JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

Эффективно запись координация глаз рука нарушения спектра

Published: March 21, 2019
doi:
10.3791/58885
, , , ,
1Dept. of Rehabilitation Med,New York University Langone Health, 2Dept. of Neurology,New York University Langone Health, 3Dept. of Ophthalmology,New York University Langone Health

Summary

Мозговой травмы может повредить глазной и соматические Мотор систем. Характеристика моторного контроля после травмы дает биомаркеров, которые помогают в обнаружение заболеваний, мониторинг и прогноз. Мы рассмотрим метод измерения управления движением глаз рука в области здравоохранения и патологического нарушения, с взгляд и достигают парадигмы для оценки координации между глазом и рукой.

Abstract

Объективный анализ движений глаз имеет значительную историю и давно доказано инструментом важные исследования в параметре черепно-мозговой травмы. Количественные записи имеют сильную способность экрана диагностически. Одновременных экзамены глаз и верхней конечности движения направлены на общих функциональных целей (например, координация глаз рука) служат дополнительные надежные биомаркер Ладена пути для захвата и допросить нейронных травмы, в том числе приобретенных черепно-мозговой травмы (ABI ). Хотя количественные двойной эффекторных записи в 3-D позволить широкие возможности в окуляр руководство мотор расследований в параметре ABI, целесообразность такой двойной записи для глаз и рук является сложной задачей в патологических условиях, особенно когда подошел с строгости исследований класса. Здесь мы описываем интеграции системы отслеживания с системы, предназначенные главным образом для конечностей управления исследований для изучения естественное поведение отслеживания движения глаз. Протокол позволяет расследования неограниченного, трехмерные (3D) глаз рука координационных задач. Говоря более конкретно мы рассмотрим метод для оценки координация глаз рука в визуально гидом саккада к достигают задач у пациентов с хронической средней мозговой артерии (MCA) инсульта и сравнить их с здорового контроля. Особое внимание уделяется в свойства системы глаз – и конечности отслеживания с целью получения высокоточных данных от участников после травмы. Частота дискретизации, точность, диапазон допустимых движения головы с учетом ожидаемого терпимости и целесообразность использования были несколько критических свойств при выборе трекер глаз и подход. Конечности tracker был выбран на основе аналогичных Рубрика но включали в себя необходимость записи динамического взаимодействия и миниатюрных физической след 3-D. Количественных данных этот метод и общий подход при выполнении правильно имеет огромный потенциал для дальнейшего совершенствования нашего механистического понимания глаз рука управления и помочь информировать возможности диагностики и прагматические мероприятий в рамках неврологические и реабилитационной практике.

Introduction

Важнейшим элементом неврологической функции координации глаз рука или интеграции глазной и ручной Мотор систем для планирования и исполнения комбинированных функции к общей цели, например, взгляд, достижения и захватить из пульта дистанционного. Многие целенаправленной задачи зависят от визуально организованные действия, такие, как достижение, схватив, объект манипуляции и инструмент использовать, какие петли на височно и пространственно совмещенных движений глаз и рук. Приобретенных мозга травмы (ABI) вызывают не только конечности дисфункции, но также окулярные дисфункции; совсем недавно есть также доказательства, указывающие на дисфункцию координация глаз рука1. Программы управления двигателем координации глаз рука восприимчивы к оскорбление в неврологических травм от сосудистой, травматической и дегенеративных этиологии. Эти оскорбления может вызвать разбивка между любой из необходимых отношений, необходимых для комплексного и быстрого управления двигателем2,3,4,5,6. Многие исследования на ручной моторики были завершены и заемных средств визуальной ориентации как основной столп парадигмы без метод или протокол, в место для анализа движения глаз одновременно.

В ABI заметная моторного дефицита часто обнаруживаются в процессе прикроватные клиническое обследование. Однако одновременно глазной мотор нарушениями и сложными нарушениями, с участием Интеграция сенсорных и моторных систем могут быть субклинической и требуют объективного запись, чтобы быть определены7,8,9, 10,11,12,13,14,,1516. Ручной глазной координации движений зависит от большого и взаимосвязанных мозгового сети, подчеркнув необходимость подробного изучения. Оценку координации глаз рука с двойным объективных записи предоставляет возможность пробирного когнитивных и двигательных функции в нескольких популяциях, включая здоровые элементы и предметы с историей травмы мозга, таким образом обеспечивая понимание церебральный схемы и функции3.

В то время как саккад баллистических движений, которые могут меняться в амплитуде в зависимости от задачи нужно, исследования показали зависимости между саккада и рука движение во время визуально гидом действий17,18,19, 20. В самом деле, недавние эксперименты показали, что системы управления для обоих движений разделяют планирования ресурсов21,22. Мотор, планирования центром для координации глаз рука лежит в задней теменной коре. В ход есть известный дефицит в управления двигателем; результате пациентов было показано неточных прогнозов, заданный набор нейронных команд, когда попросили выполнить движения визуально гидом руки, используя либо более затронут (контралатеральной) или менее (ипсилатеральные) конечностей23 ,24,25,26,27,,2829. Кроме того координация глаз рука и связанные управления двигателем программы восприимчивы к оскорбление, следуя неврологические травмы, отделение связи, височно и пространственно, между эффекторов30. Цель записи управления глаз и рук первостепенное значение для квалификации нарушения или степень нарушения координации и улучшает научного понимания механизма управления двигателем глаз рука в рамках функциональной.

Хотя есть много исследований, координация глаз рука в здоровых элементов17,,3132,33,34, наша группа продвинулась поле нашей параметром неврологические травмы, для экземпляра во время хода схемы оценки, исследовали пространственной и временной организации движений рук, часто в ответ на визуально отображаемых пространственных задач. Исследования, которые расширили объективную характеристику для глаз и рук были сосредоточены почти исключительно на производительности на запись, которые оба эффекторов после инсульта или в патологических условиях; описывается протокол позволяет надежную характеристику глазной и ручного управления двигателем в непринужденно и естественных движений. Здесь мы опишем технику в расследование визуально руководствуясь саккада к достигают движений у пациентов с хронической средней мозговой артерии (MCA) инсульта относительно здорового контроля. Для одновременной записи саккада и достижения, мы используем одновременно глаз и отслеживания движения рук.

Protocol

1. участник Набирать управления участники старше 18 лет, без истории неврологической дисфункции, значительные глаз травмы, значительные депрессии, полной инвалидности и/или электрические имплантаты. Набирать ход участники старше, чем 18 лет, с историей травмы мозга в распредел…

Representative Results

В исследовании приняли участие тридцать участников. Было 17 участников в когорте управления и 13 участников в когорте инсульта. Два участника не мог закончить всего эксперимента, поэтому их данные были исключены из анализа. Демограф…

Discussion

Появление глаз и рук, систем слежения, как доступные инструменты для объективно изучить характеристики глазные руководство Мотор систем ускорился исследования, позволяя нюансы записи подход для одной из важнейших задач в повседневной деятельности – координация глаз рука. Многие при?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы хотели бы поблагодарить д-ра Тамара Bushnik и NYULMC сухари исследовательской группы за их мысли, предложения и вклады. Это исследование было поддержано 5K 12 HD001097 (J-RR, MSL и 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Eye-hand CoordinationIncoordinationEye MovementsVisual GuidanceSaccadeReach TasksMiddle Cerebral Artery StrokeMotor ControlBiomarkerExperimental ProcedureSmooth PursuitSaccadesConvergenceDivergence

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image