כלי מציאות מדומה להערכת הזנחה מרחבית חד-צדדית: הזדמנות חדשנית לאיסוף נתונים
Summary
המטרה הייתה לעצב, לבנות ולנהל משימת מציאות מדומה חדשנית כדי לזהות ולאפיין הזנחה מרחבית חד-צדדית, תסמונת המשפיעה על 23-46% מניצולי שבץ חריף, הרחבת תפקידה של המציאות המדומה במחקר וניהול של מחלות נוירולוגיות.
Abstract
הזנחה מרחבית חד-צדדית (USN) היא תסמונת המאופיינת בחוסר תשומת לב או חוסר מעש בצד אחד של החלל ומשפיעה בין 23-46% מניצולי השבץ החריף. האבחון והאפיון של תסמינים אלה בחולים בודדים יכול להיות מאתגר ולעתים קרובות דורש צוות קליני מיומן. מציאות מדומה (VR) מהווה הזדמנות לפתח כלי הערכה חדשניים עבור חולים עם USN.
מטרתנו לעצב ולבנות כלי VR כדי לזהות ולאפיין תסמיני USN עדינים, ולבדוק את הכלי על נושאים שטופלו בגירוי מגנטי טרנס-גולגולתי מעכב (TMS) של אזורים בקליפת המוח הקשורים ל- USN.
יצרנו שלושה תנאים ניסיוניים על ידי החלת TMS על שני אזורים שונים של קליפת המוח הקשורים לעיבוד visuospatial – gyrus הטמפורלי מעולה (STG) ואת gyrus supramarginal (SMG) – ויישמנו TMS מזויף כפקד. לאחר מכן הצבנו את הנבדקים בסביבת מציאות מדומה שבה התבקשו לזהות את הפרחים עם אסימטריות רוחביות של פרחים המופצים על פני שיחים בשני המיים, עם קושי דינמי להתאים בהתבסס על הביצועים של כל נושא.
מצאנו הבדלים משמעותיים בפטפוט הראש הממוצע בין נושאים מגורה ב STG ואלה מגורה ב SMG ואפקטים משמעותיים שוליים בציר החזותי הממוצע.
טכנולוגיית VR הופכת לנגישה יותר, זולה וחזקה יותר, ומציגה הזדמנות מרגשת ליצור כלים שימושיים וחדשניים דמויי משחק. בשילוב עם TMS, כלים אלה יכולים לשמש כדי ללמוד ליקויים נוירולוגיים ספציפיים, מבודדים, מלאכותיים בנושאים בריאים, ליידע את יצירת כלי אבחון מבוססי VR עבור חולים עם ליקויים עקב פגיעה מוחית נרכשת. מחקר זה הוא הראשון לידע שלנו שבו נוצר באופן מלאכותי תסמיני USN הוערכו עם משימת VR.
Introduction
הזנחה מרחבית חד-צדדית (USN) היא תסמונת המאופיינת בחוסר תשומת לב או חוסר מעש בצד אחד של החלל המשפיעה על בין 23-46% מניצולי השבץ החריף, לרוב כרוכה בפגיעה בחצי הכדור המוחי הימני וכתוצאה מכך נטייה להתעלם מהצד השמאלי של החלל ו/או מגופו של הניצול 1,2. למרות שרוב החולים עם USN חווים התאוששות משמעותית בטווח הקצר, תסמיני USN עדינים לעתים קרובות נמשכים3. USN יכול להגביר את הסיכון למטופל לנפילות ולעכב פעילויות של חיי היומיום2,4 הוכח גם להשפיע לרעה הן על תוצאות פונקציונליות מוטוריות והן גלובליות 5,6.
ניתן להמשיג ליקויים ב- USN כקיימים על פני ממדים מרובים, כגון אם אדם מתעלם מצד אחד של החלל ביחס לגופו (אגוצנטרי) או ביחס לגירוי חיצוני (אלוקנטי)7,8,9, או אם אדם אינו מסוגל להפנות את תשומת הלב שלו (תשומת לב) או פעולות (מכוונות) כלפי צד אחד של החלל10 . חולים לעתים קרובות להפגין קבוצת כוכבים מורכבת של סימפטומים שניתן לאפיין לאורך יותר מאחד הממדים האלה. שונות זו של תסמונות USN נחשבת לנבוע בדרגות שונות של פגיעה למבנים נוירואנטומיים ספציפיים ורשתות עצביות, שהם מורכבים11. הזנחה אלוקנטרית נקשרה לנגעים של gyrus זוויתי (AG) ו gyrus זמני מעולה (STG), בעוד קליפת המוח הקודקודית האחורית (PPC) כולל gyrus supramarginal (SMG) כבר מעורב בעיבוד אגוצנטרי12,13,14,15. הזנחה תשומת לב נחשבת כרוכה נגעים IPL16 הנכון, בעוד הזנחה מכוונת נחשב משנית לנזק של האונה הקדמית הימנית17 או הגרעינים הבסיסיים18.
הערכה קלינית של USN מסתמכת כיום על מכשירים נוירופסיכולוגיים עט ונייר. כלי הערכה קונבנציונליים אלה עשויים להיות פחות רגישים מכלים מתוחכמים יותר מבחינה טכנולוגית, וכתוצאה מכך אבחנה שגויה או אבחון חסר של חלק מהחולים עם USN19. אפיון טוב יותר של ליקויים שיורית יכול להקל על מתן טיפול לחולים עם USN מתון יותר ואולי לשפר את ההתאוששות הכוללת שלהם, אבל אפיון כזה ידרוש כלי אבחון רגישים מאוד. USN מציב אתגרים דומים בסביבת המעבדה, שם זה יכול להיות קשה לבודד מן הליקויים המוטוריים והרואיים המלווים בדרך כלל USN בקרב חולי שבץ.
מציאות מדומה (VR) מציגה הזדמנות ייחודית לפתח כלים חדשים לאבחון ואפיון של USN. VR היא סביבה תלת-ממדית רב-חושית המוצגת בגוף ראשון עם אינטראקציות בזמן אמת שבהן אנשים מסוגלים לבצע משימות הכוללות אובייקטים תקפים מבחינה אקולוגית20. זהו כלי מבטיח להערכת USN; היכולת לשלוט במדויק במה שהמשתמש רואה ושומע מאפשרת למפתחים להציג מגוון רחב של משימות וירטואליות למשתמש. בנוסף, חבילות החומרה והתוכנה המתוחכמות הזמינות כיום מאפשרות איסוף בזמן אמת של שפע של נתונים על פעולות המשתמש, כולל תנועות עיניים, ראש וגפיים, העולות בהרבה על המדדים המוצעים על ידי בדיקות אבחון מסורתיות21. זרמי נתונים אלה זמינים באופן מיידי, מה שפותח את האפשרות להתאמה בזמן אמת של משימות אבחון המבוססות על ביצועי המשתמש (לדוגמה, מיקוד רמת הקושי האידיאלית עבור משימה נתונה). תכונה זו יכולה להקל על הסתגלות המשימה למגוון הרחב של חומרה לראות ב- USN, אשר נחשב לעדיפות בפיתוח של כלי אבחון חדשים עבור USN22. בנוסף, משימות VR סוחפות עשויות להטיל נטל מוגבר על משאבי הקשב של המטופלים23,24, וכתוצאה מכך שגיאות מוגברות אשר יכול להקל על זיהוי של תסמיני הזנחה; ואכן, כמה משימות VR הוכחו כרגישות מוגברת בהשוואה למדידות נייר ועפרונות קונבנציונליות של USN24,25.
במחקר זה, המטרה הייתה ליצור כלי הערכה שאינו דורש מומחיות בנוירולוגיה כדי לפעול וכי יכול לזהות ולאפיין באופן אמין אפילו מקרים עדינים של USN. בנינו משימה מבוססת מציאות מדומה, דמוית משחק. לאחר מכן אנו מושרים תסמונת דמוית USN בנושאים בריאים עם גירוי מגנטי transcranial (TMS), טכניקת גירוי מוחי לא פולשנית המשתמשת פולסים אלקטרומגנטיים הנפלטים סליל גירוי כף יד, אשר עוברים דרך הקרקפת והגולגולת של הנושא ולגרום זרמים חשמליים במוחו של הנבדק הממריצים נוירונים26,27. טכניקה זו נוצלה במחקר של USN על ידי אחרים13,17,28,29,30, אם כי למיטב ידיעתנו מעולם לא בשילוב עם כלי הערכה מבוסס VR.
חוקרים רבים כבר עובדים על יישומים אבחוניים וטיפוליים של מערכות VR. ביקורות אחרונות31,32 בחנו מספר פרויקטים שמטרתם הערכה של USN עם טכניקות מבוססות VR, ומספר מחקרים אחרים במטרה זו פורסמו 33,34,34,35,36,36,37,38,39,40,41 . רוב המחקרים הללו אינם מנצלים את ההשלמה המלאה של טכנולוגיית VR הזמינה כיום לשוק הצרכני (למשל, תצוגה המותקנת על הראש (HMD) ותוספות למעקב אחר העיניים), ומגבילים את ערכות הנתונים שלהם למספר קטן יותר של מדדים הניתנים לכימות בקלות. בנוסף, כל המחקרים הללו בוצעו על חולים עם פגיעה מוחית נרכשת המובילה ל- USN, הדורשים שיטות סינון כדי להבטיח כי חולים יכולים לפחות להשתתף במשימות ההערכה (למשל, למעט חולים עם ליקויים גדולים בשדה הראייה או ליקוי קוגניטיבי). ייתכן כי ליקויים קוגניטיביים, מוטוריים או חזותיים עדינים יותר עברו מתחת לסף של שיטות סינון אלה, ואולי מבלבלים את התוצאות של מחקרים אלה. ייתכן גם כי הקרנה כזו מוטה את הדגימות של המשתתפים במחקרים אלה כלפי תת סוג מסוים של USN.
כדי למנוע את הטיות הסינון של מחקרים קודמים, גייסנו נושאים בריאים וסימני USN מדומים באופן מלאכותי עם פרוטוקול TMS סטנדרטי המתואר היטב בכתב יד האחרון15, במטרה לגרום לתסמינים דמויי USN אלוקנטריים על ידי מיקוד STG ותסמינים דמויי USN אגוצנטריים על ידי מיקוד SMG. עיצבנו את המשימה כדי להתאים באופן פעיל את ניסוי הקושי שלה לניסוי ולהבדיל בין תת-סוגים שונים של USN, במיוחד סימפטומים אלוקנטריים לעומת אגוצנטריים. השתמשנו גם בנייר סטנדרטי & הערכות עפרונות של USN כדי להוכיח באופן רשמי כי הגירעונות שגרמנו עם rTMS הם כמו USN. אנו מאמינים שהשיטה תהיה שימושית לחוקרים אחרים שרוצים לבחון כלי VR חדשניים להערכה ושיקום של USN.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצלחנו לגרום ולמדוד תסמיני USN עם TMS ו- VR, בהתאמה. אמנם לא היו לנו תוצאות משמעותיות בהשוואה לניסויים מזויפים, אך הצלחנו להשוות מדדים מרובים של הזנחה אגוצנטרית (זווית ראש ממוצעת, זמן שהוקדש להתבוננות בפרחים ב- STMISPACE) והזנחה אלוקנטרית (ביצועים בבחירת פרחים עם עלי כותרת אסימטריים בצד שמאל לעומת צ…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי קרן המחקר האוניברסיטאית (URF) מאוניברסיטת פנסילבניה, ומלגות הסטודנטים של איגוד הלב האמריקאי למחלות כלי דם ושבץ מוחי. תודה מיוחדת לחוקרים, לרופאים ולצוות המעבדה לקוגניציה וגירוי עצבי על תמיכתם המתמשכת.
Materials
| AirFilm Coil (AFC) Rapid Version | Magstim | N/A | Air-cooled TMS coil |
| Alienware 17 R4 Laptop | Dell | N/A | NVIDIA GeForce GTX 1060 (full specs at https://topics-cdn.dell.com/pdf/alienware-17-laptop_users-guide_en-us.pdf) |
| BrainSight 2.0 TMS Neuronavigation Software | Rogue Research Inc | N/A | TMS neural targeting software |
| CED 1902 Isolated pre-amplifier | Cambridge Electronic Design Limted | N/A | EMG pre-amplifier |
| CED Micro 401 mkII | Cambridge Electronic Design Limted | N/A | Multi-channel waveform data acquisition unit |
| CED Signal 5 | Cambridge Electronic Design Limted | N/A | Sweep-based data acquisition and analysis software. Used to measure TMS evoked motor responses. |
| HTC Vive Binocular Add-on | Pupil Labs | N/A | HTC Vive, Vive Pro, or Vive Cosmos eye tracking add-on with 2 x 200Hz eye cameras. |
| Magstim D70 Remote Coil | Magstim | N/A | Hand-held TMS coil |
| Magstim Super Rapid 2 plus 1 | Magstim | N/A | Transcranial Magnetic Stimulation Unit |
| Unity 2018 | Unity | N/A | cross-platform VR game engine |
| Vive Pro | HTC Vive | N/A | VR hardware system with external motion sensors; 1440×1600 pixels per eye, 90 Hz refresh rate, 110° FoV |
Referenzen
- Heilman, K. M., Bowers, D., Coslett, H. B., Whelan, H., Watson, R. T. Directional Hypokinesia: Prolonged Reaction Times for Leftward Movements in Patients with Right Hemisphere Lesions and Neglect. Neurology. 35 (6), 855-859 (1985).
- Paolucci, S., Antonucci, G., Grasso, M. G., Pizzamiglio, L. The Role of Unilateral Spatial Neglect in Rehabilitation of Right Brain-Damaged Ischemic Stroke Patients: A Matched Comparison. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 82 (6), 743-749 (2001).
- Ringman, J. M., Saver, J. L., Woolson, R. F., Clarke, W. R., Adams, H. P. Frequency, Risk Factors, Anatomy, and Course of Unilateral Neglect in an Acute Stroke Cohort. Neurology. 63 (3), 468-474 (2004).
- Jutai, J. W., et al. Treatment of visual perceptual disorders post stroke. Topics in Stroke Rehabilitation. 10 (2), 77-106 (2003).
- Buxbaum, L. J., et al. Hemispatial Neglect: Subtypes, Neuroanatomy, and Disability. Neurology. 62 (5), 749-756 (2004).
- Numminen, S., et al. Factors Influencing Quality of Life Six Months after a First-Ever Ischemic Stroke: Focus on Thrombolyzed Patients. Folia Phoniatrica et Logopaedica: Official Organ of the International Association of Logopedics and Phoniatrics (IALP). 68 (2), 86-91 (2016).
- Ladavas, E. Is the Hemispatial Deficit Produced by Right Parietal Lobe Damage Associated with Retinal or Gravitational Coordinates. Brain: A Journal of Neurology. 110 (1), 167-180 (1987).
- Ota, H., Fujii, T., Suzuki, K., Fukatsu, R., Yamadori, A. Dissociation of Body-Centered and Stimulus-Centered Representations in Unilateral Neglect. Neurology. 57 (11), 2064-2069 (2001).
- Neggers, S. F., Vander Lubbe, R. H., Ramsey, N. F., Postma, A. Interactions between ego- and allocentric neuronal representations of space. Neuroimage. 31 (1), 320-331 (2006).
- Adair, J. C., Barrett, A. M. Spatial Neglect: Clinical and Neuroscience Review: A Wealth of Information on the Poverty of Spatial Attention. Annals of the New York Academy of Sciences. 1142, 21-43 (2008).
- Corbetta, M., Shulman, G. L. Spatial neglect and attention networks. Annual Review of Neuroscience. 34, 569-599 (2011).
- Marshall, J. C., Fink, G. R., Halligan, P. W., Vallar, G. Spatial awareness: a function of the posterior parietal lobe. Cortex. 38 (2), 253-260 (2002).
- Ellison, A., Schindler, I., Pattison, L. L., Milner, A. D. An exploration of the role of the superior temporal gyrus in visual search and spatial perception using TMS. Brain. (10), 2307-2315 (2004).
- Vallar, G., Calzolari, E., Vallar, G., Coslett, H. B. Unilateral spatial neglect after posterior parietal damage. Handb Clin Neurol; Theparietal lobe. , 287-312 (2018).
- Shah-Basak, P. P., Chen, P., Caulfield, K., Medina, J., Hamilton, R. H. The Role of the Right Superior Temporal Gyrus in Stimulus-Centered Spatial Processing. Neuropsychologia. 113, 6-13 (2018).
- Verdon, V., Schwartz, S., Lovblad, K. O., Hauert, C. A., Vuilleumier, P. Neuroanatomy of hemispatial neglect and its functional components: a study using voxel-based lesion-symptom mapping. Brain. 133 (3), 880-894 (2010).
- Ghacibeh, G. A., Shenker, J. I., Winter, K. H., Triggs, W. J., Heilman, K. M. Dissociation of Neglect Subtypes with Transcranial Magnetic Stimulation. Neurology. 69 (11), 1122-1127 (2007).
- Chaudhari, A., Pigott, K., Barrett, A. M. Midline Body Actions and Leftward Spatial ‘Aiming’ in Patients with Spatial Neglect. Frontiers in Human Neuroscience. 9, 393 (2015).
- Rizzo, A. A., et al. Design and Development of Virtual Reality Based Perceptual-Motor Rehabilitation Scenarios. The 26th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , (2004).
- Steinicke, F. . Being Really Virtual Immersive Natives and the Future of Virtual Reality. , (2018).
- Tsirlin, I., Dupierrix, E., Chokron, S., Coquillart, S., Ohlmann, T. Uses of Virtual Reality for Diagnosis, Rehabilitation and Study of Unilateral Spatial Neglect: Review and Analysis. CyberPsychology & Behavior. 12 (2), 175-181 (2009).
- Barrett, A. M., et al. Cognitive Rehabilitation Interventions for Neglect and Related Disorders: Moving from Bench to Bedside in Stroke Patients. Journal of Cognitive Neuroscience. 18 (7), 1223-1236 (2006).
- Ricci, R., et al. Effects of attentional and cognitive variables on unilateral spatial neglect. Neuropsychologia. 92, 158-166 (2016).
- Bonato, M. Neglect and Extinction Depend Greatly on Task Demands: A Review. Frontiers in Human Neuroscience. 6, 195 (2012).
- Grattan, E. S., Woodbury, M. L. Do Neglect Assessments Detect Neglect Differently. American Journal of Occupational Therapy. 71, 3 (2017).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety of TMS Consensus Group. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology. 120 (12), 2008-2039 (2009).
- Pascual-Leone, A., Walsh, V., Rothwell, J. Transcranial Magnetic Stimulation in Cognitive Neuroscience – Lesion, Chronometry, and Functional Connectivity. Current Opinion in Neurobiology. 10 (2), 232-237 (2000).
- Oliveri, M., et al. Interhemispheric Asymmetries in the Perception of Unimanual and Bimanual Cutaneous Stimuli. Brain. 122 (9), 1721-1729 (1999).
- Salatino, A., et al. Transcranial Magnetic Stimulation of Posterior Parietal Cortex Modulates Line-Length Estimation but Not Illusory Depth Perception. Frontiers in Psychology. 10, (2019).
- Oliveri, M., Vallar, G. Parietal versus temporal lobe components in spatial cognition: Setting the mid-point of a horizontal line. Journal of Neuropsychology. 3, 201-211 (2009).
- Ogourtsova, T., Souza Silva, W., Archambault, P. S., Lamontagne, A. Virtual Reality Treatment and Assessments for Post-Stroke Unilateral Spatial Neglect: A Systematic Literature Review. Neuropsychological Rehabilitation. 27 (3), 409-454 (2017).
- Pedroli, E., Serino, S., Cipresso, P., Pallavicini, F., Riva, G. Assessment and rehabilitation of neglect using virtual reality: a systematic review. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 9, 226 (2015).
- Peskine, A., et al. Virtual reality assessment for visuospatial neglect: importance of a dynamic task. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 82 (12), 1407-1409 (2011).
- Mesa-Gresa, P., et al. Clinical Validation of a Virtual Environment Test for Safe Street Crossing in the Assessment of Acquired Brain Injury Patients with and without Neglect. Human-Computer Interaction – INTERACT 2011 Lecture Notes in Computer Science. , 44-51 (2011).
- Aravind, G., Lamontagne, A. Perceptual and Locomotor Factors Affect Obstacle Avoidance in Persons with Visuospatial Neglect. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 11 (1), 8 (2014).
- Pallavicini, F., et al. Assessing Unilateral Spatial Neglect Using Advanced Technologies: The Potentiality of Mobile Virtual Reality. Technology and Health Care. 23 (6), 795-807 (2015).
- Glize, B., et al. Improvement of Navigation and Representation in Virtual Reality after Prism Adaptation in Neglect Patients. Frontiers in Psychology. 8, (2017).
- Yasuda, K., Muroi, D., Ohira, M., Iwata, H. Validation of an Immersive Virtual Reality System for Training near and Far Space Neglect in Individuals with Stroke: a Pilot Study. Topics in Stroke Rehabilitation. 24 (7), 533-538 (2017).
- Spreij, L. A., Ten Brink, A. F., Visser-Meily, J. M. A., Nijboer, T. C. W. Simulated Driving: The Added Value of Dynamic Testing in the Assessment of Visuo-Spatial Neglect after Stroke. Journal of Neuropsychology. 31, (2018).
- Ogourtsova, T., Archambault, P. S., Lamontagne, A. Post-Stroke Unilateral Spatial Neglect: Virtual Reality-Based Navigation and Detection Tasks Reveal Lateralized and Non-Lateralized Deficits in Tasks of Varying Perceptual and Cognitive Demands. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 15, 1 (2018).
- Ogourtsova, T., Archambault, P., Sangani, S., Lamontagne, A. Ecological Virtual Reality Evaluation of Neglect Symptoms (EVENS), Effects of Virtual Scene Complexity in the Assessment of Poststroke Unilateral Spatial Neglect. Neurorehabilitation and Neural Repair. 32 (1), 46-61 (2018).
- Ricci, R., Chatterjee, A. Context and crossover in unilateral neglect. Neuropsychologia. 39 (11), 1138-1143 (2001).
- Karnath, H. O., Ferber, S., Himmelbach, M. Spatial awareness is a function of the temporal not the posterior parietal lobe. Nature. 411, 950-953 (2001).
- Spicer, R., Anglin, J., Krum, D. M., Liew, S. REINVENT: A low-cost, virtual reality brain-computer interface for severe stroke upper limb motor recovery. 2017 IEEE Virtual Reality (VR). , 385-386 (2017).
- Vourvopoulos, A., et al. Effects of a Brain-Computer Interface With Virtual Reality (VR) Neurofeedback: A Pilot Study in Chronic Stroke Patients. Frontiers in Human Neuroscience. 13, 210 (2019).
- Gammeri, R., Iacono, C., Ricci, R., Salatino, A. Unilateral Spatial Neglect After Stroke: Current Insights. Neuropsychiatric Disease and Treatment. 16, 131-152 (2020).
