Summary

Eye-Tracking Kontrol at vurdere kognitive funktioner hos patienter med amyotrofisk lateral sklerose

Published: October 13, 2016
doi:

Summary

Cognitive deficits are common in about one third of patients with amyotrophic lateral sclerosis, a neurological condition leading to progressive impairments in speech and movement abilities. To conduct cognitive tests in patients unable to speak or write a reliable and easy to administer eye-tracking paradigm was developed.

Abstract

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder with pathological involvement of upper and lower motoneurons, subsequently leading to progressive loss of motor and speech abilities. In addition, cognitive functions are impaired in a subset of patients. To evaluate these potential deficits in severely physically impaired ALS patients, eye-tracking is a promising means to conduct cognitive tests. The present article focuses on how eye movements, an indirect means of communication for physically disabled patients, can be utilized to allow for detailed neuropsychological assessment. The requirements, in terms of oculomotor parameters that have to be met for sufficient eye-tracking in ALS patients are presented. The properties of stimuli, including type of neuropsychological tests and style of presentation, best suited to successfully assess cognitive functioning, are also described. Furthermore, recommendations regarding procedural requirements are provided. Overall, this methodology provides a reliable, easy to administer and fast approach for assessing cognitive deficits in patients who are unable to speak or write such as patients with severe ALS. The only confounding factor might be deficits in voluntary eye movement control in a subset of ALS patients.

Introduction

Amyotrofisk lateral sklerose (ALS) er en fatal neurodegenerativ lidelse normalt fører til død inden for 3 til 5 år. I løbet af patologien, patienter stede med progressivt tab af respiratoriske og bulbar funktion samt svækkelser i bevægelse evner 1. Den deler nogle kliniske, patologiske og genetiske træk med frontallapsdemens to, og det er veldokumenteret, at omkring 30% af ALS-patienter udviser kognitive mangler 3. Disse underskud er mest fremtrædende i de områder af udøvende funktion, verbal fluency og sprog 4 og har en indflydelse på overlevelse 5, overholdelse 6 og plejepersonale byrde 7. , Pålidelig neuropsykologisk vurdering er således afgørende i denne sygdom.

Fremrykkende nedskrivninger i motoriske og tale evner er dog en begrænsende faktor for grundig evaluering af kognitive evner i senere stadier af sygdommen 8. Hendee, synes oculomotor tilgange til at være meget lovende, så grundlæggende øjenbevægelser kontrol forbliver intakt for et sammenligneligt lang tid i løbet af ALS for størstedelen af patienterne 9. Eye-tracking parametre selv er blevet anvendt til at opnå information om den kognitive status hos patienter med ALS 10 og korrelerer også med den sekventielle spredning mønster af ALS 11. Øjenbevægelser som et middel til at kontrollere kognitive tests i forbindelse med ALS er også blevet undersøgt i tidligere værker. En undersøgelse har med succes vist sin anvendelighed i raske kontrolpersoner ved hjælp af en oculomotor baseret version af Trail-Making Test 12, mens en anden fandt det passende at skelne mellem raske kontroller og ALS-patienter er baseret på kognitive præstationer og til at skelne mellem kognitivt mere og mindre svækkede patienter 13.

Den her beskrevne forskning anvendt en oculomotor metode til at studere kognitive svækkelser i ALS patienter, specielt på området for udøvende funktion. To godt validerede og almindeligt anvendte neuropsykologiske tests blev tilpasset øjenbevægelser kontrol: Ravens farvede progressive matricer (CPM) 14 og D2-test 15. CPM er en non-verbal instrument, der anvendes til at måle udøvende og visuospatial evner samt flydende intelligens. Den D2-test er også en ikke-verbal værktøj, der anvendes til at afdække udøvende dysfunktion inden for områderne selektiv og vedvarende opmærksomhed og visuel bearbejdning hastighed. Begge er meget udbredt kliniske værktøjer, som med succes er blevet anvendt i tidligere undersøgelser, der vurderer potentielle kognitiv tilbagegang i løbet af sygdommen 16 og den neuropsykologiske status ALS-patienter sammenlignet med raske kontroller 17.

Målet med dette arbejde var at vise kravene til vellykket evaluering af kognitive underskud i ALS uafhængig af bevægelse og tale handicap ved hjælp af en reliable, eye-tracking-baseret version af CPM og D2-test. Vigtigt er det, der er beskrevet her fremgangsmåde har potentialet til at blive udvidet til at studere andre populationer af patienter med svære motoriske svækkelser.

Protocol

Undersøgelsen blev godkendt af den etiske komité ved universitetet i Ulm (Statement nr 19/12) og protokollen beskrevet følger derfor deres retningslinjer. Alle deltagere gav skriftligt informeret samtykke. 1. Stimuli og testmiljø For at holde distraktioner på et minimum udføre forskning i en mørk eller en meget svagt oplyste og stille rum. Brug en passende eye tracking-enhed. BEMÆRK: Der er en bred vifte af udstyr til rådighed til at udføre øjenbevægel…

Representative Results

Med henblik på den forskning, der præsenteres her, dvs. udviklingen af en pålidelig oculomotor baseret neuropsykologisk vurdering af ALS-patienter, egenudviklede software lagrer fagets valg af CPM i en separat fil, der giver mulighed for manuel beregning af procentdelen af korrekt svar. For D2-test, er en registrering af de lodrette øjenbevægelser manuelt analyseres ved hjælp af en tærskel på + 5 ° til påvisning af en relevant reaktion. Optagelser tildelt hver stimulus…

Discussion

Det er en udfordrende opgave med succes vurdere kognitive status hos patienter med ALS, der ikke kan tale og skrive. Anvendelsen af ​​videooculography systemer tilvejebringer en lovende fremgangsmåde. Den hermed præsenteret teknik er pålidelig i at opdage kognitive mangler, som spiller en central rolle i forbindelse med hjælperen byrde og sygdom management 20 i ALS-patienter. Også oculomotor versioner af CPM og D2-testen korrelerer signifikant med deres respektive standard papir-blyant versioner, men…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne takke Ralf Kühne til teknisk support. Dette arbejde blev finansieret af Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) og Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF # 01GM1103A). Dette er et EU fælles program-neurodegenerativ sygdom Research (JPND) projekt. Projektet er støttet gennem følgende organisationer under ledelse af JPND- f.eks., Tyskland, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, FKZ), Sverige, Vetenskaprådet Sverige, Polen, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBR).

Materials

EyeSeeCam EyeSeeTec GmbH; 82256 Fürstenfeldbruck, Germany Videooculography device

Referencias

  1. Kiernan, M. C., et al. Amyotrophic lateral sclerosis. Lancet. 377 (9769), 942-955 (2011).
  2. Neumann, M., et al. Ubiquitinated TDP-43 in frontotemporal lobar degeneration and amyotrophic lateral sclerosis. Science. 314 (5796), 130-133 (2006).
  3. Beeldman, E., Raaphorst, J., Klein Twennaar, ., de Visser, M., Schmand, B. A., de Haan, R. J. The cognitive profile of ALS: a systematic review and meta-analysis update. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. , (2015).
  4. Phukan, J., et al. The syndrome of cognitive impairment in amyotrophic lateral sclerosis: a population-based study. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 83 (1), 102-108 (2012).
  5. Elamin, M., et al. Executive dysfunction is a negative prognostic indicator in patients with ALS without dementia. Neurology. 76 (14), 1263-1269 (2011).
  6. Martin, N. A., et al. Psychological as well as illness factors influence acceptance of non-invasive ventilation (NIV) and gastrostomy in amyotrophic lateral sclerosis (ALS): a prospective population study. Amyotroph. Lateral. Scler. Frontotemporal. Degener. 15 (5-6), 376-387 (2014).
  7. Chiò, A., et al. Neurobehavioral symptoms in ALS are negatively related to caregivers’ burden and quality of life. Eur. J. Neurol. 17 (10), 1298-1303 (2010).
  8. Lakerveld, J., Kotchoubey, B., Kübler, A. Cognitive function in patients with late stage amyotrophic lateral sclerosis. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 79 (1), 25-29 (2008).
  9. Sharma, R., Hicks, S., Berna, C. M., Kennard, C., Talbot, K., Turner, M. R. Oculomotor dysfunction in amyotrophic lateral sclerosis: a comprehensive review. Arch. Neurol. 68 (7), 857-861 (2011).
  10. Witiuk, K., Fernandez-Ruiz, J., McKee, R. Cognitive Deterioration and Functional Compensation in ALS Measured with fMRI Using an Inhibitory Task. J. Neurosci. 34 (43), 14260-14271 (2014).
  11. Gorges, M., et al. Eye Movement Deficits Are Consistent with a Staging Model of pTDP-43 Pathology in Amyotrophic Lateral Sclerosis. PLoS One. 10 (11), 0142546 (2015).
  12. Hicks, S. L., et al. An eye-tracking version of the trail-making test. PLoS One. 8 (12), 84061 (2013).
  13. Keller, J., et al. Eye-tracking controlled cognitive function tests in patients with amyotrophic lateral sclerosis: a controlled proof-of-principle study. J. Neurol. 262 (8), 1918-1926 (2015).
  14. Raven, J. C., Court, J. H., Raven, J. . Manual for Raven’s progressive matrices and vocabulary scales. Section 2, the coloured progressive matrices. , (1998).
  15. Brickenkamp, R. . Aufmerksamkeits-Belastungs-Test (Test d2), 8th edn. , (1994).
  16. Elamin, M., et al. Cognitive changes predict functional decline in ALS. Neurology. 80 (17), 1590-1597 (2013).
  17. Ludolph, A. C., et al. Frontal lobe function in amyotrophic lateral sclerosis: a neuropsychologic and positron emission tomography study. Acta. Neurol. Scand. 85 (2), 81-89 (1992).
  18. Schneider, E., et al. Eye-SeeCam: an eye movement-driven head camera for the examination of natural visual exploration. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1164, 461-467 (2009).
  19. Lulé, D., et al. The Edinburgh Cognitive and Behavioural Amyotrophic Lateral Sclerosis Screen: a cross-sectional comparison of established screening tools in a German-Swiss population. Amyotroph. Lateral. Scler. Frontotemporal. Degener. 16 (1-2), 16-23 (2015).
  20. Olney, R. K., et al. The effects of executive and behavioral dysfunction in the course of ALS. Neurology. 65 (11), 1774-1777 (2005).
  21. Donaghy, C., Thurtell, M. J., Pioro, E. P., Gibson, J. M., Leigh, R. J. Eye movements in amyotrophic lateral sclerosis and its mimics: a review with illustrative cases. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 82 (1), 110-116 (2011).
  22. Mizutani, T., et al. Development of ophthalmoplegia in amyotrophic lateral sclerosis during long-term use of respirators. J. Neurol. Sci. 99 (2-3), 311-319 (1990).
  23. Khin Khin, E., Minor, D., Holloway, A., Pelleg, A. Decisional Capacity in Amyotrophic Lateral Sclerosis. J. Am. Acad. Psychiatry Law. 43 (2), 210-217 (2015).
  24. Kübler, A., et al. Patients with ALS can use sensorimotor rhythms to operate a brain-computer interface. Neurology. 64 (10), 1775-1777 (2005).
  25. Connolly, S., Galvin, M., Hardiman, O. End-of-life management in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Lancet Neurol. 14 (4), 435-442 (2015).

Play Video

Citar este artículo
Keller, J., Gorges, M., Aho-Özhan, H. E. A., Uttner, I., Schneider, E., Kassubek, J., Pinkhardt, E. H., Ludolph, A. C., Lulé, D. Eye-Tracking Control to Assess Cognitive Functions in Patients with Amyotrophic Lateral Sclerosis. J. Vis. Exp. (116), e54634, doi:10.3791/54634 (2016).

View Video