アイトラッキングでアルツハイマー型認知症を評価する4つの方法

アイトラッキングは、アルツハイマー型認知症（AD）の早期発見につながる有望なツールであることが、多くの研究により実証されています。眼球運動や認知機能の変化は病気の初期段階で起こり、アイトラッキングにより効率的に発見できます。この記事では、アイトラッキングが早期アルツハイマー型認知症の診断に役立つ可能性を示唆した4つの方法を紹介します。

アルツハイマー型認知症の診断ツールキットとしてのアイトラッキング 

アルツハイマー型認知症（AD）は進行性の神経変性疾患であり、認知症患者の最大70％を占めています（World Alzheimer Report、2022）。記憶、思考回路、知覚、言語機能が徐々に低下していく特徴があります。初期段階では、ほとんどが無症状で、臨床症状が現れる何年も前から始まります。また、軽度認知障害のある人はアルツハイマー型認知症になりやすい傾向があり、年間の転換率は約15％と言われています（Liu et al.、2013年）。 

現在、アルツハイマー型認知症の治療法はありませんが、早期診断により、疾病管理を改善し、認知症への進行を遅らせることができます。World Alzheimer's Reportによると、認知症の人の75%は診断されていないとされています。アルツハイマー型認知症の早期発見のための既存のバイオマーカーは、侵襲的、（例：腰椎穿刺）、高額（例：神経画像検査）、または長時間に及ぶ（例：神経心理学的検査）ため、多くの認知症患者にとってすぐに診断することは難しくなってきます。 

アイトラッキングは、正確で非侵襲的、費用対効果の高い技術であり、言語や文化に依存しない認知機能および眼球運動機能の評価を可能にします。アルツハイマー型認知症は言語能力や自己表現能力が著しく低下し、眼球運動や視認行動に変化があります。そのため、特定の眼球運動や視認パターンが、早期発見のためのバイオマーカーとして機能し、神経心理学的検査より多くの診断が可能になります。（Readman et al.）（Molitor et al.、2015)

アイトラッキングがアルツハイマー型認知症の早期診断に役立つ4つの方法 

基本的な眼球運動の評価 

アルツハイマー型認知症は、眼球運動を制御する皮質および皮質下の脳領域間の接続性を変化させます（Armstrong, 2009）。研究では、スムースパーシュート、停留、サッカード、マイクロサッカードにおいてアルツハイマー型認知症に関連した変化が報告されています（Molitor et al.、2015）。基本的な眼球運動の状態は、簡単な眼球運動課題を実施することで評価することができます。Pavisicらは、注視課題（10秒間1点に視線を停留させる）、スムースパーシュート課題（動いている目標を追う）、プロサッカード課題（現れた目標を見る）を評価することで、95％の精度でアルツハイマー型認知症患者を健常者と見分けることができると実証しました。アルツハイマー型認知症患者は、健常者と比較して、注視課題ではよりエラーなサッカードが現れ停留時間が短くなります。また、移動する目標を追う時間が短く、スムースパーシュートの際に中断するサッカードも増えました。プロサッカード課題での精度は低く、目標を見ることに時間がかかることがわかりました。（Pavisic et al., 2017）（Pavisic et al.、2017） 

もう１つの注視課題は、被験者が１０秒間静止している目標をみることです。この課題では、アルツハイマー型認知症の方は、停留が中断される不随意眼球運動であるSquare Wave Jerks（マクロスクエアジャーク ）がより頻繁に起こります。（Jang et al.、2021）。この課題では、方形波ジャーク（固視を中断する不随意的な眼球運動）を捉えることができ、アルツハイマー型認知症患者によくみられます（Nakamagoe et al.、2019）。注視課題は、わずか10秒で、健常者と比較したときに有意な結果が得られるため、大量のスクリーニングの可能性を秘めています（Jang et al.、2021）。停留をしようとした際、前者のグループはより斜めのマイクロサッケードを示すことから、マイクロサッケード動作は軽度認知障害者と健常者の区別に役立つ可能性もあります（Kapoula et al.、2014）

実行機能評価-アンチサッカード課題 

抑制機能障害は、アルツハイマー型認知症（AD）で最初に影響を受ける非記憶領域の1つです（Wilcockson et al.、2019）。アンチサッカード課題では、被験者は目標が提示される方向とは反対の位置に視線を移動します。この課題で行われる抑制エラーの数は、アルツハイマー型認知症の人で有意に多く、ADの重症度を予測することができます（Opwonya et al.、2022）。健常者は通常、試行の20%で反サッケードエラーを起こすが、ADの人は50～80%である（Garbutt et al.、2008）。ADの初期（Kaufman et al., 2012）、および軽度の認知障害が現れ始めても（Chehrehnegar et al., 2022）、より多くのアンチサッケードエラーがすでに検出されることがあります。アンチサッカードタスクは、アルツハイマー型認知症患者で一貫した結果が報告されており、高齢者の実行機能を評価する有力な手法とされています。

視聴行動評価の高度化 

アルツハイマー型認知症（AD）患者は、基本的な眼球運動の変化とともに、視覚探索や場面探索といった高度な視覚認知の場面で困難を経験します（Molitor et al.、2015）。これらのタスクの実行の困難は、前臨床期アルツハイマー病の段階ですでに明らかになっている、短期記憶およびワーキングメモリの欠陥と関連しています。 

視覚的一対比較課題は、新奇な絵と以前に見た絵を見るのに費やした時間の割合で被験者を得点化する認識記憶課題である。ADや軽度認知障害者は、新奇なものを認識する能力が低いことが分かっています（Crutcherら、2009年、Nieら、2020年、Zolaら、2013年）。この視線追跡課題のスコアは、1年間の追跡調査におけるさらなる認知機能の低下（Nie et al., 2020）、および臨床診断の3年前までの軽度認知障害からADへの転換（Zola et al., 2013）を信頼性高く予測することができます。 

視覚的探索は、散漫なものの中から目標を見つけることを目的とした目標指向型の探索行動である。AD患者は、視覚的探索課題における反応時間が長く、探索パターンは対照群と比べて無秩序で確率的である（Barral et al.、2020；Pereira et al.） AD患者は、視覚的場面で顕著な対象を検出することが難しくなり、視覚的場面の中心部から周辺部へ注意を移すのに時間がかかります（Pereira et al.、2020）。 

アイトラッキングソフトウェア「Tobii Pro ラボ」の無料版で、視覚探索実験のサンプルプロジェクトをお試しください。 

リーディングアセスメント 

読書には、注意、言葉の知覚、理解など、複数の認知システムを統合する必要があります。アルツハイマー型認知症（AD）の初期段階では、初期段階では読書行動の変化が観察され、アイトラッカーで読書タスク中の変化を捉えることができると研究で明らかになりました。（Fernández et al., 2015）読書中、ADの初期段階にある人は、健常者と比較して、停留ごとの単語数が少なく、固視の総数や時間が増加することが分かっています（Fernández et al.、2016）。さらに、AD患者は、健常者と比べて、文章を読むのに時間がかかり、文章を再読する傾向が強く、文章の情報量の少ない部分を読み飛ばす傾向があります（MacAskill and Anderson, 2016)。 

読書テスト（King-Devickテストなど）は、主に読書課題中のサッケードの振幅と持続時間に基づいて、明らかな臨床症状を発症する前に軽度認知障害のある人を検出できます（Hannonen et al.、2022）。軽度認知障害群では、健常対照群と比較して、サッケードの持続時間と振幅が短いことがわかります。読書課題中に収集された眼球運動特性は、ADの個人を89.8%の精度で分類できます（Biondi et al., 2018) 。

結論

アルツハイマー型認知症の初期段階では、基本的な目の動きや認知機能に測定可能な変化が見られるとい研究結果が増えてきています。この記事では、初期のアルツハイマー型認知症の診断に役立つ、簡単なアイトラッキングでのタスクを紹介しました。この記事では、初期のアルツハイマー型認知症のスクリーニングを助けることができる、いくつかの簡単で迅速なアイトラッキングタスクを紹介しました。全体として、アイトラッキングは、多くの患者を認知症リスクを診断するための非侵襲型ツールとしての利用が期待できます。さらなる開発と研究により、眼球運動指標は、他の神経心理学的および生理学的測定を補完する、信頼できるADのバイオマーカーになるかもしれません。 

高齢者のアセスメントにおけるリモートアイトラッキングの重要性に関する追記。 

高齢者を対象とした実験では、震えや頸椎の変性に悩まされることが多いため、頭部を固定しない環境設計が必要です。アイトラッカーは、較正が簡単で速く、顎当てがなくてもしっかりと眼球運動を追跡できるものでなければなりません。研究者たちは、高齢の患者をテストする際に、プラグアンドプレイのアイトラッカーを使用すると良い結果が得られたと報告しています（Barral et al., 2020; Jang et al., 2021）。実験の中では、被験者はタスク後にアンケートに回答してもらいました。彼らは、使いやすさ、受容性、そしてアイトラッキングに対する態度を評価しました。ほとんどの参加者は、非接触で使用できるアイトラッキングのタスクを抵抗なく行えました。： 93％が快適さを感じ、91％が評価中にリラックスした気分になりました。さらに、参加者の96％が将来的に評価を繰り返す意思があると報告し、93％が毎月評価を繰り返す意思があると報告しました（Barral et al., 2020）。      

トビーでは、自然な頭の動きを考慮しながら、高品質なアイトラッキングデータを取得できるよう設計された、非侵襲的のアイトラッキングソリューションをご用意しています。 詳しくは、アイトラッカーの選び方に関する無料ガイドをご覧ください。 

参考文献

Armstrong, R. A. (2009). Alzheimer’s Disease and the Eye. Journal of Optometry, 2(3), 103–111.

Barral, O., Jang, H., Newton-Mason, S., Shajan, S., Soroski, T., Carenini, G., Conati, C., & Field, T. (2020). Non-Invasive Classification of Alzheimer’s Disease Using Eye Tracking and Language. Proceedings of the 5th Machine Learning for Healthcare Conference, 813–841.

Biondi, J., Fernandez, G., Castro, S., & Agamennoni, O. (2018). Eye movement behavior identification for Alzheimer’s disease diagnosis. Journal of Integrative Neuroscience, 17(4), Article 4.

Chehrehnegar, N., Shati, M., Esmaeili, M., & Foroughan, M. (2022). Executive function deficits in mild cognitive impairment: Evidence from saccade tasks. Aging & Mental Health, 26(5), 1001–1009.

Crutcher, M. D., Calhoun-Haney, R., Manzanares, C. M., Lah, J. J., Levey, A. I., & Zola, S. M. (2009). Eye Tracking During a Visual Paired Comparison Task as a Predictor of Early Dementia. American Journal of Alzheimer’s Disease & Other Dementias®, 24(3), 258–266.

Fernández, G., Castro, L. R., Schumacher, M., & Agamennoni, O. E. (2015). Diagnosis of mild Alzheimer disease through the analysis of eye movements during reading. Journal of Integrative Neuroscience, 14(01), 121–133.

Fernández, G., Manes, F., Politi, L. E., Orozco, D., Schumacher, M., Castro, L., Agamennoni, O., & Rotstein, N. P. (2016). Patients with Mild Alzheimer’s Disease Fail When Using Their Working Memory: Evidence from the Eye Tracking Technique. Journal of Alzheimer’s Disease, 50(3), 827–838.

Garbutt, S., Matlin, A., Hellmuth, J., Schenk, A. K., Johnson, J. K., Rosen, H., Dean, D., Kramer, J., Neuhaus, J., Miller, B. L., Lisberger, S. G., & Boxer, A. L. (2008). Oculomotor function in frontotemporal lobar degeneration, related disorders and Alzheimer’s disease. Brain: A Journal of Neurology, 131(Pt 5), 1268–1281.

Hannonen, S., Andberg, S., Kärkkäinen, V., Rusanen, M., Lehtola, J.-M., Saari, T., Korhonen, V., Hokkanen, L., Hallikainen, M., Hänninen, T., Leinonen, V., Kaarniranta, K., Bednarik, R., & Koivisto, A. M. (2022). Shortening of Saccades as a Possible Easy-to-Use Biomarker to Detect Risk of Alzheimer’s Disease. Journal of Alzheimer’s Disease, 88(2), 609–618.

Jang, H., Soroski, T., Rizzo, M., Barral, O., Harisinghani, A., Newton-Mason, S., Granby, S., Stutz da Cunha Vasco, T. M., Lewis, C., Tutt, P., Carenini, G., Conati, C., & Field, T. S. (2021). Classification of Alzheimer’s Disease Leveraging Multi-task Machine Learning Analysis of Speech and Eye-Movement Data. Frontiers in Human Neuroscience, 15.

Kapoula, Z., Yang, Q., Otero-Millan, J., Xiao, S., Macknik, S. L., Lang, A., Verny, M., & Martinez-Conde, S. (2014). Distinctive features of microsaccades in Alzheimer’s disease and in mild cognitive impairment. AGE, 36(2), 535–543.

Liu, C.-C., Kanekiyo, T., Xu, H., & Bu, G. (2013). Apolipoprotein E and Alzheimer disease: Risk, mechanisms and therapy. Nature Reviews Neurology, 9(2), Article 2.

MacAskill, M. R., & Anderson, T. J. (2016). Eye movements in neurodegenerative diseases. Current Opinion in Neurology, 29(1), 61–68.

Molitor, R. J., Ko, P. C., & Ally, B. A. (2015). Eye Movements in Alzheimer’s Disease. Journal of Alzheimer’s Disease, 44(1), 1–12.

Nakamagoe, K., Yamada, S., Kawakami, R., Koganezawa, T., & Tamaoka, A. (2019). Abnormal Saccadic Intrusions with Alzheimer’s Disease in Darkness. Current Alzheimer Research, 16(4), 293–301.

Nie, J., Qiu, Q., Phillips, M., Sun, L., Yan, F., Lin, X., Xiao, S., & Li, X. (2020). Early Diagnosis of Mild Cognitive Impairment Based on Eye Movement Parameters in an Aging Chinese Population. Frontiers in Aging Neuroscience, 12.

Opwonya, J., Wang, C., Jang, K.-M., Lee, K., Kim, J. I., & Kim, J. U. (2022). Inhibitory Control of Saccadic Eye Movements and Cognitive Impairment in Mild Cognitive Impairment. Frontiers in Aging Neuroscience, 14, 871432.

Pavisic, I. M., Firth, N. C., Parsons, S., Rego, D. M., Shakespeare, T. J., Yong, K. X. X., Slattery, C. F., Paterson, R. W., Foulkes, A. J. M., Macpherson, K., Carton, A. M., Alexander, D. C., Shawe-Taylor, J., Fox, N. C., Schott, J. M., Crutch, S. J., & Primativo, S. (2017). Eye tracking Metrics in Young Onset Alzheimer’s Disease: A Window into Cognitive Visual Functions. Frontiers in Neurology, 8.

Pereira, M. L. G. de F., Camargo, M. von Z. de A., Bellan, A. F. R., Tahira, A. C., dos Santos, B., dos Santos, J., Machado-Lima, A., Nunes, F. L. S., & Forlenza, O. V. (2020). Visual Search Efficiency in Mild Cognitive Impairment and Alzheimer’s Disease: An Eye Movement Study. Journal of Alzheimer’s Disease, 75(1), 261–275.

Readman, M. R., Polden, M., Gibbs, M. C., Wareing, L., & Crawford, T. J. (2021). The Potential of Naturalistic Eye Movement Tasks in the Diagnosis of Alzheimer’s Disease: A Review. Brain Sciences, 11(11), Article 11.

Wilcockson, T. D. W., Mardanbegi, D., Xia, B., Taylor, S., Sawyer, P., Gellersen, H. W., Leroi, I., Killick, R., & Crawford, T. J. (2019). Abnormalities of saccadic eye movements in dementia due to Alzheimer’s disease and mild cognitive impairment. Aging (Albany NY), 11(15), 5389–5398.

World Alzheimer Report 2022 Life after diagnosis: Navigating treatment, care and support. (2022).

Zola, S. M., Manzanares, C. M., Clopton, P., Lah, J. J., & Levey, A. I. (2013). A behavioral task predicts conversion to mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease. American Journal of Alzheimer’s Disease and Other Dementias, 28(2), 179–184.