Versioni riviste e compatibili con la neuroimaging della schermata Dual Task

Summary

Abbiamo sviluppato l’originale Dual Task Screen (DTS) come misura portatile a basso costo in grado di valutare gli atleti con lieve lesione cerebrale traumatica indotta dallo sport. Abbiamo rivisto il DTS originale per un uso clinico futuro e sviluppato una versione compatibile con la neuroimaging del DTS per misurare le basi neurali delle prestazioni del singolo e del doppio compito.

Abstract

I paradigmi del doppio compito valutano contemporaneamente le capacità motorie e cognitive e possono rilevare sottili compromissioni residue negli atleti con recenti lievi lesioni cerebrali traumatiche (mTBI). Tuttavia, i paradigmi del doppio compito del passato si sono concentrati esclusivamente sulle abilità degli arti inferiori e si sono basati su attrezzature di laboratorio ingombranti e costose, limitando così la loro praticità per la valutazione mTBI quotidiana. Successivamente, abbiamo sviluppato il Dual Task Screen (DTS), che impiega <10 minuti per amministrare e segnare, utilizza apparecchiature portatili a basso costo e include sottoattività agli arti inferiori (LE) e agli arti superiori (UE). Lo scopo di questo manoscritto era duplice. In primo luogo, descriviamo il protocollo di amministrazione per il DTS rivisto, che abbiamo rivisto per affrontare le limitazioni del DTS originale. In particolare, le revisioni includevano aggiunte di dispositivi intelligenti per acquisire dati di andatura più dettagliati e l'inclusione di singole condizioni cognitive per testare le prestazioni cognitive interrotte in condizioni di doppia attività. È importante sottolineare che il DTS rivisto è una misura destinata al futuro uso clinico e presentiamo risultati rappresentativi di tre atleti maschi per illustrare il tipo di dati clinici che possono essere acquisiti dalla misura. È importante sottolineare che dobbiamo ancora valutare la sensibilità e la specificità del DTS rivisto negli atleti con mTBI, che è la prossima iniziativa di ricerca. Il secondo scopo di questo manoscritto è quello di descrivere una versione compatibile con il neuroimaging del DTS. Abbiamo sviluppato questa versione in modo da poter valutare le basi neurali delle prestazioni delle attività singole e doppie, per una migliore comprensione empirica dei deficit comportamentali associati all'mTBI. Pertanto, questo manoscritto descrive anche i passaggi che abbiamo adottato per consentire la misurazione simultanea della spettroscopia funzionale vicino all'infrarosso (fNIRS) durante il DTS, insieme a come abbiamo acquisito e completato l'elaborazione di primo livello dei dati fNIRS.

Introduction

Ogni anno, 42 milioni di persone in tutto il mondo subiscono lievi lesioni cerebrali traumatiche (mTIB)¹. Sebbene una volta considerate benigne, una nuova ricerca indica che gli mTIBI, in particolare gli mTIBI ripetuti, possono provocare conseguenze negative durature, come disturbi fisici, cognitivi e del^{sonno 2,3,4}. Successivamente, ricercatori e clinici sono alla ricerca di valutazioni e metodi di trattamento migliorati per comprendere e affrontare l’mTBI.

Ad oggi, le migliori pratiche per la valutazione mTBI includono sintomi auto-segnalati e misurazione oggettiva della funzione neurocognitiva e motoria⁵. Tuttavia, alcuni individui, come gli atleti competitivi di livello collegiale, sono noti per sottosegnalare i sintomi correlati alla MTBI⁶, limitando l’utilità dei rapporti sui sintomi. Anche le misure oggettive di neurocognizione e funzione motoria hanno limitazioni, tra cui scarsa affidabilità del test-retest, affidamento sui test di base o difficoltà insufficiente per gli atleti^{ad alte prestazioni 7,8,9}. Tuttavia, i paradigmi dual task – che valutano contemporaneamente le capacità motorie e cognitive – possono rilevare sottili compromissioni residue e possono essere particolarmente utili per valutare atleti^{ad alte prestazioni 10,11,12,13,14}.

La ricerca passata che utilizza paradigmi dual task ha spesso incorporato ingombranti e costose attrezzature di laboratorio, come i sistemi di motion capture^14,per valutare gli atleti ad alte prestazioni. Sebbene questi sistemi siano in grado di misurare con precisione sottili menomazioni motorie, non sono pratici per l’uso nella valutazione mTBI di tutti i giorni a causa dell’elevato costo delle apparecchiature, della portabilità limitata e dei lunghi tempi di amministrazione (cioè ≥ 45 minuti per individuo). Inoltre, molti studi passati sul paradigma del doppio compito si sono concentrati esclusivamente sulle abilità della parte inferiore del corpo o degli arti inferiori, come^{l’equilibrio o l’andatura 11,12,13,14}. Probabilmente, la funzione degli arti superiori e la coordinazione occhio-mano sono importanti anche per gli atleti ad alte prestazioni in molti sport. Così, abbiamo sviluppato il Dual Task Screen (DTS), che è una breve misura progettata per essere somministrata e segnata in <10 minuti con strumenti portatili e a basso costo. Questo DTS originale includeva una sottoattività degli arti inferiori (LE) e degli arti superiori (UE), che valutava la velocità dell'andatura (usando un cronometro) e la coordinazione occhio-mano in condizioni di singolo motore e doppio compito^15.

Nel primo studio di fattibilità, 32 partecipanti adolescenti sani e femminili hanno completato il DTS originale. Questo studio è stato progettato per stabilire che il DTS potrebbe ottenere costi del motore a doppio compito, come indicato dalla riduzione delle prestazioni del motore durante il doppio compito rispetto alle condizioni del singolo motore. Abbiamo anche cercato di stabilire che il DTS potesse essere somministrato e valutato in meno di 10 minuti. La Corte ha riscontrato che tutti i partecipanti avevano prestazioni del motore dual task più scadenti su almeno una sottoattività. Inoltre, siamo stati in grado di amministrare il DTS in una media di 5,63 minuti e segnare il test in 2-3 minuti¹⁵.

Sebbene il primo studio di fattibilità abbia avuto successo, sono state rivelate alcune limitazioni. In particolare, la velocità dell’andatura è stata misurata con i cronometri, che sono soggetti a errori umani naturali. Pertanto, nel DTS rivisto abbiamo utilizzato dispositivi intelligenti con accelerometri integrati(Table of Materials)su ogni caviglia. Questa aggiunta ha mantenuto l’uso di strumenti portatili a basso costo, pur fornendo sofisticate misure di velocità dell’andatura, numero totale di passi, lunghezza media del passo, durata media del passo e variabilità della durata del passo. Un’altra limitazione del DTS originale era l’assenza di singole condizioni cognitive, che impedivano la valutazione dei costi cognitivi del doppio compito. I costi cognitivi del doppio compito sono definiti come prestazioni cognitive più povere durante il doppio compito rispetto alla singola condizione cognitiva. Successivamente, sia per le sottoattività LE che UE, abbiamo aggiunto una singola condizione cognitiva (descritta nel Protocollo).

Oltre a sviluppare una misura per l’uso clinico futuro, uno degli obiettivi a lungo termine del team è valutare le basi neurali delle prestazioni del singolo e doppio compito negli atleti sani e confrontare tali risultati con gli atleti con mTBI indotto dallo sport. Pertanto, abbiamo creato una versione compatibile con la neuroimaging del DTS. Cerchiamo di determinare se il DTS può essere modificato con successo per l’uso con la misurazione simultanea della spettroscopia funzionale vicino all’infrarosso (fNIRS) e stiamo utilizzando un dispositivo fNIRS mobile specificamente progettato per adattarsi al movimento del motore lordo riducendo l’influenza degli artefatti di movimento. Inoltre, questo dispositivo ha la maggiore quantità di copertura della testa, a nostra conoscenza, per i dispositivi mobili attualmente disponibili per scopi di ricerca(Table of Materials).

In sintesi, il protocollo di studio è progettato per eseguire le operazioni seguenti:

1. Descrivere il protocollo di amministrazione per la schermata DTS (Dual Task Screen) rivista, che è una misura che abbiamo riprogettato per affrontare le limitazioni del DTS¹⁵ originale e una misura destinata all’uso clinico futuro.
2. Descrivere il protocollo di ricerca per il Dual Task Screen (DTS) compatibile con la neuroimaging, che abbiamo progettato per valutare le basi neurali delle prestazioni del singolo e del doppio compito.

Protocol

Tutte le procedure di studio sono state approvate dall’Institutional Review Board (IRB) della Colorado State University e tutti i partecipanti adulti hanno fornito il consenso informato scritto prima di completare qualsiasi procedura di studio. Il consenso informato scritto è stato fornito dai genitori dei partecipanti di età inferiore ai 18 anni e i partecipanti minori hanno anche fornito un parere conforme scritto prima di completare qualsiasi procedura di studio. 1. Schermata dts (Dual Task…

Representative Results

PartecipantiI partecipanti sono stati reclutati da squadre di scuole superiori locali e squadre intercollegiali universitarie e sportive di club utilizzando passaparola e volantini pubblicitari. I partecipanti dovevano avere un’età compresa tra i 15 e i 22 anni e partecipare regolarmente a sport di contatto organizzati. Gli sport di contatto includevano tutti gli sport in cui è necessario il contatto fisico con compagni di squadra o avversari durante il gioco di routine. I partecipanti dovevano anc…

Discussion

In questo manoscritto, abbiamo descritto il protocollo di amministrazione per la nuova schermata Dual Task Screen (DTS). Queste revisioni sono state completate per affrontare le limitazioni identificate nel DTS¹⁵ originale e includevano l’aggiunta di singole condizioni cognitive per testare i costi cognitivi del doppio compito. Includeva anche l’accelerometria basata su dispositivi intelligenti per misurare più precisamente le caratteristiche dell’andatura. Abbiamo incluso risultati rappresentati…

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)
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