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Dec 04, 2023

Stima del contributo visivo all'equilibrio utilizzando la realtà virtuale

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2594 (2023) Citare questo articolo

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Le perturbazioni sensoriali sono uno strumento prezioso per valutare i meccanismi di integrazione sensoriale alla base dell'equilibrio. Implementati come approcci di identificazione dei sistemi, possono essere utilizzati per valutare quantitativamente i deficit di bilancio e separare le cause sottostanti. Tuttavia, gli esperimenti richiedono perturbazioni controllate e sofisticate tecniche di modellazione e ottimizzazione. Qui proponiamo e convalidiamo un'implementazione di realtà virtuale di esperimenti su scene visive in movimento insieme a interpretazioni dei risultati basate su modelli. L'approccio semplifica l'implementazione sperimentale e offre una piattaforma per implementare routine di analisi standardizzate. È stata misurata l'oscillazione di 14 soggetti giovani e sani che indossavano un display di realtà virtuale montato sulla testa. I soggetti hanno visualizzato una stanza virtuale o uno schermo all'interno della stanza, che sono stati entrambi spostati durante una serie di sequenze sinusoidali o pseudo-casuali della stanza o di inclinazione dello schermo registrate in due giorni. In un confronto tra soggetti di 10 \(\times\) sequenze pseudo-casuali lunghe 6 minuti, ciascuna applicata a 5 ampiezze, i nostri risultati non hanno mostrato alcuna differenza rispetto a un esperimento su schermo mobile nel mondo reale dalla letteratura. Abbiamo utilizzato il modello a canali indipendenti per interpretare i nostri dati, che fornisce una stima diretta del contributo visivo al bilanciamento, insieme ai parametri che caratterizzano la dinamica del sistema di feedback. Le stime di affidabilità dei parametri di un singolo soggetto da sei ripetizioni di una sequenza pseudo-casuale di 6 \(\times\) 20 secondi hanno mostrato uno scarso accordo test-retest. I parametri stimati mostrano un'eccellente affidabilità quando si fa la media su tre ripetizioni in ogni giorno e si confrontano tra giorni (correlazione intra-classe; ICC 0,7–0,9 per peso visivo, ritardo temporale e guadagno di feedback). Le risposte all'oscillazione dipendevano fortemente dalla scena visiva, dove lo schermo astratto ad alto contrasto evocava un'oscillazione maggiore rispetto alla stanza fotorealistica. In conclusione, l’approccio alla realtà virtuale da noi proposto consente ai ricercatori di valutare in modo affidabile le dinamiche di controllo dell’equilibrio compreso il contributo visivo all’equilibrio con uno sforzo di implementazione minimo.

Gli esseri umani fanno affidamento sulle informazioni sensoriali per mantenere l'equilibrio1. Le perturbazioni controllate degli input sensoriali sono un potente strumento per indagare l'integrazione sensoriale e i suoi deficit2,3,4,5,6. Tuttavia, le perturbazioni sensoriali controllate sono difficili da implementare, sia in termini di hardware che di tecniche di analisi. Nel nostro studio, proponiamo e convalidiamo esperimenti di perturbazione sensoriale utilizzando una semplice configurazione di realtà virtuale (VR). Utilizziamo inoltre interpretazioni basate su modelli dei dati registrati a livello di singolo soggetto come proposto da Peterka5. Mostreremo che una combinazione di esperimenti VR e interpretazioni basate su modelli può valutare in modo affidabile e semplice la dinamica del meccanismo di controllo dell'equilibrio, comprese le stime quantitative del contributo sensoriale visivo (fattore di ponderazione).

Un obiettivo importante degli esperimenti sull'equilibrio è la valutazione dell'integrazione sensoriale e dei suoi deficit per diagnosticare i disturbi dell'equilibrio7,8. Disturbi gravi diventano già visibili durante compiti semplici come stare con i piedi uniti e chiudere gli occhi (posizione di Romberg)9. I test di equilibrio strumentati, come la valutazione dell'oscillazione spontanea mediante misurazioni della piastra di forza, forniscono informazioni più dettagliate e obiettive8. Tuttavia, le misure di oscillazione spontanea non contengono informazioni sufficienti per separare le dinamiche di controllo interno dalle proprietà sconosciute del rumore inerenti ai sistemi sensoriali e motori6. Inoltre, non fornisce informazioni su come il sistema affronta i conflitti sensoriali, che si verificano nella vita di tutti i giorni quando si sta in piedi su superfici morbide o quando si guarda una scena visiva in movimento (ad esempio un treno o un autobus). Pertanto, pur fornendo preziose informazioni sullo stato del sistema, l'oscillazione spontanea fornisce solo informazioni limitate sull'integrazione sensoriale6. La variazione della disponibilità sensoriale (supporto fermo e morbido, occhi aperti/chiusi, ecc.) può essere utilizzata per valutare in una certa misura l'integrazione sensoriale2. Un'implementazione strumentata basata sulla rimozione sensoriale utilizzata principalmente in contesti clinici è il test dell'organizzazione sensoriale (SOT)10,11. Entro tre delle condizioni SOT, la superficie di supporto e/o la scena visiva vengono spostate con l'oscillazione del soggetto ("sway referenziamento"12). In queste condizioni, il sistema di riferimento dell'oscillazione non codifica accuratamente la posizione del corpo nello spazio. Un comportamento anormale di oscillazione o l'incapacità di stare in tali condizioni indica deficit di equilibrio e fornisce suggerimenti sui sistemi interessati. Il punteggio SOT comprende l'oscillazione spontanea e le "cadute" dei soggetti. Sebbene il punteggio SOT sia in grado di rivelare deficit di equilibrio, non tiene conto delle interazioni tra deficit multipli e della complessità delle interazioni sensomotorie. Pertanto, fornisce comunque approfondimenti sullo stato del sistema, piuttosto che rivelare le dinamiche e le proprietà del sistema stesso.