Summary
In diesem Artikel beschreiben wir die Methoden, Verfahren und Technologien, die erforderlich sind, um vestibuläre Wahrnehmungsschwellen mit einer Bewegungsplattform mit sechs Freiheitsgraden zu schätzen.
Abstract
Vestibuläre Wahrnehmungsschwellen beziehen sich auf die Bewegungsintensität, die erforderlich ist, um es einem Teilnehmer zu ermöglichen, eine Bewegung basierend auf vestibulärem Input zu erkennen oder zu unterscheiden. Unter Verwendung passiver Bewegungsprofile, die von sechs Bewegungsgradplattformen bereitgestellt werden, können vestibuläre Wahrnehmungsschwellen für jede Art von Bewegung geschätzt werden und damit auf jede der Unterkomponenten des vestibulären Endorgans abzielen. Die Beurteilung vestibulärer Schwellenwerte ist klinisch relevant, da sie diagnostische Instrumente wie die Kalorienspülung, den Kopfimpulstest (HIT) oder vestibuläre evozierte myogene Potenziale (VEMPs) ergänzen, die nur Informationen über Teilkomponenten des vestibulären Systems liefern, aber keine von ihnen die Bewertung aller Komponenten ermöglicht. Es gibt mehrere Methoden mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen zur Abschätzung vestibulärer Wahrnehmungsschwellen. In diesem Artikel stellen wir ein Protokoll vor, das einen adaptiven Treppenalgorithmus und sinusförmige Bewegungsprofile für ein effizientes Schätzverfahren verwendet. Adaptive Treppenalgorithmen berücksichtigen die Reaktionshistorie, um die Spitzengeschwindigkeit der nächsten Reize zu bestimmen, und sind die am häufigsten verwendeten Algorithmen im vestibulären Bereich. Wir diskutieren weiter den Einfluss der Bewegungsfrequenz auf vestibuläre Wahrnehmungsschwellen.
Introduction
Das menschliche vestibuläre Endorgan besteht aus fünf Komponenten, die jeweils für die Detektion einer bestimmten Komponente des natürlichen Bewegungsspektrums optimiert sind. Die drei halbkreisförmigen Kanäle sind annähernd orthogonal zueinander ausgerichtet, wodurch sie Kopfdrehungen um drei Achsen erkennen können. Die Kanäle werden von zwei Makulaorganen zur Registrierung von Translationsbeschleunigungen entlang der vertikalen Achse oder in der horizontalen Ebene1 begleitet. Ein funktioneller Rückgang oder Verlust in jeder der fünf Komponenten kann zu schweren Symptomen wie Schwindel, Schwindel, Ungleichgewicht und einem erhöhten Sturzrisiko führen2. Die objektive Beurteilung der Funktion aller Komponenten separat ist jedoch eine mühsame Aufgabe und erfordert mehrere Bewertungen3. Zum Beispiel wird der Zustand des horizontalen Kanals typischerweise durch Kalorienbewässerung und den Kopfimpulstest (HIT) beurteilt. Der aktuelle Goldstandard für die Beurteilung der Makulaorgane ist vestibulär evozierte myogene Potenziale (VEMPs). Durch die Kombination mehrerer Bewertungen erhalten Kliniker ein vollständigeres Bild des vestibulären Zustands, aus dem sie Diagnose- und Behandlungsmöglichkeiten ableiten können.
Ein vielversprechender Ansatz zur Quantifizierung der vestibulären Leistung sind vestibuläre Wahrnehmungsschwellen, die ein objektives, quantitatives Maß für die niedrigste Eigenbewegungsintensität liefern, die von einem Teilnehmer zuverlässig erkannt oder diskriminiert werden kann. Obwohl Wahrnehmungsschwellenverfahren in einigen klinischen Disziplinen (z. B. Audiologie) gut etabliert sind, werden perzeptuelle vestibuläre Schwellenwerte noch nicht für diagnostische Zwecke im vestibulären Bereich4 verwendet. Ein Grund dafür ist die fehlende Verfügbarkeit von Bewegungsplattformen und einfach zu bedienender Software. Prinzipiell können Bewegungsplattformen und Drehstühle zur Schwellenwertschätzung verwendet werden. Während sich jedoch Bewegungsplattformen mit sechs Freiheitsgraden (6DOF) zur Abschätzung von Schwellenwerten für verschiedene Bewegungsprofile eignen, die die Untersuchung aller fünf Teilkomponenten des Vestibularorgans ermöglichen, können Drehstühle nur für den Zugriff auf Rotationen in der horizontalen (Gähne) Ebene 1,4 verwendet werden.
Vestibuläre Schwellenwerte werden typischerweise für Translationen entlang der drei Hauptachsen (naso-occipital, inter-aural, head-vertical) und für Rotationen um sie herum (Gieren, Nicken, Rollen) geschätzt, wie in Abbildung 1 dargestellt. Vestibuläre Wahrnehmungsschwellen hängen auch von der Reizfrequenzab 5. Um dies zu berücksichtigen, werden am häufigsten Bewegungsprofile mit einem sinusförmigen Beschleunigungsprofil, bestehend aus einer einzigen Frequenz, für die Schwellenwertschätzung verwendet, aber in der Vergangenheit wurden auch andere Profile 6,7,8 verwendet.
Vestibuläre Wahrnehmungsschwellen bieten ein Werkzeug zur Untersuchung der Interaktion zwischen vestibulärer Empfindung und höheren kognitiven Prozessen. Schwellenwerte ergänzen daher klinische Bewertungen wie HIT, kalorische Spülung und vestibulär evozierte Potenziale, die auf Mechanismen (Reflexbögen) beruhen, die den Kortex umgehen. Darüber hinaus bewerten vestibuläre Wahrnehmungsschwellen, die auf einer Bewegungsplattform geschätzt werden, die vestibuläre Funktion in einer ökologisch gültigen Umgebung9, anstatt künstliche Stimulation zu verwenden, die multisensorische Konflikte einführt1.
Aufgrund der bidirektionalen Natur vestibulärer Stimuli10 ist es üblich, vestibuläre Diskriminierung anstelle von Nachweisschwellen zu schätzen4. Während einer Diskriminierungsaufgabe nimmt der Teilnehmer einen Reiz wahr und muss entscheiden, zu welcher Kategorie er gehört. Zum Beispiel müssen die Teilnehmer entscheiden, in welche Richtung sie bewegt werden (z.B. links/rechts). Der theoretische Rahmen für die Schwellenwertschätzung ist die Signaldetektionstheorie10,11. Diskriminierungsschwellen können mit verschiedenen Ansätzen abgeschätzt werden, aber im vestibulären Bereich sind adaptive Treppenverfahren der Standard. Bei einem adaptiven Treppenverfahren hängt die Intensität, typischerweise die Spitzengeschwindigkeit, der nachfolgenden Bewegung von der Reaktion der Teilnehmer (richtig/falsch) auf den letzten Reiz / die letzten Reize ab. Adaptive Treppenverfahren können auf viele Arten implementiert werden12, aber der am häufigsten verwendete Algorithmus in der vestibulären Forschung sind x-down/y-up-Verfahren mit festen Schrittgrößen. Zum Beispiel wird in einer Drei-unten-/Eins-oben-Treppe die Reizintensität reduziert, nachdem der Teilnehmer in drei aufeinanderfolgenden Versuchen richtige Antworten gegeben hat, aber die Intensität wird erhöht, wenn eine falsche Antwort gegeben wurde (Abbildung 2). Die genaue Auswahl von x und y in einer x-down/y-up-Treppe ermöglicht es, unterschiedliche Schwellenwerte (Prozentsatz der richtigen Antworten) anzuvisieren13. Eine Drei-Ab-/Eins-oben-Treppe zielt auf die Intensität ab, bei der die Teilnehmer in 79,4% der Studien richtig ansprechen. Neben adaptiven Treppenverfahren haben andere Studien14 vordefinierte, feste Intensitäten für Schwellenwertschätzungen verwendet. Die Verwendung fester Intensitäten ermöglicht die Schätzung der gesamten psychometrischen Funktion, die viel mehr Informationen enthält als ein einzelner Schwellenwert. Verfahren mit fester Intensität sind jedoch zeitaufwendig und weniger effizient, wenn nur ein bestimmter Schwellenwert von Interesse ist.
Dieser Artikel beschreibt ein Protokoll zur Schätzung vestibulärer Erkennungsschwellen mit einer 6DOF-Bewegungsplattform und einem adaptiven Treppenverfahren.
Protocol
Alle für dieses Manuskript verwendeten Daten wurden nach Einverständniserklärung der Teilnehmer und im Einklang mit der ethischen Genehmigung der Humanwissenschaftlichen Fakultät der Universität Bern [2020-04-00004] erfasst.
1. Materialien
- Um vestibuläre Wahrnehmungsschwellen abzuschätzen, stellen Sie sicher, dass Zugang zu einer Bewegungsplattform oder einem Drehstuhl besteht.
- Stellen Sie sicher, dass eine Steuerungssoftware zur Programmierung der Bewegungsprofile und zur Anbindung der Bewegungsplattform vorhanden ist.
HINWEIS: PlatformCommander15,16, ein Open-Source-Softwarepaket zur Anbindung der Bewegungsplattform, wurde in dieser Studie verwendet. PlatformCommander ermöglicht die Definition sinusförmiger Beschleunigungsprofile, die häufig zur Schätzung vestibulärer Schwellenwerte verwendet werden. - Stellen Sie sicher, dass ein Antwortgerät, z. B. ein Gamecontroller, vorhanden ist, um die Antworten der Teilnehmer zu registrieren.
- Bewegungsplattformen erzeugen Lärm, der mit der Bewegungsintensität korreliert. Die Teilnehmer können dieses Hörgeräusch als zusätzliche, unbeabsichtigte Informationsquelle bei der Abschätzung vestibulärer Wahrnehmungsschwellen nutzen. Um den Klang der Plattform zu maskieren, präsentieren Sie den Teilnehmern während jedes Versuchs weißes Rauschen über geräuschunterdrückende Kopfhörer.
- Verbinden Sie den Teilnehmern die Augen, um den Einfluss visueller Bewegungshinweise zu eliminieren.
- Entscheiden Sie, welcher Schätzalgorithmus verwendet werden soll und definieren Sie die entsprechenden Parameter. Wenn ein Treppenansatz verwendet wird, definieren Sie den Startpunkt, die Schrittgröße, die Aktualisierung und die Abschlussregeln. Wenn der Benutzer nicht weiß, welche Werte er wählen soll, führen Sie Pilotmessungen durch oder konsultieren Sie die Literatur. Standardwerte werden durch die online verfügbaren Beispielskripte bereitgestellt (https://gitlab.com/dr_e/2022-jovedemo).
HINWEIS: Der Startpunkt definiert die Spitzengeschwindigkeit der Plattform im ersten Versuch. Bestimmung geeigneter Anlaufgeschwindigkeiten durch Pilotversuche oder durch Konsultieren der Schwellenliteratur (für Gierschwellen siehe Grabherr et al.5). Die Schrittweite beschreibt, wie stark sich die Intensität zwischen den Versuchen ändert. Die Up-Date-Regel beschreibt, ob und wie sich die Stimulationsintensität aufgrund der Reaktionen der Teilnehmer ändert. Im vestibulären Bereich ist ein Drei-Down- / One-Up-Treppenverfahren üblich. Dies bedeutet, dass die Intensität nach drei aufeinanderfolgenden richtigen Antworten verringert, aber nach jeder falschen Antwort erhöht wird. Die Abbruchkriterien werden in der Regel entweder durch eine feste Anzahl von Versuchen oder die Anzahl der Intensitätsumkehrungen definiert. Intensitätsumkehrungen sind Versuche, in denen die Reaktion eine Intensitätszunahme nach einer oder mehreren Intensitätsabnahmen verursacht oder umgekehrt. Das bereitgestellte Skript verfolgt die Stornierungen, beendet die Prozedur und berechnet automatisch den endgültigen Schwellenwert. - Entscheiden Sie, für welche Häufigkeit der Schwellenwert geschätzt werden muss. In der Demonstration wurde 1 Hz verwendet.
HINWEIS: Vestibuläre Schwellenwerte werden typischerweise für Frequenzen zwischen 0,1 und 5 Hz untersucht, und es ist bekannt, dass die Schwellenwerte mit zunehmender Stimulationsfrequenz abnehmen3. - Entscheiden Sie, für welche Art von Bewegung der Schwellenwert geschätzt werden muss. In der Demonstration werden Gierrotationen durchgeführt.
HINWEIS: Schwellenwerte für Übersetzungen und Rotationen können geschätzt werden. Schwellenwerte werden am häufigsten für die drei Hauptachsen (Naso-Okzipital, inter-akustisch, Kopf-vertikal) und die Rotationen um sie herum (Rollen, Nicken, Gieren) geschätzt. Das bereitgestellte Skript schätzt jeweils nur eine definierte Bewegung (Richtung, Frequenz). Zur Schätzung mehrerer Schwellenwerte kann das Skript jedoch mit denselben oder unterschiedlichen Bewegungsparametern (Richtung, Frequenz, Drehachsen) erneut ausgeführt werden. - Beginnen Sie jedes Schwellenwertschätzungsverfahren mit einem Training, so dass sich der Teilnehmer mit der Aufgabe vertraut machen kann. Verwenden Sie dazu das online verfügbare Skript "threshold-training.jl" (siehe Schritt 1.6).
HINWEIS: Das Trainingsskript präsentiert eine Reihe von überschwelligen Bewegungsreizen. Das Testskript steuert automatisch den Schätzvorgang, übernimmt die Aktualisierung des Treppenalgorithmus, die Reizintensität, die Darstellung des Bewegungsreizes, die Darstellung des auditiven weißen Rauschens bei jedem Bewegungsreiz sowie die Protokollierung aller relevanten Daten. Stellen Sie während des Trainings sicher, dass der Teilnehmer die Aufgabe versteht und geben Sie Anleitung bei Unsicherheiten.
2. Anweisungen
- Erklären Sie dem Teilnehmer das experimentelle Verfahren und holen Sie die Einwilligung nach Aufklärung ein.
- Setzen Sie den Teilnehmer auf den Stuhl, der auf der Bewegungsplattform montiert ist.
- Sichern Sie den Teilnehmer mit Sicherheitsgurten.
- Geben Sie dem Teilnehmer die Antwortschaltflächen und erklären Sie, wie die Schlüssel den Antworten zugewiesen werden.
- Verbinden Sie dem Teilnehmer die Augen. Positionieren Sie die Kopfhörer auf dem Kopf des Teilnehmers.
- Wenden Sie eine richtige Kopffixierung an.
- Schalten Sie die Bewegungsplattform mit dem Haupt-, Batterie- und Controllerschalter ein.
- Stellen Sie sicher, dass der Bereich um die Plattform herum frei ist und sich während des Tests keine Personen der beweglichen Plattform nähern können.
- Starten Sie das Skript für die Trainingsprozedur, indem Sie julia threshold-training.jl in die Befehlszeile eingeben.
- Informieren Sie den Teilnehmer über das Engagement der Bewegungsplattform.
- Stellen Sie eine erfolgreiche Initialisierung der Sitzung sicher, indem Sie den Status überprüfen, der in der GUI der Serversoftware (PlatformCommander) angezeigt wird. Nach erfolgreicher Initialisierung wechselt die Statusanzeige von Sitzung nicht im Gange zu Kurze Sequenz. Außerdem werden die IP-Adresse des verbundenen Clients und die Uhrzeit angezeigt, zu der die Sitzung initialisiert wurde. Wenn die Sitzung nach einigen Sekunden nicht erfolgreich initialisiert wird, überprüfen Sie die Netzwerkverbindung zwischen dem Client und dem Server. Stellen Sie sicher, dass die Bewegungsplattform eingeschaltet und die Steuerung angeschlossen ist.
- Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer die Aufgabe versteht, weisen Sie auf Fehler des Teilnehmers hin (z. B. wenn er die falschen Knöpfe drückt) und beantworten Sie mögliche Fragen, die der Teilnehmer haben könnte.
- Informieren Sie den Teilnehmer, dass der Schulungsvorgang abgeschlossen ist und der Schätzvorgang beginnt.
- Starten Sie das Schätzprozedurskript, indem Sie julia threshold-test.jl in die Befehlszeile eingeben.
- Überwachen Sie das vollautomatische Schätzverfahren, bis die Abbruchkriterien erreicht sind.
- Wiederholen Sie den Vorgang ab Schritt 2.13 mit verschiedenen Stimuli oder beenden Sie den Vorgang.
- Parken Sie die Bewegungsplattform.
- Entfernen Sie die Kopffixierung, Kopfhörer, Blinder und Knöpfe und lassen Sie den Teilnehmer absteigen.
- Informieren Sie den Teilnehmer über das Verfahren und fragen Sie ihn nach seinen Erfahrungen, um weitere Experimente zu verbessern.
HINWEIS: Das Verfahren kann jederzeit pausiert und dann neu gestartet werden, vorzugsweise nicht während der Schwellenwertschätzungsphase (Schritte 2.15-2.17).
Representative Results
Das Ergebnis des beschriebenen Verfahrens ist eine Grafik, die die verwendeten Stimulusintensitäten über Versuche zeigt (Abbildung 2). Die Intensitäten sollten zu einem konstanten Wert konvergieren (Abbildung 2, gestrichelte Linie). Das adaptive Treppenverfahren verknüpft eine Beschleunigungsintensität mit der Bewegungswahrnehmung des Teilnehmers. Der Schwellenwert wird typischerweise vom Testskript (z. B. threshold-test.jl) als Mittelwert aller oder einer Teilmenge der Intensitäten berechnet, die bei Umkehrversuchen dargestellt werden. Eine Weiterverarbeitung des erhaltenen Wertes ist nicht notwendig. Je nach verwendeter Update-Regel können unterschiedliche Punkte auf der psychometrischen Funktion anvisiert werden. Unter Verwendung der Three-Down/One-Up-Regel wird die Intensität geschätzt, mit der der Teilnehmer in 79,4% der Studien die richtige Antwort gibt.
Abbildung 3 zeigt eine fehlgeschlagene Schwellenwertschätzung. Im Beispiel wurden die Abbruchkriterien auf 30 Studien anstelle einer ausreichenden Anzahl von Umkehrungen festgelegt. Aufgrund des frühen Fehlers (Versuch 11) ergaben die Schätzverfahren eine schlechte Schwellenschätzung, was sich daran erkennen lässt, dass die Treppe nicht zu einem Wert konvergierte, sondern bis zum Ende eine monotone Abnahme behielt.
Abbildung 1: Visualisierung der Hauptachsen und Ebenen. Die visualisierten Achsen und Ebenen werden typischerweise verwendet, um Bewegungen im Zusammenhang mit Kopfbewegungen zu beschreiben. Vestibuläre Wahrnehmungsschwellen werden am häufigsten für die Naso-Okzipital- (NO), inter-aurale (IA) und kopfvertikale (HV) Achse und für Rotationen um sie herum geschätzt, die als Gieren-, Nick- oder Rollrotationen bezeichnet werden. Die Figur wurde anhand eines frei verfügbaren 3D-Kopfmodells17 erstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Visualisierung eines Drei-ab-/Eins-auf-Treppenverfahrens. Intensitätsumkehrungen werden rot dargestellt. Dreiecke, die nach oben zeigen, stellen Versuche mit korrekten Antworten dar, und Dreiecke, die nach unten zeigen, stellen Versuche mit falschen Antworten dar. Die gestrichelte Linie stellt den geschätzten Schwellenwert dar, der als Mittelwert aller acht Umkehrintensitäten berechnet wurde. Zu Beginn folgt die Update-Regel einem One-Down-Muster bis zur ersten Umkehrung (Versuch 6). Dies ermöglicht eine effizientere Schwellenwertschätzung, insbesondere in Fällen, in denen die Startintensität im Vergleich zum unbekannten Schwellenwert groß ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Visualisierung einer fehlgeschlagenen Schwellenwertschätzung. Aufgrund der Abbruchkriterien (30 Versuche) und einer gewählten Startintensität, die relativ weit von der wahren Schwelle entfernt war, konvergierte die Treppenfunktion nicht. Eine schnellere Annäherung an die wahre Schwelle wird durch eine frühe, falsche Reaktion behindert (Versuch 11). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Discussion
Das vorgestellte Protokoll ermöglicht eine zuverlässige und effiziente Abschätzung vestibulärer Wahrnehmungsschwellen. Das Protokoll eignet sich zur Schwellwertschätzung entlang und um beliebige Achsen und kann für alle relevanten Reizfrequenzen (z.B. 0,1-5 Hz) angewendet werden. Obwohl wir Daten unter Verwendung eines standardmäßigen adaptiven Drei-Ab-/Eins-auf-Treppenverfahrens präsentieren, kann das Protokoll auch für andere, effizientere Schätzverfahren12 verwendet werden, einschließlich fester Intensität, transformierter/gewichteter Up/Down- oder Bayes'scher (z. B. Quest18) Ansätze. Eine erschöpfende Diskussion der verfügbaren Algorithmen würde den Rahmen des vorgestellten Manuskripts sprengen, aber ein ausgezeichneter Vergleich von Theorie, Simulationen und tatsächlichen Daten kann an anderer Stelle gefundenwerden 19. Effiziente Schätzverfahren sind von großer Relevanz im klinischen Kontext, wo die Zeit begrenzt ist und derzeit Forschung zu schnelleren Bewertungen durchgeführt wird19,20.
Ein vielversprechendes Forschungsgebiet ist die Identifikation bestimmter Bewegungsprofile und anderer klinisch relevanter Parameter wie Balance 2,21. Diese Forschungslinie ist wichtig, da sie Hinweise darauf gibt, welche Achsen und Frequenzen für klinisch relevantes Verhalten und Ereignisse, wie z. B. das Sturzrisiko, am besten vorhersagbar sind, wodurch der Suchraum in einem klinischen Kontext reduziert wird.
Sobald die Geräte und die Software verfügbar sind und wie vorgesehen funktionieren, sind zwei Faktoren für eine zuverlässige Schwellenwertschätzung entscheidend. Zunächst muss der Experimentator sicherstellen, dass der Teilnehmer die Aufgabe versteht und während des gesamten Verfahrens wachsam bleibt. Für die meisten Stimuli (z. B. alle Übersetzungen) sind die Anweisungen klar und leicht zu befolgen. Bei Nick- und Rolldrehungen kann die Anweisung, mit links oder rechts zu antworten, jedoch mehrdeutig sein, insbesondere wenn sich die Drehachse auf Kopfhöhe befindet. In diesen Fällen drehen sich die Körperteile oberhalb der Rotationsachsen (z. B. Kopf) in die entgegengesetzte Richtung als die Körperteile unterhalb der Rotationsachsen (z. B. Füße). Die Begriffe links/rechts können mehrdeutig sein, und es kann hilfreich sein, die Teilnehmer zu bitten, Bewegungen im oder gegen den Uhrzeigersinn zu klassifizieren. Es ist wichtig zu erklären und zu üben, wie der Teilnehmer die Bewegungsreize beurteilen soll. Eine ausreichende Anzahl von Teststudien ist besonders wichtig, wenn Patienten oder ältere Erwachsene untersucht werden.
Zweitens ist es wichtig, eine ausreichende Anzahl von Versuchen um den Schwellenwert herum zu wählen. Wir empfehlen ein adaptives Abbruchkriterium als Anzahl der Intensitätsumkehrungen anstelle einer festen Anzahl von Versuchen, die von anderen verwendet wurde 7,22. Darüber hinaus kann die Verwendung einer vordefinierten Anzahl von Versuchen ineffizient werden und birgt das Risiko, dass die Treppe nicht zusammenläuft, wenn die Startintensität zu weit von der Schwelle entfernt ist. Im Allgemeinen sind Pilotversuche erforderlich, um angemessene Startintensitäten und Abbruchkriterien auszuwählen.
Treppenalgorithmen zielen darauf ab, einen einzelnen Punkt auf der psychometrischen Funktion23,24 zu schätzen. Daher liefern sie nur begrenzte Informationen, da Antwortverzerrungen und die Steigung der psychometrischen Funktion nicht aus dem geschätzten Schwellenwert abgeleitet werden können. Wenn solche Parameter von Interesse sind, können feste Intensitäten verwendet werden, um über ein größeres Intervall Stichproben zu ziehen, so dass die psychometrische Funktion angepasst werden kann. Obwohl ein solches Verfahren zeitaufwendiger ist, ermöglicht es anspruchsvollere Analysen, die wertvolle Erkenntnisse liefern können14,25. Alternativ können adaptive Steigungsschätzungsalgorithmen verwendet werden13.
Ein wichtiger Aspekt bei der Abschätzung vestibulärer Wahrnehmungsschwellen ist die Minimierung von Hinweisen aus anderen sensorischen Systemen. Um dies zu erreichen, wird das von der Plattform erzeugte Rauschen typischerweise durch weißes Rauschen maskiert. Die Minimierung propriozeptiver oder taktiler Hinweise ist schwieriger1 und kann nur teilweise erreicht werden, da die Beschleunigung eine auf den Körper wirkende Kraft erfordert, die unweigerlich eine extravestibuläre Stimulation induziert. Kissen werden jedoch häufig verwendet, um taktile und propriozeptive Signale zu reduzieren. Ebenso ist die Kopffixierung erforderlich, um eine konstante Orientierung der vestibulären Organe relativ zur Bewegung zu gewährleisten und sicherzustellen, dass das vom Kopf ausgeführte Bewegungsprofil das gleiche ist wie das der Plattform, ohne dass eine Filterung durch den Körper unter uneingeschränkten Bewegungsbedingungen auftritt26.
Zu diesem Zeitpunkt werden vestibuläre Wahrnehmungsschwellen überwiegend in der Grundlagenforschung verwendet. Studien zeigten, dass vestibuläre Schwellenwerte mitdem Alter von 27,28 Jahren zunehmen und von der Richtung 20,28 und der Bewegungsfrequenz 5,29 abhängen. In jüngerer Zeit wurden Wahrnehmungsschwellen verwendet, um den ersten Nachweis des Wahrnehmungslernens im vestibulären Bereich zu dokumentieren14.
Studien, in denen Patienten mit vestibulären Störungen mit gesunden Kontrollen verglichen wurden, zeigten veränderte vestibuläre Wahrnehmungsschwellen im Einklang mit ihrer Pathologie. Zum Beispiel waren die Schwellenwerte bei Patienten mit vestibulärer Insuffizienzerhöht 29,30,31, und eine Tendenz zu reduzierten Schwellenwerten oder sogar eine Überempfindlichkeit wurde bei Patienten mit vestibulärer Migräne gezeigt 31,32. Diese Studien implizieren das Potenzial für klinische Anwendungen, und ein kürzlich veröffentlichter Review4 diskutierte die Anwendbarkeit und Nützlichkeit vestibulärer Wahrnehmungsschwellen in einer klinischen Diagnose. Ein wichtiger Aspekt ist, dass Wahrnehmungsschwellen dem Werkzeugkasten des Arztes einzigartige Eigenschaften verleihen. Die Standardverfahren (HIT, VEMP, kalorische Spülung) verwenden direkte Wege von den vestibulären Endorganen zu den Muskeln der Augen oder des Gebärmutterhalses. Dabei bieten sie nicht die Möglichkeit, die Informationskette zum Neokortex zu untersuchen. Die Schätzung vestibulärer Wahrnehmungsschwellen hingegen beinhaltet kognitive Prozesse, die es ermöglichen, das vestibuläre System aus einem anderen Blickwinkel zu testen, was besonders im Zusammenhang mit anhaltendem postural-perzeptivem Schwindel (PPPD) interessant sein könnte. Ein Manko des vorgestellten Verfahrens ist seine Unfähigkeit, gerichtete Asymmetrien zu erkennen, was von anderen berichtet wurde33.
Vestibuläre Wahrnehmungsschwellen sind auch für die Evaluation und Überwachung von (therapeutischen) Interventionen von Interesse. Viele Studien verwenden das Sturzrisiko als Endpunkt bei der Bewertung der Wirksamkeit der Behandlung. Da jedoch eine Korrelation zwischen vestibulären Schwellenwerten über die Rollachse und Sturzrisiko2 und Leistung bei Gleichgewichtsaufgaben34 nachgewiesen wurde, könnten Schwellenwerte als zuverlässigere abhängige Variable verwendet werden, beispielsweise zur Beurteilung des Ergebnisses35 oder der optimalen Konfiguration von vestibulären Implantaten.
Disclosures
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Wir sind dankbar für die Unterstützung durch Carlo Prelz von der Technologieplattform der Humanwissenschaftlichen Fakultät. Wir danken Noel Strahm für seinen Beitrag zur Treppenumsetzung.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 6-DOF Motion Platform | MOOG | Models 170E122 or 170E131; Nov 12, 1999 | |
| Headphones | Sony | WH-100XM3 | |
| PlatformCommander | University of Bern | does not apply | Open Source control software: https://gitlab.com/KWM-PSY/platform-commander |
| Response Buttons | Logitech | G F310 |
References
- Ertl, M., Boegle, R. Investigating the vestibular system using modern imaging techniques-A review on the available stimulation and imaging methods. Journal of Neuroscience Methods. 326, 108363 (2019).
- Beylergil, S. B., Karmali, F., Wang, W., Bermúdez Rey, M. C., Merfeld, D. M. Vestibular roll tilt thresholds partially mediate age-related effects on balance. Progress in Brain Research. 248, 249-267 (2019).
- Brandt, T., Dieterich, M., Strupp, M. Vertigo and Dizziness. , Springer. London. (2013).
- Kobel, M. J., Wagner, A. R., Merfeld, D. M., Mattingly, J. K. Vestibular thresholds: A review of advances and challenges in clinical applications. Frontiers in Neurology. 12, 643634 (2021).
- Grabherr, L., Nicoucar, K., Mast, F. W., Merfeld, D. M. Vestibular thresholds for yaw rotation about an earth-vertical axis as a function of frequency. Experimental Brain Research. 186 (4), 677-681 (2008).
- Seemungal, B. M., Gunaratne, I. A., Fleming, I. O., Gresty, M. A., Bronstein, A. M. Perceptual and nystagmic thresholds of vestibular function in yaw. Journal of Vestibular Research: Equilibrium and Orientation. 14 (6), 461-466 (2004).
- Gianna, C., Heimbrand, S., Gresty, M. Thresholds for detection of motion direction during passive lateral whole-body acceleration in normal subjects and patients with bilateral loss of labyrinthine function. Brain Research Bulletin. 40 (5-6), 443-447 (1996).
- Soyka, F., Robuffo Giordano, P., Beykirch, K., Bülthoff, H. H. Predicting direction detection thresholds for arbitrary translational acceleration profiles in the horizontal plane. Experimental Brain Research. 209 (1), 95-107 (2011).
- Ertl, M., et al. The cortical spatiotemporal correlate of otolith stimulation: Vestibular evoked potentials by body translations. NeuroImage. 155, 50-59 (2017).
- Merfeld, D. M. Signal detection theory and vestibular thresholds: I. Basic theory and practical considerations. Experimental Brain Research. 210 (3), 389-405 (2011).
- Kay, S. M. Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory. , Prentice-Hall PTR. (1998).
- Kingdom, F. A. A., Prins, N. Psychophysics: A Practical Introduction. , Academic Press. (2016).
- Leek, M. R.
- Klaus, M. P., et al. Roll tilt self-motion direction discrimination training: First evidence for perceptual learning. Attention, Perception & Psychophysics. 82 (4), 1987-1999 (2020).
- Ertl, M., Prelz, C., Fitze, D. C., Wyssen, G., Mast, F. W. PlatformCommander-An open source software for an easy integration of motion platforms in research laboratories. SoftwareX. 17, 100945 (2022).
- Ertl, M., Prelz, C., Fitze, D. C., Wyssen, G., Mast, F. W. Manual PlatformCommander Version 0.9. , (2021).
- Rihs, M., Fitze, D. C., Ertl, M., Wyssen, G., Mast, F. W. 3D Models of 6dof motion. , Available from: https://zenodo.org/record/6035612 (2022).
- Watson, A. B., Pelli, D. G. QUEST: A general multidimensional Bayesian adaptive psychometric method. Perception & Psychophysics. 33 (2), 113-120 (1983).
- Karmali, F., Chaudhuri, S. E., Yi, Y., Merfeld, D. M. Determining thresholds using adaptive procedures and psychometric fits: evaluating efficiency using theory, simulations, and human experiments. Experimental Brain Research. 234 (3), 773-789 (2016).
- Dupuits, B., et al. A new and faster test to assess vestibular perception. Frontiers in Neurology. 10, 707 (2019).
- Karmali, F., Rey, M. C. B., Clark, T. K., Wang, W., Merfeld, D. M. Multivariate analyses of balance test performance,vestibular thresholds, and age. Frontiers in Neurology. 8, 578 (2017).
- Keywan, A., Wuehr, M., Pradhan, C., Jahn, K. Noisy galvanic stimulation improves roll-tilt vestibular perception in healthy subjects. Frontiers in Neurology. 9, 83 (2018).
- Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: I. Fitting, sampling, and goodness of fit. Perception & Psychophysics. 63 (8), 1293-1313 (2001).
- Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: II. Bootstrap-based confidence intervals and sampling. Perception & Psychophysics. 63 (8), 1314-1329 (2001).
- Zupan, L. H., Merfeld, D. M. Interaural self-motion linear velocity thresholds are shifted by roll vection. Experimental Brain Research. 191 (4), 505-511 (2008).
- Carriot, J., Jamali, M., Cullen, K. E., Chacron, M. J. Envelope statistics of self-motion signals experienced by human subjects during everyday activities: Implications for vestibular processing. PLoS ONE. 12 (6), 0178664 (2017).
- Agrawal, Y., et al. Decline in semicircular canal and otolith function with age. Otology & Neurotology. 33 (5), 832-839 (2012).
- Rey, M. C. B., et al. Vestibular perceptual thresholds increase above the age of 40. Frontiers in Neurology. 7, 162 (2016).
- Lim, K., Karmali, F., Nicoucar, K., Merfeld, D. M. Perceptual precision of passive body tilt is consistent with statistically optimal cue integration. Journal of Neurophysiology. 117 (5), 2037-2052 (2017).
- Agrawal, Y., Bremova, T., Kremmyda, O., Strupp, M. Semicircular canal, saccular and utricular function in patients with bilateral vestibulopathy: analysis based on etiology. Journal of Neurology. 260 (3), 876-883 (2013).
- Bremova, T., et al. Comparison of linear motion perception thresholds in vestibular migraine and Menière's disease. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 273 (10), 2931-2939 (2016).
- King, S., et al. Self-motion perception is sensitized in vestibular migraine: pathophysiologic and clinical implications. Scientific Reports. 9 (1), 1-12 (2019).
- Roditi, R. E., Crane, B. T. Directional asymmetries and age effects in human self-motion perception. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 13 (3), 381-401 (2012).
- Kobel, M. J., Wagner, A. R., Merfeld, D. M. Impact of gravity on the perception of linear motion. Journal of Neurophysiology. 126 (3), 875-887 (2021).
- Chow, M. R., et al. Posture, gait, quality of life, and hearing with a vestibular implant. New England Journal of Medicine. 384 (6), 521-532 (2021).
