Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Karakterisering af forholdet mellem øjen bevægelses parametre og kognitive funktioner hos patienter med ikke-dementeret Parkinsons sygdom med Øjensporing

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 præsenterer vi en protokol til at studere forholdet mellem øjenbevægelser parametre og kognitive funktioner i ikke-demented Parkinsons sygdom patienter. Eksperimentet brugte en øjetracker til at måle den saccadiske amplitude og fikserings varigheden i en visuel søge opgave. Sammenhængen med ydeevnen i multi-Domain kognitive opgaver blev efterfølgende målt.

Abstract

Kognitiv svækkelse er et almindeligt fænomen i Parkinsons sygdom, der har konsekvenser for prognosen. En simpel, ikke-invasiv og objektiv proxy måling af kognitiv funktion i Parkinsons sygdom vil være nyttige i at opdage tidlig kognitiv tilbagegang. Som en fysiologisk måling er øjen bevægelses parameteren ikke forvirret af motivet attributter og intelligens og kan fungere som en proxy markør, hvis det korrelerer med kognitive funktioner. Til dette formål udforskede denne undersøgelse forholdet mellem øjen bevægelses parametrene og ydeevnen i kognitive tests i flere domæner. I eksperimentet blev der oprettet en visuel søge opgave med sporing af øjne, hvor emner blev bedt om at søge efter et tal, der er indlejret i en række alfabeter, der er spredt tilfældigt på en computerskærm. Differentieringen mellem antallet og alfabetet er en over lært opgave, således at den forstyrrende virkning af kognitiv evne på øjet bevægelses parametre minimeres. Den gennemsnitlige saccadiske amplitude og fikserings varighed blev taget til fange og beregnet under den visuelle søge opgave. Den kognitive vurdering batteridækket domæner af frontal-udøvende funktioner, opmærksomhed, verbal og visuel hukommelse. Det blev konstateret, at langvarig fiksering varighed var forbundet med dårligere ydeevne i verbal Fluency, visuel og verbal hukommelse, giver mulighed for yderligere udforskning af brugen af øjenbevægelser parametre som proxy markører for kognitiv funktion i Parkinsons sygdom Patienter. Den eksperimentelle paradigme har været fundet at være meget tåleligt i vores gruppe af Parkinsons sygdom patienter og kunne anvendes transdiagnostically til andre sygdoms enheder for lignende forskningsspørgsmål.

Introduction

Parkinsons sygdom er klassisk en motorisk lidelse; endnu, sygdommen er også forbundet med kognitive underskud, og progression til demens er fælles1. Patofysiologien af kognitiv svækkelse i Parkinsons sygdom er ikke godt forstået. Det menes at være relateret til Alpha-synuclein deposition i det kortikale område baseret på Braaks staging2. Det blev også foreslået, at et dobbelt syndrom af degeneration af dopaminerge og kolinerge system fører til forskellige kognitive underskud med prognostisk implikation3. Mere forskning er nødvendig for yderligere at belyse de nøjagtige mekanismer, der er involveret i kognitiv svækkelse i Parkinsons sygdom. På det kliniske aspekt har tilstedeværelsen af kognitiv svækkelse en signifikant indvirkning på prognosen4,5. Vurdering af kognitiv funktion i klinisk praksis er derfor afgørende. Men, en langvarig kognitiv vurdering er begrænset af patienternes mentale og motoriske forhold. Derfor er en ikke-invasiv og enkel måling, der kan afspejle sygdommens byrde på kognitiv funktion, nødvendig.

Øjenbevægelser abnormiteter er bredt beskrevet påviselige tegn på Parkinsons sygdom fra de tidlige stadier6, men Patofysiologi er endnu mindre velkarakteriseret end kognitiv svækkelse. Den generation af øjenbevægelser er gennem en omdannelse af den visuelle sensoriske input, under tjent med en sammenflettet kortikale og subkortikale netværk, i signaler til oculomotoriske kerner i hjernestammen for effekt7. Involvering af Parkinsons sygdom patologier i disse netværk kan føre til observerbare øjenbevægelser abnormiteter. Der er, måske overlappende af neuroanatomiske strukturer, der styrer kontrol af øjenbevægelser og kognitiv funktion. Desuden har der været undersøgelser undersøge forholdet mellem saccadiske øjenbevægelser og kognitiv funktion i andre neurodegenerative lidelser8. På sådanne grunde, det er umagen værd at undersøge brugen af øjenbevægelser parametre som en proxy markør for kognitive funktioner i Parkinsons sygdom. En tværsnitsundersøgelse9 viste, at reduceret saccadiske amplitude og længere fiksering varighed var forbundet med sværhedsgraden af globale kognitiv svækkelse i Parkinsons sygdom. Men, der er en mangel på data om sammenhængen mellem øjenbevægelser parametre og specifikke kognitive domæner. Betydningen og behovet for måling af specifikke kognitive domæner, snarere end en generel kognitiv tilstand, er, at individuelle kognitive domæne informerer differentialprognostisk information i Parkinsons sygdom3 og de er underbudt af forskellige neurale netværk. Formålet med denne undersøgelse er at udforske det specifikke forhold mellem øjenbevægelser Metrics og forskellige kognitive funktioner. Dette er det første skridt til at etablere et fundament, hvor udviklingen af biomarkører af kognitiv tilbagegang i Parkinsons sygdom ved hjælp af Eye tracking-teknologi kunne bygges.

Den eksperimentelle paradigme præsenteret er sammensat af 2 store dele: den kognitive vurdering og øjet tracking opgave. Den kognitive vurdering batteri omfattede en række kognitive funktioner, herunder opmærksomhed og arbejdshukommelse, udøvende funktion, sprog, verbal hukommelse og visuospatiale funktion. Valget af disse 5 kognitive domæner er baseret på bevægelses forstyrrelse Society Task Force retningslinjer for mild kognitiv svækkelse i Parkinsons sygdom10, og et sæt af lokalt tilgængelige kognitive tests blev udvalgt til at bygge vurderingen Batteri. I en tidligere lignende Eye tracking undersøgelse om Parkinsons sygdom kognition nævnt9, forfatteren ekstraheret øjenbevægelse parametre, mens emnerne var engageret i visuelle kognitive opgaver, hvor parametrene kan potentielt blive påvirket af forsøgspersons kognitive evner. Da denne undersøgelse har til formål at vurdere sammenhængen mellem øjenbevægelser parametre og forskellige kognitive domæner, den potentielle forstyrrende effekt af kognitive evner på øjet parametre skal behandles. I denne henseende, en visuel søgning opgave, tilpasset fra en anden Eye tracking undersøgelse om Alzheimers sygdom11, blev ansat til at fange øjenbevægelser parametre af emnerne. Under opgaven skulle emnerne søge efter et enkelt tal på en computerskærm blandt flere alfabet distraktører. Denne opgave ville fremkalde alternativ brug af saccadiske øjenbevægelser og visuel fiksering, hvis abnormaliteter er beskrevet bredt i Parkinsons sygdom. Identifikation og differentiering af tal og alfabet er en over lært opgave, hvor efterspørgslen efter kognitive funktioner er kun minimal og ville derfor være egnet til at besvare forskningen spørgsmålet om denne undersøgelse. Et edb-program blev udviklet på grundlag af specifikationerne og designet som angivet af Rösler et al.11. i deres oprindelige undersøgelse, der skal køres inden for den indbyggede software af vores Eye tracker. En in-House algoritme til klassificering og analyse af øjet tracking data blev også udviklet til denne undersøgelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Dette forskningsprojekt blev godkendt af den fælles kinesiske University of Hong Kong-nye territorier East Cluster klinisk forskning etiske komité (CREC Ref. no.: 2015,263).

1. rekruttering af deltagere og vurdering af baseline

  1. Rekruttere Parkinsons sygdom patienter i alderen mindre end eller lig med 70 fra en Neuro logi specialist klinik med diagnosen lavet baseret på Det Forenede Kongerige Parkinsons sygdom Society (UKPDS) Brain bank diagnostiske kriterier12.
    1. Udelukke personer med psykiatriske sygdomme, oftalmologiske sygdomme, der ville forringe øjenbevægelser, eller andre neurologiske lidelser. Også, udelukke tilfælde ved hjælp af antikolinergika som de er kendt for at påvirke kognitive præstationer og øjenbevægelser.
  2. Rekruttere sunde Kontroller på en 1:1 basis matches af køn, alder, og uddannelse.
  3. Indhente informeret samtykke fra emnet.
  4. Gennemføre en klinisk diagnostisk interview med emnet og, hvis det er muligt, deres pårørende, at udelukke demens og skærm for kognitiv svækkelse med mini-mental State eksamen (MMSE)13 og Montreal kognitiv vurdering (MoCA)14. Udelukke demens tilfælde fra studiet, eller hvis motivet er scoret af enten MMSE eller MoCA er < 22/30.
  5. Vurder synsskarpheden med et Snellen-diagram. Udelad motivet, hvis synsskarpheden er mindre end 20/40.
  6. Vurdere motorens sværhedsgrad og iscenesættelse af Parkinsons sygdom ved hjælp af den samlede Parkinsons sygdom rating Scale (UPDRS) del II & III15 og modificeret Hoehn og yahr (H & Y) staging16, hhv. Også, indhente oplysninger om den nuværende medicin taget af emnet.
  7. Vurder den depressive humør tilstand af Beck depression Inventory-II (BDI-II)17.

2. eksperimentel opsætning

  1. Udfør eksperimentet i et stille rum med en passende lyskilde.
  2. Udfør eksperimentet for Parkinsons sygdoms patienter, når de er på medicin med optimal motorisk funktion.
  3. Forbered opsætningen, der består af en skærm baseret Eye tracker, en computer, en mus, et standardtastatur, en hage rest og kognitive vurderingsværktøjer (tabel over materialer).
  4. Brug en øjetracker med en samplingfrekvens på mindst 300 Hz.
  5. Placer hage resten 60 cm foran Eye tracker skærmen.

3. strømmen af den kognitive vurdering og den visuelle søgning opgave

  1. Udføre den kinesiske kategoriske verbal Fluency test18. Instruer motivet til at navngive så mange dyr som muligt i et minut. Registrer antallet af svar og perseverative fejl. Derefter gentages det samme i kategorien af frugt og grøntsager.
  2. Gennemføre registrerings delen (prøve 1, 2 og 3) af Hong Kong List Learning test (HKLLT)19 ved at læse en foruddefineret 16-ordforråds Ordliste og instruere motivet til at huske dem. Bagefter bede emnet om at gøre gratis tilbagekaldelse af ordet liste og registrere svaret (Trial 1).
    1. Gentag trin 3,2 to gange for prøveversion 2 og prøve 3.
  3. Vent 10 min og 30 min efter registreringen del af HKLLT for 10 og 30 min forsinkelse tilbagekaldelse.
  4. Før 10 min forsinket tilbagekaldelse af HKLLT, udføre mønstergenkendelse hukommelse (PRM) fra Cambridge Neuropsychological test automatiseret batteri (CANTAB)20 (tabel over materiale).
    1. Brug tavle-pc'en til at præsentere 24 visuelle mønstre, én ad gangen, midt på skærmen. Instruer motivet til at huske mønsteret.
    2. Efter præsentationen, i en 2-Choice Force diskrimination paradigme, instruere motivet til at vælge det mønster, at han/hun kan genkende.
  5. Udfør 10 min forsinkelse tilbagekaldelse af HKLLT ved at bede emnet om at gøre gratis tilbagekaldelse af 16-ordforråds ordlisten.
  6. Før 30 min forsinket tilbagekaldelse af HKLLT, udføre Spatial span (SSP) fra CANTAB20.
    1. Brug tavle-pc'en til at vise et mønster med hvide bokse, som ændrer farve, én efter én, i variable sekvenser.
    2. Bagefter instruere motivet til at røre kasserne i samme sekvens, de blev præsenteret og registrere den rumlige span længde, at emnet kunne nå som sværhedsgraden (antallet af kasser ændring i farve) af opgaven stiger.
  7. Udfør 30 min forsinkelse tilbagekaldelse ved at bede emnet om at gøre gratis tilbagekaldelse af 16-ordforråds ordliste.
    1. Udføre anerkendelse og diskrimination del af HKLLT ved at læse en anden foruddefineret 32-ordforråd ordliste, hvoraf halvdelen af de ordforråd er fra den oprindelige Ordliste i 3,2. Instruer motivet til at afgøre, om hvert ordforråd læses fra den oprindelige ordliste eller ej.
  8. Lad motivet hvile stille, hvis de afslutter opgaverne i 3,4 og 3,6 før de 10-og 30-min forsinkelse tilbagekaldelse, hhv.
  9. Udfør oplagring af Cambridge (SOC) fra CANTAB20.
    1. Brug af tavle-pc'en, præsentere 20 scenarier med to parallelle skærme af 3 bolde, der holdes i 3 lodrette strømper, hvoraf arrangementet af bolde i skærmene varierer i hvert scenario.
    2. Instruer motivet til at bestemme, i hvert scenario, det mindste antal skridt, der kræves for at omarrangere bolde i den nederste skærm for at kopiere mønsteret vist i den øverste skærm. Registrer det gennemsnitlige antal valg for at korrigere svaret.
  10. Udfør Stroop-testen21.
    1. Giv emnet 3 kort fortløbende; det første kort indeholder prikker trykt i forskellige farver, det andet kort indeholder kinesiske tegn trykt i forskellige farver, mens det sidste kort har kinesiske tegn angiver forskellige farver (f. eks kinesiske ord "blå", "gul", "grøn", eller "rød"), men trykt i en farve, der ikke er angivet med navnet (f. eks. ordet "rød" trykt med blåt blæk).
    2. Bed emnet om at læse den trykte farve på prikkerne/de kinesiske tegn så hurtigt som muligt og registrere den tid, der kræves til hvert kort (T1, T2 og T3).
    3. Beregn interferens indekset med formlen (T3-T1)/T1.
  11. Fortsæt til den visuelle søgning opgave efter at have afsluttet de kognitive tests.
    Bemærk: Udfør ikke nogen verbal kognitiv opgave efter registreringen del af HKLLT indtil udgangen af hele HKLLT (3,7) for at forhindre interferens effekt på verbal hukommelse ydeevne.

4. visuel søgning opgave

  1. Placer motivet på en stol og Placer deres hage på hagen resten med deres pande mod en bar for at minimere hoved bevægelsen. Justér motivet til omtrent midten af computerskærmen. Begynd med at klikke på knappen Start indspilning i computer programmet.
  2. Kalibrering
    1. Kalibrer øjetrackeren med det indbyggede kalibreringsprogram ved at klikke på knappen Start i kalibrerings grænsefladen.
    2. Bed motivet om at stirre på en rød prik, der bevæger sig hen over skærmen med 9 fikseringspunkter, samtidig med at hovedet holdes stille.
    3. Kontroller kalibreringens kvalitet ved at se kalibrerings plottet (figur 1). Sørg for, at længden af de grønne linjer, som repræsenterer fejl vektorer, falder inden for de grå cirkler for en acceptabel kvalitet af kalibreringen. Gentag kalibreringen, hvis der mangler et punkt, eller de grønne streger falder uden for de grå cirkler. Klik på Accepter for at fortsætte til den visuelle søge opgave.
  3. Instruktion
    1. Giv mundtlig instruktion til emnet, og start med 5 øvelses kørsler for at gøre emnet fortrolig med opgaven.
    2. Instruere motivet til at fikser deres blik på det centrale fikserings Kors i begyndelsen af hvert forsøg. Tryk derefter på Enter på tastaturet for at starte en prøveversion, hvor computerskærmen vil vise et enkelt nummer og 79 distraktor alfabeter spredt tilfældigt (figur 2).
    3. Instruer motivet til at se så hurtigt som muligt for antallet og derefter samtidig klikke på musen og angive antallet højt, så snart nummeret er placeret.
    4. Krydstjek, om det angivne tal er korrekt eller ej.
    5. Giv i alt 40 forsøg, efter at de 5 øvelser er kørt.
  4. Design af prøve billeder i den visuelle søge opgave
    Bemærk:     programkoden, skrevet i PHP, for dette afsnit kan findes i supplement fil 1.
    1. Brug kun numrene 4, 6, 7 og 9 (supplerende fil 1 -linje 5).
      Bemærk: pilotundersøgelsen11 viste, at disse tal lettest diskrimineres af alfabeter.
    2. Sørg for, at placeringen af målnummeret er randomiseret fra retssag til retssag med reglen om, at det ikke kunne være i samme visuelle kvadrant i mere end tre på hinanden følgende forsøg (supplerende fil 1 -linje 48-52).
    3. Brug ikke tvetydige alfabeter som "I" og "O" (supplerende fil 1 -linje 76-78).
    4. Indstil størrelsen på fikserings korset, alfabeter og tal ved 0,85 ° visuel vinkel (svarende til ca. 0,9 cm på en 23 tommer computerskærm).
      Bemærk: Tal og alfabeter bruges, fordi disse er let genkendelige visuelle stimuli endnu kræver foveation til identifikation.
    5. Tillad en tidsforskydning på 1,5 s, efter at investigator har trykket ind i 4.3.2, og før displayet på det centrale fikserings Kors skiftes til et prøvebillede for at påbegynde en retssag (supplerende fil 2 -linje 71; 156-158).
    6. Sørg for, at skærmen bliver tom, når fikserings korset vises igen, når der klikkes på musen, eller efter at 10 s er forløbet siden begyndelsen af en prøveperiode, uanset hvilken tidligere (supplerende fil 2 -linje 72; 162-180).
    7. Når opgaven er færdig, genereres en. csv-fil, der indeholder tidsstemplerne for begyndelsen og slutningen af hvert forsøg (supplerende fil 2 – linje 48-59; 199-208). Brug denne fil i dataanalysen i afsnit 5.

5. behandling og analyse af øjen sporings data

  1. I afsnittet replay i computer programmet, kontrollere prøverne i procent af øjnene under den visuelle søgning opgave (figur 3). Kassér forsøgsperson data, hvis der observeres mere end 20% manglende data.
    Bemærk: Eksempler procent angiver den procentdel af tid øjnene er med succes placeret ved øjet tracker under den visuelle søgning opgave.
  2. Klik på afspilnings knappen for optagelsen for at kontrollere kvaliteten af dataene ved at eyeballing den visualiserede scanesti video genereret (figur 4). Kassér hele motivet data, hvis det er groft forkert (figur 5).
  3. Kassér eventuelle forsøg, hvor motivet trykkede på musen ved et uheld og for tidligt.
  4. Vælg Pavillpointx (adcspx) og pavillon (adcspx) og emnet af interesse (figur 6) i afsnittet data eksport i programmet. Klik på Eksporter data for at eksportere de enkelte emne data og gemme dem som en. csv-fil. Filen indeholder x-og y-koordinaterne for motivet øjne position på computerskærmen, i pixels, på hvert tidspunkt.
  5. Brug Visual Search Analyzer og i grænsefladen (figur 7), Vælg de data, der eksporteres i 5,4 som input af Eye data og. csv-filen genereret i 4.4.7 som input af handlings data. Vælg St DBScan som klassifikations algoritme, og klik på Kør. Klik derefter på Resumé for at generere en regnearksfil, der indeholder den gennemsnitlige saccade amplitude og den gennemsnitlige fikserings varighed af motivet.
  6. Design af den visuelle søge analysator
    Bemærk:     kodning af analysatorens design kan findes på https://github.com/Lab-Viso-Limited/Visual-Search-Analyzer. Dens programkode kan findes i supplerende fil 3.
    1. Programmer analysator sådan, at det uddrag og analyserer kun data fra begyndelsen til slutningen af forsøget (dvs. fra visning af antallet og alfabeter, indtil musen er klikket eller 10 s er gået), ved hjælp af. csv-fil genereret i 4.4.7 ( Supplerende fil 3 -linje 6-173).
    2. Programmeranalysator sådan, at det fylder datatabet på grund af Eye-blinkende ved at gennemsnit x og y koordinater af gaze punkt umiddelbart før og efter blinker (supplerende fil 3 -line 176-260).
    3. Program analysator sådan, at det klassificerer de rå data i enten saccade eller fiksering ved hjælp af algoritmen udviklet baseret på ST-DBSCAN22 (program kode i supplerende fil 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Det fulde resultat af denne undersøgelse er tilgængelig i det oprindelige papir offentliggjort23. Patienter med Parkinsons sygdom (n = 67) blev rekrutteret og afsluttede vurderingen. Men 5 tilfælde undlod at fuldføre den visuelle søgning opgave, da de bar progressive linse uforenelig med Eye Tracker og deres data blev kasseret. Forsøgspersonernes gennemsnitsalder var 58,9 år (SD = 7,5 år) med et forhold mellem mænd og kvinder på 1,7:1. 62 sunde alders-, køn-og uddannelses matchede Kontroller blev rekrutteret til sammenligning.

Kognitive og øjenbevægelser parametre
I overensstemmelse med andre tidligere undersøgelser24viste Parkinsons sygdomsgruppen dårligere resultater i flere kognitive opgaver sammenlignet med kontrolgruppen (tabel 1). Brug af in-House algoritme til klassificering af den visuelle søgning opgavedata, fikseringer og saccades identificeres og udvindes til beregning og analyse. Det konstateredes, at sygdomsgruppen havde en mindre gennemsnitlig saccadiske amplitude (16,36 ° ± 2,36) sammenlignet med kontrollerne (17,27 ° ± 2,49; p = 0,037). Den gennemsnitlige fikserings varighed var ikke signifikant forskellig mellem grupperne (216,58 MS ± 31,64 vs. 211,59 MS ± 24,90; p = 0,331) (tabel 2).

Korrelation mellem øjen bevægelses parametre og kognitiv funktion
Efter justering for kovariater, der var negative korrelationer fundet mellem den gennemsnitlige fiksering varighed og ydeevne i verbal genkendelse hukommelse score (anerkendelse og diskrimination scores; F = 5,843, t =-2,417, p = 0,017 og F = 12,771, t =-3,574, p = 0,001, henholdsvis), mønster genkendelses hukommelse (f = 5,505, t =-2,346, p = 0,021) og kategoriske verbal flydende test i kategorierne af frugt (f = 5,647, t =-2,376, p = 0,009) og vegetabilsk (f = 9,744, t =-3,122, p = 0,002). (Tabel 3). Der blev imidlertid ikke fundet nogen signifikant interaktion i disse korrelationer mellem sygdoms-og kontrolgruppen, hvilket tyder på, at korrelationerne ikke er specifikke for sygdomsgruppen. Det er spekuleret, at som kontrol af visuel fiksering og de korrelerede kognitive funktioner almindeligvis involverer temporale og parietal regioner i hjernen med en overvejende cholinerge grundlag, patologiske ændringer til disse neuroanatomiske og biokemiske mekanismer kan forklare resultaterne.

Figure 1
Figur 1 : Et kalibrerings plot af øjetrackeren. Plottet viser resultatet af kalibreringen. Længden af hver grøn linje angiver forskellen mellem gaze punktet beregnet af øjetrackeren og den faktiske dot-position. Da alle de grønne linjer falder inden for de grå cirkler, og der ikke er noget manglende punkt, er kvaliteten af denne kalibrering acceptabel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Et eksempel på en prøveversion af den visuelle søge opgave. Visning af en ikke-lineær matrix af 80 stimulus elementer, hvoraf der er 1 nummer blandt 79 distraktor alfabeter. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Grænsefladen til at kontrollere den samlede stikprøve procent. I afsnittet replay i computer programmet, vil prøverne procent, som betegner den procentdel af tid, at øjnene er med held placeret af Eye tracker under den visuelle søgning opgave, kunne kontrolleres for hvert emne. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Et eksempel på en visualiseret scanningskurve fra den visuelle søge opgave. Scannings stien under dette forsøg blev visualiseret med de røde lige linjer, der repræsenterer den saccadiske øjenbevægelse og de røde prikker for visuelle fikseringer. Bemærk, at slutningen af hver visuel fiksering efterfølges af en saccade og omvendt i en normal scanningsti. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5 : Et eksempel på en groft fejlagtig visualiseret scanningskurve. Dette eksempel på en groft fejlagtig scanningsti er taget fra et emne iført et par inkompatibel progressiv linse. I modsætning til den normale scanningssti i figur 4, kører de røde linjer (saccade) i zigzag og falder ud af computerskærmen. Fikserings punkterne er hverken på alfabeter eller tal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6 : Dataeksport grænsefladen i computer programmet. Dette viser den grænseflade, hvor motivet og typen af de indsamlede øjesporings data kan vælges til dataeksport. I vores eksperimentelle paradigme, x og y koordinere, i pixels, af øjnene position på skærmen på hvert tidspunkt vil blive brugt til dataanalyse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7 : Grænsefladen for den visuelle søge analysator. Dette viser grænsefladen af det in-House analyseprogram for Eye tracking data. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Kontrolgruppen Parkinsons gruppe p-værdi
Globale kognitive skalaer
MMSE 28,53 (1,63) 28 (1,84) 0,09
Moca 27,10 (2,25) 26 (2,34) 0,009 *
Specifikke kognitive tests – frontal Executive & frontal-temporale
Oplagring af Cambridgea 1,16 (0,14) 1,24 (0,19) 0,018 *
Stroop testb 1,24 (1,77) 1,36 (1,65) 0,697
Verbal flydende-dyrb 0,92 (1,47) 0,26 (1,31) 0,01 *
Verbal flydende-frugtb -0,71 (0,74) -1,01 (0,79) 0,028 *
Verbal flydende-vegetabilskb -0,66 (1,04) -1,11 (0,90) 0,011 *
Specifikke kognitive tests – verbal hukommelse (Hong Kong List Learning test)
Samlet læringb 0,03 (0,90) -0,30 (0,87) 0,037 *
10 minutter forsinkelse gratis tilbagekaldelseb -0,17 (0,90) -0,44 (1,10) 0,131
30 minutter forsinkelse gratis tilbagekaldelseb -0,19 (0,90) -0,39 (1,04) 0,206
Genkendelses resultatb 0,10 (1,00) 0,15 (0,73) 0,722
Diskrimination scoreb -0,05 (1,02) -0,13 (0,97) 0,636
Specifikke kognitive tests – visuel rumlig hukommelse
Mønstergenkendelse hukommelsec 91,33 (9,40) 87,77 (10,20) 0,045 *
Specifikke kognitive tests – opmærksomhed/arbejdshukommelse
Afstandsintervald 6,15 (1,10) 5,65 (1,17) 0,016 *

Tabel 1: sammenligning af kognitive scores mellem to grupper ved hjælp af uafhængig prøve t-test. MMSE, mini-mental State undersøgelse; MoCA, Montreal kognitiv vurdering; * – p < 0,05 a – gennemsnitlige valg til at korrigere; b – scorer omdannet til z-score; c – procentdel korrekt; d – span længde. Denne tabel er gengivet fra23.

Kontrolgruppen Parkinsons sygdom gruppe p-værdi
Gennemsnitlig fikserings varighed, i miliseconds (SD) [område] 211,59 (24,90) [165,77-264,63] 216,58 (31,64) [145.43-312.68] 0,331
Gennemsnitlig saccadiske amplitude, i grader (SD) [range] 17,27 (2,49) [13,34-22,99] 16,36 (2,36) [11.66-23.20] 0,037 *

Tabel 2: sammenligning af øjen sporingsparametre mellem to grupper ved hjælp af uafhængig prøve t-test. *-p < 0,05. Denne tabel er blevet ændret fra23.

Kilde Afhængig variabel Df F B Beta Std. Error T p-værdi
Gennemsnitlig fikserings varighed Verbal flydende-frugt 1 5,647 -0,006 -0,227 0,002 -2,376 0,009 *
Verbal flydende-vegetabilsk 1 9,744 -0,009 -0,288 0,003 -3,122 0,002 *
Resultat af indregning 1 5,843 -0,007 -0,215 0,003 -2,417 0,017 *
Diskrimination score 1 12,771 -0,011 -0,314 0,003 -3,574 0,001 *
Mønstergenkendelse hukommelse 1 5,505 -0,071 -0,215 0,03 -2,346 0,021 *

Tabel 3: korrelationer mellem kognitive scores og øjen sporingsparametre ved hjælp af generel lineær model: kun signifikante fund. *-p < 0,05. Denne tabel er gengivet fra23.

Supplemental File 1
Supplerende fil 1: Koder relateret til prøve billedets design. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Supplemental File 2
Supplerende fil 2: Koder, der er relateret til den faktiske kørsel af den visuelle søge opgave. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Supplemental File 3
Supplerende fil 3: Koder relateret til softwaren (f. eks. analysator program). Venligst klik her for at downloade denne fil.

Supplemental File 4
Supplerende fil 4: Koder relateret til ST-DBSCAN-algoritmen, der bruges til klassificering af målinger af øjenbevægelser. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen præsenteret ovenfor blev udformet som den første del af en longitudinel undersøgelse i at udforske den potentielle kliniske anvendelighed af øjenbevægelser parametre som surrogatmarkører for kognitive funktioner i Parkinsons sygdom. Mens der er undersøgelser, der undersøger mere klassiske Eye tracking paradigmer såsom selv-tempo saccade, refleksiv saccade, og anti-saccade25,26,27, en visuel søgning opgave blev anvendt i denne undersøgelse til at måle øjet bevægelses parametrene. Som diskuteret, design af denne visuelle søgning opgave er af afgørende betydning, da det skal minimere den kendte forstyrrende virkning af en kognitiv evne på udførelsen af øjet tracking opgave, da det kan påvirke øjet bevægelses parametre registreres. Et eksempel på hvilket ville være effekten af frontal udøvende funktioner på den saccadiske ventetid28. Det kritiske spørgsmål i designet ville være den tilfældige spredning af antallet og alfabeter og varierende kvadranter af antallet placering, hvilket gør det vanskeligere at bruge kognitive strategier til at forbedre udførelsen af opgaven. Sammen med et gennemsnit på ca. 650 saccades målt i 40 forsøg pr. emne, den gennemsnitlige saccade amplitude beregnet repræsenterer mere af en fysiologisk evne til øjet til at generere saccade. I overensstemmelse med tidligere litteratur blev det konstateret, at saccade amplitude er mindre hos patienter med Parkinsons sygdom29,30. Valget af parametre udvundet fra øjet tracking opgave også skal tages hånd om med hensyn til spørgsmålet om den potentielle forstyrrende virkning af kognition. For eksempel, parametre såsom hastigheden af at finde antallet, fejlprocent, og nøjagtighed, som er en direkte måling af opmærksomhed og behandling hastighed, blev ikke brugt.

Et andet kritisk skridt for denne undersøgelse er at fastslå gyldigheden af den algoritme, der blev brugt i klassificeringen af Eye bevægelse parameter. Der findes talrige måder at klassificere Eye tracking data i saccade og fiksering: Velocity-baseret, dispersion-baseret algoritme og så videre31. Hver af disse algoritmer har sine egne fordele og ulemper, og der er ingen guld standard for at gøre det sådan, at man skal også tage hensyn til specifikationerne for Eye tracker bruges og udformningen af Eye tracking opgave at bestemme den bedste måde at klassificere data. Til denne undersøgelse blev der brugt en in-House, tæthed-baseret klynge algoritme, udviklet baseret på ST-DBSCAN22. Forskerholdet har kryds valideret gyldigheden af denne klassificering algoritme mod manuel klassificering i en pilotundersøgelse, før anvendelse af algoritmen til dataene i denne undersøgelse. Det edb-program, der inkorporerer algoritmen vil automatisk splitte ud og klassificere data i forsøgene, fra det øjeblik retssagen starter (med alfabeter og nummer vises på skærmen) til slutningen (at motivet klikker på musen eller 10 s har ikke-forsøgsdata, der er registreret (f. eks. undervisningen af fikserings korset), vil blive analyseret for at kontaminere resultaterne.

Brugen af domæne-specifikke kognitive tests i denne undersøgelse tillader korrelationer af øjet bevægelses parametre med individuelle kognitive funktion ydeevne. Som diskuteret, dette har betydning over at bruge generelle generelle kognitive foranstaltninger som neurale kredsløb og biokemiske grundlag for hver kognitiv funktion er forskellige. Den moderne viden om neurale mekanismer øjen bevægelseskontrol og individuelle kognitive funktioner giver os mulighed for at gøre slutninger og fortolkning af de fundne resultater. For eksempel, de betydelige negative korrelationer af fiksering varighed med temporale-, parietal-, og kolinerge-baserede kognitive funktioner er af særlig interesse som svækkelse af disse funktioner kan forudsige udviklingen af demens3. Detaljerede drøftelser af det videnskabelige grundlag, der forklarer korrelationerne kan findes i det oprindelige papir offentliggjort23.

Batteriet i kognitiv undersøgelse og den visuelle søgning opgave var meget tålelige for emnerne i denne undersøgelse. Kræver ca. 1,5 h at fuldføre hele batteriet, ingen af emnerne var ude af stand til at afslutte på grund af træthed eller fysisk ubehag. Den visuelle søgning opgave bestod af 40 forsøg og tog kun omkring 5-10 min at fuldføre. Opgavens ikke-invasive, enkle og hurtige karakter gør den velegnet som screeningsværktøj, hvis den understøttes af mere robuste data. Dette paradigme kan også anvendes transdiagnostically i andre neurokognitive lidelser til at besvare lignende forskningsspørgsmål. En stor praktisk begrænsning stødt på i denne protokol er uforeneligheden af øjet tracker i iført visse progressive linse, som presbyopi er ikke en usædvanlig tilstand hos ældre. Øjenlåg apraxia og blefarospasme ses også i Parkinsons sygdom32 og lider af disse betingelser kan ikke være i stand til at fuldføre opgaven.

Som en udforskende og tværsnitsundersøgelse, udformningen af undersøgelsen ikke giver os mulighed for at udlede nogen bestemt anatomiske og biokemiske grundlag, der forklarer de fundne resultater. De fortolkninger af resultaterne var hovedsagelig baseret på uafhængig viden om fysiologi af kognitive funktioner og øjenbevægelse kontrol og derfor forblev som postulationer. De tidsseriedata om, hvordan disse parametre kan ændre sig over tid under den neurodegenerative proces er ukendt. Men det er umagen værd at have en opfølgende undersøgelse for at undersøge de forudsigende værdier af de grundlæggende øjen bevægelses parametre på kognitiv svækkelse udvikling. Fremtidige undersøgelser bør indarbejde Neuroimaging til at løse de Neuro strukturelle fundament for mere solid støtte af enhver postulation, uden hvilken yderligere udvikling af Eye tracking som en proxy markør for kognitiv funktion vil ikke være muligt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke Dr. Harvey hang 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

Neurovidenskab Parkinsons sygdom kognition kognitiv svækkelse øjensporing øjenbevægelse saccade visuel fiksering
Karakterisering af forholdet mellem øjen bevægelses parametre og kognitive funktioner hos patienter med ikke-dementeret Parkinsons sygdom med Øjensporing
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