘制为刺激异步的函数。
    5. 将此平均值或具有代表性的数据与累积的高斯函数相匹配。这一分布的平均值代表了参与者同样可能回应 "相同" 或 "不同" 的观点。这一点被称为 "主观平等点" (PSE)。高斯分布的标准偏差, 也被称为 "只是明显的差异" (JND), 表示敏感的参与者是如何在其平均值周围的时间异步变化的。
    6. 通过将数据提交到非参数引导程序来扩展分析, 以便估计 TDT 的95% 置信区间, 以及心理和累积高斯函数的 PSE 和 JND。为此, 可通过随机抽样生成新的具有代表性的数据集, 并从原始响应中进行替换,表 1 (b), 用于每个时间步长。计算 TDT, 并为每个代表性的数据集16设置新的心理测评功能。
    7. 使用对数似然比,16,17为每个参与者计算适合度的优点或偏差 (D)
      Equaiton 4
      其中K是时间点的个数, ni是该时间点的重复次数, 通常为八次重复 (四右和四左), yi是所观察到的异步响应比例,pi是由拟合曲线预测的异步响应的比例。偏差值为0表示完全匹配。
    8. 绘制结果。
      注: 从随机表示法的数据可以分析, 以确定单一或分布式 TDT, 如上文3节所述的数据产生的楼梯演示方法。然而, 由于随机呈现顺序的相互刺激的间隔, 这些数据必须首先下令 (从最小到最大的之间的刺激间隔), 之前开始的分析前面所述,表 2。此外, 不需要在随机演示后对数据进行填充, 因为默认情况下, 所有运行的长度都是相等的。

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Representative Results

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表1和 2中提供了填充的评分表的示例, 其中分别代表楼梯和随机刺激演示方法的结果。每个运行的阈值 (被认为是"不同"的第一个三刺激对的计时) 将被高亮显示。在表 1的情况下, TDT 计算为25毫秒 (, 中值40、25、25、25、45、25、40、10毫秒)。这些数据取自一名35岁的女性, 她参与了先前的一项研究18。这一年龄段妇女 TDT 值的平均值和标准偏差分别为 27.48 ms 和 10.86 ms。所以 Z 比分为这个个体可以被计算如下:
Equaiton 5

由于此 Z评分低于 2.5, 因此此人具有正常的 TDT。

表 2中显示了来自同一个人的以下随机刺激演示的响应。在继续分析之前, 对这些数据进行排序是一个重要的步骤。

分布分析

分布分析中的关键阶段在表 1 (数据填充和响应平均值) 和图 2中进行了说明。此分析中使用的示例数据与上面讨论的主题相同, 并在表1和 2中显示。图 2中的图形是从可下载的 MATLAB.exe 文件生成的。左侧显示了观测到的数据, 引导数据的累积高斯函数 (跟随2000次迭代) 和平均累计高斯函数。适当的措施的善良在右手边被说明。同时还显示了时间判别阈值、拟合参数、主观平等点 (PSE) 和只是显著差异 (JND)。右侧显示的是适合测量观测数据 (红色水平线) 的对数似然比 (偏差) 和蒙特卡罗生成的对数似然比分布和95% 置信区间 (虚线水平线)。

同样的 MATLAB 可执行文件导出 TDT、PSE 和 JND 值以及引导的2.5%、25%、50%、75% 和97.5% 置信区间, 以及适合或偏差和保险丝的优点。表 3提供了为表1和 2中的数据生成的输出。通过比较, 采用标准方法 (8 阈值中值) 得到的阶梯和随机刺激的 TDT 值分别为 25 ms 和 50 ms;而表 3提供了在数据引导后获得的 TDT 值。分别为 23.75 ms 和 48.75 ms。

Figure 2
图 2: 左侧的列显示了 (a) 结果的累积高斯分布 (a) 在阶梯方法的刺激表现, 和 (b) 随机方法的刺激表现。黑点显示原始数据 (被感知的"不同的"响应的比例作为相互刺激间隔的函数, 或时间异步)。光灰色曲线代表了2000高斯函数的拟合引导数据。暗灰色曲线表示平均累积高斯函数。在表 3中详细介绍了从完整分布计算出的主观相等点 (PSE) (平均) 和刚好显著差异 (JND) (标准偏差) 和 TDT 值的值。请单击此处查看此图的较大版本.

Table 1
表 1:样品数据跟随楼梯表示法, 与刺激间隔时间 (ISI) 增加5毫秒。(a) 为右侧和左侧的两个条件 (顶部 led 第一 x2 和底部 led 第一 x2) 显示的数据, 总共运行八次。"s" 表示 "相同"、"和"、"不同" 的响应。用于计算 TDT 的时间间隔是 ISI 对应于三连续 "不同" 响应中的第一个。因此, TDT = 25 毫秒, 中间值为40、25、25、25、45、25、40和10。(b) 与 (a) 中所示相同的数据, 但编码为 "0" 表示 "相同" 的响应, "1" 表示 "不同"。数据填充 (到最长的运行) 被说明。这是在应用分布分析之前的前处理步骤。(c) 每个 ISI 的平均反应。注意这些值用于生成心理测量学分布, 并在图 2中绘制。

Table 1
表 2:来自同一个参与者的响应, 如表 1, 这一次的刺激是以随机间刺激间隔 (ISI) 提出的。(a) 在右手边的两个条件的数据 (顶部 led 第一 x2 和底部 led 第一 x2)。对于紧凑性, 左侧的数据不显示在这里。但是, 所有的八运行都用于所有的分析。(b) 按递增 ISI 分类的相同数据。每个四右手边运行的阈值都用虚线框表示。

Table 1
表 3:高斯分布与拟合分析的结果从表 1中显示的楼梯表示方法的效果以及表 2中显示的随机表示方法 (此参与者的所有数据,总计八在上述分析中使用了运行 (4 左和4右)。主观平等点, PSE;只是明显的差异, JND;世俗歧视, TDT;善良的身体, GoF。

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Discussion

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TDT 测量与分析

两种形式的设备 (表顶部和耳机), 两种方法的刺激表示 (楼梯和随机), 和两种方式的数据分析 (传统和分布), 以说明如何衡量和量化一个人的时间辨别能力。便携式耳机提供了一种方便的硬件选项, 可确保参与者和 LED 光源之间的距离和角度保持一致, 同时还允许在任何方便的位置收集数据。因此, 它解决了与桌面方法相关的一些限制, 即需要受控环境照明和有限的可移植性-通常要求参与者参加诊所或研究中心。耳机还防止在试验期间或之间的距离和角度变化的可能性和参与者之间的差异, 可能产生的位置调整的参与者。Molloy et al.比较了桌面和耳机对刺激传递的方法, 发现耳机是可靠和准确的5。然而, 耳机的两个潜在的弱点是它提出刺激单眼,即,只有左眼可以看到左侧的刺激, 反之亦然;而目前的设计不适应戴眼镜。视力可能会影响 TDT 的表现, 因此应始终确定参与者的视力正常。这是所有更重要的情况下, 耳机的方法, 其中眼镜不能容纳。

"楼梯"方法是最常用的视觉和触觉时间歧视协议的刺激演示方法6,7,14,15,19。这一技术的局限性, 它提出非随机渐进式异步刺激, 是它可能有助于潜在的学习效果。作为一种替代方法, 开发了一种随机表达方式, 使刺激以随机形式呈现。麦戈文和同事16专门测试了楼梯方法受学习效果影响的可能性。"楼梯"方法被证明是一种健壮的方法, 在重复的实验中可以得到一致的结果18。上述研究结果显示, 与现有的楼梯方法相比, 随机刺激表现方法的 TDT 值持续更长 (平均 TDT随机= 55.08 毫秒; 平均 TDT楼梯=30.57 ms 用于30健康控件)18。虽然两种表示方法都是有效的, 但结果 TDT 值的差异强调了在特定实验室内和跨研究的实验技术选择中保持一致性的重要性。此外, 在比较研究中的绝对 TDT 值 (患者和对照组) 和 Z评分的计算时, 应注意。

还提出了两种数据分析方法。第一个标准的分析方法, 在八运行中的每一个都产生一个阈值, 其中这个门限是被确定为异步的三刺激对的第一个的间刺激区间。八阈值的中位数被视为该参与者的 TDT 值。虽然这证明是可靠的, 但它仍然是一个单一的价值。为了克服基于单一价值评估人的时间分辨能力的潜在局限性, 还提出了一种更为复杂的方法。在此实例中, 参与者"的数据装有累积的高斯分布和提取的平均值和标准偏差。此外, 将数据提交到非参数引导分析, 以便为每个参与者的数据16获取95% 的置信区间。这种数据分析方法提供了更深入洞察视觉知觉差异的潜力, 尤其是在检查控制和患者组之间的差异时。

TDT 在了解颈椎肌张力障碍的病理生理学研究中的应用

虽然皮质处理在时间歧视方面可能与20相关, 但证据表明, 在宫颈肌张力障碍中, 异常的时间歧视主要反映出一个网络中的丘和基底节4,21。不正常的 TDT 可以被解释为发现或辨别环境变化的能力受损。上级丘, 在背中脑, 发挥关键作用, 检测和反应突出刺激22。虽然是一个复杂的结构, 但它可以在功能上分成两层22。表面层的 visuosensory 神经元直接从视觉系统输入, 而深层的前和 cephalomotor 神经元有多个投射, 包括控制眼睛、颈部和头部的肌肉。优越的丘活动是调制的伽玛-丁酸 (GABA), 抑制神经递质23。抑制性 gaba 活动限制了 visuosensory 神经元在表层层的瞬态爆发反应的持续时间和上层丘24深层的前神经元。在对视觉刺激的反应中, 表面层的视觉神经元在响应中呈现一个瞬态的. gaba 抑制, 然后沉默这一反应, 使神经元准备响应再次当他们发现环境的变化, 因为视觉刺激关闭。如果没有足够的 GABA, 这些神经元可能成为 dysfunctionally 活跃的24。推测不充分的 gaba 抑制导致视觉神经元长时间的放电, 引起异常的时间歧视, 延长 TDT 值。此外, 颈椎肌张力障碍的异常运动特征也被假设为由于不充分的 gaba 抑制, 这一次由 cephalomotor 神经元在深层的上层丘。

型是基因支架的亚临床标记, 可以帮助我们了解疾病 pathomechanisms。TDT 被建议作为一个潜在的型成人发病局灶性肌张力障碍2,4 , 并已发现异常在多达97% 的患者和约50% 他们的临床未受影响的亲属1,3 ,4。此外, 异常的 TDT 已被证明遵循一个年龄和性别相关的模式类似的颈椎张力障碍14,25。这些发现表明常染色体显性遗传, 并支持使用 TDT 作为型的成人发病局灶性肌张力障碍, 特别是颈部肌张力障碍。

本文就如何测量和分析参与者的视觉时间歧视提供了指导。此外, 在视频动画图形的帮助下, TDT 在颈椎肌张力障碍的研究中的应用已经概述了在它是一个可靠的型, 并作为一个潜在的工具, 以揭示这种紊乱的 pathomechanisms。

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Disclosures

丽贝卡 B 贝克, Eavan M Mc 管理, 约翰巴特勒, Dorina Birsanu, 布兰登 Quinlivan, Beiser, Shruti Narasimham 没有资金来源, 财务披露或利益冲突申报。迈克尔哈钦森接受研究赠款爱尔兰, 爱尔兰健康研究委员会 (CSA-2012-5), 肌张力障碍研究基金会 (比利时) 和爱尔兰临床神经科学研究所。肖恩 O"赖尔登报告从 Abbvie 接收扬声器的酬金.理查德. 赖利从爱尔兰, 企业爱尔兰和爱尔兰的健康研究委员会获得资金.

Acknowledgments

这项研究得到了来自健康研究委员会、肌张力障碍爱尔兰、爱尔兰科学基金会和爱尔兰临床神经科学研究所的资助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
TDT head set Can be supplied by Trinity Centre for Bioengineering, Trinity College Dublin.  Alternatively full instructions are available for free download from http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/ 1 A custom-built, portable device for the presentation of visual stimuli.
TDT table top LED box Can be supplied by Trinity Centre for Bioengineering, Trinity College Dublin.  Alternatively full instructions are available for free download from http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/ 2 A custom-built, table-top device for the presentation of visual stimuli.
Microcontroller Can be supplied by Trinity Centre for Bioengineering, Trinity College Dublin.  Alternatively full instructions are available for free download from http://www.dystoniaresearch.ie/temporal-discrimination-threshold/ 3 A custom-built microcontroller for the delivery of visual stimuli in staircase or random order, with precise inter-stimulus intervals.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Beck, R. B., McGovern, E. M., Butler, J. S., Birsanu, D., Quinlivan, B., Beiser, I., Narasimham, S., O'Riordan, S., Hutchinson, M., Reilly, R. B. Measurement & Analysis of the Temporal Discrimination Threshold Applied to Cervical Dystonia. J. Vis. Exp. (131), e56310, doi:10.3791/56310 (2018).More

Beck, R. B., McGovern, E. M., Butler, J. S., Birsanu, D., Quinlivan, B., Beiser, I., Narasimham, S., O'Riordan, S., Hutchinson, M., Reilly, R. B. Measurement & Analysis of the Temporal Discrimination Threshold Applied to Cervical Dystonia. J. Vis. Exp. (131), e56310, doi:10.3791/56310 (2018).

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