Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

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

Published: September 26, 2019 doi: 10.3791/60052
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Psychiatry, The Chinese University of Hong Kong, 2Lab Viso Limited

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

  1. 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.
    1. Ekskluder med psykiatriske sykdommer, oftalmologisk sykdommer som ville svekke øyebevegelser, eller andre nevrologiske lidelser. Ekskluder også tilfeller med antikolinergika som de er kjent for å påvirke kognitiv ytelse og øyebevegelse.
  2. Rekruttere sunne kontroller på en 1:1 basis matchet av kjønn, alder, og utdanning.
  3. Innhente informert samtykke fra faget.
  4. Gjennomføre en klinisk diagnostisk intervju med faget, og hvis tilgjengelig, deres slektninger, å utelukke demens og skjerm for kognitiv svekkelse med mini-mental State eksamen (MMSE)13 og Montreal kognitiv Assessment (moca)14. Ekskluder demens saker fra studien eller hvis motivet er scorene til enten MMSE eller MoCA er < 22/30.
  5. Vurder synsskarphet med et snellen-diagram. Ekskluder motivet hvis synsskarphet er mindre enn 20/40.
  6. Vurdere motorens alvorlighetsgrad og regi av Parkinsons sykdom ved hjelp av Unified Parkinsons sykdom rating Scale (UPDRS) del II & III15 og modifiserte Hoehn og Yahr (H & Y) staging16, henholdsvis. Også innhente informasjon om dagens medisiner tatt av faget.
  7. Vurdere depressive stemningen staten av Beck depresjon Inventory-II (BDI-II)17.

2. eksperimentell installasjon

  1. Gjennomføre eksperimentet i et stille rom med en tilstrekkelig lyskilde.
  2. Gjennomføre eksperimentet for Parkinsons sykdom når de er på medisiner med optimal motorisk funksjon.
  3. Klargjør oppsettet som består av en skjerm BAS ert øye sporing, en datamaskin, en mus, et standard tastatur, en hake hvile og kognitive vurderingsverktøy (tabell med materialer).
  4. Bruk en Eye tracker med en samplingsfrekvens på minst 300 Hz.
  5. Plasser haken hvile 60 cm foran øyet tracker skjermen.

3. flyten av kognitiv vurdering og den visuelle søke oppgaven

  1. Gjennomføre den kinesiske kategorisk verbal taleferdighet test18. Instruere faget å nevne så mange dyr som mulig i et minutt. Registrere antall svar og perseverative feil. Deretter gjentar det samme i kategorien av frukt og grønnsaker.
  2. Gjennomføre registreringsdelen (Trial 1, 2 og 3) i Hong Kong List Learning test (HKLLT)19 ved å lese ut en forhåndsdefinert 16-vokabular ordlisten og instruere faget til å huske dem. Etterpå ber faget om å gjøre gratis tilbakekalling av ordet listen og registrere svaret (Trial 1).
    1. Gjenta trinn 3,2 to ganger for prøve 2 og prøve 3.
  3. Vent 10 min og 30 min etter registreringsdelen av HKLLT for 10 og 30 min forsinkelse tilbakekalling.
  4. Før 10 min forsinket tilbakekalling av HKLLT, utfører du mønster gjenkjennings minne (PRM) fra Cambridge nevropsykologiske test automatisert batteri (CANTAB)20 (tabell over materiale).
    1. Ved hjelp av tavle-PC, presentere 24 visuelle mønstre, en om gangen, på midten av skjermen. Be motivet om å huske mønsteret.
    2. Etter presentasjonen, i en 2-Choice Force diskriminering paradigme, instruere faget til å velge det mønsteret som han/hun kan gjenkjenne.
  5. Utfør 10 min forsinkelse tilbakekalling av HKLLT ved å spørre faget å gjøre gratis tilbakekalling av 16-vokabular ordlisten.
  6. Før 30 min forsinket tilbakekalling av HKLLT, utfører du romlig span (SSP) fra CANTAB20.
    1. Bruk tavle-PCen til å vise et mønster av hvite bokser som endres i farge, en etter en, i variable sekvenser.
    2. Etterpå instruere faget til å berøre boksene i samme rekkefølge de ble presentert og registrere romlig span lengden at motivet kan oppnå som vanskelighetsgrad (antall bokser endring i farge) av oppgaven øker.
  7. Gjennomføre 30 min forsinkelse tilbakekalling ved å spørre faget å gjøre gratis tilbakekalling av 16-vokabular ordlisten.
    1. Gjennomføre anerkjennelse og diskriminering del av HKLLT ved å lese ut en forhåndsdefinert 32-vokabular ord liste, hvorav halvparten av vocabularies er fra den opprinnelige ordlisten i 3,2. Instruere faget til å avgjøre om hvert vokabular lest opp er fra den opprinnelige ordlisten eller ikke.
  8. La faget til å hvile stille hvis de er ferdig med oppgavene i 3,4 og 3,6 før 10-og 30-min forsinkelse tilbakekalling, henholdsvis.
  9. Utfør strømpe av Cambridge (SOC) fra CANTAB20.
    1. Ved hjelp av tavle-PC, presentere 20 scenarier med to parallelle visninger av 3 baller holdt i 3 vertikale strømper, hvorav ordningen av ballene i skjermene varierer i hvert scenario.
    2. Instruere faget til å bestemme, i hvert scenario, minst antall trekk som kreves for å omorganisere ballene i nedre displayet for å kopiere mønsteret vist i det øvre displayet. Skriv inn gjennomsnittlig antall valg for å rette svaret.
  10. Utfør Stroop test21.
    1. Gi motivet 3 kort etter hverandre; det første kortet inneholder prikker trykt i forskjellige farger, inneholder det andre kortet kinesiske tegn trykt i forskjellige farger, mens det siste kortet har kinesiske tegn som viser forskjellige farger (for eksempel kinesiske ord av "blå", "gul", "grønn" eller "rød"), men trykt i en farge som ikke er merket med navnet (for eksempel ordet "rødt" i blått blekk).
    2. Spør faget å lese ut den trykte fargen på prikker/kinesiske tegn så raskt som mulig og registrere tiden som kreves for hvert kort (T1, T2, og T3).
    3. Beregn forstyrrelser indeksen med formelen (T3-T1)/T1.
  11. Fortsett til den visuelle søke oppgaven etter å ha fullført de kognitive testene.
    Merk: Ikke Utfør noen verbal kognitiv oppgave etter registreringen del av HKLLT til slutten av hele HKLLT (3,7) for å hindre interferens effekt på verbal minneytelse.

4. visuelt søk oppgave

  1. Plasser motivet på en stol og plasser haken på haken resten med pannen mot en bar for å minimere hodet bevegelse. Juster øynene til motivet til omtrent midt på dataskjermen. Begynn med å klikke på Start innspilling -knappen i dataprogrammet.
  2. Kalibrering
    1. Kalibrer øye sporingen med det innebygde kalibrerings programmet ved å klikke Start -knappen i kalibrerings grensesnittet.
    2. Be faget om å stirre på en rød prikk som beveger seg over skjermen med 9 festepunkter, samtidig som du holder hodet i ro.
    3. Se etter kvaliteten på kalibreringen ved å vise kalibrerings plottet (figur 1). Sørg for at lengden på de grønne linjene, som representerer feil vektorer, faller innenfor de grå sirklene for en akseptabel kvalitet på kalibreringen. Gjenta kalibreringen hvis det mangler et punkt eller de grønne linjene faller utenfor de grå sirklene. Klikk godta for å fortsette til den visuelle søke oppgaven.
  3. Instruksjon
    1. Gi verbal instruksjon til faget og starte med 5 praksis går å gjøre faget med oppgaven.
    2. Instruere faget å fixate sine blikket på sentral fiksering korset i begynnelsen av hver rettssak. Deretter trykker du Enter på tastaturet for å starte en rettssak, der dataskjermen vil vise et enkelt nummer og 79 distracter alfabeter spredt tilfeldig (figur 2).
    3. Instruere faget til å se så raskt som mulig for nummeret og deretter samtidig klikke på musen og oppgi nummeret høyt så snart nummeret er plassert.
    4. Cross Sjekk om nummeret oppgitt er riktig eller ikke.
    5. Administrer totalt 40 forsøk etter at de fem øvelsene er kjørt.
  4. Design av rettssaken bilder i den visuelle søke oppgaven
    Merk:     programmet koden, skrevet i php, for denne delen kan finnes i tillegg File 1.
    1. Bruk tallene 4, 6, 7 og 9 eksklusivt (tilleggsfil 1 -linje 5).
      Merk: piloten studien11 viste at disse tallene er lettest diskriminert fra alfabeter.
    2. Sørg for at plasseringen av målet nummeret er randomisert fra rettssak til rettssak med regelen om at det ikke kunne være i samme visuelle kvadrant i mer enn tre påfølgende forsøk (supplerende fil 1 -linje 48-52).
    3. Ikke bruk tvetydige alfabeter som "I" og "O" (tilleggsfil 1 -linje 76-78).
    4. Sett størrelsen på fiksering korset, alfabeter, og tall på 0,85 ° visuell vinkel (tilsvarer rundt 0,9 cm på en 23 tommer dataskjerm).
      Merk: Tall og alfabeter brukes fordi disse er lett gjenkjennelige visuelle stimuli ennå krever foveation for identifisering.
    5. Tillat en tidsforløp på 1,5 s etter at undersøkeren har trykket inn i 4.3.2 og før visningen av den sentrale fiksering korset er byttet til et prøve bilde for å starte en prøveversjon (tilleggsfil 2 -line 71; 156-158).
    6. Kontroller at skjermen vil bli blank med fiksering krysset vende tilbake som musen er klikket eller etter 10 s har gått siden begynnelsen av en rettssak, avhengig av hva som er tidligere (supplerende fil 2 -linje 72; 162-180).
    7. Når oppgaven er fullført, genererer du en CSV-fil som inneholder tidsstempler for begynnelsen og slutten av hver prøveversjon (tilleggsfil 2 – linje 48-59; 199-208). Bruk denne filen i dataanalysen i del 5.

5. eye tracking data behandling og analyse

  1. I Replay delen av dataprogrammet, sjekk prøver prosent av øynene under den visuelle søke oppgaven (Figur 3). Forkast dataene i emnet hvis det observeres mer enn 20% data.
    Merk: Eksempler prosent angir hvor stor prosentdel av tiden øynene er med hell plassert av øyet tracker under den visuelle søke oppgaven.
  2. Falle i staver på lek knapp for innspillingen å Sjekk kvaliteten av informasjonen av eyeballing det visualisere avsøke sti video utviklet (skikkelsen 4). Kast hele motivet data hvis det er grovt feilaktig (figur 5).
  3. Kast eventuelle prøve (r) der motivet trykket på musen ved et uhell og for tidlig.
  4. I dataeksport delen av programmet velger du GazePointX (ADCSpx) og GazePointY (ADCSpx) og emnet av interesse (figur 6). Klikk Eksporter data for å eksportere dataene for hvert emne og lagre som en CSV-fil. Filen inneholder x og y koordinatene til motivet øyne posisjon på dataskjermen, i piksler, på hver gang punkt.
  5. Bruk Visual Search Analyzer og i grensesnittet (figur 7), og velg dataene som ble eksportert i 5,4, som inn data for øye data og CSV-filen som ble generert i 4.4.7 som inn data for handlings data. Velg St DBScan som klassifisering algoritmen og klikk på Run. Deretter klikker du på Summary å generere en regnearkfil som inneholder gjennomsnittlig saccade amplitude og gjennomsnittlig fiksering varigheten av faget.
  6. Design av visuelle søk analysator
    Merk:     kodingen for utformingen av analysator kan finnes på https://GitHub.com/Lab-Viso-Limited/Visual-Search-Analyzer. Dens programkoden kan finnes i supplerende fil 3.
    1. Programmere analysator slik at den trekker ut og analyserer bare data fra begynnelsen til slutten av rettssaken (dvs. fra visningen av antall og alfabeter til musen er klikket eller 10 s har gått), ved hjelp av CSV-filen generert i 4.4.7 ( Supplerende fil 3 -linje 6-173).
    2. Programmere analysator slik at den fyller i tap av data på grunn av øye-blinkende ved snitt x og y koordinatene til blikket punktet umiddelbart før og etter blinkende (supplerende fil 3 -linje 176-260).
    3. Programmere analysator slik at den klassifiserer rådata i enten saccade eller fiksering ved hjelp av algoritmen utviklet basert på ST-DBSCAN22 (program kode i supplerende fil 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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-matchet kontroller.

Kognitive og øyebevegelser parametere
I overensstemmelse med andre tidligere studier24, viste Parkinsons sykdom gruppe dårligere ytelse i flere kognitive oppgaver i forhold til kontrollgruppen (tabell 1). Ved hjelp av interne algoritmen for klassifisering av den visuelle søke oppgavedata, fixations og saccades er identifisert og ekstrahert for beregning og analyse. Det ble funnet at sykdomsgruppen hadde en mindre gjennomsnittlig saccadic amplitude (16,36 ° ± 2,36) sammenlignet med kontroller (17,27 ° ± 2,49; p = 0,037). Gjennomsnittlig fiksering varighet var ikke signifikant forskjellig mellom gruppene (216,58 MS ± 31,64 vs, 211,59 MS ± 24,90; p = 0,331) (tabell 2).

Korrelasjon mellom øye bevegelses parametre og kognitiv funksjon
Etter justering for kovariatene, var det negative sammenhenger funnet mellom gjennomsnittet fiksering varighet og ytelse i verbal anerkjennelse minne score (anerkjennelse og diskriminering score; F = 5,843, t =-2,417, p = 0,017 og F = 12,771, t =-3,574, p = 0,001, henholdsvis), mønster gjenkjennings minne (F = 5,505, t =-2,346, p = 0,021) og kategorisk verbal flyt test i kategorier av frukt (F = 5,647, t =-2,376, p = 0,009) og grønnsak (F = 9,744, t =-3,122, p = 0,002). (Tabell 3). Men det var ingen signifikant interaksjon funnet i disse sammenhenger mellom sykdommen og kontrollgruppen, noe som tyder på at sammenhenger ikke er spesifikke for sykdommen gruppen. Det er spekulert i at som kontroll av visuell fiksering og korrelert kognitive funksjoner vanligvis innebære timelige og parietal regioner av hjernen med en overveiende kolinerge basis, patologiske forandringer i disse nevroanatomi og biokjemiske mekanismer kan forklare funnene.

Figure 1
Figur 1 : Et kalibrerings plott for øye måleren. Plottet viser resultatet av kalibreringen. Lengden på hver grønne linje indikerer forskjellen mellom blikk punktet som er beregnet av øye sporing og den faktiske punkt posisjonen. Som alle de grønne linjene faller innenfor de grå sirklene og det er ingen manglende punkt, er kvaliteten på denne kalibreringen akseptabelt. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Et eksempel på en prøveversjon av den visuelle søke oppgaven. Visning av en ikke-lineær matrise av 80 stimulans elementer, hvorav det er 1 tall blant 79 distracter alfabeter. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Grensesnittet for å kontrollere den totale samplings prosenten. I Replay-delen av dataprogrammet, Samples-prosenten, som angir hvor stor prosentdel av tiden som øynene er plassert ved øye sporing under den visuelle søke oppgaven, kan kontrolleres for hvert emne. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Et eksempel på en synlig skanne bane fra den visuelle søke oppgaven. Skannings banen i løpet av denne prøveperioden ble prikket, med de røde rette linjene som representerer den saccadic øye bevegelsen og de røde prikkene for visuell fixations. Legg merke til at slutten av hver visuelle fiksering etterfølges av en saccade og omvendt i en normal skanne bane. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 : Et eksempel på en feilaktig visualisere skannings bane. Denne eksempel av en grovt feilaktig avsøke sti er tatt fra en motiv bruk en par av inkompitabel progressiv linsen. I motsetning til den normale skanne banen i Figur 4, de røde linjene (saccade) kjøre i sikksakk og faller ut av dataskjermen. Fikserings punktene er ikke på enten alfabeter eller tallet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 : Dataeksport grensesnittet i dataprogrammet. Dette viser grensesnittet der motivet og typen øye sporingsdata som er registrert, kan velges for dataeksport. I vårt eksperimentelle paradigme, x og y koordinat, i piksler, av øynene posisjon på skjermen på hver gang punktet vil bli brukt for dataanalyse. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7 : Grensesnittet til Visual Search Analyzer. Dette viser grensesnittet til det interne analyseprogrammet for øye sporingsdata. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Kontrollgruppe Parkinsons gruppe p-verdi
Globale kognitive vekter
Mmse 28,53 (1,63) 28 (1,84) 0,09
Moca 27,10 (2,25) 26 (2,34) 0,009 *
Spesifikke kognitive tester-frontal utøvende & frontal-Temporal
Strømpe av Cambridgea 1,16 (0,14) 1,24 (0,19) 0,018 *
Stroop testb 1,24 (1,77) 1,36 (1,65) 0,697
Verbal flyt-dyrb 0,92 (1,47) 0,26 (1,31) 0,01 *
Verbal flyt-fruktb -0,71 (0,74) -1,01 (0,79) 0,028 *
Verbal flyt-vegetabilskb -0,66 (1,04) -1,11 (0,90) 0,011 *
Spesifikke kognitive tester-verbal Memory (Hong Kong liste Learning test)
Totalt læringb 0,03 (0,90) -0,30 (0,87) 0,037 *
10 minutter forsinkelse gratis tilbakekallingb -0,17 (0,90) -0,44 (1,10) 0,131
30 minutter forsinkelse gratis tilbakekallingb -0,19 (0,90) -0,39 (1,04) 0,206
Poengsum for gjenkjenningb 0,10 (1,00) 0,15 (0,73) 0,722
Diskriminering poengb -0,05 (1,02) -0,13 (0,97) 0,636
Spesifikke kognitive tester – visuelt romlig minne
Minne for mønstergjenkjenningc 91,33 (9,40) 87,77 (10,20) 0,045 *
Spesifikke kognitive tester – oppmerksomhet/arbeidsminne
Romlig spand 6,15 (1,10) 5,65 (1,17) 0,016 *

Tabell 1: sammenligning av kognitive poengsummer mellom to grupper ved hjelp av uavhengige prøve-t-test. MMSE, mini-mental State eksamen; MoCA, Montreal kognitiv vurdering; * – p < 0,05 a – gjennomsnittlig valg for å korrigere; b – score forvandlet til z-score; c – prosentvis korrekt; d -span lengde. Denne tabellen er gjengitt fra23.

Kontrollgruppe Parkinsons sykdom gruppe p-verdi
Gjennomsnittlig fiksering varighet, i miliseconds (SD) [Range] 211,59 (24,90) [165,77-264,63] 216,58 (31,64) [145.43-312.68] 0,331
Gjennomsnittlig saccadic amplitude, i grader (SD) [Range] 17,27 (2,49) [13,34-22,99] 16,36 (2,36) [11.66-23.20] 0,037 *

Tabell 2: sammenligning av øye sporingsparametre mellom to grupper ved hjelp av en uavhengig prøve t-test. *-p < 0,05. Denne tabellen er endret fra23.

Kilde Avhengig variabel Df F B Beta STD. feil T p-verdi
Gjennomsnittlig fiksering varighet Verbal flyt-fuit 1 5,647 -0,006 til en -0,227 til en 0,002 -2,376 til en 0,009 *
Verbal flyt-vegetabilsk 1 9,744 -0,009 til en -0,288 til en 0,003 -3,122 til en 0,002 *
Poengsum for gjenkjenning 1 5,843 -0,007 til en -0,215 til en 0,003 -2,417 til en 0,017 *
Diskriminering poeng 1 12,771 -0,011 til en -0,314 til en 0,003 -3,574 til en 0,001 *
Minne for mønstergjenkjenning 1 5,505 -0,071 til en -0,215 til en 0,03 -2,346 til en 0,021 *

Tabell 3: sammenhenger mellom kognitive score og eye-tracking parametere ved hjelp av generell lineær modell: vesentlige funn bare. *-p < 0,05. Denne tabellen er gjengitt fra23.

Supplemental File 1
Tilleggsfil 1: Koder knyttet til rettssaken bildet design. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental File 2
Tilleggsfil 2: Koder som er knyttet til den faktiske kjøringen av den visuelle søke oppgaven. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental File 3
Tilleggsfil 3: Koder knyttet til programvaren (f.eks. analyse program). Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.

Supplemental File 4
Tilleggsfil 4: Koder knyttet til ST-DBSCAN algoritme som brukes for klassifisering øyebevegelse beregninger. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 for å måle Eye bevegelses parametre. Som diskutert, er utformingen av denne visuelle søke oppgaven av største betydning som det må minimere kjente forvirrende effekten av en kognitiv evne på ytelsen til øyet sporing oppgaven, da det kan påvirke øyet bevegelse parametrene registrert. Et eksempel som ville være effekten av frontal utøvende funksjoner på saccadic latency28. Det kritiske spørsmålet i utformingen vil være tilfeldig spredning av antall og alfabeter og varierende kvadranter av antallet plassering, noe som gjør det vanskeligere å bruke kognitive strategier for å forbedre ytelsen til oppgaven. Sammen med et gjennomsnitt på omtrent 650 saccades målt i 40 forsøk per emne, representerer den gjennomsnittlige saccade amplitude mer av en fysiologisk evne til øyet å generere saccade. I samsvar med tidligere litteratur, ble det funnet at saccade amplitude er mindre i Parkinsons sykdom pasienter29,30. Valget av parametere Hentet fra øyet sporing oppgaven også må tas vare på med hensyn til spørsmålet om potensialet forvirrende effekt av kognisjon. For eksempel ble parametre som hastigheten for å finne tall, feil frekvens og nøyaktighet, som er en direkte måling av oppmerksomhet og prosesseringshastighet, ikke brukt.

Et annet kritisk skritt for denne studien er å fastslå gyldigheten av algoritmen som ble brukt i klassifiseringen av øyet bevegelse parameter. Det finnes mange måter å klassifisere øye sporingsdata i saccade og fiksering: Velocity-basert, dispersjon-basert algoritme og så videre31. Hver av disse algoritmene har sine egne fordeler og ulemper, og det er ingen gull standard for å gjøre det slik at man må også ta hensyn til spesifikasjonene til øyet tracker brukes og utformingen av øye sporing oppgave å finne den beste måten å klassifisere dataene. For denne studien, en in-House, tetthet-baserte Clustering algoritme, utviklet basert på ST-DBSCAN22, ble brukt. Forskergruppen har kryss validerte gyldigheten av denne klassifiserings algoritmen mot manuell klassifisering i en pilotstudie før algoritmen blir brukt på dataene i denne studien. Dataprogrammet som omfatter algoritmen vil automatisk skjøte ut og klassifisere dataene i forsøkene, fra det øyeblikket rettssaken starter (med alfabeter og tall som vises på skjermen) til slutt (at motivet klikker på musen eller 10 s har bortfalt), slik at ingen data som registreres (f.eks. under visning av fikserings korset) blir analysert for å forurense resultatene.

Bruk av domenespesifikke kognitive tester i denne studien tillater sammenhenger av øyet bevegelse parametere med individuell kognitiv funksjon ytelse. Som diskutert, har dette betydning over bruk av generelle generelle kognitive tiltak som nevrale kretser og biokjemiske grunnlag for hver kognitiv funksjon er forskjellige. Den moderne kunnskap om nevrale mekanismer for øyebevegelser kontroll og individuelle kognitive funksjoner tillate oss å gjøre slutning og tolkning av resultatene funnet. For eksempel, de betydelige negative sammenhenger av fiksering varighet med Temporal-, parietal-, og kolinerge-baserte kognitive funksjoner er av spesiell interesse som svekkelse av disse funksjonene kan forutsi utviklingen av demens3. Detaljerte diskusjoner av det vitenskapelige grunnlaget som forklarer sammenhenger kan bli funnet i den opprinnelige papiret publisert23.

Batteriet av kognitiv undersøkelse og den visuelle søke oppgaven var svært utholdelig til fagene i denne studien. Krever omtrent 1,5 h å fullføre hele batteriet, ingen av fagene var ute av stand til å fullføre på grunn av tretthet eller fysisk ubehag. Den visuelle søke oppgaven besto av 40 forsøk og tok bare rundt 5-10 min å fullføre. Oppgaven er ikke-invasiv, enkel og rask, og gjør den velegnet som et screening-verktøy hvis den støttes av mer robuste data. Dette paradigmet kan også brukes transdiagnostically i andre nevrokognitive lidelser for å svare på lignende spørsmål forskning. En stor praktisk begrensning oppstått i denne protokollen er inkompatibilitet av øyet tracker i iført visse progressive linse, som presbyopi er ikke en uvanlig tilstand hos eldre. Øyelokk apraksi og blefarospasme er også sett i Parkinsons sykdom32 og lider av disse forholdene kan ikke være i stand til å fullføre oppgaven.

Som en utforskende og Cross-Seksjons studie, utformingen av studien ikke tillater oss å antyde noen klare nevroanatomi og biokjemiske grunnlag som forklarer resultatene funnet. De tolkninger av resultatene var for det meste basert på uavhengig kunnskap om physiologies av kognitive funksjoner og øyebevegelse kontroll, og derfor forble som postulations. De langsgående data om hvordan disse parametrene kan endres over tid under nevrodegenerative prosessen er ukjent. Likevel er det verdt å ha en oppfølgingsstudie for å undersøke prediktiv verdiene av Baseline øyebevegelser parametere på kognitiv svekkelse utvikling. Fremtidige studier bør innlemme neuroimaging å ta opp neurostructural grunnlaget for mer solid støtte av noen postulater, uten noe som videre utvikling av øye sporing som en proxy markør for kognitiv funksjon vil ikke være mulig.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

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

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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 (0), 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. , revised (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).

Tags

Nevrovitenskap Parkinsons sykdom kognisjon kognitiv svekkelse øye sporing øyebevegelse saccade visuell fiksering
Karakteriserer forholdet mellom Eye Movement parametere og kognitive funksjoner i ikke-demente Parkinsons sykdom pasienter med eye tracking
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wong, O. W. H., Fung, G. P. C.,… More

Wong, O. W. H., Fung, G. P. C., 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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter