Versiones revisadas y compatibles con neuroimagen de la pantalla de doble tarea
Summary
Desarrollamos la pantalla de doble tarea original (DTS) como una medida portátil y de bajo costo que puede evaluar a los atletas con lesiones cerebrales traumáticas leves inducidas por deportes. Revisamos el DTS original para su uso clínico futuro y desarrollamos una versión compatible con la neuroimagen del DTS para medir los fundamentos neuronales del rendimiento de una y dos tareas.
Abstract
Los paradigmas de doble tarea evalúan simultáneamente las habilidades motoras y cognitivas, y pueden detectar deficiencias sutiles y residuales en atletas con lesión cerebral traumática leve reciente (mTBI). Sin embargo, los paradigmas de doble tarea pasados se han centrado únicamente en las habilidades de las extremidades inferiores y se han basado en equipos de laboratorio engorrosos y costosos, limitando así su practicidad para la evaluación diaria del mTBI. Posteriormente, desarrollamos la pantalla de doble tarea (DTS), que tarda <10 minutos en administrarse y puntuar, utiliza equipos portátiles de bajo costo e incluye subtareas de extremidades inferiores (LE) y extremidades superiores (UE). El propósito de este manuscrito era doble. En primer lugar, describimos el protocolo de administración para el DTS revisado, que revisamos para abordar las limitaciones del DTS original. Específicamente, las revisiones incluyeron adiciones de dispositivos inteligentes para adquirir datos de marcha más detallados e inclusión de condiciones cognitivas únicas para probar el rendimiento cognitivo interrumpido en condiciones de doble tarea. Es importante destacar que el DTS revisado es una medida destinada al uso clínico futuro, y presentamos resultados representativos de tres atletas masculinos para ilustrar el tipo de datos clínicos que se pueden adquirir de la medida. Es importante destacar que aún no hemos evaluado la sensibilidad y especificidad del DTS revisado en atletas con mTBI, que es la próxima iniciativa de investigación. El segundo propósito de este manuscrito es describir una versión compatible con la neuroimagen del DTS. Desarrollamos esta versión para poder evaluar los fundamentos neuronales del rendimiento de una sola y doble tarea, para una mejor comprensión empírica de los déficits de comportamiento asociados con mTBI. Por lo tanto, este manuscrito también describe los pasos que tomamos para permitir la medición funcional simultánea de espectroscopia casi infrarroja (fNIRS) durante el DTS, junto con cómo adquirimos y completamos el procesamiento de primer nivel de los datos fNIRS.
Introduction
Cada año, 42 millones de personas en todo el mundo sufren lesiones cerebrales traumáticas leves (mTBIs)1. Aunque alguna vez se consideró benigno, nuevas investigaciones indican que los mTBIs, particularmente los mTBIs repetidos, pueden provocar consecuencias negativas duraderas, como alteraciones físicas, cognitivas y del sueño2,3,4. Posteriormente, investigadores y médicos están buscando evaluaciones mejoradas y métodos de tratamiento para entender y abordar el mTBI.
Hasta la fecha, las mejores prácticas para la evaluación mTBI incluyen síntomas autoinformes y medición objetiva de la función neurocognitiva y motora5. Sin embargo, algunos individuos, como los atletas competitivos de nivel colegial, son conocidos por subinforme síntomas relacionados con mTBI6,limitando la utilidad de los informes de síntomas. Las medidas objetivas de función neurocognitiva y motora también tienen limitaciones, incluyendo una fiabilidad deficiente en la prueba de prueba, dependencia de las pruebas de línea de base o dificultad insuficiente para los atletas de alto rendimiento7,8,9. Sin embargo, los paradigmas de doble tarea – que evalúan simultáneamente las capacidades motoras y cognitivas – pueden detectar deficiencias sutiles y residuales y pueden ser particularmente útiles para evaluar atletas de alto rendimiento10,11,12,13,14.
Investigaciones pasadas utilizando paradigmas de doble tarea a menudo han incorporado equipos de laboratorio engorrosos y costosos, como los sistemas de captura de movimiento14,para evaluar a los atletas de alto rendimiento. Si bien estos sistemas pueden medir con precisión las deficiencias motoras sutiles, son poco prácticos para su uso en la evaluación diaria de mTBI debido al alto costo del equipo, la portabilidad limitada y los largos tiempos de administración (es decir, ≥ 45 minutos por individuo). Además, muchos estudios de paradigma de doble tarea pasados se centraron únicamente en habilidades de parte inferior del cuerpo o de las extremidades inferiores, como el equilibrio o la marcha11,12,13,14. Podría decirse que la función de la extremidad superior y la coordinación mano-ojo también es importante para los atletas de alto rendimiento en muchos deportes. Así, desarrollamos la Pantalla de Doble Tarea (DTS), que es una breve medida diseñada para ser administrada y puntuada en <10 minutos con instrumentos portátiles de bajo costo. Este DTS original incluía una subtarea de extremidad inferior (LE) y extremidad superior (UE), que evaluaba la velocidad de marcha (mediante un cronómetro) y la coordinación mano-ojo en condiciones de un solo motor y doble tarea15.
En el primer estudio de factibilidad, 32 participantes adolescentes sanas completaron el DTS original. Este estudio fue diseñado para establecer que el DTS podría provocar costos de motor de doble tarea, como lo indica la reducción del rendimiento del motor durante las condiciones de doble tarea frente a las condiciones del motor único. También buscamos establecer que el DTS podría administrarse y anotarse en menos de 10 minutos. Descubrimos que todos los participantes tenían un rendimiento motor de doble tarea más pobre en al menos una subtarea. Además, pudimos administrar el DTS en un promedio de 5,63 minutos y anotar la prueba en 2-3 minutos15.
Aunque el primer estudio de viabilidad fue exitoso, se revelaron algunas limitaciones. Más notablemente, la velocidad de marcha se midió con cronómetros, que son propensos a errores humanos naturales. Por lo tanto, en el DTS revisado utilizamos dispositivos inteligentes con acelerómetros incorporados(Tabla de Materiales)en cada tobillo. Esta adición mantuvo el uso de instrumentos portátiles de bajo costo, al tiempo que proporcionaba sofisticadas medidas de velocidad de marcha, número total de pasos, longitud media del paso, duración media del paso y variabilidad de la duración del paso. Otra limitación del DTS original fue la ausencia de condiciones cognitivas únicas, lo que impidió la evaluación de los costos cognitivos de doble tarea. Los costos cognitivos de doble tarea se definen como un rendimiento cognitivo más pobre durante la tarea dual frente a una sola condición cognitiva. Posteriormente, para las subtareas LE y UE, agregamos una sola condición cognitiva (descrita en Protocolo).
Además de desarrollar una medida para el uso clínico futuro, uno de los objetivos a largo plazo del equipo es evaluar los fundamentos neuronales del rendimiento de una y doble tarea en atletas sanos y contrastar esos hallazgos con atletas con mTBI inducido por el deporte. Por lo tanto, hemos creado una versión compatible con la neuroimagen del DTS. Buscamos determinar si el DTS se puede modificar con éxito para su uso con la medición funcional simultánea de espectroscopia casi infrarroja (fNIRS), y estamos utilizando un dispositivo fNIRS móvil diseñado específicamente para acomodar el movimiento del motor bruto mediante la reducción de la influencia de los artefactos de movimiento. Además, este dispositivo tiene la mayor cantidad de cobertura de cabeza, hasta nuestro conocimiento, para dispositivos móviles que actualmente están disponibles para fines de investigación(Tabla de Materiales).
En resumen, el protocolo de estudio está diseñado para hacer lo siguiente:
- Describir el protocolo de administración para la pantalla de doble tarea revisada (DTS), que es una medida que rediseñamos para abordar las limitaciones del DTS15 original y una medida destinada al uso clínico futuro.
- Describir el protocolo de investigación para la pantalla de doble tarea compatible con neuroimagen (DTS), que hemos diseñado para evaluar los fundamentos neuronales del rendimiento de una y doble tarea.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este manuscrito, describimos el protocolo de administración para la recién revisada Pantalla de Doble Tarea (DTS). Estas revisiones se completaron para abordar las limitaciones identificadas en el DTS15 original e incluyeron la adición de condiciones cognitivas únicas para probar los costos cognitivos de doble tarea. También incluyó acelerometría basada en dispositivos inteligentes para medir con mayor precisión las características de la marcha. Incluimos resultados representativos que…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría dar las gracias a la Sra. Isabelle Booth, una estudiante de honor de la Universidad Estatal de Colorado que ayudó con el análisis de datos de acelerometría. También nos gustaría reconocer la financiación de NIH K12 HD055931 y K01 HD096047-02 emitida al autor J.S.
Materials
| 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) |
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Referenzen
- Gardner, R. C., Yaffe, K. Epidemiology of mild traumatic brain injury and neurodegenerative disease. Molecular and Cellular Neuroscience. 66, 75-80 (2015).
- Oyegbile, T. O., Dougherty, A., Tanveer, S., Zecavati, N., Delasobera, B. E. High Sleep Disturbance and Longer Concussion Duration in Repeat Concussions. Behavioral Sleep Medicine. , 1-8 (2019).
- Schatz, P., Moser, R. S., Covassin, T., Karpf, R. Early indicators of enduring symptoms in high school athletes with multiple previous concussions. Neurosurgery. 68 (6), 1562-1567 (2011).
- Yrondi, A., Brauge, D., LeMen, J., Arbus, C., Pariente, J. Depression and sports-related concussion: A systematic review. La Presse Médicale. 46 (10), 890-902 (2017).
- Haider, M. N., et al. A systematic review of criteria used to define recovery from sport-related concussion in youth athletes. British Journal of Sports Medicine. 52 (18), 1179-1190 (2018).
- Conway, F. N., et al. Concussion Symptom Underreporting Among Incoming National Collegiate Athletic Association Division I College Athletes. Clinical Journal of Sport Medicine. 30 (3), 203-209 (2020).
- Broglio, S. P., Guskiewicz, K. M., Norwig, J. If You’re Not Measuring, You’re Guessing: The Advent of Objective Concussion Assessments. Journal of Athletic Training. 52 (3), 160-166 (2017).
- Broglio, S. P., Katz, B. P., Zhao, S., McCrea, M., McAllister, T. Test-retest reliability and interpretation of common concussion assessment tools: Findings from the NCAA-DoD CARE Consortium. Sports Medicine. 48 (5), 1255-1268 (2018).
- Howell, D. R., et al. Examining Motor Tasks of Differing Complexity After Concussion in Adolescents. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 100 (4), 613-619 (2019).
- Buttner, F., et al. Concussed athletes walk slower than non-concussed athletes during cognitive-motor dual-task assessments but not during single-task assessments 2 months after sports concussion: a systematic review and meta-analysis using individual participant data. British Journal of Sports Medicine. 54 (2), 94-101 (2020).
- Howell, D. R., Buckley, T. A., Lynall, R. C., Meehan, W. P. I. Worsening dual-task gait costs after concussion and their association with subsequent sport-related injury. Journal of Neurotrauma. 35 (14), 1630-1636 (2018).
- Howell, D. R., Kirkwood, M. W., Provance, A., Iverson, G. L., Meehan, W. P. Using concurrent gait and cognitive assessments to identify impairments after concussion: a narrative review. Concussion. 3 (1), 54 (2018).
- Lee, H., Sullivan, S. J., Schneiders, A. G. The use of the dual-task paradigm in detecting gait performance deficits following a sports-related concussion: a systematic review and meta-analysis. Journal of Science and Medicine in Sport. 16 (1), 2-7 (2013).
- Solomito, M. J., et al. Motion analysis evaluation of adolescent athletes during dual-task walking following a concussion: A multicenter study. Gait Posture. 64, 260-265 (2018).
- Stephens, J. A., Nicholson, R., Slomine, B., Suskauer, S. Development and pilot testing of the dual task screen in healthy adolescents. American Journal of Occupational Therapy. 72 (3), (2018).
- Ptak, R. The frontoparietal attention network of the human brain: action, saliency, and a priority map of the environment. Neuroscientist. 18 (5), 502-515 (2012).
- Jasper, H. Report of the committee on methods of clinical examination in electroencephalography: 1957. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 10 (2), 370-375 (1958).
- Brigadoi, S., Cooper, R. J. How short is short? Optimum source-detector distance for short-separation channels in functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics. 2 (2), 025005 (2015).
- Sato, T., et al. Reduction of global interference of scalp-hemodynamics in functional near-infrared spectroscopy using short distance probes. Neuroimage. 141, 120-132 (2016).
- Scholkmann, F., et al. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. Neuroimage. 85, 6-27 (2014).
- Baker, W. B., et al. Modified Beer-Lambert law for blood flow. Biomedical Optics Express. 5 (11), 4053-4075 (2014).
- Barker, J. W., Aarabi, A., Huppert, T. J. Autoregressive model based algorithm for correcting motion and serially correlated errors in fNIRS. Biomedical Optics Express. 4 (8), 1366-1379 (2013).
- Aguirre, G. K., Zarahn, E., D’Esposito, M. The variability of human, BOLD hemodynamic responses. Neuroimage. 8 (4), 360-369 (1998).
- Stephens, J. A., Liu, P., Lu, H., Suskauer, S. J. Cerebral Blood Flow after Mild Traumatic Brain Injury: Associations between Symptoms and Post-Injury Perfusion. Journal of Neurotrauma. 35 (2), 241-248 (2018).
