Versões revisadas e compatíveis com neuroimagem da tela de tarefa dupla
Summary
Desenvolvemos o DTS (Dual Task Screen, tela de tarefa dupla) original como uma medida portátil e de baixo custo que pode avaliar atletas com lesão cerebral traumática leve induzida por esportes. Revisamos o DTS original para uso clínico futuro e desenvolvemos uma versão compatível com neuroimagem do DTS para medir fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla.
Abstract
Dois paradigmas de tarefas avaliam simultaneamente habilidades motoras e cognitivas, e podem detectar prejuízos sutis e residuais em atletas com lesão cerebral traumática recente (mTBI). No entanto, os paradigmas de duas tarefas anteriores se concentraram apenas em habilidades de extremidade inferior e se basearam em equipamentos de laboratório pesados e caros – limitando assim sua praticidade para a avaliação cotidiana do MTBI. Posteriormente, desenvolvemos o Dual Task Screen (DTS), que leva <10 minutos para administrar e pontuar, usa equipamentos portáteis de baixo custo e inclui subtarefas de extremidade inferior (LE) e extremidade superior (UE). O propósito deste manuscrito era duplo. Primeiro, descrevemos o protocolo de administração para o DTS revisado, que revisamos para abordar as limitações do DTS original. Especificamente, as revisões incluíram adições de dispositivos inteligentes para adquirir dados de marcha mais detalhados e inclusão de condições cognitivas únicas para testar o desempenho cognitivo interrompido em duas condições de tarefa. É importante ressaltar que o DTS revisado é uma medida destinada ao uso clínico futuro, e apresentamos resultados representativos de três atletas do sexo masculino para ilustrar o tipo de dados clínicos que podem ser adquiridos a partir da medida. É importante ressaltar que ainda temos que avaliar a sensibilidade e especificidade do DTS revisado em atletas com mTBI, que é a próxima iniciativa de pesquisa. O segundo propósito deste manuscrito é descrever uma versão compatível com neuroimagem do DTS. Desenvolvemos esta versão para que pudéssemos avaliar os fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla, para uma melhor compreensão empírica dos déficits comportamentais associados ao mTBI. Assim, este manuscrito também descreve as etapas que tomamos para permitir a medição simultânea de espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) durante o DTS, juntamente com a forma como adquirimos e concluímos o processamento de primeiro nível dos dados fNIRS.
Introduction
Todos os anos, 42 milhões de pessoas em todo o mundo sofrem lesões cerebrais traumáticas leves (mTBIs)1. Embora antes consideradas benignas, novas pesquisas indicam que os mTBIs, particularmente mTBIs repetidos, podem provocar consequências negativas duradouras, como distúrbios físicos, cognitivos e do sono2,3,4. Posteriormente, pesquisadores e médicos estão buscando avaliações aprimoradas e métodos de tratamento para entender e abordar o MTBI.
Até o momento, as melhores práticas para avaliação do MTBI incluem sintomas autorreferidas e medição objetiva da função neurocognitiva emotora 5. No entanto, alguns indivíduos, como atletas de nível colegiado competitivo, são conhecidos por subnotificar sintomas relacionados ao MTBI6, limitando a utilidade dos relatos de sintomas. As medidas objetivas de função neurocognitiva e motora também têm limitações, incluindo má confiabilidade do teste-reteste, dependência de testes de linha de base ou dificuldade insuficiente para atletas de alto desempenho7,8,9. No entanto, os paradigmas de dupla tarefa – que avaliam simultaneamente as habilidades motoras e cognitivas – podem detectar prejuízos sutis e residuais e podem ser particularmente úteis para avaliar atletas de alto desempenho10,11,12,13,14.
Pesquisas passadas usando paradigmas de dupla tarefa muitas vezes incorporaram equipamentos de laboratório pesados e caros, como sistemas de captura de movimento14,para avaliar atletas de alto desempenho. Embora esses sistemas possam medir com precisão os prejuízos motores sutis, eles são impraticáveis para uso na avaliação diária do MTBI devido ao alto custo do equipamento, portabilidade limitada e longos tempos de administração (ou seja, ≥ 45 minutos por indivíduo). Além disso, muitos estudos de paradigma de duas tarefas passados se concentraram apenas em habilidades de extremidade inferior ou inferior, como equilíbrio ou marcha11,12,13,14. Indiscutivelmente, a função extremidade superior e a coordenação mão-olho também é importante para atletas de alto desempenho em muitos esportes. Assim, desenvolvemos o Dual Task Screen (DTS), que é uma breve medida projetada para ser administrada e pontuada em <10 minutos com instrumentos portáteis e de baixo custo. Este DTS original incluiu um subtarefa de extremidade inferior (LE) e extremidade superior (UE), que avaliava a velocidade da marcha (usando um cronômetro) e a coordenação mão-olho em condições de tarefa única e dupla15.
No primeiro estudo de viabilidade, 32 participantes adolescentes saudáveis e do sexo feminino completaram o DTS original. Este estudo foi concebido para estabelecer que o DTS poderia obter custos de motor de tarefa dupla, como indicado pelo desempenho do motor reduzido durante a dupla tarefa versus condições motoras únicas. Também procuramos estabelecer que o DTS poderia ser administrado e pontuado em menos de 10 minutos. Descobrimos que todos os participantes tinham um desempenho motor de duas tarefas mais pobre em pelo menos um subtarefa. Além disso, conseguimos administrar o DTS em uma média de 5,63 minutos e marcar o teste em 2-3 minutos15.
Embora o primeiro estudo de viabilidade tenha sido bem sucedido, algumas limitações foram reveladas. Mais notavelmente, a velocidade da marcha foi medida com cronômetros, que são propensos a erros humanos naturais. Portanto, no DTS revisado utilizamos dispositivos inteligentes com acelerômetros embutidos(Tabela de Materiais) em cada tornozelo. Esta adição manteve o uso de instrumentos portáteis e de baixo custo, ao mesmo tempo em que forneceu medidas sofisticadas de velocidade de marcha, número total de etapas, comprimento médio da etapa, duração média da etapa e variabilidade da duração da etapa. Outra limitação do DTS original foi a ausência de condições cognitivas únicas, o que impediu a avaliação dos custos cognitivos de dupla tarefa. Os custos cognitivos de tarefa dupla são definidos como desempenho cognitivo mais baixo durante a dupla tarefa versus condição cognitiva única. Posteriormente, tanto para as subtarefas le quanto para UE, adicionamos uma única condição cognitiva (descrita no Protocolo).
Além de desenvolver uma medida para o uso clínico futuro, um dos objetivos de longo prazo da equipe é avaliar os fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla em atletas saudáveis e contrastar esses achados com atletas com mTBI induzido por esportes. Assim, criamos uma versão compatível com neuroimagem do DTS. Procuramos determinar se o DTS pode ser modificado com sucesso para uso com a medição simultânea de espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS), e estamos usando um dispositivo fNIRS móvel projetado especificamente para acomodar o movimento do motor bruto, reduzindo a influência de artefatos de movimento. Além disso, este dispositivo possui a maior quantidade de cobertura de cabeça, ao nosso conhecimento, para dispositivos móveis que estão atualmente disponíveis para fins de pesquisa(Tabela de Materiais).
Em resumo, o protocolo de estudo foi projetado para fazer o seguinte:
- Descreva o protocolo de administração para a Tela de Tarefa Dupla (DTS) revisada, que é uma medida que redesenhamos para abordar as limitações do DTS15 original e uma medida destinada ao uso clínico futuro.
- Descreva o protocolo de pesquisa para a Tela de Tarefa Dupla (DTS) compatível com neuroimagem, que projetamos para avaliar os fundamentos neurais do desempenho de tarefa única e dupla.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste manuscrito, descrevemos o protocolo de administração para o recém-revisado Dual Task Screen (DTS). Essas revisões foram concluídas para abordar limitações identificadas no DTS15 original e incluíram a adição de condições cognitivas únicas para testar os custos cognitivos de tarefa dupla. Também incluiu a acelerometria baseada em dispositivos inteligentes para medir com mais precisão as características da marcha. Incluímos resultados representativos que ilustram o tipo de dad…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer à Srta. Isabelle Booth, uma estudante de honra da Universidade estadual do Colorado que ajudou na análise de dados de accelerometria. Gostaríamos também de reconhecer o financiamento do NIH K12 HD055931 e K01 HD096047-02 emitidos ao 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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References
- 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).
