تقدير العتبات الإدراكية الدهليزية باستخدام منصة حركة بست درجات من الحرية
Summary
في هذه المقالة ، نصف الأساليب والإجراءات والتقنيات المطلوبة لتقدير العتبات الإدراكية الدهليزية باستخدام منصة حركة من ست درجات من الحرية.
Abstract
تشير العتبات الإدراكية الدهليزية إلى شدة الحركة المطلوبة لتمكين المشارك من اكتشاف الحركة أو تمييزها بناء على المدخلات الدهليزية. باستخدام ملامح الحركة السلبية التي توفرها ست منصات درجة من الحركة ، يمكن تقدير العتبات الإدراكية الدهليزية لأي نوع من الحركة وبالتالي استهداف كل مكون من المكونات الفرعية للعضو النهائي الدهليزي. تعتبر تقييمات العتبات الدهليزية ذات صلة سريريا لأنها تكمل أدوات التشخيص مثل الري بالسعرات الحرارية ، أو اختبار نبض الرأس (HIT) ، أو الإمكانات العضلية الدهليزية المستثارة (VEMPs) ، والتي توفر فقط معلومات عن المكونات الفرعية للنظام الدهليزي ، ولكن لا يسمح أي منها بتقييم جميع المكونات. هناك عدة طرق ذات مزايا وعيوب مختلفة لتقدير العتبات الإدراكية الدهليزية. في هذه المقالة ، نقدم بروتوكولا باستخدام خوارزمية الدرج التكيفي وملفات تعريف الحركة الجيبية لإجراء تقدير فعال. تأخذ خوارزميات الدرج التكيفي في الاعتبار تاريخ الاستجابة لتحديد سرعة الذروة للمنبهات التالية وهي الخوارزميات الأكثر استخداما في المجال الدهليزي. نناقش كذلك تأثير تردد الحركة على العتبات الإدراكية الدهليزية.
Introduction
يتكون العضو النهائي الدهليزي البشري من خمسة مكونات ، كل منها محسن للكشف عن مكون معين من طيف الحركة الطبيعية. يتم توجيه القنوات نصف الدائرية الثلاث بشكل متعامد تقريبا مع بعضها البعض ، مما يسمح لها باكتشاف دوران الرأس حول ثلاثة محاور. يرافق القنوات جهازان من البقعة لتسجيل التسارع الانتقالي على طول المحور الرأسي أو في المستوى الأفقي1. يمكن أن يؤدي الانخفاض الوظيفي أو الخسارة في كل مكون من المكونات الخمسة إلى أعراض حادة مثل الدوخة والدوار وعدم التوازن وزيادة خطر السقوط2. ومع ذلك ، فإن التقييم الموضوعي لوظيفة جميع المكونات بشكل منفصل مهمة شاقة وتتطلب تقييمات متعددة3. على سبيل المثال ، يتم تقييم حالة القناة الأفقية عادة من خلال الري بالسعرات الحرارية واختبار نبضات الرأس (HIT). المعيار الذهبي الحالي لتقييم أعضاء البقعة هو الإمكانات العضلية الدهليزية المثارة (VEMPs). من خلال الجمع بين التقييمات المتعددة ، يصل الأطباء إلى صورة أكثر اكتمالا للحالة الدهليزية التي يمكنهم من خلالها استخلاص خيارات التشخيص والعلاج.
النهج الواعد لقياس الأداء الدهليزي هو العتبات الإدراكية الدهليزية ، والتي توفر مقياسا موضوعيا وكميا لأدنى كثافة للحركة الذاتية التي يمكن اكتشافها أو تمييزها بشكل موثوق من قبل المشارك. على الرغم من أن إجراءات العتبة الإدراكية راسخة في بعض التخصصات السريرية (مثل علم السمع) ، إلا أن العتبات الدهليزية الإدراكية لم تستخدم بعد لأغراض التشخيص في المجال الدهليزي4. أحد أسباب ذلك هو عدم توفر منصات الحركة والبرامج سهلة الاستخدام. من حيث المبدأ ، يمكن استخدام منصات الحركة والكراسي الدوارة لتقدير العتبة. ومع ذلك ، في حين أن منصات الحركة ذات الست درجات من الحرية (6DOF) مناسبة لتقدير العتبات لملفات تعريف الحركة المختلفة ، مما يتيح التحقيق في جميع المكونات الفرعية الخمسة للعضو الدهليزي ، لا يمكن استخدام الكراسي الدوارة إلا للوصول إلى الدورات في المستوى الأفقي (yaw) 1,4.
عادة ما يتم تقدير العتبات الدهليزية للترجمات على طول المحاور الرئيسية الثلاثة (الأنفية القذالية ، بين السمعية ، الرأس العمودي) وللدوران حولها (التثاؤب ، الملعب ، اللفة) ، كما هو موضح في الشكل 1. تعتمد العتبات الإدراكية الدهليزية أيضا على تردد التحفيز5. لحساب ذلك ، غالبا ما تستخدم ملفات تعريف الحركة ذات ملف تعريف التسارع الجيبي ، الذي يتكون من تردد واحد ، لتقدير العتبة ، ولكن تم أيضا استخدام ملفات تعريف أخرى6،7،8 في الماضي.
توفر العتبات الإدراكية الدهليزية أداة لدراسة التفاعل بين الإحساس الدهليزي والعمليات المعرفية العليا. وبالتالي ، فإن العتبات تكمل التقييمات السريرية مثل HIT ، والري بالسعرات الحرارية ، والإمكانات الدهليزية المستثارة ، والتي تعتمد على آليات (أقواس منعكسة) تتجاوز القشرة. بالإضافة إلى ذلك ، تقوم العتبات الإدراكية الدهليزية المقدرة على منصة الحركة بتقييم الوظيفة الدهليزية في بيئة صالحة بيئيا9 ، بدلا من استخدام التحفيز الاصطناعي ، الذي يقدم صراعات متعددة الحواس1.
نظرا للطبيعة ثنائية الاتجاه للمنبهات الدهليزية10 ، من الشائع تقدير التمييز الدهليزي بدلا من عتبات الكشف4. أثناء مهمة التمييز ، يدرك المشارك حافزا ويجب أن يقرر الفئة التي ينتمي إليها. على سبيل المثال ، يجب على المشاركين أن يقرروا في أي اتجاه يتم نقلهم (على سبيل المثال ، يسار / يمين). الإطار النظري لتقدير العتبة هو نظرية الكشف عن الإشارة10,11. يمكن تقدير عتبات التمييز باستخدام مناهج مختلفة ، ولكن في المجال الدهليزي ، تكون إجراءات الدرج التكيفي هي المعيار. في إجراء الدرج التكيفي ، تعتمد شدة الحركة اللاحقة ، عادة سرعة الذروة ، على استجابة المشاركين (صحيحة / غير صحيحة) للحافز / المحفزات الأخيرة. يمكن تنفيذ إجراءات الدرج التكيفي بعدة طرق12 ، ولكن الخوارزمية الأكثر استخداما في البحث الدهليزي هي إجراءات x-down / y-up بأحجام خطوات ثابتة. على سبيل المثال ، في درج ثلاثي لأسفل / واحد لأعلى ، يتم تقليل شدة التحفيز بعد أن يعطي المشارك إجابات صحيحة في ثلاث تجارب لاحقة ، ولكن تزداد الشدة كلما تم تقديم إجابة غير صحيحة (الشكل 2). يتيح التحديد الدقيق ل x و y في درج x-down / y-up للمرء استهداف قيم عتبة مختلفة (النسبة المئوية للاستجابات الصحيحة)13. يستهدف الدرج المكون من ثلاثة إلى أسفل / واحد لأعلى الشدة حيث يستجيب المشاركون بشكل صحيح في 79.4٪ من التجارب. إلى جانب إجراءات الدرج التكيفي ، استخدمت دراسات أخرى14 شدة محددة مسبقا وثابتة لتقديرات العتبة. يسمح استخدام الشدة الثابتة بتقدير الوظيفة السيكومترية بأكملها ، والتي تحتوي على معلومات أكثر بكثير من قيمة عتبة واحدة. ومع ذلك ، فإن إجراءات الكثافة الثابتة تستغرق وقتا طويلا وأقل كفاءة عندما تكون قيمة عتبة محددة فقط ذات أهمية.
توضح هذه المقالة بروتوكولا لتقدير عتبات التعرف الدهليزي باستخدام منصة حركة 6DOF وإجراء درج تكيفي.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح البروتوكول المقدم بتقدير موثوق وفعال للعتبات الإدراكية الدهليزية. البروتوكول مناسب لتقدير العتبة على طول المحاور التعسفية وحولها ويمكن تطبيقه على جميع ترددات التحفيز ذات الصلة (على سبيل المثال ، 0.1-5 هرتز). على الرغم من أننا نقدم البيانات باستخدام إجراء درج تكيفي قياسي ثلاثي / واحد لأعلى ، يمكن أيضا استخدام البروتوكول لإجراءات تقدير أخرى أكثر كفاءة12 ، بما في ذلك الكثافة الثابتة ، أو التحويل / الترجيح لأعلى / لأسفل ، أو نهج بايزي (على سبيل المثال ، Quest18). مناقشة شاملة للخوارزميات المتاحة خارج نطاق المخطوطة المقدمة ، ولكن يمكن العثور على مقارنة ممتازة للنظرية والمحاكاة والبيانات الفعلية في مكان آخر19. تعتبر إجراءات التقدير الفعالة ذات أهمية كبيرة في السياق السريري ، حيث يكون الوقت محدودا ، ويتم حاليا إجراء بحث حول التقييمات الأسرع19,20.
مجال البحث الواعد هو تحديد ملفات تعريف حركة معينة ومعلمات أخرى ذات صلة سريريا مثل التوازن 2,21. يعد هذا الخط من البحث مهما لأنه يوفر إرشادات حول المحاور والترددات الأكثر قابلية للتنبؤ بالسلوك والأحداث ذات الصلة سريريا ، مثل خطر السقوط ، وبالتالي تقليل مساحة البحث في السياق السريري.
بمجرد توفر المعدات والبرامج والعمل على النحو المنشود ، هناك عاملان حاسمان لتقدير عتبة موثوق. أولا ، يجب على المجرب التأكد من أن المشارك يفهم المهمة ويظل يقظا طوال الإجراء بأكمله. بالنسبة لمعظم المحفزات (على سبيل المثال ، جميع الترجمات) ، تكون التعليمات واضحة وسهلة المتابعة. ومع ذلك ، بالنسبة لتناوب الملعب واللف ، يمكن أن تكون تعليمات الإجابة باليسار أو اليمين غامضة ، خاصة عندما يتم وضع محور الدوران على مستوى الرأس. في هذه الحالات ، تدور أجزاء الجسم فوق محاور الدوران (مثل الرأس) في الاتجاه المعاكس لأجزاء الجسم أسفل محاور الدوران (مثل القدمين). يمكن أن تكون المصطلحات يسار / يمين غامضة ، وقد يكون من المفيد أن تطلب من المشاركين تصنيف الحركات في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. من المهم شرح وممارسة كيف يتوقع من المشارك أن يحكم على محفزات الحركة. يعد وجود عدد كاف من تجارب الاختبار مهما بشكل خاص عند فحص المرضى أو كبار السن.
ثانيا، من المهم اختيار عدد كاف من التجارب حول العتبة. نوصي بمعيار الإنهاء التكيفي كعدد انعكاسات الشدة ، بدلا من عدد ثابت من التجارب التي استخدمها الآخرون 7,22. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يصبح استخدام عدد محدد مسبقا من التجارب غير فعال ويحمل خطر عدم تقارب الدرج عندما تكون شدة البداية بعيدة جدا عن العتبة. بشكل عام ، يلزم إجراء تجارب تجريبية لاختيار شدة البدء المعقولة ومعايير الإنهاء.
تهدف خوارزميات الدرج إلى تقدير نقطة واحدة على الوظيفة السيكومترية23,24. لذلك ، فإنها توفر معلومات محدودة لأن تحيزات الاستجابة وميل الوظيفة السيكومترية لا يمكن اشتقاقها من العتبة المقدرة. إذا كانت هذه المعلمات ذات أهمية ، فيمكن استخدام الشدة الثابتة لأخذ عينات على مدى فترة زمنية أكبر ، مما يسمح بملاءمة الوظيفة السيكومترية. على الرغم من أن مثل هذا الإجراء يستغرق وقتا أطول ، إلا أنه يسمح بإجراء تحليلات أكثر تعقيدا يمكن أن توفر رؤى قيمة14,25. بدلا من ذلك ، يمكن استخدام خوارزميات تقدير الانحدار التكيفية13.
أحد الجوانب المهمة في تقدير عتبات الإدراك الدهليزي هو تقليل الإشارات من الأنظمة الحسية الأخرى. لتحقيق ذلك ، عادة ما يتم إخفاء الضوضاء الناتجة عن المنصة بواسطة الضوضاء البيضاء. يعد تقليل الإشارات الحسية أو اللمسية أكثر صعوبة1 ، ولا يمكن تحقيقه إلا جزئيا لأن التسارع يتطلب قوة تعمل على الجسم ، مما سيؤدي حتما إلى تحفيز خارج الدهليزي. ومع ذلك ، غالبا ما تستخدم الوسائد لتقليل إشارات اللمس والحس العميق. وبالمثل ، فإن تثبيت الرأس مطلوب لضمان توجيه ثابت للأعضاء الدهليزية بالنسبة للحركة وللتأكد من أن ملف تعريف الحركة الذي يؤديه الرأس هو نفسه الذي تقوم به المنصة ، دون أي ترشيح من قبل الجسم يحدث في ظل ظروف حركة غير مقيدة26.
في هذه المرحلة الزمنية ، تستخدم العتبات الإدراكية الدهليزية في الغالب في البحوث الأساسية. أظهرت الدراسات أن العتبات الدهليزية تزداد مع سن 27,28 ، وتعتمد على الاتجاه 20,28 وتردد الحركة 5,29. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام العتبات الإدراكية لتوثيق أول دليل على التعلم الإدراكي في المجال الدهليزي14.
أظهرت الدراسات التي قارنت المرضى الذين يعانون من اضطرابات دهليزية بضوابط صحية عتبات إدراكية دهليزية متغيرة بما يتماشى مع أمراضهم. على سبيل المثال ، تم زيادة العتبات في المرضى الذين يعانون من الفشل الدهليزي29،30،31 ، وظهر ميل إلى تقليل العتبات أو حتى فرط الحساسية في المرضى الذين يعانون من الصداع النصفي الدهليزي 31،32. تشير هذه الدراسات إلى إمكانية التطبيقات السريرية ، وناقشت مراجعة حديثة4 قابلية تطبيق وفائدة العتبات الإدراكية الدهليزية في التشخيص السريري. أحد الجوانب المهمة هو أن العتبات الإدراكية تضيف خصائص فريدة إلى صندوق أدوات الطبيب. تستخدم الإجراءات القياسية (HIT ، VEMP ، الري بالسعرات الحرارية) مسارات مباشرة من الأعضاء النهائية الدهليزية إلى عضلات العينين أو عنق الرحم. وبالتالي ، فإنها لا توفر إمكانية التحقيق في سلسلة المعلومات إلى القشرة المخية الجديدة. من ناحية أخرى ، يتضمن تقدير العتبات الإدراكية الدهليزية العمليات المعرفية التي تسمح باختبار النظام الدهليزي من زاوية مختلفة ، والتي قد تكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص في سياق الدوخة الإدراكية الوضعية المستمرة (PPPD). عيب في الإجراء المقدم هو عدم قدرته على اكتشاف عدم التماثل الاتجاهي ، والذي أبلغ عنه آخرون33.
العتبات الإدراكية الدهليزية هي أيضا ذات أهمية في تقييم ورصد التدخلات (العلاجية). تستخدم العديد من الدراسات خطر السقوط كنقطة نهاية في تقييم فعالية العلاج. ومع ذلك ، نظرا لإثبات وجود علاقة بين العتبات الدهليزية حول محور التدحرج وخطر السقوط2 والأداء أثناء مهام التوازن34 ، يمكن استخدام العتبات كمتغير تابع أكثر موثوقية ، على سبيل المثال ، لتقييم النتيجة35 أو التكوين الأمثل للغرسات الدهليزية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نحن ممتنون للدعم الذي قدمه كارلو بريلز من منصة التكنولوجيا التابعة لكلية العلوم الإنسانية. نشكر نويل ستراهم على مساهمته في تنفيذ الدرج.
Materials
| 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 |
References
- Ertl, M., Boegle, R. Investigating the vestibular system using modern imaging techniques-A review on the available stimulation and imaging methods. Journal of Neuroscience Methods. 326, 108363 (2019).
- Beylergil, S. B., Karmali, F., Wang, W., Bermúdez Rey, M. C., Merfeld, D. M. Vestibular roll tilt thresholds partially mediate age-related effects on balance. Progress in Brain Research. 248, 249-267 (2019).
- Brandt, T., Dieterich, M., Strupp, M. . Vertigo and Dizziness. , (2013).
- Kobel, M. J., Wagner, A. R., Merfeld, D. M., Mattingly, J. K. Vestibular thresholds: A review of advances and challenges in clinical applications. Frontiers in Neurology. 12, 643634 (2021).
- Grabherr, L., Nicoucar, K., Mast, F. W., Merfeld, D. M. Vestibular thresholds for yaw rotation about an earth-vertical axis as a function of frequency. Experimental Brain Research. 186 (4), 677-681 (2008).
- Seemungal, B. M., Gunaratne, I. A., Fleming, I. O., Gresty, M. A., Bronstein, A. M. Perceptual and nystagmic thresholds of vestibular function in yaw. Journal of Vestibular Research: Equilibrium and Orientation. 14 (6), 461-466 (2004).
- Gianna, C., Heimbrand, S., Gresty, M. Thresholds for detection of motion direction during passive lateral whole-body acceleration in normal subjects and patients with bilateral loss of labyrinthine function. Brain Research Bulletin. 40 (5-6), 443-447 (1996).
- Soyka, F., Robuffo Giordano, P., Beykirch, K., Bülthoff, H. H. Predicting direction detection thresholds for arbitrary translational acceleration profiles in the horizontal plane. Experimental Brain Research. 209 (1), 95-107 (2011).
- Ertl, M., et al. The cortical spatiotemporal correlate of otolith stimulation: Vestibular evoked potentials by body translations. NeuroImage. 155, 50-59 (2017).
- Merfeld, D. M. Signal detection theory and vestibular thresholds: I. Basic theory and practical considerations. Experimental Brain Research. 210 (3), 389-405 (2011).
- Kay, S. M. . Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory. , (1998).
- Kingdom, F. A. A., Prins, N. . Psychophysics: A Practical Introduction. , (2016).
- Leek, M. R. Adaptive procedures in psychophysical research. Perception & Psychophysics. 63 (8), 1279-1292 (2001).
- Klaus, M. P., et al. Roll tilt self-motion direction discrimination training: First evidence for perceptual learning. Attention, Perception & Psychophysics. 82 (4), 1987-1999 (2020).
- Ertl, M., Prelz, C., Fitze, D. C., Wyssen, G., Mast, F. W. PlatformCommander-An open source software for an easy integration of motion platforms in research laboratories. SoftwareX. 17, 100945 (2022).
- Ertl, M., Prelz, C., Fitze, D. C., Wyssen, G., Mast, F. W. . Manual PlatformCommander Version 0.9. , (2021).
- . 3D Models of 6dof motion Available from: https://zenodo.org/record/6035612 (2022)
- Watson, A. B., Pelli, D. G. QUEST: A general multidimensional Bayesian adaptive psychometric method. Perception & Psychophysics. 33 (2), 113-120 (1983).
- Karmali, F., Chaudhuri, S. E., Yi, Y., Merfeld, D. M. Determining thresholds using adaptive procedures and psychometric fits: evaluating efficiency using theory, simulations, and human experiments. Experimental Brain Research. 234 (3), 773-789 (2016).
- Dupuits, B., et al. A new and faster test to assess vestibular perception. Frontiers in Neurology. 10, 707 (2019).
- Karmali, F., Rey, M. C. B., Clark, T. K., Wang, W., Merfeld, D. M. Multivariate analyses of balance test performance,vestibular thresholds, and age. Frontiers in Neurology. 8, 578 (2017).
- Keywan, A., Wuehr, M., Pradhan, C., Jahn, K. Noisy galvanic stimulation improves roll-tilt vestibular perception in healthy subjects. Frontiers in Neurology. 9, 83 (2018).
- Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: I. Fitting, sampling, and goodness of fit. Perception & Psychophysics. 63 (8), 1293-1313 (2001).
- Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: II. Bootstrap-based confidence intervals and sampling. Perception & Psychophysics. 63 (8), 1314-1329 (2001).
- Zupan, L. H., Merfeld, D. M. Interaural self-motion linear velocity thresholds are shifted by roll vection. Experimental Brain Research. 191 (4), 505-511 (2008).
- Carriot, J., Jamali, M., Cullen, K. E., Chacron, M. J. Envelope statistics of self-motion signals experienced by human subjects during everyday activities: Implications for vestibular processing. PLoS ONE. 12 (6), 0178664 (2017).
- Agrawal, Y., et al. Decline in semicircular canal and otolith function with age. Otology & Neurotology. 33 (5), 832-839 (2012).
- Rey, M. C. B., et al. Vestibular perceptual thresholds increase above the age of 40. Frontiers in Neurology. 7, 162 (2016).
- Lim, K., Karmali, F., Nicoucar, K., Merfeld, D. M. Perceptual precision of passive body tilt is consistent with statistically optimal cue integration. Journal of Neurophysiology. 117 (5), 2037-2052 (2017).
- Agrawal, Y., Bremova, T., Kremmyda, O., Strupp, M. Semicircular canal, saccular and utricular function in patients with bilateral vestibulopathy: analysis based on etiology. Journal of Neurology. 260 (3), 876-883 (2013).
- Bremova, T., et al. Comparison of linear motion perception thresholds in vestibular migraine and Menière’s disease. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 273 (10), 2931-2939 (2016).
- King, S., et al. Self-motion perception is sensitized in vestibular migraine: pathophysiologic and clinical implications. Scientific Reports. 9 (1), 1-12 (2019).
- Roditi, R. E., Crane, B. T. Directional asymmetries and age effects in human self-motion perception. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 13 (3), 381-401 (2012).
- Kobel, M. J., Wagner, A. R., Merfeld, D. M. Impact of gravity on the perception of linear motion. Journal of Neurophysiology. 126 (3), 875-887 (2021).
- Chow, M. R., et al. Posture, gait, quality of life, and hearing with a vestibular implant. New England Journal of Medicine. 384 (6), 521-532 (2021).
