Reviderede og neuroimaging-kompatible versioner af den dobbelte opgaveskærm

Summary

Vi udviklede den originale Dual Task Screen (DTS) som en bærbar, billig foranstaltning, der kan evaluere atleter med sports-induceret mild traumatisk hjerneskade. Vi reviderede den oprindelige DTS til fremtidig klinisk brug og udviklede en neuroimaging-kompatibel version af DTS for at måle neurale fundamenter for enkelt- og dobbeltopgaveydelse.

Abstract

Dobbelt opgave paradigmer samtidig vurdere motoriske og kognitive evner, og de kan opdage subtile, resterende funktionsnedsættelser hos atleter med de seneste mild traumatisk hjerneskade (mTBI). Men tidligere dobbelt opgave paradigmer har fokuseret udelukkende på lavere ekstremitet færdigheder og har påberåbt sig besværlige, dyre laboratorieudstyr – og dermed begrænse deres praktiske for hverdagens mTBI evaluering. Efterfølgende har vi udviklet Dual Task Screen (DTS), som tager <10 minutter at administrere og score, bruger billigt bærbart udstyr, og omfatter lavere ekstremitet (LE) og øvre ekstremitet (UE) subtasks. Formålet med dette manuskript var dobbelt. For det første beskriver vi administrationsprotokollen for den reviderede DTS, som vi reviderede for at imødekomme begrænsningerne i den oprindelige DTS. Specifikt omfattede revisionerne tilføjelser af smarte enheder til at erhverve mere detaljerede gangdata og inddragelse af enkelt kognitive tilstande for at teste for forstyrret kognitiv ydeevne under to opgavebetingelser. Det er vigtigt, at den reviderede DTS er en foranstaltning, der er beregnet til fremtidig klinisk brug, og vi præsenterer repræsentative resultater fra tre mandlige atleter for at illustrere den type kliniske data, der kan erhverves fra foranstaltningen. Det er vigtigt, at vi endnu ikke har evalueret følsomheden og specificiteten af den reviderede DTS hos atleter med mTBI, som er det næste forskningsinitiativ. Det andet formål med dette manuskript er at beskrive en neuroimaging-kompatibel version af DTS. Vi udviklede denne version, så vi kunne evaluere de neurale fundamenter for enkelt- og dobbeltopgaveydelse for en bedre empirisk forståelse af de adfærdsmæssige underskud forbundet med mTBI. Således beskriver dette manuskript også de skridt, vi tog for at muliggøre samtidig funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) måling under DTS, sammen med hvordan vi erhvervede og afsluttede første niveau behandling af fNIRS data.

Introduction

Hvert år lider 42 millioner mennesker verden over af milde traumatiske hjerneskader (mTBIs)¹. Selvom det engang blev betragtet som godartet, viser ny forskning, at mTBIs, især gentagne mTBIs, kan fremkalde varige negative konsekvenser, såsom fysiske, kognitive og søvnforstyrrelser^2,3,4. Efterfølgende søger forskere og klinikere forbedrede evalueringer og behandlingsmetoder for at forstå og adressere mTBI.

Til dato omfatter bedste praksis for mTBI-evaluering selvrapporterede symptomer og objektiv måling af neurokognitive og motoriske funktioner⁵. Men, nogle personer, som konkurrencedygtige kollegialt niveau atleter, er kendt for at underrapportere mTBI-relaterede symptomer⁶, begrænse nytten af symptom rapporter. Objektive neurokognitive og motoriske funktionsforanstaltninger har også begrænsninger, herunder dårlig testtestpålidelighed, afhængighed af baselinetest eller utilstrækkelige vanskeligheder for højtydende atleter^7,8,9. Men dobbelt opgave paradigmer – som samtidig vurdere motoriske og kognitive evner – kan opdage subtile, resterende funktionsnedsættelser og kan være særligt nyttige til evaluering af højtydende atleter^{10,11,12,13,14}.

Tidligere forskning ved hjælp af dobbelt opgave paradigmer har ofte indarbejdet besværlige, dyre laboratorieudstyr, såsom motion capture systemer¹⁴, til at evaluere højtydende atleter. Mens disse systemer præcist kan måle subtile motoriske funktionsnedsættelser, er de upraktiske til brug i hverdagens mTBI-evaluering på grund af høje udstyrsomkostninger, begrænset bærbarhed og lange administrationstider (dvs. ≥ 45 minutter pr. Individ). Desuden mange tidligere dobbelt opgave paradigme undersøgelser udelukkende fokuseret på underkroppen eller lavere ekstremitet færdigheder, såsom balance eller gangart^11,12,13,14. Velsagtens, øvre ekstremitet funktion og hånd-øje koordination er også vigtigt for højtydende atleter i mange sportsgrene. Således har vi udviklet Dual Task Screen (DTS), som er en kort foranstaltning designet til at blive administreret og scoret i <10 minutter med bærbare, billige instrumenter. Denne oprindelige DTS omfattede en underekstremitet (LE) og øvre ende (UE) subtask, som evaluerede ganghastighed (ved hjælp af et stopur) og hånd-øje koordination under enkeltmotor og dobbelt opgave betingelser¹⁵.

I den første gennemførlighedsundersøgelse afsluttede 32 raske, kvindelige unge deltagere den oprindelige DTS. Formålet med denne undersøgelse var at fastslå, at DTS kunne medføre to task motoromkostninger, som det fremgår af nedsat motorisk ydeevne under to opgaver i forhold til enkeltmotoriske forhold. Vi forsøgte også at fastslå, at DTS kunne administreres og scores på mindre end 10 minutter. Vi fandt, at alle deltagere havde dårligere dobbelt opgave motorisk ydeevne på mindst én subtask. Derudover var vi i stand til at administrere DTS i gennemsnit 5,63 minutter og score testen i 2-3 minutter¹⁵.

Selv om den første gennemførlighedsundersøgelse var vellykket, blev der afsløret nogle få begrænsninger. Mest bemærkelsesværdigt, ganghastighed blev målt med stopure, som er tilbøjelige til naturlige menneskelige fejl. Derfor brugte vi i den reviderede DTS smarte enheder med indbyggede accelerometre(Tabel over materialer)på hver ankel. Denne tilføjelse fastholdt brugen af bærbare, billige instrumenter og samtidig give sofistikerede foranstaltninger af ganghastighed, det samlede antal trin, gennemsnitlig trinlængde, gennemsnitlig trin varighed, og trin varighed variabilitet. En anden begrænsning af den oprindelige DTS var fraværet af enkelt kognitive tilstande, som forhindrede evaluering af dobbelt opgave kognitive omkostninger. Dobbelt opgave kognitive omkostninger er defineret som dårligere kognitive præstationer under den dobbelte opgave vs enkelt kognitiv tilstand. Efterfølgende tilføjede vi for både LE- og UE-underopgaver en enkelt kognitiv tilstand (beskrevet i protokollen).

Ud over at udvikle en foranstaltning for fremtidig klinisk brug, en af holdets langsigtede mål er at evaluere neurale fundament af enkelt og dobbelt opgave ydeevne i raske atleter og kontrast disse resultater til atleter med sports-induceret mTBI. Således har vi skabt en neuroimaging-kompatibel version af DTS. Vi søger at afgøre, om DTS med succes kan ændres til brug med samtidig funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) måling, og vi bruger en mobil fNIRS-enhed specielt designet til at rumme bruttomotorisk bevægelse ved at reducere indflydelsen af bevægelsesartefakter. Desuden har denne enhed den største mængde hoveddækning, så vidt vi ved, til mobile enheder, der i øjeblikket er tilgængelige til forskningsformål (Tabel over materialer).

Sammenfattende er undersøgelsesprotokollen designet til at gøre følgende:

1. Beskriv administrationsprotokollen for den reviderede dobbeltopgaveskærm (DTS), som er et mål, vi har omdesignet for at imødekomme begrænsningerne i den oprindelige DTS¹⁵ og en foranstaltning, der er beregnet til fremtidig klinisk brug.
2. Beskriv forskningsprotokollen for den neuroimaging-kompatible Dual Task Screen (DTS), som vi har designet til at evaluere de neurale fundamenter for ydeevne med en enkelt og dobbelt opgave.

Protocol

Alle undersøgelsesprocedurer blev godkendt af Institutional Review Board (IRB) på Colorado State University, og alle voksne deltagere gav skriftligt informeret samtykke, før de afsluttede nogen undersøgelsesprocedurer. Forældrene til deltagere under 18 år gav skriftligt informeret samtykke, og mindre deltagere afgav også skriftlig samstemmende udtalelse, inden de afsluttede nogen undersøgelsesprocedurer. 1. Revideret skærm med to opgaver (DTS) Underekstremitet (LE) Subtask<o…

Representative Results

DeltagereDeltagerne blev rekrutteret fra lokale high school hold og universitet interkollegiale og klub sportshold ved hjælp af mund-til-mund og reklame flyers. Deltagerne skulle være mellem 15-22 år og deltage regelmæssigt i organiseret kontaktsport. Kontaktsport omfattede alle sportsgrene, hvor fysisk kontakt med holdkammerater eller modstandere er nødvendig under rutinespil. Deltagerne skulle også have normal eller korrigeret syn og hørelse, ingen historie af neurologiske eller psykiatriske…

Discussion

I dette manuskript beskrev vi administrationsprotokollen for den nyligt reviderede dobbeltopgaveskærm (DTS). Disse revisioner blev afsluttet for at løse begrænsninger identificeret i den oprindelige DTS¹⁵ og omfattede tilføjelse af enkelt kognitive tilstande til at teste for dobbelt opgave kognitive omkostninger. Det omfattede også smart-enhed baseret accelerometry til mere præcist at måle gangart egenskaber. Vi inkluderede repræsentative resultater, der illustrerer den type kliniske data,…

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