nformation and communication...

80
NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391  December, 31, 2016 -1- UNITN   SEVENTH FRAMEWORK PROGRAMME INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES Project: NoTremor‐ Virtual, Physiological and Computational Neuromuscular Models for the Predictive Treatment of Parkinson’s disease (NoTremor, Grant Agreement No. 610391)    Deliverable number and title: D6.2.2 NoTremor framework evaluation (final version)  Lead beneficiary: UNITN WP. no, title  and activity type WP6  Application scenarios development, validation and evaluation Contributing Task (s) T6.1  Correlation of objective and clinical scales and monitoring of a cohort evolution T6.2  Simulation of established medication T6.3  Assessment and evaluation Dissemination level PU ‐ Public Delivery date December 2016 Status   

Upload: truongnguyet

Post on 05-Apr-2018

222 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -1- UNITN  

 

SEVENTH FRAMEWORK PROGRAMME 

INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES 

Project: 

NoTremor‐ Virtual, Physiological and Computational Neuromus‐cular Models for the Predictive Treatment of Parkinson’s disease 

(NoTremor, Grant Agreement No. 610391) 

 

 

 

Deliverable number and title: 

D6.2.2 NoTremor framework evaluation (final version) 

 

Lead beneficiary:  UNITN 

WP. no, title  and activity type 

WP6 – Application scenarios development, validation and evaluation 

Contributing Task (s)  T6.1 – Correlation of objective and clinical scales and moni‐toring of a cohort evolution 

T6.2 – Simulation of established medication 

T6.3 – Assessment and evaluation 

Dissemination level  PU ‐ Public 

Delivery date  December 2016 

Status   

 

Page 2: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -2- UNITN  

Authors List  

Editor: Università degli Studi di Trento (UNITN) 

Name / Surname  Beneficiary  Name (Short Name) 

Contact email 

Mauro Da Lio  UNITN  [email protected] 

Mariolino De Cecco  UNITN  [email protected] 

Paolo Bosetti  UNITN  [email protected] 

Daniele Bortoluzzi  UNITN  [email protected] 

Konstantinos Moustakas  UPAT  [email protected] 

Tasos Dimas  UPAT  [email protected] 

Giannis Lakoumentas  UPAT  [email protected] 

Dimitar Stanev  UPAT  [email protected] 

Otilia Kocsis  UPAT  [email protected] 

Elisavet Xroni  UPAT  [email protected] 

Veltista Dimitra  UPAT  [email protected] 

Dimitrios Tzovaras  CERTH  [email protected] 

Konstantinos Votis  CERTH  [email protected] 

Panagiotis Moschonas  CERTH  [email protected] 

Alex Blenkinsop  USFD  [email protected] 

Seb James  USFD  [email protected] 

Peter Brown  UOX  [email protected] 

Chrystalina Antoniades  UOX  [email protected] 

Michele Hu  UOX  [email protected] 

Jill Gallagher  PUK  [email protected] 

   

Page 3: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -3- UNITN  

Executive Summary 

 This deliverable (D6.2.2) is the focal point of the project. It deals with the evaluation of the NoTremor  system, which  is  carried with a  twofold approach: a) with a variety of technical validation assessment tasks concerning the system and  its building modules, and b) using the system in selected use cases.  The patients and control cohorts for the use cases are 4 (section 2.1): 1) the Oxford Dis‐covery cohort, which is a subset of the UK Discovery study with a rich set of clinical as‐sessments; 2) the Oxford Surgery cohort, which is a small cohort of subjects with surgi‐cal electrode  implantation and recording of LFP; 3) the Santa Chiara cohort which  is a longitudinal  study  simulating  the use of  the NoTremor  system  for monitoring; 4)  the Thessaloniki cohort, which is a rich cohort combining internal model parameter estima‐tion with objective metrics.  The main achievement of the NoTremor system  is the combination of a mathematical model of the Parkinsonian basal ganglia and motor system with a newly developed mo‐tor test (the line test). Using algorithms that allow fitting the model onto the recorded executions of the test by individual patients, the system allows estimating the individual patient’s connection strengths in the basal ganglia (sections 2.2 and 2.3).  The Parkinsonian basal ganglia are described by 3 parameters (“Da”, modelling the ef‐fect of dopamine, “dis” and “mpy” modelling variations of the connection strengths  in response to loss of dopamine and “T” modelling the adaptation of the motor system to the noisy basal ganglia – which has the meaning of intended movement time). As such the NoTremor system describes the PD as variations of the above 4 parame‐ters compared  to healthy  subjects  (3 of  the 4 parameters describing modifications  in the basal ganglia and the 4th a consequence in the motor planning stage). Hence the disease is described with a point {Da, dis, mpy, T} in a 4‐dimensional space, rather than being described with a single scalar, such as e.g., UPDRS or any other sca‐lar metrics that can be derived by testing.  Another  fundamental difference with metrics and  indicators of various kinds  that are emerging  in  the  literature,  is  that  {Da, dis, mpy, T} maps onto variations of coupling strengths (the product of the density and potency of synaptic innervation) that actually happen  in  the basal ganglia and motor  system as  the disease progresses. Section 2.2 summarizes  the mathematical model of  the Parinsonian basal and motor  system and describes the final parameterization used to model PD. Section 2.3  illustrates the final (quite complex) strategy  that  is used  for estimating  the parameters of  individual sub‐jects.   One  first  finding  of  the NoTremor  system  is  the  discovery  of  two  clusters  in  the  4‐dimensional parameter space that have been named the “dis” cluster and “mpy” clus‐ters. Of the two, the “mpy” cluster looks to be implausible for the description of PD (as pointed out by spectral analysis and other considerations).  It has been  found  (section 2.4) that this cluster  is correlated with  lesser probability of PD and might be a marker indicating that the subject might not have classical PD, but rather a mimicking disease such as Progressive Supranuclear Palsy or Multiple System Atrophy. The “dis” cluster, instead, has an elongated shape that is compatible with the notion of disease evolution. 

Page 4: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -4- UNITN  

In particular, a cross section of the parameter space in the Da‐dis plane shows that dis (the most  important variation of connection strengths)  is  related  to Da  in what  looks like a causal relationship: when Da decreases dis increases as expected if it has to be a compensatory reaction of the brain to loss of dopamine (sections 2.4, section 2.6.1 and animation related to Fig.13).  The correlation between clinical scales and the model parameters {Da, dis, mpy, T} has been carried out in section 2.4 (corresponding to task T6.1). Several regression models (linear,  but  also  nonlinear models  such  as  Neural  Network,  Gaussian  processes  and Random Forest predictors) have been  tested.  In  the end,  the simple  linear  regression has  been  selected  (and  is  reported  in  this  deliverable). We  have  found  a  regression model between the 4 parameters {Da, dis, mpy, T} and the UPDRS‐3 total score that is significant  for  all  the  4  parameters  (section  2.4,  Fig.12;  and  similar  to  Kinetigraph benchmark except the latter requires a much longer observation time).   This means  that  every  point  in  the  4‐dimensional  parameter  space maps  onto  one “predicted” value of the UPDRS score. The fact that this mapping is meaningful implies: a) that the overall model‐measurement‐fitting‐parameter estimation chain output does have some useful information content. In other words, that the estimated parameters, albeit affected by various forms of noise, still have a significant amount of signal (con‐siderations about the level of noise in the estimated parameters can be found in section 2.3.5, while section 2.6 clearly shows that using more tests for computing the average trajectory – the basic for parameter estimation – significantly improves the accuracy of the estimated parameters). b) that the estimated parameters can be used to predict an “equivalent” UPDRS score. In combination with remote monitoring tools such as described in section 2.6, this gives NoTremor  the  ability  to  better monitor  the  evolution  of  the  disease,  also  revealing short  term  fluctuations and  longer  terms  trends  (that could be used,  for example,  to precisely assess the subject’s response to different medications). Moreover, as shown in  section  2.6,  evolution  of  the  disease  tends  to  activate  compensatory mechanisms (such as e.g., reduction of Da induces increase of dis). Hence, at the macroscopic level, the same UPDRS score occurs for different points in the disease space, which however can be discriminated by the NoTremor system, allowing in principle more resolution in tracking changes that have not yet to affect the UPDRS score. This attribute may prove particularly important in the characterisation of early and ‘pre‐symptomatic’ PD, where internal compensation can effectively mask clinical deficit or its progression for several years.  To be able to track the hidden changes related to the disease process would be of major importance in the development and testing of disease modifying treatments.  A linear regression model based on behavioural parameters derived from the same line test (Peak Speed, Standard Deviation of Peak Speed and Standard deviation of Time of Peak Speed) was also found to be able to predict the UPDRS score, but not able to bet‐ter the performance of the prediction model based on the mathematical model param‐eters. From this we conclude that the mathematical model was highly efficient  in cap‐turing  the  ability  of  performance  in  the  line  task  to  predict  total UPDRS,  and  could achieve this using a biologically informed set of hidden parameters.  

Page 5: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -5- UNITN  

Monitoring of the disease evolution, based on the discovery cohort (section 2.4.1) did not show significant variations when cohort 1 and cohort 2 where considered  in their entirety. However, a significant variation in Da was observed when the comparison was restricted to the subjects that carried out both the baseline and follow up test (hence comparing exactly the same cohort 18 months apart).  Concerning  the  Levodopa  use  case  (section  2.4.2)  no  significant  variations were  ob‐served in the 9 subjects of the Discovery cohort but significant variations were observed for Da and dis parameters between ON and OFF state for the surgical cohort. This may be related to the fact that the second cohort is more advanced (hence potentially big‐ger difference between ON and OFF  states) and  that  the  Levodopa challenge  for  the Discovery cohort was carried out with a less severe protocol (attenuated levodopa chal‐lenge, see D2.3).  Further use cases are described in described in section 2.5 (correlation of force and line test with many objective and clinical  indicators) and  in section 2.6  (use of the system for longitudinal monitoring, including the assessment of several interesting behavioural parameters over time, such as, error rates, peak speed, distractor and fatigue effects).  Technical validation activities are described in section 3. In particular section 3.1 studies the question whether 3 model parameters  (Da, dis and mpy) are  really necessary  for the  basal  ganglia modelling.  A model without  the mpy  parameter  has  been  studied showing that with only Da and dis, the model would fail to correlate with UPDRS score. Technical  assessment  of  the  line  test  and  of  the  Lumped model was  carried  out  in D6.2.1 (section 3) and not repeated here. Previous technical validation tasks (completed in D6.2.1) for the Lumped Model and for the Line Task computer/tablet implementations are referenced in section 3.2. An  alternative basal ganglia model  (which might be  the  core of  future extensions)  is evaluated in section 3.3. An explanation for the stepped trajectories (often observed in advanced PD) is given in section 3.4. The central argument in this explanation is related to the 4th model param‐eter “T”. This should be the movement time that adapts to the basal ganglia noisy out‐put  (by  reducing movement  speed). This adaptation  is  likely  to be  related  to  the  for‐ward models of movement within the cerebellum.  As the disease progresses and basal ganglia  function degrades,  it may be the case that the  forward model encoded  in the cerebellum can no longer learn how long the movement should take.  If the movement takes  longer  than  it  should  relative  to  the  cerebellar  forward model,  then  “T”  is  too small and the action tremor is the result (Fig. 27 and Fig. 28). The validation of  the oculomotor model  is given  in section 3.5. Section 3.6 deals with the modelling of antisaccades.  Section 4  finally deals with some studies of the  impact and usability of the NoTremor system. In particular section 4.1 reports a focus group study of the use of the line test tool and section 4.2 related human factors. 

Page 6: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -6- UNITN  

Table of contents 

Authors List......................................................................................................................... 2 

Executive Summary ............................................................................................................ 3 

List of figures ...................................................................................................................... 7 

List of tables ..................................................................................................................... 10 

List of abbreviations and acronyms ................................................................................. 11 

1 Introduction .................................................................................................................. 12 

2 Application and use of the NoTremor system .............................................................. 12 2.1 Cohorts summary ................................................................................................... 12 2.2 Final parameterized mathematical model for the line test .................................. 14 2.2.1 Parameterization of Parkinson’s Disease ........................................................ 15 2.2.2 Simulation of target reach movement ............................................................ 16 

2.3 Updated model fitting strategy and first findings ................................................. 18 2.3.1 Exploration of the parameter space ............................................................... 19 2.3.2 First findings: different types of fits. ............................................................... 20 2.3.3 Selection of the most plausible local minimum .............................................. 23 2.3.4 Computational issues ...................................................................................... 24 2.3.5 Accuracy of parameter fits .............................................................................. 24 

2.4 Correlation and Levodopa study (Oxford Discovery and Surgery cohorts) ........... 26 2.4.1 Changes over time ........................................................................................... 31 2.4.2 Acute Changes with levodopa ......................................................................... 33 

2.5  Statistical  and  correlation  analysis  for  force  and  line  tests  (Oxford  and Thessaloniki cohort) ..................................................................................................... 38 2.5.1 Force tests analysis ......................................................................................... 38 2.5.2 Correlation of force test features with the Hoehn & Yahr scale .................... 38 2.5.3 Line test correlation analytics ......................................................................... 42 

2.6 Longitudinal monitoring (Santa Chiara cohort) ..................................................... 45 2.6.1 Monitoring hidden brain states ...................................................................... 45 2.6.2 Use of the NoTremor platform for monitoring objective metrics. ................. 48 

3 Other technical validation activities ............................................................................. 54 3.1  Why  three  model  parameters  (investigation  on  the  number  of  model parameters) .................................................................................................................. 54 3.2 Technical validation of the line test and of the lumped model............................. 55 3.3 Multiscale modelling: alternative basal ganglia model ......................................... 55 3.4 Stepped trajectories as an emergent phenomenon.............................................. 57 3.5 Oculomotor model validation ................................................................................ 59 3.6 Modelling anti‐saccades in Parkinson’s Disease ................................................... 62 

4 Evaluation of the NoTremor platform (line test) .......................................................... 66 4.1 Focus group study .................................................................................................. 66 4.2 Human factors and impact assessment ................................................................. 68 

5 Conclusion ..................................................................................................................... 69 

6 Appendix 1 .................................................................................................................... 69  

Page 7: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -7- UNITN  

List of figures Fig. 1 The mathematical model for the line task.  Green boxes:  Nuclei of the basal ganglia modelled using second order delay differential equations.  Connections between them are labelled with their associated axonal  transmission delays.   Dark blue boxes:   Cortical nuclei.    Salience  input  is defined  in  FRin1  and FRin2.  Yellow and white boxes:  Minimum jerk optimal control model.  Light blue box: Limb plant model. ................................................................................................................................................................. 14 

Fig.  2  Simulation  of  one  target  reach  movement  for  a  healthy  subject,  compared  to  control  jr154 (simulated trajectory solid line vs. actual recorded trajectory in dotted line). .......................................... 17 

Fig. 3 Simulation of  the same subject  (jr154) with settings  that correspond  to a  fully Parinsonian basal ganglia ...................................................................................................................................................... 18 

Fig.  4  Simulation  of  the  same  subject  (jr154)  with  health  settings  and  no  distractor.  The  reaction anticipates of about 20 ms  in this example (the actual anticipation depends on the phase of the motor cortex at the time the salience is raised at the level of the movement. .................................................... 18 

Fig. 5 Location of good fits (blue dots) in the parameter space (see text for detailed explanations of sub charts). ..................................................................................................................................................... 20 

Fig. 6 Examples of good and ill conditioned fits (Top/Bottom). ................................................................. 21 

Fig. 7 Different types of fits. Each point represents a good fit for the Discovery cohort 1. The “dis” cluster is elongated parallel to the dis axis and shows clear correlation of mpy and Da with dis. The “mpy” cluster is a rounded cluster located at about mpy=0.6 and with very similar values of Da and dis. ...................... 22 

Fig. 8 Power spectra of the motor cortex P channel as predicted by the model for the centre of the dis cluster (left) and for the centre of the mpy cluster (right). Beta oscillations (and second harmonics) occur in the dis cluster. In the mpy cluster only the second harmonics is present. ............................................. 23 

Fig. 9 Fitting basal ganglia parameters for the Discovery cohort 1 (labels indicate the three digits of each patient ID). Subjects in red colour are related to lesser good fits. ............................................................. 24 

Fig. 10 Accuracy of parameter estimation. Arrows show the displacement of the fitting parameters when omitting on trial in the recorded tests (see text). ...................................................................................... 25 

Fig. 11 Comparison of  the  fitting  charts of a  subject with  large  variation  in  the estimated parameters reveal  that  the  removal of one borderline  trial may affect  the mean  trajectory enough  to  significantly alter the fits (here the mean trajectory was computed from 17 trials). .................................................... 26 

Fig. 12 A multiple linear regression model performed with all four model parameters and total UPDRS III score as the dependant variable was able to predict almost 40% of the variance in UPDRS. See Table 2 for further details of regression model (point labels identify the last three digits of the subjects IDs). .......... 28 

Fig. 13 Linear regression model performed with mpy and beta band LFP power as the dependant variable was able to predict two thirds of the variance in beta band power. ......................................................... 36 

Fig. 14 Boxplots of the force test results. Each row shows the differentiation between HY scale of each dataset  and one of  the  four  features  extracted  from  the  time  series analysis: mean,  stdev,  skewness, kurtosis. .................................................................................................................................................... 41 

Fig. 15 Monitoring of patient’s SC665 model parameters over  time. Top:  initial parameters on week 1. Bottom: final parameters on week 82 (grey dots represent the parameters of previous weeks). ............. 46 

Fig. 16 Evolution of Da (top) and dis (bottom) over 1,5 years for one subject. .......................................... 47 

Fig. 17 Evolution of error rates, peak speed and reaction time of one subject. ......................................... 48 

Fig.  18  Distribution  of  reaction  time  for  correct  and  incorrect movement  for  4  PD  subjects  (top  to bottom), without distractor (left) and with distractor (right). ................................................................... 49 

Fig. 19 Distribution of  reaction  time  for correct and  incorrect movement  for 4 healthy subjects  (top to bottom), without distractor (left) and with distractor (right). ................................................................... 50 

Fig. 20 Error rate vs. reaction time trade‐off for the PD subjects. Each dot represents the average reaction time  and peak  speed of  the  tests  carried out over one week  (together  the dots  represent  the whole 

Page 8: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -8- UNITN  

interval  of  observations  lumped  per weeks).  Distinction  between  tests  carried  out with  and without distractor  is made. The progression over  time  cannot be appreciated  in  this  type of  chart but  can be inferred from charts like Fig.16. ................................................................................................................ 51 

Fig. 21 Error rate vs. reaction time trade‐off for the healthy subjects. This chart com pares to the previous one. Healthy  controls performed  the monitoring  tasks  for are  fewer observation weeks  (because  they were less motivated). Hence there were fewer experimental points. ....................................................... 52 

Fig. 22 Effect of the distractor for the Parinsonians subjects. ................................................................... 53 

Fig. 23 Effect of the distractor for the Parinsonians subjects. ................................................................... 54 

Fig. 24 A model with only two BG parameters (dis and Da) does not fit the UPDRS score. ........................ 55 

Fig. 25 The NoTremor model incorporating the spiking basal ganglia. The components of the model to the right of the grey dashed line are identical to those in the rate‐coded line task model shown in Fig. 1. Here, the two channels, P and S are not explicitly shown. Interface populations exist to convert the rate codes which are present in the sensory cortex (Sctx) and motor cortex (Mctx) populations and to covert spikes in GPi into a rate code to input to Mctx. Within the 5 populations of the basal ganglia (coloured cyan), 60 Izhikevich  neurons  are  arranged  into  a  P  channel  and  an  S  channel.The  model  was  created  in SpineCreator,  with  a  SpineML  component  called  minjerk  implementing  the  minimum  jerk  model described in section 2.2. A version of the rate‐coded line task model was implemented in SpineCreator to verify  that  the  common  part  of  the model  (to  the  right of  the  grey  dashed  line)  produced  the  same results given by the Mathematica and MATLAB implementations. ........................................................... 56 

Fig. 26 Simulated peri‐stimulus time histograms of the responses in STN, two GPe populations and GPi for the spiking basal ganglia model. The graphs give mean firing rate based on the result of recording spikes from  30  neurons  (i.e.  one  channel)  over  100  simulations.  The  stimulus was  an  impulse  delivered  to Striatum, replicating the impulse used when training the rate‐coded basal ganglia model....................... 57 

Fig. 27 Hypothesised mechanism  for  the generation of action  tremor.  (Deterministic  rate model)   Left: Healthy  trajectory  (T=0.295).   Middle: Reducing  the  value of  the parameter  that  governs  the planned movement  duration  (T=0.245)  induces  instability  in  the  trajectory.  Right:    Rendering  the  model Parinsonian  but  leaving  T  at  its  healthy  value  (da=0,  dis=2,  mpy=1,  T=0.295)  increases  movement duration beyond the healthy value of T, resulting in a similar instability. ................................................. 58 

Fig. 28 Stepped trajectories  in the spiking model.   Column 1: Effect of reducing the planned duration of movement “T” (Healthy, T=0.35). Reducing T (T=0.25) gives rise to instability in the trajectory.  Column 2: GPi normalised  firing rate activity  in healthy model  (top) and Parkinsonian model  (bottom).   Column 3: Effect  of  reducing  dopamine  parameter  on  the  movement  trajectory  with  T=0.35.  In  PD  (bottom) insufficient  disinhibition  of motor  cortex  from GPi  yields  slowed movements.   Noise  from  the  highly active GPi gives rise to fluctuations in the trajectory. ............................................................................... 59 

Fig. 29 Latency to saccade onset for a horizontal saccade of 12°. Results for 6 different target luminance values  are  shown;  in  each  case  the  fixation  luminance  was  0.2  on  the  same,  arbitrary  scale.  The horizontal  axis denotes  the  gap between  fixation offset  and  target onset; negative  values  indicate  an overlap rather than a gap. A gap of 0 indicates a step paradigm. .............................................................. 60 

Fig. 30 Simulated saccade trajectory obtained by using EOM activations of the strand oculomotor model of Qi Wei as input to our model. ............................................................................................................... 61 

Fig. 31 Mean error rate. Each bar shows average error rate of 20 groups of eye movements.  Error bars show  average  standard  deviation.  Each  group  contains  50  individual  saccades.    For  an  anti‐saccade, subject  is  required  to move  away  from  the  presented  stimulus.    An  error  is  recorded  if  the  subject saccades  towards  the  stimulus.  Y‐axis  shows  proportion  of  saccades  that  were  recorded  as  errors (normalised).  See text for x‐axis label definitions. .................................................................................... 63 

Fig. 32 Mean reaction times.   Error bars show average standard deviation.   Top: Pro‐saccade.   Bottom: Anti‐saccade. 1000 eye movements, binned into groups of 50. See text for x‐axis label definitions.  Y‐axis is reaction time in milliseconds. ................................................................................................................ 64 

Fig. 33 Comparison between model (top) and data (bottom).  Data from Kitagawa et al. (1994).............. 65 

Fig. 34 Analysis of the cause of errors.  Top: Prefrontal cortex error.  Bottom: Pro‐saccade being initiated too quickly. ............................................................................................................................................... 65 

Page 9: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -9- UNITN  

 

   

Page 10: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -10- UNITN  

List of tables Tab.  1  Group  hidden  parameters  for  the  29  patients  in  the  first  test  campaign  recruited  from  the Discovery cohort. SEM is standard error of the mean. .............................................................................. 27 

Tab. 2 A multiple linear regression model performed with all four model parameters and total UPDRS III score as  the dependant variable was able  to predict almost 40% of  the variance  in UPDRS  (r2 = 0.376; F[4,24] = 3.619, p = 0.019). Data from 29 patients in the first test campaign. ........................................... 28 

Tab. 3 A multiple linear regression model performed on behavioural parameters extracted from the line task performance and total UPDRS  III score as the dependant variable. This was able to predict almost 40% of the variance in UPDRS (r2 = 0.367; F[5,23] = 2.663, p = 0.049). Data from 29 patients in the first test campaign. .......................................................................................................................................... 29 

Tab. 4 A multiple linear regression model performed with all four model parameters and total UPDRS III score as  the dependant variable was able  to predict almost 50% of  the variance  in UPDRS  (r2 = 0.476; F[4,19] = 4.319, p = 0.012) when the five values  in the mpy cluster were excluded (giving data from 24 patients from the first test campaign)....................................................................................................... 31 

Tab. 5 Group  hidden parameters  for  the  12 patients  in  the  second  test  campaign  recruited  from  the Discovery cohort about 18 months following the first test campaign. ...................................................... 31 

Tab. 6 Group hidden parameters for the seven patients who performed the line task at enrolment  in to the Discovery cohort and again ~18 months  later  (mk229, pdsjr432,  jr 434,  jr 441,  jr 464,  jr 436 and  jr 469). Embolded estimates are significantly different. ............................................................................... 32 

Tab. 7 Group hidden parameters  for  the nine patients who performed  the  line  task  in  the second  test campaign  both  off  and  on  levodopa. Da was marginally  lower  off  levodopa,  but  none  of  the  hidden parameters  differed  significantly  between  the  treatment  conditions.  (jr018,  jr030,  jr434,  jr441,  jr457, jr459, jr460, jr464, jr469) .......................................................................................................................... 33 

Tab. 8 Group hidden parameters for nine post‐surgical patients who performed the line task both off and on levodopa. Da was lower off levodopa. Da was significantly increased and dis decreased on medication. ................................................................................................................................................................. 34 

Tab. 9 A multiple  linear  regression model performed with all  four model parameters and average beta band (15‐35 Hz) power at rest OFF medication as the dependant variable was able to predict 90% of the variance in UPDRS (r2 = 0.933; F[4,8] = 14.002, p = 0.013). ....................................................................... 35 

Tab. 10 Datasets performed force tracking test. ....................................................................................... 38 

Tab. 11 Hypothesis testing results of Thessaloniki Cohort 1. ..................................................................... 39 

Tab. 12 Hypothesis testing results of Thessaloniki Cohort 2 ...................................................................... 39 

Tab. 13 Hypothesis testing results of Oxford Cohort ................................................................................. 40 

Tab. 14 Description of some clinical parameters used for correlation analysis of experimental data. ....... 44 

Page 11: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -11- UNITN  

List of abbreviations and acronyms 

(in alphabetic order) 

 

BG  Basal ganglia CPU  Central Processing UnitDa, dis, mpy, T,    Parameters of the mathematical model DAE  Differential algebraic equationDE  Differential Evolution minimization algorithm DOF  Degree of freedomDoW  Description of Work EMG  ElectromyographyEOM  Extra ocular muscle 

EU  Europena Union GUI  Graphical User Interface GPi, GPe  Globus Pallidus (interior/exterior)HMI  Human Machine Interaction LFP  Local  Field  Potentials  (measurements  of  electric  activity with 

electrodes implanted in the basal ganglia) NM  Nelder‐Mead minimization algorthmON  Levodopa challenge. Normal state of medicament. OFF  Levodopa challenge. State with deprivation of medicament. PD  Parkinson’s Disease SA  Simulated Annealing minimization algorithmUI  User InterfaceUPDRS (3, III)  Unified Parkinson’s Disease Rating Scale (third scale)                                                    

 

 

   

Page 12: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -12- UNITN  

1 Introduction   This deliverable (D6.2.2) deals with the validation of the NoTremor system under sever‐al complementary aspects, and is thus the focal point of the project.  The NoTremor system is essentially made of the following (main) components:  

a) A  parametric mathematical model  capable  of  linking  internal  (altered)  brain 

connections (in particular in the Parkinsonian basal ganglia) to observable motor 

behaviour. 

b) Computerized measurement  tools  (in particular a  tablet based «line  tracking» 

test) to measure the motor behaviour of human subjects. 

c) A set of algorithms that estimate the mathematical model parameters (e.g., the 

internal altered connections in the BG) that fit the measured behaviours. 

d) Additional  algorithms  that  derive metrics  from  the  recorded  tests  (e.g.,  error 

rates, peak movement speed, reaction times, etc.) that complement the internal 

states estimated by steps a‐b‐c. 

e) A visual analytics platform that allows collecting, organizing, presenting and ex‐

ploring measurements and correlations, for use by clinicians. 

The validation of NoTremor has been carried out with the following tasks:  T6.3, which  deals with  the  individual  study  and  assessment  of  the  above NoTremor components. T6.1, which deals with the actual use of the system on 4 different cohorts of patients and  control  subjects,  in  order  to  assess  the  functionality  of  the  measurement  –parameters  estimation workflow  and  to  correlate  the  estimated  internal  parameters with objective metrics and clinical data. T6.2, which deals with using the system to estimate the variations that  likely occur  in‐side the Parkinsonian BG, between ON and OFF state (the Levodopa Challenge), to un‐derstand which model parameters better describe the effect of dopamine (dopaminer‐gic parameters) and which describe longer‐term synaptic modifications.  This  document  is  structured  in  a  way  to  emphasize  the  novel  and  most  valuable achievements (thus, aspects that have been sufficiently described in previous delivera‐bles, including assessments completed in D6.2.1, are not described again).  The following sections present the three WP tasks, and, while doing this, the main novel achievements (not presented in previous deliverables) are explained.  

2  Application and use of the NoTremor system 

2.1 Cohorts summary 

The NoTremor  system  has  been used with  4  different  cohorts,  each  focused  on  the evaluation of different aspects and potential uses. 

Page 13: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -13- UNITN  

Here the 4 cohorts are summarized. We will refer to these cohorts later, when present‐ing various aspects of the evaluation.  

1) The “Discovery” cohort  is a subset of a  long‐term clinical study of early Parkin‐

son’s disease  subjects, on‐going  in  the UK. This  cohort  is divided  in  two  cam‐

paigns.  

a) The Discovery cohort 1, comprises 29 PD subjects ON,  i.e. taking their usual 

dopaminergic medication  (originally 31 subjects, but one opted out of  the No‐

Tremor  study  and  one  was  later  diagnosed  as  having  a  different  disease  ‐

Multiple System Atrophy) and 3 healthy subjects of similar age (another subject, 

that was used to calibrate the parameters of the control model  is  included  for 

technical verification). A few of these subjects were tested again in cohort 2 (see 

next). 

b) The Discovery cohort 2, comprises a total of 21 PD subjects (after exclusion of 

3), of whom 9 subjects carried out the Levodopa challenge test performing as‐

sessments  following overnight withdrawal of  levodopa medication  (OFF) and 1 

hour  following  their  usual medication  (ON;  4  of which  are  follow up)  and  12 

tested only in the ON medication state (of which 3 are follow up). 

 

In summary, the Discovery cohort comprises 50 subjects (after 3 omissions), of 

whom 7 were  seen at baseline and 18 months  later and 9 carried out assess‐

ments in the OFF and ON state (During Levodopa challenge). 

The Discovery cohort  inherits from the Discovery UK study a rich set of clinical 

assessments, which make  these  subjects well  suited  to  carry  out  correlation 

studies between the clinical parameters, the model parameters and the objec‐

tive metrics that can be also derived from the tests. 

 

2) The  “Surgery” cohort is a cohort of people that had electrode implantation dur‐

ing Deep Brain Stimulation  (DBS)  for  their complex phase Parkinson’s disease. 

The electrode was used to record LFP signals synchronized with the execution of 

the  line and  force  test.   There are 13 subjects  that carried out  the  line  test of 

which 10 carried out the test also  in the OFF state. There are 8 more subjects 

that carried out only the force test. 

 

3) The “Thessaloniki” cohort is a cohort that carried out a battery of computerized 

tests (line, force, Fitts, rest and postural tremor, gait, etc.). As for clinical data, 

only the Hoehn and Yahr grade is available in this case.  The cohort is divided in 

two campaigns. 

a) Thessaloniki cohort 1 with 43 subjects and 10 controls. 

b) Thessaloniki cohort 2, with 6 controls and 37  subjects  (of which 24  follow 

up). 

 

Page 14: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -14- UNITN  

4) The “Santa Chiara” cohort is a longitudinal study, using the line test for frequent 

(daily) monitoring  at  home.  The  study  involved  4  PD  subjects,  4  healthy  age 

matched  controls, 2  controls with  a different disease  and  some other  short‐

term  technical controls. The observation periods span  from a  few months  (for 

controls) to nearly a couple of years for two of the PD subjects.  

2.2 Final parameterized mathematical model for the line test 

The mathematical model  for  the  line  test  is  the most  important of  the models devel‐oped by NoTremor. This model has been described (with the others) in previous deliv‐erables (mainly D3.2 and D4.1) and was illustrated in project review 2. The model provides a multi‐scale description of the perception‐action  loop  in the  line task. For the readers’ convenience, its block diagram summarized in Fig. 1 (note the de‐tailed modelling of the basal ganglia nuclei).    

  

Fig. 1 The mathematical model for the line task.  Green boxes:  Nuclei of the basal ganglia modelled us‐ing second order delay differential equations.  Connections between them are labelled with their asso‐ciated axonal transmission delays.  Dark blue boxes:  Cortical nuclei.  Salience input is defined in FRin1 and FRin2.  Yellow and white boxes:  Minimum jerk optimal control model.  Light blue box: Limb plant 

model. 

 In  particular,  the  mathematical  model  describes  the  competition  between  two  af‐fordances  (moving  onto  the  target  vs. moving onto  the distractor) by means of  two channels (move left vs. move right, labelled as P and S in the block diagram). These two channels compete in the BG, which (should) select one and ultimately (should) gate the output of the motor cortex of the target and suppress the output related to moving to‐wards the distractor (left channel and right channel output of Pmctx and Smctx in Fig.1). 

Page 15: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -15- UNITN  

2.2.1 Parameterization of Parkinson’s Disease 

The definition of the model parameters that describe individual patients has been car‐ried out with several iterations. The main goal was to define a minimum set of adjusta‐ble parameters that can: a) span the set of observed motor behaviours in both healthy and Parkinsonian basal ganglia and b) replicate the oscillatory activity that has been ob‐served in healthy basal ganglia, and the changes that occur to those patterns of oscilla‐tions with the advance of Parkinson’s Disease.  In particular, the work carried out at USFD ended up with the definition of a generic PD model that replicates the following features of PD:   

1) TA and TI GPe populations oscillate  in anti‐phase with each other at beta  fre‐

quencies.  

2) Different  channels  oscillate  in  phase,  reflecting  pathological  synchrony,  giving 

rise to the increased beta power seen in the LFP of PDs.  

3) The motor cortical activity of  the primary channel  is  reduced and delayed  (in‐

creased latency to movement and slowed movement). The motor cortical activi‐

ty  of  the  secondary  channel  is  suppressed  later  (and may  even  not  be  sup‐

pressed completely). 

4) Beta power at rest is increased (presumably contributing to rigidity). 

5) Beta  power  during  preparation  phase  is  reduced  (presumably  contributing  to 

postural instability). 

The model has been finalized for WP6 with the specification of a number of its parame‐ters that are allowed to vary, for fitting individual patient’s observations. The model has the following parameters that can be varied to represent the progression of Parkinson’s Disease:  

a) Three parameters for the Basal Ganglia: 

‐ Da, which models the effect of dopamine as a modulation of the  input to the 

two striatal populations (str1 increases and str2 decreases). Da ranges from 0.3 

(health) to 0.05 (“complete” PD). 

‐ dis, which models the compensatory increase of several connections strengths 

within the basal ganglia, which is known to happen in PD. 

‐ mpy, which models a differentiation of  the  input  connection  strengths of Ti 

and Ta neurons. 

Overall dis and mpy are expected to model some  longer‐term variations  in the 

connections strengths of the basal ganglia, whereas Da should describe the ef‐

fect of dopamine  (including short  terms effects).  It  is highly probable  that  the 

many  parameters  that  are  changed  by  both  dis  and mpy  in  fact  vary  inde‐

pendently of each other.   However, allowing all parameters  to be  fitted  inde‐

pendently would lead to over‐fitting the model due to the relative scarcity of da‐

ta with which to constrain these parameters.  It should therefore be noted that 

Page 16: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -16- UNITN  

these  lumped  parameters  are  approximations  of  what  we  believe  are  likely 

changes that occur in the Parkinsonian brain. 

 

b) One parameter for the motor planning: 

‐  T,  is  the  intended  (at  planning  time)  duration  of  the  movement  (i.e.,  the 

movement time of the motor primitive). Initially we attempted not to include T 

in the set of tuneable parameters, but the model was not at all able to  fit the 

observed trajectories, which show large variations in movement time and speed 

(in other words Da, dis and mpy alone were not able to produce all the move‐

ment  speeds observed). The parameter T was  then  included  in  the model. As 

this document will show below for the Santa Chiara cohort, people can voluntar‐

ily change the duration of the movement; however forcing shorter movements 

results  in an  increase of error rates. We can  therefore postulate  that T  (which 

strictly speaking  is not a BG parameter and is not expected to be directly  influ‐

enced by dopamine loss) changes because the cerebellum and brainstem adapts 

the movement time to obtain some preferred (possibly personal) trade‐off be‐

tween movement time and error rate. That means that T is adapted to the level 

of noise that results from the altered BG in PD. As a matter of fact, when T was 

included  in  the  tuneable  parameters,  fits  of  good  quality  were  possible. 

 

c) One parameter describing sensorimotor delay: 

‐ ,  the  reaction  time  (target  jump  to movement onset) has been  included  in 

the tuneable parameters, not because the purpose was to estimate it (it can be 

measured in the experimental trajectories) but because of the need to allow fi‐

ne temporal alignment between the simulated and recorded trajectory. 

2.2.2 Simulation of target reach movement 

Before introducing the fitting strategy, it is worth analysing how the model can be used for simulation and what kind of predictions the model gives.  The model  is used  to  simulate  the  initial  rest phase,  the  following preparatory phase (where the salience for both possible target  locations  is raised to alert  levels) and the actual movement phase where the salience for the target  is set to the maximum  level and that for the distractor (if present) is set to a somewhat lower, but still high, level (or set to the rest level if there is no distractor).  Fig. 2 compares  the  simulation with  the basal ganglia parameters of healthy  subjects ( 0.3, 1, 0) to the recorded execution of one healthy control (jr154). The simulated trajectory is shown in solid green and the recorded one in dotted green. For  this  comparison,  the movement  time  (parameter  “T”)  in  the  control block of  the model has been adjusted  to match  the  subject actual movement  time. However,  the connection strengths in the BG have the baseline values for the healthy instantiation of the model. Comparing the two curves, it is clear that for a healthy subject it is sufficient to adapt T to already get a fairly good fit. 

Page 17: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -17- UNITN  

In  the  simulation of  Fig. 2  the  rest phase  takes place before  t=0.5s. The preparatory phase between 0.5 and 1  s and  the movement phase after  t=1s  (the  target  step oc‐curred before t=1s: at t=1 s the reaction time is elapsed). The  figure also plots  the motor cortex oscillations  (P channel and S channel). At  rest, there is no oscillation (in the healthy subject); in the preparatory phase, anti‐phase os‐cillations build up at beta frequency (the purpose of which is to prepare the motor sys‐tem for a quicker movement when a decision is finally taken). Finally, the movement is obtained by suppressing the distractor channel and releasing the target channel (t>1s).   

 

Fig. 2 Simulation of one target reach movement for a healthy subject, compared to control jr154 (simu‐lated trajectory solid line vs. actual recorded trajectory in dotted line). 

 In a healthy subject  the preparatory phase  is efficient and  the  release/suppression of the target/distractor channel  is quite  fast and complete. Hence the movement  is  fast. However, following the modelling assumptions that have been discussed above, we can imagine how the same subject would behave in case of PD. For this virtual experiment, we set the basal ganglia parameters to the values that describe a Parkinsonian patient ( 0.05, 2, 1). As  shown  in  Fig. 3  the  resulting movement  is  slower and delayed. The reason for  increased delay  is that the gating of the P channel occurs later (compare the P channel curves in the two figures). The reason for reduced speed (even without changing T) is because the gating of the P channel is incomplete. The an‐tagonistic channel (S channel)  is fully suppressed  in this example. However, there may be cases where the S channel is not completely suppressed. If this happens the move‐ment stops before  the  target  (we argued  that  this might be  the reason  for extremely stepped trajectories that are observed in more advanced PD).   In the simulation below it has also to be noted that oscillations appear in the rest phase (where there are no oscillations in the healthy subject) and no oscillations occur in the preparatory phase (where there is beta in the healthy subject). However, Fig. 3 is an ex‐treme example. For less extreme settings of Da, dis and mpy, reduced and in phase os‐cillations still occur at the preparatory phase (and at rest).  

Page 18: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -18- UNITN  

 

Fig. 3 Simulation of the same subject (jr154) with settings that correspond to a fully Parinsonian basal ganglia 

 Another virtual experiment of interest is simulating the effect of the distractor. Experi‐mental data  (see below) show  that  the reaction  time  increases about 40 ms with  the distractor. To simulate the response of a healthy subject without distractor, the level of salience of the secondary channel is set to the rest level (no stimulus) in the movement phase. The following Fig. 4 shows the results of such a virtual experiment. In this exam‐ple the movement anticipation  is about 20 ms (the exact anticipation depends on the phase of the P channel cortex when the salience steps and may vary for the same sub‐ject). Other subjects may show  larger simulated anticipation closer to the average ex‐perimental value of 40 ms.   

 

Fig. 4 Simulation of the same subject (jr154) with health settings and no distractor. The reaction antici‐pates of about 20 ms in this example (the actual anticipation depends on the phase of the motor cortex 

at the time the salience is raised at the level of the movement. 

 

2.3 Updated model fitting strategy and first findings 

The fitting strategy that was developed with the prototypical Lumped model, had to be substantially updated  for use with  the parameterized mathematical model of  the  line task. In fact, the global optimization algorithms that worked with the Lumped model did not work satisfactorily with  the parameterized model of  the  line  task  for various  rea‐sons:  

a) The parameters dis and mpy tend to have similar and opposite effect to Da (this 

is because dis and mpy vary to compensate Da), and Da and T have similar ef‐

fects; therefore the objective function that represents the distance between the 

Page 19: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -19- UNITN  

experimental and simulated trajectory tends to form wide and quite flat valleys, 

at least for some subjects. 

b) During  the  optimizations  search,  the  variation  of  the  parameters  affect  the 

phase of the motor cortex channels at the time salience steps up. Hence, small 

variations of the model parameter during search can result in locally slightly bet‐

ter or worse fits and the objective function close to the optimum tend to be un‐

dulated with many  local minima  that  are  almost  equal.  It  is  unclear whether 

there actually are many local minima or the bottom of the objective function is 

meander‐like. The net effect anyway is that any gradient descent algorithm does 

not  work  and  non‐gradient  local  minimization  algorithms  (such  as  e.g.  the 

Nelder‐Mead) tend to stick on one of these local minima. 

c) The computation time for one simulation such as shown in Fig. 3 above is about 

30 s for a fast CPU (an i7 processor at 3 GHz) for standard integration accuracy. 

The accuracy goal for the integration of the system of equations has thus been 

reduced  to  lesser digits, which allowed  the  integrator  to  take  larger  steps,  re‐

ducing the time needed  for one simulation to about 8 s CPU. However the re‐

duced accuracy causes some numerical noise that contributed to the irregularity 

of the objective function close to the minimum. 

We  initially  tested  two  global optimization approaches  Simulated Annealing  (SA) and Differential Evolution  (DE) but neither of  the  two worked satisfactorily. SA  required a very large number of  iterations and tended to stick anyway in one of the local pseudo minima. DE ran 48 hours for one fit, after which  it was stopped and was still far from the convergence. 

2.3.1 Exploration of the parameter space 

The solution to the above issues was thus to use a robust local minimization algorithm (Nelder‐Mead, NM) to explore the parameter space starting from a regular grid of initial points (an idea somewhat inspired by the Random Search methods where local minima are found starting from random guess points to finally select the best; but in our case, we opted for a regular grid of starting points). One example of this strategy is shown in Fig. 5. The three top panes show projections of the parameter space on the dis‐mpy, dis‐Da and dis‐T parameters. The light grey cross‐es mark the grid of guess starting points: a small simplex was built around each of them to start the NM algorithm which then moved down hill to the nearest local minimum.  The blue dots represent very good minima and, in particular, the point circled by red is the best of them and the point circled by brown is the second best. The green dots and the yellow dots are other points where the NM algorithm stopped, but they are related to local minima that are not as good as the blue ones. Overall the charts give an  indication of the shape of the objective function valleys (an information that would be  lost with SA and DE methods). Also, the spread of the blue dots, or the distance between the best and second best point, indicate whether the fit‐ting problem  is more or  less  ill  conditioned.  In  this example,  some uncertainty exists 

Page 20: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -20- UNITN  

among  the blue dots and,  in particular,  the best solution  (labelled 1131)  is somewhat apart from the second best (labelled 100). The  rest of  the panes  in Fig. 5  show  the value of  the objective  function  for  the best point on a linear scale (bottom left), the experimental and fitting trajectory with anno‐tated  fitting parameters and position  (x) and velocity  (v)  residuals, and  the  individual trajectories that were averaged. The inspection of the individual trajectories gives some insight concerning variations in execution, and whether stepped trajectories happened. The subject UPDRS 3 score is annotated in the top left chart.  In  some cases,  the  fit  is better conditioned  than above,  for example,  in Fig. 6  top.  In other cases, the fit is however very ill conditioned, such as, e.g., in Fig. 6, bottom.   

  

Fig. 5 Location of good fits (blue dots) in the parameter space (see text for detailed explanations of sub charts). 

 

2.3.2 First findings: different types of fits. 

The latter example (Fig. 6, bottom) shows the existence of two clusters of local minima, which are two separate valleys in the objective function.  One cluster runs somewhat elongated parallel to the dis axis, with small values for the mpy  parameter.    The  other  cluster,  somewhat  round,  is  located  near  dis=1.2  and mpy=0.6.  In the following, the former cluster (the one elongated parallel to the dis axis) will be referenced as the “dis” cluster. The latter cluster, the one centred at about dis=1.2 and mpy=0.6 will be referenced as the “mpy” cluster.   

                                                       1  Labels  ijk  indicate  the  guess  point  that  originated  the  solution with  the  following  coding:  Da=0.1i, dis=1+0.1j, mpy=0.1k. 

Page 21: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -21- UNITN  

  

  

Fig. 6 Examples of good and ill conditioned fits (Top/Bottom). 

 Considering the meaning of the dis and mpy parameters (section 2.2.1) and in particular that they represent two different types of alteration of the connection strengths in the basal ganglia, one can conclude that the two clusters represent two different arrange‐ments of the internal connections that “might” deal with disease compensation. However,  the  fact  that  the model  predicts  two  different ways  in which  connection strengths can be altered to fit the observed trajectories does not necessarily mean that both represent real situations or configurations that are really realized or that both are valid for PD.  Fig. 7 shows all  the good  local minima of  the Discovery cohort 1  (all  the blue dots of charts like Fig. 6). The two clusters are now shown with filled and empty circle symbols.  For  the dis cluster a clear correlation  is observed between dis and Da  (Fig. 7, bottom left), which means  that  the  increase  in connection  strength  (dis) and  the decrease of dopamine (Da) are correlated, which might be somewhat expected during the progres‐sion  of  the  disease. With  this  interpretation,  the  disease moves  from  dis=1, mpy=0, 

Page 22: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -22- UNITN  

Da=0.3 along the main axis of the dis cluster. Also, as dis increases, mpy increases too, but only slightly.   

  

Fig. 7 Different types of fits. Each point represents a good fit for the Discovery cohort 1. The “dis” clus‐ter is elongated parallel to the dis axis and shows clear correlation of mpy and Da with dis. The “mpy” 

cluster is a rounded cluster located at about mpy=0.6 and with very similar values of Da and dis. 

 The  interpretation of  the mpy  cluster  is more problematic.  First because  there  is no clear correlation between  the  three basal ganglia parameters  (the cluster  is  rounded) which is against the idea that the disease evolves; and second because the cluster is not connected to the healthy state (dis=1, Da=0.3, mpy=0) so that one should assume that this  cluster  is  reached  very quickly  in  the  evolution  of  the  disease which  then  stops there. It might be that this cluster  is an artefact of the way the  lumped parameters, dis and mpy, have been defined.  Alternatively,  it may represent a state other than PD. As yet we have no definite answer  to  this question. On‐going experimental work on  the di‐chotomous organisation of  the GPe may help  to address  this question  in  the near  fu‐ture.  It would be necessary to map the trajectory of the parameters of many patients for  sufficiently  long  time  in order  to better understand how  the disease evolves and whether mpy  is part of Parkinsonian trajectories (while this  is not possible for the No‐Tremor cohorts, the NoTremor projects have provided tools for doing this).   A contribution to this question may be given in Fig. 8, where the power spectra of the motor cortex oscillations (P channel) is compared for the centre of the dis cluster (left) and the centre of the mpy cluster (right). In the mpy cluster there is no power in the be‐ta band, which also suggests that the mpy cluster is not related to PD. 

Page 23: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -23- UNITN  

    

Fig. 8 Power spectra of the motor cortex P channel as predicted by the model for the centre of the dis cluster (left) and for the centre of the mpy cluster (right). Beta oscillations (and second harmonics) oc‐

cur in the dis cluster. In the mpy cluster only the second harmonics is present. 

 

2.3.3 Selection of the most plausible local minimum 

Given  a  collection  of  local minima,  resulting  from  the  exploration  of  the  parameter space, e.g., such as Fig. 5, they can be considered as candidates for the model parame‐ters of the subject. It is then necessary to select the most plausible point.  The obvious choice of taking the global minimum might not be the best choice though. That is because the minimized objective function does not include terms related to oth‐er  (not observable)  internal variables. For example,  the  internal potentials will not be accessible  in the  intended use of the NoTremor system. Hence, by fitting only the tra‐jectory, terms that could further restrain the solution are missing, and we are left with a number of almost equivalent trajectory fits.   The method for the selection of the most plausible fit is described below (which is the final result of several trials and errors).   

1) First, the points that correspond to good fits are clustered. For example,  in the 

case of Fig. 6 bottom, two clusters would be obtained. These clusters aim at col‐

lecting all the points that belong to a same objective function basin. 

2) The centroid of each cluster is computed. 

3) The centroid that  lies closer to the dis cluster (Fig. 7)  is selected. By doing this 

we exploit the a priori expectation that fits will fall  in the dis cluster and, also, 

we tend to reject points of the mpy cluster, which are unlikely given the above 

considerations. Note however that  if no candidate point falls  in the dis cluster, 

points of the mpy cluster are still considered as a last resource (this might be the 

case of patients that cannot be fitted in the dis cluster, because, e.g., they might 

have a different disease). 

4) The candidate point closer to the selected centroid is then selected as the most 

plausible fit. This exploits the expectation that a good fit is close to the centre of 

the basin it belongs and, also, by taking a point near the centre of the basin we 

are likely to reduce errors as this point minimizes its distance to all other points 

of the same basin. 

Page 24: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -24- UNITN  

   

    

Fig. 9 Fitting basal ganglia parameters for the Discovery cohort 1 (labels indicate the three digits of each patient ID). Subjects in red colour are related to lesser good fits. 

 

2.3.4 Computational issues 

The NM algorithm requires approximately 100‐300 iterations to find the local minimum nearest to one of the guess points of the grid, which translates to approximately 15‐30 minutes of CPU. After some attempt the grid of initial search points has been located at 

1.1, 1.3, 1.5, 1.7, 1.9, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 0.2, 0.1 ,  which  makes about 50  search points. Combinations with  2.2 were often omitted be‐cause they were not necessary in the cohorts under study. This reduced the number of grid points to a typical value of ~40. The CPU time for fitting one subject was, on aver‐age, about 12‐14 hours.  By using parallel computation on a 4 cores CPU the time required to fit for example the whole Discovery cohort 1 is about 8 full days (or two week overnights).  Multiple computers were used  to  further parallelize  the work but anyway,  the  limita‐tion was that any modification (for example to the model or to data pre‐processing or to the objective  function to be optimized) that required refitting would have given an answer in a couple of weeks. Hence the number of variations that could be tested con‐cerning the mathematical model or the objective function or any regularization term in the objective function was necessarily limited. 

2.3.5 Accuracy of parameter fits 

In order to have an indicative estimation of the errors that might occur in the parame‐ter estimation procedure a second fitting procedure has been run on the Discovery co‐hort 2 while randomly dropping one of the recorded steps per test. That simulates the possibility  that  one  of  the  many‐recorded  executions  forming  the  mean  trajectory might have been not observed (this is a simplification to the random pooling of a given number of events from a population of events2). The advantage of this approach is that the whole chain, measurement to fitting param‐eters, is tested, so that a holistic comprehensive estimate of the errors can be obtained. 

                                                       2 Developing a complete random pooling accuracy estimation would have required repeating the fitting procedure many times, which was not affordable given the computation times described above. 

124

188

431

433

434

435439

441

443

445

469

185

225

227228

229131

179

224

122

432

436442462

463

464

226

172 178

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8- 0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

dis

mpy 124

188

431

433

434

435

439441

443

445469

185

225

227

228

229

131

179

224

122

432436

442462

463

464226

172

178

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8- 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

dis

Da

Page 25: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -25- UNITN  

The result of this analysis reveals that there are ill conditioned cases (but also cases that are better conditioned). Overall the level of noise is not small. The main reason for the nosy  is  that  the number of averaged  trials was necessarily  limited. Typically  subjects carried out two‐line  test  (each  lasting 2 minutes) as part of a much  longer clinical as‐sessment.  In a different scenario, such as  remote monitoring at home, a much  larger number of trials can be averaged (see section 2.6 for an assessment of how much the noise can be reduced in continuous monitoring scenarios).    

      

Fig. 10 Accuracy of parameter estimation. Arrows show the displacement of the fitting parameters when omitting on trial in the recorded tests (see text). 

 Fig. 1 shows the displacement of the fitting parameters when omitting one trial  in the two‐recorded test. The subject with the largest variation in the estimated parameters is mk188. It is interesting to look at the fitting charts of this subject (Fig. 11) because they can help understanding why the parameter estimation vary. In particular, the compari‐son  shows  that one borderline  trajectory happened  to be dropped between  the  two fits. That had a  large  impact on the mean trajectory (that was computed by averaging only 17 trials). As a general conclusion, a larger number of trials (such as when using the system for monitoring) should be used, and may help reducing the fitting noise.   

436

013

118

229

069099327

432164

174

176

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0- 0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

dis

mpy

436

013

118

229

069

099327

432164

174

176

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0- 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

dis

Da

Page 26: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -26- UNITN  

 

  

Fig. 11 Comparison of the fitting charts of a subject with large variation in the estimated parameters reveal that the removal of one borderline trial may affect the mean trajectory enough to significantly 

alter the fits (here the mean trajectory was computed from 17 trials). 

 

2.4 Correlation  and  Levodopa  study  (Oxford Discovery  and  Surgery  co‐horts) 

The data presented here were those from the Discovery cohort that were available for analysis. The parameters of the mathematical model derived  from  fitting the  line test data are summarised in the table 1.  

Page 27: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -27- UNITN  

 

Hidden Parameter

Mean  SEM 

Da  0.190 0.018

dis 1.151 0.033

mpy 0.156 0.039

T  0.679 0.050

Tab. 1 Group hidden parameters for the 29 patients in the first test campaign recruited from the Dis‐covery cohort. SEM is standard error of the mean. 

 

These  parameters were  tested  for  their  ability  to  predict  the  total motor UPDRS  III scores within the same (first test campaign) cohort, by way of validating the model and its utility. The total motor UPDRS III score was selected as (statistical) prediction of this based on manual performance in a single, simple task would be a challenging test of our approach. The UPDRS  III  is  the most  regularly used  instrument  for  the assessment of PD, and is regularly used in the clinic and in studies to evaluate the presence, severity, progression and  treatment of PD  symptoms. However,  the UPDRS  takes  time  to per‐form,  involves  trained clinical staff,  is not objective and  is difficult  to  repeat with any frequency due  to  its  investigator and  location dependency. Thus, should analysis of a simple  test  that can be easily and regularly performed at home, provide  reliable esti‐mates of UPDRS scores this would be of considerable value to the clinical and research communities in the field. Strikingly, a multiple linear regression model performed with all four model parameters and total UPDRS III score as the dependant variable was able to predict almost 40% of the variance in UPDRS (r2 = 0.376; F[4,24] = 3.619, p = 0.019; Fig 12). As a benchmark, this is similar to the value of the FDA and EU approved Parkin‐son’s Kinetigraph (PKG; GlobalKinetics Corporation) in predicting UPDRS scores, except such accurate prediction with the  latter device requires 10 days of continuous record‐ing.3   

                                                       3 Griffiths RI, Kotschet K, Arfon S, Xu ZM, Johnson W, Drago J, Evans A, Kempster P, Raghav S, Horne MK. 

Automated assessment of bradykinesia and dyskinesia in Parkinson's disease. J Parkinsons Dis. 2012;2:47‐55.  

Page 28: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -28- UNITN  

 

 

Fig. 12 A multiple linear regression model performed with all four model parameters and total UPDRS III score as the dependant variable was able to predict almost 40% of the variance in UPDRS. See Table 2 for further details of regression model (point labels identify the last three digits of the subjects IDs). 

Tab. 2 A multiple linear regression model performed with all four model parameters and total UPDRS III score as the dependant variable was able to predict almost 40% of the variance in UPDRS (r2 = 0.376; 

F[4,24] = 3.619, p = 0.019). Data from 29 patients in the first test campaign. 

 As can be seen from table 2, Da, dis and mpy made significant contributions to the line‐ar regression model and T trended  in this direction. Note that Da and dis had the big‐gest effect and that  increases  in both were associated with decreases  in UPDRS. A re‐gression model without T was also significant, but captured less of the variance  in UP‐DRS (r2 = 0.284; F[3,25] = 3.202, p = 0.037).  The linear regression performed with all four model parameters and total UPDRS III as the dependant variable was not bettered by a linear regression model based on multi‐

122

124

188

431

432

433

434

435

436

439

441442

443

445

462 463

464

469

185225

226227

228

229

131

172

178

179

224

0 10 20 30 40 500

10

20

30

40

50

UPDRS III

PredictedUPDRSIII

 

 

Model 

Unstandardized Coeffi‐

cients 

Standardized 

Coefficients 

t  Sig. B  Std. Error  Beta 

1  (Constant)  86.809 18.842   4.607  .000 

Da  ‐78.045 26.857 ‐.849 ‐2.906  .008 

dis  ‐53.037 16.236 ‐1.035 ‐3.267  .003 

mpy  27.671 8.595 .653 3.220  .004 

T  14.803 7.848 .441 1.886  .071 

 

Page 29: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -29- UNITN  

ple behavioural parameters extracted from the same line task performance (r2 = 0.367; F[5,23] = 2.663, p = 0.049; table 3).   

Coefficients 

Model 

Unstandardized Coeffi‐

cients 

Standardized 

Coefficients 

t  Sig. B  Std. Error  Beta 

1  (Constant)  8.899 20.353   .437  .666 

RT SD  ‐67.956 52.932 ‐.500 ‐1.284  .212 

PK Speed  10.237 4.485 .728 2.283  .032 

SD  of  PK 

Speed  ‐29.467 12.966 ‐.610 ‐2.273  .033 

Time of PK 

Speed ‐13.152 19.867 ‐.206 ‐.662  .515 

SD  of 

Time of PK 

Speed 

148.495 54.867 1.322 2.706  .013 

 

Tab. 3 A multiple linear regression model performed on behavioural parameters extracted from the line task performance and total UPDRS III score as the dependant variable. This was able to predict al‐most 40% of the variance in UPDRS (r2 = 0.367; F[5,23] = 2.663, p = 0.049). Data from 29 patients in the 

first test campaign. 

 Linear regression with a reduced set of behavioural parameters (Peak Speed, Standard Deviation of Peak Speed and Standard deviation of Time of Peak Speed) also led to sig‐nificant prediction of total UPDRS III (r2 = 0.302; F[3,25] = 3.608, p = 0.027). From this we conclude that the mathematical model was highly efficient in capturing the ability of performance in the line task to predict total UPDRS, and could achieve this using a bio‐logically informed set of hidden parameters.  However, given that behavioural performance in the line task offered comparable pre‐dictive  value  to  the  hidden  parameters  of  the  lumped model,  the  question  arises  is there any additional value  to be had  from  the hidden parameters? The nature of  the small mpy cluster may be informative in this regard. Previously (see section 2.3.2) it was noted that there is no correlation between this cluster and the other three hidden pa‐rameters, which infers that there is no systematic progression in mpy values in this clus‐ter as other parameters change with disease progression. Moreover, the power spectra of the motor cortex oscillations (P channel, Fig 1) for the mpy cluster failed to show a spectral peak  in  the beta  frequency band,  something  that  is  expected  in Parkinson’s disease. In contrast, mpy values in the dis cluster correlated with other hidden parame‐ters and were associated with a beta frequency band peak  in the P channel. This sug‐gests the hypothesis that the small mpy cluster might be due to patients in whom per‐formance of the  line test was compromised by a different pathophysiological process. We know that perhaps 10‐20 % of the patients diagnosed with PD will turn out to have a different pathophysiology. Modestly in favour of the latter is that if we take the inde‐

Page 30: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -30- UNITN  

pendently determined ‘probability of PD’ score across the patients then 40% of those in the  dis  cluster  have  90%  probability  (instead  of  95%), whereas  this  rises  to  60%  for those  in the mpy cluster. Patients with a misdiagnosis also tend to have a shorter dis‐ease duration. Disease duration  in  those  in  the dis cluster was 3.5 years, whereas  for those  in  the mpy cluster  this was 3.0 years. Similarly disease duration  from diagnosis was 1.9 years for those in the dis cluster, but only 1.4 years for those in the mpy cluster. However, probably due to the small number of cases (n = 5) in the mpy cluster, none of these differences were significant.  Given the above suggestive findings, we performed an exploratory analysis in which we repeated the multiple linear regression model with all four model parameters and total UPDRS III as the dependant variable, but with the five values in the mpy cluster exclud‐ed. The same multiple linear regression as before was now able to predict almost 50% of the variance in UPDRS (r2 = 0.476; F[4,19] = 4.319, p = 0.012). All four parameters of the model contributed significantly to this relationship (table 4).    

Page 31: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -31- UNITN  

 

Coefficients 

Model 

Unstandardized Coeffi‐

cients 

Standardized 

Coefficients 

t  Sig. B  Std. Error  Beta 

1  (Constant)  86.040 21.399   4.021  .001 

Da  ‐70.907 31.401 ‐.631 ‐2.258  .036 

dis  ‐58.546 17.435 ‐1.103 ‐3.358  .003 

mpy  61.486 18.380 .614 3.345  .003 

T  20.795 8.590 .531 2.421  .026 

 

Tab. 4 A multiple linear regression model performed with all four model parameters and total UPDRS III score as the dependant variable was able to predict almost 50% of the variance in UP‐DRS (r2 = 0.476; F[4,19] = 4.319, p = 0.012) when the five values in the mpy cluster were excluded 

(giving data from 24 patients from the first test campaign). 

 

Together the above findings raise the possibility that the distribution of hidden parame‐ters  in  the mathematical model can  identify  those patients who may potentially  turn out not to have Parkinson’s disease. This  is particularly exciting as the patients  in this cohort  had  relatively  short  disease  histories,  where misdiagnosis  is more  common. Whether model parameters can help  identify those patients who turn out not to have Parkinson’s disease, but rather a mimic such as multiple system atrophy or progressive supranuclear gaze palsy, will require long‐term follow‐up and post‐mortem studies. 

2.4.1 Changes over time 

 

Hidden Parameter

Mean  SEM 

Da  0.197  0.097 

dis  1.154 0.082

mpy  0.201  0.086 

T  0.646  0.083 

 

Tab. 5 Group hidden parameters for the 12 patients in the second test campaign recruited from the Discovery cohort about 18 months following the first test campaign. 

 To explore whether the hidden parameters might be expected to change over time we derived  these  in a  second cohort of 12 patients drawn  from  the Discovery cohort 18 months after those included in the first test campaign. When these were compared to the 29 patients in the first campaign, there was no significant difference in the hidden parameters (compare table 5 with table 1). In addition, there was no significant predic‐tion of disease duration  in a multiple  linear regression model performed with all  four model parameters and disease duration as the dependant variable, probably because of the small sample size.  

Page 32: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -32- UNITN  

 The lack of change in the hidden parameters over time in the two cross‐sectional sam‐ples may be because of the considerable variability between subjects and the fact that the bulk of striatal dopaminergic denervation and loss of dopaminergic neurons in the ventrolateral  tier  of  the  substantia  nigra  compacta  has  already  occurred within  1‐2 years of diagnosis.4 Thus the effect size to be detected is likely to have been small.  We  can help overcome  the  above by  either  contrasting hidden parameter  estimates from  samples  in  which  we  expect  a  bigger  effect  size,  or  by  controlling  for  inter‐individual variance by looking for prospective differences in paired samples. One possi‐ble way to approach the former is to contrast the results of the 29 patients in the first test  campaign with  those  from  the  13  patients  in  the  surgery  cohort who  also  per‐formed  the  line  task on medication. Mean disease durations and median Hoehn and Yahr scores were 3 years and  II  in  the  first group, and 13 years and  III  in  the  second group,  and  yet  the model  parameters  did  not  differ  significantly  between  the  two groups. However, the effect size to be detected in this contrast between first test cam‐paign and surgical cohorts may have been less than anticipated. First, the rate of striatal dopaminergic denervation and loss of dopaminergic neurons in the ventrolateral tier of the substantia nigra compacta has already become very slow by about 5 years following diagnosis,4 and second, patients studied  following  implantation of deep brain stimula‐tion electrodes have temporarily altered basal ganglia circuits through the stun effect of surgery.5 The latter is evidenced by the sometimes substantial temporary improvement in parkinsonism, and may have compromised our modelling.  Importantly, seven subjects prospectively performed the  line task both  in the first test campaign and ~18 months later (both times on medication). Their data are summarised in table 6. Within this small‐paired subgroup Da fell in every subject over the course of the 18 months (Related samples Wilcoxon signed‐rank test for Da p = 0.018, rest N.S.).   

Hidden Parameter 

First Campaign  18 months later 

Mean  SEM  Mean  SEM 

Da  0.210  0.025  0.125  0.022 

dis  1.156  0.076  1.232  0.027 

mpy  0.137  0.093  0.068  0.058 

T  0.711  0.134  0.610  0.061 

 

Tab. 6 Group hidden parameters for the seven patients who performed the line task at enrolment in to the Discovery cohort and again ~18 months later (mk229, pdsjr432, jr 434, jr 441, jr 464, jr 436 and jr 

469). Embolded estimates are significantly different. 

 

                                                       4 Kordower JH, Olanow CW, Dodiya HB, Chu Y, Beach TG, Adler CH, Halliday GM, Bartus RT (2013) Disease duration and the integrity of the nigrostriatal system in Parkinson's disease. Brain 136:2419–2431. 5 Mestre TA, Lang AE, Okun MS. (2016) Factors influencing the outcome of deep brain stimulation: Place‐bo, nocebo, lessebo, and lesion effects. Mov Disord.31:290‐296. 

Page 33: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -33- UNITN  

 This  result helps validate  the hidden parameter Da which models  the effect of dopa‐mine as a modulation of the input to the two striatal neuronal populations. Although Da cannot directly be equated with  the effect of dopaminergic denervation nor  therapy, because these processes impact on more than just these two neuronal populations, it is reasonable to predict Da will fall with decreasing dopaminergic activity over the course of PD. However, this result needs be validated in the future in a larger group of patients who are prospectively studied each time following acute withdrawal of medication for PD. 

2.4.2 Acute Changes with levodopa 

The above  first test campaign and 18 months cohorts were studied on medication for PD, when  this was prescribed. What happens to  the hidden parameters of  the model when patients are recorded both on and off drugs? A small pilot cohort of nine patients performed the line task while they were off medication and then repeated the test af‐ter  taking  their usual medication. This was performed during  the same morning  in an abbreviated levodopa test. We use the term abbreviated here, as a supramaximal does of levodopa was not given as is often the case in standard levodopa tests. Accordingly, the change  in UPDRS  III on medication (30 ± [SEM] 5 %  improvement) was also rather less  than seen when supramaximal doses of  levodopa are given after overnight with‐drawal of medication  (40‐60 %  improvement)  in standard  levodopa  tests. Perhaps  for this reason (small effect size in a small sample) the change in hidden parameters did not significantly predict the change in UPDRS following levodopa, whether absolute or per‐centage  changes were  considered  in  a multiple  linear  regression model with  all  four hidden parameters and total UPDRS  III as the dependant variable. Moreover, none of the hidden parameters changed significantly between states, as shown in the Table.   

Hidden Parameter 

OFF  ON 

Mean  SEM  Mean  SEM 

Da  0.161  0.011  0.168  0.025 

dis  1.204  0.056  1.195  0.094 

mpy  0.162 0.057 0.080 0.058

T 0.683 0.062 0.588 0.058

 

Tab. 7 Group hidden parameters for the nine patients who performed the line task in the second test campaign both off and on levodopa. Da was marginally lower off levodopa, but none of the hidden pa‐rameters differed significantly between the treatment conditions. (jr018, jr030, jr434, jr441, jr457, 

jr459, jr460, jr464, jr469) 

 In  addition,  ten  post‐surgical  patients  performed  the  line  task  both  after  overnight withdrawal of levodopa and again the same morning after a supramaximal challenge of levodopa (100mg more than their standard morning dose). Thus, these subjects under‐went  a  standard  levodopa  test,  but  as  previously  noted  these  patients  also  differed from those  in the Discovery cohort  in so far as they had much longer disease histories (10±[SEM]2.2  years), more  severe  impairment  prior  to  surgery  (mean UPDRS motor 

Page 34: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -34- UNITN  

score OFF medication 42±4.6), bigger reduction in motor UPDRS on treatment prior to surgery  (61±6.1%) and confounding stun effects after surgery. One of  the 10 patients was  excluded  due  to  poor  fitting  in  the  off medication  condition  (RMSE  four  times greater than the mean RMSE of the remaining nine patients off medication).   

Hidden Parameter 

OFF ON

Mean SEM Mean SEM

Da  0.117 0.034 0.173 0.042

dis  1.363 0.075 1.154 0.063

mpy  0.224 0.038 0.163 0.074

T 0.577 0.080 0.530 0.049

 

Tab. 8 Group hidden parameters for nine post‐surgical patients who performed the line task both off and on levodopa. Da was lower off levodopa. Da was significantly increased and dis decreased on med‐

ication. 

 Despite the stun effect Da rose on medication in seven out of the nine remaining sub‐jects (table 8; Friedman’s test on change in parameters, p = 0.05; post‐hoc related sam‐ples Wilcoxon  signed‐rank  test  for Da p  =  0.038).  In  addition,  the parameter dis de‐creased on medication (post‐hoc related samples Wilcoxon signed‐rank test for dis p = 0.038; mpy and T p>0.3). This last finding is interesting as it suggests that the model can pick up dopaminergic effects other  than  those parameterised  through Da, which cap‐tures  the  classical effects of dopaminergic  input  to  the  striatum. As  these  additional dopaminergic effects are expressed in the parameter dis they must necessarily relate to relatively  proportionate  and  acute weakening  of  cortex‐striatum,  STN‐GPe, GPe‐STN, GPe‐GPi, and STN‐GPi connection strengths on  levodopa. The predominant dopamine receptors in STN and GPe are D2 receptors.  Thus, one would expect that the activity in their efferent target nuclei would be changed  less  in the presence of Levodopa, since their firing rates would have been reduced.  This is in agreement with the fitted values of dis, which are smaller when the model is fitted to patients on Levodopa medication. The direction of change  in Da and mpy with  levodopa was also similar  to  that  in  the non‐surgical,  Discovery  patients who  underwent  the  abbreviated  levodopa  test,  alt‐hough in the latter case the changes were smaller and non‐significant. Note that failure to assess the motor UPDRS during the  levodopa test  in the post‐surgery patients pre‐vented  us  from  exploring  whether  the  change  in  hidden  parameters  predicted  the change in UPDRS following levodopa in this group.  The same nine patients also had recordings of  local field potentials  in the GPi (n=7) or STN (n=2) during the levodopa test. These, like recordings from the same sites in other patients with PD, had spectral peaks within the beta band (15‐35 Hz) OFF medication. Such  activity  is  thought  to be  exaggerated  in PD  and  is  suppressed by dopaminergic therapy and deep brain stimulation. Moreover, the change in its power with treatments correlates with clinical  improvement. The questions therefore arise do any of the hid‐den parameters  in  the OFF medication  state predict  the  change  in  local beta activity 

Page 35: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -35- UNITN  

with medication, and, does any change  in these parameters with medication correlate with the change in local beta power?  To address the first question we performed a multiple linear regression model with all four hidden parameters estimated in the OFF medication state and the % change in the peak  in the beta band (15‐35 Hz) power at rest with treatment  in the nucleus (STN or GPi) contralateral to performance of the line task as the dependant variable.6 Strikingly, this model was able to predict 85% of the variance in the relative change in beta power (r2 = 0.854; F[4,8] = 5.831, p = 0.058; Tab 9). However, as only mpy made a significant contribution to the linear regression model, we next performed a simple regression be‐tween mpy and beta band power off medication. This was significant (r2 = 0.657; F[1,7] = 13.423, p = 0.008; Fig 13).  

Model

Unstandardized Coefficients

Standardized

Coefficients

t Sig. B Std. Error Beta

1 (Constant) -1.180 .708 -1.666 .171

Da .100 1.516 .029 .066 .951

dis .489 .385 .458 1.272 .272

mpy 1.422 .409 .971 3.473 .026

T -.168 .249 -.137 -.674 .537

Tab. 9 A multiple linear regression model performed with all four model parameters and average beta band (15‐35 Hz) power at rest OFF medication as the dependant variable was able to predict 90% of 

the variance in UPDRS (r2 = 0.933; F[4,8] = 14.002, p = 0.013). 

 Next we explored the second question posed above; does any change in the hidden pa‐rameters with medication correlate with  the change  in  the peak  in  local beta power?  We therefore performed a multiple linear regression model with the change in the four hidden parameters induced by medication and the % change in the peak7 in beta band power at  rest  in  the nucleus with  treatment contralateral  to performance of  the  line task as the dependant variable.  This model was able to predict 71% of the variance in the relative change in beta band power, but this did not reach significance given the 9 data sets and the four factors (r2 = 0.688; F[4,8] = 2.210, p = 0.231). Nevertheless, mpy demonstrated a trend to significance  in  this model  (p=0.068), and so we performed a simple linear regression with change in mpy alone. This demonstrated a significant cor‐relation with the change in beta (r2 = 0.451; F[1,7] = 5.753, p = 0.048). All things consid‐ered, the weaker correlation when considering the change  in mpy  induced by medica‐tion raises the possibility that our parameter estimates were less secure in the ON drug 

                                                       6 Note that LFP power is best represented as relative, either as % total power or as % change on medica‐tion, otherwise correlations are acutely confounded by the proximity of the electrode to the LFP genera‐tor. 7 Mean of peak frequency and two 1Hz bins above and two 1 Hz bins below this, with peak frequency de‐fined in the OFF state. % change derived as (ON beta‐OFF beta)/OFF beta 

Page 36: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -36- UNITN  

state. One  reason why  this might be  in  this particular  cohort of patients may be  the presence of dyskinesias during  the  line  test performance on medication, as  the exist‐ence of prominent dyskinesias are often an indication for PD surgery.  

 

Fig. 13 Linear regression model performed with mpy and beta band LFP power as the dependant varia‐ble was able to predict two thirds of the variance in beta band power. 

 An aspect of these findings that deserves more comment is the paradox that, although the hidden parameters Da and dis rose and fell upon treatment, respectively, it was on‐ly mpy that correlated with the change in beta activity in the basal ganglia upon dopa‐minergic therapy. The parameter mpy models the imbalance between input connection strengths to Ti (prototypic) and Ta (arkypallidal) neurons in the globus pallidus externa (GPe), and our findings imply that beta oscillations may be more sensitive to this imbal‐ance than to the combined direct effects of Da and dis. This underscores the value of considering several key parameters in the same model; some, like Da and dis, may work in opposite directions, so that the emergent effects on other features may not neces‐sarily be straightforward.  Summary of Discovery Cohort Findings  We can conclude  from the  first and second test campaigns drawn  from the Discovery cohort that: 

1) Group hidden parameter estimates  remain broadly similar across different pa‐

tient samples (contrast tables 1, 5 and 7). 

2) Hidden parameter  estimates  correlate with  total motor UPDRS  scores  (Fig  12 

and table 2). Similar correlations are seen with the behavioural parameters de‐

rived from the line task (table 3). 

Page 37: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -37- UNITN  

3) The mathematical model has potential advantages over simple behavioural pa‐

rameters from the line task, in  

a.  the  suggestion  that  the mpy  cluster might  indicate  a  different  patho‐

physiology and hence misdiagnosis of PD (table 4 and section 2.3.2),  

b. the  ability  of  a  second hidden parameter, Da,  to demonstrate  disease 

progression in prospectively followed patients (table 6). 

c. the increase in Da and decrease in dis after a supramaximal challenge of 

levodopa (table 8). 

4) Overall,  the  UPDRS  can  be  predicted  from  a  4‐dimensional  parameter  space 

map onto one “predicted” value of the UPDRS score. This means that the same 

UPDRS can actually be predicted from different combinations of hidden param‐

eters. This in itself is not implausible. The evolution of PD tends to activate com‐

pensatory mechanisms  (such as e.g.,  reduction of Da  induces  increase of dis). 

Hence,  at  the macroscopic  level,  the  same  UPDRS  score  occurs  for  different 

points  in  the  disease  space, which  however  can  be  discriminated  by  the No‐

Tremor  system, allowing  in principle more  resolution  in  tracking  changes  that 

have not yet  to affect  the UPDRS score.   This attribute may prove particularly 

important  in the characterisation of early and  ‘pre‐symptomatic’ PD, where  in‐

ternal  compensation  can effectively mask  clinical deficit or  its progression  for 

several  years.   To be able  to  track  the hidden  changes  related  to  the disease 

process would be of major  importance  in  the development and  testing of dis‐

ease modifying treatments. 

5) However, the first and second test campaigns and the surgical cohort were un‐

der‐powered for definitive conclusions to be made, given the inter‐subject vari‐

ability in the hidden parameters of the lumped model. They do, though, serve to 

motivate further exploration of the  lumped model and  its applications  in more 

extensive patient cohorts. Key here, will be further  

a. Prospective study of  the sensitivity of  the model parameters  to change 

over time in more patients 

b. Follow‐up of patients with parameter estimates in the mpy cluster to de‐

termine whether these are mis‐diagnosed as PD 

c. Sufficiently powered study of on and off medication effects  in patients 

that  are  not  post‐operative,  in  whom  the  contrast  between  states  is 

more marked  (full  overnight  withdrawal  of medication  and  challenge 

with a supramaximal dose of levodopa). 

d. refinements  to  the  line‐task, particularly exploration  as  to whether  re‐

peated testing can improve the prediction of UPDRS scores (see also sec‐

tion 2.6). 

e. Investigation of the finer structure of the association of different hidden 

parameters  with  different  elements  of  the  PD  phenotype  as  inferred 

from UPDRS sub‐scores in a sufficiently powered sample. 

 

Page 38: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -38- UNITN  

2.5 Statistical and correlation analysis for force and line tests (Oxford and Thessaloniki cohort) 

In addition to the correlation analysis presented in section 2.3.1, supplementary statis‐tical analysis was conducted for the Oxford and Thessaloniki cohorts.  The correlation study considered model parameters, clinical data and several features extracted from the force and line tests.  Feature extraction methodology has been described  in details  in Deliverable 4.2.1 and metric variables of time series analysis have been presented  in Deliverable 4.2.2, thus these topics are only referred to in this section.  

2.5.1 Force tests analysis 

Force tracking tests were performed on the Oxford and the Thessaloniki Cohorts, with test data  from both patients and controls. Three subsets of  these cohorts are consid‐ered here, excluding patients that did not perform all the tests. Details with respect to number of participants,  the existence of controls  in  the dataset and  type of scale are presented in Tab. 10.  

 

cohort / dataset location # participants # experiments controls included Hoehn & Yahr values

COHORT 1 / DATASET 1 Thessaloniki 52 203 yes (10) 0, 1, 2, 3

COHORT 2 / DATASET 2 Thessaloniki 36 139 no 1, 2, 3

COHORT 3 / DATASET 3 Discovery 20 80 yes (3) 0, 1, 2

Tab. 10 Datasets performed force tracking test. 

 During  the  execution  of  the  force  test  the  following  variables  are measured:  target stimulus, distractor and the patient’s force response. The distractor is only used to differentiate the experiments according to its presence or absence. The target stimulus and response signals are used to define the “deviation” signal (d), which represents  the absolute value of  the error of between  the  target and produced force, as better described in Deliverable 4.2.2.   

| |  Many types of features can be extracted from d. According to Deliverable 4.2.189, four features are used here: mean (d), standard deviation (d), skewness(d) and kurtosis(d).  

 

2.5.2 Correlation of force test features with the Hoehn & Yahr scale 

The Shapiro‐Wilk method was used to assess normality of the 4 features and the Hoehn &  Yahr  scale  (HY). The  variables do not  follow  the normal distribution,  and  thus  the 

                                                       8 Wang, Xiaozhe, Kate Smith, and Rob Hyndman. "Characteristic‐based clustering  for time series data." Data mining and knowledge Discovery 13.3 (2006): 335‐364. 9 Wang, Xiaozhe, Kate Smith‐Miles, and Rob Hyndman. "Rule induction for forecasting method selection: Meta‐learning the characteristics of univariate time series." Neurocomputing 72.10 (2009): 2581‐2594. 

Page 39: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -39- UNITN  

Kruskal‐Wallis  test was  selected  to analyse possible  correlations10. The Kruskal‐Wallis test  is a non‐parametric counterpart of  the 1‐way ANOVA, and  it  is used  to compare medians of multiple  (more  than  two) non‐parametric distributions. By comparing  the medians of the distributions of our experimental data, low p‐values from Kruskal‐Wallis test  indicated  the  existence  of  differences  in  the  medians  between  each  feature grouped by the H&Y scale. Furthermore, show the results with variable significance (no‐tation: * p<0.05 significant, ** p<0.01 more significant, *** p<0.001 very significant).  Tab. 11, Tab. 12 and Tab. 13 show the results of the Kruskal‐Wallis test. Three different experiments were carried‐out on three different cohorts:   

Any: the whole dataset is used 

No: experiments without the distractor 

Yes: experiments with the distractor  

 

Tab. 11 Hypothesis testing results of Thessaloniki Cohort 1. 

 

 

Tab. 12 Hypothesis testing results of Thessaloniki Cohort 2 

                                                       10 http://www.statisticssolutions.com/kruskal‐wallis‐test/ 

Dataset 1

distracter presence  feature  p‐value (Kruskal‐Wallis test)  significance 

any 

mean   0.00003161  *** 

standard deviation 0.02066000 * 

skewness  0.00003464  *** 

kurtosis  0.00008195  *** 

no 

mean 0.00118600 ** 

standard deviation  0.05191000 

skewness  0.00163000  ** 

kurtosis 0.00215200 ** 

yes 

mean  0.03682000  * 

standard deviation  0.49200000 

skewness 0.03012000 * 

kurtosis  0.05369000 

Dataset 2 

distracter presence  feature p‐value (Kruskal‐Wallis test)  significance

any 

mean  0.00181600  ** 

standard deviation  0.15530000 

skewness 0.02132000 *

kurtosis 0.14750000

no 

mean  0.06334000 

standard deviation 0.79960000

skewness 0.02409000 *

kurtosis  0.07203000    

yes 

mean  0.02047000  * 

standard deviation 0.07214000

skewness  0.05605000 

kurtosis 0.06422000

Page 40: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -40- UNITN  

 

Tab. 13 Hypothesis testing results of Oxford Cohort 

 

significance symbols: * p<0.05, ** p<0.01, *** p<0.001   

In the vast majority of the cases presented above the results show statistical significance, espe‐

cially  in  the  first  case where all  the  test data are analysed  together. The boxplots  in Fig. 14 show the difference between the medians of participants’ groups, relatively to their H&Y score. The results are identical and suggest the following conclusions:  

The mean of  the deviation  increases as PD  severity  increases as measured by H&Y. 

The stdev of the deviation increases as PD severity increases. 

The skewness of the deviation decreases as PD severity increases.  The kurtosis of the deviation decreases as PD severity increases. 

Dataset 3 

distracter presence  feature  p‐value (Kruskal‐Wallis test)  significance 

any 

mean  0.00002210  *** 

standard deviation  0.00129400  ** 

skewness  0.00290600  ** 

kurtosis 0.00814700 **

no 

mean  0.00183800  ** 

standard deviation  0.01987000  * 

skewness 0.02549000 *

kurtosis  0.05586000    

yes 

mean  0.00919300  ** 

standard deviation 0.03721000 *

skewness  0.06957000 

kurtosis  0.13450000    

Page 41: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -41- UNITN  

 

Fig. 14 Boxplots of the force test results. Each row shows the differentiation between HY scale of each dataset and one of the four features extracted from the time series analysis: mean, stdev, skewness, 

kurtosis. 

 In conclusion, the analysis shows that the force tracking test can successfully contribute to Parkinson’s Disease evaluation. Time series features extracted from deviation can be used to distinguish PD patients from controls, as well as to monitor the severity of the disease in terms of the Hoehn & Yahr scale. 

Page 42: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -42- UNITN  

2.5.3 Line test correlation analytics 

The line test correlation analysis was performed on the same cohorts described in sec‐tion 2.5.1, namely the Thessaloniki and Oxford Cohorts.  In this case a  large number of clinical parameters are considered for potential correlations. They are listed in Tab. 14.   The diagrams presented in Appendix 1 (Fig. A1.1 to A1.12), have been used for the discovery of potential correlations between  the  considered variables  (parameters, clinical  scales and met‐rics). These table‐like figures show the correlations between each couple of variables, indicating how  variables  how  variables  are  correlated  and  if  the  correlation  is  statistically  significant. Namely, a green ellipsis show good and significant correlation, a blue ellipsis show a lower cor‐relation but remaining statistically significant, a cyan ellipsis show some correlation which how‐ever  lacks statistical significance, while the red ellipses  indicate the absence of any significant correlation.  1) For the Discovery cohort 1. UPDRS III correlates well with Purdue total, age, H&Y, as well as model’s mpy parameter  (individually  taken11). H&Y  shows good  correlation with age, disease duration onset/diag, Purdue total, getgo average and getgo best (Fig. A1.1). Correlation between model parameters is found between Da‐ , Da‐dis and dis‐T. Other signifi‐cant  correlations  are  found  between  ‐disease  duration  onset, Da‐Purdue  assembly  and  T‐getgo‐best (Fig. A1.1). 2) For the Discovery cohort 2. UPDRS III correlates well with age, as well as model’s dis parame‐ter. H&Y does not show any significant correlation12. Correlation between model parameters is shown between Da‐dis and mpy‐T. Other significant correlations are found between Purdue to‐tal‐flamingo time/EQ5D  index, Purdue assembly‐flamingo  time and  flamingo  time‐EQ5D  index (Fig. A1.2). 3) For the Discovery cohort 2, Levodopa OFF (Fig.A1.3) and Levodopa ON (Fig. A1.4) the correla‐tions found are controversial (However for the Levodopa Discovery cohort considerations made in section 2.4 and in D6.1 may provide an explanation for lack of correlation). 4) For the Surgery cohort, Levodopa OFF (Fig.A1.6) and Levodopa ON (Fig. A1.7) reveal correla‐tions between model parameters (considerations made in section 2.4 and in D6.1 hold). 5) For the Thessaloniki cohort 1 (Fig. A1.8, Fig. A1.9). H&Y does not show any significant correla‐tion. Correlation between model parameters is shown between Da‐dis, Da‐mpy and less corre‐lation between Da‐ , dis‐mpy.  5) For the Thessaloniki cohort 2 (Fig. A1.10, Fig. A1.11). H&Y does not show any significant cor‐relation. Correlation between model parameters is shown between Da‐dis.  Summarizing these findings we can draw the following conclusions:  

1. UPDRS III shows correlation with model’s dis and mpy (individually) and other clinically measured data. 

2. There  is a correlation between model parameters, meaning that  the evolution,  in  the parameter space follows some rules. 

                                                       11 One must note that lack of correlation with individual model parameters does not necessarily indicate 

model deficiencies. In fact, the expected correlation is between the vector of model parameters together {Da, dis, mpy, T} – which represents the disease point in the parameter space – and the other observable metrics and scales. 12 There are three main reasons why findings might differ between the two Discovery campaigns/cohorts. First the number of patients differs so that the same relationship may be significant and  insignificant  in the bigger (cohort 1) and smaller (cohort 2) samples, respectively. Second a large number of correlations were per‐formed without correction for multiple testing, thereby increasing the risk of Type I and Type II errors. Third, cohort 2 was recorded when disease was more advanced (by ~ 18 months). 

Page 43: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -43- UNITN  

3. H&Y does not seem to correlate well with model parameters. 4. There is a correlation of model parameters with other clinically measured variables. 

 These results demonstrate that the proposed analysis approach is useful to investigate possible relations between a  large number of different variables, and  it can be used  for  fast visual  in‐spection of correlations on large data sets.  

 

Page 44: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -44- UNITN  

Variable Name  Data Type  Variable description

SubjID  String  Unique patient identifier

Visit_date  Date  Date of visit clinical assessment 

Gender  binary: {Male, Female} Gender

age  continuous Age at assesment in years

disease_duration_onset  continuous Disease duration since onset in years 

disease_duration_diag  continuous Disease duration since diagnosis in years 

purdue_total  ordinal:  0,  no  upper bound 

Total  of  the  first  three  Purdue  pegboard  test  sub‐tests.   Test  to measure manual dexterity.   A higher score corresponds with better dexterity 

purdue_assembly  ordinal:  0,  no  upper bound 

Total for the assembly part of the Purdue pegboard testTest  to  measure  manual  dexterity.    A  higher score corresponds with better dexterity 

getgo_average  continuous Get up and Go Test.  Time (minutes) taken for an in‐dividual  to  get up  from a  chair, walk  three meters, turn  around, walk  back  to  the  chair  and  sit  down.  Average  of  three  attempts.    A  higher  score  corre‐sponds with worse motor function. 

getgo_best  continuous Best  time  from  the  three  get  up  and  go  tests,  see above. 

flamingo_time  continuous: 0 to 30 secs Flamingo  test.    Time  (seconds)  that  a  person  can stand on one  leg.    If  the patient  can do  this  for 30 seconds  the  test  is  stopped.  A  lower  score  corre‐sponds with worse motor function. 

EQ5D_index  discrete  EuroQol health states.  Quality of life index.  5 ques‐tions rated 1‐3 and then transformed  into  index us‐ing an equation 

EQ5D_vas_score  continuous, bounded 0  to 100 

Health  quality  visual  analogue  scale,  0  is  worst health, 100 is perfect health 

UPDRS_III  ordinal: 0 to 132 MDS UPDRS part  III  "Motor Examination". 33 ques‐tions  rated  0‐4.    A  higher  score  corresponds  with worse motor problems. Clinician assessed. 

Hoehn_and_yahr  ordinal: 0 to 5 Hoehn and Yahr stage. Parkinson's disease severity. 0 is no disease; 5 is bedridden 

Schwab_england  ordinal: 0 to 100 Modified Schwab & England Activities of Daily Living. Variable  is measured  from  0%  to  100%  in  10%  in‐crements.  0%  is  bedridden,  100%  completely  inde‐pendent 

Freezing_gait_total  ordinal: 0 to Freezing of Gait Questionnaire.  6 Questions rated 0‐4.  A higher score corresponds with worse freezing of Gait. 

probability_pd  Probability: 0 to 100 % Probability that the  individual has  idiopathic Parkin‐son's Disease as rated by a clinician at this visit. 

LEDD_total  continuous, mg per day Levodopa  equivalent  daily  dose,  a  quantitative measure of the amount of PD medication a person is taking. 

Tab. 14 Description of some clinical parameters used for correlation analysis of experimental data. 

 

Page 45: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -45- UNITN  

2.6 Longitudinal monitoring (Santa Chiara cohort) 

The  longitudinal study was carried out  in Trento with 4 PD subjects, 2 control subjects with a different disease  (Essential Tremor and Cerebellar Ataxia) and 4 age matched healthy controls (the Santa Chiara cohort). Concerning  the 4 PD subjects,  this study simulates what might be  the use of  the No‐Tremor system  in practice:  i.e., subjects carry out tests at home daily (the testing ses‐sions may last one week and be interleaved with several longer periods). The test data of the subjects is collected remotely and analysed using both objective metrics derived from the test  logs  (in particular reaction time, error rates and peak speed) and  fitting the model on the test data to obtained personalized parameters. 

2.6.1 Monitoring hidden brain states 

Fig. 15 demonstrates the use of the NoTremor system for the monitoring of the brain connection strengths over time. For this, tests are grouped on weekly basis and the av‐erage trajectory of each week is fitted. Over a range of 82 weeks an evolution can be observed (an animation is provided sepa‐rately), where Da slightly increases (from 0.2 to 0,25), dis slightly decreases (from 1.2 to 1.1) and T decreases too (from 0.64 to 0.52 s). In other words, the performance of this subject appears to  improve somewhat  in 1.5 years. This  is confirmed by  inspection of the mean and individual trajectories. On week 82 the movement speed is faster and the landing on the target is sharper (the trajectory is more rounded on week 1 – which is a sign of lower Da). Also, trajectories on week 1 show irregularities (hints of stepwise be‐haviour) that are not visible on week 82.    

Page 46: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -46- UNITN  

  

  

Fig. 15 Monitoring of patient’s SC665 model parameters over time. Top: initial parameters on week 1. Bottom: final parameters on week 82 (grey dots represent the parameters of previous weeks). 

 Hence, overall,  this  subject  improved his performance  (might be due  to better  treat‐ment). The subject UPDRS was rated 7 on March 19 2015 and 14 on July 22 2015, H&Y is 1.  One should also note that the level of noise is reduced compared to section 2.3.5 (that can be better appreciated  in the video). The reason  is that here we average one week of tests per fit: that is 10 times more tests that those carried out in the Discovery cross sectional study.  Fig. 16 plots the evolution of Da and dis parameters for the subject in the 82 weeks of monitoring. There are some intervals (one in particular) with missing data, which how‐ever do not affect  the conclusions. Da  increases  from 0.2  to about 0.25 while dis de‐creases from 1.2 to about 1.1 (both variations are  in the direction of  improved behav‐iour). Most of improvement occurs in the earlier months. 

 

Page 47: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -47- UNITN  

  

  

Fig. 16 Evolution of Da (top) and dis (bottom) over 1,5 years for one subject. 

 To confirm  the  findings of  the previous  figures –and as a  first example of dense  tem‐poral objective monitoring– objective metrics derived from the tests are plotted in Fig. 17. From top to bottom, the figure shows: a) the error rate, which decreases in the 1.5 years of monitoring  (which agrees with  the  improvement detected by  the model pa‐rameters; b) the peak speed, which improves with time; c) the reaction time (which in‐creases with time).  

 

Page 48: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -48- UNITN  

  

  

  

Fig. 17 Evolution of error rates, peak speed and reaction time of one subject. 

 The  latter  is worth a comment: as shown  in the model (Fig. 3) the basal ganglia affect only  a  small part  of  the  reaction  time. Most of  the  reaction  time  is  cognitive  and  it might be  that  the subject has adopted a more conservative  reaction  time  in order  to deal with the disease and reduce the errors. A widening between the reaction time with and without distractor is also observed, which might be an adaptation strategy contrib‐uting to the reduction of the error rate shown on top. 

2.6.2 Use of the NoTremor platform for monitoring objective metrics. 

The line test tool and the visual analytics tools can be useful for monitoring the state of a patient  in  relation  to objective  indicators  that  can be derived  from  the  tests  (even 

Page 49: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -49- UNITN  

without using the models). These  indicators also cast some  light  into the  internal pro‐cesses of the Parkinsonian patients. We have chosen four types of charts that, we believe, have particular relevance. These charts can be obtained  if enough test data are available (e.g., when subjects carry out test with the portable tablet at home  for some week). They can be periodically re as‐sessed at distance of years. 

2.6.2.0 Error rates and distribution of correct and incorrect reaction times 

Provided enough tests are collected, the  individual reactions recorded can be used to estimate  the  distribution  of  reaction  times  for  the  correct  and  for  the  incorrect  re‐sponses.  

       

     

     

      

Fig. 18 Distribution of reaction time for correct and incorrect movement for 4 PD subjects (top to bot‐tom), without distractor (left) and with distractor (right). 

 

Page 50: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -50- UNITN  

The  above  chart  provides  an  overview  of  the  distribution  of  reaction  time with  and without distractor for the 4 PD subjects.  

      

      

      

       

Fig. 19 Distribution of reaction time for correct and incorrect movement for 4 healthy subjects (top to bottom), without distractor (left) and with distractor (right). 

 Considering Fig. 18, and comparing left to right (i.e., comparing with/without distractor) one can see that while there is virtually no error without distractor (which is also seen in Fig. 17, top), with the distractor many movements occur in the wrong direction, indi‐cating an incorrect selection of action in the basal ganglia. One can also notice how, for the fastest reactions, in the order of 0.3, 0.35 s, the probability of incorrect movement is almost 50% (meaning that action  is selected almost randomly  in these short times). When  reaction  time happens  to be  above 0.4  s,  errors  virtually disappears  (because enough time is given to the action selection mechanism). It is worth noticing that sub‐ject SC854 makes virtually no error with the distractor. However, that is because he/she adopts a very conservative reaction time with all reactions occurring later than0.4 s. 

Page 51: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -51- UNITN  

 Another aspect  that  is also evident  is  that, with  the distractor, and adaptation occurs with the increase of the mean reaction time (in fact the mean reaction time on the right is greater than on the  left). All these observations agree with the conceptual architec‐ture of the model (albeit the current model is deterministic and cannot predict errors).  Overall, charts like the above show with great precision the difference in reaction times and error rates of subjects. For example, while SC854  is slow  (and makes no error for this), SC183 is faster than SC665, yet he/she makes fewer errors.  A comparison with healthy subjects is given in the chart of Fig. 19. Errors tend to be less and of more random nature (distributed over a larger reaction time interval). The worst performing healthy subject is SC186, who makes significant errors for reaction time be‐low 0.4 s and is still better than 3 of 4 subjects in Fig. 18, while the best performing PD subject,  is only marginally better  in terms of error distribution and slower  in terms of correct reaction time distribution. 

2.6.2.1 Error‐speed trade‐off 

People may adopt different trade‐off between movement time and error rate (but they cannot achieve faster movement without affecting errors).  

      

       

Fig. 20 Error rate vs. reaction time trade‐off for the PD subjects. Each dot represents the average reac‐tion time and peak speed of the tests carried out over one week (together the dots represent the whole interval of observations lumped per weeks). Distinction between tests carried out with and 

without distractor is made. The progression over time cannot be appreciated in this type of chart but can be inferred from charts like Fig.16. 

 

Page 52: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -52- UNITN  

Fig. 20 shows the 4 Parknsonian patients and Fig. 21 the 4 healthy subjects. In general, the  PD  patients  have  higher  error  rates,  both  with  and  without  distractor.  Subject SC665 shows a gradual decrease of the error rate in the 1.5 years of testing, which was commented with Fig. 17, top. Subject SC183 used different trade‐off points during the testing period: peak speed varied between 2.5  (s‐1) to 6  (s‐1). The corresponding error rate is clearly correlated, and increased with higher speeds (shorter movement times). Subject SC854 used very  low movement speed (as pointed  in Fig. 18 he/she also used long reaction times) obtaining very low error rates, but these are perfectly in line with the  trend of SC183. Subjects SC665 and SC562, while using  low speed, still have very large error rates, both with and without distractor.  

      

       

Fig. 21 Error rate vs. reaction time trade‐off for the healthy subjects. This chart com pares to the previ‐ous one. Healthy controls performed the monitoring tasks for are fewer observation weeks (because 

they were less motivated). Hence there were fewer experimental points. 

 

2.6.2.2 Distractor effect 

The distractor affects the time for action selection, as already pointed in Fig. 4. The fol‐lowing figures show the speed profile with and without distractor for the PD patients. Consistent with the mathematical model and the model conceptual framework, the ef‐fect of the distractor is an almost a pure additional lag, which is about 50 ms.  

Page 53: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -53- UNITN  

      

       

Fig. 22 Effect of the distractor for the Parinsonians subjects. 

 

2.6.2.3 Fatigue effect 

The fatigue effect is evaluated by splitting each test in three parts and averaging the tri‐als  in the first part (the “fresh” part, which corresponds to first 20 seconds of testing) and the trials of the last part (the fatigued part corresponding to the last 20 seconds of testing). Comparison with the distractor highlights a fundamental difference: while the distrac‐tor acts as an additional lag, fatigue (which corresponds to loss of dopamine during the test) affects the shape of the trajectory, with reduced and delayed peak speed.  

Page 54: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -54- UNITN  

      

       

Fig. 23 Effect of the distractor for the Parinsonians subjects. 

 

3 Other technical validation activities 

3.1 Why three model parameters (investigation on the number of model parameters) 

So far the mathematical model used had 3 parameters for the basal ganglia (Da, dis and mpy). This section deals with the question of the appropriate number of parameters. Initially, the possibility of using even more than 3 parameters was considered. More pa‐rameters mean describing the changes of connection strengths in a higher dimensional space, and hence maybe the ability to better model the different aspects of the disease. However, using more parameters imply a greater risk of overfitting and less robustness to measurement noise. On the other hand, using fewer parameters, e.g., 2, might result in a model that cannot describe sufficiently well the changes of connections.  We have thus carried out a test with a model with reduced dimensionality. Of the three parameters mpy looks the one which varies less (and is also associated to the undesira‐ble mpy cluster). So we have forced the model to mpy=0, hence remaining only two pa‐rameters for the basal ganglia: Da and dis.  Fitting  this  two‐parameters model  to  the data have yielded new  (best  fits) where  the behaviour has been approximated under the assumption that no change id mpy occurs.  

Page 55: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -55- UNITN  

A  linear regression model, has been  fitted on  this reduced dimensionality model. The results are shown in Fig. 24 (which directly compares to Fig. 12). The conclusion is that with two parameters the model loses the ability to describe the disease.   

  

Fig. 24 A model with only two BG parameters (dis and Da) does not fit the UPDRS score. 

 

3.2 Technical validation of the line test and of the lumped model. 

This was carried out in D6.2.1 section 3. 

3.3 Multiscale modelling: alternative basal ganglia model 

The methodology of multiscale modelling is an important aspect of the NoTremor pro‐ject. The line task model described in section 2.2 is a multi‐scale model; it incorporates a rate‐coded basal ganglia model which gates the cortical activity that drives a control‐theoretic trajectory generation model. In this section, we describe the integration of a spiking model developed from the one described in deliverable D3.2.2 into the line task model, where  it replaces the rate coded model used  in the work described  in section 2.2.  The spiking basal ganglia consist of the same populations as those in the rate coded BG model (inside the dashed box of Fig. 1). Each population consists of 60 Izhikevich neu‐ron models, arranged in two channels (P and S). Connectivity between the populations follows the same pattern as in the rate‐coded model. Where one‐to‐one connectivity is specified in the rate coded model, one‐to‐one connectivity is implemented for the two spiking neuron channels; the thirty neurons in the P channel of an efferent population will connect with random probability  to any of  the  thirty neurons  in  the P channel of the afferent population. None of the neurons in the efferent P channel will connect to a neuron in the afferent S channel. The scheme is similar for “cross‐channel” connections, such as  the  connection  from GPeTA  to GPi,  in  this case  there  is  random  connectivity 

122

124

188431432

433

434

435436

439 441442

443

445

462 463

464

469

185 225

226

227228229131

172178 179224

0 10 20 30 40 500

10

20

30

40

50

UPDRS III

PredictedUPDRSIII

Page 56: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -56- UNITN  

from  efferent  P  channel  neurons  to  afferent  S  channel  neurons  and  from  efferent  S channel neurons to afferent P channel neurons. The model’s network diagram is shown in Fig. 24.   

  

Fig. 25 The NoTremor model incorporating the spiking basal ganglia. The components of the model to the right of the grey dashed line are identical to those in the rate‐coded line task model shown in Fig. 1. Here, the two channels, P and S are not explicitly shown. Interface populations exist to convert the rate codes which are present in the sensory cortex (Sctx) and motor cortex (Mctx) populations and to covert spikes in GPi into a rate code to input to Mctx. Within the 5 populations of the basal ganglia 

(coloured cyan), 60 Izhikevich neurons are arranged into a P channel and an S channel.The model was created in SpineCreator, with a SpineML component called minjerk implementing the minimum jerk model described in section 2.2. A version of the rate‐coded line task model was implemented in 

SpineCreator to verify that the common part of the model (to the right of the grey dashed line) pro‐duced the same results given by the Mathematica and MATLAB implementations. 

 Weights in the spiking BG model were tuned to give realistic firing rates with no striatal input and to match the dynamics of the same experimental data used to tune the rate‐coded model. While an extensive search of the parameter space for the spiking model 

Page 57: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -57- UNITN  

has not been carried out; it has been possible to reproduce the key result of a tri‐phasic response in STN (Fig. 25 a). Some example trajectories resulting from embedding the spiking BG model  in the  line task are shown in section 3.4.  

  

Fig. 26 Simulated peri‐stimulus time histograms of the responses in STN, two GPe populations and GPi for the spiking basal ganglia model. The graphs give mean firing rate based on the result of recording spikes from 30 neurons (i.e. one channel) over 100 simulations. The stimulus was an impulse delivered 

to Striatum, replicating the impulse used when training the rate‐coded basal ganglia model. 

 

3.4 Stepped trajectories as an emergent phenomenon 

Many of the more advanced Parkinson’s patients show movements that do not have a smooth velocity profile.  That is to say that the movement of the hand towards the tar‐get line fluctuates in speed, with some instances of the hand actually coming to a com‐plete halt.  This phenomena has been noted in previous studies of Parkinson’s patients and is often referred to as “action tremor” and has a frequency of roughly 5‐10Hz.  This is distinct from the “resting tremor” that is more commonly associated with Parkinson’s disease.  Fluctuations in the speed of movement are seen in the NoTremor computational mod‐el, as well as in the spiking model.  They have two distinct causes.   

Page 58: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -58- UNITN  

Firstly,  in  both  the  spiking  and  the  rate  coded  models,  ~6‐7Hz  oscillations  during movement  are  induced  by  rendering  the  model  Parinsonian  without  changing  the planned movement  time  described  by  parameter  “T”.    Since  the  Parinsonian model makes  slower movements,  the  planned movement  time,  T,  becomes  an  insufficient time to complete the movement to the target.   This  induces instability  in the “sensory feedback loop” of the model that manifests as 6‐7Hz oscillations in the speed profile.  The biophysical substrate of “T” is likely to be related to the forward models of move‐ment within the cerebellum.   As the disease progresses and basal ganglia function de‐grades,  it may be the case that the  forward model encoded  in the cerebellum can no longer learn how long the movement should take.  If the movement takes longer than it should  relative  to  the  cerebellar  forward model  then  “T”  is  too  small and  the action tremor is the result.  

  

Fig. 27 Hypothesised mechanism for the generation of action tremor. (Deterministic rate model)  Left: Healthy trajectory (T=0.295).  Middle: Reducing the value of the parameter that governs the planned movement duration (T=0.245) induces instability in the trajectory. Right:  Rendering the model Pa‐

rinsonian but leaving T at its healthy value (da=0, dis=2, mpy=1, T=0.295) increases movement duration beyond the healthy value of T, resulting in a similar instability. 

 This  formulation  is very  interesting, as  it  implies  that action  tremor arises when both basal ganglia parameters are reset by PD AND there is failure of the forward model en‐coded  in  the  cerebellar  system  (cerebellar‐thalamo‐cortical  loop)  to  adjust  to  these changes. In other words, the model predicts deranged functioning of the cerebellar sys‐tem in the presence of action tremor. This sits well with recent lines of evidence that PD rest  tremor  is  associated with  cerebellar  system dysfunction  and  that  action  tremor, through  its association with  rest  tremor, may  similarly  involve cerebellar  system dys‐function.13 The key evidence here is that lesioning of high frequency stimulation of the cerebellar receiving area of the thalamus is able to abolish tremor.  The second cause of action tremor is shown by the spiking model.  Rendering the spik‐ing model Parinsonian  results  in basal ganglia output being non‐zero  for  the selected channel.  Thus, the basal ganglia is still slightly inhibiting the motor cortical channel that                                                        13 Wu T1, Hallett M. The cerebellum in Parkinson's disease. Brain. 2013 Mar;136(Pt 3):696‐709.  Louis ED, Levy G, Côte LJ, Mejia H, Fahn S, Marder K. Clinical correlates of action tremor in Parkinson dis‐ease. Arch Neurol. 2001;58(10):1630–4.   

Page 59: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -59- UNITN  

is attempting to initiate the movement.  The effect of this imperfect gating of the motor command  is  that  the  level of activity  in motor cortex  is below what  it should be, and therefore the movement is slower than intended.  Furthermore, since the spiking mod‐el  is  stochastic,  the  firing  rate  in  the GPi  is noisy.    Thus,  in  the  Parkinsonian  spiking model a noisy signal is sent back to the motor cortex.  This noise is propagated through the optimal control model and appears as fluctuating speed of movement.  The predic‐tion of this mechanism is that the fluctuations in the speed profile should be stochastic.  It therefore seems plausible that both processes are present.  

  

Fig. 28 Stepped trajectories in the spiking model.  Column 1: Effect of reducing the planned duration of movement “T” (Healthy, T=0.35). Reducing T (T=0.25) gives rise to instability in the trajectory.  Column 2: GPi normalised firing rate activity in healthy model (top) and Parkinsonian model (bottom).  Column 3: Effect of reducing dopamine parameter on the movement trajectory with T=0.35. In PD (bottom) in‐sufficient disinhibition of motor cortex from GPi yields slowed movements.  Noise from the highly ac‐

tive GPi gives rise to fluctuations in the trajectory. 

 It is possible that these two processes are linked.  It may be that the noisy basal ganglia output  causes  the  likely duration of  the movement  to become  “unlearnable” by  the cerebellar forward model.   As the disease progresses, movements become slower but also noisier.  There may come a point when the cerebellum can no longer learn the in‐creased  value  of  “T”.  T  then  becomes  too  small  relative  to  the  real  duration  of  the movement, leading to the 6‐7Hz action tremor described above.   

3.5 Oculomotor model validation 

The oculomotor model,  constrained by known anatomy and neurophysiological data, was validated by its emergent behaviour. The model was tuned to produce saccades to a single luminance following fixation on a central, fixation luminance. Experiments were then run with the model to establish its behaviour under the well‐known gap, step and overlap paradigms. A gap trial  introduces a short gap between the  fixation  luminance being extinguished and the target luminance onset. An overlap trial has the fixation on‐set occurring before  the  fixation offset. Step  trials are  those  for which  fixation offset and target onset are concurrent.  

Page 60: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -60- UNITN  

Figure 28 shows the result of varying the gap for different target luminances presented at an angle of 12° to the  left, producing horizontal saccades. The results  indicate that where there  is an overlap between fixation and target (for negative values of the gap variable on  the  x‐axis), movement onset  latency  is  increased,  in  line with  the experi‐mental data of Reulen  (1984). The mechanism behind this phenomenon  is the diffuse excitation of SNr by the STN population during the overlap period, which works against the target luminance activity  in striatum, which  inhibits SNr  in the target region. Mini‐mal latencies are obtained for gaps exceeding 0.1 s, which is sufficient time for the ac‐tivity in STN associated with the fixation to have dropped to background levels.  

  

Fig. 29 Latency to saccade onset for a horizontal saccade of 12°. Results for 6 different target luminance values are shown; in each case the fixation luminance was 0.2 on the same, arbitrary scale. The hori‐zontal axis denotes the gap between fixation offset and target onset; negative values indicate an over‐

lap rather than a gap. A gap of 0 indicates a step paradigm. 

 To validate the correctness of the biomechanical part of the oculomotor model we con‐sidered the comparative study of the results it generates, to those obtained using other similar models of the respective literature. Such data however are not easy to be found. We  were  able  to  get  the  EOM  activations  for  one  horizontal  simulated  saccade  of known amplitude as it has been simulated buy the strand oculomotor model of Qi Wei 14. Next, we used those activations as input to our model and performed a forward sac‐cade simulation. The generated trajectory was finally evaluated on its physiological cor‐rectness and on its plausibility. The provided activations were fed to our model and the obtained simulated saccade trajectory is presented in Fig. 30. 

                                                       14Wei, Q., Sueda, S., & Pai, D. K. (2010). Physically based modelling and simulation of extra ocular mus‐

cles.  Progress  in  Biophysics  and  Molecular  Biology,  103(2–3),  273–283. http://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2010.09.002 

Page 61: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -61- UNITN  

  

Fig. 30 Simulated saccade trajectory obtained by using EOM activations of the strand oculomotor mod‐el of Qi Wei as input to our model. 

 The horizontal component curve of the 25deg simulated abduction matches  in all the features of a saccade that are available in the respective literature. More specifically:  

The duration of the saccade from the movement onset to the eyeball stabiliza‐

tion  is  in accordance with values from  literature.  In 15 Robinson states that the 

duration of a 25deg abduction saccade (temporal  in Robinson’s terminology)  is 

90msec, while our model executes the same saccade in 105 msec.  

                                                       15 ROBINSON, D. A. (1964). THE MECHANICS OF HUMAN SACCADIC EYE MOVEMENT. The Journal of Phys‐iology, 174, 245–264. http://doi.org/VL ‐ 174 

0 50 100 150 200 250 3000

0.2

0.4

0.6

0.8

time (msec)

Nor

mal

ized

EO

M A

ctiv

atio

n

Medial RectusLateral Rectus

Inferior Rectus

Superior Rectus

Superior ObliqueInferior Oblique

0 50 100 150 200 250 300-10

0

10

20

30

time (msec)

Rot

atio

n (d

eg)

Vertical rotation

Horizontal rotationTorsion

0 50 100 150 200 250 300-100

0

100

200

300

400

500

time (msec)

Eye

ball

Vel

ocity

(de

g/ra

d)

Velocity

Page 62: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -62- UNITN  

The bell shaped velocity profile  is also correct  [15], although  the peak value  is 

slightly  less than expected. This explains  in a degree the slightly  larger saccade 

duration than the expected one.  

Overshoot is not present, as it should be in a medium‐sized saccade (25deg). 

The other 2  rotation  components apart  from  the horizontal one are  correctly 

close to zero. 

The above  is an  indicative example of the forward saccade simulations that were exe‐cuted in the context of evaluating the biomechanical part of the oculomotor model. The model’s correct functionality has been tested  in several gaze positions both secondary and tertiary. 

3.6 Modelling anti‐saccades in Parkinson’s Disease 

In this section, we give a brief report of modelling results we have obtained very recent‐ly in order to develop an account of anti‐saccade phenomena.  They are predicated on extensions  of  the  basic  oculomotor model  that  incorporate  prefrontal  cortical  loops through basal ganglia, and their modulation of the lower (motoric level) level loop con‐taining frontal eye fields.   Interpreting these results requires a few key observations:  1 ‐ in PD, the number of antisaccade (AS) errors increases, the reaction time (RT) of cor‐rect AS increases, and the RT of prosaccades (PS) stays roughly constant.  2 ‐ there is suggestion in the literature that this is a result of PD affecting the ability of fixation neurons  in  the superior colliculus  (SC)  to  inhibit saccade neurons.   i.e.,  inhibi‐tion of saccade neurons is reduced, so pro‐saccade (PS) RTs don't decrease.  3  ‐ We've tested this  idea and  it didn't  look promising (see following), and also tested our own idea, that there is an increase in the responsiveness to phasic stimuli in the PD brain, to compensate for the slowing effects of a loss of DA, again meaning that PS RTs are maintained.  We've  implemented this by  increasing the weights  in the phasic, reti‐na‐SC‐thalamus pathway (although the mechanism is speculative)  4  ‐ AS errors can be driven by (at  least) two things.  A failure of working memory/top down processes, and a visual  system  that  is  too  responsive  to visual  stimuli  (this has been discussed in the literature)  5  ‐ Both  the  fixation‐inhibition‐loss  idea, and  the  increased‐response‐to‐phasic‐stimuli idea predict that there would be an increase in the number of the second type of error, but not the first.  Simulation results are in the graphs below.  The conditions are the same in each figure, abbreviations as follows:  PDe: Early PD, with our fast‐phasic‐path compensation PDl: Late PD, with our fast‐phasic‐path compensation 

Page 63: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -63- UNITN  

PDe DA: Early PD, with only DA reduction and no compensation PDl DA: Late PD, with only DA reduction and no compensation Fix  Inhib:   Healthy model  (no DA  loss),  including a  'hack' to simulate the  inhibitory ef‐fects of fixation neurons, because these weren't present in the base model FI PDe: Early PD, with the fixation‐inhibition‐loss compensation FI PDl: Late PD, with the fixation‐inhibition‐loss compensation  Graphs  show  results  from 5  simulations of 200  trials each,  so 1000  trials  total which have been randomly divided into 'bins' of 50 trials each.  A mean and SD for each 'bin' was calculated.  Bars show grand means, and error bars show the 'mean standard devi‐ation'  to  indicate  the  general  variability  of  the  results  (as  opposed  to  the  SD  of  the means, which would just show how 'accurate' our grand means were, which is not par‐ticularly interesting to us). 

Fig. 31 Mean error rate. Each bar shows average error rate of 20 groups of eye movements.  Error bars show average standard deviation. Each group contains 50 individual saccades.  For an anti‐saccade, 

subject is required to move away from the presented stimulus.  An error is recorded if the subject sac‐cades towards the stimulus. Y‐axis shows proportion of saccades that were recorded as errors (normal‐

ised).  See text for x‐axis label definitions. 

   

Page 64: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -64- UNITN  

 

Fig. 32 Mean reaction times.  Error bars show average standard deviation.  Top: Pro‐saccade.  Bottom: Anti‐saccade. 1000 eye movements, binned into groups of 50. See text for x‐axis label definitions.  Y‐

axis is reaction time in milliseconds. 

Page 65: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -65- UNITN  

Fig. 33 Comparison between model (top) and data (bottom).  Data from Kitagawa et al. (1994). 

Fig. 34 Analysis of the cause of errors.  Top: Prefrontal cortex error.  Bottom: Pro‐saccade being initiat‐ed too quickly. 

0

200

400

600

Controls Mild PD Severe PD

Prosaccades Antisaccades

0

20

40

60

Controls Mild PD SeverePD

0

100

200

300

400

500

Controls Mild PD Severe PD

0

20

40

60

Controls Mild PD Severe PD

Error  rates (%)

Saccade  latencies (ms)

Page 66: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -66- UNITN  

 Note that only our hypothesis (first three bars; fast‐phasic‐path compensation) can ac‐count  for the pattern of results seen  in PD across all of AS RTs, AS error rates and PS RTs.  Fig 33 shows a breakdown of the origin of the errors in each simulation ‐ i.e., the mean number of errors that were due to a failure of PFC, and those that were due to a pro‐saccade kicking in too fast.  Remember point 5 above suggests that in PD, there should be  an  increase  in  the  second  type,  where  the  first  type  should  stay  roughly  con‐sistent.  Again, our hypothesis is the only one that accounts for this prediction.  Without compensation, or with the fixation‐inhibition‐loss, the loss of DA slows things too much, so pro‐saccades always slow, meaning that they do not kick in fast enough to produce this second type of error.  

4 Evaluation of the NoTremor platform (line test)  User needs were assessed at the start of the project to guide the design and develop‐ment of the NoTremor framework.   Parkinson’s UK  led a    ‘Priority Setting Partnership’ to identify the top 10 unmet needs/research priorities in everyday management of the condition for people  living with Parkinson’s, their carers and health professionals. This process was carried out according to an internationally recognised process and involved over 1,000 people with Parkinson’s, their carers and health and social care profession‐als and provided a hugely rich dataset for NoTremor to define its user requirements ef‐fectively.  The  results  of  this  undertaking  have  been  previously  reported  (deliverable 1.2).  The top 10 research priorities identified reflect the complex and diverse range of chal‐lenges  that are  faced by people with  the condition.     These  include motor symptoms (balance  and  falls,  and  fine motor  control),  non‐motor  symptoms  (sleep  and  urinary dysfunction), mental health issues (stress and anxiety, dementia, and mild cognitive im‐pairments), side effects of medications (dyskinesia) and the need to develop more per‐sonalised  interventions specific  to  the different phenotypes of Parkinson’s and better monitoring methods.  It has been previously stated that of the top 10 priorities  identi‐fied  by  this  comprehensive methodology  four  have  particular  relevance  to  the  No‐Tremor project. These are: treating balance and falls, reducing dyskinesias,  identifying different  types of Parkinson’s e.g.  tremor dominant  to help  tailor  treatments and  im‐proving dexterity.  The evaluation of the NoTremor  integrated platform should be considered  in the con‐text of  these unmet needs of people affected by Parkinson’s,  their carer’s and health and social care professionals  

4.1 Focus group study   The Parkinson’s UK research support team has internationally acknowledged expertise in involving the voice of people affected by Parkinson’s in all aspects of research.    They 

Page 67: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -67- UNITN  

assessed the current status of the line test and advised on the appropriate assessment. As the most  likely application of the  line test  is not fully established  it was deemed to be too early to ask for assessment by healthcare professionals, as this would need to be within a defined context of use. Similarly, the utility in addressing specific unmet needs has yet to be elucidated.  An initial assessment of usability for the target population to inform  future development was  therefore recommended as the most appropriate ap‐proach.       To achieve this, two  focus groups were held.     The subjects were self‐selected  from a widely circulated request for volunteers and had received basic  information about the line  task  before  deciding  to  attend.  The  groups were  structured with  a  set  agenda, structured  feedback questionnaire and open questioning.   There were 5 or 6 partici‐pants  in each  focus group.   They ranged  in  time since diagnosis  from 3 months  to 11 years.  All had slowness of movement and 91% suffered from tremor.   The participants used the test on both the  laptop PC and an  I‐pad.   For each version, the test was used with both the dominant and non‐dominant hand and also with and without distractor line.  The subjects generally found the test easy and comfortable to use, particularly with the dominant hand.  The majority of participants thought that the red line distractor did not make it more difficult to use the test16 (dominant hand 100%, other hand 80%).  As no test data were collected during the focus groups we cannot confirm whether there was an unperceived  impact on reaction time, the NoTremor data  (section 2.6.2.2)  indicate that an effect is expected.     There were some practical problems experienced by the users with the iPAD version – the iPAD slid around when the test was in progress and also the stylus generally had to be held at the bottom of the screen otherwise the lines were obscured.  There were no comments regarding similar difficulties with the lap top version.    The participants would all be happy  to use  the  test on  their  routine  clinic  visit or at home once a week.  There was less support for using the test at home once a day. The discussion included a lot of questions about the exact purpose of the test.  Partici‐pants had a lot of questions about how it related to their particular symptoms (for ex‐ample would the assessment be equally valid for participants who had tremor in domi‐nant hand or non‐dominant hand only, or  for  those who did not have hand  tremor)?  The  impact of  non‐motor  symptoms was  also  raised.    They  also wanted more  infor‐mation about what they were aiming for – e.g. fastest possible response, most accurate response even if slower etc.  (This is not considered to be a discriminating factor based on the NoTremor line test data analyses, but users indicated that an objective would be good to have).  Improvement in response and/or accuracy over time was thought to be likely and participants’  impression was  that  the  test was more  like a  tool  to  improve motor  skills  (by  trying  to beat your own previous  results).     All wanted  to know how 

                                                       16 Interestingly, the objective measurements (see section 2.6 and Figs. 16‐21) reveal that there actually is a very important effect of the distractor, both in terms of reaction times and error rates. The subjective impressions of the persons that carried out the tests is incorrect. 

Page 68: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -68- UNITN  

feedback would be given – to their neurologist and to themselves17.   Other comments were:    the  stress of using  a device  and what happens  if  something  goes wrong,  the time/frequency required for the test needs to be realistic due to other commitments, the boredom factor also needs to be thought about.  There were several queries about whether an I‐phone version was a possibility (for the line test this would not be an op‐tion due to the small screen size).  The use by cohort study participants in Oxford, Santa Chiara and Thessaloniki, although not formally assessed, did not reveal any systematic problem. In particular, the subjects of  the S, Chiara Cohort, which were  involved  for a  long  time, had all opportunities  to ask clarifications on the use of the system (also they participated to two dissemination events  and  had much  clearer  explanation  of  the whole  system). Maybe  because  of these, no issue such as those of the focus group were raised.  A full report on the user assessment is available. 

4.2 Human factors and impact assessment 

 The unmet needs assessment carried out as part of this project gives an  indication of the potential opportunities to impact the management of Parkinson’s and this could be built on in the future by rigorous assessment of the utility of the line test together with the other Notremor outputs  in  the  clinical  setting.    Further development of  the No‐Tremor outputs needs to take into account the level of variability in the symptom pro‐file and experience of people affected by Parkinson’s – this is of key importance to both those with the condition and to the healthcare professionals involved in their manage‐ment.     This  issue was a key one raised by focus group participants.   Consideration of the  influence of non‐motor  symptoms on performance of  line  test  (e.g. cognitive  im‐pairment) should be considered.  Further development  should  also  take  into  account  the  regulatory  landscape  around devices to be used in a healthcare setting and also how this device compares with oth‐ers which are available/in development for use in Parkinson’s disease.   Involvement of people affected by Parkinson’s  is recognised by researchers  in academia,  industry and regulatory authorities, amongst others, as a key requirement at all stages in developing tools to aid diagnosis, monitoring and treatment of disease and should be  included  in any future development of the NoTremor platform.    Establishment  of  how  the NoTremor  outputs  can  be  integrated  into  the  day  to  day management of people affected by Parkinson’s will allow a  full assessment of the po‐tential impact.  

   

                                                       17 A general  lesson that can be drawn from these questions  is that subjects have great  interest  in what the new system actually is and how it works. The instructions and explanations given to the subject will have to be improved in actual development of the system for exploitation. 

Page 69: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -69- UNITN  

5 Conclusion The main project achievement is the development of a mathematical model for action‐selection and motor control that, by means of 4 parameters, models the (main) internal changes that occur in Parkinson’s disease (see discussion in section 2.2). One of these parameters (Da) represents the effects of loss of dopamine, two other pa‐rameters (dis and mpy) represent compensatory changes in connection strengths of the basal  ganglia  and  the  last  parameter  (T)  represents  cerebellar  adaptation  in motor planning. The model describes intentional motor control in finger aiming task. A one‐dimensional tablet‐based finger tracking task has been developed to measure the real behaviour of human (patients and control) and algorithms have been developed to use this observed behaviour to estimate the parameters of the subject. We have shown  the whole measurement‐estimation chain produces estimates of  the model parameters that, besides being plausible  (in particular the parameters respond according to accepted conceptual frameworks), also correlate with the UPDRS clinical. Hence NoTremor has developed a new tool to understand what happens in PD and, in particular, to estimate the internal states of the Parkinsonian brain (the model parame‐ters) with a simple motor test. The “line test” is indeed simple enough to allow monitor‐ing of patients with high frequency and accuracy. The application of NoTremor to a few use cases has provided very valuable insights into what happens in the basal ganglia while the disease progresses. With longitudinal stud‐ies, it will be possible to study the evolution of the disease in the 4 parameters disease space and,  for  a  long‐term goal,  to assess  the effectiveness of  treatments  in  shorter time and with greater confidence (the positive statistic correlations is an indication that the  overall  approach  shows  promise,  even  if  the  lumping  of  the  control  parameters might benefit from further exploration). A certain amount of noise is present and affects the system (noise in the clinical scales used  for comparison, noise  in measured  trajectories,  in  the  fitting process and  in  the model). However,  it has been  shown  that by averaging  several  trials  (e.g.,  like  in  the longitudinal monitoring use case) the amount of noise can be considerably reduced. In addition, future extensions and improvements are possible, but maybe the most im‐portant of these is the potential formulation of a mechanism explaining stepped trajec‐tories and action‐tremor (as opposed to resting tremor) as a failure of the cerebellum (caused by too much basal ganglia output noise) to estimate the necessary movement time.   

6 Appendix 1 Charts representing correlations between clinical scales, model parameters (individually considered) and other metrics for the line test. See section 2.5.3. A green ellipsis show good and significant correlation, a blue ellipsis show a lower correlation but remaining statistically significant, a cyan ellipsis show some correlation which however  lacks sta‐tistical significance, while the red ellipses indicate the absence of any significant corre‐lation  

Page 70: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -70- UNITN  

 

Fig. A1.1 ‐ Summary of correlation analysis for Oxford Discovery Cohort performed on subjects. UPDRS III correlates well with Purdue total, age, H&Y, as well as model’s mpy parameter. H&Y shows good 

correlation with age, disease duration onset/diag, Purdue total, getgo average and getgo best. Correla‐tion between model parameters is shown between Da‐taud, Da‐dis and dis‐T. Other significant correla‐

tions are found between taud‐disease duration onset, Da‐purdue assembly and T‐getgo‐best. 

 

Page 71: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -71- UNITN  

 

Fig. A1.2 ‐ Summary of correlation analysis for Oxford Discovery Cohort performed on subjects follow up 18 months. UPDRS III correlates well with age, as well as model’s dis parameter. H&Y does not show any significant correlation. Correlation between model parameters is shown between Da‐dis and mpy‐T. Other significant correlations are found between Purdue total‐flamingo time/EQ5D index, purdue 

assembly‐flamingo time and flamingo time‐EQ5D index. 

 

Page 72: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -72- UNITN  

 

Fig. A1.3 ‐ Summary of correlation analysis for Oxford Discovery Cohort performed on subjects follow up Levodopa OFF. There seem to be good correlation between different variables unfortunately, it is 

not statistically significant due to the low number of subjects. 

 

Page 73: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -73- UNITN  

 

Fig. A1.4 ‐ Summary of correlation analysis for Oxford Discovery Cohort performed on subjects follow up Levodopa ON. There seem to be good correlation between different variables unfortunately, it is 

not statistically significant due to the low number of subjects. 

 

Page 74: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -74- UNITN  

 

Fig. A1.5 ‐ Summary of correlation analysis for Oxford Discovery Cohort performed on controls. There seem to be good correlation between different variables unfortunately; it is not statistically significant 

due to the low number of subjects. 

Page 75: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -75- UNITN  

 

Fig.A1.6 ‐ Summary of correlation analysis for Oxford Surgery Cohort performed on OFF. Correlation between model parameters is shown between Da‐dis, Da‐mpy and dis‐mpy. 

 

Page 76: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -76- UNITN  

 

Fig. A1.7 ‐ Summary of correlation analysis for Oxford Surgery Cohort performed on ON. Correlation between model parameters is shown between Da‐dis. 

Page 77: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -77- UNITN  

 

Fig. A1.8 ‐ Summary of correlation analysis for Thessaloniki Cohort 1 performed on patients. H&Y does not show any significant correlation. Correlation between model parameters is shown between Da‐dis, 

Da‐mpy and less correlation between Da‐taud, dis‐mpy. 

 

Page 78: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -78- UNITN  

 

Fig. A1.9 ‐ Summary of correlation analysis for Thessaloniki Cohort 1 performed on controls. Correla‐tion between model parameters is shown between Da‐dis. 

 

Page 79: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -79- UNITN  

 

Fig. A1.10 ‐ Summary of correlation analysis for Thessaloniki Cohort 2 performed on patients. H&Y does not show any significant correlation. Correlation between model parameters is shown between 

Da‐dis. 

 

Page 80: NFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIESnotremor.eu/notremor/sites/default/files/documents/notremor-wp6_d6... · Mariolino De Cecco UNITN mariolino.dececco@unitn.it Paolo

NoTremor Deliverable D6.2 .2 -PU- Grant Agreement No. 610391

 

December, 31, 2016 -80- UNITN  

 

Fig. A1.11 ‐ Summary of correlation analysis for Thessaloniki Cohort 2 performed on controls. Correla‐tion between model parameters is shown between Da‐dis.