Summary

Effektivt optage øje-hånd koordination til isammenhæng spektrum

Published: March 21, 2019
doi:

Summary

Cerebral skade kan skade både okulær og somatiske motor systemer. Karakterisering af motorisk kontrol efter skade giver biomarkører, der kan hjælpe med sygdom afsløring, overvågning og prognosticering. Vi gennemgår en metode til at måle øje-hånd bevægelseskontrol i sundhed og patologiske isammenhæng med kig-og-nå paradigmer at vurdere koordinationen mellem øje og hånd.

Abstract

Den objektive analyse af øjenbevægelser har en betydelig historie og har været længe vist sig for at være et vigtigt søgeredskab i fastsættelsen af hjerneskade. Kvantitative optagelser har en stærk kapacitet til at screene diagnostisk. Samtidige undersøgelser af øjne og øvre lemmer bevægelser rettet mod fælles funktionelle mål (fx øje-hånd koordination) tjene som en ekstra robust biomarkør-laden stien til fange og afhøre neurale skade, herunder erhvervet hjerneskade (ABI ). Mens kvantitative dual-effektor optagelser i 3D råd til rige muligheder inden for okulær-manual motor undersøgelser i indstillingen af ABI, gennemførligheden af sådanne dual optagelser for både øje og hånd udfordrende i patologisk indstillinger, især da nærmede sig med forsknings-grade stringens. Her beskriver vi integrationen af en eye tracking system med en bevægelsessporing system primært tiltænkt lemmer kontrol forskning til at studere en naturlig adfærd. Protokollen giver mulighed for undersøgelse af ubegrænset, tre-dimensionelle (3D) øje-hånd koordination opgaver. Mere specifikt, gennemgår vi en metode til at vurdere øje-hånd koordination i visuelt guidede saccade at nå opgaver hos patienter med kronisk midterste cerebral arterien (MCA) slagtilfælde og sammenligne dem med raske kontrolpersoner. Særlig opmærksomhed er betalt til specifikke øje – og lemmer-tracking system ejendomme for at opnå high fidelity data fra deltagere efter skade. Sampling-hastighed, nøjagtighed, tilladte hoved bevægelsesområde givet forventede tolerance og gennemførligheden af anvendelsen var flere af de kritiske egenskaber i betragtning, når du vælger en øje tracker og en tilgang. Lemmer tracker blev udvalgt på grundlag af en lignende rubrikken men medtaget behovet for 3D optagelse, dynamiske samspil og en minituariseret fysiske fodaftryk. De kvantitative data forudsat ved denne metode og samlet tilgang, når udført korrekt har enormt potentiale til yderligere forfine vores mekanistiske forståelse af øje-hånd kontrol og hjælpe med at informere mulige diagnostiske og pragmatisk interventioner inden for den neurologiske og rehabiliterende praksis.

Introduction

Et vigtigt element i den neurologiske funktion er øje-hånd koordination eller integration af okulær og manuel motor systemer til planlægning og udførelse af kombinerede funktion mod et fælles mål, for eksempel, et kig, nå og snuppe på TV-fjernbetjeningen. Mange målrettede opgaver afhænger visuelt guidede handlinger, såsom at nå, gribe, objektmanipulation og værktøj bruger, hvilke hængsel på tidsmæssigt og rumligt koblede øje og hånd bevægelser. Erhvervede hjerneskader (ABI) forårsage ikke kun lemmer dysfunktion, men også okulær dysfunktion; for nylig, er der også beviser peger på dysfunktion af øje-hånd koordination1. Koordineret øje-hånd motorisk kontrolprogrammer er modtagelige for fornærmelse i Neurologiske skader fra kar, traumatisk og degenerative etiologies. Disse fornærmelser kan forårsage en opdeling mellem et af de uundværlige forhold behov for integrerede og hurtige motorisk kontrol2,3,4,5,6. Mange undersøgelser på den manuelle motorik er afsluttet og har gearede visuel vejledning som en kerne søjle af paradigme uden en metode eller protokol til at analysere øjenbevægelser samtidigt.

I ABI, er iøjnefaldende motor underskud ofte fundet under den sengelamper kliniske undersøgelse. Men samtidige okulær motoriske funktionsnedsættelser og komplekse funktionsnedsættelse involverer integration af sensoriske og motoriske systemer kan være subklinisk og nødvendiggøre objektive optagelse for at være identificeret7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16. Okulær-manual motor koordinering afhænger af et stort og sammenkoblede cerebral netværk, fremhæve behovet for en detaljeret undersøgelse. En øje-hånd koordination evaluering med dobbelt objektive optagelser giver mulighed for analyse både kognitive og motoriske funktion i flere befolkningsgrupper, herunder raske kontrolpersoner og patienter med en historie af hjerneskade, hvilket giver indsigt i cerebral kredsløb og funktion3.

Mens saccades er ballistiske bevægelser, der kan variere i amplitude afhængigt af opgaven behøver, undersøgelser har vist afhængigheder mellem saccade og hånd bevægelse under visuelt guidede aktion17,18,19, 20. I virkeligheden, seneste eksperimenter har vist, at kontrolsystemer for begge bevægelser del planlægning ressourcer21,22. Motor planlægning hub for øje-hånd koordination ligger i den bageste parietal cortex. I et strøg er der velkendte underskud i motorisk kontrol; hemiparetic patienter har vist sig at generere unøjagtige forudsigelser givet et sæt af neurale kommandoer, når bedt om at udføre visuelt guidede håndbevægelser, ved hjælp af enten mere påvirket (kontralaterale) eller mindre påvirket (ipsilaterale) lemmer23 ,24,25,26,27,28,29. Derudover er øje-hånd koordination og relaterede motorisk kontrolprogrammer modtagelige for fornærmelse efter Neurologiske skader, afkobling relationer, tidsmæssigt og rumligt, mellem effektorer30. Objektive optagelser af øje og hånd kontrol er altafgørende at karakterisere isammenhæng eller graden af koordinering værdiforringelse og forbedrer den videnskabelige forståelse af øje-hånd motor kontrolmekanisme i en funktionel sammenhæng.

Selvom der er mange undersøgelser af øje-hånd koordination i raske kontrolpersoner17,31,32,33,34, har vores gruppe avanceret feltet af vores indstilling af neurologisk skade, for instans under slagtilfælde kredsløb vurdering, har undersøgt den rumlige og tidsmæssige tilrettelæggelse af håndbevægelser, ofte i forbindelse med visuelt viste rumlige mål. Undersøgelser, der har udvidet den objektive karakterisering til øje og hånd har næsten udelukkende fokuseret på performance kapacitet til at optage både effektorer efter slagtilfælde eller patologiske indstillinger; den beskrevne protokol giver mulighed for robust karakterisering af okulær og manuel motorisk kontrol i uhindret og naturlige bevægelser. Her beskriver vi teknik i en undersøgelse af visuelt guidede saccade at nå bevægelser hos patienter med kronisk midterste cerebral arterien (MCA) slagtilfælde i forhold til raske kontrolpersoner. Til simultan optagelse af saccade og reach anvender vi samtidige øje og hånd motion tracking.

Protocol

1. deltager Rekruttere kontrol deltagere ældre end 18 år, uden en historie af neurologiske dysfunktion, betydelige øjenskader, betydelig depression, store handicap og/eller elektriske implantater. Rekruttere slagtilfælde deltagere ældre end 18 år, med en anamnese med hjerneskade i den midterste cerebral arterie (MCA) distribution, har evnen til at fuldføre den Fugl-Meyer skala, opretholde en bred vifte af øje bevægelser35,36, har den …

Representative Results

30 deltagere deltog i undersøgelsen. Der var 17 deltagere i kontrol kohorte, og 13 deltagere i slagtilfælde kohorte. To deltagere kunne ikke afslutte hele eksperimentet, så deres data blev udelukket fra analysen. Demografi og spørgeskema vurderinger Tabel 1 viser de kliniske og demografiske karakteristika som repræsentative slagti…

Discussion

Fremkomsten af øje og hånd sporingssystemer som tilgængelige værktøjer for objektivt at udforske Karakteristik af okulære-manual motor systemer har fremskyndet forskningsundersøgelser, muliggør en nuanceret optagelse tilgang for en væsentlig opgave i daglige aktiviteter – øje-hånd koordination. Mange naturlige action-afhængige opgaver styres visuelt og afhænge af vision som en primære sensoriske input. Blik er programmeret gennem okulær motoriske kommandoer, som punkt centrale syn på centrale rumlige m?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi vil gerne takke Dr. Tamara Bushnik og NYULMC Rusk Research Team for deres tanker, forslag og bidrag. Denne forskning blev støttet af 5K 12 HD001097 (til J-RR, MSL og PR).

Materials

27.0" Dell LED-Lit monitor  Dell S2716DG QHD resolution (2560 x 1440)
ASUS ROG G750JM 17-Inch  AsusTek Computer Inc
Eye Link II SR-Research 500 Hz binocular eye monitoring
0.01 º RMS resolutions
Matlab MathWorks
Polhemus MicroSensor 1.8  Polhemus 240 Hz, 0.08 cm accuracy

Referências

  1. Rizzo, J. R., et al. Eye Control Deficits Coupled to Hand Control Deficits: Eye-Hand Incoordination in Chronic Cerebral Injury. Frontier in Neurology. 8, 330 (2017).
  2. Leigh, R. J., Kennard, C. Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences. Brain. 127 (3), 460-477 (2004).
  3. White, O. B., Fielding, J. . Cognition and eye movements: assessment of cerebral dysfunction. , (2012).
  4. Anderson, T. Could saccadic function be a useful marker of stroke recovery?. Journal Neurology Neurosurgery Psychiatry. 84 (3), 242 (2013).
  5. Dong, W., et al. Ischaemic stroke: the ocular motor system as a sensitive marker for motor and cognitive recovery. Neurology Neurosurgery Psychiatry. 84 (3), 337-341 (2013).
  6. Abend, W., Bizzi, E., Morasso, P. Human arm trajectory formation. Brain. 105 (Pt 2), 331-348 (1982).
  7. Agrawal, Y., et al. Evaluation of quantitative head impulse testing using search coils versus video-oculography in older individuals. Otology & neurotology : official publication of the American Otological Society, American Neurotology Society [and] European Academy of Otology and Neurotology. 35 (2), 283-288 (2014).
  8. Eggert, T. Eye movement recordings: methods. In Neuro-Ophthalmology. 40, 15-34 (2007).
  9. Houben, M. M., Goumans, J., vander Steen, J. Recording three-dimensional eye movements: scleral search coils versus videooculography. Investigative ophthalmology & visual science. 47 (1), 179-187 (2006).
  10. Imai, T., et al. Comparing the accuracy of video-oculography and the scleral search coil system in human eye movement analysis. Auris, nasus, larynx. 32 (1), 3-9 (2005).
  11. Kimmel, D. L., Mammo, D., Newsome, W. T. Tracking the eye non-invasively: simultaneous comparison of the scleral search coil and optical tracking techniques in the macaque monkey. Frontiers in behavioral neuroscience. 6, 49 (2012).
  12. McCamy, M. B., et al. Simultaneous recordings of human microsaccades and drifts with a contemporary video eye tracker and the search coil technique. PLoS One. 10 (6), e0128428 (2015).
  13. Stahl, J. S., van Alphen, A. M., De Zeeuw, C. I. A comparison of video and magnetic search coil recordings of mouse eye movements. Journal of Neuroscience Methods. 99 (1-2), 101-110 (2000).
  14. van der Geest, J. N., Frens, M. A. Recording eye movements with video-oculography and scleral search coils: a direct comparison of two methods. Journal of Neuroscience Methods. 114 (2), 185-195 (2002).
  15. Yee, R. D., et al. Velocities of vertical saccades with different eye movement recording methods. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 26 (7), 938-944 (1985).
  16. Machado, L., Rafal, R. D. Control of fixation and saccades during an anti-saccade task: an investigation in humans with chronic lesions of oculomotor cortex. Experimental Brain Research. 156 (1), 55-63 (2004).
  17. Fisk, J. D., Goodale, M. A. The organization of eye and limb movements during unrestricted reaching to targets in contralateral and ipsilateral visual space. Experimental Brain Research. 60 (1), 159-178 (1985).
  18. Neggers, S. F., Bekkering, H. Ocular gaze is anchored to the target of an ongoing pointing movement. Journal of Neurophysiology. 83 (2), 639-651 (2000).
  19. Neggers, S. F., Bekkering, H. Gaze anchoring to a pointing target is present during the entire pointing movement and is driven by a non-visual signal. Journal of Neurophysiology. 86 (2), 961-970 (2001).
  20. Neggers, S. F., Bekkering, H. Coordinated control of eye and hand movements in dynamic reaching. Human Movement Science. 21 (3), 349-376 (2002).
  21. Prablanc, C., Echallier, J. E., Jeannerod, M., Komilis, E. Optimal response of eye and hand motor systems in pointing at a visual target. II. Static and dynamic visual cues in the control of hand movement. Biological Cybernetic. 35 (3), 183-187 (1979).
  22. Prablanc, C., Echallier, J. F., Komilis, E., Jeannerod, M. Optimal response of eye and hand motor systems in pointing at a visual target. I. Spatio-temporal characteristics of eye and hand movements and their relationships when varying the amount of visual information. Biological Cybernetic. 35 (2), 113-124 (1979).
  23. Beer, R. F., Dewald, J. P., Rymer, W. Z. Deficits in the coordination of multijoint arm movements in patients with hemiparesis: evidence for disturbed control of limb dynamics. Experimental Brain Research. 131 (3), 305-319 (2000).
  24. Fisher, B. E., Winstein, C. J., Velicki, M. R. Deficits in compensatory trajectory adjustments after unilateral sensorimotor stroke. Experimental Brain Research. 132 (3), 328-344 (2000).
  25. McCrea, P. H., Eng, J. J. Consequences of increased neuromotor noise for reaching movements in persons with stroke. Experimental Brain Research. 162 (1), 70-77 (2005).
  26. Tsang, W. W., et al. Does postural stability affect the performance of eye-hand coordination in stroke survivors?. American journal of physical medicine & rehabilitation / Association of Academic Physiatrists. 92 (9), 781-788 (2013).
  27. Velicki, M. R., Winstein, C. J., Pohl, P. S. Impaired direction and extent specification of aimed arm movements in humans with stroke-related brain damage. Experimental Brain Research. 130 (3), 362-374 (2000).
  28. Wenzelburger, R., et al. Hand coordination following capsular stroke. Brain. 128 (Pt 1), 64-74 (2005).
  29. Zackowski, K. M., Dromerick, A. W., Sahrmann, S. A., Thach, W. T., Bastian, A. J. How do strength, sensation, spasticity and joint individuation relate to the reaching deficits of people with chronic hemiparesis?. Brain. 127 (Pt 5), 1035-1046 (2004).
  30. Rizzo, J. R., et al. The Intersection between Ocular and Manual Motor Control: Eye-Hand Coordination in Acquired Brain Injury. Frontiers in Neurology. 8, 227 (2017).
  31. Horstmann, A., Hoffmann, K. P. Target selection in eye-hand coordination: Do we reach to where we look or do we look to where we reach?. Experimental Brain Research. 167 (2), 187-195 (2005).
  32. Johansson, R. S., Westling, G., Backstrom, A., Flanagan, J. R. Eye-hand coordination in object manipulation. Journal of Neuroscience. 21 (17), 6917-6932 (2001).
  33. Belardinelli, A., Herbort, O., Butz, M. V. Goal-oriented gaze strategies afforded by object interaction. Vision Research. 106, 47-57 (2015).
  34. Brouwer, A. M., Franz, V. H., Gegenfurtner, K. R. Differences in fixations between grasping and viewing objects. Journal of Vision. 9 (1), (2009).
  35. de Oliveira, R., Cacho, E. W., Borges, G. Post-stroke motor and functional evaluations: a clinical correlation using Fugl-Meyer assessment scale, Berg balance scale and Barthel index. Arquivos de Neuro-Psiquiatria. 64 (3B), 731-735 (2006).
  36. Page, S. J., Fulk, G. D., Boyne, P. Clinically important differences for the upper-extremity Fugl-Meyer Scale in people with minimal to moderate impairment due to chronic stroke. Physical Therapy. 92 (6), 791-798 (2012).
  37. Rizzo, J. R., et al. The Intersection between Ocular and Manual Motor Control: Eye-Hand Coordination in Acquired Brain Injury. Frontiers in neurology. 8, 227 (2017).
  38. Folstein, M. F., Folstein, S. E., McHugh, P. R. Mini-mental state: a practical method for grading the cognitive state of patients for the clinician. Journal of psychiatric research. 12 (3), 189-198 (1975).
  39. Brajkovich, H. L. Dr. Snellen's 20/20: the development and use of the eye chart. The Journal of school health. 50 (8), 472-474 (1980).
  40. Kalloniatis, M., Luu, C. . Visual acuity. , (2007).
  41. Brenton, R. S., Phelps, C. D. The normal visual field on the Humphrey field analyzer. Ophthalmologica. 193, 56-74 (1986).
  42. Kerr, N. M., Chew, S. S. L., Eady, E. K., Gamble, G. D., Danesh-Meyer, H. V. Diagnostic accuracy of confrontation visual field tests. Neurology. 74 (15), 1184-1190 (2010).
  43. Ferber, S., Karnath, H. -. O. How to assess spatial neglect-line bisection or cancellation tasks?. Journal of clinical and experimental. 23 (5), 599-607 (2001).
  44. Sutton, G. P., et al. Beery-Buktenica Developmental Test of Visual-Motor Integration performance in children with traumatic brain injury and attention-deficit/hyperactivity disorder. Psychological assessment. 23 (3), 805-809 (2011).
  45. Cavina-Pratesi, C., Hesse, C. Why do the eyes prefer the index finger? Simultaneous recording of eye and hand movements during precision grasping. Journal of Visualized Experiments. 13 (5), (2013).
  46. Bekkering, H., Adam, J. J., van den Aarssen, A., Kingma, H., Whiting, H. T. Interference between saccadic eye and goal-directed hand movements. Experimental Brain Research. 106 (3), 475-484 (1995).
  47. Jonikaitis, D., Schubert, T., Deubel, H. Preparing coordinated eye and hand movements: dual-task costs are not attentional. Journal of Visualized Experiments. 10 (14), 23 (2010).
  48. Rizzo, J. -. R., et al. eye control Deficits coupled to hand control Deficits: eye–hand incoordination in chronic cerebral injury. Frontiers in Neurology. 8, 330 (2017).
  49. Aravind, G., Lamontagne, A. Dual tasking negatively impacts obstacle avoidance abilities in post-stroke individuals with visuospatial neglect: Task complexity matters!. Restorative Neurology and Neurosciences. 35 (4), 423-436 (2017).
  50. Bhatt, T., Subramaniam, S., Varghese, R. Examining interference of different cognitive tasks on voluntary balance control in aging and stroke. Experimental Brain Research. 234 (9), 2575-2584 (2016).
  51. Shafizadeh, M., et al. Constraints on perception of information from obstacles during foot clearance in people with chronic stroke. Experimental Brain Research. 235 (6), 1665-1676 (2017).
  52. Heitger, M. H., et al. Eye movement and visuomotor arm movement deficits following mild closed head injury. Brain. 127 (Pt 3), 575-590 (2004).
  53. Goodale, M. A., Pelisson, D., Prablanc, C. Large adjustments in visually guided reaching do not depend on vision of the hand or perception of target displacement. Nature. 320 (6064), 748 (1986).
  54. Maruta, J., Suh, M., Niogi, S. N., Mukherjee, P., Ghajar, J. Visual tracking synchronization as a metric for concussion screening. Journal of Head Trauma Rehabilitation. 25 (4), 293-305 (2010).
  55. Suh, M., Kolster, R., Sarkar, R., McCandliss, B., Ghajar, J. Deficits in predictive smooth pursuit after mild traumatic brain injury. Neurosci Lett. 401 (1-2), 108-113 (2006).
  56. Suh, M., et al. Increased oculomotor deficits during target blanking as an indicator of mild traumatic brain injury. Neurosciences Letters. 410 (3), 203-207 (2006).
  57. Heitger, M. H., Jones, R. D., Anderson, T. J. A new approach to predicting postconcussion syndrome after mild traumatic brain injury based upon eye movement function. Conference Proceedings IEEE Engineering in Medicine Biological Society. , 3570-3573 (2008).
  58. Heitger, M. H., et al. Impaired eye movements in post-concussion syndrome indicate suboptimal brain function beyond the influence of depression, malingering or intellectual ability. Brain. 132 (Pt 10), 2850-2870 (2009).
  59. Carrasco, M., Clady, X. Prediction of user’s grasping intentions based on eye-hand coordination. IEEE/RSJ International Conference. , 4631-4637 (2010).
  60. Cognolato, M., Atzori, M., Müller, H. Head-mounted eye gaze tracking devices: An overview of modern devices and recent advances. Journal of Rehabilitation and Assistive Technologies Engineering. 5, 2055668318773991 (2018).
  61. Evans, K. M., Jacobs, R. A., Tarduno, J. A., Pelz, J. B. Collecting and analyzing eye tracking data in outdoor environments. Journal of Eye Movement Research. 5 (2), 6 (2012).
check_url/pt/58885?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Rizzo, J., Beheshti, M., Fung, J., Rucker, J. C., Hudson, T. E. Efficiently Recording the Eye-Hand Coordination to Incoordination Spectrum. J. Vis. Exp. (145), e58885, doi:10.3791/58885 (2019).

View Video