ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Summary
ここでは、低視力および健康な人の中枢および周辺視覚処理の評価を可能にする新しいモーションベースの視力検査と、MRIプロトコルと互換性のある周辺視野を制限するゴーグルについて説明します。この方法は、視覚系の機能障害と機能障害に対する包括的な視力評価を提供します。
Abstract
標準的な視力測定は、静止した刺激に最も敏感な視覚系の領域によって処理され、静止した刺激(スネレンチャート)、垂直線(バーニア視力)、または耳障りなチャートのいずれかの静止刺激に依存し、視野の中央部分から視覚入力を受け取ります。ここでは、動き刺激に感受性があり、周辺視野からの入力も受信する視覚領域によって処理されるランダムドットキネマトグラム(RDK)内のドットの動きによって定義される単純な形状の識別に基づく視力測定が提案されています。運動視力テストでは、参加者は円と楕円を区別するよう求められ、RDKから構築され、コヒーレンス、方向、またはドットの速度のいずれかによって背景のRDKから分離された一致する表面を持つ。視力測定は楕円検出に基づいており、正しい応答ごとに、視力のしきい値に達するまでより循環します。運動視力検査は、負のコントラスト(白い背景に黒い点)または正のコントラスト(黒い背景に白い点)で提示できます。モーション定義の形状は、8 視覚度以内の中央に配置され、RDK 背景で囲まれています。中央で測定された視力に対する視界の影響をテストするために、中央に配置された穴のある不透明なゴーグルを使用して、視野を10度に機械的に狭めることが提案されています。この簡単で複製可能なナローイングシステムは、MRIプロトコルに適しており、周辺視覚入力の機能をさらに調査することができます。ここでは、形状と運動知覚を同時に測定する簡単な測定を提案します。この簡単なテストでは、中枢視野と周辺視野の入力に応じて視力障害を評価します。提案された運動視力検査は、これまで検出されなかった視覚系を損傷した患者の予備または強化された視力機能を明らかにするための標準検査の能力を向上させます。
Introduction
利用可能な視覚検査のほとんどは、中心網膜1に由来する入力に依存して、中心視力によって処理された特徴を調べるように指示されています。中心網膜は、最大の視力を得るために最も密度の高い錐体視細胞集団を有し、末梢網膜を支配する桿体視細胞を欠いている2。高密度に詰め込まれた光受容体の存在は、神経節細胞の密度の増加にも反映されており、これは、より多くの軸索が視神経に向けられ、最終的には視覚野に向けられることを意味します。中心窩の外側から周辺に向かって、桿体は錐体視細胞3を上回っています。桿体の体幅が広く、光受容体のモザイクがまばらであるため、網膜末梢部は主に暗視と運動認識に反応します4。
古典的には、視野の中央部分の刺激に依存する視覚処理は静止した物体の微細な分析に専念し、その周辺部分は動きを検出し、物体を中心の中心窩視に運び、そこでさらに分析されることに特化していると考えられていました5,6。しかし、皮質レベルでは、静止経路の詳細な分析が運動感受性経路から完全に分離されていないことを示す新たな証拠があります6,7,8。形態と運動知覚を同時にテストすることは、古典的には、移動格子9とガラスパターン10、および同心円状のリング運動11を使用して実行されます。私たちの目標は、視覚障害者の通常の生活に近いテストを導入し、視覚処理のいくつかの機能が依然として保存され、強化されている可能性があることを明示的に示すことで、欲求不満を軽減し、希望を与えることです。ランダムドットキネマトグラム(RDK)に基づく提案された運動視力テストは、動きと形状の知覚分析を組み合わせ、同時に動きと形状の知覚の機能をテストします。運動視力テスト内では、RDKのさまざまな速度、方向、コントラストなど、テストする心理物理学的特徴の多くの可能性があります。パラメータを変更することにより、中央処理または末梢処理に特異的な刺激の強さを操作できます。例えば、高速移動する物体の検出は、周辺視覚処理12に特有のよく記述された特徴であるが、一方、明るい背景の暗さの処理は、中心視13によって優先的に処理される。この検査は、最初に、中枢網膜または末梢網膜内に特異的に位置する光受容体の網膜変性を有する患者に対して実施された14。網膜色素変性症 (RP) は末梢損傷を伴い、世界中で ~1/5000 の患者に蔓延しています15。有病率は~1/10000のシュタルガルト病(STGD)は、若年性黄斑変性症(MD)の最も一般的な原因です16。黄斑変性症や網膜末梢の網膜色素変性症のように、網膜中心の光受容体が損傷すると、対応する視野が失われます。これらの視野喪失は、所与の視覚系領域に特異的な特徴の障害に反映される17。重要なことに、網膜の影響を受けていない部分から入力を受け取る視覚系の領域も影響を受けます。黄斑変性症の動物モデルでは、両眼網膜中心損傷後、視力が悪化するだけでなく、末梢処理の特徴である運動知覚が強化されることが以前に示されました。ここで説明する運動視力検査は、視覚リハビリテーション手順を計画するための重要な洞察を提供します。視野の中央部分と周辺部分の間の相互作用の全体像は、失われた機能がどのように視覚系の予備部分に引き継がれるか、そしてこのプロセスが視覚トレーニングのリハビリテーション手順によってどのようにサポートされるかを理解する上で重要な役割を果たします。インラインでは、局所的な網膜変性が視覚処理にどのように影響するか、特にその損傷した部分を超えて、まだ不完全なままです。光学テストは、定常形状の特徴の測定に基づいています。たとえば、視力測定は、文字(スネレンチャート)、グレーティングチャート、またはバーニア視力チャートのいずれかの定常刺激に依存しています。
健康な眼と中枢・末梢視機能障害のある眼の中心視と周辺視のダイナミクスを広く理解することを目的として、形状と運動知覚を同時に測定する運動ベースの視力検査を導入しました。運動視力テストは、ネガティブまたはポジティブコントラスト(暗いドットまたは明るいドット)、ランダムドットキネマトグラム(RDK)から構築され、速度、コヒーレンス、または方向によって同じRDK背景から分離された、一致する表面を持つ楕円と円の中央に配置された形状の検出に基づいています。視力は、円と楕円の寸法の間で知覚される最小の差として測定され、結果は、被験者が違いを知覚するのをやめる視覚的な程度で与えられます。さらに、輝度コントラストが測定された運動視力に影響を与えるかどうかを確認するために、刺激を負(白い背景に黒い点)または正のコントラスト(黒い背景に白い点)で提示することができます。視覚系における正のコントラスト(ONタイプ)および負のコントラスト(OFFタイプ)処理に関する利用可能なすべての情報は、中心視野19,20の静止刺激から得られる。しかし、運動信号の周辺処理がコントラストにどのように依存するかは、かなり不明のままである14,21。高速に対する感度は周辺処理に特異的であるのに対し、中心運動処理は正のコントラスト(ONタイプ)で提示されるより高い空間周波数で低速に作用することが確立されただけです12。運動視力刺激の正と負のコントラストバージョン、およびドットの速度、およびコヒーレンスまたは方向を変更する機能は、視野全体をより詳細に記述するために重要です。さらに、レンズを中央に配置された穴のある不透明なものに交換したゴーグルを使用して、視野を中央に10度機械的に狭めることが提案されています。fMRIおよびTMSプロトコルに適したこの簡単に複製可能な狭窄システムは、末梢視覚入力の機能と、視覚末梢が中央で測定された視力にどのように影響するかをさらに調査することができます。同様のシステムは、以前の研究14で最初に検証され、陰性のコントラストと高速の動きでの動きの視力テストは、視覚周辺を強く活性化し、すべての参加者にとって最も困難であることがわかりました。シュタルガルト病の患者にとって、それらは手に負えませんでした。重要なことに、RDKの速度を低下させることによる視覚周辺刺激の減衰は、すべてのテスト対象者の視力閾値を改善します。結論として、単純な形状識別に基づく運動視力測定を伴う課題を提案する。そのため、患者さんや介護者にとっても分かりやすく、わかりやすい結果が得られます。ここで紹介する運動視力検査は、学界以外のユーザーにも対応しています。この課題は、幅広い年齢層や患者団体に説明しやすい。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
すべての手順は、関連するガイドラインと規制に従って実行され、WUM(KB / 157/2017)の倫理委員会によって承認されました。すべての参加者から書面による同意を得て、実験の一般的な目的を理解し、統計分析目的でデータを含めることを理解したことを確認しました。提示されたすべての視覚刺激は、これらの実験の目的で作成されたJavaベースのデスクトップアプリケーション(Viscacha2)を使用して生成されます。
1. セットアップ
- 静かで薄暗い部屋を確保します。コンピューター、キーボード、フラットディスプレイ、アイトラッカー(研究課題と目的に応じてオプション、 資料の表を参照)、机、あご当て、椅子で構成されるセットアップを構築します。参加者があごをあご当てに乗せて座り、目をディスプレイの上半分の中央の真正面に置き、手をキーボードの矢印キーに手を伸ばして座れるように配置してください。ディスプレイと目の間の水平距離は85cmである必要があります。
注: 参加者は訓練を受けており、手順全体を通して中心固定十字を固定するように具体的に求められていますが、アイトラッカーを使用したテストは、視線の変動が多すぎる参加者の分析中にフィルタリングするための追加のコントロールを構成する場合があります。さらに、研究の目的によっては、アイトラッカーの結果は、参加者のさまざまなコホートの固定パターン、瞳孔のサイズ、または関心のある場所に関する興味深い洞察を提供する場合があります。 - https://github.com/grimwj/Viscacha2 にアクセスし、[ コード ]ボタンをクリックしてZIPをダウンロードし、ソフトウェアをダウンロードします。zip ファイルを解凍し、作業ディレクトリに保存します。
- README.txt ファイルに記載されているインストール手順に従います。アイトラッカーでテストする場合は、アイトラッカーのソフトウェアインストール手順に従ってください。指示に従ってアイトラッカーを取り付けます。
- 初期チェックを実行するには、Viscacha2.jarファイルをダブルクリックしてプログラムを実行します。初期画面が表示されたら、キーボードの Esc キーを押してプログラムを終了します。
- 新しく作成したフォルダ(experiment_data、TestPatient、Shape_Brt)をナビゲートし、スプレッドシートエディタを使用して.csvファイルを開きます(フィールド区切り文字としてセミコロンを設定します)。画面サイズや画面からの距離などのパラメータが正しいことを確認します。
注:ここから、プロトコルは、1920 x 1080、31.5インチのディスプレイが使用され、患者と画面の間の距離が85cmであるという仮定に基づいています。これは、画面が水平方向の視覚空間の44.6°を占めることを意味します。これらのパラメータを満たせない場合は、手順 5 を参照してプログラムを再設定できます。
2. テストの初期難易度の決定
- config.txt ファイルを開き、patient_name=TestPatient を含む行を見つけます。TestPatient を、検査対象のサブジェクトを識別するテキストに置き換えます。
- config.txt ファイルで、次の行を見つけます filename=Shape_Brt.txt。この行がハッシュ記号 # (コメントなしの行) で始まっていないことを確認します。
- 被験者に、顎を乗せて、ディスプレイの上半分の中央の真正面に目を向けて、ディスプレイの前に座ってもらいます。画面からの距離が正しいことを確認します。被写体が使用するキーボードのキーに簡単にアクセスできることを確認してください。
- Viscacha2.jarディレクトリに移動し、プログラムを実行します。実験の全期間、画面中央の固定十字に照準を合わせるように参加者に教えます。
- 画面の両側に、中央の固定十字から同じ距離に円または楕円が表示されます。タスクは、キーボードの左右の矢印キーを使用して楕円の上の円を選択することです。参加者にタスクを説明し、準備ができたら s キーを押して実験を開始します。実験は、参加者が矢印キーの1つを押すまで続きます。
- プログラムは、4 回の逆転が発生するか、最大試行回数に達すると終了します。逆転は、被験者が以前に正しい応答を選択した後に間違った応答を選択した場合、またはその逆の場合に発生します。
注:これは階段タイプの手順です。各試行の難易度は、正解するたびに増加し、誤答すると減少します。 図 1 は、1 人の代表的な参加者の試行で階段レベルがどのように変化するかを示しています。 - タスクが終了し、検出しきい値が確立されるまでの 4 回の反転に注意してください。結果を含む対応する.csvファイルを開きます。ファイルの末尾付近にある THRESHOLD 列を見つけます。この列の値を使用して、後続のタスクの初期難易度を計算します。
注:このテストは、init.txtファイルのExperiment_Type=Constant行からハッシュ記号を削除し、Experiment_Type=階段の行の前にハッシュ記号を追加することで、難易度のレベルが固定され、変化しない定数パラダイムで提示することもできます。
図1:Shape_Brt実験期間中の階段レベルの変化(その後の試行)。 赤いプロットは階段レベルを表しており、S-(楕円)のアスペクト比に変換されます。4回の反転(青いバー)が発生した後、被験者の検出しきい値が確立され、タスクが終了します。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
- 新しく取得した閾値を、次の刺激提示のベースラインとして使用します(ステップ2.3〜2.5)。すべての刺激定義ファイルの新しい閾値を置き換えるには、replacerフォルダ内のPythonスクリプトを使用して、画面の指示に従います。
3.刺激手順
注:合計10回の実験が行われます:5回は黒の背景に白い点、5回は白の背景に黒い点があります。
- コヒーレンスタスク
- 件名の準備ができたら、config.txtファイルを開き、filename=Shape_Brt.txt行にコメント(つまり、ハッシュ記号を挿入)し、shape_dotsB_C.txtタスクを含む下の行のコメントを解除します。このタスクでは、円と楕円は、10°/sの速度でランダムに移動するドットで構成されています。背景は、円や楕円と同じ速度でコヒーレントに上向きに移動するドットで構成されています。
注: 各タスクの定義ファイル内の Direction パラメータを編集することで、背景ドットの異なる移動方向を定義することができます。 - Viscacha2.jarを実行します。課題を簡単な言葉で説明してください、例えば、常に円を指してください。参加者の準備ができたら、s キーを押して実験を開始します。実験が完了するまで待ちます。
- config.txtファイルを開き、行filename=shape_dotsB_C.txtをコメント化し、shape_dotsW_C.txtタスクを含む下の行のコメントを解除します。手順3.1.2を繰り返します。
- 件名の準備ができたら、config.txtファイルを開き、filename=Shape_Brt.txt行にコメント(つまり、ハッシュ記号を挿入)し、shape_dotsB_C.txtタスクを含む下の行のコメントを解除します。このタスクでは、円と楕円は、10°/sの速度でランダムに移動するドットで構成されています。背景は、円や楕円と同じ速度でコヒーレントに上向きに移動するドットで構成されています。
- 指示タスク
- 件名の準備ができたら、config.txtファイルを開き、以前に選択したファイル名にコメントします。filename=shape_dotsB_D.txtタスクを含む行のコメントを解除します。このタスクでは、円と楕円は、10°/sの速度でコヒーレントに上向きに移動するドットで構成されています。背景は、円や楕円と同じ速度でコヒーレントに左に移動するドットで構成されています。
- Viscacha2.jarを実行します。被験者にタスクを説明します。参加者の準備ができたら、 s キーを押して実験を開始します。実験が完了するまで待ちます。
- config.txt ファイルを開き、行filename=shape_dotsB_D.txtをコメント化し、shape_dotsW_D.txtタスクを含む下の行のコメントを解除します。手順3.2.2を繰り返します。
- 速度タスク
- 件名の準備ができたら、config.txtファイルを開き、以前に選択したファイル名にコメントを付けます。タスクを含む行filename=shape_dotsB_V10_20.txtコメントを解除します。このタスクには3つの条件があります。円と楕円と背景は、首尾一貫して上に移動するドットで構成され、円と楕円内のドットは常に背景のドットよりも遅く移動します:i)10°/ s対20°/ s。ii)5°/ s対10°/ s。iii)1°/s対2°/s。
- Viscacha2.jarを実行します。被験者にタスクを説明します。参加者の準備ができたら、s キーを押して実験を開始します。実験が完了するまで待ちます。
- config.txtファイルを開き、shape_dotsB_V10_20.txt行にコメントし、shape_dotsW_V10_20.txtタスクを含む下の行のコメントを解除します。手順3.2.2を繰り返します。
- 手順3.3.1〜3.3.3を2回繰り返して、タスクshape_dotsB_V5_10.txtとshape_dotsW_V5_10.txt、およびshape_dotsB_V1_2.txtとshape_dotsW_V1_2.txtについて繰り返します。
- タスクの完了後に各タスクのファイル名を手動で変更しないようにするには、sweep_file オプションを使用します。config.txt ファイルで、sweep_files フィールドを 0 に設定して、各タスク プロシージャの終了後にプロシージャを終了します。
- この設定をShape_Brt.txtタスクに使用して、初期ベースラインしきい値を定義します。ベースラインを設定したら、複数のタスクを連続して実行するには、スイープ ファイルを 1 から 9 までの整数に設定します。ここでの整数は、連続するタスク間の変更の数を決定します(たとえば、1に設定され、shape_dotsB_D.txtがコメントされていない場合、プログラムはこのタスクと次のタスクを実行します。9に設定すると、すべてのタスクが実行されます)。内部的には、これにより、各実験の完了後に新しい構成ファイルが再生成され、以前に選択したファイル名がコメントされ、後続のファイル名が次の実験用に選択されます。
4.視界を制限するゴーグル
- 周辺視野を一時的に取り除くには、透明なレンズを白い不透明なレンズに交換する水泳用ゴーグル(図2)を使用します。レンズの口径は1.4mmで、視野は中央の10°に制限されていました。ゴーグルをすべての被写体に適させ、自然な個々の眼間距離を可能な限り考慮するために、58 mmから72 mmの間隔の穴のある14組のゴーグルを作成します(各ゴーグルの間に1 mmのステップがあります)。
図2:ナローゴーグル。 中央の穴の直径は1.4mmです。穴の間の距離が58mmから72mmのゴーグルが14組ありました 。
- 定規を使用して、参加者の目と目の間の距離を定義します。定規を目のすぐ上、眉毛に合わせて、値0を片方の目の上に置きます。2番目の目の上の値を確認して、2番目の瞳孔がmmでどれだけ離れているかを計算します。処置中は、参加者に視線をできるだけ安定させるように依頼します。
- より適切なペアを選択したら、15分間休憩します。この間、参加者に部屋の中を自由に動き回ったり、電話を使ったり、本を読んだりして、新しい視覚状態に目を慣らしてもらいます。
- 手順 3 から手順をもう一度開始します。
5. 再構成
- 画面サイズと距離の調整
- 別のディスプレイを使用している場合は、画面の寸法(解像度と対角線)を構成ファイルに挿入します(垂直解像度の場合はresolution_v、水平解像度の場合はresolution_h、画面の対角線はインチ単位ですdiagonal_inch)。
- Viscacha2.jarを実行します。初期画面が表示されたら、 ESC を押して終了します。結果を含む .csv ファイルを開きます。
- [距離 mm] のテキストを含む行を見つけて、値を書き留めます。
- 被験者が新しく計算された距離に座ることができるように、実験設定を再調整します。画面の幅が水平方向の視覚空間の 44.6° を占めるように距離を計算します。これは full_angle_h パラメータで定義され、config.txt ファイルでも変更できます。
注意: キャリブレーションは、full_angle_vパラメータを使用して画面の高さに対しても実行できます。これらのパラメータのうち1つだけを設定でき、もう1つは#プレフィックスでコメント化する必要があることに注意してください。
- 刺激の定義
- 刺激パラメーターを別々のファイル(例:shape_dotsB_C.txt)で定義します。S-の寸法(Ellipse_X、Ellipse_Y)などの一部の値はピクセル単位で与えられます。ピクセルから視度まで計算するには、結果を含む csv ファイルから抽出されたピクセル対角度乗数を値に掛けます。
注:ドットのコヒーレンスなどの刺激パラメータは、各層(背景、形状S+、形状S-、ノイズ)に対して事前に定義され、調整可能です。たとえば、コヒーレンスタスクでは、円と楕円は、速度10°/s(コヒーレンス= 0.0)でランダムに移動するドットで構成されます。背景は、円や楕円と同じ速度でコヒーレントに上向きに移動するドットで構成されています(コヒーレンス = 1.0)。Viscacha2には、まだ公式のユーザーマニュアルがありません。スティミュラス定義の詳細については、Viscacha2リポジトリのstimuli_description.odsファイルを参照してください。
- 刺激パラメーターを別々のファイル(例:shape_dotsB_C.txt)で定義します。S-の寸法(Ellipse_X、Ellipse_Y)などの一部の値はピクセル単位で与えられます。ピクセルから視度まで計算するには、結果を含む csv ファイルから抽出されたピクセル対角度乗数を値に掛けます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
運動視力タスクは、各参加者について、各刺激手順に対して1つの結果ファイルを生成します。テスト参加者の模範的なログ ファイルが、doc フォルダー内のリポジトリに含まれています。1行目から31行目までは、患者名や構成設定など、さまざまな設定が報告されます。タスクブロックは34行目から開始し、イベント時間、イベントタイプ、試行、期間、選択、正解、成功、実験者、外部刺激、反転、階段レベルなど、さらなる分析に必要な重要な情報を報告します。重要なのは、選択列と成功列を空にしないことです。この場合、応答ツール(キーボードまたは応答パッド)の誤動作を示している可能性があります。170 行目から、しきい値は列しきい値を下回って報告されます。手順 1.2 のリンクされたリポジトリには、ログ ファイルをクリーニングするためのログ ファイル準備スクリプトが含まれていることに注意してください。ログファイルは、列の選択と修正を比較したり、successという名前の列を確認したりすることで、応答の精度を分析するために使用できます。報告される別の有用な値は、反応時間調査の持続時間です。
代わりに、運動視力の閾値に関する研究では、重要な変数は列の閾値より低い値です。各参加者は、刺激の提示ごとに1つの閾値を持ち、異なるコントラストおよび/または異なるタスクから導き出された閾値を比較することが可能である。
図3では、完全な視力条件(すなわち、狭窄ゴーグルを着用せずに;図3A、B)および視力が制限されている状態(狭窄ゴーグルを着用している。図3C,D)が示されている。選択した対照参加者は、正常または正常に矯正された視力を持っていました。
図3:対照群の代表的な結果。 (A、B)周辺視野を覆うゴーグルを使用した全視力および(C、D)限定視力での試験結果。高速(10/20度)からコヒーレンスタスクまでの運動視力の閾値は、(A、C)負の左パネル、(B、D)右パネルの正のコントラストに示されています。縦軸では、運動視力の閾値は、視力の程度の最小知覚差として報告されます。個々のしきい値は円で表示されます。平均誤差と標準誤差を示します。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図4では、2つのグループの患者がテストされました:末梢光受容体変性症(網膜色素変性症、RP;図4A、B)および中枢性光受容体変性症に罹患している患者(Stargardt、STGD;図4C、D)。患者を正しく含めるために、最終的な診断は、典型的な眼科検査の後、および光干渉断層撮影法(OCT)、フルオレセイン血管造影法(FA)、電気生理学的検査(フラッシュ網膜電図、FERG)などの副検査の後に確立されました。さらに、患者が検査の初期難易度を決定するためのベースラインタスク(Shape_Brt.txt)を確認または実行できなかった場合、患者は自動的に手順から除外されました。
図4:RPおよびSTGD患者の代表的な結果。 (A、B)視覚周辺を失った RP 患者と中心視力を失った (C、D) STGD 患者の結果。高速(10/20度)からコヒーレンスタスクまでの運動視力の閾値は、(A、C)負の左パネル、(B、D)右パネルの正のコントラストに示されています。縦軸では、運動視力の閾値は、視力の程度の最小知覚差として報告されます。個々のしきい値は円で表示されます。平均誤差と標準誤差を示します。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図3と図4では、縦軸で、視力の閾値は最小の知覚差として報告されています。横軸は、結果を高速 10/20、中間 5/10、低速 1/2 のタスクに分割し、高速速度方向とコヒーレンスで行います。タスクは2つの対比で提示されます(つまり、負の場合はaとc、正の場合はbとd)。各参加者は 1 つのポイントとして報告され、エラーバーは標準誤差を表します。
これらの代表的な結果は、全視力の対照群(図3A)では、運動視力の閾値がタスク間で類似していることを示しています。最も要求の厳しいタスク速度は負のコントラストで10/20、最も簡単な遅い速度は正のコントラストで1/2です。限られた視力条件で示されるように、末梢視野を覆うゴーグルを着用すると、参加者間の結果の広がりが減少し、中枢および末梢視覚刺激の測定が成功したことが明らかになったことに注意してください(図3B)。患者(図4)の場合、視覚障害が運動視力閾値にどのように影響するかを速度タスクとともに示します。中心視野を温存したRP患者(図4A、B)の場合、最も遅いタスクが最も簡単ですが、末梢視野を温存したSTGD患者(図4C、D)の場合、パターンは反対の傾向に従い、速度1/2(遅い)の閾値が高く、速度10/20(速い)の閾値が低いことを示しています。対照的に、方向と一貫性の課題は2つの患者群を区別しませんでした。
刺激の代表的なフィルムは 、補足ファイル1、補足ファイル2、補足ファイル3、補足ファイル4、補足ファイル5、補足ファイル6、補足ファイル7、補足ファイル8、補足ファイル9、補足ファイル10、補足ファイル11に.mp4形式で入手可能です。これらの録音では、白いカーソルは円の位置(刺激S+)を示しており、正しい選択のために選択されることに注意してください。実験セッション中は、このカーソルは表示されません。記録は、ベースラインタスクShape_Brt、コヒーレンスタスク(shape_dotsB_Cおよびshape_dotsW_C)、方向タスク(shape_dotsB_Dおよびshape_dotsW_D)、および速度タスク(高速10/20度:shape_dotsB_V10_20、shape_dotsW_V10_20、5/10度半ば:shape_dotsB_V5_10、shape_dotsW_V5_10、低速1/2度: shape_dotsB_V1_2、shape_dotsW_V1_2)、ネガティブとポジティブのコントラストで。
補足ファイル 1: 初期しきい値を計算するためのベースライン タスク。 円と楕円は、固定十字の側面に示されています。各選択の後、楕円はその形状を変えます:正しい応答の場合(参加者が円を選択します)、楕円の形状は円周により近くなります。間違った応答(参加者が楕円を選択する)の場合、階段の手順に従って、楕円の形状がより強調されます。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル2:負のコントラストのコヒーレンスタスク。 RDK は、白い背景に黒い点が移動する構造になっています。中央に配置された2つの形状はRDKモーションによって定義されます:形状内ではドットがランダムに移動し、背景は10°/sで上向きに移動するドットで形成されます。難易度はベースラインタスクで設定されます。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル3:正の対照的なコヒーレンスタスク。 RDKは、黒い背景に白い点で構築されています。中央に配置された2つの形状はRDKモーションによって定義されます:形状内ではドットがランダムに移動し、背景は10°/sで上向きに移動するドットで形成されます。難易度はベースラインタスクで設定されます。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル4:ネガティブコントラストのディレクションタスク。 RDK は、白い背景に黒い点が移動する構造になっています。中央に配置された 2 つの形状は RDK モーションによって定義され、形状の内側では、ドットが 10°/s で上に移動し、背景が 10°/s で左に移動します。初難易度は 、補足ファイル2のように設定されています。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル5:肯定的なコントラストの方向タスク。 RDKは、黒い背景に白いドットが移動する構造になっています。中央に配置された 2 つの形状は RDK モーションによって定義され、形状の内側では、ドットが 10°/s で上に移動し、背景が 10°/s で左に移動します。初難易度は 、補足ファイル2のように設定されています。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル6:負のコントラストの高速タスク。 RDK は、白い背景に黒い点が移動する構造になっています。中央に配置された 2 つの形状は RDK モーションによって定義されます: 形状の内側では、ドットは 10°/s で上に移動し、背景は 20°/s で上に移動します。初難易度は 、補足ファイル2のように設定されています。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル7:正のコントラストに関する高速タスク。 RDKは、黒い背景に白いドットが移動する構造になっています。中央に配置された 2 つの形状は RDK モーションによって定義されます: 形状の内側では、ドットは 10°/s で上に移動し、背景は 20°/s で上に移動します。初難易度は 、補足ファイル2のように設定されています。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル8:負のコントラストの中速タスク。 RDK は、白い背景に黒い点が移動する構造になっています。中央に配置された 2 つの形状は RDK モーションによって定義されます: 形状の内側では、ドットは 5°/秒で上に移動し、背景は 10°/秒で上に移動します。初難易度は 、補足ファイル2のように設定されています。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル9:正のコントラストの中速タスク。 RDKは、黒い背景に白いドットが移動する構造になっています。中央に配置された 2 つの形状は RDK モーションによって定義されます: 形状の内側では、ドットは 5°/秒で上に移動し、背景は 10°/秒で上に移動します。初難易度は 、補足ファイル2のように設定されています。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル10:負のコントラストの低速タスク。 RDK は、白い背景に黒い点が移動する構造になっています。中央に配置された2つの形状はRDKモーションによって定義されます:形状の内側では、ドットは1°/sで上に移動し、背景は2°/sで上に移動します。初難易度は 、補足ファイル2のように設定されています。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル11:正のコントラストの低速タスク。 RDKは、黒い背景に白いドットが移動する構造になっています。中央に配置された2つの形状はRDKモーションによって定義されます:形状の内側では、ドットは1°/sで上に移動し、背景は2°/sで上に移動します。初難易度は 、補足ファイル2のように設定されています。円と楕円は、固定十字の側面に示されています。手順全体を通して、参加者は固定十字を見るように求められます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ここでは、ランダムなドットキネマトグラムに基づく一連の刺激を使用して視力を測定するための新しい方法が説明されています。その結果、円と楕円の知覚される違いが最小限に抑えられ、被験者がいつ形を互いに区別しなくなったかを見ることができます。達成された差が小さいほど、視力は向上します:それは、楕円とほぼ同じであっても、被験者が円がどこにあるかを検出できることを意味します。ここで提示された運動視力検査は、異なるサイズの高コントラスト文字の識別を必要とする認識視力に基づく一般的な臨床測定に関連する可能性のある視力で結果をもたらします22。
セットアップの準備は非常に重要です。手順 1.1 で説明したように、薄暗い部屋は手順を実行するための最良の選択です。追加の光源(モニターのインジケーターライト、応答パッド、アイトラッカー、または部屋にあるその他の装置など)をカバーすることが重要です。同様に、これ以上気を散らす原因を避けるために、音響的に断熱された部屋で手順を実行することをお勧めします。モニターからの距離とモニターのサイズは、ドットの生成がこれらの値に依存するため、明確に定義する必要があります。
また、ステップ1.1の注で報告したように、参加者の視線を監視するためにアイトラッカーを強く推奨する。手順では、指示を受けた後、参加者は小さな部屋に一人で座り、実験者は実験室の外の隣接するスペースに座り、アイトラッカーカメラを使用して視線と頭の動きを監視しました。アイトラッカーが利用できない場合、実験者はテストモニターの上に設置されたカメラを使用して頭の位置を制御し、別の画面でライブ画像を確認できます。アイトラッカーの有無にかかわらず、どちらの設定も、RPおよびSTGD患者を対象とした以前の研究によって効率的であることが証明されています14。それにもかかわらず、アイトラッカーは、固定のモニタリングだけでなく、その後の分析も可能にします。
この手順は、指示画面を追加するか、音響指示(弱視の参加者向け)を追加することで改善できます。手順を口頭で説明すると、説明に違いが生じ、パフォーマンスが異なる場合があります。さらに、ベースラインタスク(Shape_Brt)と他のタスクの外観が異なると、一部の参加者にとって煩雑で混乱を招く場合があります。このため、刺激が最初のタスクとどのように異なるかを明確に説明することを強くお勧めします。参加者が特定のタスクを実行できない場合、またはパフォーマンスに問題がある場合は、sweep_fileパラメータの値を変更して(ステップ3.3.4注)、1回に1つのタスクをテストすることをお勧めします。このようにして、実験者は手順をより詳細に制御し、提示されたタスクを終了して手動で次のタスクに移動するかどうかを決定します。狭窄ゴーグルを使用した手順は、人それぞれに適応するのが難しい場合があります。適切なゴーグルを選ぶためのヒントは、参加者に頭を動かさずに目の前の物体に固執し、片方の目を覆い、次にもう片方の目を覆うように頼むことです。参加者が片方の目で物体をはっきりと見てからもう片方の目で見ることができる場合は、着用しているゴーグルで十分です。
定常刺激では、暗闇と光の処理が網膜と皮質レベルで分離されていることはよく知られており、そこでは暗闇の処理が支配的である12。ここで、運動中の刺激を使用して、提案された手順は、視野の特定の部分の喪失が、負または正のコントラストで運動と形状の処理に同時にどのように影響するかを調べるユニークな機会を提供します。中央に位置する形状の識別は、参加者によって報告されたように、負のコントラストで10/20°の速い速度のタスクによって強く妨げられました。これは、負のコントラスト23で高速に移動する刺激による末梢視野の皮質表現の活性化と一致しています。処置の15分間前に対照被験者のゴーグルを狭くすることによる末梢視覚入力の一時的な喪失は、運動視力に影響を与えませんでした。しかし、個々の結果の広がりは小さくなりました。おそらく、中枢処理と周辺処理の相互作用における個人差が露呈しているのでしょう。モーション検知は、モーションセンシティブな周辺エリアなしでどのように機能しますか?損傷した部品からスペアパーツへの機能の乗っ取りを観察できますか24?どの程度までですか?この編集しやすい一連のテストのおかげで、刺激の特徴の変化が視覚処理にどのように影響するかを確認できます。画像処理に影響を与える可能性のあるすべての設定(移動するドットの色、速度とサイズなど)を調整できます。この機会により、ユーザーは、さまざまな操作で視野全体と視覚機能を調べるために使用できるさまざまなテストを幅広く利用できます。中心の微細処理と末梢運動刺激5を区別するために、中央の8°内で運動の鋭敏さをテストすることを選択することにしました。しかし、将来のユーザーは、視野内の刺激の大きさと位置をニーズに合わせて調整するかもしれません。
前に示したように、網膜中心病変は、末梢に特徴的な運動刺激の知覚を増強した18。さらに、網膜中心性欠損のMD患者を対象としたfMRI研究では、中心視刺激に反応しないV1を含む視覚野の一部が、末梢に位置する視覚刺激によって活性化されることが明らかになりました。RP患者群のばらつきが大きいのは、疾患の進行と症状発現の個人差が大きいことに由来する可能性が高い。また、RP患者は一般的に視力喪失に適応するのに苦労し、サッカードの不規則なパターンを示します25,26、これは、彼らが非常に異なる行動をとる理由を説明するのに役立つ可能性があります。このため、ステップ1でも説明したように、特に患者を検査する場合は、アイトラッカーの使用をお勧めします。
提案された手続きは、困難と制限に欠けていません。各実験セッションのログ ファイルは、読み取りやクリーニングが困難な場合があります。このため、手順 1.2 では、ログをクリーニングするためのコードを含むリポジトリに、指定されたリンクを使用してアクセスできるようになりました。さらに、近視の進行度を持つ参加者をテストするのは難しいかもしれません。このタスクでは、参加者がRDKをはっきりと見ることができ、少なくともモニターから一定の距離で前景と背景を区別できる必要があります。
提案された運動ベースの視力検査により、中心視野だけでなく周辺視野14からも得られる入力に依存する視覚機能を評価できます。運動の知覚と微細な静止の詳細は、同心円状のリング運動11に適応した後の視力向上によって最近示されたように、完全に分離されていません。狭窄システムは、安全ガイドライン27に反することなく、またTMSまたはtRNSセッション28,29中にMRIスキャナー内で使用することができ、健康な対照群および患者の視野を制限することにより、皮質ダイナミクスの背後にある可能性のあるメカニズムの追跡を可能にする。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
著者らは何も開示していない。
Acknowledgments
このプロトコルは、ポーランドのワルシャワにあるNencki Institute of Experimental Biologyの脳イメージング研究所で実施され、K.BとJ.S.に授与された国立科学センター(ポーランド)からの助成金2018/29/B/NZ4/02435によって支援されました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chinrest | custom-made | ||
| Computer | Windows 10 or higher | ||
| Display | 1920 × 1080, 31 inches | ||
| EyeLink 1000 Plus | SR Research | desktop mount | |
| USB Keyboard | |||
| USB mouse |
References
- Wells-Gray, E. M., Choi, S. S., Bries, A., Doble, N. Variation in rod and cone density from the fovea to the mid-periphery in healthy human retinas using adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy. Eye. 30 (8), 1135-1143 (2016).
- Kolb, H.
- Østerberg, G. Topography of the layer of rods and cones in the human retina. Acta Ophthal. 6, 1 (1935).
- Kolb, H. The Organization of the Retina and Visual System. Circuitry for Rod Signals through the Retina. , University of Utah Health Sciences Center. USA. (2011).
- Burnat, K. Are visual peripheries forever young. Neural Plast. 2015, 307929 (2015).
- Donato, R., Pavan, A., Campana, G. Investigating the interaction between form and motion processing: A review of basic research and clinical evidence. Front Psychol. 11, 566848 (2020).
- Geisler, W. S. Motion streaks provide a spatial code for motion direction. Nature. 400, 65-69 (1999).
- Apthorp, D., et al. Direct evidence for encoding of motion streaks in human visual cortex. Proc Biol Sci. 280, 20122339 (2013).
- Kelly, D. H.
- Glass, L. Moiré effect from random dots. Nature. 223 (5206), 578-580 (1969).
- Tagoh, S., Hamm, L. M., Schwarzkopf, D. S., Dakin, S. C. Motion adaptation improves acuity (but perceived size doesn't matter). J Vis. 22 (11), 2 (2022).
- Orban, G. A., Kennedy, H., Bullier, J. Velocity sensitivity and direction selectivity of neurons in areas V1 and V2 of the monkey: influence of eccentricity. J Neurophysiol. 56 (2), 462-480 (1986).
- Rahimi-Nasrabadi, H., et al. Image luminance changes contrast sensitivity in visual cortex. Cell Rep. 34 (5), 108692 (2021).
- Kozak, A., et al. Motion based acuity task: Full visual field measurement of shape and motion perception. Transl Vis Sci Technol. 10 (1), 9 (2021).
- Cross, N., van Steen, C., Zegaoui, Y., Satherley, A., Angelillo, L. Retinitis pigmentosa: Burden of disease and current unmet needs. Clin Ophthalmol. 16, 1993-2010 (2022).
- Cremers, F. P. M., Lee, W., Collin, R. W. J., Allikmets, R. Clinical spectrum, genetic complexity and therapeutic approaches for retinal disease caused by ABCA4 mutations. Prog Retin Eye Res. 79, 100861 (2020).
- Plank, T., et al. matter alterations in visual cortex of patients with loss of central vision due to hereditary retinal dystrophies. Neuroimage. 1556, 65 (2011).
- Burnat, K., Hu, T. T., Kossut, M., Eysel, U. T., Arckens, L. Plasticity beyond V1: Reinforcement of motion perception upon binocular central retinal lesions in adulthood. J Neurosci. 37 (37), 8989-8999 (2017).
- Jansen, M., et al. Cortical balance between ON and OFF visual responses is modulated by the spatial properties of the visual stimulus. Cereb Cortex. 29 (1), 336-355 (2019).
- Pons, C., et al. Amblyopia affects the ON visual pathway more than the OFF. J Neurosci. 39 (32), 6276-6290 (2019).
- Luo-Li, G., Mazade, R., Zaidi, Q., Alonso, J. M., Freeman, A. W. Motion changes response balance between ON and OFF visual pathways. Commun Biol. 1, 60 (2018).
- Jackson, A., Bailey, I.
- Baker, C. I., Peli, E., Knouf, N., Kanwisher, N. G. Reorganization of visual processing in macular degeneration. J Neurosci. 25 (3), 614-618 (2005).
- Gilbert, C. D., Li, W.
- Guadron, L., et al. The saccade main sequence in patients with retinitis pigmentosa and advanced age-related macular degeneration. Invest Ophthalmol Vis Sci. 64 (3), 1 (2023).
- Gameiro, R. R., et al. Natural visual behavior in individuals with peripheral visual-field loss. J Vis. 18 (12), 10 (2018).
- Sammet, S.
- Potok, W., et al. Modulation of visual contrast sensitivity with tRNS across the visual system, evidence from stimulation and simulation. eNeuro. 10 (6), (2023).
- Pearson, J., Tadin, D., Blake, R. The effects of transcranial magnetic stimulation on visual rivalry. J Vis. 7 (7), 1-11 (2007).
Tags
今月のJoVE、第204号、視覚トレーニング、視覚系、周辺視野、視力検査、動き定義形状識別、中心視野Erratum
Formal Correction: Erratum: Motion-Acuity Test for Visual Field Acuity Measurement with Motion-Defined Shapes
Posted by JoVE Editors on 04/01/2024.
Citeable Link.
An erratum was issued for: Motion-Acuity Test for Visual Field Acuity Measurement with Motion-Defined Shapes. The Authors section was updated from:
Marco Ninghetto1
Michał Wieteska2,3
Anna Kozak1
Kamil Szulborski4
Tomasz Gałecki4
Jacek Szaflik1
Kalina Burnat1
1Nencki Institute of Experimental Biology, Polish Academy of Sciences
2Mossakowski Medical Research Institute, Polish Academy of Sciences
3Institute of Radio Electronics and Multimedia Technology, Warsaw University of Technology
4Department of Ophthalmology, Medical University of Warsaw
to:
Marco Ninghetto1
Michał Wieteska2,3
Anna Kozak1
Kamil Szulborski4
Tomasz Gałecki4
Jacek Szaflik4
Kalina Burnat1
1Nencki Institute of Experimental Biology, Polish Academy of Sciences
2Mossakowski Medical Research Institute, Polish Academy of Sciences
3Institute of Radio Electronics and Multimedia Technology, Warsaw University of Technology
4Department of Ophthalmology, Medical University of Warsaw
