Efficiënt opname de oog-Hand coördinatie tot incoördinatie Spectrum
Summary
Cerebrale schade kan schade aan zowel somatische als oogbeschadigingen en/of motor systemen. Karakterisering van motorische controle na verwonding biedt biomarkers die bij de opsporing van de ziekte helpen, monitoring en prognose. We bekijken een methode voor het meten van de controle van de verplaatsingen van de oog-hand in gezondheid en pathologische incoördinatie, met blik-en-bereiken paradigma’s te beoordelen van de coördinatie tussen oog en hand.
Abstract
De objectieve analyse van oogbewegingen heeft een grote geschiedenis en lang heeft bewezen een belangrijk onderzoek instrument in het kader van hersenletsel. Kwantitatieve opnamen hebben een sterke capaciteit om diagnostically te sluiten. Gelijktijdige onderzoeken van het oog en de bewegingen van de bovenste extremiteit gericht op gemeenschappelijke functionele doelen (bijvoorbeeld oog-hand coördinatie) dienen als een extra robuuste biomerker-beladen pad te vangen en ondervragen neurale letsel met inbegrip van verworven hersenletsel (ABI ). Terwijl kwantitatieve dual-effector opnamen in 3-D volop kansen binnen oculair-manual motor onderzoeken in de omgeving van ABI veroorloven, is de haalbaarheid van dergelijke dubbele opnames voor zowel oog en hand uitdagend in pathologische instellingen, met name toen benaderd met onderzoek-grade strengheid. Hier beschrijven we de integratie van gaten tracking systeem met een motion tracking systeem voornamelijk bedoeld voor ledemaat automatiseringsonderzoek te bestuderen van een natuurlijke gedrag. Het onderzoek van onbeperkte, driedimensionale (3D) oog-hand coördinatietaken kunnen via het protocol. Meer in het bijzonder, bekijken we een methode voor het beoordelen van de oog-hand coördinatie in visueel begeleide saccade bereikbare taken bij patiënten met chronische middelste cerebrale slagader (MCA) beroerte en vergelijk deze met gezonde controles. Speciale aandacht besteed aan de specifieke oog – en ledematen-tracking Systeemeigenschappen HiFi om gegevens te verkrijgen van de deelnemers na schade. Sampling-snelheid, nauwkeurigheid, bereik van de toelaatbare hoofd verkeer gegeven verwachte tolerantie en de haalbaarheid van gebruik werden verschillende de kritieke eigenschappen beschouwd bij het selecteren van een oog tracker en een aanpak van. De ledemaat tracker werd geselecteerd op basis van een soortgelijk rubriek maar de noodzaak van 3-D opname, dynamische interactie en een verkleinde fysieke voetafdruk opgenomen. De kwantitatieve gegevens mits door deze methode en de algemene benadering wanneer correct uitgevoerd enorm potentieel verder heeft verfijnen van ons mechanistische begrip van oog-handbediening en helpen informeren haalbaar diagnostische en pragmatische interventies binnen de praktijk van neurologische en rehabilitatie.
Introduction
Een cruciaal onderdeel van de neurologische functie is oog-hand coördinatie of de integratie van oculaire en handmatige motor systemen voor de planning en uitvoering van gecombineerde functie naar een gemeenschappelijk doel, bijvoorbeeld, een blik, bereiken en grijpen van de externe televisie. Vele doelgerichte taken is afhankelijk van visueel geleide acties, zoals bereiken, grijpen, object manipulatie en tool gebruiken, welke scharnier op de stoffelijk als ruimtelijk gekoppelde oog en hand bewegingen. Verworven hersenletsel (ABI) veroorzaken niet alleen ledemaat dysfunctie, maar ook oogbeschadigingen en/of disfunctie; meer onlangs, er is ook bewijs wijst naar de disfunctie van de oog-hand coördinatie1. Gecoördineerde oog-hand motorische controle programma’s zijn vatbaar voor beledigen in neurologische letsels van degeneratieve, vasculaire en traumatische etiologie. Deze beledigingen kunnen leiden tot een verdeling tussen een van de onmisbare relaties die nodig zijn voor de geïntegreerde en snelle motorische controle2,3,4,5,6. Vele studies over de handmatige motor functie hebben vervuld en visuele begeleiding als een pijler van de kern van het paradigma zonder een methode of het protocol om te analyseren oogbewegingen gelijktijdig hebben leveraged.
In ABI, worden opvallende motor tekorten vaak gedetecteerd tijdens het bed klinisch onderzoek. Echter, gelijktijdige oogbeschadigingen en/of motorische beperking en complexe bijzondere waardeverminderingen met betrekking tot de integratie van sensorische en motorische systemen kunnen worden subklinische en objectieve opname te geïdentificeerde7,8,9, dienen te worden 10,11,12,13,14,15,16. Oculair-manual motor coördinatie is afhankelijk van een groot en onderling verbonden cerebrale netwerk, gewezen op de noodzaak voor een gedetailleerde studie. Een oog-hand coördinatie evaluatie met dubbele objectieve opnames biedt een kans om de gehaltebepaling van zowel cognitieve en motorische functie in meerdere bevolking, met inbegrip van gezonde controles en onderwerpen met een geschiedenis van hersenletsel, waardoor inzicht in cerebrale circuits en functie3.
Hoewel saccades ballistische bewegingen die in amplitude afhankelijk van taak variëren kunnen nodig, studies hebben aangetoond afhankelijkheden tussen saccade en hand beweging tijdens visueel begeleide actie17,18,19, 20. In feite recente experimenten hebben aangetoond dat de controlesystemen voor beide bewegingen planning middelen21,22 delen. De motor planning hub voor oog-hand coördinatie ligt in de achterste pariëtale cortex. In een penseelstreek zijn er bekende tekorten in motorische controle; hemiparetic patiënten zijn gebleken voor het genereren van onjuiste voorspellingen gegeven een verzameling van neurale opdrachten, wanneer gevraagd op te treden visueel begeleide handbewegingen, (contralaterale) met behulp van hetzij de meer getroffen of minder ledemaat (ipsilaterale)23 getroffen ,24,25,26,27,28,29. Bovendien, oog-hand coördinatie en verwante motorische controle programma’s zijn vatbaar voor belediging na neurologische letsels, ontkoppeling van de relaties, stoffelijk en ruimtelijk, tussen effectoren30. Objectieve opnames van oog en hand control zijn essentieel voor het karakteriseren van de incoördinatie of de mate van coördinatie stoornis zijn en verbetert het wetenschappelijk begrip van de oog-hand motorische controlemechanisme in een functionele context.
Hoewel er vele studies van oog-hand coördinatie in gezonde controles17,31,32,33,34, heeft onze fractie het veld schoof van onze instelling van neurologische schade, voor aanleg tijdens beroerte circuits beoordeling, de ruimtelijke en temporele ordening der handbewegingen, vaak in reactie op visueel weergegeven ruimtelijke doelen hebben onderzocht. Studies die de karakterisering van het objectieve hebben uitgebreid tot oog en hand hebben vrijwel uitsluitend gericht op de capaciteit van de prestaties record die beide effectoren na beroerte of pathologische instellingen; robuuste karakterisering van handmatige en oogbeschadigingen en/of motorische controle in onbeperkte en natuurlijke bewegingen kunnen de beschreven-protocol. Hier beschrijven we de techniek in een onderzoek van visueel-geleide saccade bereikbare bewegingen bij patiënten met chronische middelste cerebrale slagader (MCA) beroerte ten opzichte van gezonde controles. Voor de gelijktijdige opname van saccade en bereik hanteren wij gelijktijdige oog en het bijhouden van de beweging van de hand.
Protocol
Representative Results
Discussion
De komst van oog en hand volgsystemen als beschikbare hulpmiddelen voor objectief het verkennen van de kenmerken van oculaire-manual motor systemen heeft versneld onderzoek, waardoor een genuanceerde aanpak voor een essentiële taak in dagelijkse activiteiten – opname oog-hand coördinatie. Veel natuurlijke actie-afhankelijke taken visueel worden geleid en afhankelijk van visie als een primaire sensorische input. Blik is geprogrammeerd door oogbeschadigingen en/of motor opdrachten die centrale visie op belangrijke ruim…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We zouden graag bedanken Dr. Tamara Bushnik en het NYULMC Rusk onderzoeksteam voor hun gedachten, suggesties en bijdragen. Dit onderzoek werd gesteund door 5K 12 HD001097 (naar J-RR MSL en 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 |
References
- 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).
- Leigh, R. J., Kennard, C. Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences. Brain. 127 (3), 460-477 (2004).
- White, O. B., Fielding, J. . Cognition and eye movements: assessment of cerebral dysfunction. , (2012).
- Anderson, T. Could saccadic function be a useful marker of stroke recovery?. Journal Neurology Neurosurgery Psychiatry. 84 (3), 242 (2013).
- 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).
- Abend, W., Bizzi, E., Morasso, P. Human arm trajectory formation. Brain. 105 (Pt 2), 331-348 (1982).
- 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).
- Eggert, T. Eye movement recordings: methods. In Neuro-Ophthalmology. 40, 15-34 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yee, R. D., et al. Velocities of vertical saccades with different eye movement recording methods. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 26 (7), 938-944 (1985).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Neggers, S. F., Bekkering, H. Coordinated control of eye and hand movements in dynamic reaching. Human Movement Science. 21 (3), 349-376 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wenzelburger, R., et al. Hand coordination following capsular stroke. Brain. 128 (Pt 1), 64-74 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- Johansson, R. S., Westling, G., Backstrom, A., Flanagan, J. R. Eye-hand coordination in object manipulation. Journal of Neuroscience. 21 (17), 6917-6932 (2001).
- Belardinelli, A., Herbort, O., Butz, M. V. Goal-oriented gaze strategies afforded by object interaction. Vision Research. 106, 47-57 (2015).
- Brouwer, A. M., Franz, V. H., Gegenfurtner, K. R. Differences in fixations between grasping and viewing objects. Journal of Vision. 9 (1), (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kalloniatis, M., Luu, C. . Visual acuity. , (2007).
- Brenton, R. S., Phelps, C. D. The normal visual field on the Humphrey field analyzer. Ophthalmologica. 193, 56-74 (1986).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Heitger, M. H., et al. Eye movement and visuomotor arm movement deficits following mild closed head injury. Brain. 127 (Pt 3), 575-590 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Carrasco, M., Clady, X. Prediction of user’s grasping intentions based on eye-hand coordination. IEEE/RSJ International Conference. , 4631-4637 (2010).
- 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).
- 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).
