Karakteriseren van de relatie tussen de parameters van de oogbeweging en cognitieve functies bij niet-gedefragmenteerde patiënten met de ziekte van Parkinson met Oogtracering
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.
Protocol
Representative Results
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 visue…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag Dr. Harvey Hung bedanken voor zijn advies over het manuscript.
Materials
| 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 1920×1080, Sampling rate at 300Hz |
| 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, 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. , (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).
