Summary
Desenvolvemos o DTS (Dual Task Screen, tela de tarefa dupla) original como uma medida portátil e de baixo custo que pode avaliar atletas com lesão cerebral traumática leve induzida por esportes. Revisamos o DTS original para uso clínico futuro e desenvolvemos uma versão compatível com neuroimagem do DTS para medir fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla.
Abstract
Dois paradigmas de tarefas avaliam simultaneamente habilidades motoras e cognitivas, e podem detectar prejuízos sutis e residuais em atletas com lesão cerebral traumática recente (mTBI). No entanto, os paradigmas de duas tarefas anteriores se concentraram apenas em habilidades de extremidade inferior e se basearam em equipamentos de laboratório pesados e caros - limitando assim sua praticidade para a avaliação cotidiana do MTBI. Posteriormente, desenvolvemos o Dual Task Screen (DTS), que leva <10 minutos para administrar e pontuar, usa equipamentos portáteis de baixo custo e inclui subtarefas de extremidade inferior (LE) e extremidade superior (UE). O propósito deste manuscrito era duplo. Primeiro, descrevemos o protocolo de administração para o DTS revisado, que revisamos para abordar as limitações do DTS original. Especificamente, as revisões incluíram adições de dispositivos inteligentes para adquirir dados de marcha mais detalhados e inclusão de condições cognitivas únicas para testar o desempenho cognitivo interrompido em duas condições de tarefa. É importante ressaltar que o DTS revisado é uma medida destinada ao uso clínico futuro, e apresentamos resultados representativos de três atletas do sexo masculino para ilustrar o tipo de dados clínicos que podem ser adquiridos a partir da medida. É importante ressaltar que ainda temos que avaliar a sensibilidade e especificidade do DTS revisado em atletas com mTBI, que é a próxima iniciativa de pesquisa. O segundo propósito deste manuscrito é descrever uma versão compatível com neuroimagem do DTS. Desenvolvemos esta versão para que pudéssemos avaliar os fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla, para uma melhor compreensão empírica dos déficits comportamentais associados ao mTBI. Assim, este manuscrito também descreve as etapas que tomamos para permitir a medição simultânea de espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) durante o DTS, juntamente com a forma como adquirimos e concluímos o processamento de primeiro nível dos dados fNIRS.
Introduction
Todos os anos, 42 milhões de pessoas em todo o mundo sofrem lesões cerebrais traumáticas leves (mTBIs)1. Embora antes consideradas benignas, novas pesquisas indicam que os mTBIs, particularmente mTBIs repetidos, podem provocar consequências negativas duradouras, como distúrbios físicos, cognitivos e do sono2,3,4. Posteriormente, pesquisadores e médicos estão buscando avaliações aprimoradas e métodos de tratamento para entender e abordar o MTBI.
Até o momento, as melhores práticas para avaliação do MTBI incluem sintomas autorreferidas e medição objetiva da função neurocognitiva emotora 5. No entanto, alguns indivíduos, como atletas de nível colegiado competitivo, são conhecidos por subnotificar sintomas relacionados ao MTBI6, limitando a utilidade dos relatos de sintomas. As medidas objetivas de função neurocognitiva e motora também têm limitações, incluindo má confiabilidade do teste-reteste, dependência de testes de linha de base ou dificuldade insuficiente para atletas de alto desempenho7,8,9. No entanto, os paradigmas de dupla tarefa - que avaliam simultaneamente as habilidades motoras e cognitivas - podem detectar prejuízos sutis e residuais e podem ser particularmente úteis para avaliar atletas de alto desempenho10,11,12,13,14.
Pesquisas passadas usando paradigmas de dupla tarefa muitas vezes incorporaram equipamentos de laboratório pesados e caros, como sistemas de captura de movimento14,para avaliar atletas de alto desempenho. Embora esses sistemas possam medir com precisão os prejuízos motores sutis, eles são impraticáveis para uso na avaliação diária do MTBI devido ao alto custo do equipamento, portabilidade limitada e longos tempos de administração (ou seja, ≥ 45 minutos por indivíduo). Além disso, muitos estudos de paradigma de duas tarefas passados se concentraram apenas em habilidades de extremidade inferior ou inferior, como equilíbrio ou marcha11,12,13,14. Indiscutivelmente, a função extremidade superior e a coordenação mão-olho também é importante para atletas de alto desempenho em muitos esportes. Assim, desenvolvemos o Dual Task Screen (DTS), que é uma breve medida projetada para ser administrada e pontuada em <10 minutos com instrumentos portáteis e de baixo custo. Este DTS original incluiu um subtarefa de extremidade inferior (LE) e extremidade superior (UE), que avaliava a velocidade da marcha (usando um cronômetro) e a coordenação mão-olho em condições de tarefa única e dupla15.
No primeiro estudo de viabilidade, 32 participantes adolescentes saudáveis e do sexo feminino completaram o DTS original. Este estudo foi concebido para estabelecer que o DTS poderia obter custos de motor de tarefa dupla, como indicado pelo desempenho do motor reduzido durante a dupla tarefa versus condições motoras únicas. Também procuramos estabelecer que o DTS poderia ser administrado e pontuado em menos de 10 minutos. Descobrimos que todos os participantes tinham um desempenho motor de duas tarefas mais pobre em pelo menos um subtarefa. Além disso, conseguimos administrar o DTS em uma média de 5,63 minutos e marcar o teste em 2-3 minutos15.
Embora o primeiro estudo de viabilidade tenha sido bem sucedido, algumas limitações foram reveladas. Mais notavelmente, a velocidade da marcha foi medida com cronômetros, que são propensos a erros humanos naturais. Portanto, no DTS revisado utilizamos dispositivos inteligentes com acelerômetros embutidos(Tabela de Materiais) em cada tornozelo. Esta adição manteve o uso de instrumentos portáteis e de baixo custo, ao mesmo tempo em que forneceu medidas sofisticadas de velocidade de marcha, número total de etapas, comprimento médio da etapa, duração média da etapa e variabilidade da duração da etapa. Outra limitação do DTS original foi a ausência de condições cognitivas únicas, o que impediu a avaliação dos custos cognitivos de dupla tarefa. Os custos cognitivos de tarefa dupla são definidos como desempenho cognitivo mais baixo durante a dupla tarefa versus condição cognitiva única. Posteriormente, tanto para as subtarefas le quanto para UE, adicionamos uma única condição cognitiva (descrita no Protocolo).
Além de desenvolver uma medida para o uso clínico futuro, um dos objetivos de longo prazo da equipe é avaliar os fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla em atletas saudáveis e contrastar esses achados com atletas com mTBI induzido por esportes. Assim, criamos uma versão compatível com neuroimagem do DTS. Procuramos determinar se o DTS pode ser modificado com sucesso para uso com a medição simultânea de espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS), e estamos usando um dispositivo fNIRS móvel projetado especificamente para acomodar o movimento do motor bruto, reduzindo a influência de artefatos de movimento. Além disso, este dispositivo possui a maior quantidade de cobertura de cabeça, ao nosso conhecimento, para dispositivos móveis que estão atualmente disponíveis para fins de pesquisa(Tabela de Materiais).
Em resumo, o protocolo de estudo foi projetado para fazer o seguinte:
- Descreva o protocolo de administração para a Tela de Tarefa Dupla (DTS) revisada, que é uma medida que redesenhamos para abordar as limitações do DTS15 original e uma medida destinada ao uso clínico futuro.
- Descreva o protocolo de pesquisa para a Tela de Tarefa Dupla (DTS) compatível com neuroimagem, que projetamos para avaliar os fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla.
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Protocol
Todos os procedimentos de estudo foram aprovados pelo Conselho de Revisão Institucional (IRB) da Universidade estadual do Colorado, e todos os participantes adultos forneceram consentimento por escrito informado antes de completar qualquer procedimento de estudo. O consentimento informado por escrito foi fornecido pelos pais dos participantes menores de 18 anos, e os participantes menores também forneceram parecer favorável escrito antes de concluir qualquer procedimento de estudo.
1. Tela de tarefa dupla revisada (DTS)
- Subtaria inferior (LE)
- Ligue a condição do motor único.
- Coloque três blocos de yoga em uma posição horizontal exatamente 4,5 m de distância ao longo de uma passarela de 18 m.
- Conecte firmemente dispositivos inteligentes a cada tornozelo para detectar golpes no calcanhar e obter características de marcha.
- Comece a gravação de vídeo com uma filmadora em um tripé.
- Instrua os participantes a caminhar o mais rápido possível enquanto ultrapassam obstáculos. Inicie a coleta de dados nos smartphones e toque bruscamente nos dispositivos simultaneamente para o alinhamento de tempo subsequente dos dois fluxos de dados separados das pernas esquerda e direita.
- Meça o tempo para completar com um cronômetro operado à mão.
- Pare a gravação de vídeo.
- Comece a única condição cognitiva.
- Informe ao participante o tempo alocado para esta condição, utilizando o tempo para completar a partir de sua única condição motora (arredondando até um segundo completo).
- Comece a gravação de vídeo com uma filmadora em um tripé.
- Instrua os participantes a declarar quantas palavras puderem que comecem com uma letra específica (A ou F).
NOTA: As letras são contra-equilibradas entre os participantes e entre as condições de tarefa única e dupla. Os números são contra-equilibrados entre os participantes e entre as condições de tarefa única e dupla. - Pare a gravação de vídeo.
- Inicie a condição de tarefa dupla.
- Comece a gravação de vídeo com uma filmadora em um tripé.
- Instrua os participantes a caminhar o mais rápido possível enquanto ultrapassam obstáculos ao mesmo tempo em que afirmam o máximo de palavras que puderem que começam com uma letra específica (A ou F). Toque rapidamente em ambos os acelerômetros para iniciar a condição.
- Meça o tempo para completar com um cronômetro operado à mão.
- Pare a gravação de vídeo.
- Ligue a condição do motor único.
- Subtaria de extremidade superior (UE)
- Ligue a condição do motor único.
- Meça uma distância de 1,5 m de distância de uma parede, marque com fita adesiva e instrua o participante a ficar atrás da fita.
- Coloque uma cesta de bolas de tênis ao lado do participante.
- Comece a gravação de vídeo com uma filmadora em um tripé.
- Instrua o participante a completar um wall-toss com mãos alternadas para 30 s. Diga ao participante que se não pegar uma bola, para adquirir uma bola nova da cesta de bolas de tênis. Meça o tempo decorrido com um cronômetro.
- Pare a gravação de vídeo.
- Comece a única condição cognitiva.
- Comece a gravação de vídeo com uma filmadora em um tripé.
- Diga ao participante que será solicitado a subtrair sequencialmente por 7 a partir de um determinado número (100 ou 150) por 30 segundos. Meça o tempo decorrido com um cronômetro.
- Pare a gravação de vídeo.
NOTA: As letras são contra-equilibradas entre os participantes e entre as condições de tarefa única e dupla. Os números são contra-equilibrados entre os participantes e entre as condições de tarefa única e dupla.
- Inicie a condição de tarefa dupla.
- Peça ao participante para ficar a 1,5 m de distância de uma parede.
- Coloque uma cesta de bolas de tênis ao lado do participante.
- Comece a gravação de vídeo com uma filmadora em um tripé.
- Instrua o participante a completar um wall-toss com mãos alternadas por 30 segundos. Informe o participante que, ao arremessar e pegar as bolas, será solicitado que subtraia sequencialmente por 7 de um determinado número (100 ou 150) por 30 segundos. Diga ao participante que se não pegar uma bola, para adquirir uma bola nova da cesta de bolas de tênis. Meça o tempo decorrido com um cronômetro.
- Pare a gravação de vídeo.
NOTA: As letras são contra-equilibradas entre os participantes e entre as condições de tarefa única e dupla. Os números são contra-equilibrados entre os participantes e entre as condições de tarefa única e dupla.
- Ligue a condição do motor único.
2. Tela de tarefa dupla compatível com neuroimagem (DTS)
- Configurar o DTS
- Coloque blocos de yoga em uma posição vertical para marcar o início e o fim de uma passarela de 15 m.
- Coloque dois blocos de yoga em uma posição horizontal exatamente 5 m de distância ao longo da passarela de 15 m.
- Meça e marque com fita adesiva a uma distância de 1,5 m de distância de uma superfície de parede lisa.
- Montar um tripé no início da passarela de 15 m.
- Coloque o dispositivo fNIRS na cabeça do participante.
- Meça a circunferência da cabeça do participante e selecione a tampa fNIRS de tamanho apropriado (Tabela de Materiais)com optodes pré-colocados e detectores de canal curto.
- Ligue um laptop de aquisição dedicado e conecte-se à rede WiFi do dispositivo fNIRS.
- Abra o software de aquisição fNIRS e selecione o dispositivo fNIRS.
- Realize a calibração para otimizar a intensidade da luz e verificar os níveis de sinal optode. Os níveis de sinal devem ser aceitáveis ou excelentes.
- Corrija todos os optodes com nível de sinal menos que aceitável, removendo o optode da tampa e separando o cabelo do participante para garantir uma conexão direta do optode com o couro cabeludo do participante.
- Coloque acelerômetros nos tornozelos do participante.
- Conecte firmemente dispositivos inteligentes a cada tornozelo para detectar golpes no calcanhar e obter características de marcha.
- Inicie a aquisição de dados de subtarefas LE.
- Abra o software de apresentação de estímulos(Tabela de Materiais).
- Selecione o arquivo de subtarefas LE.
- Peça ao participante para sentar em uma cadeira em preparação para um período de descanso tranquilo de 60 anos.
- Retorne ao software de aquisição fNIRS e clique no botão Iniciar para começar a coletar dados fNIRS. Digite assunto ID_LE, idade e sexo na janela pop-up e clique em Iniciar.
- Retorne ao software de apresentação de estímulo, informe o participante que o descanso tranquilo começará e pressione o Espaço para iniciar o período de descanso dos anos 60.
- Ao final do período de descanso, identifique qual condição le subtask (motor único, cognitivo único ou dupla tarefa) foi selecionada para o1º ensaio. Forneça ao participante instruções para esse teste.
- Instruções motoras únicas: Instrua o participante a caminhar o mais rápido possível, enquanto pisa sobre os obstáculos, por 30 s. Diga ao participante que começará quando o pesquisador principal disser "Começar". Isso ocorrerá imediatamente após um pesquisador secundário tocar nos acelerômetros. Instrua o participante que deve parar de andar quando o pesquisador principal disser "pare". Além disso, quando o pesquisador primário diz "pare", o participante deve colocar os pés juntos e permanecer o mais quieto possível. Neste momento, o pesquisador secundário tocará nos acelerômetros uma segunda vez e colocará um marcador (nota pegajosa) no chão onde o participante parou.
- Instruções Cognitivas Únicas: Instrua o participante a permanecer de pé no início da passarela de 15 m. Enquanto estiver de pé, será solicitado a declarar o máximo de palavras possível que começam com uma carta em particular.
- Instruções de tarefa dupla: Instrua o participante a caminhar o mais rápido possível enquanto pisa sobre os obstáculos e, simultaneamente, indica o máximo de palavras possível começando com uma letra específica. Informe-o que também terá 30 segundos para esta condição. Diga ao participante que começará quando o pesquisador principal disser "comece". Isso ocorrerá imediatamente após um pesquisador secundário tocar nos acelerômetros. Instrua o participante que deve parar de andar quando o pesquisador principal disser "pare". Além disso, quando o pesquisador primário diz "pare", o participante deve colocar os pés juntos e permanecer o mais quieto possível. Neste momento, o pesquisador secundário tocará nos acelerômetros uma segunda vez e colocará um marcador (nota pegajosa) no chão onde o participante parou.
- Comece a gravação de vídeo com uma filmadora em um tripé.
- Pressione a barra espacial para iniciar o1º julgamento. Monitorar o temporizador de 30 s no software de apresentação de estímulo; diga ao participante para parar quando 30 s tiverem transcorrido.
- Identifique o2º teste e forneça instruções ao participante. Repita o processo até que o participante tenha concluído 15 ensaios randomizados do LE Subtask.
- Pare a gravação de vídeo.
- Informe o participante que completará mais 60 s período de descanso sentado. Uma vez que o participante esteja sentado, pressione Comece a iniciar o período de descanso.
- Após o período de descanso, saia do arquivo de subtarefas LE no software de apresentação de estímulo. Pare a aquisição de dados no software de aquisição de dados fNIRS, mas não saia do software.
NOTA: As letras são aleatórias (pelo software de apresentação de estímulo) entre ensaios e contra-balanceadas entre os participantes e entre condições de tarefa única e dupla. As letras são semelhantes em nível de dificuldade e incluem: W, D, F, T, S, H, M, A, B e P. Os números são randomizados (pelo software de apresentação de estímulo) entre ensaios e contra-equilibrados entre os participantes e entre condições de tarefa única e dupla. Os números sorteados foram: 185, 225, 220, 175, 205, 165, 170, 180, 245 e 240.
- Remova os acelerômetros dos tornozelos do participante. Mova-se para a seção no corredor designado para o Subtarefa UE.
- Inicie a aquisição de dados de subtarefas da UE.
- Abra o software de apresentação de estímulos.
- Selecione o arquivo de subtarefas da UE.
- Peça ao participante para sentar em uma cadeira em preparação para um período de descanso tranquilo de 60 anos.
- Retorne ao software de aquisição fNIRS e clique no botão Iniciar para começar a coletar dados fNIRS. Digite assunto ID_UE, idade e sexo na janela pop-up e clique em iniciar.
- Retorne ao software de apresentação de estímulo, informe o participante que o período de descanso tranquilo está prestes a começar, e pressione o Espaço para iniciar o período de descanso de 60 s.
- Ao final do período de descanso, identifique qual condição de Subtarca DA UE (único motor, cognitivo único ou dupla tarefa) foi selecionada para o1º ensaio. Forneça ao participante instruções para esse teste.
- Instruções de motor único: Instrua o participante a ficar a 1,5 m de distância de uma parede. Coloque uma cesta de bolas de tênis ao lado do participante. Instrua o participante a completar um wall-toss com mãos alternadas para 30 s. Diga ao participante que se não pegar uma bola, para adquirir uma bola nova da cesta de bolas de tênis.
- Instruções Cognitivas Únicas: Instrua o participante a permanecer em pé Diga ao participante que será solicitado a subtrair sequencialmente por 7 de um determinado número para 30 s.
- Instruções de tarefa dupla: Instrua o participante a completar um wall-toss com mãos alternadas para 30 s. Informe o participante que, ao arremessar e pegar as bolas, será solicitado que subtraia sequencialmente por 7 de um dado número2 para 30 s. Diga ao participante que se não pegar uma bola, para adquirir uma bola nova da cesta de bolas de tênis.
- Comece a gravação de vídeo com uma filmadora em um tripé.
- Pressione a barra espacial para iniciar o1º julgamento. Monitorar o temporizador de 30 s no software de apresentação de estímulo; diga ao participante para parar quando os 30 s tiverem transcorrido.
- Identifique o2º teste e forneça instruções ao participante. Repita o processo até que o participante tenha concluído 15 ensaios randomizados do Subtarefas da UE.
- Pare a gravação de vídeo.
- Informe o participante que completará mais 60 s período de descanso sentado. Uma vez que o participante esteja sentado, pressione Comece a iniciar o período de descanso.
- Após o período de descanso, saia do arquivo UE Subtask no software de apresentação de estímulo. Pare a aquisição de dados no software de aquisição de dados fNIRS e, em seguida, saia do software.
- Remova a tampa fNIRS da cabeça do participante.
NOTA: As letras são aleatórias (pelo software de apresentação de estímulo) entre ensaios e contra-balanceadas entre os participantes e entre condições de tarefa única e dupla. As letras são semelhantes em nível de dificuldade e incluem: W, D, F, T, S, H, M, A, B e P. Os números são randomizados (pelo software de apresentação de estímulo) entre ensaios e contra-equilibrados entre os participantes e entre condições de tarefa única e dupla. Os números sorteados foram: 185, 225, 220, 175, 205, 165, 170, 180, 245 e 240.
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Representative Results
Participantes
Os participantes foram recrutados de equipes locais de ensino médio e intercolegiato universitário e equipes esportivas de clubes usando panfletos de boca-a-boca e publicidade. Os participantes eram obrigados a ter entre 15 e 22 anos e participar regularmente de esportes de contato organizados. Os esportes de contato incluíam todos os esportes onde o contato físico com companheiros de equipe ou adversários é necessário durante o jogo de rotina. Os participantes também tiveram que ter visão e audição normais ou corrigidas, sem histórico de condições neurológicas ou psiquiátricas, e sem histórico de lesão cerebral traumática moderada ou grave, por auto-relato.
Foram incluídos dados de três atletas de esporte de contato masculino saudáveis (Idade Média: 18,0 ± 2,65 anos.) para ilustrar o tipo de dados clínicos que podem ser adquiridos a partir do DTS revisado. Dados de atletas saudáveis e femininas de esportes de contato serão incluídos em outra publicação que não é estritamente focada em Métodos.
Análise de dados para DTS revisados
Dado o pequeno número de participantes incluídos nos resultados representativos, as análises estatísticas formais não foram concluídas. No entanto, para cada participante, o desempenho na condição de dupla tarefa foi comparado ao desempenho nas condições cognitivas motoras e únicas; veja abaixo a descrição das métricas de desempenho em ambas as subtarefas.
Métricas de desempenho no Subtask LE
O desempenho da condição única do motor foi quantificado pela velocidade da marcha (m/s), número total de etapas, comprimento médio da etapa (m), duração média da etapa (s) e variabilidade da duração da etapa (SD). Esses dados foram adquiridos com os acelerômetros embutidos nos dispositivos inteligentes que afixamos nos tornozelos dos participantes. O desempenho da condição cognitiva única foi medido pelo número total de palavras produzidas sem repetições, representadas como palavras/s para explicar a variada quantidade de tempo atribuída para este estudo. Dois assistentes de pesquisa treinados assistiram a uma fita de vídeo da única condição cognitiva e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de palavras produzidas. Finalmente, o desempenho em duas condições de tarefa foi medido pela velocidade da marcha (m/s), número total de etapas, comprimento médio da etapa (m), duração média da etapa (s) e variabilidade média da duração da etapa (SD) e o número total de palavras produzidas sem repetições, representadas como palavras/segundo. Dois assistentes de pesquisa treinados também assistiram a uma fita de vídeo da condição de tarefa dupla e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de palavras produzidas.
Custos de tarefa dupla no subtarefa LE
Para cada participante, um custo de motor de tarefa dupla seria representado pelas seguintes mudanças nas características da marcha durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição do motor único: velocidade de marcha mais lenta, um maior número de etapas totais, um comprimento médio menor de passo, uma duração média de passo mais longa e maior variabilidade de duração do passo. Observamos que todos os três participantes do sexo masculino tinham um custo de motor de tarefa dupla no LE Subtask. Especificamente, vimos velocidade de marcha mais lenta, maior duração média da etapa e maior variabilidade na duração da etapa durante o duplo, em comparação com tarefas de condição única; ver Figura 1A. Em contrapartida, dois dos três participantes não apresentaram alterações no número de etapas totais ou no comprimento médio da etapa entre as condições de tarefa única e dupla; ver Figura 1A.
Para cada participante, um custo cognitivo de dupla tarefa seria representado por menos palavras geradas na condição de tarefa dupla em comparação com o número de palavras geradas na condição de tarefa cognitiva única. Observamos dois custos cognitivos de tarefa em dois dos três participantes. Especificamente, esses participantes geraram menos palavras durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única; ver Figura 1B.
Métricas de desempenho no Subtarefas da UE
O desempenho em condições motoras únicas foi medido pelo número total de capturas bem sucedidas. Dois assistentes de pesquisa treinados assistiram a uma fita de vídeo da condição motora única e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de capturas bem sucedidas. O desempenho da condição cognitiva única foi medido pelo número total de subtrações corretas. Dois assistentes de pesquisa treinados assistiram a uma fita de vídeo da única condição cognitiva e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de subtrações corretas. Os erros de subtração não foram cumulativos (ou seja, "100, 92, 85..." seriam registrados como um erro e uma subtração correta). Finalmente, o desempenho em duas condições de tarefa foi medido pelo número total de capturas bem sucedidas e número total de subtrações corretas. Mais uma vez, dois assistentes de pesquisa treinados assistiram a uma fita de vídeo da única condição cognitiva e foram obrigados a chegar a um consenso sobre o número total de capturas bem sucedidas e subtrações corretas.
Custo de tarefa dupla no subtardo da UE
Para cada participante, um custo de motor de tarefa dupla seria representado por menos capturas bem sucedidas durante a condição de tarefa dupla em comparação com o número de capturas bem sucedidas feitas durante a condição motora única. Descobrimos que todos os três participantes do sexo masculino tinham um custo de motor de tarefa dupla. Especificamente, eles tiveram menos capturas bem sucedidas durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição motora única; ver Figura 2A.
Um custo cognitivo de tarefa dupla seria representado por menos subtrações corretas a condição de tarefa dupla em comparação com o número de subtrações corretas feitas durante a condição de tarefa única. Observamos dois custos cognitivos de tarefa em dois dos três participantes. Especificamente, eles apresentaram menos subtrações corretas durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única; ver Figura 2B.
Análise de dados para DTS compatíveis com neuroimagem
Especificações do dispositivo fNIRS
Utilizamos um sistema de espectroscopia funcional móvel (fNIRS)(Tabela de Materiais). O sistema possui 32 optodes totais, 16 fontes LED e 16 detectores, e um dispositivo de aquisição sem fio que os participantes usam nas costas. Este dispositivo é exclusivamente equipado para acomodar o movimento bruto do motor, e tem (pelo nosso conhecimento) a maior quantidade de cobertura de cabeça para um sistema móvel. Utilizando fNIRS avaliamos a atividade cerebral através da resposta hemodinâmica usando índices de hemoglobina oxigenada (HbO) durante o DTS compatível com neuroimagem.
FNIRS Head Probe
A sonda principal incluiu 30 optodes (15 fontes led e 15 detectores) que foram colocados na cabeça do participante usando uma tampa fNIRS com suportes de optode embutidos. Medimos o HbO colocando fontes de LED e detectores no córtex motor esquerdo e direito e duas regiões primárias da rede frontoparietal lateralizada direita16, PFC direita e PPC, que identificamos com o sistema 10-2017; ver Figura 3. As fontes led brilham luz quase infravermelha em regiões corticais superficiais, e os detectores capturam a luz refratada, permitindo calcular os valores de HbO em cada canal, ou intersecção de fonte e detector. Além disso, incluímos oito detectores de separação curtos, que medem a perfusão do couro cabeludo, variável incômoda que será regredida dos dados brutos fNIRS18,19.
Projeto de bloco para aquisição de fNIRS
Tanto as subtarefas LE quanto UE foram convertidas em um projeto de bloco. Ambas as subtarefas começaram e terminaram com um período de descanso sentado de 60 s para adquirir atividade hemodinâmica de linha de base. O descanso foi seguido por 15 blocos randomizados (5 blocos de condição motora única, 5 blocos de condição cognitiva única e 5 blocos de condição de tarefa dupla) que tinham 30 s de duração, totalizando 7,5 minutos de coleta total de dados para cada subtarfato. Entre cada um dos 15 blocos de condição, houve um intervalo de descanso variável de aproximadamente 6-8 s para permitir que a resposta hemodinâmica dos participantes retornasse à linha de base; ver Figura 4.
FNIRS Data Reduction and First-Level (Single-Subject) Análise: Os dados brutos do fNIRS são carregados em uma linguagem de programação proprietária e ambiente de computação numérica(Tabela de Materiais). Os canais criados com detectores de separação curtos são rotulados para regressão posterior. Os valores de estímulo padrão, que foram gerados pelo software de apresentação de estímulo, são renomeados para identificar blocos DTS (por exemplo, motor único, cognitivo único, motor duplo). Em seguida, os parâmetros de duração do estímulo são definidos para 30 segundos para todos os blocos DTS e 60 s para períodos de descanso. O processamento básico é então concluído usando etapas de uma caixa de ferramentas não proprietária compatível com o ambiente de computação numérica. Essas etapas incluem calcular a densidade óptica e, em seguida, recalcular valores de densidade óptica dados dados dos canais de separaçãocurtos 20. Em seguida, a densidade óptica é convertida em valores de hemoglobina (hemoglobina desoxigenada, hemoglobina oxigenada e hemoglobina total) utilizando a Lei21da Cerveja Lambert modificada . Após a conversão, um algoritmo de modelo autoregressivo é executado, o que inclui a regressão de dados de canais de separação curtos. Os parâmetros para o algoritmo autoregressivo são definidos para seguir um modelo Canônico22. Finalmente, os dados individuais podem ser visualizados usando contrastes de condições (por exemplo, Dual vs Single); ver Figura 5.
Figura 1: Desempenho do subtarefa LE durante condições de tarefa única vs. dupla. (A) Todos os três participantes apresentaram velocidade de marcha mais lenta, maior duração média da etapa e maior variabilidade na duração da etapa durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única, o que representa um custo de motor de tarefa dupla na subtarefa da UE. Dois dos três participantes não apresentaram alterações no número de etapas totais ou no comprimento médio da etapa entre as condições de tarefa dupla e única. (B) Dois dos três participantes geraram menos palavras durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única, o que representa um custo cognitivo de dupla tarefa no subtarefas LE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Desempenho do subtarefa DA UE durante condições de tarefa única vs. dupla. (A) Todos os três participantes tiveram menos capturas bem sucedidas durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única, o que representa um custo de motor de tarefa dupla no subtarefas da UE. (B) Dois dos três participantes apresentaram menos subtrações corretas durante a condição de tarefa dupla em comparação com a condição de tarefa única, o que representa um custo cognitivo de dupla tarefa no subtarefas da UE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Sonda de cabeça FNIRS. A sonda de cabeça fNIRS incluiu 15 fontes led (círculos vermelhos) e 15 detectores (círculos brancos) que foram colocados no córtex motor esquerdo e direito e córtex pré-frontal direito (PFC) e córtex parietal posterior direito (PPC). Isso nos permitiu calcular valores de hemoglobina oxigenada (HbO) em cada canal, ou intersecção de fonte e detector. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Projeto de bloco para aquisição de fNIRS. Para a versão compatível com neuroimagem do DTS, as subtarefas LE e UE foram convertidas em um design de bloco. Ambas as subtarefas começaram e terminaram com um período de descanso de 60 segundos sentados para adquirir atividade hemodinâmica de linha de base. O descanso foi seguido por 15 blocos randomizados (5 blocos de condição motora única, 5 blocos de condição cognitiva única e 5 blocos de condição de tarefa dupla) que tinham 30 segundos de duração. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Dados de fNIRS de um único sujeito. Esta é uma representação de dados fNIRS de um único assunto usando contrastes de condição. Esta imagem contrasta a hemoglobina oxigenada (HbO) durante a Tarefa Dupla vs Tarefa Motor Única do subtarefa LE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Neste manuscrito, descrevemos o protocolo de administração para o recém-revisado Dual Task Screen (DTS). Essas revisões foram concluídas para abordar limitações identificadas no DTS15 original e incluíram a adição de condições cognitivas únicas para testar os custos cognitivos de tarefa dupla. Também incluiu a acelerometria baseada em dispositivos inteligentes para medir com mais precisão as características da marcha. Incluímos resultados representativos que ilustram o tipo de dados clínicos que podem ser adquiridos com o DTS. Também descrevemos o protocolo de pesquisa para a Tela de Tarefa Dupla compatível com neuroimagem (DTS), que projetamos para avaliar os fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla. A modalidade de neuroimagem que selecionamos foi um dispositivo portátil de espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) que acomoda o movimento bruto do motor, reduzindo a influência dos artefatos de movimento18,19. Para criar uma versão compatível com neuroimagem, tivemos que converter o DTS em um design de bloco. O projeto do bloco exigia cinco repetições, ou blocos, das condições motoras únicas, cognitivas únicas e duplas tarefas. Isso exigiu o uso de novos estímulos cognitivos (por exemplo, números e letras) de dificuldade equivalente para cada ensaio.
A adição de acelerômetros foi a adição mais desafiadora ao DTS revisado, pois isso exigia que marcasse precisamente quando a caminhada de obstáculos foi iniciada em ambos os dispositivos inteligentes. Tocamos simultaneamente nos dispositivos inteligentes/acelerômetros, antes do primeiro passo dos participantes, para criar um pico de artefato nos dados de aceleração. Também filmamos a caminhada dos participantes, para que pudéssemos combinar seus golpes de calcanhar no vídeo com os golpes de calcanhar registrados pelos acelerômetros.
A maior parte da solução de problemas, no entanto, foi concluída para criar uma versão compatível com neuroimagem do DTS. O primeiro obstáculo que encontramos foi encontrar um software de apresentação de estímulo que pudesse interagir sem fio com o software de aquisição de neuroimagem. Ao contrário das tarefas baseadas em computador, o participante não precisava ver qual condição estava prestes a ocorrer, mas o pesquisador tinha que ver as condições para fornecer instruções. Além disso, este software de estimulação teve que interagir perfeitamente com o software de aquisição, para marcar as condições que estavam ocorrendo. Isso é necessário para a segmentação futura e a média dos dados de neuroimagem em todos os cinco blocos de cada condição. Identificamos com sucesso um software de apresentação de estímulo que interfaceou com o software de aquisição de dados fNIRS através de uma camada de streaming de laboratório. Isso nos permitiu usar ambos os programas simultaneamente. O próximo obstáculo que encontramos foi modificar o DTS para um projeto de bloco, onde cada bloco tinha 30 segundos de duração, o que é necessário para a qualidade ideal dos dados fNIRS. Além disso, precisávamos incluir períodos de descanso no início e no fim de cada subtarefa para medir a perfusão cerebral da linha de base, devido à variabilidade entre sujeitos conhecida na perfusão cerebral23, particularmente após mTBI24. Além disso, precisávamos adicionar períodos de transição de 6 a 10 entre os blocos para permitir que a atividade cerebral dos participantes voltasse à linha de base. Finalmente, determinamos que precisávamos randomizar a ordem do bloco e contra-equilibrar os estímulos de letras e números, para as tarefas cognitivas, para reduzir os efeitos da prática e evitar a habitação neural. A tarefa mais desafiadora para modificar a um projeto de bloco de 30 s foi a caminhada de obstáculos no subtarefas LE. Antes da modificação, esta era uma caminhada de obstáculos de 18 m, e a duração foi o tempo que levou para os participantes concluí-la. Para mudar a caminhada de 18 m para um bloco de 30 segundos, pedimos aos participantes que repetissem uma caminhada de 15 metros com dois obstáculos (em vez de três) até que o tempo fosse chamado. No final do bloco dos anos 30 colocamos um marcador temporário (notas pegajosas) no chão onde o participante parou. Isso nos permitiu medir com precisão a distância percorriada e calcular a velocidade da marcha em m/s. Finalmente, no software de apresentação de estímulo, adicionamos um vídeo de um temporizador de 30 s para cada bloco, para que o pesquisador pudesse visualizar o software de neuroimagem e a duração de cada bloco simultaneamente em um computador portátil e fornecer pistas verbais (por exemplo, "iniciar" e "parar") ao participante para o início e o fim de cada bloco.
Nos resultados representativos, constatamos que as seguintes características da marcha apresentaram custos duplos do motor de tarefa na subtarida LE: velocidade da marcha, duração média da etapa e variabilidade na duração da etapa. Em contrapartida, as etapas totais e o comprimento médio da etapa não pareciam mostrar custos duplos de motor de tarefa, uma vez que dois dos três participantes não apresentaram alterações nessas métricas. Isso pode representar uma limitação dessas métricas ou dos acelerômetros. Também poderia ser resultado da inclusão apenas de dados representativos de três participantes, embora esperássemos ver custos de motor de tarefa dupla em 100% dos participantes, independentemente do tamanho da amostra. Embora os dados de ataque de calcanhar dos dispositivos inteligentes fornecessem dados detalhados e precisos, uma limitação significativa, no momento, é a quantidade de tempo e experiência necessária para processar e interpretar esses dados (até 1,25 horas/participante). Idealmente, gostaríamos que esse processamento e interpretação levassem menos de 10 minutos e exigissem pouco ou nenhum treinamento prévio. Precisamos desenvolver um aplicativo para agilizar esse processamento. Além disso, embora tenhamos observado custos consistentes de motor de dupla tarefa nos atletas representativos, descobrimos que um participante não demonstrou um custo cognitivo de dupla tarefa no subtarefas le e um participante diferente não demonstrou um custo cognitivo de dupla tarefa no subtardo da UE. De preferência, o método provocaria um custo cognitivo de tarefa dupla em ambas as subtarefas em todos os participantes (independentemente do tamanho da amostra), o que pode sugerir a necessidade de tarefas cognitivas mais desafiadoras. Alternativamente, esse achado pode sugerir que as habilidades cognitivas são menos suscetíveis a interferências duplas de tarefas e devemos nos concentrar em perturbações de tarefas duplas no desempenho motor.
O objetivo inicial do trabalho foi desenvolver uma ferramenta prática e sensível que possa melhorar a avaliação e o tratamento do MTBI. Em contraste com muitos dos paradigmas de tarefas duplas usados no trabalho passado14, o DTS original e o DTS revisado usam equipamentos portáteis, baratos e a maioria das condições são fáceis de pontuar sem treinamento prévio. Além disso, incluímos uma nova avaliação da função extremidade superior, especificamente a coordenação mão-olho, enquanto o trabalho anterior focava apenas nas habilidades de membros inferiores ou extremidades inferiores11,12,13,14. Assim, o método tem um potencial significativo para contribuir com protocolos de avaliação do MTBI, pois poderia ser administrado em diversos ambientes (por exemplo, centros de reabilitação, consultórios médicos, ginásios e salas de treinamento atlético) para uma ampla gama de atletas competitivos. Em última análise, precisamos determinar que o DTS é sensível aos efeitos do mTBI induzido pelo esporte, mas as medidas que tomamos até agora sugerem que o protocolo de administração do DTS é uma maneira prática de obter efeitos de tarefas duplas em atletas de alto desempenho.
Até o momento, a avaliação do MTBI limita-se a sintomas autorremiados e medidas objetivas que têm baixa confiabilidade de teste-reteste, dependem de testes de linha de base ou não são desafiadores o suficiente para atletas de alto desempenho7,8,9. O DTS inclui tarefas desafiadoras que avaliam o desempenho da extremidade inferior e superior. Atualmente, não estabelecemos que o DTS é sensível aos efeitos do mTBI, mas estamos no processo de coleta desses dados. Além disso, buscamos entender melhor os fundamentos neurais do comportamento de tarefa única e dupla em atletas saudáveis e aqueles com mTBI induzido por esportes usando o DTS recém-criado compatível com neuroimagem. Esse entendimento servirá para nos ajudar a refinar ainda mais os métodos de avaliação, como o DTS, e fornecer insights sobre paradigmas de tratamento ideais.
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Disclosures
Os autores não têm conflitos de interesse para divulgar.
Acknowledgments
Gostaríamos de agradecer à Srta. Isabelle Booth, uma estudante de honra da Universidade estadual do Colorado que ajudou na análise de dados de accelerometria. Gostaríamos também de reconhecer o financiamento do NIH K12 HD055931 e K01 HD096047-02 emitidos ao autor J.S.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Hardware (in alphabetical order) | |||
| NIRx NIRSport2 Device: NSP2-CORE1616 | NIRx | Reference #: GC359 | "The NIRSport 2 is a user-friendly, modular, and robust wireless functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) platform which measures hemodynamic responses to neuroactivation via oxy-, deoxy-, and total hemoglobin changes in the cerebral cortex.The NIRSport 2 comes with a host of ready-to-implement upgrades and modules to meet the needs of a broad range of cognitive neuroscience applications." (Direct quote from nirx.net/nirsport) |
| NIRx NIRSCap (available in 5 difference sizes) | NIRx | N/A | "The NIRScap consists of a measuring cap and optode holders. The optode holders fit into the slits of the measuring cap." (Direct quote from NIRx's NIRScap Getting Started Guide) |
| NIRx Optode Sources (x 2) | NIRx | Reference #: GC359 | "8-source active source bundel for fiberless optical illumination with dual tip; 240 cm long." (Direct quote from NIRx Packing List Description) |
| NIRx Optode Detectors (x 2) | NIRx | Reference #: GC359 | "Bundle of 8x active sensores for fiberless optical detection; dual tip; 240 cm long." (Direct quote from NIRx Packing List Description) |
| NIRx Short Distance Detector Probes | NIRx | N/A | "The probes come in a bundle of eight detector clips that allows coupling of short-distance data from eight independent sources sites to one common detector channel on the instrument." (Direct quote from NIRx's Short Distance Detector Probes Getting Started Guide) |
| Software (in alphabetical order) | |||
| Aurora | NIRx | N/A | "NIRSport 2 Acquistion Software. Aurora fNIRS connects to your NIRSport 2 device via Wi-Fi or USB and can set-up a complete experimental configuration in only several clicks. Thanks to the automated signal optimization algorithm, Aurora fNIRS ensures optimal signal quality before a measurement is started. Raw data, HbO and Hb concentration changtes can be visualized in real-time in several display modes. In addition, high-end whole head visualizations are immediately available. Recorded data can be exported over the integrate Lab Streaming Layer (LSL) protocol, allowing for real-time processing in Brain-Computer Interface (BCI) and Neurofeedback paradigms." (Direct quote from nirx.net/software) |
| Matlab | Math Works | N/A | "MATLAB® combines a desktop environment tuned for iterative analysis and design processes with a programming language that expresses matrix and array mathematics directly. It includes the Live Editor for creating scripts that combine code, output, and formatted text in an executable notebook." (Direct quote from mathworks.com) |
| NIRS Toolbox | Developed by Huppert Brain Imaging Lab | N/A | "NIRS toolbox is a Matlab based analysis program." (Direct quote from huppertlab.net/nirs-toolbox-2/) |
| PsychoPy | Python | N/A | "PsychoPy is an open source software package written in the Python program,ming language primarily for us in neuroscience and experimntal psychology research." (Direct quote from psychopy.org) |
| Lower Tech/Cost Research Supplies* (in alphabetical order) | |||
| AmazonBasics 60-Inch Lightweight Tripod with Bag | Amazon | Item Model #: WT3540 | This lightweight tripod is perfect for most cameras up to 6.6 pounds. Setup is quick and easy. The included bag makes storage and transport a snap.The tripod’s legs can extend from 20” to 48”. Leg locks release smoothly and glide easily to your desired height. Crank up the center post for a tripod that is 60” tall. (Direct quote from Amazon.com) |
| iPod Touch x 2 | Apple | N/A | Smart device with built-in accelerometer. |
| Panasonic Full HD Video Camera Camcorder HC-V180K, 50X Optical Zoom, 1/5.8-Inch BSI Sensor, Touch Enabled 2.7-Inch LCD Display (Black) | Amazon | Item Model #: HC-V180K | Compact, lightweight and easy to use, the Panasonic Full HD Camcorder HC-V180K brings a fun, worry-free experience to high-resolution video capture. Featuring a 5-axis image stabilizer for maximum handheld stability, this 1080p camera’s super-long 50X optical zoom and up to 90X intelligent zoom quickly bring distant objects in focus. A convenient 28mm wide-angle lens allows you to fit more people and scenery into settings like weddings, reunions and vacations. An advanced BSI sensor assures low-light video image quality while Panasonic’s Level Shot function automatically detects and compensates for distracting camera tilting. For added fun, the camera includes creative filter effects like 8mm Movie, Silent Movie, Miniature Effect and Time Lapse Recording, all easily accessible on the 2.7-inch LCD touch screen. A two-channel zoom microphone works in tandem with the zoom to ensure crisp, clear audio up close or at any distance." (Direct quote from Amazon.com) |
| Post-it Notes, 3" x 3", Canary Yellow, Pack Of 18 Pads | Office Depot/Office Max | Item # 1230652 | "Post it® Notes stick securely and remove cleanly, featuring a unique adhesive designed for use on paper." |
| Scotch 232 Masking Tape, 1" x 60 Yd | Office Depot/Office Max | Item # 910588 | "High-performance paper masking tape produces sharp paint lines in medium-temperature paint bake operations. Scotch tape provides clean removal every time, even on traditionally difficult-to-remove surfaces." (Direct quote from officedepot.com) |
| Stanley Tools Leverlock Tape Measure, Standard, 25' x 1" Blade | Office Depot/Office Max | Item #389512 | "Tape rule features a power return with automatic bottom lock for easy operation. High-visibility case color makes it easy to find. Special Tru-Zero hook allows use of nail as pivot to draw circles and arcs. Tape rule offers a multiple riveted hook and polymer-coated blade for longer life, blade wear guard and comfortable rubber grip. Protected blade resists abrasion, oils, dirt and most solvents. Tape rule has Imperial ruling with consecutive feet on top and consecutive inches on bottom after the first foot. Its belt clip allows easy carrying." (Direct quote from officedepot.com) |
| Stopwatch | Office Depot/Office Max | Item # 357698 | "Offers split timing, precise to 1/100 of a second. Includes 6 functions — hour, minute, second, day, month and year." (Direct quote from officedepot.com) |
| Tourna Ballport Deluxe Tennis Ball Hopper with Wheels - Holds 80 Balls | Amazon | Item Model #: BPD-80W | "Balloon port 80 deluxe holds 80 balls and comes with wheels for easy Maneuverability. The handles are an extra long 33 inch for more convenient feed and pickup. Very lightweight yet durable makes this one of the most premium hoppers on the market. Loaded with patented features: legs lock in up and down position. Bars at the top slide closed so your the balls don't fall out during transport. Bars roll at the bottom so the ball slips in the hopper easily." (Direct quote from Amazon.com) |
| Tourna Pressureless Tennis Balls with Vinyl Tote (45 pack of balls) | Amazon | Item Model #: EPTB-45 | "45 Pressure less tennis balls in a vinyl tote bag. Bag has a zipper for secure closure. Balls are regulation size and durable. Suitable for practice or tennis ball machines. Balls are pressure less so they never go dead. Pressure-less means they never go dead, which makes them great for tennis practice, ball machines, filling up ball baskets and hoppers, or just making sure your pet has hours of fun chasing these balls. They fit Chuck-it style dog ball launchers and automatic ball launchers. Durable rubber and a premium felt ensures their use can be universal, whether your a budding tennis player or a pet owner." (Direct quote from Amazon.com) |
| Velcro | Velcro | N/A | Self-adhesive strips and wraps; used to secure smart devices. |
| Yoga Block 2 Pack – 2 High Density Light Weight Exercise Blocks 4 x 6 x 9 Inches Support All Poses - Lightweight Versatile Fitness and Balance Odor Free Bricks (Note: 6 blocks are needed for Dual Task Screen) | Amazon | N/A | "These blocks are made from recycled high density EVA foam and provide firm support in a wide range of different yoga poses. This will improve your posture and you can stay in challenging poses for longer." (Direct quote from Amazon.com) |
| *These items or comparable items can be obtained from a number of other sources |
References
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