Herramientas de realidad virtual para evaluar la negligencia espacial unilateral: una nueva oportunidad para la recopilación de datos
Summary
El objetivo fue diseñar, construir y pilotar una novedosa tarea de realidad virtual para detectar y caracterizar la negligencia espacial unilateral, un síndrome que afecta al 23-46% de los sobrevivientes de accidentes cerebrovasculares agudos, ampliando el papel de la realidad virtual en el estudio y manejo de la enfermedad neurológica.
Abstract
La negligencia espacial unilateral (NPS) es un síndrome caracterizado por falta de atención o inacción en un lado del espacio y afecta a entre el 23-46% de los sobrevivientes de accidente cerebrovascular agudo. El diagnóstico y la caracterización de estos síntomas en pacientes individuales pueden ser desafiantes y, a menudo, requieren personal clínico calificado. La realidad virtual (RV) presenta una oportunidad para desarrollar nuevas herramientas de evaluación para pacientes con USN.
Nuestro objetivo fue diseñar y construir una herramienta de realidad virtual para detectar y caracterizar síntomas sutiles de USN, y probar la herramienta en sujetos tratados con estimulación magnética transcraneal repetitiva inhibitoria (EMT) de regiones corticales asociadas con USN.
Creamos tres condiciones experimentales aplicando TMS a dos regiones distintas de la corteza asociadas con el procesamiento visuoespacial, el giro temporal superior (STG) y el giro supramarginal (SMG), y aplicamos TMS simulado como control. Luego colocamos a los sujetos en un entorno de realidad virtual en el que se les pidió que identificaran las flores con asimetrías laterales de flores distribuidas a través de arbustos en ambos hemiespacios, con un ajuste de dificultad dinámica basado en el rendimiento de cada sujeto.
Se encontraron diferencias significativas en el guiñada media de la cabeza entre los sujetos estimulados en el STG y los estimulados en el SMG y efectos marginalmente significativos en el eje visual promedio.
La tecnología VR se está volviendo más accesible, asequible y robusta, presentando una oportunidad emocionante para crear herramientas útiles y novedosas similares a los juegos. Junto con TMS, estas herramientas podrían usarse para estudiar déficits neurológicos específicos, aislados y artificiales en sujetos sanos, informando la creación de herramientas de diagnóstico basadas en VR para pacientes con déficits debido a lesiones cerebrales adquiridas. Este estudio es el primero que conocemos en el que los síntomas de USN generados artificialmente se han evaluado con una tarea de realidad virtual.
Introduction
La negligencia espacial unilateral (NPS) es un síndrome caracterizado por falta de atención o inacción en un lado del espacio que afecta a entre el 23-46% de los supervivientes de ictus agudo, más comúnmente con lesión en el hemisferio cerebral derecho y que da lugar a una tendencia a ignorar el lado izquierdo del espacio y/o el cuerpo del superviviente1,2. Aunque la mayoría de los pacientes con USN experimentan una recuperación significativa a corto plazo, los síntomas sutiles de USN a menudo persisten3. La USN puede aumentar el riesgo de caídas en el paciente e impedir las actividades de la vida diaria2,4 También se ha demostrado que tiene un impacto negativo en los resultados funcionales motores y globales5,6.
Los déficits en USN pueden conceptualizarse como existentes en múltiples dimensiones, como si una persona ignora un lado del espacio con respecto a su propio cuerpo (egocéntrico) o con respecto a un estímulo externo (alocéntrico)7,8,9, o si una persona es incapaz de dirigir su atención (atencional) o acciones (intencionales) hacia un lado del espacio10 . Los pacientes a menudo exhiben una constelación compleja de síntomas que se pueden caracterizar a lo largo de más de una de estas dimensiones. Se cree que esta variabilidad de los síndromes de USN es el resultado de diversos grados de lesión a estructuras neuroanatómicas específicas y redes neuronales, que son complejas11. El abandono alocéntrico se ha asociado con lesiones del giro angular (AG) y del giro temporal superior (STG), mientras que la corteza parietal posterior (PPC) incluyendo el giro supramarginal (SMG) se ha implicado en el procesamiento egocéntrico12,13,14,15. Se cree que la negligencia atencional involucra lesiones en la IPL16 derecha, mientras que la negligencia intencional se cree que es secundaria al daño del lóbulo frontal derecho17 o ganglios basales18.
La evaluación clínica de la USN actualmente se basa en instrumentos neuropsicológicos de lápiz y papel. Estas herramientas de evaluación convencionales pueden ser menos sensibles que las herramientas tecnológicamente más sofisticadas, lo que resulta en un diagnóstico erróneo o un diagnóstico insuficiente de algunos pacientes con USN19. Una mejor caracterización de los déficits residuales podría facilitar la administración de la terapia a pacientes con NPS más leve y potencialmente mejorar su recuperación general, pero dicha caracterización requeriría herramientas de diagnóstico muy sensibles. La USN plantea desafíos similares en el entorno de laboratorio, donde puede ser difícil aislarse de las discapacidades motoras y visuales que comúnmente acompañan a la USN entre los pacientes con accidente cerebrovascular.
La realidad virtual (RV) presenta una oportunidad única para desarrollar nuevas herramientas para el diagnóstico y caracterización de la USN. La RV es un entorno 3D multisensorial presentado en primera persona con interacciones en tiempo real en el que los individuos son capaces de realizar tareas que involucran objetos ecológicamente válidos20. Es una herramienta prometedora para evaluar la USN; la capacidad de controlar con precisión lo que el usuario ve y escucha permite a los desarrolladores presentar una amplia variedad de tareas virtuales al usuario. Además, los sofisticados paquetes de hardware y software actualmente disponibles permiten la recopilación en tiempo real de una gran cantidad de datos sobre las acciones del usuario, incluidos los movimientos de los ojos, la cabeza y las extremidades, superando con creces las métricas ofrecidas por las pruebas de diagnóstico tradicionales21. Estos flujos de datos están disponibles instantáneamente, lo que abre la posibilidad de ajustar en tiempo real las tareas de diagnóstico en función del rendimiento del usuario (por ejemplo, apuntar al nivel de dificultad ideal para una tarea determinada). Esta característica puede facilitar la adaptación de tareas a la amplia gama de gravedad observada en USN, que se considera una prioridad en el desarrollo de nuevas herramientas de diagnóstico para USN22. Además, las tareas inmersivas de RV pueden imponer una mayor carga sobre los recursos atencionales de los pacientes23,24, lo que resulta en un aumento de los errores que pueden facilitar la detección de síntomas de negligencia; de hecho, se ha demostrado que algunas tareas de realidad virtual han aumentado la sensibilidad en comparación con las medidas convencionales de papel y lápiz de USN24,25.
En este estudio, el objetivo fue crear una herramienta de evaluación que no requiera experiencia en neurología para operar y que pueda detectar y caracterizar de manera confiable incluso casos sutiles de USN. Construimos una tarea basada en la realidad virtual, similar a un juego. Luego inducimos un síndrome similar a USN en sujetos sanos con estimulación magnética transcraneal (EMT), una técnica de estimulación cerebral no invasiva que utiliza pulsos electromagnéticos emitidos por una bobina de estimulación de mano, que pasan a través del cuero cabelludo y el cráneo del sujeto e inducen corrientes eléctricas en el cerebro del sujeto que estimulan las neuronas26,27. Esta técnica ha sido utilizada en el estudio de USN por otros13,17,28,29,30, aunque hasta donde sabemos nunca en conjunto con una herramienta de evaluación basada en VR.
Muchos investigadores ya están trabajando en aplicaciones diagnósticas y terapéuticas de los sistemas de realidad virtual. Revisiones recientes31,32 exploraron una serie de proyectos destinados a la evaluación de la RSU con técnicas basadas en RV, y se han publicado otros estudios con este objetivo33,34,35,36,37,38,39,40,41 . La mayoría de estos estudios no utilizan el complemento completo de la tecnología de realidad virtual que actualmente está disponible para el mercado de consumo (por ejemplo, una pantalla montada en la cabeza (HMD) e insertos de seguimiento ocular), lo que limita sus conjuntos de datos a un número menor de métricas fácilmente cuantificables. Además, todos estos estudios se realizaron en pacientes con lesión cerebral adquirida que conduce a LA USN, lo que requirió métodos de detección para garantizar que los pacientes pudieran al menos participar en las tareas de evaluación (por ejemplo, excluyendo a los pacientes con grandes déficits del campo visual o deterioro cognitivo). Es posible que los déficits cognitivos, motores o visuales más sutiles pasen por debajo del umbral de estos métodos de detección, posiblemente confundiendo los resultados de estos estudios. También es posible que dicho cribado sesgara las muestras de participantes en estos estudios hacia un subtipo particular de USN.
Para evitar los sesgos de cribado de estudios previos, reclutamos sujetos sanos y simulamos artificialmente los síntomas de la USN con un protocolo estándar de EMT que está bien descrito en un manuscrito reciente15, con el objetivo de inducir síntomas alocéntricos similares a los de la USN al dirigirse al STG y a los síntomas egocéntricos similares a los de la USN dirigiéndose al SMG. Diseñamos la tarea para ajustar activamente su dificultad ensayo a ensayo y diferenciar entre diferentes subtipos de USN, específicamente síntomas alocéntricos vs. egocéntricos. También utilizamos evaluaciones estándar de papel y lápiz de USN para demostrar formalmente que los déficits que inducimos con rTMS son similares a USN. Creemos que el método será útil para otros investigadores que quieran probar nuevas herramientas de realidad virtual para la evaluación y rehabilitación de USN.
Protocol
Representative Results
Discussion
Inducimos y medimos con éxito los síntomas de USN con TMS y VR, respectivamente. Si bien no tuvimos resultados significativos en comparación con los ensayos simulados, pudimos comparar múltiples métricas de negligencia egocéntrica (ángulo promedio de la cabeza, tiempo dedicado a mirar flores en cualquiera de los hemiespacio) y negligencia alocéntrica (rendimiento en la selección de flores con pétalos asimétricos a la izquierda frente al lado derecho) entre los diferentes grupos experimentales, y encontramos di…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el Fondo de Investigación Universitaria (URF) de la Universidad de Pensilvania y las Becas Estudiantiles en Enfermedades Cerebrovasculares y Accidentes Cerebrovasculares de la Asociación Americana del Corazón. Un agradecimiento especial a los investigadores, médicos y personal del Laboratorio de Cognición y Estimulación Neural por su apoyo continuo.
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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