Alai

Introduction

Mikrografie je u Parkinsonovy nemoci (PN) běžná a může předcházet dalším příznakům (1, 2). Kinnear Wilson (3), navrhl dělení na konzistentní mikrografii, kdy se velikost písmen zmenšuje o stejný stupeň při několikanásobném opakování, a progresivní mikrografii (PMG) se zmenšováním velikosti písmen. Zatímco pouze menšina pozdějších publikací toto rozlišení zdůraznila (4), jedna z nedávných studií naznačila, že oba typy parkinsonské mikrografie vykazují různé vzorce aktivace motorického systému na funkčních snímcích MRI (5).

Zdá se, že k potížím s psaním rukou u PD přispívají prvky bradykineze – pomalost, snížený rozsah pohybu, ztráta rytmicity a úbytek opakovaných akcí. Tento vztah však není jednoznačný a mikrografie může být přítomna i při absenci zjistitelné bradykineze (6). Motorický pokles typické bradykineze může být analogický poklesu PMG. Konzistentní mikrografie naopak naznačuje čistší hypokinezi, jaká se někdy vyskytuje u progresivní supranukleární obrny (7). Přesně řečeno, konzistentní mikrografie vyžaduje kontrolu pre-morbidní kaligrafie, aby se zjistilo zmenšení velikosti písma. K překonání tohoto omezení navrhli Kim a spol. (8) metodu založenou na porovnání s průměrnou velikostí písma získanou od kontrolních osob odpovídajícího věku a pohlaví. Při klasifikaci tímto způsobem bylo zjištěno, že někteří pacienti s PD mají konzistentní i progresivní deficit v psaní (5).

Počítačové grafické tablety umožňují vyšetřovat rozměrové a kinematické vlastnosti rukopisu i tlak pera. Tato technologie může identifikovat pacienty s PD v časné fázi průběhu onemocnění a může sledovat jeho progresi (9, 10). Bylo prokázáno, že velikost tahu, rychlost a vrcholové zrychlení jsou u PD narušeny (11, 12) a že kinematické rysy jsou pro odhalení časné PD citlivější než velikost (13).

Ukázalo se také, že progresivní mikrografie se liší v závislosti na úkolu psaní (4, 8, 14). Jedna studie po sobě jdoucích tahů při psaní pomocí počítačových metod nezjistila žádnou změnu ve velikosti, ale zaznamenala prodloužení doby trvání tahu při PD (15). Van Gemmert a spol. pomocí pokročilejšího digitálního tabletu (11) zjistili, že velikost tahu se zmenšuje, zatímco trvání tahu zůstává nezměněno.

Definice konzistentní mikrografie je poněkud problematická, proto jsme se rozhodli zaměřit spíše na přítomnost či nepřítomnost PMG. Odklonem od předchozích studií, které při určování PMG vycházely ze směrodatné odchylky velikosti kontrolního písmene, jsme se rozhodli pro absolutní definici. Zvolili jsme 10% pokles na základě nejmenší změny v písmu, kterou lze snadno rozeznat okem, a respektovali jsme zásadu Kinneara Wilsona, že mikrografie je „zjevné zmenšení velikosti písmen“ (3). Dřívější studie ukázaly, že existuje značná variabilita ve velikosti volného písma zdravých lidí (16). Tato variabilita závisí na řadě faktorů, jako je věk, úroveň vzdělání a mateřský jazyk. Neodmyslitelným nedostatkem použití směrodatné odchylky účastníků kontrol k identifikaci PMG u PD je nedostatečná srovnatelnost mezi jednotlivými studiemi. To je sice méně významné, pokud jsou jazykové znalosti a demografické údaje účastníků podobné, ale toto omezení se zvyšuje u multikulturní kohorty, zejména při srovnávání mezi kulturami psaní. Pomocí počítačové studie pohybů pera u osob s PD jsme zkoumali kinematické rysy PMG a to, do jaké míry odráží parkinsonskou bradykinezi a její fenomén motorického poklesu.

Předpokladem této studie bylo, že PMG je důležitým aspektem parkinsonské dysgrafie a že kinematické nálezy by měly rozlišovat pacienty s PD s tímto deficitem psaní a bez něj. Dále jsme předpokládali, že PMG a motorický pokles parkinsonské bradykineze jsou úzce související motorické jevy.

Materiál a metody

Účastníci

Dvaceti čtyřem pacientům diagnostikovaným s PD v posledních 10 letech byl proveden nábor z Kliniky poruch hybnosti v Monash Medical Center. Všichni splňovali kritéria Queen Square Brain Bank pro idiopatickou PD (17). Přítomnost jakéhokoli pokročilého klinického milníku onemocnění – zrakové halucinace, časté pády, kognitivní postižení, potřeba ústavní péče – byla vylučovacím kritériem (18). Motorické funkce byly hodnoceny neurologem v prakticky definovaném off stavu (vysazení antiparkinsonik po dobu alespoň 12 h) na základě Unified Parkinson’s Disease Rating Scale Part III (UPDRS-III) (19). Dílčí skóre dominantní horní končetiny pro poklepávání prsty, pohyby rukou a pronaci-supinaci měřilo míru bradykineze v píšící ruce. Dvacet čtyři zdravých věkově odpovídajících kontrol bylo rekrutováno z různých vesnic pro důchodce. Demografické údaje všech účastníků jsou uvedeny v tabulce 1. Studie byla provedena v souladu s Helsinskou deklarací o experimentech na lidech (revidovanou v roce 2004) a schválena etickými komisemi pro lidský výzkum Monash Health a RMIT University. Všichni účastníci této studie dali před zaznamenáním údajů písemný informovaný souhlas.

Experimentální metody

K experimentům byl použit digitální tablet (Wacom Intuos Pro-Large). Tablet snímal souřadnice x-y a tlak inkoustového pera na svůj povrch se vzorkovací frekvencí 133 Hz, která byla opatřena časovou značkou. Toto zařízení bylo vybráno na základě zpětné vazby od účastníků předchozí studie, kteří preferovali jeho velikost A3 a pocit klasického pera a papíru. Písmena byla psána na papír, který byl přiložen k tabletu. Poloha tabletu byla upravena pro každého účastníka, který seděl před nastavitelným stolem. K záznamu dat z tabletu a k off-line analýze byl použit přizpůsobený software.

Úkoly pro ruční psaní

Účastníci byli instruováni, aby opakovaně psali písmeno e, přičemž na konci každého písmene měli pero zvednout (viz obrázek 1). Po překročení počtu 20 opakování dal výzkumník pokyn k ukončení psaní. Podobné protokoly byly již dříve použity ke studiu mikrografie (8, 15, 20).

Výpočet parametrů

Písemné údaje se skládaly ze čtyř sloupců odpovídajících časovému údaji (t), x, y a tlaku hrotu pera (p). Ta byla nejprve segmentována, aby bylo možné identifikovat jednotlivá písmena na základě zvýšení a snížení tlaku pera získaného z údajů o tlaku hrotu pera. Segmenty o délce < 5 mm byly považovány za šum a nebyly brány v úvahu. Výsledky byly zkontrolovány za účelem potvrzení segmentace.

Velikost znaků jsme vypočítali dvěma metodami. Čtyřstranná plocha písmen byla použita v předchozích studiích čínských znaků (5, 14). Vzhledem k rozdílům v obou písmech, kdy čínské znaky mají čtvercový tvar složený z více tahů pera, zatímco znak římské abecedy e má zaoblený tvar z jednoho tahu, jsme jako primární míru velikosti znaku vypočítali délku tahu každého znaku (Si) (21). Délka tahu byla založena na euklidovské vzdálenosti, kde m označuje počet bodů získaných od okamžiku, kdy se pero dotkne povrchu, do okamžiku, kdy povrch opustí, a i je celkový počet znaků (obrázek 1):

První a poslední sada 5 znaků e napsaných každým účastníkem byla porovnána (viz obrázek 1). Účastníci s PD vykazující >10% snížení průměrné délky tahu písmene byli označeni jako PD_pmg, ostatní jako PD_o. Měření relativní změny velikosti písma jednotlivce zajistilo, že rozdíly mezi účastníky neovlivní výsledky. Konzistentní mikrografie byla definována jako průměrná velikost písmen nižší než dvě směrodatné odchylky kontrol, jak navrhli Kim et al (8).

Výběr kinematických znaků byl založen na dříve publikovaných pracích. Kromě rychlosti a tlaku hrotu pera bylo vypočteno zrychlení ve směru x a y (22, 23). Byla provedena pilotní studie a bylo zjištěno, že tlak hrotu pera se ustálil v <3 vzorcích, neboli odpovídá <5 %. Protože tlak hrotu pera zaznamenaný digitálním tabletem Wacom je bez jednotek, kalibrovali jsme zařízení tak, abychom získali ekvivalentní síly v newtonech (N). Normalizovaný tlak hrotu pera pro každého účastníka byl vypočten podle vzorce (PAvg – Pmin)/(Pmax – Pmin), kde Pmax a Pmin jsou nejvyšší a nejnižší tlaky hrotu pera zaznamenané u všech účastníků a PAvg je průměrný tlak jednotlivce.

Lineární korelace byla pozorována mezi hmotností a úrovní tlaku hrotu pera (24).

Úplný seznam funkcí je uveden v tabulce 2. Pro každý znak byly získány průměrné hodnoty počáteční a konečné sady 5 e znaků.

Statistická analýza

Pro porovnání různých demografických znaků byl proveden nezávislý výběrový t-test, 2-tailed Chi-Square test a Mann Whitney U test. Na základě Shapiro-Wilkova testu byl proveden neparametrický Wilcoxonův signed rank test k analýze rozdílu mezi počátečními a konečnými hodnotami velikosti a dalších kinematických znaků pro každou skupinu zvlášť. Tyto tři skupiny byly porovnány pomocí Kruskal-Wallisova testu bez distribuce s post-hoc testem (25). Ke studiu vztahu mezi skóre UPDRS-III a kinematickými znaky byla provedena analýza Spearmanova rankového korelačního koeficientu.

Při koncipování tohoto výzkumu byla velikost vzorku 24 osob v každé skupině určena výpočtem síly provedeným pomocí online kalkulačky síly a velikosti vzorku (26). Vycházelo se ze statistické síly 0,8 s 95% intervalem spolehlivosti, přičemž nulovou hypotézou byla existence průměrného rozdílu mezi skupinami.

Výsledky

Šestnáct z 24 subjektů s PD bylo klasifikováno jako PD_pmg podle 10% zkrácení délky zdvihu mezi prvním a posledním písmenem. Čtyři kontrolní subjekty rovněž splňovaly definici pro PMG, ačkoli jejich kinematické míry vykazovaly malý rozdíl, bez statistické významnosti, od zbytku kontrolní skupiny. Statistická analýza demografických znaků neprokázala žádné významné rozdíly mezi skupinami PD_pmg a PD_o (tabulka 3).

Podle délky mrtvice byla u 4 z 24 účastníků PD zjištěna konzistentní mikrografie, ačkoli 3 z nich vykazovali také PMG, takže zůstal pouze jeden případ čisté konzistentní mikrografie. Při použití metody čtyřúhelníkové plochy písmen nebyla u žádného z účastníků zjištěna konzistentní mikrografie.

Tabulka 4 ukazuje mediánové hodnoty, velikost efektu r a p-hodnoty velikosti, plochy, horizontální a vertikální amplitudy, přítlaku hrotu pera a kinematických vlastností pro párových počátečních a závěrečných 5 opakování znaku e. Tabulka 5 ukazuje shrnutí trendů pozorovaných v tabulce 4. Plocha písmene i délka tahu vykazovaly pokles od počáteční do závěrečné série e ve skupině PD_pmg s velkou velikostí efektu (r = 0,62) (27, 28). U všech tří skupin došlo ke snížení vertikální amplitudy (p < 0,05) v průběhu trvání úlohy, tento efekt byl nejvýznamnější (p < 0,001) u osob s PD PMG. Mediánová horizontální amplituda byla u PD zachována a u kontrol se skutečně zvýšila. Skupiny PD_o a kontrolní skupiny vykazují významný nárůst (p < 0,05) od počáteční do závěrečné série pro rychlost pera a zrychlení ve směru x se střední až velkou velikostí efektu. Skupina PD_pmg však u těchto kinematických vlastností nevykazovala žádné významné rozdíly napříč úlohou. Zatímco tlak hrotu pera se u skupin PD_o a kontrolních skupin významně nezměnil, skupina PD_pmg nebyla schopna udržet tlak pera po celou dobu cvičení.

Pro testování rozdílu mezi nezávislými vzorky 3 skupin byl pro série proveden Kruskal-Wallisův s post-hoc testem. Zatímco mezi PD_pmg a PD_o nebyl zjištěn významný rozdíl, PD_pmg a kontroly vykazovaly významný rozdíl (p < 0,05, upraveno pomocí Bonferroniho korekce) u všech kinematických znaků s výjimkou tlaku hrotu pera (p > 0,5). PD_o a kontroly vykazovaly signifikantní rozdíl pro všechny znaky kromě rychlosti s (p = 0,064). Hodnoty Spearmanova rho neodhalily žádnou významnou korelaci mezi skóre UPDRS-III a kinematickými rysy u osob s PD.

Diskuse

Psaní rukou je naučená motorická dovednost, která vyžaduje koordinovaný pohyb prstů, zápěstí a paže. Může být narušena v časném stadiu PD a je dobrým modelem, na jehož základě lze analyzovat účinky onemocnění bazálních ganglií na plánování a provádění navyklých činností. Při kurzivním psaní rukou hrají primární roli palec, ukazováček a prostředníček při vertikálních tazích perem, zatímco flexe a extenze zápěstí vytváří malé laterální pohyby (2). S postupem psaní rukou zleva doprava po psací ploše se zapojení zápěstí a lokte zvyšuje (22). Tyto různé vzorce aktivace svalů způsobují postupné změny při normálním lineárním psaní. Naše kontrolní skupina si zachovala celkovou velikost a plochu písmen; horizontální amplituda se napříč řádkem zvýšila, zatímco vertikální amplituda, pravděpodobně v důsledku únavy menších svalů ovládajících pohyb prstů, se snížila. Rychlost psaní se zvýšila v horizontálním, ale ne ve vertikálním směru (29). U žádné ze skupin jsme nezaznamenali významné kinematické změny od první do poslední série písmen ve vertikálním směru. Rozdíly ležely v horizontálním směru. U kontrolních osob i osob s PD_o došlo ke zvýšení rychlosti psaní a akcelerace v ose x. V obou skupinách došlo ke zvýšení rychlosti psaní. To pravděpodobně odráží změny v aktivaci svalů, protože při psaní zleva doprava stále více vstupuje do hry pohyb zápěstí a lokte. Tato zvýšení nejsou přítomna u 67 % pacientů s PD, kteří vykazovali PMG.

„Bradykineze“ u PD je zkratka pro komplexní poruchy zahájení a provedení akcí a schopnosti je udržet (30). Akineze, neschopnost zahájit pohyb, a hypokineze, popisující nedostatečnou aktivitu pohybu, souvisejí s bradykinezí, stejně jako sekvenční efekt – opakující se pohyby se stávají menšími nebo pomalejšími (31, 32). Bližší zkoumání našich výsledků odhaluje více o vztazích mezi bradykinezí a PMG. U PMG byl pokles velikosti písma doprovázen normálním poklesem vertikální amplitudy. Ačkoli tato skupina ztratila normální horizontální kinematickou augmentaci akcelerace při psaní zleva doprava, rychlost se nesnížila. Měření tlaku ukazují, že u PMG dochází také ke zhoršení síly psaní kolmo k rovině psaní. Jak kontrolní osoby, tak osoby s PD_o si zachovaly tlak při psaní v průběhu celého psacího úkolu. U subjektů PD_pmg došlo k významnému poklesu tlaku pera mezi počáteční a závěrečnou sérií písmen (obr. 2C). Snížené zrychlení a měření tlaku společně naznačují, že PMG odráží špatně udržovanou čistou sílu.

Ačkoli pokles amplitudy a síly psaní u PMG velmi připomíná sekvenční efekt celkové bradykineze, nezjistili jsme žádnou významnou korelaci s celkovým parkinsonským motorickým postižením mimo stav, ani se souhrnným skóre bradykineze UPDRS-III pro dominantní ruku. Tato skóre byla podobná u parkinsoniků s PMG i bez PMG. Jedním z možných důvodů je, že ačkoli mikrografie a bradykineze spolu souvisejí, existují mezi nimi zásadní rozdíly související s úkoly. Funkční MR snímky popsané Wu et al (5) naznačují, že kromě dysfunkčních motorických okruhů bazálních ganglií je PMG spojena s diskonekcí mezi rostrální doplňkovou motorickou oblastí, rostrální cingulární a motorickou oblastí a mozečkem.

Na základě délky mrtvice se 4 z 24 účastníků PD dostali pod 2 směrodatné odchylky kontrolních hodnot, a splnili tak kritéria pro konzistentní mikrografii navržená Kimem et al (8). Pouze jeden z těchto pacientů však měl čistě konzistentní vzorec, zatímco ostatní 3 měli také progresivní mikrografii. Při použití metody čtyřstranné plochy písmen podle Ma et al (14) neměl žádný z našich parkinsoniků konzistentní mikrografii. Naše zjištění tedy zpochybňují užitečnost dělení parkinsonské mikrografie na konzistentní a progresivní kategorii, alespoň podle definice Kima et al (8). Výhrada spočívá v tom, že náš výzkum zkoumal latinku, zatímco v právě citovaných studiích byly použity korejské a čínské znaky, které se skládají z více odlišných tahů. Není jasné, zda by definice konzistentní mikrografie založená na vzorcích premorbidní kaligrafie fungovala lépe. Jedním z problémů by bylo stanovení „typické“ premorbidní velikosti písma, protože velikost rukopisu u normálních osob je sama o sobě závislá na různých faktorech, jako je rychlost a naléhavost psaní, psací náčiní, psací plocha a rozsah psacího papíru včetně linek (33).

Naše zjištění se shodují s dřívějšími studiemi, podle nichž jsou kinematické míry zrychlení a rychlosti (obr. 2B) u PD ve srovnání s kontrolami pomalejší (4, 9). Jak již bylo dříve navrženo, počítačová kinematická analýza rukopisu může být dostatečně citlivá k odhalení nejranějších motorických projevů PD u rizikových osob (9). Vzhledem k tomu, že PMG je přítomna pouze u dvou třetin parkinsoniků, nemusí být pokles amplitudy psaní spolehlivým časným diskriminátorem (obr. 2A). Naše práce naznačuje, že horizontální profil akcelerace při psaní zleva doprava a měření tlaku pera jsou pravděpodobně důležité pro odhalení jemné PMG, pokud je přítomna.

Je třeba si uvědomit řadu omezení studie. Náš vzorek je menší než vzorek použitý v některých předchozích výzkumech psaní rukou, ačkoli byl založen na výpočtech síly a ukázal se jako dostatečný k odhalení významných skupinových rozdílů. Vycházeli jsme z názoru, že vypnuté stavy pravděpodobně odhalí více o fenoménu PMG, a neuváděli jsme vliv medikace levodopou. Ling et al (7) a Wu et al (5) nezjistili žádné významné zlepšení poklesu psaní v ON stavech. K identifikaci PMG jsme použili změnu velikosti mezi počátečními a konečnými 5 písmeny, což mělo snížit inter-experimentální variabilitu. Alternativní přístup, regresní analýzu celého úkolu psaní, použili různými způsoby i další výzkumníci. Sledovali jsme změny ve velikosti znaků během trvalého psaní rukou. Mnozí účastníci při psaní krátce zaváhali, aby upravili velikost písmen, což mělo za následek spíše několik cyklů poklesu než rovnoměrný, lineární pokles. Došli jsme k závěru, že regresní analýza poklesu je pro naši úlohu psaní méně vhodná.

Naše důvody pro přijetí spíše absolutní než pravděpodobnostní definice PMG jsou uvedeny v úvodu. Čtyři kontrolní účastníci (16,7 %) rovněž splňovali definici pro PMG. To je v souladu s nedávným výzkumem zdravých starších osob a nemělo by to být bráno jako důkaz, že naše kritérium PMG nebylo dostatečně přísné. Mezi 185 jedinci s o něco mladším průměrným věkem než naše kontrolní skupina mělo 21 % zpomalení opakovaných pohybů prstů a 18 % splňovalo definici pro mírný parkinsonismus (34). Ke studiu PMG byly již dříve použity úlohy s jedním znakem, kopírování slov a volné psaní. Upřednostnili jsme úlohu s jedním znakem, protože poskytla nejlepší standardizaci pro kinematická srovnání a omezila složené faktory, jako je kognitivní zátěž, u níž bylo prokázáno, že ovlivňuje kinematiku psaní (35, 36). Písmeno e se dobře hodí k rozlišení horizontálních a vertikálních pohybů. Průměrné rychlosti pera byly poněkud pomalejší než v některých předchozích studiích, i když srovnatelné s jinými (37). Většina účastníků si osvojila kurzivní styl psaní, přesto se od nich vyžadovalo spíše oddělování než spojování písmen. Určitá míra záměrnosti mohla ovlivnit rychlost psaní.

Předchozí studie PMG se soustředily převážně na rozměrové aspekty psaní a naše kinematická analýza přispívá novými poznatky o jeho dynamických charakteristikách. Přispíváme k pochopení vzájemného působení „horizontální mikrografie“ a progresivní změny (38). Nedávný výzkum Tinaze et al. (39), využívající izometrický repetitivní úchop ruky, spojil sekvenční efekt u PD s nedostatkem motorické energie. Naše zjištění o nedostatcích síly a zrychlení u PMG naznačují podobný problém s přenosem energie do svalového pohybu a trvalé kontrakce. Navzdory chybějícím korelacím se skóre UPDRS-III se zdá, že bradykinetický motorický úbytek a PMG odrážejí společný defekt s energetickou účinností motorických programů.

Etické prohlášení

Studie byla provedena v souladu s Helsinskou deklarací o experimentech na lidech (revidovanou v roce 2004) a schválena etickými komisemi pro lidský výzkum Monash Health a RMIT University. Všichni účastníci této studie dali před záznamem dat písemný informovaný souhlas.

Příspěvky autorů

PZ se podílel na provádění experimentů, analýze dat, přípravě článku, návrhu a vývoji softwaru, výběru analytických nástrojů a přehledu literatury. DK se podílel na koncepci a návrhu práce, výběru analytických nástrojů, kritické revizi článku, přehledu literatury, podílel se na přípravě rukopisu a konečném schválení verze k publikaci. PK se podílel na klinické podpoře, kritické revizi článku a podílel se na přípravě rukopisu. SP se podílel na statistické analýze a na revizi článku. KW a KN se podíleli na experimentální podpoře. SR se podílel na klinické podpoře, přístupu k podrobnostem o pacientech a návrhu experimentu. Všichni autoři se podíleli na revizi rukopisu.

Financování

Vzpomínáme na financování podpořené stipendiem RMIT University a klinickou podporou Monash Medical Center, Melbourne, Austrálie.

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.

.