أدوات الواقع الافتراضي لتقييم الإهمال المكاني من جانب واحد: فرصة جديدة لجمع البيانات
Summary
كان الهدف هو تصميم وبناء وتجريب مهمة واقع افتراضي جديدة للكشف عن الإهمال المكاني من جانب واحد وتوصيفه ، وهي متلازمة تؤثر على 23-46٪ من الناجين من السكتة الدماغية الحادة ، وتوسيع دور الواقع الافتراضي في دراسة وإدارة الأمراض العصبية.
Abstract
الإهمال المكاني الأحادي الجانب (USN) هو متلازمة تتميز بعدم الانتباه أو التقاعس عن العمل في جانب واحد من الفضاء وتؤثر على ما بين 23-46٪ من الناجين من السكتة الدماغية الحادة. يمكن أن يكون تشخيص وتوصيف هذه الأعراض في المرضى الفرديين أمرا صعبا وغالبا ما يتطلب موظفين سريريين مهرة. يقدم الواقع الافتراضي (VR) فرصة لتطوير أدوات تقييم جديدة للمرضى الذين يعانون من USN.
كنا نهدف إلى تصميم وبناء أداة VR للكشف عن أعراض USN الدقيقة وتوصيفها ، واختبار الأداة على الأشخاص الذين عولجوا بالتحفيز المغناطيسي المتكرر المثبط عبر الجمجمة (TMS) للمناطق القشرية المرتبطة ب USN.
لقد أنشأنا ثلاثة شروط تجريبية من خلال تطبيق TMS على منطقتين متميزتين من القشرة المرتبطة بالمعالجة البصرية المكانية – التلفيف الصدغي العلوي (STG) والتلفيف فوق الهامشي (SMG) – وطبقنا TMS الوهمي كعنصر تحكم. ثم وضعنا الأشخاص في بيئة الواقع الافتراضي حيث طلب منهم تحديد الزهور ذات التباينات الجانبية للزهور الموزعة عبر الشجيرات في كلا الفضاءين النصفيين ، مع تعديل الصعوبة الديناميكية بناء على أداء كل موضوع.
وجدنا اختلافات كبيرة في متوسط انحراف الرأس بين الأشخاص الذين تم تحفيزهم في STG وأولئك الذين تم تحفيزهم في SMG وتأثيرات هامشية في متوسط المحور البصري.
أصبحت تقنية الواقع الافتراضي أكثر سهولة وبأسعار معقولة وقوية ، مما يوفر فرصة مثيرة لإنشاء أدوات مفيدة وجديدة تشبه الألعاب. بالاقتران مع TMS ، يمكن استخدام هذه الأدوات لدراسة العجز العصبي الاصطناعي المحدد والمعزول في الأشخاص الأصحاء ، مما يساعد على إنشاء أدوات تشخيصية قائمة على الواقع الافتراضي للمرضى الذين يعانون من عجز بسبب إصابات الدماغ المكتسبة. هذه الدراسة هي الأولى على حد علمنا التي تم فيها تقييم أعراض USN المتولدة بشكل مصطنع مع مهمة VR.
Introduction
الإهمال المكاني الأحادي الجانب (USN) هو متلازمة تتميز بعدم الانتباه أو التقاعس عن العمل في جانب واحد من الفضاء تؤثر على ما بين 23-46٪ من الناجين من السكتة الدماغية الحادة ، والأكثر شيوعا ينطوي على إصابة في نصف الكرة المخية الأيمن ويؤدي إلى الميل إلى تجاهل الجانب الأيسر من الفضاء و / أو جسم الناجي1,2. على الرغم من أن غالبية المرضى الذين يعانون من USN يعانون من انتعاش كبير على المدى القصير ، إلا أن أعراض USN الخفية غالبا ما تستمر3. يمكن أن تزيد USN من خطر سقوط المرضى وتعيق أنشطة الحياة اليومية2,4 وقد ثبت أيضا أنها تؤثر سلبا على كل من النتائج الوظيفية الحركية والعالمية5,6.
يمكن تصور العجز في USN على أنه موجود عبر أبعاد متعددة ، مثل ما إذا كان الشخص يتجاهل جانبا واحدا من الفضاء فيما يتعلق بجسده (الأناني) أو فيما يتعلق بحافز خارجي (allocentric)7,8,9 ، أو ما إذا كان الشخص غير قادر على توجيه انتباهه (الانتباه) أو الأفعال (المتعمدة) نحو جانب واحد من الفضاء10 . غالبا ما يظهر المرضى كوكبة معقدة من الأعراض التي يمكن تمييزها على طول أكثر من واحد من هذه الأبعاد. ويعتقد أن هذا التباين في متلازمات USN ينتج عن درجات متفاوتة من الإصابة في هياكل تشريحية عصبية محددة وشبكات عصبية، وهي معقدة11. ارتبط الإهمال المتمركز حول المحور بآفات التلفيف الزاوي (AG) والتلفيف الصدغي العلوي (STG) ، في حين أن القشرة الجدارية الخلفية (PPC) بما في ذلك التلفيف فوق الهامشي (SMG) قد تورطت في المعالجة الأنانية 12،13،14،15. يعتقد أن الإهمال الانتباهي ينطوي على آفات في IPL16 الأيمن، في حين يعتقد أن الإهمال المتعمد ثانوي لتلف الفص الجبهي الأيمن17 أو العقد القاعدية18.
يعتمد التقييم السريري ل USN حاليا على أدوات علم النفس العصبي بالقلم والورق. قد تكون أدوات التقييم التقليدية هذه أقل حساسية من الأدوات الأكثر تطورا من الناحية التكنولوجية ، مما يؤدي إلى التشخيص الخاطئ أو التشخيص الناقص لبعض المرضى الذين يعانون من USN19. ومن شأن تحسين توصيف العجز المتبقي أن ييسر تقديم العلاج للمرضى الذين يعانون من اعتدالا في الولايات المتحدة الأمريكية، ومن المحتمل أن يحسن تعافيهم بشكل عام، ولكن مثل هذا التوصيف يتطلب أدوات تشخيصية حساسة للغاية. تفرض USN تحديات مماثلة في بيئة المختبر ، حيث قد يكون من الصعب العزل عن الإعاقات الحركية والبصرية التي تصاحب USN عادة بين مرضى السكتة الدماغية.
يقدم الواقع الافتراضي (VR) فرصة فريدة لتطوير أدوات جديدة لتشخيص وتوصيف USN. VR هي بيئة ثلاثية الأبعاد متعددة الحواس مقدمة في الشخص الأول مع تفاعلات في الوقت الفعلي حيث يكون الأفراد قادرين على أداء المهام التي تنطوي على كائنات صالحة بيئيا20. إنها أداة واعدة لتقييم USN. تسمح القدرة على التحكم بدقة في ما يراه المستخدم ويسمعه للمطورين بتقديم مجموعة واسعة من المهام الافتراضية للمستخدم. بالإضافة إلى ذلك، تسمح حزم الأجهزة والبرامج المتطورة المتاحة حاليا بجمع ثروة من البيانات في الوقت الفعلي حول تصرفات المستخدم، بما في ذلك حركات العين والرأس والأطراف، وهو ما يتجاوز بكثير المقاييس التي توفرها الاختبارات التشخيصية التقليدية21. تتوفر تدفقات البيانات هذه على الفور ، مما يفتح إمكانية تعديل المهام التشخيصية في الوقت الفعلي بناء على أداء المستخدم (على سبيل المثال استهداف مستوى الصعوبة المثالي لمهمة معينة). يمكن لهذه الميزة تسهيل تكييف المهام مع مجموعة واسعة من الشدة التي شوهدت في USN ، والتي تعتبر أولوية في تطوير أدوات تشخيصية جديدة ل USN22. بالإضافة إلى ذلك ، قد تفرض مهام الواقع الافتراضي الغامرة عبئا متزايدا على موارد انتباه المرضى23,24 ، مما يؤدي إلى زيادة الأخطاء التي يمكن أن تسهل الكشف عن أعراض الإهمال ؛ في الواقع ، ثبت أن بعض مهام الواقع الافتراضي قد زادت من الحساسية عند مقارنتها بالتدابير التقليدية للورق والقلم الرصاص من USN24,25.
في هذه الدراسة ، كان الهدف هو إنشاء أداة تقييم لا تتطلب أي خبرة في علم الأعصاب للعمل ويمكنها اكتشاف وتوصيف الحالات الدقيقة من USN بشكل موثوق. لقد بنينا مهمة قائمة على الواقع الافتراضي تشبه اللعبة. ثم قمنا بتحريض متلازمة تشبه USN في الأشخاص الأصحاء مع التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) ، وهي تقنية تحفيز دماغية غير جراحية تستخدم النبضات الكهرومغناطيسية المنبعثة من ملف التحفيز المحمول باليد ، والتي تمر عبر فروة الرأس والجمجمة للموضوع وتحفز التيارات الكهربائية في دماغ الشخص الذي يحفز الخلايا العصبية26,27. تم استخدام هذه التقنية في دراسة USN من قبل الآخرين13،17،28،29،30 ، على الرغم من أننا على حد علمنا لم يتم ذلك أبدا بالاقتران مع أداة تقييم قائمة على الواقع الافتراضي.
يعمل العديد من الباحثين بالفعل على التطبيقات التشخيصية والعلاجية لأنظمة الواقع الافتراضي. استكشفت المراجعات الأخيرة31,32 عددا من المشاريع التي تهدف إلى تقييم USN باستخدام التقنيات القائمة على الواقع الافتراضي ، وتم نشر عدد من الدراسات الأخرى التي تهدف إلى تحقيق هذا الهدف33,34,35,36,37,38,39,40,41 . لا تستخدم غالبية هذه الدراسات المجموعة الكاملة من تقنية الواقع الافتراضي المتاحة حاليا للسوق الاستهلاكية (على سبيل المثال ، شاشة مثبتة على الرأس (HMD) وإدراج تتبع العين) ، مما يحد من مجموعات البيانات الخاصة بهم إلى عدد أقل من المقاييس القابلة للقياس الكمي بسهولة. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء جميع هذه الدراسات على المرضى الذين يعانون من إصابات دماغية مكتسبة تؤدي إلى USN ، مما يتطلب طرق فحص للتأكد من أن المرضى يمكنهم على الأقل المشاركة في مهام التقييم (على سبيل المثال ، باستثناء المرضى الذين يعانون من عجز كبير في المجال البصري أو ضعف إدراكي). من الممكن أن يكون العجز المعرفي أو الحركي أو البصري الأكثر دقة قد مر تحت عتبة طرق الفحص هذه ، مما قد يربك نتائج هذه الدراسات. من الممكن أيضا أن يكون هذا الفحص منحازا لعينات المشاركين في هذه الدراسات نحو نوع فرعي معين من USN.
لتجنب تحيزات الفحص في الدراسات السابقة ، قمنا بتجنيد أشخاص أصحاء ومحاكاة أعراض USN بشكل مصطنع باستخدام بروتوكول TMS قياسي تم وصفه جيدا في مخطوطة حديثة15 ، بهدف تحفيز أعراض تشبه USN المتمركزة حول الولايات المتحدة من خلال استهداف STG والأعراض الأنانية الشبيهة ب USN من خلال استهداف SMG. لقد صممنا المهمة لضبط تجربة الصعوبة الخاصة بها بنشاط إلى تجربة والتمييز بين الأنواع الفرعية المختلفة من USN ، وتحديدا الأعراض المتمركزة حول الألوسنت مقابل الأعراض الأنانية. استخدمنا أيضا تقييمات الورق والقلم الرصاص القياسية ل USN لإثبات رسميا أن العجز الذي أحدثناه مع rTMS يشبه USN. نعتقد أن هذه الطريقة ستكون مفيدة للباحثين الآخرين الذين يرغبون في اختبار أدوات VR جديدة لتقييم وإعادة تأهيل USN.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد نجحنا في تحفيز وقياس أعراض USN باستخدام TMS و VR ، على التوالي. على الرغم من أننا لم نحصل على نتائج مهمة عند مقارنتها بالتجارب الصورية ، إلا أننا تمكنا من مقارنة مقاييس متعددة للإهمال الأناني (متوسط زاوية الرأس ، والوقت المستغرق في النظر إلى الزهور في أي من نصف الفضاء) والإهمال المتمركز حول …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل صندوق أبحاث الجامعة (URF) من جامعة بنسلفانيا ، والمنح الدراسية للطلاب التابعة لجمعية القلب الأمريكية في الأمراض الدماغية الوعائية والسكتة الدماغية. شكر خاص للباحثين والأطباء وموظفي مختبر الإدراك والتحفيز العصبي على دعمهم المستمر.
Materials
| AirFilm Coil (AFC) Rapid Version | Magstim | N/A | Air-cooled TMS coil |
| Alienware 17 R4 Laptop | Dell | N/A | NVIDIA GeForce GTX 1060 (full specs at https://topics-cdn.dell.com/pdf/alienware-17-laptop_users-guide_en-us.pdf) |
| BrainSight 2.0 TMS Neuronavigation Software | Rogue Research Inc | N/A | TMS neural targeting software |
| CED 1902 Isolated pre-amplifier | Cambridge Electronic Design Limted | N/A | EMG pre-amplifier |
| CED Micro 401 mkII | Cambridge Electronic Design Limted | N/A | Multi-channel waveform data acquisition unit |
| CED Signal 5 | Cambridge Electronic Design Limted | N/A | Sweep-based data acquisition and analysis software. Used to measure TMS evoked motor responses. |
| HTC Vive Binocular Add-on | Pupil Labs | N/A | HTC Vive, Vive Pro, or Vive Cosmos eye tracking add-on with 2 x 200Hz eye cameras. |
| Magstim D70 Remote Coil | Magstim | N/A | Hand-held TMS coil |
| Magstim Super Rapid 2 plus 1 | Magstim | N/A | Transcranial Magnetic Stimulation Unit |
| Unity 2018 | Unity | N/A | cross-platform VR game engine |
| Vive Pro | HTC Vive | N/A | VR hardware system with external motion sensors; 1440×1600 pixels per eye, 90 Hz refresh rate, 110° FoV |
References
- Heilman, K. M., Bowers, D., Coslett, H. B., Whelan, H., Watson, R. T. Directional Hypokinesia: Prolonged Reaction Times for Leftward Movements in Patients with Right Hemisphere Lesions and Neglect. Neurology. 35 (6), 855-859 (1985).
- Paolucci, S., Antonucci, G., Grasso, M. G., Pizzamiglio, L. The Role of Unilateral Spatial Neglect in Rehabilitation of Right Brain-Damaged Ischemic Stroke Patients: A Matched Comparison. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 82 (6), 743-749 (2001).
- Ringman, J. M., Saver, J. L., Woolson, R. F., Clarke, W. R., Adams, H. P. Frequency, Risk Factors, Anatomy, and Course of Unilateral Neglect in an Acute Stroke Cohort. Neurology. 63 (3), 468-474 (2004).
- Jutai, J. W., et al. Treatment of visual perceptual disorders post stroke. Topics in Stroke Rehabilitation. 10 (2), 77-106 (2003).
- Buxbaum, L. J., et al. Hemispatial Neglect: Subtypes, Neuroanatomy, and Disability. Neurology. 62 (5), 749-756 (2004).
- Numminen, S., et al. Factors Influencing Quality of Life Six Months after a First-Ever Ischemic Stroke: Focus on Thrombolyzed Patients. Folia Phoniatrica et Logopaedica: Official Organ of the International Association of Logopedics and Phoniatrics (IALP). 68 (2), 86-91 (2016).
- Ladavas, E. Is the Hemispatial Deficit Produced by Right Parietal Lobe Damage Associated with Retinal or Gravitational Coordinates. Brain: A Journal of Neurology. 110 (1), 167-180 (1987).
- Ota, H., Fujii, T., Suzuki, K., Fukatsu, R., Yamadori, A. Dissociation of Body-Centered and Stimulus-Centered Representations in Unilateral Neglect. Neurology. 57 (11), 2064-2069 (2001).
- Neggers, S. F., Vander Lubbe, R. H., Ramsey, N. F., Postma, A. Interactions between ego- and allocentric neuronal representations of space. Neuroimage. 31 (1), 320-331 (2006).
- Adair, J. C., Barrett, A. M. Spatial Neglect: Clinical and Neuroscience Review: A Wealth of Information on the Poverty of Spatial Attention. Annals of the New York Academy of Sciences. 1142, 21-43 (2008).
- Corbetta, M., Shulman, G. L. Spatial neglect and attention networks. Annual Review of Neuroscience. 34, 569-599 (2011).
- Marshall, J. C., Fink, G. R., Halligan, P. W., Vallar, G. Spatial awareness: a function of the posterior parietal lobe. Cortex. 38 (2), 253-260 (2002).
- Ellison, A., Schindler, I., Pattison, L. L., Milner, A. D. An exploration of the role of the superior temporal gyrus in visual search and spatial perception using TMS. Brain. (10), 2307-2315 (2004).
- Vallar, G., Calzolari, E., Vallar, G., Coslett, H. B. Unilateral spatial neglect after posterior parietal damage. Handb Clin Neurol; Theparietal lobe. , 287-312 (2018).
- Shah-Basak, P. P., Chen, P., Caulfield, K., Medina, J., Hamilton, R. H. The Role of the Right Superior Temporal Gyrus in Stimulus-Centered Spatial Processing. Neuropsychologia. 113, 6-13 (2018).
- Verdon, V., Schwartz, S., Lovblad, K. O., Hauert, C. A., Vuilleumier, P. Neuroanatomy of hemispatial neglect and its functional components: a study using voxel-based lesion-symptom mapping. Brain. 133 (3), 880-894 (2010).
- Ghacibeh, G. A., Shenker, J. I., Winter, K. H., Triggs, W. J., Heilman, K. M. Dissociation of Neglect Subtypes with Transcranial Magnetic Stimulation. Neurology. 69 (11), 1122-1127 (2007).
- Chaudhari, A., Pigott, K., Barrett, A. M. Midline Body Actions and Leftward Spatial ‘Aiming’ in Patients with Spatial Neglect. Frontiers in Human Neuroscience. 9, 393 (2015).
- Rizzo, A. A., et al. Design and Development of Virtual Reality Based Perceptual-Motor Rehabilitation Scenarios. The 26th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , (2004).
- Steinicke, F. . Being Really Virtual Immersive Natives and the Future of Virtual Reality. , (2018).
- Tsirlin, I., Dupierrix, E., Chokron, S., Coquillart, S., Ohlmann, T. Uses of Virtual Reality for Diagnosis, Rehabilitation and Study of Unilateral Spatial Neglect: Review and Analysis. CyberPsychology & Behavior. 12 (2), 175-181 (2009).
- Barrett, A. M., et al. Cognitive Rehabilitation Interventions for Neglect and Related Disorders: Moving from Bench to Bedside in Stroke Patients. Journal of Cognitive Neuroscience. 18 (7), 1223-1236 (2006).
- Ricci, R., et al. Effects of attentional and cognitive variables on unilateral spatial neglect. Neuropsychologia. 92, 158-166 (2016).
- Bonato, M. Neglect and Extinction Depend Greatly on Task Demands: A Review. Frontiers in Human Neuroscience. 6, 195 (2012).
- Grattan, E. S., Woodbury, M. L. Do Neglect Assessments Detect Neglect Differently. American Journal of Occupational Therapy. 71, 3 (2017).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety of TMS Consensus Group. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology. 120 (12), 2008-2039 (2009).
- Pascual-Leone, A., Walsh, V., Rothwell, J. Transcranial Magnetic Stimulation in Cognitive Neuroscience – Lesion, Chronometry, and Functional Connectivity. Current Opinion in Neurobiology. 10 (2), 232-237 (2000).
- Oliveri, M., et al. Interhemispheric Asymmetries in the Perception of Unimanual and Bimanual Cutaneous Stimuli. Brain. 122 (9), 1721-1729 (1999).
- Salatino, A., et al. Transcranial Magnetic Stimulation of Posterior Parietal Cortex Modulates Line-Length Estimation but Not Illusory Depth Perception. Frontiers in Psychology. 10, (2019).
- Oliveri, M., Vallar, G. Parietal versus temporal lobe components in spatial cognition: Setting the mid-point of a horizontal line. Journal of Neuropsychology. 3, 201-211 (2009).
- Ogourtsova, T., Souza Silva, W., Archambault, P. S., Lamontagne, A. Virtual Reality Treatment and Assessments for Post-Stroke Unilateral Spatial Neglect: A Systematic Literature Review. Neuropsychological Rehabilitation. 27 (3), 409-454 (2017).
- Pedroli, E., Serino, S., Cipresso, P., Pallavicini, F., Riva, G. Assessment and rehabilitation of neglect using virtual reality: a systematic review. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 9, 226 (2015).
- Peskine, A., et al. Virtual reality assessment for visuospatial neglect: importance of a dynamic task. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 82 (12), 1407-1409 (2011).
- Mesa-Gresa, P., et al. Clinical Validation of a Virtual Environment Test for Safe Street Crossing in the Assessment of Acquired Brain Injury Patients with and without Neglect. Human-Computer Interaction – INTERACT 2011 Lecture Notes in Computer Science. , 44-51 (2011).
- Aravind, G., Lamontagne, A. Perceptual and Locomotor Factors Affect Obstacle Avoidance in Persons with Visuospatial Neglect. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 11 (1), 8 (2014).
- Pallavicini, F., et al. Assessing Unilateral Spatial Neglect Using Advanced Technologies: The Potentiality of Mobile Virtual Reality. Technology and Health Care. 23 (6), 795-807 (2015).
- Glize, B., et al. Improvement of Navigation and Representation in Virtual Reality after Prism Adaptation in Neglect Patients. Frontiers in Psychology. 8, (2017).
- Yasuda, K., Muroi, D., Ohira, M., Iwata, H. Validation of an Immersive Virtual Reality System for Training near and Far Space Neglect in Individuals with Stroke: a Pilot Study. Topics in Stroke Rehabilitation. 24 (7), 533-538 (2017).
- Spreij, L. A., Ten Brink, A. F., Visser-Meily, J. M. A., Nijboer, T. C. W. Simulated Driving: The Added Value of Dynamic Testing in the Assessment of Visuo-Spatial Neglect after Stroke. Journal of Neuropsychology. 31, (2018).
- Ogourtsova, T., Archambault, P. S., Lamontagne, A. Post-Stroke Unilateral Spatial Neglect: Virtual Reality-Based Navigation and Detection Tasks Reveal Lateralized and Non-Lateralized Deficits in Tasks of Varying Perceptual and Cognitive Demands. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 15, 1 (2018).
- Ogourtsova, T., Archambault, P., Sangani, S., Lamontagne, A. Ecological Virtual Reality Evaluation of Neglect Symptoms (EVENS), Effects of Virtual Scene Complexity in the Assessment of Poststroke Unilateral Spatial Neglect. Neurorehabilitation and Neural Repair. 32 (1), 46-61 (2018).
- Ricci, R., Chatterjee, A. Context and crossover in unilateral neglect. Neuropsychologia. 39 (11), 1138-1143 (2001).
- Karnath, H. O., Ferber, S., Himmelbach, M. Spatial awareness is a function of the temporal not the posterior parietal lobe. Nature. 411, 950-953 (2001).
- Spicer, R., Anglin, J., Krum, D. M., Liew, S. REINVENT: A low-cost, virtual reality brain-computer interface for severe stroke upper limb motor recovery. 2017 IEEE Virtual Reality (VR). , 385-386 (2017).
- Vourvopoulos, A., et al. Effects of a Brain-Computer Interface With Virtual Reality (VR) Neurofeedback: A Pilot Study in Chronic Stroke Patients. Frontiers in Human Neuroscience. 13, 210 (2019).
- Gammeri, R., Iacono, C., Ricci, R., Salatino, A. Unilateral Spatial Neglect After Stroke: Current Insights. Neuropsychiatric Disease and Treatment. 16, 131-152 (2020).
