視線追跡による認知機能評価と軽度の外傷性脳損傷

脳震盪と眼の動き

外傷性脳損傷は深刻な公衆衛生問題です。米国疾病管理予防センターは、外傷性脳損傷 (TBI) を、頭部への衝突、打撃、衝撃、または脳の正常な機能を妨害する貫通性頭部損傷と定義しています。米国だけでも、推定で年間 170 万人が外傷性脳損傷を患っています。そのうち27万5,000人が入院を必要とし、5万8,000人が死亡している。過少報告率が高いため、これらの推定値は保守的であると考えられます。外傷性脳損傷の大部分は軽度であり、治療された脳損傷全体の 70 ～ 90% を占めます。文献には、軽度の外傷性脳損傷の定義がいくつかあります。米国リハビリテーション医学会議は以前、軽度外傷性脳損傷 (mTBI) を、24 時間以内の外傷後健忘 (PTA) および 30 分以内の意識喪失 (LOC) と定義しています。最近では、mTBI の定義を、以下の基準の 1 つ以上を備えた生体力学的に妥当な損傷メカニズムによって引き起こされるものと更新しました: 臨床症状 (つまり、LOC、記憶喪失)、2 つ以上の急性症状 (つまり、頭痛、吐き気、記憶障害、混乱）、および/または神経画像上の外傷性脳損傷の証拠。7

mTBI の症状、回復、評価には高度な不均一性があります。一般的な症状には、身体的、眼的、精神的、認知的症状が含まれます。身体的症状には、頭痛、倦怠感、睡眠障害、めまい、平衡感覚および歩行異常などがあります。眼の問題には、脳神経麻痺、サッカード欠損、視神経機能不全、調節不全および/または輻輳不全、羞明、ドライアイなどが含まれます。精神障害には、心的外傷後ストレス障害 (PTSD)、大うつ病性障害、全般性不安障害、強迫性障害、パニック障害、および自殺リスクの増加が含まれます 。

通常、症状は初期段階で発生し、症状が治まるまでの期間は、早ければ 1 ～ 2 週間、最長で 3 か月かかります。しかし、認知障害は長期間、場合によっては損傷後1年以上持続することが報告されています。これには、記憶力の問題、集中力の低下、気が散りやすくなることが含まれます。これらの症状は、思考を整理したり計画を立てたりすることが困難になる実行機能の欠如から発生する可能性があり、イライラにつながる可能性があります。判断力の低下は、他人の行動を解釈できないために発生し、社会的状況に対する不適切な反応として現れることもあります。日常生活の機能、ひいては生活の質が著しく損なわれることを考えると、認知障害は脳損傷の最も重要な合併症の 1 つです。

認知評価ツールの適合性は、傷害の重症度と回復の段階によって異なります。各認知領域には、初期段階のスクリーニングツールからより包括的な神経心理学的バッテリーに至るまで、多数の評価があります。神経心理学的検査は、mTBI における認知機能の評価における主要なツールとなっています。他の種類の評価と同様、これらの方法には制限があります。年齢や運動などのいくつかの外部要因は、神経心理学的検査の結果を混乱させる可能性があります。より複雑な要因には、動機と開始、疲労、痛み、訴訟状況などがあります。うつ病、PTSD、薬物乱用、病前の知能、精神状態などの併存疾患も結果に影響を与える可能性があります。さらに、神経心理学的検査では通常、口頭または手による応答が必要ですが、患者に言語障害または運動障害が併発している場合には困難が生じる可能性があります。これらの交絡因子の影響を受けにくい、mTBI の認知機能を評価する方法を改善する余地は確かにあります。可能性の 1 つは、事前の知識や経験を必要とせず、視覚刺激に対する反応として目の動きを使用して認知機能を調査することです。視覚刺激の特性と必要な眼球運動反応の種類を変えることで、実行制御、記憶、注意などの特定の認知機能を働かせる非常に単純なタスクを作成できます。

mTBI後の視覚障害の割合を考慮すると、mTBIの診断と監視において眼球運動の評価がますます普及してきています。迅速かつ非侵襲的な方法により、視線追跡技術は目の動きを評価するための魅力的な手段となります。検出率を高めるために、マルチモーダルな mTBI 評価ツールを導入する動きがあります。これらの方法には、眼球運動、前庭、神経心理学的評価、およびさまざまなイメージング技術が含まれますが、これらに限定されません。このような場合のアイトラッキングは、脳損傷があるかどうかを判断するための多くのツールのうちの 1 つであり、異常な眼球運動所見の存在によってこれを検出する機能があります。しかし、認知機能のレベルを示すための反応様式として視線追跡タスクが使用されることはほとんどありません。たとえば、手の筋機能を評価して運動障害を観察することもできますが、手を単に認知処理を必要とするタスクに応答することで能力を示すために使用することもできます。手がキーを押すと反応するのと同じように、目もサッカードを介して反応します。

視線追跡タスクがmTBI患者の認知障害を検出するための有用なツールであるかどうかを判断することが求められている。認知的に要求の高い眼球運動タスクに加えて、従来の神経心理学的タスクのパフォーマンスを測定した研究が参考になるだろう。2 種類の認知評価 (神経心理学的検査と眼球運動検査) が認知機能のレベルに関して同様の結論に達するかどうかが課題解決の糸口となるだろう。

mTBIの定義

・米国リハビリテーション医学会議: LOC の有無にかかわらず 1 回の外傷性脳損傷、持続性の PCS 症状、救急治療室に運ばれた患者の通常の CT または MRI、受傷時の GCS 13 ～ 15。
・国防総省/退役軍人省: 突然の動きや頭部への打撃を伴い、0分から30分の範囲の意識喪失(LOC)または記憶喪失(すなわち、外傷後健忘症[PTA])を引き起こした出来事として定義されています。 24 時間以内。
・WHO 第 10 回国際疾病分類: 最初の評価でグラスゴー昏睡スケール (GCS) が 13 から 15 の間。受傷後の意識障害（該当する場合）は 30 分、外傷後健忘（PTA）の期間は 24 時間。

デュアルタスク 

認知的に要求の高いタスクにおいて参加者が目の動きのみで反応する眼球運動タスクとは異なり、従来の認知タスクにおける他の形式の反応に加えて眼球運動の反応も含まれていました。参加者にさまざまな合図条件で継続パフォーマンス課題 (CPT) を完了してもらいました。これらの状態には、非方向性キュー (ターゲットの出現に関する一時的な情報を提供する)、方向性キュー (ターゲットの方向を指す)、誤った方向性のキュー (ターゲットから離れる方向を指す)、非キュー (中心固視十字がターゲットの出現を通じて持続する) が含まれます。ターゲット、ギャップ キュー（固視十字を置き換える空白の画像）、およびノー​​ゴー キュー（参加者がそのターゲットに応答すべきではないという信号を提供する）。参加者は、キーボードのキーを押すことと、ターゲットが現れたらできるだけ早くそれを固定することの両方を求められました。これらの両方の応答があると、手動メトリックと衝動性メトリックの比較が可能になります。いくつかの研究では、認知負荷を増加させることで、さらに別の難易度を追加しました。低認知負荷トライアルでは、キーを押してターゲットを固定する必要がありました。中程度の認知負荷では、参加者はターゲットの色に対応するキーを押す必要がありました。高認知負荷試験では、参加者は、ターゲットの円が前のターゲットと比較して同じ色か異なる色であるかに応じて、「同じ」または「異なる」というラベルの付いたボタンを押す必要がありました。

神経認知評価を強化するための継続的なパフォーマンス課題に関する衝動性指標が見つかりました。衝動性メトリクスと手動メトリクスの 2 種類の指標の障害率を比較すると、衝動性メトリクスの方がより多くの障害を示していることがよくありました。たとえば、mTBIの参加者では、個々の衝動性指標の障害が、対照群の参加者よりも平均して3倍以上見られる可能性が高かった。これを、手動メトリクスの可能性が 1 倍未満であることと比較してください。さらに、衝動性機能障害の割合は、複数の mTBI およびより高度な症状と有意に関連していましたが、この発見は手動測定基準には適用されませんでした。継続的なパフォーマンスタスクに認知負荷を組み込むと、グループと負荷の間に有意な相互作用が見られましたが、それは衝動性メトリクスの場合のみでした。外傷性脳損傷グループは、認知負荷に比例して実質的な衝動性の低下を示しました（高負荷状態で最も障害が顕著）。反応時間の変動性と阻害エラーの増加は、mTBI の予測因子として機能しました。対照的に、認知負荷は対照間で衝動性パフォーマンスに大きな影響を与えませんでした。手動応答の場合、認知負荷の要求が増加するにつれて、すべてのグループの参加者が反応時間の増加を示しましたが、どちらのグループも同様に影響を受けました。アイトラッキングは、無効な応答を特定するのにも役立ちました。サッカードコミッションは手動コミッションよりも無効な応答に対してより敏感であり、手動省略はサッカード省略よりも敏感でした。したがって、衝動性インデックスを組み込むことは、無効な応答を特定し、誤検知を回避するのに役立つ可能性があります。さらに、衝動性測定は、認知老化に対する外傷性脳損傷の影響を特定するのに有益であることが判明した。年齢は、対照群よりもmTBI群の視覚的注意の衝動性の測定値とより強く関連していることが判明した。これは、衝動性反応時間が遅くなり、衝動性反応を阻害することがより困難になることによって実証されました。手動測定では、mTBI 群と対照群の間で年齢に関連したパフォーマンスの差は示されませんでした。全体として、衝動性インデックスは、認知要求の増加 、 無効な反応  および認知老化の条件下で、認知機能障害を検出するために手動インデックスよりも高い感度をもたらしました。

眼球運動による評価バッテリーの開発

一連の研究結果は、反応様式として目の動きに依存する認知機能のテストを開発し続けることの正当性を提供します。もちろん、この概念実証から、目の動きに基づく証拠に基づく認知評価バッテリーの開発に移行するには、さらに多くの作業が必要になります。
さまざまな種類の目の動きを潜在意識で制御することで、この種のテストは、タスクのパフォーマンスに影響を与える可能性のある開始要因や動機付け要因に対してより堅牢になります。たとえば、Barry & Ettenhofer は、衝動性反応測定基準と手動反応測定基準を使用して、継続的なパフォーマンス課題で欠陥を装うように指示された健康な成人から真の mTBI 患者を正確に特定することができました。衝動性コミッションエラーは、手動コミッションエラーよりも無効な応答に対してより敏感であり、mTBIを装った参加者における反応のばらつきが増加しました。Kanser et al.,  はこの概念を検討しましたが、従来の神経心理学的タスク中の視覚的行動を評価する補助として視線追跡を使用しました。強制選択試験中、mTBIを装った参加者は、より多くのトランジション、固着を示し、正しい応答オプションと誤った応答オプションを検討するのに多くの時間を費やしました。これらの視線追跡指標により、グループのステータスを高い精度で判断することができました。

神経心理学的検査は、病前知能や文化の違いなど、多くの交絡因子に敏感であることで知られており、これが眼球運動タスクが優れている理由の 1 つです。Heitger et al., は、グループ間で異なるIQとうつ病をコントロールした後、いくつかの神経心理学的テストにおける外傷性脳損傷参加者とコントロールの間の成績の差が解消されたのに対し、眼球運動課題の成績におけるグループの差は、これらの要因をコントロールしたにもかかわらず依然として残っていることを発見した。同様に、Ettenhofer et al., は、推定知能、うつ病、PTSD は従来の神経心理学的測定値と、継続的なパフォーマンス課題に関する複数の手動測定基準に関連しているが、同じことが衝動性測定基準のいずれにも当てはまらないことを発見しました。したがって、眼球運動課題による認知機能の評価は、従来の神経心理学的評価よりも交絡する外部要因による影響が少ない可能性があると信じる十分な理由があります。

眼球運動機能の基本的な欠陥がmTBIに関連していることを考えると、ここで報告された眼球運動タスクで観察された障害は、タスクの認知要求によるものなのか、それともmTBI参加者が根底に眼球運動欠陥を抱えていたという事実によるものなのかを問うのは合理的です。欠陥は本質的に（眼球運動ではなく）認知的なものであるという私たちの議論と一致して、私たちの分析は、プロサッカード課題や単純なスムーズ追跡課題などの最も基本的な課題では、mTBI患者と対照者の間に有意な差が生じなかったことを示しており、これはmTBI患者と対照者の間に有意差が生じなかったことを示しています。根本的な眼球運動障害はありません。それにもかかわらず、アンチサッケードタスク、ギャップサッケード、記憶誘導サッケード、予測サッケード、およびギャップを伴うスムーズな追跡追跡などの、より認知に負担のかかるタスクでは、グループ差が生じた。Johnson et al. は、外傷性脳損傷グループと対照グループに 7 つの眼球運動課題を完了させたという現在の研究結果と類似しています。グループ比較で有意に達した 3 つの課題は、アンチサッカード課題、自己ペースサッカード、および記憶誘導サッカードでした。反射的サッカード、固視、正弦波、および円形追跡タスクではそうではありませんでした。繰り返しになりますが、特に認知的要求が高いタスクでは違いが実証されました。注目すべきことに、TBI グループはこれらのタスク中に fMRI 活性化の増加を示し、処理効率が低下し、複雑さに基づいてより多くの労力が必要であることを示唆しています。

アイトラッキングにより認知評価のアクセシビリティが向上

技術の進歩により、ポータブルで軽量、コスト効率の高いアイトラッカーが広く入手できるようになりました。モバイル視線追跡デバイスの増加により、運動競技中のサイドラインや患者のベッドサイドなど、さまざまな環境で視線追跡を実装できるようになりました。フロントカメラを介した視線追跡のためのスマートフォン/タブレットの使用を検証する研究が進行中です。Valliappan et al.,  は、健康な人々における高価なデスクトップ アイ トラッカーと比較した、プロサッカード、スムーズな追跡、および視覚検索タスクに関する眼球運動の所見を再現しました。さらに、彼らは、最先端のアイトラッカーと比較して、彼らの方法で同等の精度を達成することができました。これは、この方法を mTBI 集団に実装することが期待できることを示しています。関連するハードウェアが不足していることを考慮すると、この方法はスポーツ関連の脳損傷の可能性をサイドラインで評価するために簡単に実行できます。その他の用途としては、姿勢の制限により顎当て/額当て構成が苦手な方のベッドサイドなどがあります。これは、虚弱なためこのような窮屈な体位をサポートできない高齢者や、脊椎の安定化やその他の整形外科的損傷の予防策など、可動性を制限する他の併存疾患を持つmTBI患者に当てはまる可能性があります。眼球運動障害の検出、前庭機能、および神経認知検査に焦点を当てた、モバイル脳損傷評価方法が登場しています。神経認知タスクでは、腕の動きやボタンを押すなどの参加者からの運動反応が依然として必要です。目の動きのタスクを通じて認知を評価することで、ハンズフリーの評価が可能になります。これらの方法は、運動機能が制限されている、または運動機能がまったくない閉じ込め症候群の人など、より幅広い人々が利用できるようになります。
明らかに、眼球運動課題に基づく認知機能の評価は、原発性眼球運動障害を持つ個人には利用できないだろう。原因には、脳神経麻痺や頭蓋骨骨折に起因する拘束性斜視などがあります。眼球運動の欠陥があると、影響を受けた外眼筋の作用領域で標的を固定することができないため、視線追跡タスクの有用性が制限されます。これらの人にとってのもう 1 つの障壁は、複視性である可能性が高く、どのターゲットを注視するかが複雑であることです。しかし、このレビューでは、眼球運動課題の使用は、軽度の脳損傷と比較して中等度および重度の脳損傷に比べて眼球運動麻痺や拘束性斜視の発生率がまれである軽度の外傷性脳損傷の検出に有用であることを示唆しています。Jin ら は、TBI 患者 3,417 人を検査し、312 人が脳神経麻痺 (I ～ XII) を患っており、そのうち 80 人が脳神経 III ～ VI に関与していることを発見しました。80人のうち軽度の外傷性脳損傷は2人だけだった。