Reviderte og neuroimaging-kompatible versjoner av dual task skjermen

Summary

Vi utviklet den opprinnelige Dual Task Screen (DTS) som et bærbart, rimelig tiltak som kan evaluere idrettsutøvere med sportsindusert mild traumatisk hjerneskade. Vi reviderte den opprinnelige DTS for fremtidig klinisk bruk og utviklet en neuroimaging-kompatibel versjon av DTS for å måle nevrale underlag av enkelt og dobbel oppgaveytelse.

Abstract

Doble oppgaveparadigmer vurderer samtidig motoriske og kognitive evner, og de kan oppdage subtile, gjenværende funksjonsnedsettene hos idrettsutøvere med nylig mild traumatisk hjerneskade (mTBI). Men tidligere doble oppgaveparadigmer har fokusert utelukkende på lavere ekstremitetsferdigheter og har stolt på tungvint, dyrt laboratorieutstyr – og dermed begrense deres praktiske for daglig mTBI evaluering. Deretter utviklet vi Dual Task Screen (DTS), som tar <10 minutter å administrere og score, bruker rimelig bærbart utstyr, og inkluderer nedre ekstremitet (LE) og øvre ekstremitet (UE) subtasker. Formålet med dette manuskriptet var todelt. Først beskriver vi administrasjonsprotokollen for den reviderte DTS, som vi reviderte for å løse begrensningene i den opprinnelige DTS. Nærmere bestemt inkluderte revisjonene tillegg av smarte enheter for å skaffe seg mer detaljerte gangdata og inkludering av enkelt kognitive forhold for å teste for forstyrret kognitiv ytelse under doble oppgaveforhold. Viktigere, den reviderte DTS er et tiltak beregnet for fremtidig klinisk bruk, og vi presenterer representative resultater fra tre mannlige idrettsutøvere for å illustrere hvilken type kliniske data som kan anskaffes fra tiltaket. Viktigere, vi har ennå ikke å vurdere følsomheten og spesifisiteten til den reviderte DTS hos idrettsutøvere med mTBI, som er neste forskningsinitiativ. Det andre formålet med dette manuskriptet er å beskrive en neuroimaging-kompatibel versjon av DTS. Vi utviklet denne versjonen slik at vi kunne evaluere nevrale grunnlaget for enkelt og dobbel oppgaveytelse, for en bedre empirisk forståelse av atferdsunderskuddene forbundet med mTBI. Dermed beskriver dette manuskriptet også trinnene vi tok for å muliggjøre samtidig funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) måling under DTS, sammen med hvordan vi anskaffet og fullførte førstenivåbehandling av fNIRS-dataene.

Introduction

Hvert år, 42 millioner mennesker over hele verden opprettholde mild traumatiske hjerneskader (mTBIer)¹. Selv om en gang ansett godartet, viser ny forskning at mTBIer, spesielt gjentatte mTBIer, kan fremkalle varige negative konsekvenser, for eksempel fysiske, kognitive og søvnforstyrrelser^2,3,4. Deretter søker forskere og klinikere forbedrede evalueringer og behandlingsmetoder for å forstå og adressere mTBI.

Hittil inkluderer beste praksis for mTBI-evaluering selv rapporterte symptomer og objektiv måling av nevrokognitiv og motorisk funksjon⁵. Men, noen individer, som konkurransedyktige kollegiale-nivå idrettsutøvere, er kjent for å underrapportere mTBI-relaterte symptomer⁶, begrense nytten av symptomrapporter. Objektive nevrokognitive og motoriske funksjonstiltak har også begrensninger, inkludert dårlig testtest pålitelighet, avhengighet av baseline testing, eller utilstrekkelig vanskeligheter for høytytende idrettsutøvere^7,8,9. Men doble oppgaveparadigmer – som samtidig vurderer motoriske og kognitive evner – kan oppdage subtile, gjenværende funksjonsnedsetteninger og kan være spesielt nyttige for å evaluere høytytende idrettsutøvere^{10,11,12,13,14}.

Tidligere forskning ved hjelp av doble oppgaveparadigmer har ofte innlemmet tungvint, dyrt laboratorieutstyr, for eksempel motion capture systemer¹⁴, for å evaluere høytytende idrettsutøvere. Selv om disse systemene nøyaktig kan måle subtile motoriske funksjonsnedsetteringer, er de upraktiske for bruk i daglig mTBI-evaluering på grunn av høye utstyrskostnader, begrenset portabilitet og lange administrasjonstider (det vil si ≥ 45 minutter per person). Videre, mange tidligere dual task paradigme studier fokusert utelukkende på underkroppen eller nedre ekstremitet ferdigheter, for eksempel balanse eller^{gangart 11,12,13,14}. Uten tvil, øvre ekstremitet funksjon og hånd-øye-koordinasjon er også viktig for høytytende idrettsutøvere i mange idretter. Dermed utviklet vi Dual Task Screen (DTS), som er et kort tiltak designet for å administreres og scores på <10 minutter med bærbare, rimelige instrumenter. Denne originale DTS inkluderte en nedre ekstremitet (LE) og øvre ekstremitet (UE) subtask, som evaluerte gangart hastighet (ved hjelp av en stoppeklokke) og hånd-øye-koordinasjon under enkeltmotor og doble oppgaveforhold¹⁵.

I den første mulighetsstudien fullførte 32 friske, kvinnelige unge deltakere den opprinnelige DTS. Denne studien ble designet for å fastslå at DTS kunne fremkalle doble oppgave motorkostnader, som indikert av redusert motorytelse under dobbel oppgave kontra enkle motoriske forhold. Vi forsøkte også å fastslå at DTS kunne administreres og scores på mindre enn 10 minutter. Vi fant ut at alle deltakerne hadde dårligere dobbel oppgave motorytelse på minst en delaktivitet. I tillegg var vi i stand til å administrere DTS i et gjennomsnitt på 5,63 minutter og score testen i 2-3 minutter¹⁵.

Selv om den første mulighetsstudien var vellykket, ble noen begrensninger avslørt. Spesielt ble ganghastighet målt med stoppeklokker, som er utsatt for naturlige menneskelige feil. Derfor, i den reviderte DTS brukte vi smarte enheter med innebygde akselerometre (Table of Materials) på hver ankel. Dette tillegget opprettholdt bruken av bærbare, rimelige instrumenter samtidig som de ga sofistikerte mål på ganghastighet, totalt antall trinn, gjennomsnittlig trinnlengde, gjennomsnittlig trinnvarighet og variabilitet for skrittvariasjon. En annen begrensning av den opprinnelige DTS var fraværet av enkelt kognitive forhold, som forhindret evaluering av doble oppgave kognitive kostnader. Doble oppgave kognitive kostnader er definert som dårligere kognitiv ytelse under den doble oppgaven vs. enkelt kognitiv tilstand. Deretter, for både LE og UE-delaktiviteter, la vi til en enkelt kognitiv tilstand (beskrevet i protokollen).

I tillegg til å utvikle et mål for fremtidig klinisk bruk, er et av lagets langsiktige mål å evaluere nevrale grunnlaget for enkelt- og dobbeltoppgaveytelse hos friske idrettsutøvere og kontrastere disse funnene til idrettsutøvere med sportsindusert mTBI. Dermed har vi laget en neuroimaging-kompatibel versjon av DTS. Vi søker å finne ut om DTS kan endres for bruk med samtidig funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) måling, og vi bruker en mobil fNIRS-enhet spesielt designet for å imøtekomme bruttomotorbevegelse ved å redusere påvirkningen av bevegelsesartefakter. Videre har denne enheten den største mengden hodedekning, så vidt vi vet, for mobile enheter som for tiden er tilgjengelige for forskningsformål (Table of Materials).

Oppsummert er studieprotokollen utformet for å gjøre følgende:

1. Beskriv administrasjonsprotokollen for den reviderte Dual Task Screen (DTS), som er et tiltak vi redesignet for å løse begrensningene i den opprinnelige DTS¹⁵ og et tiltak beregnet for fremtidig klinisk bruk.
2. Beskriv forskningsprotokollen for den neuroimaging-kompatible Dual Task Screen (DTS), som vi har designet for å evaluere nevrale grunnlaget for enkelt og dobbel oppgaveytelse.

Protocol

Alle studieprosedyrer ble godkjent av Institutional Review Board (IRB) ved Colorado State University, og alle voksne deltakere ga skriftlig informert samtykke før de fullførte noen studieprosedyrer. Skriftlig informert samtykke ble gitt av foreldre til deltakere under 18 år, og mindre deltakere ga også skriftlig samtykke før de fullførte noen studieprosedyrer. 1. Revidert dual task skjerm (DTS) Nedre ekstremitet (LE) Delaktivitet Start enkeltmotortilstanden. Pla…

Representative Results

DeltakereDeltakerne ble rekruttert fra lokale high school-lag og universitetsintercollegiate og klubbidrettslag ved hjelp av jungeltelegrafen og reklamebrosjyrer. Deltakerne måtte være mellom 15 og 22 år og delta i regelmessig deltakelse i organisert kontaktsport. Kontakt sport inkludert alle idretter der fysisk kontakt med lagkamerater eller motstandere er nødvendig under rutinemessig spill. Deltakerne måtte også ha normal eller korrigert syn og hørsel, ingen historie med nevrologiske eller p…

Discussion

I dette manuskriptet beskrev vi administrasjonsprotokollen for den nylig reviderte Dual Task Screen (DTS). Disse revisjonene ble fullført for å løse begrensninger identifisert i den opprinnelige DTS¹⁵ og inkluderte tillegg av enkelt kognitive forhold for å teste for doble oppgave kognitive kostnader. Det inkluderte også smart-enhet basert akselerometri for å mer presist måle gangart egenskaper. Vi inkluderte representative resultater som illustrerer hvilken type kliniske data som kan anskaf…

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