Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Тест остроты движения для измерения остроты поля зрения с помощью форм, определяемых движением

Published: February 23, 2024 doi: 10.3791/66272
Automatic Translation
1, 2,3, 1, 4, 4, 4, 1
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

ERRATUM NOTICE

Summary

Здесь описан новый тест остроты зрения, основанный на движении, который позволяет оценить центральную и периферическую зрительную обработку у слабовидящих и здоровых людей, а также очки, ограничивающие периферическое зрение, совместимые с протоколами МРТ. Этот метод предлагает комплексную оценку зрения при функциональных нарушениях и дисфункциях зрительной системы.

Abstract

Стандартные измерения остроты зрения основаны на стационарных стимулах, будь то буквы (таблицы Снеллена), вертикальные линии (острота нониуса) или решетчатые таблицы, обрабатываемые теми областями зрительной системы, которые наиболее чувствительны к стационарной стимуляции, получая визуальный сигнал из центральной части поля зрения. Здесь предлагается измерение остроты зрения, основанное на различении простых форм, которые определяются движением точек в кинематограммах случайных точек (RDK), обрабатываемых зрительными областями, чувствительными к стимуляции движения и получающими входные данные также из периферийного поля зрения. В тесте на остроту движения участников просят различать круг и эллипс с соответствующими поверхностями, построенными из RDK и отделенными от фонового RDK либо когерентностью, либо направлением, либо скоростью точек. Измерение остроты зрения основано на обнаружении эллипса, который с каждым правильным ответом становится все более круглым до достижения порога остроты зрения. Тест на остроту движения может быть представлен в отрицательном контрасте (черные точки на белом фоне) или в положительном контрасте (белые точки на черном фоне). Фигуры, определяемые движением, расположены по центру в пределах 8 визуальных градусов и окружены фоном RDK. Для проверки влияния периферии зрения на центрально измеряемую остроту зрения предложено механическое сужение поля зрения до 10 градусов с использованием непрозрачных очков с центрально расположенными отверстиями. Эта простая и воспроизводимая система сужения подходит для протоколов МРТ, позволяя в дальнейшем исследовать функции периферического зрительного входа. Здесь предлагается простое измерение восприятия формы и движения одновременно. Этот простой тест оценивает нарушения зрения в зависимости от входных сигналов центрального и периферического поля зрения. Предлагаемый тест на остроту движения расширяет возможности стандартных тестов по выявлению резервных или даже усиленных зрительных функций у пациентов с поврежденной зрительной системой, которые до сих пор оставались незамеченными.

Introduction

Большинство доступных визуальных тестов направлены на изучение особенностей, обрабатываемых центральным зрением, полагаясь на входные данные, поступающие от центральной сетчатки1. Центральная сетчатка имеет самую плотную популяцию колбочек-фоторецепторов для максимальной остроты зрения и не имеет палочек-фоторецепторов, которые доминируют в периферической сетчатке2. Наличие плотно упакованных фоторецепторов также отражается в повышенной плотности ганглиозных клеток, что означает, что большее количество аксонов направляется к зрительному нерву и, в конечном итоге, к зрительной коре. За пределами ямки по направлению к периферии палочек больше, чем колбочки3. Благодаря более широким телам палочек и более разреженной мозаике фоторецепторов, периферическая сетчатка в первую очередь реагирует на ночное зрение и осознание движения4.

Классически считалось, что визуальная обработка, в зависимости от стимуляции центральной части поля зрения, посвящена тонкому анализу неподвижных объектов, а ее периферийная часть специализируется на обнаружении движения и доведении объектов до центрального, фовеального зрения, где в дальнейшем анализируется 5,6. Однако теперь у нас есть новые данные, показывающие, что на корковом уровне тонкий анализ стационарного пути не полностью отделен от чувствительного к движению 6,7,8. Тестирование формы и восприятия движения одновременно классически выполняется с использованием подвижных решеток9 и стеклянных узоров10, а также движения концентрических колец11. Наша цель — ввести тест, близкий к нормальной жизни людей с нарушениями зрения, который может снизить их фрустрацию и дать надежду, явно показав им, что некоторые особенности их зрительной обработки все еще могут быть сохранены и даже усилены. Предлагаемый тест на остроту движения, основанный на кинематограммах случайных точек (RDK), сочетает в себе анализ восприятия движения и формы и одновременно проверяет функционирование восприятия движения и формы. В рамках теста на остроту движения есть много возможностей для проверки психофизических особенностей, таких как различные скорости, направления и контрасты RDK. Изменяя параметры, мы можем манипулировать силой стимуляции, как специфической для центральной обработки, так и периферической. Например, обнаружение быстро движущихся объектов является хорошо описанной особенностью, специфичной для периферийной визуальной обработки12, в то время как обработка темных тонов на ярком фоне преимущественно обрабатывается центральным зрением13. Этот тест первоначально проводили у пациентов с дегенерацией фоторецепторов сетчатки, либо специфически расположенных в центральной, либо периферической сетчатке14. Пигментный ретинит (РП) проявляется периферическим повреждением и преобладает у ~1/5000 пациентов во всем мире15. Болезнь Штаргардта (STGD) с распространенностью ~1/10000 является наиболее распространенной причиной ювенильной макулярной дегенерации (МД)16. Повреждение фоторецепторов в центральной части сетчатки, как при макулярной дегенерации или при пигментном ретините на периферической сетчатке, приводит к соответствующим потерям поля зрения. Эти потери поля зрения отражаются в ухудшении характеристик, специфичных для данных областей зрительной системы17. Важно отметить, что области зрительной системы, которые получают входные данные от непораженных частей сетчатки, также поражаются. Ранее на животных моделях макулярной дегенерации18 было показано, что после бинокулярного повреждения центральной сетчатки не только ухудшается острота зрения, но и усиливается восприятие движения, характерное для периферической обработки. Описанное здесь тестирование остроты движения дает важную информацию для планирования процедур визуальной реабилитации. Полное представление о взаимодействии между центральными и периферийными частями поля зрения играет решающую роль в понимании того, как утраченные функции могут быть взяты на себя запасными частями зрительной системы и как этот процесс может быть поддержан процедурами реабилитации зрительной тренировки. Знания о том, как регионарная дегенерация сетчатки влияет на визуальную обработку, особенно за пределами ее поврежденных частей, все еще остаются неполными. Оптические испытания основаны на измерениях неподвижных характеристик формы. Например, измерения остроты зрения полагаются на стационарные стимулы, либо буквы (таблицы Снеллена), либо таблицы решетки, либо таблицы нониуса.

С целью расширения понимания динамики между центральным и периферическим зрением у здоровых глаз и глаз с нарушениями центральных/периферических зрительных функций был введен тест остроты движения, измеряющий форму и восприятие движения одновременно. Тест на остроту движения основан на выявлении центрально расположенных фигур с отрицательным или положительным контрастом (темные или светлые точки), эллипса и круга с соответствующими поверхностями, построенных из случайных точечных кинематограмм (RDK) и отделенных от того же фона RDK скоростью, когерентностью или направлением. Острота зрения измеряется как минимальная воспринимаемая разница между размерами круга и эллипса, а результаты даются в визуальных степенях, при которых испытуемый перестает воспринимать разницу. Кроме того, чтобы проверить, влияет ли контраст яркости на измеренную остроту движения, стимулы могут быть представлены в отрицательном (черные точки на белом фоне) или в положительном контрасте (белые точки на черном фоне). Вся доступная информация об обработке положительного контраста (тип ON) и отрицательного контраста (тип OFF) в зрительной системе поступает от стационарной стимуляции центрального поля зрения 19,20. Но как периферийная обработка сигналов движения зависит от контраста, остается довольно неизвестным. Было установлено только, что чувствительность к высоким скоростям специфична для периферической обработки, в то время как центральная обработка движения включает медленные скорости на более высоких пространственных частотах, представленных в положительном контрасте (тип ON)12. Положительные и отрицательные контрастные версии стимулов остроты движения, а также способность изменять скорость точек, а также когерентность или направление, имеют решающее значение для более подробного описания всего поля зрения. Дополнительно предлагается механическое сужение поля зрения до центральных 10 градусов с помощью защитных очков с линзами, замененными на непрозрачные с центрально расположенными отверстиями. Эта легко воспроизводимая система сужения, подходящая для протоколов фМРТ и ТМС, позволяет проводить дальнейшие исследования функций периферического зрительного входа и того, как периферия зрения влияет на центрально измеряемую остроту зрения. Аналогичная система была первоначально валидирована впредыдущих исследованиях, в которых было обнаружено, что тесты на остроту движения в отрицательном контрасте и в быстром движении, сильно активирующие зрительные периферии, являются наиболее сложными для всех участников. Для пациентов с болезнью Штаргардта они были неуправляемыми. Важно отметить, что ослабление стимуляции зрительной периферии за счет уменьшения скорости RDK улучшает пороги остроты зрения у всех испытуемых. В заключение мы предлагаем задачу с измерением остроты движения на основе простого распознавания формы. Таким образом, результаты просты и понятны как пациентам, так и ухаживающим за ними лицам. Представленный здесь тест на остроту движения также предназначен для пользователей за пределами академических кругов. Задачу легко объяснить широкому кругу возрастов и групп пациентов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Все процедуры были выполнены в соответствии с соответствующими руководящими принципами и правилами и были одобрены Этическим комитетом WUM (KB/157/2017). От всех участников было получено письменное согласие, гарантирующее, что они понимают общую цель эксперимента и что они понимают включение своих данных для целей статистического анализа. Все представленные визуальные стимулы генерируются с помощью настольного приложения на основе Java (Viscacha2), созданного для целей этих экспериментов.

1. Настройка

  1. Обеспечьте себе тихую, затемненную комнату. Соберите систему, состоящую из компьютера, клавиатуры, плоского дисплея, айтрекера (по желанию, в зависимости от исследовательского вопроса и целей; см. Таблицу материалов), стола, подбородка и стула. Расположите его так, чтобы участники могли сидеть, положив подбородок на подбородок, глаза прямо перед центром верхней половины дисплея, а руки дотягивались до клавиш со стрелками на клавиатуре. Расстояние по горизонтали между дисплеем и глазами должно составлять 85 см.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Несмотря на то, что участников обучают и специально просят фиксировать крест центральной фиксации в течение всей процедуры, тестирование с помощью айтрекера может представлять собой дополнительный контроль для фильтрации во время анализа тех участников, которые демонстрируют слишком много колебаний взгляда. Более того, в зависимости от цели исследования, результаты айтрекера могут дать интересное представление о паттернах фиксации, размере зрачка или местоположении, представляющем интерес для различных когорт участников.
  2. Посетите https://github.com/grimwj/Viscacha2 и загрузите программное обеспечение, нажав кнопку « Код» и загрузив ZIP-архив. Распакуйте zip-файл и сохраните его в рабочем каталоге.
  3. Выполните действия по установке, описанные в файле README.txt. В случае тестирования с помощью айтрекера следуйте инструкциям по установке программного обеспечения для айтрекера. Установите айтрекер в соответствии с инструкцией.
  4. Чтобы выполнить первичную проверку, запустите программу, дважды щелкнув файл Viscacha2.jar. После отображения начального экрана нажмите клавишу ESC на клавиатуре, чтобы выйти из программы.
  5. Перемещайтесь по вновь созданным папкам — experiment_data, TestPatient Shape_Brt. Откройте файл .csv с помощью редактора электронных таблиц (установите точку с запятой в качестве разделителя полей). Проверьте правильность параметров, таких как размеры экрана и расстояние от экрана.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь протокол основан на предположении, что используется дисплей с разрешением 1920 x 1080 пикселей и диагональю 31,5 дюйма, а расстояние между пациентом и экраном составляет 85 см. Это означает, что экран занимает 44,6° визуального пространства по горизонтали. Если эти параметры не могут быть выполнены, можно обратиться к шагу 5 для перенастройки программы.

2. Определение начальной сложности теста

  1. Откройте файл config.txt и найдите строку, содержащую patient_name=TestPatient. Замените TestPatient текстом, идентифицирующим исследуемого субъекта.
  2. В файле config.txt найдите строку filename=Shape_Brt.txt. Убедитесь, что эта строка не начинается с символа решетки # (строка без комментариев).
  3. Попросите испытуемого сесть перед дисплеем, опустив подбородок и направив глаза прямо перед центром верхней половины дисплея. Убедитесь, что расстояние от экрана правильное. Убедитесь, что клавиши клавиатуры легко доступны для использования субъектом.
  4. Перейдите в каталог Viscacha2.jar и запустите программу. Научите участника фокусировать взгляд на фиксирующем крестике в центре экрана в течение всего эксперимента.
  5. С каждой стороны экрана на одинаковом расстоянии от центрального фиксирующего креста будет представлен либо круг, либо эллипс. Задача состоит в том, чтобы выделить круг над эллипсом с помощью клавиш со стрелками влево и вправо на клавиатуре. Объясните задачу участнику, а когда он будет готов, нажмите клавишу s , чтобы начать эксперимент. Эксперимент продолжается до тех пор, пока участник не нажмет одну из клавиш со стрелками.
  6. Программа заканчивается после того, как произойдет четыре отмены или будет достигнуто максимальное количество испытаний. Разворот происходит, когда испытуемый выбирает неправильный ответ после того, как ранее выбрал правильный, или наоборот.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это процедура лестничного типа. Сложность каждого испытания увеличивается после каждого правильного ответа и уменьшается после неправильного ответа. На рисунке 1 показано, как меняется уровень лестницы в течение испытаний для одного репрезентативного участника.
  7. Обратите внимание на четыре сторнирования, после которых задача завершается и устанавливается порог обнаружения. Откройте соответствующий файл .csv с результатами. Найдите столбцы THRESHOLD в конце файла. Используйте значение в этом столбце для вычисления начальной сложности для последующих задач.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Тест также может быть представлен в константной парадигме, где уровень сложности фиксирован и не меняется, путем удаления символа решетки из строки Experiment_Type=Constant в файлах init.txt и добавления символа решетки перед строкой Experiment_Type=Лестница.

Figure 1
Рисунок 1: Изменение уровня лестницы в течение Shape_Brt эксперимента (последующие испытания). Красным графиком изображен уровень лестницы, который переводится в соотношение сторон S- (эллипса). После того, как произошло 4 разворота (синие полосы), порог обнаружения субъекта установлен, и задание выполнено. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Используйте только что полученный порог в качестве основы для следующего предъявления стимулов (шаги 2.3–2.5). Чтобы заменить новый порог во всех файлах определения стимулов, используйте скрипт Python в папке заменителя и следуйте инструкциям на экране.

3. Процедура стимулов

ПРИМЕЧАНИЕ: Всего будет проведено 10 экспериментов: 5 с белыми точками на черном фоне и 5 с черными точками на белом фоне.

  1. Задача когерентности
    1. Когда тема будет готова, откройте файл config.txt и прокомментируйте (т.е. вставьте символ решетки) строку filename=Shape_Brt.txt и раскомментируйте строку ниже, включая shape_dotsB_C.txt задачу. В этой задаче круг и эллипс состоят из точек, произвольно движущихся со скоростью 10°/с. Фон построен из точек, когерентно движущихся вверх с той же скоростью, что и в круге и эллипсе.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Можно определить различное направление движения фоновых точек, отредактировав параметр Направление в файле определения для каждой задачи.
    2. Запустите Viscacha2.jar. Объясните задачу испытуемому простыми словами, например: «Пожалуйста, всегда указывайте на круг». Когда участник будет готов, нажмите клавишу s, чтобы начать эксперимент. Дождитесь завершения эксперимента.
    3. Откройте файл config.txt, закомментируйте строку filename=shape_dotsB_C.txt и раскомментируйте строку ниже, включая shape_dotsW_C.txt задачу. Повторите шаг 3.1.2.
  2. Задача направления
    1. Когда тема будет готова, откройте файл config.txt и прокомментируйте ранее выбранное имя файла. Раскомментируйте строку, содержащую filename=shape_dotsB_D.txt задачу. В этой задаче окружность и эллипс состоят из точек, когерентно движущихся вверх со скоростью 10°/с. Фон состоит из точек, когерентно движущихся влево с той же скоростью, что и в круге и эллипсе.
    2. Запустите Viscacha2.jar. Объясните задачу испытуемому. Когда участник будет готов, нажмите клавишу s , чтобы начать эксперимент. Дождитесь завершения эксперимента.
    3. Откройте файл config.txt, закомментируйте строку filename=shape_dotsB_D.txt и раскомментируйте строку ниже, включая shape_dotsW_D.txt задачу. Повторите шаг 3.2.2.
  3. Задача Velocity
    1. Когда тема будет готова, откройте файл config.txt и закомментируйте ранее выбранное имя файла. Раскомментируйте строку, содержащую filename=shape_dotsB_V10_20.txt задачу. Эта задача включает в себя три условия. Круг, эллипс и фон состоят из точек, когерентно движущихся вверх, а точки внутри круга и эллипса всегда движутся медленнее, чем фоновые точки: i) 10°/с против 20°/с; ii) 5°/с против 10°/с; и iii) 1°/с против 2°/с.
    2. Запустите Viscacha2.jar. Объясните задачу испытуемому. Когда участник будет готов, нажмите клавишу s, чтобы начать эксперимент. Дождитесь завершения эксперимента.
    3. Откройте файл config.txt и закомментируйте строку shape_dotsB_V10_20.txt и раскомментируйте строку ниже, включая shape_dotsW_V10_20.txt задачу. Повторите шаг 3.2.2.
    4. Повторите шаги 3.3.1 - 3.3.3 2x, для задач shape_dotsB_V5_10.txt и shape_dotsW_V5_10.txt, а также для shape_dotsB_V1_2.txt и shape_dotsW_V1_2.txt.
      1. Чтобы не изменять имя файла вручную для каждой задачи после ее выполнения, используйте параметр sweep_file. В файле config.txt задайте для поля sweep_files значение 0, чтобы завершить процедуру после завершения каждой процедуры задачи.
      2. Используйте этот параметр для задачи Shape_Brt.txt, чтобы определить начальное пороговое значение базового плана. После установки базовых показателей для последовательного выполнения нескольких задач задайте для файла развертки целое число от 1 до 9. Целое число здесь определяет количество изменений между последовательными задачами (например, если установлено значение 1 и shape_dotsB_D.txt не раскомментировано, программа выполнит эту задачу и следующую. Если установлено значение 9, все задачи будут выполняться). Внутри компании это приведет к повторному созданию нового файла конфигурации после завершения каждого эксперимента с комментированием ранее выбранного имени файла и последующим именем файла, выбранным для предстоящего эксперимента.

4. Очки, ограничивающие зрение

  1. Для временного удаления периферического поля зрения используйте очки для плавания (рисунок 2), где прозрачные линзы заменяются белыми непрозрачными. Объективы имели апертуру 1,4 мм, что ограничивало поле зрения центральными 10°. Чтобы очки подходили для каждого предмета и как можно лучше учитывали естественное индивидуальное межглазное расстояние, сделайте 14 пар очков с расстоянием между отверстиями от 58 мм до 72 мм (с шагом 1 мм между каждой парой очков).

Figure 2
Рисунок 2: Сужающиеся очки. Центральные отверстия имеют диаметр 1,4 мм. У нас было 14 пар очков с расстоянием между отверстиями от 58 мм до 72 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Используйте линейку, чтобы определить расстояние между глазами участника. Поместите линейку чуть выше глаз, на одной линии с бровями, со значением 0 над одним глазом. Рассчитайте, насколько в мм находится второй зрачок, проверив значение в верхней части второго глаза. Во время процедуры попросите участника сохранять взгляд как можно более стабильным.
  2. После того, как выбрана более подходящая пара, сделайте перерыв в 15 минут. В течение этого времени попросите участников свободно перемещаться по комнате, пользоваться телефоном или читать, чтобы глаза привыкли к новому визуальному состоянию.
  3. Начните процедуру снова с шага 3.

5. Реконфигурация

  1. Калибровка размера экрана и расстояния
    1. Если используется другой дисплей, вставьте размеры экрана (разрешение и диагональ) в файл конфигурации (resolution_v для вертикального разрешения, resolution_h для горизонтального разрешения diagonal_inch для диагонали экрана в дюймах).
    2. Запустите Viscacha2.jar. Как только отобразится первый экран, нажмите ESC для завершения. Откройте файл .csv с результатами.
    3. Найдите строку, содержащую текст Расстояние, мм и запишите значение.
    4. Отрегулируйте экспериментальную установку так, чтобы испытуемый мог сидеть на вновь рассчитанном расстоянии. Рассчитайте расстояние так, чтобы ширина экрана занимала 44,6° визуального пространства по горизонтали. Это определяется параметром full_angle_h, который также можно изменить в файле config.txt.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Калибровка также может быть выполнена для высоты экрана с помощью параметра full_angle_v. Обратите внимание, что можно установить только один из этих параметров, другой нужно прокомментировать префиксом #.
  2. Определение стимулов
    1. Определите параметры стимулов в отдельных файлах (например, shape_dotsB_C.txt). Некоторые значения, такие как размеры S- (Ellipse_X, Ellipse_Y), задаются в пикселях. Чтобы вычислить количество пикселей в визуальные градусы, умножьте значение на множитель Пиксель в угол, извлеченный из файла csv, содержащего результаты.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры стимулов, такие как когерентность точек, предопределены и регулируются для каждого слоя (фон, форма S+, форма S-, шум). Например, в задаче когерентности круг и эллипс состоят из точек, хаотично движущихся со скоростью 10°/с (когерентность = 0,0). Фон построен из точек, когерентно движущихся вверх с той же скоростью, что и в круге и эллипсе (когерентность = 1,0). У Viscacha2 пока нет официального руководства пользователя. Для получения дополнительной информации об определении стимулов обратитесь к файлу stimuli_description.ods в репозитории Viscacha2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Задание на остроту движения генерирует для каждого участника один файл результатов для каждой процедуры стимулирования. Примерный файл журнала для участника теста был включен в репозиторий внутри папки doc. От строки 1 до строки 31 сообщаются различные параметры, такие как имя пациента и параметры конфигурации. Блок заданий начинается со строки 34 и сообщает важную информацию, необходимую для дальнейшего анализа: время события, тип события, испытание, длительность, выбор, правильность, успех, экспериментатор, внешние стимулы, разворот и уровень лестницы. Важно отметить, что столбцы выбора и успеха не должны быть пустыми; В этом случае это может свидетельствовать о неисправности инструмента ответа (клавиатуры или панели ответа). Начиная со строки 170, пороговое значение указывается в столбце threshold. Обратите внимание, что связанный репозиторий на шаге 1.2 включает сценарий подготовки файла журнала для очистки файлов журнала. Файл журнала можно использовать для анализа точности ответов, сравнивая выбор и исправление столбца или просто проверяя столбец с именем success. Еще одним полезным значением является продолжительность исследования времени реакции.

Вместо этого для исследования порога остроты движения решающей переменной является значение ниже порога столбца. У каждого участника будет один порог для каждой презентации стимула, и можно сравнить пороги, полученные из разных контрастов и/или из разных задач.

На рисунке 3 репрезентативный график для контрольной группы, которая была протестирована в условиях полного зрения (т.е. без сужающихся очков; Рисунки 3A, B) и в условиях ограниченного зрения (ношение сужающих очков; Рисунок 3C,D). Включенные участники контрольной группы имели нормальное или скорректированное до нормального зрение.

Figure 3
Рисунок 3: Репрезентативные результаты для контрольной группы. (А, Б) Результаты тестирования для полного зрения и (C,D) при ограниченном зрении с очками, закрывающими периферическое поле зрения. Пороги остроты движения от высокой скорости (10/20 градусов) до задач когерентности показаны на (A, C) отрицательных левых панелях и (B, D) положительном контрасте на правых панелях. На вертикальной оси порог остроты движения сообщается как минимальная воспринимаемая разница в степени зрения. Отдельные пороговые значения показаны в виде кружка. Показаны средние и стандартные ошибки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 4 были протестированы две группы пациентов: пациенты, страдающие дегенерацией периферических фоторецепторов (пигментный ретинит, RP; Рисунок 4A, B) и пациенты, страдающие дегенерацией центральных фоторецепторов (Stargardt, STGD; Рисунок 4C, D). Для корректного включения пациентов окончательный диагноз устанавливался после типичного офтальмологического обследования и вспомогательных исследований, таких как оптическая когерентная томография (ОКТ), флуоресцентная ангиография (ФА) и электрофизиологическое тестирование (флэш-электроретинография, FERG). Кроме того, если пациенты не могли видеть или выполнять базовую задачу (Shape_Brt.txt) для определения начальной сложности теста, они автоматически исключались из процедуры.

Figure 4
Рисунок 4: Репрезентативные результаты для пациентов с РП и ЗППГ. (А, Б) Результаты для пациентов с РП с потерей периферии зрения и пациентов с ЗППГ (C, D) с потерей центрального зрения. Пороги остроты движения от высокой скорости (10/20 градусов) до задач когерентности показаны на (A, C) отрицательных левых панелях и (B, D) положительном контрасте на правых панелях. На вертикальной оси порог остроты движения сообщается как минимальная воспринимаемая разница в степени зрения. Отдельные пороговые значения показаны в виде кружка. Показаны средние и стандартные ошибки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунках 3 и 4 по вертикальной оси порог остроты зрения указан как минимальная воспринимаемая разница; Горизонтальная ось делит результаты на задачи: быстрая 10/20, средняя 5/10 и медленная 1/2, в направлении и когерентности с высокой скоростью. Задания представлены в двух противоположных вариантах (т.е. a и c для отрицательных, b и d для положительных). Каждый участник отображается как одна точка, в то время как полосы погрешностей представляют стандартную ошибку.

Эти репрезентативные результаты показывают, что для контрольной группы с полным зрением (рис. 3A) порог остроты движения одинаков между задачами. При самой требовательной задаче скорость 10/20 в отрицательном контрасте, самая легкая медленная скорость 1/2 в положительном контрасте. Обратите внимание, что ношение очков, закрывающих периферическое поле зрения, как показано в ограниченном зрительном состоянии, уменьшило разброс результатов среди участников, что свидетельствует об успешном измерении центральной и периферической зрительной стимуляции (рисунок 3B). Для пациентов (рис. 4) также показано, как нарушение зрения влияет на порог остроты движения. Для пациентов с РП (рис. 4A, B), которые пощадили центральное поле зрения, самые медленные задачи являются самыми легкими, в то время как для пациентов с ЗППГ (рис. 4C, D), которые сохранили периферическое поле зрения, картина следует противоположной тенденции, показывая более высокий порог для скорости 1/2 (медленный) и более низкий порог для скорости 10/20 (быстрый). Напротив, задачи на направление и когерентность не дифференцировали две группы пациентов.

Репрезентативные фильмы стимулов доступны в .mp4 формате в Дополнительном файле 1, Дополнительном файле 2, Дополнительном файле 3, Дополнительном файле 4, Дополнительном файле 5, Дополнительном файле 6, Дополнительном файле 7, Дополнительном файле 8, Дополнительном файле 9, Дополнительном файле 10, Дополнительном файле 11. Обратите внимание, что в этих записях белый курсор показывает положение круга (стимул S+), которое необходимо выбрать для правильного выбора. Во время экспериментального сеанса этот курсор не виден. Записи доступны для Shape_Brt базовой задачи, задач когерентности (shape_dotsB_C и shape_dotsW_C), задач направления (shape_dotsB_D и shape_dotsW_D) и задач скорости (быстрая 10/20 град.: shape_dotsB_V10_20, shape_dotsW_V10_20; середина 5/10 град: shape_dotsB_V5_10, shape_dotsW_V5_10; медленная 1/2 град: shape_dotsB_V1_2, shape_dotsW_V1_2), в негативных и позитивных контрастах.

Дополнительный файл 1: Базовая задача для расчета начального порога. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. После каждого выбора эллипс меняет свою форму: в случае правильного ответа (участник выбирает круг) форма эллипса становится более похожей на окружность; В случае неправильного ответа (участник выбирает эллипс) форма эллипса становится более акцентированной, следуя процедуре лестницы. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 2: Задача на когерентность в отрицательном контрасте. RDK построен с черными точками, движущимися на белом фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки перемещаются хаотично, в то время как фон формируется точками, движущимися вверх со скоростью 10°/с. Уровень сложности задается вместе с базовой задачей. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 3: Задача на когерентность в положительном контрасте. RDK построен с белыми точками на черном фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки перемещаются хаотично, в то время как фон формируется точками, движущимися вверх со скоростью 10°/с. Уровень сложности задается вместе с базовой задачей. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 4: Задание на направление в отрицательном контрасте. RDK построен с черными точками, движущимися на белом фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки движутся вверх со скоростью 10°/с, а фон движется влево со скоростью 10°/с. Начальный уровень сложности задается так, как показано в Дополнительном файле 2. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 5: Задание на направление в положительном контрасте. RDK построен с белыми точками, движущимися на черном фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки движутся вверх со скоростью 10°/с, а фон движется влево со скоростью 10°/с. Начальный уровень сложности задается так, как показано в Дополнительном файле 2. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 6: Задача на быструю скорость в отрицательном контрасте. RDK построен с черными точками, движущимися на белом фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки движутся вверх со скоростью 10°/с, а фон движется вверх со скоростью 20°/с. Начальный уровень сложности задается так, как показано в Дополнительном файле 2. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 7: Задача на быструю скорость на положительном контрасте. RDK построен с белыми точками, движущимися на черном фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки движутся вверх со скоростью 10°/с, а фон движется вверх со скоростью 20°/с. Начальный уровень сложности задается так, как показано в Дополнительном файле 2. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 8: Задача со средней скоростью в отрицательном контрасте. RDK построен с черными точками, движущимися на белом фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки движутся вверх со скоростью 5°/с, а фон движется вверх со скоростью 10°/с. Начальный уровень сложности задается так, как показано в Дополнительном файле 2. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 9: Задача на средней скорости в положительном контрасте. RDK построен с белыми точками, движущимися на черном фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки движутся вверх со скоростью 5°/с, а фон движется вверх со скоростью 10°/с. Начальный уровень сложности задается так, как показано в Дополнительном файле 2. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 10: Задача с низкой скоростью в отрицательном контрасте. RDK построен с черными точками, движущимися на белом фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки движутся вверх со скоростью 1°/с, а фон движется вверх со скоростью 2°/с. Начальный уровень сложности задается так, как показано в Дополнительном файле 2. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 11: Задача с низкой скоростью в положительном контрасте. RDK построен с белыми точками, движущимися на черном фоне. Две центрально расположенные фигуры определяются движением RDK: внутри фигур точки движутся вверх со скоростью 1°/с, а фон движется вверх со скоростью 2°/с. Начальный уровень сложности задается так, как показано в Дополнительном файле 2. Круг и эллипс показаны на стороне фиксирующего креста. На протяжении всей процедуры участнику предлагается смотреть на фиксирующий крест. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Здесь описан новый метод измерения остроты зрительного движения с использованием набора стимулов на основе случайных точечных кинематограмм. Результат дается в виде минимальной воспринимаемой разницы между кругом и эллипсом, и это позволяет увидеть, когда испытуемый перестал отличать фигуры друг от друга. Чем меньше достигнутая разница, тем лучше острота зрения: это означает, что испытуемый все еще может определить, где находится круг, даже если он почти идентичен эллипсу. Представленный здесь тест на остроту движения дает результаты в визуальных степенях, которые могут быть связаны с обычными клиническими измерениями, основанными на остроте распознавания, что требует идентификации высококонтрастных букв разных размеров22.

Подготовка установки имеет решающее значение. Как объяснялось в шаге 1.1, затемненная комната является лучшим выбором для проведения процедуры. Важно закрыть любой источник дополнительного света (например, любой световой индикатор монитора, панели реагирования, айтрекер или любое другое устройство, присутствующее в комнате). Точно так же рекомендуется выполнять процедуру в акустически изолированном помещении, чтобы избежать дальнейшего отвлечения. Расстояние от монитора и размер монитора должны быть четко определены, так как создание точек зависит от этих значений.

Кроме того, как сообщается в ПРИМЕЧАНИИ к шагу 1.1, для наблюдения за взглядом участников настоятельно рекомендуется использовать айтрекер. Для процедуры, после получения инструкций, участник сидел один в небольшой комнате, в то время как экспериментатор сидел в соседнем пространстве за пределами экспериментальной комнаты, наблюдая за взглядом и движением головы с помощью камеры отслеживания глаз. Когда айтрекер недоступен, экспериментатор может контролировать положение головы с помощью камеры, установленной над монитором тестирования, и просматривать изображения в реальном времени на отдельном экране. Обе установки, с айтрекером и без него, были доказаны предыдущим исследованиемна пациентах с РП и ЗППГ. Тем не менее, айтрекер позволяет не только контролировать фиксации, но и проводить последующие анализы.

Процедура может быть улучшена путем добавления экрана с инструкциями или путем добавления акустических инструкций (для участников со слабым зрением). Устное объяснение процедуры может время от времени вызывать различия в объяснении, что приводит к разным результатам. Кроме того, разница между базовой задачей (Shape_Brt) и другими задачами иногда может быть громоздкой и запутанной для некоторых участников; По этой причине настоятельно рекомендуется четко объяснить, насколько стимулы будут отличаться от первоначальной задачи. В случае, если участник не в состоянии выполнить конкретное задание или испытывает трудности в выполнении, рекомендуется изменить значение параметра sweep_file (шаг 3.3.4 ПРИМЕЧАНИЕ) для тестирования одного задания за раз. Таким образом, экспериментатор будет иметь больший контроль над процедурой, решая, выходить ли из представленной задачи и переходить к следующей вручную. Процедуру с сужающимися очками иногда бывает трудно адаптировать к каждому человеку. Подсказка к выбору подходящей пары очков заключается в том, чтобы попросить участников зафиксироваться на объекте перед ними, не двигая головой, закрывая один глаз, а затем другой. Если участники могут четко видеть объект одним глазом, а затем другим глазом, то пара очков, которые они носят, является адекватной.

Для стационарных стимулов хорошо известно, что обработка темноты и света разделена в сетчатке и на корковом уровне, где обработка темноты доминирует. Здесь, используя стимулы в движении, предлагаемая процедура дает уникальную возможность изучить, как потеря определенных частей поля зрения влияет на обработку движения и формы одновременно в отрицательных или положительных контрастах. По словам участников, различение центрально расположенных форм сильно нарушалось задачей с высокой скоростью 10/20° в отрицательном контрасте. Это согласуется с активацией коркового представления периферического поля зрения быстро движущимися стимулами в отрицательном контрасте23. Временная потеря периферического зрительного сигнала из-за сужения очков у контрольной группы в течение 15 мин до процедуры не влияла на остроту движения. Однако мы можем увидеть меньший разброс отдельных результатов. Скорее всего, это выявит индивидуальные различия во взаимодействии между центральной и периферической обработкой. Как работает обнаружение движения без чувствительных к движению периферийных устройств? Можем ли мы наблюдать переход функций от поврежденных деталей к запасным частям24? В какой степени? Благодаря этому легко редактируемому набору тестов можно проверить, как изменения в характеристиках стимулов влияют на визуальную обработку. Все настройки, потенциально влияющие на обработку зрения, можно регулировать: цвет движущихся точек, их скорость и размер и многое другое. Эта возможность дает пользователю широкий спектр различных тестов, которые могут быть использованы для исследования всего поля зрения и зрительного функционирования при различных манипуляциях. Мы решили проверить остроту движения в пределах центрального угла 8°, чтобы отличить центральную тонкую обработку от периферической стимуляции движения5. Однако будущие пользователи могут регулировать размер и расположение стимулов в поле зрения в соответствии со своими потребностями.

Как было показано ранее, центральные поражения сетчатки усиливают восприятие движущихся стимулов, что характерно для периферии18. Более того, фМРТ-исследование пациентов с МД с потерей центральной сетчаткипоказало, что части зрительной коры, включая V1, не реагирующие на центральную зрительную стимуляцию, активируются периферически расположенными зрительными стимулами, что отражает возможную адаптацию зрительной системы к долгосрочной потере центрального зрения. Более высокая вариабельность в группе пациентов с РП, вероятно, обусловлена высокими межиндивидуальными различиями в прогрессировании заболевания и проявлении симптомов. Кроме того, пациенты с РП обычно изо всех сил пытаются адаптироваться к потере зрения, демонстрируя нерегулярные паттерны саккад25,26, что может помочь объяснить, почему они ведут себя так по-разному; По этой причине, как также объяснялось в шаге 1, рекомендуется использовать айтрекер, особенно при тестировании пациентов.

Предлагаемая процедура не лишена трудностей и ограничений. Файлы журналов из каждого экспериментального сеанса могут быть трудными для чтения и очистки. По этой причине на шаге 1.2 репозиторий, содержащий код для очистки журналов, стал доступен по предоставленной ссылке. Более того, тестирование участников с прогрессирующей степенью близорукости может быть трудным. Задание требует, чтобы участники могли четко видеть RDK и уметь, по крайней мере, различать передний и задний план на заданном расстоянии от монитора.

Предложенный тест остроты зрения, основанный на движении, позволяет оценить зрительные функции, зависящие от входных данных, поступающих не только из центрального поля зрения, но и спериферии. Восприятие движения и мелкие неподвижные детали не полностью разделены, как было недавно продемонстрировано повышением остроты зрения после адаптации к концентрическому движению кольца11. Система сужения может быть использована внутри МРТ-сканера, не нарушая правил безопасности27, а также во время сеансов ТМС или тРНС28,29, что позволяет отслеживать возможные механизмы, лежащие в основе корковой динамики, из-за ограничения поля зрения у здоровых людей, а также у пациентов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Протокол был проведен в Лаборатории визуализации мозга Института экспериментальной биологии им. Ненцкого, Варшава, Польша, и был поддержан грантом 2018/29/B/NZ4/02435 от Национального научного центра (Польша), предоставленным K.B и J.S.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Kolb, H. How the retina works. Am Sci. 91, 28-35 (2003).
  3. Østerberg, G. Topography of the layer of rods and cones in the human retina. Acta Ophthal. 6, 1 (1935).
  4. 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).
  5. Burnat, K. Are visual peripheries forever young. Neural Plast. 2015, 307929 (2015).
  6. 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).
  7. Geisler, W. S. Motion streaks provide a spatial code for motion direction. Nature. 400, 65-69 (1999).
  8. Apthorp, D., et al. Direct evidence for encoding of motion streaks in human visual cortex. Proc Biol Sci. 280, 20122339 (2013).
  9. Kelly, D. H. Moving gratings and microsaccades. J Opt Soc Ame. A, Opt Image Sci. 7 (12), 2237-2244 (1990).
  10. Glass, L. Moiré effect from random dots. Nature. 223 (5206), 578-580 (1969).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Rahimi-Nasrabadi, H., et al. Image luminance changes contrast sensitivity in visual cortex. Cell Rep. 34 (5), 108692 (2021).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Pons, C., et al. Amblyopia affects the ON visual pathway more than the OFF. J Neurosci. 39 (32), 6276-6290 (2019).
  21. 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).
  22. Jackson, A., Bailey, I. Visual acuity. Opto Pract. 5, 53-70 (2004).
  23. Baker, C. I., Peli, E., Knouf, N., Kanwisher, N. G. Reorganization of visual processing in macular degeneration. J Neurosci. 25 (3), 614-618 (2005).
  24. Gilbert, C. D., Li, W. Adult visual cortical plasticity. Neuron. 75 (2), 250-264 (2012).
  25. 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).
  26. Gameiro, R. R., et al. Natural visual behavior in individuals with peripheral visual-field loss. J Vis. 18 (12), 10 (2018).
  27. Sammet, S. Magnetic resonance safety. Abdom Radiol. 41 (3), 444-451 (2016).
  28. Potok, W., et al. Modulation of visual contrast sensitivity with tRNS across the visual system, evidence from stimulation and simulation. eNeuro. 10 (6), (2023).
  29. Pearson, J., Tadin, D., Blake, R. The effects of transcranial magnetic stimulation on visual rivalry. J Vis. 7 (7), 1-11 (2007).

Tags

Этот месяц в JoVE выпуск 204 визуальная тренировка зрительная система периферическое зрение проверка остроты зрения распознавание форм центральное поле зрения

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

Тест остроты движения для измерения остроты поля зрения с помощью форм, определяемых движением
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ninghetto, M., Wieteska, M., Kozak,… More

Ninghetto, M., Wieteska, M., Kozak, A., Szulborski, K., Gałecki, T., Szaflik, J., Burnat, K. Motion-Acuity Test for Visual Field Acuity Measurement with Motion-Defined Shapes. J. Vis. Exp. (204), e66272, doi:10.3791/66272 (2024).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter