In questo articolo, descriviamo i metodi, le procedure e le tecnologie necessarie per stimare le soglie percettive vestibolari utilizzando una piattaforma di movimento a sei gradi di libertà.
Le soglie percettive vestibolari si riferiscono all’intensità del movimento richiesta per consentire a un partecipante di rilevare o discriminare un movimento in base all’input vestibolare. Utilizzando profili di movimento passivo forniti da sei piattaforme di grado di movimento, le soglie percettive vestibolari possono essere stimate per qualsiasi tipo di movimento e quindi indirizzare ciascuno dei sottocomponenti dell’organo terminale vestibolare. Le valutazioni delle soglie vestibolari sono clinicamente rilevanti in quanto integrano strumenti diagnostici come l’irrigazione calorica, il test dell’impulso della testa (HIT) o i potenziali miogenici evocati vestibolari (VEMP), che forniscono solo informazioni sui sottocomponenti del sistema vestibolare, ma nessuno di essi consente di valutare tutti i componenti. Esistono diversi metodi con diversi vantaggi e svantaggi per stimare le soglie percettive vestibolari. In questo articolo, presentiamo un protocollo che utilizza un algoritmo di scala adattivo e profili di movimento sinusoidale per una procedura di stima efficiente. Gli algoritmi di scala adattiva considerano la cronologia delle risposte per determinare la velocità di picco degli stimoli successivi e sono gli algoritmi più comunemente usati nel dominio vestibolare. Discutiamo ulteriormente l’impatto della frequenza del movimento sulle soglie percettive vestibolari.
L’organo terminale vestibolare umano è costituito da cinque componenti, ciascuno ottimizzato per rilevare un componente specifico dello spettro di movimento naturale. I tre canali semicircolari sono orientati approssimativamente ortogonali l’uno all’altro, il che consente loro di rilevare le rotazioni della testa attorno a tre assi. I canali sono accompagnati da due organi maculari per la registrazione delle accelerazioni traslazionali lungo l’asse verticale o nel piano orizzontale1. Un declino funzionale o una perdita in ciascuno dei cinque componenti può portare a sintomi gravi come vertigini, vertigini, squilibrio e un aumentato rischio di caduta2. Tuttavia, valutare obiettivamente la funzione di tutti i componenti separatamente è un compito laborioso e richiede valutazioni multiple3. Ad esempio, lo stato del canale orizzontale viene tipicamente valutato attraverso l’irrigazione calorica e il test dell’impulso della testa (HIT). L’attuale gold standard per la valutazione degli organi della macula è il potenziale miogenico evocato vestibolare (VEMP). Combinando più valutazioni, i medici arrivano a un quadro più completo dello stato vestibolare da cui possono derivare opzioni di diagnosi e trattamento.
Un approccio promettente per quantificare le prestazioni vestibolari sono le soglie percettive vestibolari, che forniscono una misura oggettiva e quantitativa della più bassa intensità di auto-movimento che può essere rilevata o discriminata in modo affidabile da un partecipante. Anche se le procedure di soglia percettiva sono ben consolidate in alcune discipline cliniche (ad esempio, audiologia), le soglie vestibolari percettive non sono ancora utilizzate per scopi diagnostici nel dominio vestibolare4. Uno dei motivi è la mancata disponibilità di piattaforme di movimento e software facili da usare. In linea di principio, le piattaforme di movimento e le sedie rotanti possono essere utilizzate per la stima della soglia. Tuttavia, mentre le piattaforme di movimento a sei gradi di libertà (6DOF) sono adatte per stimare le soglie per vari profili di movimento, consentendo l’indagine di tutti e cinque i sottocomponenti dell’organo vestibolare, le sedie rotanti possono essere utilizzate solo per accedere alle rotazioni nel piano orizzontale (imbardata) 1,4.
Le soglie vestibolari sono tipicamente stimate per le traslazioni lungo i tre assi principali (naso-occipitale, inter-aurale, testa-verticale) e per le rotazioni attorno ad essi (imbardata, beccheggio, rollio), come visualizzato nella Figura 1. Le soglie percettive vestibolari dipendono anche dalla frequenza dello stimolo5. Per tenere conto di ciò, i profili di movimento con un profilo di accelerazione sinusoidale, costituito da una singola frequenza, sono più spesso utilizzati per la stima della soglia, ma in passato sono stati utilizzati anche altri profili 6,7,8.
Le soglie percettive vestibolari forniscono uno strumento per studiare l’interazione tra sensazione vestibolare e processi cognitivi superiori. Le soglie, quindi, integrano valutazioni cliniche come l’HIT, l’irrigazione calorica e i potenziali evocati vestibolari, che si basano su meccanismi (archi riflessi) che bypassano la corteccia. Inoltre, le soglie percettive vestibolari stimate su una piattaforma di movimento valutano la funzione vestibolare in un ambiente ecologicamente valido9, piuttosto che utilizzare la stimolazione artificiale, che introduce conflitti multisensoriali1.
A causa della natura bidirezionale degli stimoli vestibolari10, è comune stimare la discriminazione vestibolare piuttosto che le soglie di rilevamento4. Durante un compito di discriminazione, il partecipante percepisce uno stimolo e deve decidere a quale categoria appartiene. Ad esempio, i partecipanti devono decidere in quale direzione sono spostati (ad esempio, sinistra / destra). Il quadro teorico per la stima della soglia è la teoria del rilevamento del segnale10,11. Le soglie di discriminazione possono essere stimate utilizzando vari approcci, ma nel dominio vestibolare, le procedure di scala adattiva sono lo standard. In una procedura di scala adattiva, l’intensità, tipicamente la velocità di picco, del movimento successivo dipende dalla risposta dei partecipanti (corretta / errata) all’ultimo stimolo / stimolo. Le procedure adattive delle scale possono essere implementate in molti modi12, ma l’algoritmo più frequentemente utilizzato nella ricerca vestibolare sono le procedure x-down/y-up con dimensioni fisse dei gradini. Ad esempio, in una scala a tre giù/una in su, l’intensità dello stimolo viene ridotta dopo che il partecipante ha dato risposte corrette in tre prove successive, ma l’intensità aumenta ogni volta che viene fornita una risposta errata (Figura 2). La selezione esatta di x e y in una scala x-giù/y-su consente di fissare valori di soglia diversi (percentuale di risposte corrette)13. Una scala a tre giù / una su mira all’intensità in cui i partecipanti rispondono correttamente nel 79,4% degli studi. Oltre alle procedure adattive delle scale, altri studi14 hanno utilizzato intensità predefinite e fisse per le stime delle soglie. L’utilizzo di intensità fisse consente di stimare l’intera funzione psicometrica, che contiene molte più informazioni di un singolo valore soglia. Tuttavia, le procedure a intensità fissa richiedono molto tempo e sono meno efficienti quando interessa solo un valore soglia specifico.
Questo articolo descrive un protocollo per stimare le soglie di riconoscimento vestibolare utilizzando una piattaforma di movimento 6DOF e una procedura di scala adattiva.
Il protocollo presentato consente una stima affidabile ed efficiente delle soglie percettive vestibolari. Il protocollo è adatto per la stima della soglia lungo e attorno ad assi arbitrari e può essere applicato per tutte le frequenze di stimolo rilevanti (ad esempio, 0,1-5 Hz). Sebbene presentiamo i dati utilizzando una procedura standard di scala adattiva a tre giù/uno in alto, il protocollo può essere utilizzato anche per altre procedure di stima più efficienti12, inclusi approcci a intensità fissa, trasformati/ponderati su/giù o bayesiani (ad esempio, Quest18). Una discussione esaustiva degli algoritmi disponibili va oltre lo scopo del manoscritto presentato, ma un eccellente confronto di teoria, simulazioni e dati reali può essere trovato altrove19. Procedure di stima efficienti sono di grande rilevanza nel contesto clinico, dove il tempo è limitato, e la ricerca su valutazioni più rapide è attualmente condotta19,20.
Un promettente campo di ricerca è l’identificazione di particolari profili di movimento e altri parametri clinicamente rilevanti come l’equilibrio 2,21. Questa linea di ricerca è importante in quanto fornisce indicazioni su quali assi e frequenze sono più prevedibili per comportamenti ed eventi clinicamente rilevanti, come il rischio di caduta, riducendo così lo spazio di ricerca in un contesto clinico.
Una volta che l’apparecchiatura e il software sono disponibili e funzionano come previsto, due fattori sono fondamentali per una stima affidabile della soglia. In primo luogo, lo sperimentatore deve assicurarsi che il partecipante comprenda il compito e rimanga vigile durante l’intera procedura. Per la maggior parte degli stimoli (ad esempio, tutte le traduzioni), le istruzioni sono chiare e facili da seguire. Tuttavia, per le rotazioni di beccheggio e rollio, l’istruzione di rispondere con sinistra o destra può essere ambigua, specialmente quando l’asse di rotazione è posto all’altezza della testa. In questi casi, le parti del corpo sopra gli assi di rotazione (ad esempio, la testa) ruotano nella direzione opposta rispetto alle parti del corpo sotto gli assi di rotazione (ad esempio, i piedi). I termini sinistra/destra possono essere ambigui e potrebbe essere utile chiedere ai partecipanti di classificare i movimenti in senso orario o antiorario. È importante spiegare e praticare come ci si aspetta che il partecipante giudichi gli stimoli del movimento. Un numero sufficiente di prove di prova è particolarmente importante quando vengono studiati pazienti o anziani.
In secondo luogo, è importante scegliere un numero sufficiente di prove intorno alla soglia. Raccomandiamo un criterio di terminazione adattivo come numero di inversioni di intensità, invece di un numero fisso di prove che è stato utilizzato da altri 7,22. Inoltre, l’utilizzo di un numero predefinito di prove può diventare inefficiente e comporta il rischio che la scala non converga quando l’intensità iniziale è troppo lontana dalla soglia. In generale, sono necessari esperimenti pilota per selezionare intensità iniziali ragionevoli e criteri di terminazione.
Gli algoritmi della scala mirano a stimare un singolo punto sulla funzione psicometrica23,24. Pertanto, forniscono informazioni limitate perché i bias di risposta e la pendenza della funzione psicometrica non possono essere derivati dalla soglia stimata. Se tali parametri sono di interesse, le intensità fisse possono essere utilizzate per campionare su un intervallo più ampio, consentendo di adattarsi alla funzione psicometrica. Sebbene tale procedura richieda più tempo, consente analisi più sofisticate che possono fornire preziose informazioni14,25. In alternativa, è possibile utilizzare algoritmi di stima adattiva della pendenza13.
Un aspetto importante nella stima delle soglie di percezione vestibolare è la minimizzazione dei segnali provenienti da altri sistemi sensoriali. Per raggiungere questo obiettivo, il rumore generato dalla piattaforma è tipicamente mascherato dal rumore bianco. La minimizzazione dei segnali propriocettivi o tattili è più impegnativa1, e può essere raggiunta solo in parte perché l’accelerazione richiede una forza che agisce sul corpo, che inevitabilmente indurrà la stimolazione extra-vestibolare. Tuttavia, i cuscini sono spesso utilizzati per ridurre i segnali tattili e propriocettivi. Allo stesso modo, la fissazione della testa è necessaria per garantire un orientamento costante degli organi vestibolari rispetto al movimento e per garantire che il profilo di movimento eseguito dalla testa sia lo stesso di quello della piattaforma, senza alcun filtraggio da parte del corpo che si verifica in condizioni di movimento senza restrizioni26.
In questo momento, le soglie percettive vestibolari sono prevalentemente utilizzate nella ricerca di base. Gli studi hanno dimostrato che le soglie vestibolari aumentano con l’età 27,28 e dipendono dalla direzione 20,28 e dalla frequenza del movimento 5,29. Più recentemente, le soglie percettive sono state utilizzate per documentare la prima evidenza di apprendimento percettivo nel dominio vestibolare14.
Gli studi che hanno confrontato pazienti con disturbi vestibolari con controlli sani hanno mostrato soglie percettive vestibolari alterate in linea con la loro patologia. Ad esempio, le soglie sono aumentate nei pazienti con insufficienza vestibolare 29,30,31 e una tendenza a soglie ridotte o addirittura ipersensibilità è stata mostrata nei pazienti con emicrania vestibolare 31,32. Questi studi implicano il potenziale per applicazioni cliniche e una recente revisione4 ha discusso l’applicabilità e l’utilità delle soglie percettive vestibolari in una diagnosi clinica. Un aspetto importante è che le soglie percettive aggiungono proprietà uniche alla cassetta degli attrezzi del medico. Le procedure standard (HIT, VEMP, irrigazione calorica) utilizzano percorsi diretti dagli organi terminali vestibolari ai muscoli degli occhi o della cervice. In tal modo, non offrono la possibilità di indagare la catena di informazioni alla neo-corteccia. La stima delle soglie percettive vestibolari, d’altra parte, include processi cognitivi che consentono di testare il sistema vestibolare da una diversa angolazione, che potrebbe essere particolarmente interessante nel contesto delle vertigini posturali-percettive persistenti (PPPD). Un difetto della procedura presentata è la sua incapacità di rilevare asimmetrie direzionali, che è stata segnalata da altri33.
Le soglie percettive vestibolari sono anche di interesse nella valutazione e nel monitoraggio degli interventi (terapeutici). Molti studi utilizzano il rischio di caduta come endpoint nella valutazione dell’efficacia del trattamento. Tuttavia, poiché è stata dimostrata una correlazione tra le soglie vestibolari sull’asse di rollio e il rischio di caduta2 e le prestazioni durante i compiti di equilibrio34 , le soglie potrebbero essere utilizzate come variabile dipendente più affidabile, ad esempio, per valutare il risultato35 o la configurazione ottimale degli impianti vestibolari.
The authors have nothing to disclose.
Siamo grati per il supporto fornito da Carlo Prelz della Piattaforma Tecnologica della Facoltà di Scienze Umane. Ringraziamo Noel Strahm per il suo contributo alla realizzazione delle scale.
6-DOF Motion Platform | MOOG | Models 170E122 or 170E131; Nov 12, 1999 | |
Headphones | Sony | WH-100XM3 | |
PlatformCommander | University of Bern | does not apply | Open Source control software: https://gitlab.com/KWM-PSY/platform-commander |
Response Buttons | Logitech | G F310 |