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Making the “lazy” eye work: video game induced brain plasticity in amblyopia

English title Making the “lazy” eye work: video game induced brain plasticity in amblyopia
Applicant Draganski Bogdan
Number 190185
Funding scheme Spark
Research institution Laboratoire de Recherche en Neuroimagerie Departement de Neuroscience Cliniques CHUV
Institution of higher education University of Lausanne - LA
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.03.2020 - 30.04.2021
Approved amount 108'267.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Neurophysiology and Brain Research
Ophthalmology

Keywords (5)

Amblyopia; Training; Neuroplasticity; Stereopsis; Neuroimaging

Lay Summary (German)

Lead
Die Amblyopie, auch bekannt als "träges Auge", betrifft ca 5% der Bevölkerung. Sie kommt nicht nur mit einer Störung des Sehvermögens her, sondern auch mit Einschränkungen im alltäglichen Leben - Orientierung im schwierigen Gelände, diverse Ballspiele oder Sicherheit im Strassenverkehr. In den letzten Jahren wurde das etablierte Therapiekonzept des Verdeckens vom gesunden Auge infrage gestellt. Theoretische Modelle und erste empirische Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass im Therapieprozess gleichzeitige Ubungen beider Augen wichtig sind.
Lay summary
In unserer Studie wollen wir zwei Fragen beantworten - zum einen, ob dichoptisches Training (getrennte Präsentation von Bildern an jedem Auge) zu einer Verbesserung des räumlichen Sehvermögens führt und zum anderen, ob dies bei Erwachsenen weit über die sogenannte kritische Periode für die Hirnplastizität (1-6 Jahre alt) möglich ist.
Als dichoptisches Training wird 4 Wochen lang auf alltägliche Basis 1 Stunde lang eine modifizierte Version des elektronischen Spiels PacMan gespielt. Hierbei werden die Farben der graphischen Elemente so verändert, dass Spielkomponente (Labyrinth, PacMan, Geister) durch die dichoptische Gläser (links - blau, rechts - rot), separat an jedem Auge präsentiert werden. Das individuelle Verhalten - Reaktionsvermögen, Punktezahl etc., werden hierbei automatisch ausgelesen und gespeichert. Vor und nach der Trainingperiode erfolgt eine fachärztliche Augenarztuntersuchung sowie ein Test für räumliches Sehevermögen am 3D Kompüter.         
Als objektive Methode für die Detektion von plastischen Veränderungen im Gehirn, benutzen wir die nichtinvasive Magnetresonanztomographie. Es werden 4 Untersuchungen durchgeführt - vor, während und nach der Trainigsphase. Hierbei werden neuartige Bildgebungsverfahren benutzt, die detailierte Information über Hirngewebseigenschaften (Myelin, Eisen und Wasser) und die Funktion der Sehrinde liefern. 
Die Ergebnisse werden zusammen mit den Kollegen von der Ophthalmologie ausgewertet. Statistische Verfahren sollten eine Differenzierung zwischen Gruppenresultate und Ergebnisse bei dem Einzelnen liefern, die uns nicht nur neuartige Informationen über die Hirnplastizität hergibt, aber auch klinische Relevanz für potentielle therapeutische Ansätze mit sich bringt. 
Direct link to Lay Summary Last update: 31.01.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Unraveling brain interactions in vision: The example of crowding
Jastrzębowska Maya A., Chicherov Vitaly, Draganski Bogdan, Herzog Michael H. (2021), Unraveling brain interactions in vision: The example of crowding, in NeuroImage, 240, 118390-118390.
Brain plasticity dynamics during tactile Braille learning in sighted subjects: Multi-contrast MRI approach
Matuszewski Jacek, Kossowski Bartosz, Bola Łukasz, Banaszkiewicz Anna, Paplińska Małgorzata, Gyger Lucien, Kherif Ferath, Szwed Marcin, Frackowiak Richard S., Jednoróg Katarzyna, Draganski Bogdan, Marchewka Artur (2021), Brain plasticity dynamics during tactile Braille learning in sighted subjects: Multi-contrast MRI approach, in NeuroImage, 227, 117613-117613.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Nencki Institut Poland (Europe)
- Publication
EPFL Switzerland (Europe)
- Publication

Abstract

Amblyopia affects 3% of the general population and has significant impact not only on visual acuity and stereoscopic function, but also on broader aspects of brain function - navigating complex terrain or playing ball games and sports, to name a few. Recent developments in the treatment of amblyopia suggest that by targeting deficient binocular summation and suppression mechanisms, amblyopic eye function can be improved past the critical period of development into adolescence and adulthood. A number of striate and extra-striate visual regions have been reported as dysfunctional in amblyopes and some of these regions are also known to underlie binocular visual function in healthy individuals.The project builds on our promising preliminary results on the effects of dichoptic training on amblyopia and on brain plasticity in the mature human brain. We intend to train amblyopic subjects and matched controls on a dichoptic visual task while tracking functional and microstructural brain changes with clinical, behavioural and longitudinal neuroimaging data. In this way we endeavour to monitor the neuroplastic changes underlying functional recovery in amblyopia, shedding light onto the propensity for plastic reorganization in the mature human brain. Main aim of the project is to investigate the potential of non-invasive visual training to restore stereoscopic vision in patients with amblyopia. The secondary goals are to establish a comprehensive approach for understanding the neurobiology of training-induced neuroplasticity based on quantification of specific tissue properties - myelin, iron and water content additional to investigation of associated neural activity changes. Relaxometry-based, diffusion-weighted and functional magnetic resonance imaging (MRI) are applied to assess the anatomical and functional changes associated with plasticity within specific networks. Finally, we integrate multi-modal imaging and behavioural data into a comprehensive generative model of brain plasticity to infer causality between visual function remodelling, and changes in brain structure and function.The project represents a truly synergistic interaction between unique clinical expertise in ophthalmology and imaging neuroscience. Given the high prevalence of amblyopia and its impact on individual’s health and well-being, any advance in our knowledge about patient selection, treatment monitoring and effects on the brain will have immediate positive impact on society and research.
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