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

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

Registrar eficientemente la coordinación ojo-mano al espectro de incoordinación

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

Lesión cerebral puede dañar los sistemas del motor oculares y somáticos. Caracterización de la lesión posterior al control del motor permite biomarcadores que ayudan en la detección de enfermedades, monitoreo y pronóstico. Se revisa un método para medir el control de movimiento de ojo-mano en salud y patológica falta de coordinación, con paradigmas de mirar-y-alcance para evaluar la coordinación entre ojo y mano.

Abstract

El análisis objetivo de los movimientos de ojo tiene una historia importante y durante mucho tiempo ha demostrado ser una herramienta de investigación importante en la configuración de la lesión cerebral. Grabaciones cuantitativas tienen una fuerte capacidad a la pantalla de diagnóstico. Exámenes simultáneos del ojo y los movimientos de la extremidad superior dirigidos hacia objetivos funcionales compartidos (por ejemplo, coordinación ojo-mano) servir como un camino cargado de biomarcadores robusto adicional para capturar e interrogar a lesiones neurales, incluyendo daño cerebral adquirido (ABI ). Mientras que la cuantitativas grabaciones de doble unidad de efectos en 3-d permitir amplias posibilidades dentro de las investigaciones motor ocular-manual en el ajuste de ABI, la viabilidad de tales grabaciones duales de ojo y la mano es un reto en valores patológicos, particularmente Cuando se acercó con el rigor de la investigación. Aquí se describe la integración de un sistema de seguimiento con un sistema diseñado principalmente para que la investigación de control de miembro para el estudio de un comportamiento natural de seguimiento de movimiento de ojo. El protocolo permite la investigación de las tareas de coordinación ojo-mano (3D) tridimensional, sin restricciones. Más específicamente, se revisa un método para evaluar la coordinación ojo-mano en tareas visualmente guiadas de sacudida para alcanzar en sujetos con accidente cerebrovascular crónico arteria cerebral media (MCA) y compararlos con controles sanos. Se presta especial atención a las propiedades del sistema específico de seguimiento de ojo y de miembro con el fin de obtener datos de alta fidelidad de la lesión de los participantes. Frecuencia de muestreo, precisión, rango de movimiento de la cabeza permitida dado tolerancia prevista y la viabilidad del uso de varias de las propiedades críticas consideradas al seleccionar un perseguidor del ojo y un enfoque. El perseguidor de la extremidad se seleccionaron con base en una rúbrica similar pero incluye la necesidad de 3-d grabación, interacción dinámica y una huella física miniaturizada. Los datos cuantitativos por este método y el general enfoque cuando ejecuta correctamente tiene un tremendo potencial para más refinan nuestra comprensión mecanicista de control óculo-manual y ayudar a informar a posibles intervenciones diagnóstico y pragmáticas dentro de la práctica neurológica y de rehabilitación.

Introduction

Un elemento crítico de la función neurológica es coordinación ojo-mano o la integración de sistemas motor oculares y manual para la planificación y ejecución de función combinada hacia un objetivo común, por ejemplo, una mirada, alcanzar y agarrar de la televisión de control remota. Muchas tareas útiles dependen de acciones visualmente dirigidas, como alcanzar, agarrar, manipulación de objetos y herramientas, que dependen de los movimientos de ojo y mano temporal y espacial acoplados. Lesiones cerebrales adquiridas (ABI) causan trastornos funcionales del miembro, sino también la disfunción ocular; más recientemente, también hay pruebas que señalan a la disfunción de de coordinación ojo-mano1. Programas de control de motor de coordinación ojo-mano son susceptibles a insultar en lesiones neurológicas de etiologías vasculares, traumáticas y degenerativas. Estos insultos pueden provocar una ruptura entre las relaciones indispensables para el control de motor integrado y rápido2,3,4,5,6. Muchos estudios sobre la motricidad manual han terminado y han aprovechado orientación visual como pilar central del paradigma sin un método o protocolo para analizar los movimientos de los ojos al mismo tiempo.

En ABI, déficits motor visibles a menudo se detectan durante el examen clínico de cabecera. Sin embargo, deficiencias motoras oculares concurrentes y complejos problemas que implica la integración de los sistemas sensoriales y motor pueden ser subclínica y requieren de grabación objetivo sea identificado7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16. Coordinación motora ocular manual depende de una red cerebral grande e interconectada, resaltando la necesidad de un estudio detallado. Una evaluación de coordinación ojo-mano con grabaciones de objetivo duales ofrece la oportunidad de análisis función cognitiva y motor en varias poblaciones, incluyendo controles sanos y sujetos con antecedentes de lesión cerebral, proporcionando así una visión cerebral circuito y función3.

Mientras que los movimientos sacádicos son balísticos necesitan de movimientos que pueden variar en amplitud dependiendo de la tarea, los estudios han demostrado las dependencias entre movimiento saccade y de la mano durante acción visualmente guiada17,18,19, 20. de hecho, experimentos recientes han demostrado que los sistemas de control para ambos movimientos comparten planificación recursos21,22. El motor de planificación de centro de coordinación ojo-mano se encuentra en la corteza parietal posterior. En un golpe, hay conocidos déficits en el control del motor; han demostrado los pacientes hemiparéticos para generar predicciones inexactas dadas un conjunto de comandos neurales, cuando le pide que realice movimientos de la mano guiada visualmente, utilizando ya sea el más afectado (contralateral) o menos afectadas del miembro (ipsolateral)23 ,24,25,26,27,28,29. Además, coordinación ojo-mano y programas relacionados con el control del motor son susceptibles a insultar después de lesiones neurológicas, las relaciones, la disociación temporal y espacial, entre efectores30. Objetivo de control de ojo y mano son fundamentales para caracterizar la incoordinación o grado de deficiencia de coordinación y mejora la comprensión científica del mecanismo de control motor de la ojo-mano en un contexto funcional.

Aunque hay muchos estudios de coordinación ojo-mano en controles sanos31,de17,32,33,34, nuestro grupo ha avanzado el campo por nuestra configuración de lesión neurológica, de ejemplo durante la evaluación de los circuitos de movimiento, han investigado la organización espacial y temporal de los movimientos de la mano, a menudo en respuesta a objetivos espaciales mostrados visualmente. Estudios que se han expandido la caracterización objetiva al ojo y la mano se han centrado casi exclusivamente en la capacidad de rendimiento para grabar que ambos efectores del post- movimiento o en contextos patológicos; el protocolo descrito permite caracterización robusto de control motor ocular y manual en los movimientos espontáneos y naturales. Aquí describimos la técnica en una investigación de los movimientos de sacudida para alcanzar visualmente guiada en sujetos con accidente cerebrovascular crónico arteria cerebral media (MCA) en comparación con controles sanos. Para la grabación simultánea de sacudida y alcance, empleamos ojo concurrente y seguimiento de movimiento de mano.

Protocol

1. participante Reclutar a los participantes de control mayores de 18 años, sin antecedentes de disfunción neurológica, lesiones oculares importantes, depresión significativa, mayor discapacidad o implantes eléctricos. Reclutar los participantes del movimiento mayores de 18 años, con antecedentes de lesión cerebral en la distribución de la arteria cerebral media (MCA), tienen la capacidad de completar la escala de Fugl-Meyer, mantener una gama completa de movimientos de ojo35…

Representative Results

Treinta participantes participaron en el estudio de investigación. Hubo 17 participantes en la cohorte de control y 13 participantes en la cohorte de la carrera. Dos participantes no pudieran terminar el experimento entero, por lo que sus datos fueron excluidos del análisis. Demografía y cuestionario de evaluación La tabla 1 muestr…

Discussion

La llegada de ojo y mano, sistemas de seguimiento como herramientas para explorar objetivamente las características de los sistemas motor ocular-manual ha acelerado estudios de investigación, lo que permite una matizada grabación acercamiento para una tarea esencial en las actividades cotidianas, coordinación ojo-mano. Muchas de las tareas de dependiente de la acción naturales son guiados visualmente y dependen de la visión como una entrada sensorial primaria. La mirada está programada a través de comandos motor …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nos gustaría agradecer al Dr. Tamara Bushnik y el equipo de investigación de Rusk NYULMC sus pensamientos, sugerencias y contribuciones. Esta investigación fue apoyada por 5K 12 HD001097 (J-RR, MSL y 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