Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Karakterisera relationen mellan ögon rörelse parametrar och kognitiva funktioner hos icke-DeMented patienter med Parkinsons sjukdom med ögonspårning

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

Här presenterar vi ett protokoll för att studera sambandet mellan ögon rörelse parametrarna och kognitiva funktioner hos icke-DeMented patienter med Parkinsons sjukdom. Experimentet använde en Eye Tracker för att mäta saccadic amplitud och fixering varaktighet i en visuell sökning uppgift. Sambandet med prestanda i kognitiva uppgifter med flera domäner mättes därefter.

Abstract

Kognitiv svikt är ett vanligt fenomen vid Parkinsons sjukdom som påverkar prognosen. En enkel, noninvasiv och objektiv proxy mätning av kognitiv funktion vid Parkinsons sjukdom kommer att vara till hjälp för att upptäcka tidig kognitiv försämring. Som en fysiologisk metrisk, ögon rörelse parametern är inte blandas ihop med motivet attribut och intelligens och kan fungera som en proxy markör om det korrelerar med kognitiva funktioner. I detta syfte undersökte denna studie sambandet mellan parametrarna för ögonrörelser och prestanda i kognitiva tester i flera domäner. I experimentet har en visuell sökuppgift med ögonspårning ställts in, där försökspersonerna ombads att leta efter ett nummer inbäddat i en matris med alfabet spridda slumpmässigt på en datorskärm. Differentieringen mellan antalet och alfabetet är en överlärd uppgift så att den confounding effekten av kognitiv förmåga på ögat rörelse parametrar minimeras. Den genomsnittliga saccadic amplituden och bindningstiden fångades och beräknades under den visuella Sök uppgiften. Den kognitiva bedömning batteriet omfattade domäner av frontal-verkställande funktioner, uppmärksamhet, verbala och visuella minne. Det konstaterades att långvarig fixering varaktighet var förknippad med sämre prestanda i verbal flyt, visuella och verbala minne, vilket möjliggör ytterligare utforskning av användningen av ögat rörelse parametrar som proxy markörer för kognitiv funktion vid Parkinsons sjukdom Patienter. Den experimentella paradigm har visat sig vara mycket tolerabel i vår grupp av Parkinsons sjukdom patienter och kan tillämpas transdiagnocally till andra sjukdomsentiteter för liknande forskningsfrågor.

Introduction

Parkinsons sjukdom är klassiskt en motorisk störning; ändå, sjukdomen är också förknippad med kognitiva underskott, och progression till demens är vanligt1. Den patofysiologi av kognitiv svikt vid Parkinsons sjukdom är inte väl förstått. Det tros vara relaterat till alfa-Synuclein deposition i det kortikala området baserat på Braak ' s Staging2. Det föreslogs också att ett dubbelt syndrom av degeneration av dopaminerga och det kolinerga systemet leder till olika kognitiva underskott med prognostiska impifiering3. Mer forskning behövs för att ytterligare belysa de exakta mekanismerna som är involverade i kognitiv svikt vid Parkinsons sjukdom. På den kliniska aspekten, närvaron av kognitiv svikt har en signifikant inverkan på prognosen4,5. Bedömning av kognitiv funktion i klinisk praxis är därför viktigt. En långvarig kognitiv bedömning är dock begränsad av patientens mentala och motoriska förhållanden. Därför behövs en noninvasiv och enkel mätning som kan återspegla sjukdomens börda på kognitiv funktion.

Ögat rörelse avvikelser är allmänt beskrivna detekterbara tecken på Parkinsons sjukdom från dess tidiga stadier6, men patofysiologin är ännu mindre väl kännetecknas än kognitiv svikt. Generationen av ögonrörelser är genom en omvandling av den visuella sensoriska ingången, underförsörjd av en sammanflätad kortikal och subkortikala nätverk, till signaler till ögonmuskelförlamningar kärnor i hjärnstammen för effekt7. Medverkan av Parkinsons sjukdom patologier i dessa nätverk kan leda till observerbara ögonrörelser avvikelser. Det finns, kanske överlappande av neuroanatomiska strukturer som reglerar kontrollen av ögonrörelser och kognitiv funktion. Dessutom har det förekommit studier som undersöker sambandet mellan saccadic ögonrörelser och kognitiv funktion i andra neurodegenerativa sjukdomar8. På sådana grunder, det är värt att undersöka användningen av ögat rörelse parametrar som en proxy markör för kognitiva funktioner vid Parkinsons sjukdom. En tvärsnitts studie9 visade att minskad saccadic amplitud och längre bindningstid var förknippad med svårighetsgraden av global kognitiv svikt vid Parkinsons sjukdom. Emellertid, det finns en brist på data om sambandet mellan ögat rörelse parametrar och specifika kognitiva domäner. Betydelsen och behovet av mätning av specifika kognitiva domäner, snarare än ett allmänt kognitivt tillstånd, är att enskilda kognitiva domän informerar differentiell prognostisk information vid Parkinsons sjukdom3 och de är subservas av olika neurala nätverk. Syftet med denna studie är att utforska det specifika sambandet mellan ögonrörelse mätvärden och olika kognitiva funktioner. Detta är det första steget för att etablera en grund där utvecklingen av biomarkörer för kognitiv försämring vid Parkinsons sjukdom med hjälp av ögon spårningsteknik kan byggas.

Den experimentella paradigm presenteras består av 2 huvuddelar: den kognitiva bedömningen och ögat spårning uppgift. Det kognitiva bedömnings batteriet omfattade en rad kognitiva funktioner, inklusive uppmärksamhet och arbetsminne, verkställande funktion, språk, verbal minne och visuospatial funktion. Valet av dessa 5 kognitiva domäner är baserat på Movement Disorder Society arbetsgruppen riktlinjer för mild kognitiv svikt vid Parkinsons sjukdom10, och en uppsättning av lokalt tillgängliga kognitiva tester valdes för att bygga bedömningen Batteri. I en tidigare liknande ögonuppföljningsstudie på Parkinsons sjukdom kognition nämns9, författaren extraherade ögon rörelse parametrar medan försökspersonerna var engagerade i visuella kognitiva uppgifter, där parametrarna potentiellt kan påverkas av ämnes kognitiva förmåga. Eftersom denna studie syftade till att bedöma sambandet mellan parametrarna för ögonrörelser och olika kognitiva domäner, måste den potentiella confounding effekten av kognitiva förmågor på ögon parametrarna åtgärdas. I detta avseende, en visuell sökning uppgift, anpassad från en annan öga tracking studie på Alzheimers sjukdom11, var anställd för att fånga ögat rörelse parametrar av försökspersonerna. Under uppgiften, försökspersonerna var tvungen att söka efter ett enda nummer på en datorskärm bland flera alfabet distracters. Denna uppgift skulle framkalla en alternativ användning av saccadic ögonrörelser och visuell fixering, de avvikelser som beskrivs i stor utsträckning vid Parkinsons sjukdom. Identifiering och differentiering av antal och alfabet är en överlärd uppgift där efterfrågan på kognitiva funktioner är bara minimal och skulle därför vara lämpligt att besvara forskningsfrågan i denna studie. Ett datorprogram utvecklades utifrån de specifikationer och design som Rösler et al.11angav. i sin ursprungliga studie som ska köras inom den inbyggda programvaran i vår Eye Tracker. En egen algoritm för klassificering och analys av ögon spårningsdata utvecklades också för denna studie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Detta forskningsprojekt godkändes av det gemensamma kinesiska universitetet i Hong Kong-nya territorier East Cluster klinisk forskning etikkommittén (CREC Ref. nr: 2015,263).

1. deltagarnas rekrytering och utvärdering av baslinjen

  1. Rekrytera patienter med Parkinsons sjukdom som är mindre än eller lika med 70 från en neurologisk specialistklinik med diagnosen baserad på Storbritannien Parkinsons sjukdom Society (UKPDS) Hjärnbanken diagnostiska kriterier12.
    1. Utesluta försökspersoner med psykiska sjukdomar, oftalmologiska sjukdomar som skulle försämra ögonrörelser, eller andra neurologiska sjukdomar. Också, utesluta fall med antikolinergika som de är kända för att påverka kognitiva prestanda och ögonrörelser.
  2. Rekrytera friska kontroller på en 1:1 basis matchas av kön, ålder, och utbildning.
  3. Inhämta informerat samtycke från ämnet.
  4. Genomföra en klinisk diagnostisk intervju med ämnet och, om det finns, deras anhöriga, att utesluta demens och skärmen för kognitiv svikt med mini-mental State Examination (MMSE)13 och Montreal kognitiv bedömning (MOCA)14. Utesluta demensfall från studien eller om motivet är poängen av antingen MMSE eller MoCA är < 22/30.
  5. Bedöm synskärpan med en Snellen diagram. Utesluta motivet om synskärpan är mindre än 20/40.
  6. Bedöma motorisk svårighetsgrad och iscensättning av Parkinsons sjukdom med hjälp av den enhetliga Parkinsons sjukdoms Skattnings skalan (UPDRS) del II & III15 och modifierad Hoehn och Yahr (H & Y) mellanstationer16, respektive. Också, få information om de aktuella mediciner som tas av ämnet.
  7. Bedöma den depressiva humör tillstånd av Beck depression Inventory-II (BDI-II)17.

2. experimentell inställning

  1. Genomför experimentet i ett tyst rum med tillräcklig ljuskälla.
  2. Genomföra experimentet för patienter med Parkinsons sjukdom när de är på medicinering med optimal motorisk funktion.
  3. Förbered installationen som består av en skärmbaserad Eye Tracker, en dator, en mus, ett standardtangentbord, ett HAK stöd och kognitiva bedömningsverktyg (tabell över material).
  4. Använd en Eye Tracker med en samplingsfrekvens på minst 300 Hz.
  5. Placera hakstödet 60 cm framför Eye Tracker-skärmen.

3. flödet av den kognitiva utvärderingen och den visuella Sök uppgiften

  1. Utföra den kinesiska kategoriska verbal flyt test18. Instruera ämnet att namnge så många djur som möjligt i en minut. Registrera antalet svar och perseverative fel. Upprepa sedan samma i kategorin frukter och grönsaker.
  2. Genomför registrerings delen (Trial 1, 2 och 3) av Hong Kongs lista Learning test (HKLLT)19 genom att läsa ut en fördefinierad 16-ordförråds ordlista och instruera ämnet att minnas dem. Efteråt be ämnet att göra gratis återkallande av ordlistan och spela in svaret (Trial 1).
    1. Upprepa steg 3,2 två gånger för Trial 2 och Trial 3.
  3. Vänta 10 min och 30 min efter registreringen delen av HKLLT för 10 och 30 min fördröjning återkallande.
  4. Innan 10 min försenade återkallande av HKLLT, utföra mönstret erkännande minne (PRM) från Cambridge neuropsychological test automatiserat batteri (CANTAB)20 (tabell över material).
    1. Använda Tablet PC, presentera 24 visuella mönster, en i taget, i mitten av skärmen. Instruera motivet att komma ihåg mönstret.
    2. Efter presentationen, i en 2-val kraft diskriminering paradigm, instruera ämnet att välja det mönster som han/hon kan känna igen.
  5. Utför 10 min fördröjning återkallande av HKLLT genom att ställa frågan att göra gratis återkallande av 16-ordförrådet ordlista.
  6. Innan 30 min försenade återkallande av HKLLT, utföra spatial span (SSP) från CANTAB20.
    1. Använd Tablet PC-datorn för att visa ett mönster av vita rutor som ändras i färg, en efter en, i variabla sekvenser.
    2. Efteråt instruera motivet att röra rutorna i samma sekvens de presenterades och registrera den rumsliga span längd som motivet kan uppnå som svårigheten (antal rutor ändras i färg) av uppgiften ökar.
  7. Utföra 30 min fördröjning återkallande genom att be ämnet att göra gratis återkallande av 16-ordförrådet ordlista.
    1. Genomföra erkännande och diskriminering del av HKLLT genom att läsa ut en annan fördefinierade 32-ordförråd ordlista, varav hälften av vokabulärer är från den ursprungliga ordlistan i 3,2. Instruera motivet att avgöra om varje ordförråd läses ut är från den ursprungliga ordlistan eller inte.
  8. Låt föremål att vila tyst om de Slutför uppgifterna i 3,4 och 3,6 innan 10-och 30 min fördröjning minns, respektive.
  9. Utför lagerhållning av Cambridge (SOC) från CANTAB20.
    1. Använda Tablet PC, presentera 20 scenarier med två parallella skärmar av 3 bollar som hålls i 3 vertikala Strumpor, av vilka arrangemanget av bollarna i displayerna varierar i varje scenario.
    2. Instruera motivet att bestämma, i varje scenario, minst antal rörelser som krävs för att ordna bollarna i den nedre displayen för att kopiera mönstret som visas i den övre displayen. Anteckna Genomsnittligt antal val för att rätta till svaret.
  10. Utför Stroop-provet21.
    1. Ge ämnet 3 kort i följd; det första kortet innehåller prickar tryckta i olika färger, det andra kortet innehåller kinesiska tecken tryckta i olika färger medan det sista kortet har kinesiska tecken som betecknar olika färger (t. ex., kinesiska ord av "blå", "gul", "grön", eller "röd") men tryckt i en färg som inte betecknas med namnet (t. ex. ordet "röd" tryckt med blått bläck).
    2. Be ämnet att läsa ut den utskrivna färgen på prickar/kinesiska tecken så snabbt som möjligt och registrera den tid som krävs för varje kort (T1, T2, och T3).
    3. Beräkna interferensindexet med formeln (T3-T1)/T1.
  11. Fortsätt till den visuella Sök uppgiften när du har slutfört de kognitiva testerna.
    Anmärkning: Utför inte någon verbal kognitiv uppgift efter registreringen del av HKLLT fram till slutet av hela HKLLT (3,7) för att förhindra störningar effekt på verbal minnesprestanda.

4. visuell sökning uppgift

  1. Placera motivet på en stol och placera hakan på hakan vila med pannan mot en bar för att minimera huvudet rörelse. Rikta in motivet till ungefär mitten av datorskärmen. Börja med att klicka på knappen Starta inspelning i datorprogrammet.
  2. Kalibrering
    1. Kalibrera Eye Tracker med det inbyggda kalibrerings programmet genom att klicka på Start -knappen i kalibrerings gränssnittet.
    2. Be motivet att titta på en röd prick som rör sig över skärmen med 9 fixeringspunkter, samtidigt som du håller huvudet stilla.
    3. Kontrollera kalibrerings kvaliteten genom att titta på kalibrerings profilen (bild 1). Se till att längden på de gröna linjerna, som representerar fel vektorer, faller inom de grå cirklarna för en acceptabel kvalitet på kalibreringen. Gör om kalibreringen om det finns någon saknad punkt eller om de gröna linjerna faller utanför de grå cirklarna. Klicka på acceptera för att fortsätta till den visuella Sök uppgiften.
  3. Instruktion
    1. Ge muntlig instruktion till ämnet och börja med 5 övnings körningar för att bekanta motivet med uppgiften.
    2. Instruera motivet att fixera blicken på den centrala fixering korset i början av varje rättegång. Tryck sedan på Enter på tangentbordet för att starta en rättegång, där datorskärmen kommer att visa ett enda nummer och 79 distracter alfabet spridda slumpmässigt (figur 2).
    3. Instruera motivet att se så snabbt som möjligt för antalet och sedan samtidigt klicka på musen och ange numret högt så snart numret är placerat.
    4. Cross kontrollera om det angivna numret är korrekt eller inte.
    5. Administrera totalt 40 prövningar efter den 5 praktiken löper.
  4. Utformningen av test avbildningar i den visuella Sök uppgiften
    Obs:     programkoden, skriven i php, för detta avsnitt finns i tillägg fil 1.
    1. Använd numren 4, 6, 7 och 9 exklusivt (kompletterande fil 1 -rad 5).
      Obs: pilotstudien11 visade att dessa siffror är lättast att diskrimineras från alfabet.
    2. Se till att placeringen av målnumret slumpmässigt från rättegång till rättegång med regeln att det inte kunde vara i samma visuella kvadranten för mer än tre på varandra följande prövningar (kompletterande fil 1 -rad 48-52).
    3. Använd inte tvetydiga alfabet som "I" och "O" (kompletterande fil 1 -rad 76-78).
    4. Ställ in storleken på fixeringskorset, alfabet och siffror vid 0,85 ° visuell vinkel (motsvarande cirka 0,9 cm på en 23 inches datorskärm).
      Anmärkning: Siffror och alfabet används eftersom dessa är lätt igenkännbara visuella stimuli ännu kräver foveation för identifiering.
    5. Tillåt en tidsfördröjning på 1,5 s efter att prövaren har tryckt in i 4.3.2 och innan visningen av det centrala fixeringskorset växlas till en prov bild för att påbörja en rättegång (kompletterande fil 2 -rad 71; 156-158).
    6. Se till att skärmen kommer att gå Tom med fixering korset återkommer när musen klickas eller efter 10 s har förflutit sedan början av en rättegång, beroende på vilket som är tidigare (kompletterande fil 2 -rad 72; 162-180).
    7. När uppgiften är klar skapar du en CSV-fil som innehåller tidsstämplarna för början och slutet av varje provperiod (tilläggsfil 2 – rad 48-59; 199-208). Använd den här filen i dataanalysen i avsnitt 5.

5. data behandling och analys av ögonspårning

  1. I avsnittet Replay i datorprogrammet kontrollerar du prov procenten för ögonen under den visuella Sök uppgiften (figur 3). Kassera ämnesdata om mer än 20% saknade data observeras.
    Anmärkning: Samplingar i procent anger hur mycket tid som ögonen är framgångsrikt placerade av Eye Tracker under den visuella Sök uppgiften.
  2. Klicka på Play -knappen för inspelningen för att kontrollera kvaliteten på data genom eyeballing den visualiserade skannings banan video som genereras (figur 4). Kassera hela försöksdata om den är grovt felaktig (figur 5).
  3. Kassera alla försök där motivet tryckte på musen oavsiktligt och för tidigt.
  4. I avsnittet data export i programmet väljer du Gazepointx (Adcspx) och Gazepointy (adcspx) och ämnet av intresse (figur 6). Klicka på Exportera data om du vill exportera varje ämnesdata och Spara som en CSV-fil. Filen innehåller x-och y-koordinaterna för ämnet ögon position på datorskärmen, i pixlar, vid varje tidpunkt.
  5. Använd Visual search Analyzer och i gränssnittet (figur 7), Välj de data som exporteras i 5,4 som indata för Eye- data och CSV-fil som genereras i 4.4.7 som indata för Åtgärds data. Välj St DBScan som klassificeringsalgoritm och klicka på Kör. Klicka sedan på Sammanfattning att generera en kalkylbladsfil som innehåller medelvärdet Saccade amplitud och medelvärdet fixering varaktighet av ämnet.
  6. Design av Visual search Analyzer
    Anmärkning:     kodningen för utformningen av analysatorn finns på https://github.com/Lab-Viso-Limited/Visual-search-Analyzer. Dess programkod finns i kompletterande fil 3.
    1. Program mera analysatorn så att den extraherar och analyserar endast data från början till slutet av rättegången (dvs. från visningen av nummer och alfabet tills musen klickas eller 10 s har förflutit), med hjälp av. csv-filen som genereras i 4.4.7 ( Tilläggsfil 3 -rad 6-173).
    2. Program mera analysatorn så att den fyller i dataförlusten på grund av att ögat blinkar genom att medelvärdet av x-och y-koordinaterna för blickpunkten omedelbart före och efter den blinkande (kompletterande fil 3 -rad 176-260).
    3. Programmera analysatorn så att den klassificerar rådata i antingen Saccade eller fixering med hjälp av algoritmen som utvecklats baserat på ST-DBSCAN22 (programkod i kompletterande fil 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Det fullständiga resultatet av denna studie finns i den ursprungliga tidningen publicerad23. Patienter med Parkinsons sjukdom (n = 67) rekryterades och slutförde bedömningen. 5 fall misslyckades dock med att slutföra den visuella Sök uppgiften eftersom de hade progressiva objektiv som inte var kompatibla med Eye Tracker och deras data ignorerades. Försökspersonernas medelålder var 58,9 år (SD = 7,5 år) med förhållandet hane till hona på 1,7:1. 62 friska ålder-, kön-, och utbildning-matchade kontroller rekryterades för jämförelse.

Kognitiva och ögonrörelse parametrar
I överensstämmelse med andra tidigare studier24, Parkinsons sjukdom gruppen visade sämre prestanda i flera kognitiva uppgifter jämfört med kontrollgruppen (tabell 1). Med hjälp av den inbyggda algoritmen för klassificering av data för visuell sökning uppgift, fixeringar och saccades identifieras och extraheras för beräkning och analys. Det konstaterades att sjukdoms gruppen hade en mindre genomsnittlig saccadic amplitud (16,36 ° ± 2,36) jämfört med kontroller (17,27 ° ± 2,49; p = 0,037). Den genomsnittliga bindningstiden var inte signifikant annorlunda mellan grupperna (216,58 MS ± 31,64 vs, 211,59 MS ± 24,90; p = 0,331) (tabell 2).

Korrelation mellan ögon rörelse parametrar och kognitiv funktion
Efter justering för kovariater fanns det negativa korrelationer mellan den genomsnittliga fixeringslängd och prestandan i Poäng för verbal erkännande (erkännande och diskriminering. F = 5,843, t =-2,417, p = 0,017 och F = 12,771, t =-3,574, p = 0,001, respektive), mönster igenkännings minne (F = 5,505, t =-2,346, p = 0,021) och kategorisk verbal flyt test i kategorierna av frukt (F = 5,647, t =-2,376, p = 0,009) och grönsak (F = 9,744, t =-3,122, p = 0,002). (Tabell 3). Emellertid, det fanns ingen signifikant interaktion hittades i dessa korrelationer mellan sjukdomen och kontrollgruppen, vilket tyder på att korrelationerna inte är specifika för sjukdoms gruppen. Det spekuleras att som kontroll av visuell fixering och korrelerade kognitiva funktioner vanligtvis innebär temporala och parietala regioner i hjärnan med en övervägande kolinerga grund, patologiska förändringar av dessa neuroanatomiska och biokemiska mekanismer kan förklara resultaten.

Figure 1
Figur 1 : En kalibrerings profil för Eye Tracker. Handlingen visar resultatet av kalibreringen. Längden på varje grön linje indikerar skillnaden mellan den blickpunkt som beräknats av Eye Tracker och den faktiska punkt positionen. Eftersom alla gröna linjer faller inom de grå cirklarna och det inte finns någon saknad punkt, är kvaliteten på denna kalibrering acceptabel. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Ett exempel på en provversion av den visuella Sök uppgiften. Visning av en icke-linjär array av 80 stimulus Items, varav det finns 1 nummer bland 79 distracter alfabet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Gränssnittet för att kontrollera den totala samplings procenten. I avsnittet Replay i datorprogrammet kan prov procenten, som betecknar den procentandel av tiden som ögonen är placerade av Eye Tracker under den visuella Sök uppgiften, kontrolleras för varje ämne. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 : Ett exempel på en visualiserad skannings Sök väg från den visuella Sök uppgiften. Skannings banan under denna studie visualiserades, med de röda raka linjerna som representerar saccadiska ögonrörelser och de röda prickarna för visuella fixeringar. Observera att slutet av varje visuell fixering följs av en Saccade och vice versa i en normal Sök väg. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5 : Ett exempel på en grovt felaktig visualiserad Sök väg. Detta exempel på en grovt felaktig skannings väg tas från ett motiv som bär ett par inkompatibla progressiva objektiv. I motsats till den normala Sök vägen i figur 4, de röda linjerna (Saccade) körs i sicksack och faller ut ur datorskärmen. Fixeringspunkter är varken på alfabets eller numret. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6 : Dataexport gränssnittet i datorprogrammet. Detta visar gränssnittet där motivet och den typ av öga spårningsdata fångas kan väljas för dataexport. I vår experimentella paradigm, x-och y-koordinaten, i pixlar, av ögon positionen på skärmen vid varje tidpunkt kommer att användas för dataanalys. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7 : Gränssnittet för Visual search Analyzer. Detta visar gränssnittet för det egna analysprogrammet för ögon spårningsdata. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kontrollgrupp Parkinsons grupp p-värde
Globala kognitiva skalor
MMSE 28,53 (1,63) 28 (1,84) 0,09
Moca 27,10 (2,25) 26 (2,34) 0,009 *
Specifika kognitiva tester – frontal verkställande & frontal-temporal
Lagerhållning 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-djurb 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-vegetabiliskab -0,66 (1,04) -1,11 (0,90) 0,011 *
Specifika kognitiva tester – verbal Memory (Hong Kong lista Learning test)
Totalt lärandeb 0,03 (0,90) -0,30 (0,87) 0,037 *
10 minuter fördröjning gratis Recallb -0,17 (0,90) -0,44 (1,10) 0,131
30 minuter fördröjning gratis Recallb -0,19 (0,90) -0,39 (1,04) 0,206
Erkännandepoängb 0,10 (1,00) 0,15 (0,73) 0,722
Diskriminering Poängb -0,05 (1,02) -0,13 (0,97) 0,636
Specifika kognitiva tester – visuellt spatialt minne
Minne för mönsterigenkänningc 91,33 (9,40) 87,77 (10,20) 0,045 *
Specifika kognitiva tester – uppmärksamhet/arbetsminne
Rumsligt spand 6,15 (1,10) 5,65 (1,17) 0,016 *

Tabell 1: jämförelse av kognitiva Poäng mellan två grupper med hjälp av oberoende prov t-test. MMSE, mini-mental statlig undersökning; MoCA, Montreal kognitiv bedömning; * – p < 0.05 a – medel val att korrigera; b – poängen omvandlas till z-Poäng; c – procent korrekt; d – spännvidden. Denna tabell har reproducerats från23.

Kontrollgrupp Gruppen för Parkinsons sjukdom p-värde
Genomsnittlig bindningstid, i millisekunder (SD) [intervall] 211,59 (24,90) [165,77-264,63] 216,58 (31,64) [145.43-312.68] 0,331
Genomsnittlig saccadic amplitud, i grader (SD) [Range] 17,27 (2,49) [13,34-22,99] 16,36 (2,36) [11.66-23.20] 0,037 *

Tabell 2: jämförelse av ögon spårningsparametrar mellan två grupper med hjälp av oberoende prov t-test. *-p < 0,05. Tabellen har ändrats från23.

Källkod Beroende variabeln Df F B Beta STD. fel T p-värde
Genomsnittlig bindningstid Verbal flyt-fuit 1 5,647 -0,006 -0,227 0,002 -2,376 0,009 *
Verbal flyt-vegetabiliska 1 9,744 -0,009 -0,288 0,003 -3,122 0,002 *
Erkännandepoäng 1 5,843 -0,007 -0,215 0,003 -2,417 0,017 *
Diskriminering Poäng 1 12,771 -0,011 -0,314 0,003 -3,574 0,001 *
Minne för mönsterigenkänning 1 5,505 -0,071 -0,215 0,03 -2,346 0,021 *

Tabell 3: korrelationer mellan kognitiva Poäng och ögon spårningsparametrar med generell linjär modell: signifikanta fynd. *-p < 0,05. Denna tabell har reproducerats från23.

Supplemental File 1
Kompletterande fil 1: Koder som är relaterade till test bildens design. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.

Supplemental File 2
Kompletterande fil 2: Koder som är relaterade till den faktiska körningen av den visuella Sök uppgiften. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.

Supplemental File 3
Kompletterande fil 3: Koder som är relaterade till programvaran (t. ex. analysator program). Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.

Supplemental File 4
Kompletterande fil 4: Koder som är relaterade till ST-DBSCAN-algoritmen som används för klassificering av ögonrörelse mått. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det protokoll som presenteras ovan utformades som den första delen av en longitudinell studie för att utforska den potentiella kliniska nyttan av ögat rörelse parametrar som surrogatmarkörer för kognitiva funktioner vid Parkinsons sjukdom. Även om det finns studier som undersöker mer klassisk öga spårning paradigm såsom egen takt Saccade, reflexiv Saccade, och anti-Saccade25,26,27, en visuell sökning uppgift användes i denna studie för att mäta öga rörelse parametrar. Som diskuterats, utformningen av denna visuella sökuppgift är av största vikt eftersom det måste minimera den kända störande effekten av en kognitiv förmåga på utförandet av ögat spårning uppgift, eftersom det kan påverka ögat rörelse parametrar registreras. Ett exempel på vilket skulle vara effekten av frontal verkställande funktioner på saccadic latens28. Den kritiska frågan i designen skulle vara slumpmässig spridning av antalet och alfabet och varierande kvadranter av antalet plats, vilket gör det svårare att använda kognitiva strategier för att förbättra utförandet av uppgiften. Tillsammans med ett genomsnitt av ungefär 650 saccades mätt i 40 prövningar per ämne, den genomsnittliga Saccade amplitud beräknas representerar mer av en fysiologisk förmåga ögat att generera Saccade. I enlighet med tidigare litteratur konstaterades det att Saccade amplituden är mindre hos patienter med Parkinsons sjukdom29,30. Valet av parametrar som utvinns ur ögat spårning uppgift måste också tas om hand med avseende på frågan om den potentiella confounding effekt av kognition. Exempelvis användes inte parametrar som hastigheten för att hitta nummer, felfrekvens och noggrannhet, som är en direkt mätning av uppmärksamhet och processorhastighet.

Ett annat kritiskt steg för denna studie är att fastställa giltigheten av algoritmen som användes i klassificeringen av ögat rörelse parameter. Det finns många sätt att klassificera ögon spårningsdata i Saccade och fixering: Velocity-baserade, dispersion-baserad algoritm och så vidare31. Var och en av dessa algoritmer har sina egna för-och nackdelar och det finns ingen guldmynt standard för att göra så att man måste också ta hänsyn till specifikationerna för Eye Tracker används och utformningen av ögat spårning uppgift att avgöra det bästa sättet att klassificera data. För denna studie, en in-House, densitet-baserade kluster algoritm, som utvecklats baserat på ST-DBSCAN22, användes. Forskargruppen har korvaliderat giltigheten av denna klassningsalgoritm mot manuell klassificering i en pilotstudie innan den tillämpar algoritmen på uppgifterna i denna studie. Datorprogrammet som innehåller algoritmen skulle automatiskt splitten ut och klassificera data i försöken, från det ögonblick rättegången startar (med alfabet och nummer som visas på skärmen) till slutet (att motivet klickar på musen eller 10 s har att inga icke-utvärderingsdata som registrerats (t. ex. under visningen av fixeringskorset) kommer att analyseras för att kontaminera resultaten.

Användningen av domänspecifika kognitiva tester i denna studie tillåter korrelationer av ögat rörelse parametrar med individuell kognitiv funktion prestanda. Som diskuterats, detta har betydelse över att använda allmänna övergripande kognitiva åtgärder som den neurala kretsar och biokemiska grunden för varje kognitiv funktion är olika. Den samtida kunskapen om de neurala mekanismerna för ögonrörelse kontroll och individuella kognitiva funktioner gör det möjligt för oss att göra inferens och tolkningen av de resultat som hittats. Till exempel, de betydande negativa korrelationer av fixering varaktighet med temporal-, parietala-, och kolinerga-baserade kognitiva funktioner är av särskilt intresse som försämring av dessa funktioner kan förutsäga utvecklingen av demens3. Detaljerade diskussioner om den vetenskapliga grunden som förklarar korrelationerna finns i den ursprungliga tidningen publicerad23.

Batteriet i kognitiv undersökning och den visuella Sök uppgiften var mycket tolerabla för ämnena i denna studie. Kräver ungefär 1,5 h för att slutföra hela batteriet, ingen av försökspersonerna kunde inte avsluta på grund av trötthet eller fysiskt obehag. Den visuella Sök uppgiften bestod av 40 prövningar och tog bara cirka 5-10 min att slutföra. Den noninvasiv, enkel och snabb karaktär av uppgiften gör det lämpligt som ett screening verktyg om stöds av mer robusta data. Detta paradigm kan också appliceras transdiagnostically i andra neurokognitiva störningar för att besvara liknande forskningsfrågor. En stor praktisk begränsning stött på i detta protokoll är oförenlighet av ögat tracker i ämnen som bär vissa progressiva lins, som presbyopi är inte ett ovanligt tillstånd hos äldre. Ögonlocks apraxi och blefarospasm ses också vid Parkinsons sjukdom32 och drabbade av dessa villkor kanske inte kan slutföra uppgiften.

Som en explorativ och tvärsnitts studie, utformningen av studien inte tillåter oss att dra slutsatsen någon bestämd neuroanatomiska och biokemiska grund som förklarar de resultat som hittats. Tolkningarna av resultaten baserades främst på oberoende kunskap om fysiologier av kognitiva funktioner och ögonrörelse kontroll och därför förblev som postulations. Longitudinella data om hur dessa parametrar kan förändras över tid under neurodegenerativa processen är okänd. Ändå, det är värt att ha en uppföljnings studie för att undersöka prediktiva värden av baslinjen ögonrörelser parametrar på kognitiv försämring utveckling. Framtida studier bör införliva neuroimaging att ta itu med den neurostrukturella underbyggnad för mer solid stöd för alla postulation, utan vilken ytterligare utveckling av ögat spårning som en proxy markör för kognitiv funktion kommer inte att vara möjligt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Författarna skulle vilja tacka Dr Harvey hängde för 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

Neurovetenskap Parkinsons sjukdom kognition kognitiv svikt ögonspårning ögonrörelser Saccade visuell fixering
Karakterisera relationen mellan ögon rörelse parametrar och kognitiva funktioner hos icke-DeMented patienter med Parkinsons sjukdom med ögonspårning
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