גרסאות מתוקנות ותואמי דימות מוחי של מסך המשימה הכפולה
Summary
פיתחנו את מסך המשימה הכפולה (DTS) המקורי כאמצעי נייד בעלות נמוכה שיכול להעריך ספורטאים עם פגיעה מוחית טראומטית קלה הנגרמת על ידי ספורט. תיקנו את ה-DTS המקורי לשימוש קליני עתידי ופיתחנו גרסה תואמת דימות מוחי של ה-DTS למדידת בסיסים עצביים של ביצועי משימה יחיד וכדואלי.
Abstract
פרדיגמות משימה כפולה בו זמנית להעריך יכולות מוטוריות וקוגניטיביות, והם יכולים לזהות עדין, שאריות ליקויים ספורטאים עם פגיעה מוחית טראומטית קלה לאחרונה (mTBI). עם זאת, פרדיגמות המשימה הכפולה בעבר התמקדו אך ורק במיומנויות גפיים נמוכות יותר והסתמכו על ציוד מעבדה מסורבל ויקר – ובכך הגבילו את המעשיות שלהם להערכת mTBI יומיומית. לאחר מכן, פיתחנו את מסך המשימה הכפולה (DTS), שלוקח <10 דקות לנהל ולהבקיע, משתמש בציוד נייד בעלות נמוכה, וכולל תת פעילויות בגפיים התחתונות (LE) ובגפיים העליונות (UE). מטרת כתב היד הזה הייתה כפולה. ראשית, אנו מתארים את פרוטוקול הניהול עבור DTS המתוקן, אשר תיקנו כדי לטפל במגבלות של DTS המקורי. באופן ספציפי, התיקונים כללו תוספות של מכשירים חכמים כדי לרכוש נתוני הליכה מפורטים יותר והכללה של תנאים קוגניטיביים בודדים כדי לבדוק ביצועים קוגניטיביים משובשים בתנאי משימה כפולה. חשוב לציין, DTS המתוקן הוא מדד המיועד לשימוש קליני עתידי, ואנו מציגים תוצאות מייצגות משלושה ספורטאים גברים כדי להמחיש את סוג הנתונים הקליניים שניתן לרכוש מהמדד. חשוב לציין, יש לנו עדיין להעריך את הרגישות והספציפיות של DTS המתוקן ספורטאים עם mTBI, שהיא יוזמת המחקר הבאה. המטרה השנייה של כתב יד זה היא לתאר גרסה תואמת דימות מוחי של DTS. פיתחנו גרסה זו כדי שנוכל להעריך את היסודות העצביים של ביצועי משימה יחיד וכפילי, להבנה אמפירית טובה יותר של הגירעונות ההתנהגותיים הקשורים ל- mTBI. לפיכך, כתב יד זה מתאר גם את הצעדים שנקטנו כדי לאפשר מדידת ספקטרוסקופיה כמעט אינפרא-אדום פונקציונלית בו זמנית (fNIRS) במהלך ה- DTS, יחד עם האופן שבו רכשנו והשלמנו עיבוד ברמה הראשונה של נתוני fNIRS.
Introduction
בכל שנה, 42 מיליון אנשים ברחבי העולם סובלים מפגיעות מוח טראומטיות קלות (mTBIs)1. למרות שפעם נחשב שפיר, מחקר חדש מציין כי mTBIs, במיוחד mTBIs לחזור, יכול לעורר השלכות שליליות מתמשכות, כגון הפרעות פיזיות, קוגניטיביות, ושינה2,3,4. לאחר מכן, חוקרים וקלינאים מחפשים הערכות משופרות ושיטות טיפול כדי להבין ולטפל mTBI.
עד כה, שיטת העבודה הטובה ביותר להערכת mTBI כוללת סימפטומים שדווחו על ידי עצמם ומדידה אובייקטיבית של תפקוד נוירוקוגניטיבי ומוטורי5. עם זאת, אנשים מסוימים, כמו ספורטאים ברמת קולג’ים תחרותיים, ידועים בתת דיווח סימפטומים הקשורים mTBI6, הגבלת התועלת של דוחות סימפטום. אמצעים אובייקטיביים neurocognitive ותפקוד מוטורי יש גם מגבלות, כולל אמינות בדיקה חוזרת ירודה, הסתמכות על בדיקות בסיסיות, או קושי מספיק עבור ספורטאים בעלי ביצועים גבוהים7,8,9. עם זאת, פרדיגמות משימה כפולה – אשר בו זמנית להעריך יכולות מוטוריות וקוגניטיביות – יכול לזהות עדין, ליקויים שיורית עשוי להיות שימושי במיוחד להערכת ספורטאים בעלי ביצועים גבוהים10,11,12,13,14.
מחקרים קודמים שהשתמשו בפרדיגמות של משימות כפולות שילבו לעתים קרובות ציוד מעבדה מסורבל ויקר, כגון מערכות לכידתתנועה 14, כדי להעריך ספורטאים בעלי ביצועים גבוהים. בעוד שמערכות אלה יכולות למדוד במדויק ליקויים מוטוריים עדינים, הן אינן מעשיות לשימוש בהערכת mTBI יומיומית בשל עלות ציוד גבוהה, ניידות מוגבלת ותקופות ניהול ארוכות (כלומר, ≥ 45 דקות לאדם). יתר על כן, מחקרים רבים בעבר פרדיגמה משימה כפולה התמקדו אך ורק על פלג הגוף התחתון או מיומנויות גפיים תחתון, כגון איזון אוהליכה 11,12,13,14. ניתן לטעון כי תפקוד הגפיים העליונות וקואורדינציה של עין-יד חשובים גם לספורטאים בעלי ביצועים גבוהים בספורט רבים. לכן, פיתחנו את מסך המשימה הכפולה (DTS), שהוא מדד קצר שנועד להינתן ולהבקיע ב – <10 דקות עם מכשירים ניידים וזולים. DTS מקורי זה כלל תת-פעילות של קיצוניות תחתונה (LE) וגפיים עליונות (UE), אשר העריכו את מהירות ההליכה (באמצעות סטופר) ותיאום עין-יד בתנאי מנוע יחיד ומשימות כפולות15.
במחקר ההיתכנות הראשון, 32 משתתפות מתבגרות בריאות ונשים השלימו את ה-DTS המקורי. מחקר זה נועד לקבוע כי DTS יכול לעורר עלויות מנוע משימה כפולה, כפי שצוין על ידי ביצועים מוטוריים מופחתים במהלך משימה כפולה לעומת תנאי מנוע יחיד. ביקשנו גם לקבוע כי DTS יכול להיות מנוהל והבקיע בתוך פחות מ 10 דקות. גילינו שלכל המשתתפים היו ביצועים ירודים יותר של מנוע משימה כפולה בתת פעילות אחת לפחות. בנוסף, הצלחנו לנהל את DTS בממוצע של 5.63 דקות ולהבקיע את המבחן ב 2-3 דקות15.
למרות שמבחן ההיתכנות הראשון הצליח, התגלו כמה מגבלות. בעיקר, מהירות ההליכה נמדדה עם סטופרים, אשר נוטים לטעות אנוש טבעית. לכן, ב- DTS המתוקן השתמשנו במכשירים חכמים עם מדי תאוצה מובנים (טבלת חומרים) על כל קרסול. תוספת זו שמרה על השימוש במכשירים ניידים וזולים ועדיין סיפקה מדדים מתוחכמים של מהירות הליכה, מספר כולל של צעדים, אורך צעד ממוצע, משך צעד ממוצע ושונות משך הצעד. מגבלה נוספת של DTS המקורי היה היעדר תנאים קוגניטיביים בודדים, אשר מנע הערכה של עלויות קוגניטיביות משימה כפולה. עלויות קוגניטיביות של משימות כפולות מוגדרות כביצועים קוגניטיביים ירודים יותר במהלך המשימה הכפולה לעומת מצב קוגניטיבי יחיד. לאחר מכן, עבור תת הפעילויות LE ו- UE, הוספנו מצב קוגניטיבי יחיד (המתואר בפרוטוקול).
בנוסף לפיתוח מדד לשימוש קליני עתידי, אחת המטרות ארוכות הטווח של הקבוצה היא להעריך את היסודות העצביים של ביצועי משימה יחיד וכפילי בספורטאים בריאים ולהשוות ממצאים אלה לספורטאים עם mTBI הנגרמת על ידי ספורט. לכן, יצרנו גרסה תואמת הדמיה מוחית של DTS. אנו מבקשים לקבוע אם ניתן לשנות בהצלחה את ה- DTS לשימוש עם מדידת ספקטרוסקופיה כמעט אינפרא-אדום פונקציונלית בו-זמנית (fNIRS), ואנו משתמשים בהתקן fNIRS נייד שתוכנן במיוחד כדי להתאים לתנועה מוטורית ברוטו על-ידי הפחתת ההשפעה של ממצאי תנועה. כמו כן, למכשיר זה יש את הכמות הגדולה ביותר של כיסוי ראש, למיטב ידיעתנו, עבור מכשירים ניידים הזמינים כיום למטרות מחקר(טבלת החומרים).
לסיכום, פרוטוקול המחקר נועד לבצע את הפעולות הבאות:
- תאר את פרוטוקול הניהול עבור מסך המשימה הכפולה (DTS) המתוקן, שהוא מדד שעצבנו מחדש כדי להתמודד עם המגבלות של DTS15 המקורי ומדד המיועד לשימוש קליני עתידי.
- תאר את פרוטוקול המחקר עבור מסך המשימה הכפולה (DTS) התואם להמחשת המוח, אשר תכננו להעריך את היסודות העצביים של ביצועי משימה יחיד וכפילי.
Protocol
Representative Results
Discussion
בכתב יד זה, תיארנו את פרוטוקול הניהול עבור מסך המשימה הכפולה (DTS) החדש ששונה. תיקונים אלה הושלמו כדי לטפל במגבלות שזוהו ב- DTS15 המקורי וכללו תוספת של תנאים קוגניטיביים יחידים לבדיקת עלויות קוגניטיביות של משימות כפולות. הוא כלל גם תאוצה מבוססת מכשיר חכם כדי למדוד במדויק יותר מאפי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנחנו רוצים להודות לגברת איזבל בות’, סטודנטית מצטיינת מאוניברסיטת קולורדו שסייעה בניתוח נתוני תאוצה. ברצוננו גם לאשר מימון מ NIH K12 HD055931 ו K01 HD096047-02 שהונפקו המחבר 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 |
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).
