Summary
Hier presenteren we een protocol om de relatie tussen de parameters van de oogbeweging en cognitieve functies bij niet-gedefragmenteerde patiënten met de ziekte van Parkinson te bestuderen. Het experiment gebruikt een oogtracker om de saccadische amplitude en fixatie duur te meten in een visuele zoekopdracht. De correlatie met prestaties in cognitieve taken met meerdere domeinen werd vervolgens gemeten.
Abstract
Cognitieve stoornissen is een veelvoorkomend verschijnsel bij de ziekte van Parkinson dat implicaties heeft voor de prognose. Een eenvoudige, niet-invasieve en objectieve proxy meting van cognitieve functie in de ziekte van Parkinson zal nuttig zijn bij het opsporen van vroege cognitieve achteruitgang. Als een fysiologische metriek, Eye Movement parameter is niet verward met de kenmerken en intelligentie van het onderwerp en kan fungeren als een proxy marker als het correleert met cognitieve functies. Hiertoe onderzocht deze studie de relatie tussen de parameters van de oogbeweging en de prestaties in cognitieve tests in meerdere domeinen. In het experiment werd een visuele zoekopdracht met oogtracering ingesteld, waarbij onderwerpen werden gevraagd om te zoeken naar een nummer ingebed in een array van alfabetten die willekeurig op een computerscherm werden verspreid. De differentiatie tussen het getal en het alfabet is een overgeleerde taak, zodat het verstorende effect van cognitieve capaciteiten op de oogbewegings parameters wordt geminimaliseerd. De gemiddelde saccadische amplitude en fixatie duur werden vastgelegd en berekend tijdens de visuele zoekopdracht. De cognitieve beoordelings batterij bedekt domeinen van frontale-uitvoerende functies, aandacht, verbaal en visueel geheugen. Bleek dat langdurige fixatie duur werd geassocieerd met slechtere prestaties in verbale vloeiendheid, visuele en verbale geheugen, waardoor verdere verkenning van het gebruik van Eye Movement parameters als proxy markers voor cognitieve functie bij de ziekte van Parkinson Patiënten. Het experimentele paradigma is zeer draaglijk gebleken in onze groep van patiënten met de ziekte van Parkinson en kan transdiagnostisch worden toegepast op andere ziekteverwekkende entiteiten voor vergelijkbare onderzoeksvragen.
Introduction
De ziekte van Parkinson is klassiek een motorische aandoening; Toch wordt de ziekte ook geassocieerd met cognitieve tekorten, en progressie in dementie is gebruikelijk1. De pathofysiologie van cognitieve stoornissen bij de ziekte van Parkinson is niet goed begrepen. Er wordt gedacht dat het gerelateerd is aan Alfa-synucleine depositie in het corticale gebied op basis van de fase2van braak. Er werd ook voorgesteld dat een dubbel syndroom van degeneratie van de Dopaminerge en het cholinerge systeem leidt tot verschillende cognitieve tekorten met prognostische implicatie3. Meer onderzoek is nodig om verdere opheldering van de exacte mechanismen die betrokken zijn bij cognitieve stoornissen bij de ziekte van Parkinson. Op het klinische aspect heeft de aanwezigheid van cognitieve stoornissen een significante invloed op de prognose4,5. Beoordeling van de cognitieve functie in de klinische praktijk is daarom essentieel. Een langdurige cognitieve beoordeling wordt echter beperkt door de mentale en motorische omstandigheden van de patiënt. Daarom is een niet-invasieve en eenvoudige meting die de last van de ziekte op de cognitieve functie kan weerspiegelen nodig.
De oogbewegingen afwijkingen worden algemeen beschreven detecteerbare tekenen van de ziekte van Parkinson uit de vroege stadia6, maar de pathofysiologie is nog minder goed gekarakteriseerd dan die van cognitieve stoornissen. De generatie van de oogbeweging is door middel van een transformatie van de visuele zintuiglijke input, onderbediend door een verweven corticale en subcorticale netwerk, in signalen naar de Oculomotor kernen in de hersenstam voor effect7. Betrokkenheid van de ziekte van Parkinson pathologieën in deze netwerken kan leiden tot waarneembare oog beweging afwijkingen. Er is, misschien overlapping van neuroanatomische structuren die bepalend zijn voor de controle van de oogbeweging en cognitieve functie. Bovendien, er zijn studies onderzoek naar de relatie tussen saccadic oog beweging en cognitieve functie in andere neurodegeneratieve aandoeningen8. Op dergelijke gronden is het de moeite waard om het gebruik van oogbewegingen parameters te onderzoeken als een proxy marker van cognitieve functies bij de ziekte van Parkinson. Eén cross-sectionele studie9 toonde aan dat verminderde saccadische amplitude en langere fixatie duur gepaard ging met de ernst van de mondiale cognitieve stoornissen bij de ziekte van Parkinson. Er is echter een gebrek aan gegevens over de correlatie tussen de parameters van de oogbeweging en specifieke cognitieve domeinen. De betekenis en de behoefte van de meting van specifieke cognitieve domeinen, in plaats van een algemene cognitieve toestand, is dat individuele cognitieve domein differentiële prognostische informatie informeert bij de ziekte van Parkinson3 en ze worden onderbediend door verschillende neurale netwerken. Het doel van deze studie is om de specifieke relatie tussen metrische gegevens over oogbewegingen en verschillende cognitieve functies te verkennen. Dit is de eerste stap om een fundament te leggen waarop de ontwikkeling van biomarkers van cognitieve achteruitgang bij de ziekte van Parkinson met behulp van Eye tracking-technologie kan worden gebouwd.
De gepresenteerde experimentele paradigma bestaat uit 2 belangrijke onderdelen: de cognitieve beoordeling en de oogtracerings taak. De cognitieve beoordelings batterij omvatte een reeks cognitieve functies, waaronder aandacht en werkgeheugen, uitvoerende functie, taal, verbale geheugen en visuospatial functie. De keuze van deze 5 cognitieve domeinen is gebaseerd op de bewegingsstoornis Society Task Force richtlijnen voor de milde cognitieve stoornissen in de ziekte van Parkinson10, en een set van lokaal beschikbare cognitieve tests werden geselecteerd om de beoordeling te bouwen Batterij. In een eerdere vergelijkbare oogtracering studie over de cognitie van de ziekte van Parkinson vermeld9, de auteur geëxtraheerd de Eye Movement parameters terwijl de onderwerpen waren bezig met visuele cognitieve taken, waar de parameters kunnen mogelijk worden beïnvloed door de cognitieve vaardigheden van het onderwerp. Aangezien deze studie gericht is op het beoordelen van de correlatie tussen de parameters van de oogbeweging en verschillende cognitieve domeinen, moet het potentiële verstorende effect van cognitieve capaciteiten op de oogparameters worden aangepakt. In dit verband, een visuele zoekopdracht, aangepast van een andere eye tracking studie over de ziekte van Alzheimer11, werd gebruikt om de Eye Movement parameters van de onderwerpen vast te leggen. Tijdens de taak moesten onderwerpen zoeken naar een enkel nummer op een computerscherm tussen meerdere alfabet distracters. Deze taak zou het alternatieve gebruik van saccadische oogbewegingen en visuele fixatie wekken, waarvan de afwijkingen op grote schaal worden beschreven in de ziekte van Parkinson. De identificatie en differentiatie van nummer en alfabet is een overgeleerde taak waarbij de vraag naar cognitieve functies slechts minimaal is en daarom geschikt zou zijn om de onderzoeksvraag van deze studie te beantwoorden. Een computerprogramma is ontwikkeld op basis van de specificaties en het ontwerp zoals aangegeven door Rösler et al.11. in hun originele studie om te worden uitgevoerd binnen de ingebouwde software van onze Eye Tracker. Voor deze studie werd ook een in-House algoritme voor de classificatie en analyse van de oogtracerings gegevens ontwikkeld.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dit onderzoeksproject werd goedgekeurd door de gemengde Chinese Universiteit van Hong Kong-New Territories East cluster klinisch onderzoek ethiek Commissie (CREC Ref. nr.: 2015,263).
1. werving van deelnemers en beoordeling van Baseline
-
Rekruteer de ziekte van Parkinson patiënten van minder dan of gelijk aan 70 van een neurologie specialist kliniek met de diagnose gemaakt op basis van het Verenigd Koninkrijk Parkinson's Disease Society (UKPDS) Brain Bank diagnostische criteria12.
- Uitsluiten van onderwerpen met psychische aandoeningen, oftalmologische ziekten die de oogbeweging of andere neurologische aandoeningen zouden aantasten. Ook, uitsluiten van gevallen met behulp van anticholinergica zoals bekend is dat invloed op de cognitieve prestaties en oog beweging.
- Rekruteer gezonde controles op een 1:1 basis afgestemd op geslacht, leeftijd en onderwijs.
- Geïnformeerde toestemming van het onderwerp te verkrijgen.
- Het uitvoeren van een klinisch diagnostisch interview met het onderwerp en, indien beschikbaar, hun familieleden, dementie en scherm voor cognitieve stoornissen uitsluiten met mini-mental state onderzoek (MMSE)13 en Montreal cognitieve Assessment (MOCA)14. Uitsluiten van dementie gevallen van de studie of als de scores van de onderwerpen van MMSE of MoCA is < 22/30.
- Evalueer de gezichtsscherpte met een snellen-grafiek. Sluit het onderwerp uit als de gezichtsscherpte kleiner is dan 20/40.
- Evalueer de motorische ernst en fasering van de ziekte van Parkinson met behulp van de uniforme rating schaal van de ziekte van Parkinson (UPDRS) deel II & III15 en gemodificeerde Hoehn en yahr (H & Y) staging16, respectievelijk. Ook, verkrijgen van informatie over de huidige medicijnen genomen door het onderwerp.
- Beoordeling van de depressieve gemoedstoestand door de Beck depressie inventaris-II (BDI-II)17.
2. experimentele opstelling
- Voer het experiment uit in een rustige ruimte met een adequate lichtbron.
- Voer het experiment voor de ziekte van Parkinson onderwerpen wanneer ze op medicatie met optimale motorische functie.
- Bereid de Setup voor die bestaat uit een schermgebaseerde oogtracker, een computer, een muis, een standaardtoetsenbord, een kinsteun en cognitieve beoordelings tools (tabel met materialen).
- Gebruik een oogtracker met een bemonsteringsfrequentie van ten minste 300 Hz.
- Plaats de kin rest 60 cm voor het oogtracker scherm.
3. de stroom van de cognitieve beoordeling en de visuele Zoek taak
- Voer de Chinese categorische verbale vloeiendheid test18uit. Instrueer het onderwerp om zoveel mogelijk dieren in een minuut te noemen. Noteer het aantal antwoorden en de perseveratieve fout. Herhaal hetzelfde in de categorie groenten en fruit.
- Voer het registratie gedeelte (proef 1, 2 en 3) van de Hong Kong List Learning test (HKLLT)19 uit door een vooraf gedefinieerde woordenlijst met 16 woorden te lezen en het onderwerp te instrueren om ze te onthouden. Vraag het onderwerp daarna om een gratis terugroepactie van de woordenlijst en noteer het antwoord (Trial 1).
- Herhaal stap 3,2 tweemaal voor proef 2 en proef 3.
- Wacht 10 min en 30 min na het registratie gedeelte van de HKLLT voor de 10 en 30 minuten vertraging terugroepen.
- Vóór de 10 min vertraagd terugroepen van de HKLLT, uitvoeren van de patroon erkenning geheugen (PRM) van Cambridge neuropsychologische test geautomatiseerde batterij (CANTAB)20 (tabel van materiaal).
- Met behulp van de Tablet PC, presenteren 24 visuele patronen, een voor een, in het midden van het scherm. Instrueer het onderwerp om het patroon te onthouden.
- Na de presentatie, in een 2-Choice Force discriminatie paradigma, Instrueer het onderwerp om het patroon te kiezen dat hij/zij kan herkennen.
- Voer de 10 min vertraging terugroepen van HKLLT door te vragen het onderwerp te doen gratis terugroepen van de woordenlijst 16 woordenschat.
- Vóór de 30 min vertraagd terugroepen van de HKLLT, uitvoeren ruimtelijke span (SSP) van CANTAB20.
- Gebruik de Tablet PC om een patroon van witte vakjes weer te geven die in kleur, één voor één, in variabele reeksen veranderen.
- Instrueer vervolgens het onderwerp om de vakjes in dezelfde volgorde aan te raken die ze hebben gepresenteerd en noteer de lengte van de ruimtelijke spanwijdte die het onderwerp kan bereiken als de moeilijkheid (het aantal dozen in kleur veranderen) van de taak toeneemt.
- Uitvoeren van de 30 min vertraging terugroepen door te vragen het onderwerp te doen gratis terugroepen van de woordenlijst van 16 woorden.
- Het uitvoeren van de erkenning en discriminatie deel van de HKLLT door het lezen van een andere vooraf gedefinieerde 32-vocabulaire woordenlijst, waarvan de helft van de woordenlijsten zijn van de oorspronkelijke woordenlijst in 3,2. Instrueer het onderwerp om te bepalen of elke vocabulaire wordt voorgelezen uit de oorspronkelijke woordenlijst of niet.
- Laat het onderwerp rustig rusten als ze de taken in 3,4 en 3,6 vóór de 10-en 30-minuten vertraging terugroepen, respectievelijk voltooien.
- Voer de kous van Cambridge (SOC) uit vanaf CANTAB20.
- Met behulp van de Tablet PC, presenteren 20 scenario's van twee parallelle displays van 3 ballen gehouden in 3 verticale kousen, waarvan de opstelling van de ballen in de displays varieert in elk scenario.
- Instrueer het onderwerp om in elk scenario het minste aantal stappen te bepalen dat nodig is om de ballen in het onderste scherm te herschikken om het patroon te kopiëren dat in het bovenste scherm wordt weergegeven. Noteer het gemiddelde aantal keuzes om het antwoord te corrigeren.
- Voer de stroop test21uit.
- Geef het onderwerp drie kaarten opeenvolgend; de eerste kaart bevat stippen die in verschillende kleuren zijn gedrukt, de tweede kaart bevat Chinese karakters die in verschillende kleuren worden gedrukt, terwijl de laatste kaart Chinese karakters heeft die verschillende kleuren bevatten (bijvoorbeeld Chinese woorden van "blauw", "geel", "groen" of "rood"), maar gedrukt in een kleur die niet wordt aangeduid met de naam (bijvoorbeeld het woord "rood" gedrukt in blauwe inkt).
- Vraag het onderwerp om de afgedrukte kleur van de stippen/Chinese karakters zo snel mogelijk te lezen en noteer de tijd die nodig is voor elke kaart (T1, T2 en T3).
- Bereken de interferentie-index met de formule (T3-T1)/T1.
- Ga naar de Visual Search-taak na het voltooien van de cognitieve tests.
Opmerking: Voer geen mondelinge cognitieve taak uit na het registratie gedeelte van HKLLT tot het einde van de hele HKLLT (3,7) om interferentie-effect op verbale geheugenprestaties te voorkomen.
4. visuele Zoek taak
- Positioneer het onderwerp op een stoel en plaats hun kin op de kinsteun met hun voorhoofd tegen een bar om de hoofd beweging te minimaliseren. Lijn de ogen van het onderwerp uit tot ongeveer het midden van het computerscherm. Klik eerst op de knop opname starten in het computerprogramma.
-
Kalibratie
- Kalibreer de oogtracker met het ingebouwde kalibratie programma door op de Start knop in de kalibratie-interface te klikken.
- Vraag het onderwerp om naar een rode stip te kijken die over het scherm beweegt met 9 fixatiepunten, terwijl het hoofd stil blijft.
- Controleer de kalibratie-plot (Figuur 1) op de kwaliteit van de kalibratie. Zorg ervoor dat de lengte van de groene lijnen, die de fout vectoren vertegenwoordigen, binnen de grijze cirkels vallen voor een acceptabele kwaliteit van de kalibratie. Opnieuw de kalibratie als er een ontbrekende punt of de groene lijnen vallen buiten de grijze cirkels. Klik op accepteren om door te gaan naar de Visual Search-taak.
-
Instructie
- Geef mondelinge instructie aan het onderwerp en beginnen met 5 Oefen runs om vertrouwd te raken met de taak.
- Instrueer het onderwerp om hun blik op het centrale fixatie kruis aan het begin van elk proces te fixeren. Druk vervolgens op Enter op het toetsenbord om een proef te beginnen, waarbij het computerscherm een enkel nummer weergeeft en 79 distracter alfabetten willekeurig verstrooid (Figuur 2).
- Instrueer het onderwerp om zo snel mogelijk naar het nummer te kijken en klik vervolgens tegelijkertijd op de muis en geef het nummer hardop op zodra het nummer zich bevindt.
- Kruiscontrole als het opgegeven nummer juist is of niet.
- Het beheren van een totaal van 40 proeven na de 5 praktijk loopt.
-
Ontwerp van de proef afbeeldingen in de visuele zoekopdracht
Opmerking: de programmacode, geschreven in PHP, voor deze sectie kan worden gevonden in supplement bestand 1.- Gebruik uitsluitend de nummers 4, 6, 7 en 9 (aanvullend bestand 1 -regel 5).
Let op: de pilot studie11 toonde aan dat deze getallen het meest gemakkelijk worden gediscrimineerd door de alfabetten. - Zorg ervoor dat de locatie van het doelnummer wordt gerandomiseerd van trial naar trial met de regel dat het niet in hetzelfde visuele Kwadrant voor meer dan drie opeenvolgende proeven (aanvullend bestand 1 -regel 48-52).
- Gebruik geen dubbelzinnige alfabetten zoals "I" en "O" (aanvullend bestand 1 -regel 76-78).
- Stel de grootte van het fixatie Kruis, alfabetten en getallen in op een visuele hoek van 0,85 ° (overeenkomend met ongeveer 0,9 cm op een computerscherm van 23 inch).
Opmerking: Getallen en alfabetten worden gebruikt omdat deze gemakkelijk herkenbare visuele stimuli zijn, maar een foveatie vereisen voor identificatie. - Laat een tijdsverloop van 1,5 s toe nadat de onderzoeker in 4.3.2 heeft gedrukt en voordat de weergave van het centrale fixatie Kruis wordt overgeschakeld naar een proef afbeelding om een proef te beginnen (aanvullend bestand 2 -lijn 71; 156-158).
- Zorg ervoor dat het scherm leeg gaat met het fixatie kruis dat wordt weergegeven als de muis wordt geklikt of nadat 10 s zijn verstreken sinds het begin van een proef, afhankelijk van wat eerder is (aanvullend bestand 2 -regel 72; 162-180).
- Als de taak is voltooid, genereert u een CSV-bestand dat de tijdstempels van het begin en het einde van elke proef bevat (aanvullend bestand 2 – regel 48-59; 199-208). Gebruik dit bestand in de gegevensanalyse in sectie 5.
- Gebruik uitsluitend de nummers 4, 6, 7 en 9 (aanvullend bestand 1 -regel 5).
5. oogtracering gegevensverwerking en-analyse
- Controleer in de sectie herhaling van het computerprogramma het percentage samples van de ogen tijdens de visuele zoekopdracht (Figuur 3). Gooi de gegevens van het onderwerp weg als er meer dan 20% ontbrekende gegevens worden waargenomen.
Opmerking: Met het percentage samples wordt het percentage van de tijd aangegeven dat de ogen tijdens de visuele zoekopdracht met succes worden opgeslagen door de oogtracker. - Klik op de afspeel knop voor de opname om de kwaliteit van de gegevens te controleren door het gevisualiseerde scan pad gegenereerde video te bekijken (Figuur 4). Gooi de gegevens van het gehele onderwerp weg als deze onjuist zijn (Figuur 5).
- Gooi elke proef (en) waarin het onderwerp per ongeluk en vroegtijdig op de muis heeft gedrukt.
- Selecteer in het gedeelte gegevens export van het programma gazepointx (Adcspx) en Gazepointy (adcspx) en het onderwerp van belang (Figuur 6). Klik op gegevens exporteren om de gegevens van elk onderwerp te exporteren en op te slaan als een CSV-bestand. Het bestand bevat de x-en y-coördinaten van de positie van het onderwerp op het computerscherm, in pixels, op elk moment.
- Gebruik de Visual Search Analyzer en in de interface (afbeelding 7), selecteert u de gegevens die zijn geëxporteerd in 5,4 als de invoer van de ooggegevens en het CSV-bestand gegenereerd in 4.4.7 als de invoer van actie gegevens. Selecteer St DBScan als het classificatie-algoritme en klik op uitvoeren. Klik vervolgens op Samenvatting om een spreadsheetbestand te genereren met de gemiddelde Saccade-amplitude en de gemiddelde fixatie duur van het onderwerp.
-
Ontwerp van de Visual searchanalyzer
Opmerking: de codering voor het ontwerp van de Analyzer is te vinden op https://github.com/Lab-Viso-Limited/Visual-Search-Analyzer. De programmacode kan worden gevonden in aanvullend bestand 3.- Program meer de analysator zodanig dat het alleen de gegevens van het begin tot het einde van de proefversie extraheert en analyseert (d.w.z. vanaf de weergave van het aantal en alfabetten tot de muis is geklikt of 10 s zijn verstreken), met behulp van het. CSV-bestand gegenereerd in 4.4.7 ( Aanvullend bestand 3 -lijn 6-173).
- Program meer de Analyzer zodanig dat het gegevensverlies als gevolg van oogknipperend wordt ingevuld door de x-en y-coördinaten van het blik punt direct voor en na het knipperen te middelde (aanvullend bestand 3 -lijn 176-260).
- Program meer de analysator zodanig dat het de onbewerkte gegevens in ofwel Saccade of fixatie classificeert met behulp van het algoritme dat is ontwikkeld op basis van ST-DBSCAN22 (programmacode in aanvullend bestand 4).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het volledige resultaat van deze studie is beschikbaar in het originele artikel gepubliceerd23. Patiënten met de ziekte van Parkinson (n = 67) werden gerekruteerd en voltooiden de beoordeling. Echter, 5 gevallen niet in geslaagd om de visuele zoekopdracht te voltooien als ze droegen progressieve lens onverenigbaar met de Eye Tracker en hun gegevens werden weggegooid. De gemiddelde leeftijd van de proefpersonen was 58,9 jaar (SD = 7,5 jaar) met een verhouding tussen mannen en vrouwen van 1,7:1. 62 er werden gezonde leeftijds-, seks-en onderwijs-afgestemde controles geworven ter vergelijking.
Parameters voor cognitieve en oogbewegingen
In overeenstemming met andere eerdere studies24, toonde de groep van de ziekte van Parkinson slechtere prestaties in meerdere cognitieve taken in vergelijking met de controlegroep (tabel 1). Met behulp van de in-House algoritme voor de classificatie van de Visual Search Task Data, fixaties en saccades worden geïdentificeerd en geëxtraheerd voor berekening en analyse. Er werd vastgesteld dat de ziekte groep een kleinere gemiddelde saccadische amplitude (16,36 ° ± 2,36) had ten opzichte van de controles (17,27 ° ± 2,49; p = 0,037). De gemiddelde fixatie duur was niet significant verschillend tussen de groepen (216,58 MS ± 31,64 VS, 211,59 MS ± 24,90; p = 0,331) (tabel 2).
Correlatie tussen de parameters van de oogbeweging en de cognitieve functie
Na aanpassing voor covariaten, waren er negatieve correlaties gevonden tussen de gemiddelde fixatie duur en de prestaties in verbale herkenning geheugen score (erkenning en discriminatie scores; F = 5,843, t =-2,417, p = 0,017 en F = 12,771, t =-3,574, p = 0,001, respectievelijk), patroon herkennings geheugen (F = 5,505, t =-2,346, p = 0,021) en categorische verbale vloeiendheid test in de categorieën fruit (F = 5,647, t =-2,376, p = 0,009) en groente (F = 9,744, t =-3,122, p = 0,002). (Tabel 3). Er was echter geen significante interactie gevonden in deze correlaties tussen de ziekte en de controlegroep, wat suggereert dat de correlaties niet specifiek zijn voor de ziekte groep. Er wordt gespecileerd dat als de controle van visuele fixatie en de gerelateerde cognitieve functies vaak temporale en pariëtale gebieden van de hersenen met een overwegend cholinerge basis, pathologische veranderingen aan deze neuroanatomische en biochemische mechanismen kunnen de bevindingen toelichten.
Figuur 1 : Een kalibratie-plot van de oogtracker. Het plot toont het resultaat van de kalibratie. De lengte van elke groene lijn geeft het verschil aan tussen het blik punt dat wordt berekend door de oogtracker en de werkelijke punt positie. Aangezien alle groene lijnen binnen de grijze kringen vallen en er geen ontbrekend punt is, is de kwaliteit van deze kalibratie aanvaardbaar. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2 : Een voorbeeld van een proefversie van de Visual Search-taak. Weergave van een niet-lineaire array van 80 stimulus-items, waarvan er 1 getal onder 79 distracter alfabetten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3 : De interface om het totale bemonsterings percentage te controleren. In de sectie herhaling van het computerprogramma kan voor elk onderwerp het percentage van de monsters worden gecontroleerd, dat aangeeft hoe lang de ogen met de oogtracering met succes zijn opgeslagen tijdens de visuele zoekopdracht. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4 : Een voorbeeld van een gevisualiseerd scanpad uit de visuele zoekopdracht. Het scanpad tijdens deze proefperiode is gevisualiseerd, met de rode rechte lijnen die de saccadic oogbeweging en de rode puntjes voor visuele fixaties representeren. Merk op dat het einde van elke visuele fixatie wordt gevolgd door een Saccade en vice versa in een normaal scanpad. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5 : Een voorbeeld van een sterk foutief gevisualiseerd scanpad. Dit voorbeeld van een sterk foutief scan traject is afkomstig van een onderwerp dat een paar incompatibele progressieve lens draagt. In tegenstelling tot het normale scanpad in Figuur 4, lopen de rode lijnen (Saccade) in zigzag en vallen ze uit het computerscherm. De fixatiepunten staan niet op de alfabetten of het getal. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6 : De gegevensexportinterface in het computerprogramma. Dit toont de interface waar het onderwerp en het soort oogtracerings gegevens kunnen worden geselecteerd voor het exporteren van gegevens. In ons experimentele paradigma zal de x-en y-coördinaat, in pixels, van de ogen op het scherm op elk moment worden gebruikt voor data-analyse. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7 : De interface van de Visual Search Analyzer. Dit toont de interface van het in-House analyseprogramma voor oogtrackings gegevens. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
| Controlegroep | Parkinson's Group | p-waarde | |
| Wereldwijde cognitieve weegschalen | |||
| MMSE | 28,53 (1,63) | 28 (1,84) | 0,09 |
| Moca | 27,10 (2,25) | 26 (2,34) | 0,009 * |
| Specifieke cognitieve tests – frontale Executive & frontale-temporele | |||
| Kous van Cambridgea | 1,16 (0,14) | 1,24 (0,19) | 0,018 * |
| Stroop testb | 1,24 (1,77) | 1,36 (1,65) | 0,697 |
| Verbale vloeiendheid-Animalb | 0,92 (1,47) | 0,26 (1,31) | 0,01 * |
| Verbale vloeiendheid-fruitb | -0,71 (0,74) | -1,01 (0,79) | 0,028 * |
| Verbale vloeiendheid-groenteb | -0,66 (1,04) | -1,11 (0,90) | 0,011 * |
| Specifieke cognitieve tests – verbale geheugen (Hong Kong lijst leren test) | |||
| Totaal lerenb | 0,03 (0,90) | -0,30 (0,87) | 0,037 * |
| 10 minuten vertraging gratis terugroepenb | -0,17 (0,90) | -0,44 (1,10) | 0,131 |
| 30 minuten vertraging gratis terugroepenb | -0,19 (0,90) | -0,39 (1,04) | 0,206 |
| Herkennings scoreb | 0,10 (1,00) | 0,15 (0,73) | 0,722 |
| Discriminatie scoreb | -0,05 (1,02) | -0,13 (0,97) | 0,636 |
| Specifieke cognitieve tests – visueel ruimtelijk geheugen | |||
| Patroonherkenning geheugenc | 91,33 (9,40) | 87,77 (10,20) | 0,045 * |
| Specifieke cognitieve tests – aandacht/werkgeheugen | |||
| Ruimtelijke spand | 6,15 (1,10) | 5,65 (1,17) | 0,016 * |
Tabel 1: vergelijking van cognitieve scores tussen twee groepen met behulp van onafhankelijke monster t-test. MMSE, mini-mentale staat onderzoek; MoCA, Montreal cognitieve beoordeling; * – p < 0,05 a – gemiddelde keuzen om te corrigeren; b – scores omgezet in z-Score; c – percentage correct; d – spanlengte. Deze tabel is overgenomen uit23.
| Controlegroep | Ziekte van Parkinson groep | p-waarde | |
| Gemiddelde fixatie duur, in milliseconden (SD) [bereik] | 211,59 (24,90) [165,77-264,63] | 216,58 (31,64) [145.43-312.68] | 0,331 |
| Gemiddelde saccadische amplitude, in graden (SD) [bereik] | 17,27 (2,49) [13,34-22,99] | 16,36 (2,36) [11.66-23.20] | 0,037 * |
Tabel 2: vergelijking van parameters voor oogtracering tussen twee groepen met behulp van onafhankelijke monster t-test. *-p < 0,05. Deze tabel is gewijzigd van23.
| Bron | Afhankelijke variabele | Df | F | B | Beta | Std. fout | T | p-waarde |
| Gemiddelde fixatie duur | Verbale vloeiendheid-fuit | 1 | 5,647 | -0,006 | -0,227 | 0,002 | -2,376 | 0,009 * |
| Verbale vloeiendheid-groente | 1 | 9,744 | -0,009 | -0,288 | 0,003 | -3,122 | 0,002 * | |
| Herkennings Score | 1 | 5,843 | -0,007 | -0,215 | 0,003 | -2,417 | 0,017 * | |
| Discriminatie Score | 1 | 12,771 | -0,011 | -0,314 | 0,003 | -3,574 | 0,001 * | |
| Geheugen voor patroonherkenning | 1 | 5,505 | -0,071 | -0,215 | 0,03 | -2,346 | 0,021 * |
Tabel 3: correlaties tussen cognitieve scores en Eye-tracking parameters met behulp van algemeen lineair model: alleen belangrijke bevindingen. *-p < 0,05. Deze tabel is overgenomen uit23.
Aanvullend bestand 1: Codes die betrekking hebben op het ontwerp van de proef afbeelding. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend bestand 2: Codes die betrekking hebben op de werkelijke uitvoering van de visuele Zoek taak. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend bestand 3: Codes met betrekking tot de software (bijv. Analyzer-programma). Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend bestand 4: Codes die zijn gerelateerd aan het ST-DBSCAN-algoritme dat wordt gebruikt voor het classificeren van metrische gegevens voor oogbewegingen. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het hierboven gepresenteerde protocol is ontworpen als het eerste deel van een longitudinale studie in het verkennen van het potentiële klinische nut van de oogbeweging parameters als surrogaat markers voor cognitieve functies in de ziekte van Parkinson. Hoewel er studies zijn die meer klassieke oogtracking paradigma's zoals Self-tempo Saccade, reflexieve Saccade en anti-Saccade25,26,27onderzoeken, werd in deze studie een visuele Zoek taak gebruikt om het oog te meten bewegingsparameters. Zoals besproken, het ontwerp van deze visuele zoekopdracht taak is van het allergrootste belang, omdat het het bekende verstorende effect van een cognitieve capaciteit op de prestaties van de oogtracerings taak moet minimaliseren, omdat het de Eye Movement parameters opgenomen kan beïnvloeden. Een voorbeeld van die zou het effect van frontale uitvoerende functies op de saccadic latency28. Het kritieke probleem in het ontwerp is de willekeurige verstrooiing van het aantal en alfabetten en verschillende kwadranten van de locatie van het nummer, waardoor het moeilijker is om cognitieve strategieën te gebruiken om de prestaties van de taak te verbeteren. Samen met een gemiddelde van ruwweg 650 saccades gemeten in 40 proeven per onderwerp, de gemiddelde Saccade amplitude berekend vertegenwoordigt meer fysiologische vermogen van het oog voor het genereren van Saccade. In overeenstemming met de voorgaande literatuur werd vastgesteld dat de amplitude van de Saccade kleiner is bij patiënten met de ziekte van Parkinson29,30. De keuze van de parameters geëxtraheerd uit de oogtracering taak moet ook worden verzorgd met betrekking tot de kwestie van de potentiële verstorende effect door cognitie. Bijvoorbeeld, parameters zoals de snelheid van het vinden van het aantal, foutratio en nauwkeurigheid, die een directe meting van de aandacht en de verwerkingssnelheid, zijn niet gebruikt.
Een andere belangrijke stap voor deze studie is het vaststellen van de geldigheid van het algoritme dat werd gebruikt in de classificatie van de Eye Movement parameter. Er bestaan tal van manieren om oog traceringsgegevens te classificeren in Saccade en fixatie: Velocity-based, dispersie-gebaseerd algoritme en zo op31. Elk van deze algoritmen heeft zijn eigen voor-en nadelen en er is geen gouden standaard om dit te doen, zodat men ook rekening moet houden met de specificaties van de gebruikte oogtracker en het ontwerp van de oogtracerings taak om de beste manier te bepalen om de gegevens te classificeren. Voor deze studie werd een in-House, op dichtheid gebaseerd clustering algoritme, ontwikkeld op basis van ST-DBSCAN22, gebruikt. Het onderzoeksteam heeft cross-gevalideerd de geldigheid van dit classificatie-algoritme tegen handmatige classificatie in een pilot-studie voor het toepassen van het algoritme op de gegevens van deze studie. Het computerprogramma waarin het algoritme is opgenomen, zou de gegevens in de proeven automatisch uitsplitsen en classificeren, vanaf het moment dat de proef start (met de alfabetten en het nummer op het scherm) tot het einde (dat het onderwerp op de muis klikt of 10 s heeft (bijv. tijdens de weergave van het fixatie Kruis) worden geanalyseerd om de resultaten te besmetten.
Het gebruik van domeinspecifieke cognitieve tests in deze studie toestaan correlaties van de Eye Movement parameters met individuele cognitieve functie prestaties. Zoals besproken, dit heeft betekenis over het gebruik van algemene algemene cognitieve maatregelen als de neurale circuits en biochemische basis voor elke cognitieve functie verschillend zijn. De hedendaagse kennis over de neurale mechanismen van de controle van de oogbewegingen en individuele cognitieve functies stellen ons in staat om deductie en interpretatie van de gevonden resultaten te maken. Bijvoorbeeld, de significante negatieve correlaties van fixatie duur met temporale-, pariëtale-, en cholinerge gebaseerde cognitieve functies zijn van bijzonder belang als bijzondere waardevermindering van deze functies kan voorspellen van de ontwikkeling van dementie3. Gedetailleerde discussies over de wetenschappelijke basis die de correlaties verklaren, zijn te vinden in het originele document dat23is gepubliceerd.
De batterij van cognitief onderzoek en de visuele zoekopdracht waren zeer draaglijk voor de onderwerpen van deze studie. Vereist ongeveer 1,5 h om de hele batterij te voltooien, geen van de onderwerpen waren niet in staat om te eindigen vanwege vermoeidheid of lichamelijke ongemak. De Visual Search-taak bestond uit 40 proeven en duurde slechts ongeveer 5-10 minuten te voltooien. De niet-invasieve, eenvoudige en snelle aard van de taak maakt het geschikt als een screening-instrument als ondersteund door meer robuuste gegevens. Dit paradigma kan ook transdiagnostisch worden toegepast in andere Neurocognitieve stoornissen om vergelijkbare onderzoeksvragen te beantwoorden. Een belangrijke praktische beperking die in dit protocol is aangetroffen, is de onverenigbaarheid van de oogtracker bij proefpersonen die bepaalde progressieve lens dragen, omdat presbyopie geen ongewone aandoening is bij ouderen. Ooglid apraxie en blepharospasme zijn ook te zien in de ziekte van Parkinson32 en patiënten van deze voorwaarden mogelijk niet in staat zijn om de taak te voltooien.
Als een verkenende en cross-sectionele studie, het ontwerp van de studie staat niet toe dat we een definitieve neuroanatomische en biochemische basis die de gevonden resultaten verklaart afleiden. De interpretaties van de resultaten waren voornamelijk gebaseerd op onafhankelijke kennis over de fysiologieën van cognitieve functies en controle van de oogbewegingen en bleven daarom als postulaties. De longitudinale gegevens over hoe deze parameters in de loop van de tijd kunnen veranderen tijdens het neurodegeneratieve proces is onbekend. Toch is het de moeite waard om een follow-up studie te hebben om de voorspellende waarden van de baseline Eye Movement parameters voor de ontwikkeling van cognitieve stoornissen te onderzoeken. Toekomstige studies moeten neuroimaging om de neurostructural onderbouwing voor meer solide ondersteuning van elke postulatie, zonder welke verdere ontwikkeling van Eye tracking als een proxy marker van cognitieve functie zal niet mogelijk zijn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs willen graag Dr. Harvey Hung bedanken voor zijn advies over het manuscript.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Computer | Intel | ||
| Computerized cognitive assessment tool | CANTAB | CANTAB Research Suite | Contains Pattern Recognition Memory, Spatial Span, and Stockings of Cambridge |
| Eye Movement Analyzer | Lab Viso Limited | https://github.com/lab-viso-limited/visual-search-analyzer | |
| Eye tracker | Tobii | Tx300 | 23 inch computer screen with resolution of 1920 x 1080, Sampling rate at 300 Hz |
| Hong Kong List Leanrning Test | Department of Psychology, The Chinese University of Hong Kong | The Hong Kong List Learning Test (HKLLT) 2nd Edition | |
| Stroop test | Laboratory of Neuropsychology, The University of Hong Kong | Neuropsychological Measures: Normative Data for Chinese, Second Edition (Revised) | |
| Tobii Studio | Tobii | Tobii Studio version 3.2.2 | Computer programme for running the visual search task |
| Visual Search Task | Lab Viso Limited | https://www.labviso.com/#products |
References
- Hely, M. A., Reid, W. G. J., Adena, M. A., Halliday, G. M., Morris, J. G. L. The Sydney Multicenter Study of Parkinson’s disease: The inevitability of dementia at 20 years. Movement Disorders. 23 (6), 837-844 (2008).
- Braak, H., Del Tredici, K., Bratzke, H., Hamm-Clement, J., Sandmann-Keil, D., Rüb, U. Staging of the intracerebral inclusion body pathology associated with idiopathic Parkinson's disease (preclinical and clinical stages). Journal of Neurology. 249 (0), 1-5 (2002).
- Williams-Gray, C. H., et al. The distinct cognitive syndromes of Parkinson’s disease: 5 year follow-up of the CamPaIGN cohort. Brain. 132 (11), 2958-2969 (2009).
- Buter, T. C., van den Hout, A., Matthews, F. E., Larsen, J. P., Brayne, C., Aarsland, D. Dementia and survival in parkinson disease: A 12-year population study. Neurology. 70 (13), 1017-1022 (2008).
- Aarsland, D., Larsen, J. P., Tandberg, E., Laake, K. Predictors of nursing home placement in Parkinson's disease: A population-based, prospective study. Journal of the American Geriatrics Society. 48 (8), 938-942 (2000).
- Rascol, O., et al. Abnormal ocular movements in parkinson's disease: Evidence for involvement of dopaminergic systems. Brain. 112 (5), 1193-1214 (1989).
- Orban De Xivry, J. J., Lefèvre, P. Saccades and pursuit: Two outcomes of a single sensorimotor process. Journal of Physiology. 584 (1), 11-23 (2007).
- Crawford, T. J., et al. Inhibitory control of saccadic eye movements and cognitive impairment in Alzheimer's disease. Biological Psychiatry. 57 (9), 1052-1060 (2005).
- Archibald, N. K., Hutton, S. B., Clarke, M. P., Mosimann, U. P., Burn, D. J. Visual exploration in Parkinson's disease and Parkinson's disease dementia. Brain. 136 (3), 739-750 (2013).
- Litvan, I., et al. Diagnostic criteria for mild cognitive impairment in Parkinson's disease: Movement Disorder Society Task Force guidelines. Movement Disorders. 27 (3), 349-356 (2012).
- Rösler, A., et al. Alterations of visual search strategy in Alzheimer's disease and aging. Neuropsychology. 14 (3), 398-408 (2000).
- Hughes, A. J., Daniel, S. E., Kilford, L., Lees, A. J. Accuracy of clinical diagnosis of idiopathic Parkinson's disease: A clinico-pathological study of 100 cases. Journal of Neurology Neurosurgery and Psychiatry. 55 (3), 181-184 (1992).
- Chiu, H. F. K., Lee, H. C., Chung, W. S., Kwong, P. K. Reliability and Validity of the Cantonese Version of Mini-Mental State Examination-A Preliminary Study. Hong Kong Journal of Psychiatry. 4 (2), 25 (1994).
- Wong, A., et al. The validity, reliability and clinical utility of the Hong Kong Montreal Cognitive Assessment (HK-MoCA) in patients with cerebral small vessel disease. Dementia and Geriatric Cognitive Disorders. 28 (1), 81-87 (2009).
- Fahn, S., Elton, R. Members of the UPDRS Development Committee. Unified Parkinson's disease rating scale. Recent Development in Parkinson's Disease. 2, 293-304 (1987).
- Hoehn, M. M., Yahr, M. D. Parkinsonism: onset, progression, and mortality. Neurology. 17 (5), 427-427 (1967).
- Wu, P. C., Chang, L. Psychometric properties of the Chinese version of the Beck Depression Inventory-II using the Rasch model. Measurement and Evaluation in Counseling and Development. 41 (1), 13-31 (2008).
- Chiu, H. F., et al. The modified Fuld Verbal Fluency Test: a validation study in Hong Kong. The journals of gerontology. Series B, Psychological sciences and social sciences. 52 (5), 247-250 (1997).
- Chan, A. S., Kwok, I. Hong Kong list learning test: manual and preliminary norm. Hong Kong: Department of Psychological and Clinical Psychology Center. , (1999).
- Robbins, T. W., James, M., Owen, A. M., Sahakian, B. J., McInnes, L., Rabbitt, P. Cambridge Neuropsychological Test Automated Battery (CANTAB): A Factor Analytic Study of a Large Sample of Normal Elderly Volunteers. Dementia and Geriatric Cognitive Disorders. 5 (5), 266-281 (1994).
- Lee, T. M. C., Wang, K. Neuropsychological Measures: Normative Data for Chinese. , revised (2010).
- Birant, D., Kut, A. ST-DBSCAN: An algorithm for clustering spatial-temporal data. Data and Knowledge Engineering. 60 (1), 208-221 (2007).
- Wong, O. W., et al. Eye movement parameters and cognitive functions in Parkinson's disease patients without dementia. Parkinsonism and Related Disorders. 52, 43-48 (2018).
- Muslimovic, D., Post, B., Speelman, J. D., Schmand, B. Cognitive profile of patients with newly diagnosed Parkinson disease. Neurology. 65 (8), 1239-1245 (2005).
- Winograd-Gurvich, C., Georgiou-Karistianis, N., Fitzgerald, P. B., Millist, L., White, O. B. Self-paced saccades and saccades to oddball targets in Parkinson's disease. Brain Research. 1106 (1), 134-141 (2006).
- Briand, K. A., Strallow, D., Hening, W., Poizner, H., Sereno, A. B. Control of voluntary and reflexive saccades in Parkinson's disease. Experimental Brain Research. 129 (1), 38-48 (1999).
- Rivaud-Péchoux, S., Vidailhet, M., Brandel, J. P., Gaymard, B. Mixing pro- and antisaccades in patients with parkinsonian syndromes. Brain. 130 (1), 256-264 (2007).
- Perneczky, R., Ghosh, B. C. P., Hughes, L., Carpenter, R. H. S., Barker, R. A., Rowe, J. B. Saccadic latency in Parkinson's disease correlates with executive function and brain atrophy, but not motor severity. Neurobiology of Disease. 43 (1), 79-85 (2011).
- Matsumoto, H., et al. Small saccades restrict visual scanning area in Parkinson's disease. Movement Disorders. 26 (9), 1619-1626 (2011).
- MacAskill, M. R., Anderson, T. J., Jones, R. D. Adaptive modification of saccade amplitude in Parkinson's disease. Brain. 125 (7), 1570-1582 (2002).
- Salvucci, D. D., Goldberg, J. H. Identifying fixations and saccades in eye-tracking protocols. Proceedings of the 2000 symposium on Eye tracking research & applications. , 71-78 (2000).
- Rana, A. Q., Kabir, A., Dogu, O., Patel, A., Khondker, S. Prevalence of blepharospasm and apraxia of eyelid opening in patients with parkinsonism, cervical dystonia and essential tremor. European Neurology. 68 (5), 318-321 (2012).
