Пересмотренные и нейровизуализ-совместимые версии двойного экрана задачи
Summary
Мы разработали оригинальный двойной экран задачи (DTS) в качестве портативной, недорогой меры, которая может оценить спортсменов со спортивной индуцированной легкой черепно-мозговой травмой. Мы пересмотрели оригинальный DTS для будущего клинического использования и разработали нейровизуализ-совместимую версию DTS для измерения нейронных основ одной и двойной производительности задачи.
Abstract
Двойные парадигмы задачи одновременно оценивают двигательные и когнитивные способности, и они могут обнаружить тонкие, остаточные нарушения у спортсменов с недавней легкой черепно-мозговой травмой (mTBI). Тем не менее, прошлые парадигмы двойной задачи были сосредоточены исключительно на навыках нижних конечностей и полагались на громоздкое, дорогостоящее лабораторное оборудование, тем самым ограничивая их практичность для повседневной оценки мТБИ. Впоследствии мы разработали Двойной экран задач (DTS), который занимает 10 минут, чтобы управлять и оценка, использует недорогое портативное оборудование, и включает в себя нижние конечности (LE) и верхние конечности (UE) подзадачи. Цель этой рукописи была двоякой. Во-первых, мы описываем протокол администрирования пересмотренного DTS, который мы пересмотрели для устранения ограничений первоначального DTS. В частности, изменения включали дополнения смарт-устройств для получения более подробных данных походки и включение отдельных когнитивных условий для проверки на нарушение когнитивных функций в условиях двойной задачи. Важно отметить, что пересмотренный DTS является мерой, предназначенной для будущего клинического использования, и мы представляем репрезентативные результаты от трех спортсменов-мужчин, чтобы проиллюстрировать тип клинических данных, которые могут быть получены из этой меры. Важно отметить, что нам еще предстоит оценить чувствительность и специфику пересмотренных DTS у спортсменов с mTBI, который является следующей исследовательской инициативой. Вторая цель этой рукописи заключается в том, чтобы описать нейровизуализ-совместимую версию DTS. Мы разработали эту версию, чтобы мы могли оценить нейронные основы одной и двойной производительности задачи, для лучшего эмпирического понимания поведенческих дефицитов, связанных с mTBI. Таким образом, в этой рукописи также описаны шаги, которые мы предприняли для одновременного функционального измерения ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) во время DTS, а также то, как мы приобрели и завершили обработку данных fNIRS первого уровня.
Introduction
Каждый год 42 миллиона человек во всем мире страдают легкой черепно-мозговой травмой (мТБИ)1. Хотя когда-то считалось доброкачественным, новые исследования показывают, что mTBIs, особенно повторить mTBIs, может вызвать длительные негативные последствия, такие как физические,когнитивные, и нарушения сна 2,3,4. Впоследствии исследователи и клиницисты ищут расширенные оценки и методы лечения для понимания и решения mTBI.
На сегодняшний день, передовая практика для оценки mTBI включает в себя самостоятельно сообщили симптомы и объективное измерение нейрокогнитивных и двигательнойфункции 5. Тем не менее, некоторые люди, как и конкурентоспособные коллегиального уровня спортсменов, как известно, занижены mTBIсвязанных симптомов 6, ограничивая полезность симптомов докладов. Объективные нейрокогнитивные и двигательные функции также имеют ограничения, в том числе низкая надежность тестирования, зависимость от базового тестирования, или недостаточная трудность для высок-эффективныхспортсменов 7,8,9. Тем не менее, парадигмы двойной задачи – которые одновременно оценивают двигательные и когнитивные способности – могут обнаружить тонкие, остаточные нарушения и могут быть особенно полезны дляоценки высокяющих спортсменов 10,11,12,13,14.
Прошлые исследования с использованием парадигм двойной задачи часто включали громоздкое, дорогое лабораторное оборудование,такое как системы захвата движения 14,для оценки высокую провыполнения спортсменов. Хотя эти системы могут точно измерять тонкие двигательные нарушения, они непрактичны для использования в повседневной оценке mTBI из-за высокой стоимости оборудования, ограниченной портативности и длительного времени администрирования (т.е. ≥ 45 минут на человека). Кроме того, многие прошлые исследования парадигмы двойной задачи сосредоточены исключительно на нижней части тела или нижних конечностей навыки, такие как баланс илипоходка11,12,13,14. Возможно, функция верхних конечностей и зрительно-сосудовая координация также важны для высокяких спортсменов во многих видах спорта. Таким образом, мы разработали двойной экран задачи (DTS), который является краткой мерой, предназначенной для администрирования и забил в Lt;10 минут с портативными, недорогие инструменты. Этот оригинальный DTS включены нижние конечности (LE) и верхней конечности (UE) подзарядка, которая оценила скорость походки (с помощью секундомера) и зрительно-моторной координации в условияходного двигателя и двойной задачи 15.
В первом технико-экономическом обосновании 32 здоровых, женских подростковых участника завершили первоначальноЕ ДТС. Это исследование было разработано, чтобы установить, что DTS может вызвать двойную задачу двигательных расходов, о чем свидетельствует снижение производительности двигателя во время двойной задачи по сравнению с одним двигателем условиях. Мы также стремились установить, что DTS может управляться и забил менее чем за 10 минут. Мы обнаружили, что все участники имели более низкую двойную производительность двигателя задачи по крайней мере на одной подпой. Кроме того, мы смогли управлять DTS в среднем 5,63 минут и оценка теста в 2-3минуты 15.
Хотя первое технико-экономическое обоснование было успешным, были выявлены некоторые ограничения. В частности, скорость походки измерялась секундомерами, которые подвержены естественной человеческой ошибке. Поэтому в пересмотренном DTS мы использовали смарт-устройства со встроенными акселерометрами(Таблица материалов) накаждой лодыжке. Это дополнение поддерживало использование портативных недорогих инструментов, обеспечивая при этом сложные показатели скорости походки, общее количество шагов, среднюю длину шага, среднюю продолжительность шага и изменчивость продолжительности шага. Другим ограничением первоначального DTS было отсутствие одиночных познавательных условий, которые предотвратили оценку двойных цен познавательной задачи. Двойная задача когнитивных затрат определяются как более низкая когнитивная производительность во время двойной задачи по сравнению с одним когнитивным состоянием. Впоследствии, как для LE и UE subtasks, мы добавили одно когнитивное состояние (описано в Протоколе).
В дополнение к разработке меры для будущего клинического использования, одна из долгосрочных целей команды заключается в оценке нейронных основ одной и двойной производительности задачи у здоровых спортсменов и противопоставить эти выводы спортсменам со спортивными индуцированной mTBI. Таким образом, мы создали нейровизуализ-совместимую версию DTS. Мы стремимся определить, можно ли успешно модифицировать DTS для использования с одновременным функциональным измерением ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS), и мы используем мобильное устройство fNIRS, специально разработанное для размещения движения валового двигателя за счет снижения влияния артефактов движения. Кроме того, это устройство имеет наибольшее количество головного покрытия, к нашим знаниям, для мобильных устройств, которые в настоящее время доступны для исследовательскихцелей (Таблица материалов).
Таким образом, протокол исследования предназначен для лечения следующих:
- Опишите протокол администрирования пересмотренного двойного целевого экрана (DTS), который является мерой, которую мы переработали для устранения ограничений оригинального DTS15 и меры, предназначенной для будущего клинического использования.
- Опишите протокол исследования для нейровизуализа совместимых Dual Task Screen (DTS), который мы разработали для оценки нейронных основ одной и двойной производительности задачи.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой рукописи мы описали протокол администрирования для недавно пересмотренного двойного экрана задач (DTS). Эти изменения были завершены для устранения ограничений, выявленных в первоначальном DTS15 и включали добавление отдельных когнитивных условий для проверки на двой…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить г-жу Изабель Бут, студентку Университета штата Колорадо, которая помогала с анализом данных о акселерометрии. Мы также хотели бы отметить финансирование от NIH K12 HD055931 и K01 HD096047-02, выданных автору 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 |
Referências
- 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).
