Summary

Karakteriserer forholdet mellom Eye Movement parametere og kognitive funksjoner i ikke-demente Parkinsons sykdom pasienter med eye tracking

Published: September 26, 2019
doi:

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å studere forholdet mellom øye bevegelses parametrene og kognitive funksjoner i ikke-demente pasienter med Parkinsons sykdom. Eksperimentet brukte en Eye tracker for å måle saccadic amplitude og fiksering varighet i en visuell søke oppgave. Sammenhengen med ytelse i kognitive oppgaver med flere domener ble senere målt.

Abstract

Kognitiv svekkelse er et vanlig fenomen i Parkinsons sykdom som har implikasjoner på prognosen. En enkel, ikke-invasiv og objektiv proxy måling av kognitiv funksjon i Parkinsons sykdom vil være nyttig i å oppdage tidlig kognitiv nedgang. Som en fysiologisk beregning er ikke øyen bevegelse parameter forvirret av emnet attributter og intelligens og kan fungere som en proxy markør hvis den samsvarer med kognitive funksjoner. For dette formålet utforsket denne studien forholdet mellom øye bevegelses parametrene og ytelsen i kognitive tester i flere domener. I forsøket ble det satt opp en visuell søke oppgave med øye sporing, der forsøkspersonene ble bedt om å se etter et tall som var innebygd i en rekke alfabeter som var tilfeldig spredt på en dataskjerm. Differensiering mellom tall og alfabetet er en overlearned oppgave slik at den forvirrende effekten av kognitive evner på øyet bevegelse parametrene er minimert. Gjennomsnittlig saccadic amplitude og fiksering varighet ble fanget og beregnet under den visuelle søke oppgaven. Den kognitive vurderingen batteriet dekket domener av frontal-utøvende funksjoner, oppmerksomhet, verbal og visuell hukommelse. Det ble funnet at langvarig fiksering varighet var assosiert med dårligere ytelse i verbal flyt, visuell og verbal hukommelse, slik at videre leting på bruk av øyebevegelser parametere som proxy markører for kognitiv funksjon i Parkinsons sykdom Pasienter. Den eksperimentelle paradigmet er funnet å være svært utholdelig i vår gruppe av Parkinsons sykdom pasienter og kan brukes transdiagnostically til andre sykdoms enheter for lignende forskning spørsmål.

Introduction

Parkinsons sykdom er klassisk en motorisk lidelse; ennå, er sykdommen også forbundet med kognitive underskudd, og progresjon til demens er vanlig1. Patofysiologi av kognitiv svekkelse i Parkinsons sykdom er ikke godt forstått. Det antas å være relatert til Alpha-synuclein deponering i kortikale området basert på Braak ‘ s staging2. Det ble også foreslått at en dual syndrom av degenerasjon av dopaminerg og kolinerge systemet fører til ulike kognitive underskudd med Prognostisk konsekvens3. Mer forskning er nødvendig for å ytterligere belyse de nøyaktige mekanismene som er involvert i kognitiv svekkelse i Parkinsons sykdom. På det kliniske aspektet, har tilstedeværelsen av kognitiv svekkelse en betydelig innvirkning på prognosen4,5. Vurdering av kognitiv funksjon i klinisk praksis er derfor avgjørende. En langvarig kognitiv vurdering er imidlertid begrenset av pasientens mentale og motoriske forhold. Derfor er det nødvendig med en ikke-invasiv og enkel måling som kan gjenspeile sykdoms belastningen på kognitiv funksjon.

Den øyebevegelse unormalt er allment beskrevet synlige tegn på Parkinsons sykdom fra sin tidlige stadier6, men patofysiologi er enda mindre godt preget enn for kognitiv svekkelse. Generering av øyebevegelse er gjennom en transformasjon av den visuelle sensoriske innspill, subserved av en sammenvevd kortikale og subkortikal nettverk, i signaler til nervus kjerner i hjernestammen for effekt7. Involvering av Parkinsons sykdom patologi i disse nettverkene kan føre til Observer øyebevegelse unormalt. Det er, kanskje overlappende av nevroanatomi strukturer som styrer kontroll av øyebevegelser og kognitiv funksjon. Videre har det vært studier som undersøker forholdet mellom saccadic øyebevegelser og kognitiv funksjon i andre nevrodegenerative lidelser8. På slike grunner er det verdt å utforske bruken av øyebevegelser parametre som en proxy markør for kognitive funksjoner i Parkinsons sykdom. En tverrfaglig studie9 viste at redusert saccadic amplitude og lengre fikserings tid var forbundet med alvorlighetsgraden av global kognitiv svekkelse ved Parkinsons sykdom. Det er imidlertid en mangel på data om sammenhengen mellom øyebevegelser parametere og spesifikke kognitive domener. Betydningen og behovet for måling av spesifikke kognitive domener, snarere enn en generell kognitiv tilstand, er at individuelle kognitive domene informerer differensial Prognostisk informasjon i Parkinsons sykdom3 og de er subserved av forskjellige nevrale nettverk. Målet med denne studien er å utforske det konkrete forholdet mellom øyebevegelse beregninger og ulike kognitive funksjoner. Dette er første skritt for å etablere et fundament som utviklingen av biomarkører av kognitiv nedgang i Parkinsons sykdom ved hjelp av eye tracking-teknologi kan bygges.

Den eksperimentelle paradigmet presentert består av to hoveddeler: den kognitive vurderingen og øyet sporing oppgaven. Det kognitive vurderings batteriet omfattet en rekke kognitive funksjoner, inkludert oppmerksomhet og arbeidsminne, utøvende funksjon, språk, verbal hukommelse og Tilegning funksjon. Valget av disse 5 kognitive domener er basert på Movement uorden Society Task Force retningslinjer for mild kognitiv svekkelse i Parkinsons sykdom10, og et sett med lokalt tilgjengelige kognitive tester ble valgt for å bygge vurderingen Batteri. I en tidligere lignende eye tracking studie på Parkinsons sykdom kognisjon nevnt9, trakk forfatteren øyet bevegelse parametrene mens fagene var engasjert i visuelle kognitive oppgaver, der parametrene kan potensielt bli påvirket av temaet kognitive evner. Ettersom denne studien tok sikte på å vurdere sammenhengen mellom øye bevegelses parametrene og ulike kognitive domener, må den potensielle forvirrende effekten av kognitive evner på øye parametrene rettes opp. I dette forhold, en visuell søke oppgave, tilpasset fra en annen eye tracking studie på Alzheimers11, var ansatt for å fange øyet bevegelse parametrene av fagene. Under oppgaven måtte forsøkspersonene søke etter et enkelt tall på en dataskjerm blant flere alfabetiske avledningselementer. Denne oppgaven vil lokke fram den alternative bruken av saccadic øyebevegelser og visuell fiksering, unormalt som er beskrevet mye i Parkinsons sykdom. Identifisering og differensiering av tall og alfabetet er en overlearned oppgave der etterspørselen etter kognitive funksjoner er bare minimal og ville derfor være egnet til å svare på forskningen spørsmålet i denne studien. Et dataprogram ble utviklet basert på spesifikasjoner og design som fremgår av Rösler et al.11. i sin opprinnelige studien skal kjøres innenfor innebygd programvare av våre Eye tracker. En in-House algoritme for klassifisering og analyse av øye sporingsdata ble også utviklet for denne studien.

Protocol

Dette forskningsprosjektet ble godkjent av Joint Chinese University of Hong Kong-nye territorier East Cluster Clinical Research etikk Committee (CREC REF. nr.: 2015,263). 1. deltakere rekruttering og Baseline vurdering Rekruttere Parkinsons sykdom pasienter i alderen mindre enn eller lik 70 fra en Nevrologi spesialist klinikk med diagnosen gjort basert på Storbritannia Parkinson ‘ s Disease Society (UKPDS) Brain bank diagnostiske kriterier12.</strong…

Representative Results

Den fulle resultatet av denne studien er tilgjengelig i den opprinnelige papiret publisert23. Pasienter med Parkinsons sykdom (n = 67) ble rekruttert og fullførte vurderingen. Imidlertid, 5 sakene mislykkes å fullstendig det synlig søke oppgave idet de bar progressiv linsen inkompitabel med det øye bane og deres data var kasserte. Gjennomsnittsalderen for fagene var 58,9 år (SD = 7,5 år) med en mannlig til kvinnelig ratio på 1,7:1. 62 for sammenligning var sunn alder-, Sex-, og utdanning-ma…

Discussion

Protokollen presentert ovenfor ble utformet som den første delen av en langsgående studie i å utforske den potensielle kliniske nytten av øyet bevegelse parametere som surrogat markører for kognitive funksjoner i Parkinsons sykdom. Mens det finnes studier som undersøker mer klassisk eye tracking paradigmer som selv-tempo saccade, refleksiv saccade, og anti-saccade25,26,27, en visuell søke oppgave ble brukt i denne studien…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gjerne takke Dr. Harvey Hung for hans råd om manuskriptet.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Rascol, O., et al. Abnormal ocular movements in parkinson’s disease: Evidence for involvement of dopaminergic systems. Brain. 112 (5), 1193-1214 (1989).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Rösler, A., et al. Alterations of visual search strategy in Alzheimer’s disease and aging. Neuropsychology. 14 (3), 398-408 (2000).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Hoehn, M. M., Yahr, M. D. Parkinsonism: onset, progression, and mortality. Neurology. 17 (5), 427-427 (1967).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Chan, A. S., Kwok, I. Hong Kong list learning test: manual and preliminary norm. Hong Kong: Department of Psychological and Clinical Psychology Center. , (1999).
  20. 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).
  21. Lee, T. M. C., Wang, K. . Neuropsychological Measures: Normative Data for Chinese. , (2010).
  22. Birant, D., Kut, A. ST-DBSCAN: An algorithm for clustering spatial-temporal data. Data and Knowledge Engineering. 60 (1), 208-221 (2007).
  23. 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).
  24. Muslimovic, D., Post, B., Speelman, J. D., Schmand, B. Cognitive profile of patients with newly diagnosed Parkinson disease. Neurology. 65 (8), 1239-1245 (2005).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Matsumoto, H., et al. Small saccades restrict visual scanning area in Parkinson’s disease. Movement Disorders. 26 (9), 1619-1626 (2011).
  30. MacAskill, M. R., Anderson, T. J., Jones, R. D. Adaptive modification of saccade amplitude in Parkinson’s disease. Brain. 125 (7), 1570-1582 (2002).
  31. 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).
  32. 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).

Play Video

Cite This Article
Wong, O. W., Fung, G. P., Chan, S. Characterizing the Relationship Between Eye Movement Parameters and Cognitive Functions in Non-demented Parkinson’s Disease Patients with Eye Tracking. J. Vis. Exp. (151), e60052, doi:10.3791/60052 (2019).

View Video