Reviderade och neuroimaging-kompatibla versioner av skärmen med dubbla uppgifter
Summary
Vi utvecklade den ursprungliga Dual Task Screen (DTS) som en bärbar, billig åtgärd som kan utvärdera idrottare med sportinducerad mild traumatisk hjärnskada. Vi reviderade den ursprungliga DTS för framtida klinisk användning och utvecklat en neuroimaging-kompatibel version av DTS för att mäta neurala underbyggnader av singel och dubbla uppgift prestanda.
Abstract
Dubbla uppgiftsparadigmer bedömer samtidigt motoriska och kognitiva förmågor, och de kan upptäcka subtila, kvarstående försämringar hos idrottare med nyligen mild traumatisk hjärnskada (mTBI). Tidigare dubbla uppgiftsparadigmer har dock enbart fokuserat på lägre extremitetsfärdigheter och har förlitat sig på besvärlig, dyr laboratorieutrustning – vilket begränsar deras praktiska för daglig mTBI-utvärdering. Därefter utvecklade vi dual task screen (DTS), som tar <10 minuter att administrera och poäng, använder billig bärbar utrustning och inkluderar nedre extremitet (LE) och UE-underaktiviteter (Upper Extremity). Syftet med manuskriptet var dubbelt. Först beskriver vi administrationsprotokollet för det reviderade DTS, som vi reviderade för att ta itu med begränsningarna i den ursprungliga DTS. Specifikt inkluderade revideringarna tillägg av smarta enheter för att förvärva mer detaljerade gångdata och införande av enstaka kognitiva tillstånd för att testa för störd kognitiv prestanda under dubbla uppgiftsförhållanden. Viktigt är att den reviderade DTS är ett mått avsett för framtida klinisk användning, och vi presenterar representativa resultat från tre manliga idrottare för att illustrera vilken typ av kliniska data som kan förvärvas från åtgärden. Viktigt är att vi ännu inte har utvärderat känsligheten och specificiteten hos de reviderade DTS hos idrottare med mTBI, som är nästa forskningsinitiativ. Det andra syftet med detta manuskript är att beskriva en neuroimaging-kompatibel version av DTS. Vi utvecklade denna version så att vi kunde utvärdera neurala underbyggnader av singel och dubbla uppgift prestanda, för en bättre empirisk förståelse av beteendemässiga underskott i samband med mTBI. Således beskriver detta manuskript också de steg vi vidtog för att möjliggöra samtidig funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS) mätning under DTS, tillsammans med hur vi förvärvade och slutförde första nivåns bearbetning av fNIRS-data.
Introduction
Varje år drabbas 42 miljoner människor över hela världen av lindriga traumatiska hjärnskador (mTBIs)1. Även om en gång anses godartad, visar ny forskning att mTBIs, särskilt upprepa mTBIs, kan framkalla varaktiga negativa konsekvenser, såsom fysiska, kognitiva och sömnstörningar2,3,4. Därefter söker forskare och kliniker förbättrade utvärderingar och behandlingsmetoder för att förstå och ta itu med mTBI.
Hittills innehåller bästa praxis för mTBI-utvärdering själv rapporterade symtom och objektiv mätning av neurokognitiv och motorisk funktion5. Vissa individer, som konkurrenskraftiga kollegiala idrottare, är dock kända för att underrapportera mTBI-relaterade symtom6, vilket begränsar nyttan av symtomrapporter. Objektiva neurokognitiva och motoriska funktionsåtgärder har också begränsningar, inklusive dålig test-retest tillförlitlighet, beroende av baslinje testning eller otillräcklig svårighet för högpresterande idrottare7,8,9. Men dubbla uppgiftsparadigmer – som samtidigt bedömer motoriska och kognitiva förmågor – kan upptäcka subtila, kvarstående försämringar och kan vara särskilt användbara för att utvärdera högpresterande idrottare10,11,12,13,14.
Tidigare forskning med dubbla uppgiftsparadigmer har ofta införlivat besvärlig, dyr laboratorieutrustning, såsom rörelsefångssystem14, för att utvärdera högpresterande idrottare. Medan dessa system noggrant kan mäta subtila motoriska funktionsnedsättningar, är de opraktiska för användning i daglig mTBI-utvärdering på grund av höga utrustningskostnader, begränsad bärbarhet och långa administreringstider (dvs. ≥ 45 minuter per individ). Vidare, många tidigare dubbla uppgift paradigm studier fokuserade enbart på underkroppen eller nedre änden färdigheter, såsom balans eller gång11,12,13,14. Förmodligen är övre änden funktion och hand-öga samordning också viktigt för högpresterande idrottare i många sporter. Således utvecklade vi Dual Task Screen (DTS), som är en kort åtgärd utformad för att administreras och poängsättas på <10 minuter med bärbara, billiga instrument. Denna ursprungliga DTS inkluderade en nedre änden (LE) och övre änden (UE) subtask, som utvärderade gånghastighet (med hjälp av ett stoppur) och hand-öga samordning under en motor och dubbla uppgift villkor15.
I den första genomförbarhetsstudien slutförde 32 friska, kvinnliga ungdomar de ursprungliga DTS. Denna studie utformades för att fastställa att DTS kunde framkalla dubbla uppgiftsmotorkostnader, vilket indikeras av minskad motorprestanda under dubbla uppgifter jämfört med enmotoriga förhållanden. Vi försökte också fastställa att DTS kunde administreras och poängseras på mindre än 10 minuter. Vi fann att alla deltagare hade sämre motorprestanda med dubbla uppgifter på minst en undertask. Dessutom kunde vi administrera DTS i genomsnitt 5,63 minuter och göra testet på 2-3 minuter15.
Även om den första genomförbarhetsstudien var framgångsrik, avslöjades några begränsningar. Framför allt mättes gånghastigheten med stoppur, som är benägna att naturliga mänskliga fel. Därför använde vi i den reviderade DTS smarta enheter med inbyggda accelerometrar(Table of Materials)på varje fotled. Detta tillägg behöll användningen av bärbara lågkostnadsinstrument samtidigt som det gav sofistikerade mått på gånghastighet, totalt antal steg, genomsnittlig steglängd, genomsnittlig steglängd och steglängdsvariation. En annan begränsning av den ursprungliga DTS var avsaknaden av enstaka kognitiva villkor, som förhindrade utvärdering av dubbla uppgift kognitiva kostnader. Kognitiva kostnader med dubbla uppgifter definieras som sämre kognitiv prestanda under den dubbla uppgiften jämfört med ett enda kognitivt tillstånd. Därefter, för både LE och UE underaktiviteter, lade vi till ett enda kognitivt tillstånd (beskrivs i protokollet).
Förutom att utveckla ett mått för framtida klinisk användning är ett av lagets långsiktiga mål att utvärdera neurala underbyggnader av singel- och dubbeluppgiftsprestanda hos friska idrottare och kontrastera dessa resultat till idrottare med sportinducerad mTBI. Således har vi skapat en neuroimaging-kompatibel version av DTS. Vi försöker avgöra om DTS framgångsrikt kan modifieras för användning med samtidig funktionella nära infraröd spektroskopi (fNIRS) mätning, och vi använder en mobil fNIRS-enhet speciellt utformad för att rymma bruttomotorisk rörelse genom att minska påverkan av rörelseartefakter. Vidare har denna enhet den största mängden huvudtäckning, så vi vet, för mobila enheter som för närvarande är tillgängliga för forskningsändamål (Table of Materials).
Sammanfattningsvis är studieprotokollet utformat för att göra följande:
- Beskriv administrationsprotokollet för den reviderade dual task screen (DTS), som är en åtgärd som vi har designat om för att åtgärda begränsningarna i den ursprungliga DTS15 och ett mått avsett för framtida klinisk användning.
- Beskriv forskningsprotokollet för den neuroimaging-kompatibla Dual Task Screen (DTS), som vi har utformat för att utvärdera neurala underbyggnader av en och dubbla uppgiftsprestanda.
Protocol
Representative Results
Discussion
I det här manuskriptet beskrev vi administrationsprotokollet för den nyligen reviderade dual task screen (DTS). Dessa revideringar slutfördes för att ta itu med begränsningar som identifierats i den ursprungliga DTS15 och inkluderade tillägg av enstaka kognitiva villkor för att testa för dubbla uppgift kognitiva kostnader. Det inkluderade också smart-device baserad accelerometry för att mer exakt mäta gångegenskaper. Vi inkluderade representativa resultat som illustrerar vilken typ av …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka Ms. Isabelle Booth, en Colorado State University hedrar student som hjälpte till med accelerometry dataanalys. Vi vill också bekräfta finansiering från NIH K12 HD055931 och K01 HD096047-02 som utfärdats till författaren 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) |
| *These items or comparable items can be obtained from a number of other sources |
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).
