Ferramentas de Realidade Virtual para avaliar a negligência espacial unilateral: uma nova oportunidade para a coleta de dados
Summary
O objetivo era projetar, construir e pilotar uma nova tarefa de realidade virtual para detectar e caracterizar a negligência espacial unilateral, uma síndrome que afeta 23-46% dos sobreviventes agudos do AVC, ampliando o papel da realidade virtual no estudo e manejo da doença neurológica.
Abstract
A negligência espacial unilateral (USN) é uma síndrome caracterizada pela desatenção ou inação em um lado do espaço e afeta entre 23-46% dos sobreviventes de derrame agudo. O diagnóstico e caracterização desses sintomas em pacientes individuais pode ser desafiador e, muitas vezes, requer pessoal clínico qualificado. A realidade virtual (VR) apresenta uma oportunidade de desenvolver novas ferramentas de avaliação para pacientes com USN.
Nosso objetivo era projetar e construir uma ferramenta vr para detectar e caracterizar sintomas sutis de USN, e testar a ferramenta em indivíduos tratados com estimulação magnética transcraniana repetitiva inibitória (TMS) de regiões corticais associadas à USN.
Criamos três condições experimentais aplicando TMS a duas regiões distintas do córtex associadas ao processamento visuosespacial- o giro temporal superior (STG) e o giro supramarginal (SMG) – e aplicamos o TMS falso como controle. Em seguida, colocamos os sujeitos em um ambiente de realidade virtual no qual foram solicitados a identificar as flores com assimemetrias laterais de flores distribuídas em arbustos em ambos os hemiespaços, com ajuste dinâmico de dificuldade com base no desempenho de cada sujeito.
Encontramos diferenças significativas na guinada média da cabeça entre os sujeitos estimulados no STG e aqueles estimulados no SMG e efeitos marginalmente significativos no eixo visual médio.
A tecnologia VR está se tornando mais acessível, acessível e robusta, apresentando uma oportunidade emocionante para criar ferramentas úteis e novas semelhantes a jogos. Em conjunto com a TMS, essas ferramentas poderiam ser utilizadas para estudar déficits neurológicos específicos, isolados e artificiais em indivíduos saudáveis, informando a criação de ferramentas de diagnóstico baseadas em VR para pacientes com déficits devido à lesão cerebral adquirida. Este estudo é o primeiro de nosso conhecimento no qual os sintomas usn gerados artificialmente foram avaliados com uma tarefa vr.
Introduction
A negligência espacial unilateral (USN) é uma síndrome caracterizada pela desatenção ou inação em um lado do espaço que afeta entre 23-46% dos sobreviventes de derrame agudo, mais comumente envolvendo lesão no hemisfério cerebral direito e resultando em uma tendência a ignorar o lado esquerdo do espaço e/ou o corpo do sobrevivente1,2. Embora a maioria dos pacientes com USN experimente uma recuperação significativa no curto prazo, os sintomas sutis da USN muitas vezes persistem3. USN pode aumentar o risco de quedas do paciente e impedir atividades de vida diária2,4 Também tem mostrado impacto negativo tanto do motor quanto do resultado funcional global5,6.
Os déficits na USN podem ser conceituados como existentes em múltiplas dimensões, como se uma pessoa ignora um lado do espaço em relação ao seu próprio corpo (egocêntrico) ou com relação a um estímulo externo (aocêntrico)7,8,9, ou se uma pessoa é incapaz de direcionar sua atenção (atenção) ou ações (intencionais) para um lado do espaço10 . Os pacientes frequentemente apresentam uma constelação complexa de sintomas que podem ser caracterizados ao longo de mais de uma dessas dimensões. Acredita-se que essa variabilidade das síndromes usn resulte de diferentes graus de lesão a estruturas neuroanatomias específicas e redes neuronais, que são complexas11. A negligência aocêntrica tem sido associada a lesões do giro angular (AG) e do giro temporal superior (STG), enquanto o córtex parietal posterior (PPC), incluindo o giro supramarginal (SMG), foi implicado no processamento egocêntrico12,13,14,15. Acredita-se que a negligência atencional envolva lesões no IPL16 direito, enquanto a negligência intencional é considerada secundária aos danos do lobo frontal direito17 ou gânglios basais18.
A avaliação clínica da USN atualmente depende de instrumentos neuropsicológicos de caneta e papel. Essas ferramentas convencionais de avaliação podem ser menos sensíveis do que ferramentas mais tecnologicamente sofisticadas, resultando em diagnóstico errado ou subdiagnósco de alguns pacientes com USN19. Uma melhor caracterização dos déficits residuais poderia facilitar a entrega da terapia a pacientes com USN mais leve e potencialmente melhorar sua recuperação geral, mas tal caracterização exigiria ferramentas de diagnóstico muito sensíveis. A USN apresenta desafios semelhantes no ambiente laboratorial, onde pode ser difícil isolar das deficiências motoras e visuais que comumente acompanham a USN entre os pacientes com AVC.
A realidade virtual (VR) apresenta uma oportunidade única para desenvolver novas ferramentas para o diagnóstico e caracterização da USN. Vr é um ambiente 3D multissensorial apresentado na primeira pessoa com interações em tempo real em que os indivíduos são capazes de realizar tarefas envolvendo objetos ecologicamente válidos20. É uma ferramenta promissora para avaliar a USN; a capacidade de controlar precisamente o que o usuário vê e ouve permite que os desenvolvedores apresentem uma grande variedade de tarefas virtuais ao usuário. Além disso, os sofisticados pacotes de hardware e software atualmente disponíveis permitem a coleta em tempo real de uma riqueza de dados sobre as ações do usuário, incluindo movimentos de olhos, cabeça e membros, excedendo em muito as métricas oferecidas pelos testes diagnósticos tradicionais21. Esses fluxos de dados estão instantaneamente disponíveis, abrindo a possibilidade de ajuste em tempo real de tarefas diagnósticas com base no desempenho do usuário (por exemplo, visando o nível de dificuldade ideal para uma determinada tarefa). Esse recurso pode facilitar a adaptação da tarefa à ampla gama de gravidades vistas na USN, que é considerada uma prioridade no desenvolvimento de novas ferramentas de diagnóstico para USN22. Além disso, tarefas imersivas de VR podem impor um aumento da carga sobre os recursos atencionais dos pacientes23,24, resultando em erros aumentados que podem facilitar a detecção de sintomas de negligência; de fato, algumas tarefas vr têm mostrado ter maior sensibilidade quando comparadas com as medidas convencionais de papel e lápis de USN24,25.
Neste estudo, o objetivo foi criar uma ferramenta de avaliação que não requer expertise em neurologia para operar e que possa detectar e caracterizar de forma confiável até mesmo casos sutis de USN. Construímos uma tarefa baseada em realidade virtual, semelhante a um jogo. Em seguida, induzimos uma síndrome semelhante à USN em indivíduos saudáveis com estimulação magnética transcraniana (TMS), uma técnica de estimulação cerebral não invasiva que utiliza pulsos eletromagnéticos emitidos a partir de uma bobina de estimulação portátil, que passa pelo couro cabeludo e crânio do sujeito e induz correntes elétricas no cérebro do sujeito que estimulam neurônios26,27. Essa técnica tem sido utilizada no estudo da USN por outros 13,17,28,29,30, embora até onde sabemos nunca em conjunto com uma ferramenta de avaliação baseada em VR.
Muitos pesquisadores já estão trabalhando em aplicações diagnósticas e terapêuticas de sistemas VR. Revisões recentes31,32 exploraram uma série de projetos voltados à avaliação da USN com técnicas baseadas em VR, e uma série de outros estudos com esse objetivo foram publicados33,34,35,36,37,38,39,40,41 . A maioria desses estudos não utiliza o complemento completo da tecnologia VR que está atualmente disponível para o mercado consumidor (por exemplo, um display montado na cabeça (HMD) e inserções de rastreamento de olhos), limitando seus conjuntos de dados a um número menor de métricas facilmente quantificáveis. Além disso, todos esses estudos foram realizados em pacientes com lesão cerebral adquirida que levaram à USN, exigindo métodos de triagem para garantir que os pacientes pudessem pelo menos participar das tarefas de avaliação (por exemplo, excluindo pacientes com grandes déficits visuais de campo ou comprometimento cognitivo). É possível que déficits cognitivos, motores ou visuais mais sutis passaram sob o limiar desses métodos de triagem, possivelmente confundindo os resultados desses estudos. Também é possível que tal triagem tenha tendencioso as amostras dos participantes desses estudos em direção a um subtipo específico da USN.
Para evitar os vieses de triagem de estudos anteriores, recrutamos indivíduos saudáveis e simulamos artificialmente sintomas USN com um protocolo TMS padrão que é bem descrito em um manuscrito recente15, com o objetivo de induzir sintomas aocêntricos semelhantes ao USN, mirando os sintomas semelhantes ao STG e egocêntricos usn-like mirando o SMG. Projetamos a tarefa de ajustar ativamente seu teste de dificuldade para o teste e diferenciar entre diferentes subtipos da USN, especificamente sintomas alocêntricos versus egocêntricos. Também usamos avaliações padrão de papel & lápis da USN para demonstrar formalmente que os déficits que induzíamos com o rTMS são semelhantes ao USN. Acreditamos que o método será útil para outros pesquisadores que desejam testar novas ferramentas vr para a avaliação e reabilitação da USN.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nós induzímos e medimos com sucesso os sintomas usn com TMS e VR, respectivamente. Embora não tenhamos resultados significativos quando comparados aos ensaios falsos, fomos capazes de comparar múltiplas métricas de negligência egocêntrica (ângulo médio da cabeça, tempo gasto olhando para flores em ambos os hemiespaciais) e negligência aocêntrica (desempenho na seleção de flores com pétalas assimétricas à esquerda versus do lado direito) entre os diferentes grupos experimentais, e encontramos diferenças …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo University Research Fund (URF) da Universidade da Pensilvânia, e pelas Bolsas de Estudos Estudantis da American Heart Association em Cerebrovascular Disease & Stroke. Agradecimentos especiais aos pesquisadores, médicos e funcionários do Laboratório de Cognição e Estimulação Neural pelo apoio contínuo.
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 |
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