Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Effektivt opptak øye-hånd koordinasjon manglende koordinasjon spektrum

Published: March 21, 2019 doi: 10.3791/58885
Automatic Translation
*1,2, *1, 1, 2,3, 1,2
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
* These authors contributed equally

Summary

Hjerne skade kan skade både okulær og somatiske motoriserte systemer. Karakteristikk av motorisk kontroll etter skade gir biomarkers som hjelpe sykdom gjenkjenning, overvåking og prognose. Vi går gjennom en metode for å måle øye-hånd bevegelse kontroll i helse og patologisk manglende koordinasjon, med utseendet og nå paradigmer å vurdere koordinering mellom øyet og hånd.

Abstract

Objektiv analyse av øyebevegelser har en betydelig historie og lenge har vist seg for å være en viktig forskning verktøyet i innstillingen for hjerneskade. Kvantitativ innspillinger har en sterk skjermen diagnostically. Samtidige undersøkelser av øyet og øvre lem bevegelser rettet mot felles funksjonelle mål (f.eks øye-hånd koordinasjon) tjene som en ekstra robust biomarkør-laden bane å fange og avhøre neural skade, inkludert ervervet hjerneskade (ABI ). Mens kvantitative dual-effektor opptak i 3D råd muligheter innen okulær-manuelle motor undersøkelser i innstillingen av ABI, muligheten for slike to innspillinger for både øyet og hånd er utfordrende i patologisk innstillinger, spesielt da kontaktet med forskning-grade rigor. Her beskriver vi integrering av øye sporing system med en bevegelse sporingssystem ment primært for lem kontroll forskning til å studere en naturlig opptreden. Protokollen gjør at etterforskningen av ubegrenset, tredimensjonal (3D) øye-hånd koordinasjon oppgaver. Mer spesifikt, vi går gjennom en metode for å vurdere øye-hånd koordinasjon i visuelt guidede saccade å nå oppgaver i fag med kronisk arteria cerebri (MCA) strek og sammenligne dem med sunn kontroller. Spesiell oppmerksomhet er betalt til bestemte øye - og lem-sporing system eiendom for å få Hi-Fi data fra deltakere etter skade. Samplingsfrekvens, nøyaktighet, tillatt hodebevegelser område gitt forventet toleranse og muligheten for bruk var flere kritiske egenskapene vurderes når du velger en øye-sporing og en tilnærming. Lem sporing ble valgt basert på en lignende rubrikk, men inkludert behovet for 3D opptak, dynamisk samhandling og en miniatyriserte fysisk plass. Kvantitative data forutsatt ved denne metoden og samlet tilnærming når henrettet riktig har enormt potensial for å ytterligere forbedre vår mekanistisk forståelse av øye-hånd-kontroll og hjelpe informere mulig diagnostiske og pragmatisk tiltak innen nevrologiske og rehabiliterende praksisen.

Introduction

Et kritisk element av nevrologiske funksjon er øye-hånd koordinasjon eller integrering av okulære og manuell motoriserte systemer for planlegging og gjennomføring av kombinerte funksjonen mot et felles mål, for eksempel en titt, komme og ta TV ekstern. Målrettet aktiviteter avhenger visuelt guidede handlinger, slik som nå, gripe, objekt manipulasjon og verktøyet bruker, hvilke hengslene på timelig og romlig kombinert øye og hånd bevegelser. Ervervet hjerneskader (ABI) forårsaker ikke bare lem dysfunksjon, men også okulær dysfunksjon; flere nylig, det er også bevis peker til dysfunksjon av øye-hånd koordinasjon1. Koordinert øye-hånd motorstyring programmer er mottagelig å fornærme nevrologiske skader fra vaskulær, traumatisk og degenerative etiologies. Disse fornærmelser kan føre til et sammenbrudd mellom noen uunnværlig relasjonene behov for integrerte og rask motorstyring2,3,4,5,6. Mange studier på den manuelle funksjonen er fullført og har utnyttes visuell veiledning en grunnpilar av paradigmet uten metode eller protokollen å analysere øyebevegelser samtidig.

I ABI, blir iøynefallende motor underskudd ofte funnet under sengen klinisk undersøkelse. Men kan samtidig okulær motor impairments og komplekse nedskrivninger som omfatter integrering av sensorisk og motor systemer være subklinisk og nødvendiggjøre objektive innspillingen skal identifiserte7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16. Okulære håndbok koordinasjon, avhenger av et stort og sammenhengende cerebral nettverk, fremhever behovet for en detaljert studie. En øye-hånd koordinasjon evaluering med dobbelt objektiv innspillinger gir en mulighet til analysen både kognitive og motor funksjonen flere bestander, inkludert sunn kontroller og fag med en historie med hjerneskade, gir innsikt i cerebral krets og funksjon3.

Mens saccades er ballistisk bevegelser som kan variere i amplitude avhengig av aktiviteten trenger, studier har vist avhengigheter mellom saccade og hånd bevegelse under visuelt guidet handlingen17,18,19, 20. faktisk siste eksperimenter har vist at styringssystemer for begge deler planlegging ressurser21,22. Motoren planlegging knutepunkt for øye-hånd koordinasjon ligger i bakre parietal cortex. I et slag er det velkjent underskudd i motorstyring; hemiparetic pasienter har vist seg å generere unøyaktig spådommer gitt et sett med nevrale kommandoer, da bedt om å utføre visuelt guidede håndbevegelser, bruke enten mer påvirket (kontralateral) eller mindre påvirket (ipsilateral) lem23 ,24,,25,,26,,27,,28,,29. Videre er øye-hånd koordinasjon og relaterte motorstyring programmer utsatt for fornærmelse etter nevrologiske skader, dekopling relasjonene timelig og romlig, mellom effektor30. Objektive opptak av øyet og hånd kontroll er viktig for karakteriserer den manglende koordinasjon eller grad av koordinering verdifall og forbedrer vitenskapelig forståelse av øye-hånd motorisk kontroll mekanisme i en funksjonell sammenheng.

Men det er mange studier av øye-hånd koordinasjon i sunn kontroller17,31,32,33,34, har vår gruppe avansert feltet av våre nevrologiske skader, for eksempel under streken krets vurdering, har undersøkt romlige og tidsmessige organiseringen av håndbevegelser, ofte som svar på visuelt vises romlige mål. Studier som har utvidet objektive karakterisering til øyet og hånd fokusert nesten utelukkende på ytelseskapasitet til posten både effektor etter hjerneslag eller patologisk innstillinger; beskrevet protokollen kan robust karakteristikk av okulære og manuell motorstyring i ubegrenset og naturlige bevegelser. Her beskriver vi teknikken i en undersøkelse av visuelt-guidede saccade å nå bevegelser i fag med kronisk arteria cerebri (MCA) strek i forhold til sunn kontroller. For samtidig opptak av saccade og nå bruker vi samtidige øye og hånd bevegelse å spore.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. deltaker

  1. Rekruttere kontroll deltakerne over 18 år, uten en historie med Nevrologisk dysfunction, betydelig øye skade, store depresjonen, store funksjonshemming eller elektrisk implantater.
  2. Rekruttere slag deltakere eldre enn 18 år, med en historie av hjerneskade i arteria cerebri (MCA) fordelingen, har muligheten til å fullføre Fugl-Meyer skalaen, opprettholde en hel rekke øye bevegelser35,36, har den evne til å utføre peker oppgaver, og uten historie ekstra Nevrologisk dysfunction, betydelig øye helse lidelser, store depresjon, store funksjonshemming og/eller elektrisk implantater.
  3. Be deltakerne til å undertegne en samtykkeerklæring godkjent av de institusjonelle gjennomgang styret av New York University's School of Medicine.
  4. Deltaker Screening (for detaljert utelukkelse kriterier se Rizzo et al37)
    1. Ta historien og utfører kliniske undersøkelser som beskrives nedenfor.
      1. Vurdere kognitive deltakere med Mini mentale tilstand eksamen (MMSE)38.
      2. Utføre nevrologisk undersøkelse.
      3. Undersøk extraocular muskler og øyebevegelser.
        1. Be deltakerne følge forskerens fingeren med øynene mens du holder hodet i en stilling. Tegne en imaginær H bokstav foran dem og sikre at fingeren trekk langt nok ut og opp, vurdere center, opp, ned, venstre, høyre, ned/til venstre, ned/høyre, opp/til venstre, og opp/til høyre.
        2. Be deltakerne følge og opprettholde blikket på et objekt flyttet sakte gjennom sitt visuelle felt å vurdere glatt forfølgelse. Dekke en avstand på cirka 24 tommer og bruke en blyant som mål, feie og tilbake sakte i horisontale og vertikale retninger, gjenta hver tre ganger.
        3. Be deltakerne å se så fort som mulig mellom 2 mål som er plassert 24 inches hverandre for å vurdere saccades. Bruke en blyant og en penn som mål og direkte blikket til målene i en tilbake og frem måte tre ganger horisontalt og vertikalt.
        4. Be deltakerne fixate på et objekt som det beveger seg langsomt mot å øynene å vurdere konvergens, sentrering målet, blyant, på broen på nesen. Denne fremgangsmåten, Gjenta testen ved å bringe samme målet fra nesen tilbake til startposisjon (divergens).
        5. Be pasienten om å dekke ett øye og se på forskerens nese. Flytte hånden av pasientens visuelle feltet bringe den inne, wag fingeren sakte og be pasienten om å la forskeren når hånden kommer tilbake til visningen, Gjenta dette for venstre, høyre, nedre venstre og nedre høyre kvadranter.
          Merk: Når pasienten dekker deres høyre øye, dekke det venstre øyet, og omvendt.
      4. Vurdere synshemming av en visuell-motoriske integrering test.
      5. Vurdere synsskarphet med Snellen diagram39,40.
      6. Vurdere det visuelle feltet med konfrontasjon og i spørsmålet, utføre Goldman eller Humphrey visuelle feltet testing41,42.
      7. Vurdere hemi-romlige forsømmelse via linje bisection test og enkelt bokstav avlysningen test43.
      8. Kvantifisere omfanget av funksjonshemming via 25-element National Eye Institute visuelle fungerer spørreskjema (NEI-VFQ-25) og en 10-element supplement undersøkelsen44.

2. forberedelse for eksperimentet og den fysiske konfigurasjonen av utstyr

  1. Utstyr:
    1. Velg en øye-sporing
      1. Velg et øye sporing som kan Hodemontert bruk (for å unngå interferens med stasjonære-baserte rekkevidde bevegelser) høy romlig oppløsning (≤0.1o) og tidsmessige høyoppløselig (≥250 Hz).
      2. Registrere kikkert øyne bevegelsen med øye sporing på en samplingsfrekvens på 250 Hz (prøvetaking øyet posisjon hver 4 ms) både elev og hornhinnen refleksjon.
    2. Velg av en lem bane
      1. Velg en lem tracker som kan tilordnes bevegelsen i x, y, z posisjon, ³ 0,08 cm nøyaktighet, ventetid ³ på 3,5 ms.
    3. Velg en bærbar PC kan kjøre et egendefinert skript som styrer real-time-integrasjon av data ervervet fra to systemer og co registrere signalene i sanntid (Tabell for materiale).
    4. Velger en skjerm som er i stand til å integrere med valgte laptop og det er stor nok til å støtte en korrespondanse mellom skjermen og tabletop nå plass
    5. Define et rektangel identisk størrelse du skjermalternativer på et bord overflate mellom deltakeren og skjermen, for å bruke som en funksjonell nå plass for eksperimentelt arbeid.
  2. Definere forberedelse:
    1. Sette opp en tabell med høyde justerbare stolen.
    2. Plass en skjerm 40 cm langt kanten av tabellen (Tabell for materiale).
    3. Plass en tabletop bord (nådde overflaten) med 1-1-forhold dimensjonen med display-skjerm.
    4. Definere lem sporing av montering elektromagnetisk kilden under bordet (Bord av materialer).
    5. Angi øye sporing, vert PC (Tabell for materiale).
      1. Fest fire infrarød (IR) illuminators fire hjørnene av skjermen med stropper.
      2. Angi øye sporing konfigurasjonene fra øye sporing installasjonsskjermbildet alternativer.
        1. Velg 13-punkts kalibrering pre-set konfigurasjonen av øye sporing.
        2. Velg høy saccade følsomheten å oppdage små saccade.
        3. Velg elev-CR registrere både elever og hornhinnen.
        4. Velg en samplingsfrekvens på 250 Hz.
  3. Deltaker fysiske forberedelser
    1. Sete deltakere på en høyde-justerbare stol ved bordet med dataskjermen.
    2. Plasser deltakeren 60 cm fra skjerm (tabell av materialer).
    3. Fastsette bevegelsessensor (tabell på materiale) til den distale del av pekefingeren på hånd det skal testes arm (dominerende armene for kontroller og begge armene i deltakere med strek)
    4. Plasser øye sporing på deltakernes hodebånd og justere hodebånd og kameraer (Tabell for materiale).
      1. Passende pannebåndet
        1. Justere tetthet og plasseringen av pannebåndet (med hodebøyle knotter) slik at foran puten er i midten av pannen og siden pads over deltakerens ører.
        2. Kontroller at hodebånd kameraet er i midten av pannen og over broen på nesen.
        3. Be deltakerne å heve øyenbrynene og hvis pannebåndet flyttes, ombygging høyere eller lavere på pannen.
      2. Justere kameraet og hornhinnen illuminator posisjon. Be deltakerne å betrakte du skjermalternativer.
        1. Fra skjermbildet kamera Velg hodet kamerabildet, kontroller at det viser fire store flekker fra IR markører som er plassert i midten av hodet kamerabildet. Hvis de ikke er i sentrum, justeres tilsvarende.
        2. Velg ett øye når installasjonsskjermbildet kameraet. Justere to øyet kameraer ved å senke og heve øye kameraet håndtere til eleven på øyet er i midten av kamerabildet
        3. Fokus øye kameraet av roterende linsen abonnenten.
        4. Angi terskelen elev ved å trykke knappen Auto terskelen på kamera oppsett-skjermbildet.
        5. Utføre samme for andre øyet.
  4. Kalibrering
    1. Kalibrere lem tracker til å nå overflaten med en 9-punkts kalibrering, ber du deltakeren om å plassere sine sensor vedlagte finger på nå (tabletop) lokasjoner som vises på skjermen.
    2. Kalibrere øye sporing, be deltakerne å betrakte kalibrering målet som vises som en blå prikk og vedlikeholde fiksering til neste dot vises på skjermen
      Merk: Kalibrering mål vises på 13 tilfeldig valgt plasseringene på skjermen
    3. Kalibrere øye sporing minst to ganger per økt, første som i begynnelsen av eksperimentet og halvveis.

3. eksperiment

  1. Be deltakerne til å bevege deres finger startposisjonen, dekker start sirkelen på skjermen med fingeren-indikator punktum (rød prikk), mens fixating (øyet) startposisjonen på skjermen.
    Merk: Startposisjonen er en korrespondent plasseringen av fiksering punkt (blå prikk) viser på midten av skjermen (figur 1a). Plasseringen av fingeren representeres som 4 mm radius rød prikk på skjermen.
  2. Krev deltakerne til å opprettholde finger posisjon på start sirkelen i 150 ms til målet vises.
  3. Kontroller at deltakerne fixate startposisjonen til de hører en pipelyd ("gå pip"). (Figur 1)
    Merk: Mellom målet utseende og gå signal er randomisert mellom 250 til 750 ms å hindre påvente av går signal.
  4. Pålegge deltakere å flytte både øyne og fingertuppen raskt og nøyaktig til det angitte målet som de hører lyd (figur 1)
    1. Utpekte målkontrollen vises 1 cm radius hvit sirkel
  5. Pålegge deltakere å ta tabletop plasseringen ved virtuelle målet som vises på skjermen ved å løfte hånden og finger og re-tilkobling fingertuppen og bordet
    1. Kontroller at deltakerne gjøre en peker bevegelse ved å løfte hånden og fingeren i stedet for å dra hånd og fingeren på bordet.
    2. Vise hvor slutten nå som en rød prikk, følgende nå fullført.
    3. Bestemme rekkevidde ferdigstillelse av en kombinasjon av lav hastighet (< 5% topp) og 3 mm z-fly.
  6. Be deltakerne til å utføre en rekke familiarisering prøvelser før datainnsamling.
  7. Starte datainnsamling etter deltakere rørt 5 av de 10 siste mål er.
  8. Be deltakerne til å utføre en rekke utseende og nå prøvelser som de var instruert løpet familiarisering prøvelser.
    1. Har deltakere utføre totalt 76 prøvelser.
  9. Ha kontroll deltakerne utføre eksperimentet med sin dominerende hånd.
  10. Når det er mulig, har deltakerne med strek utføre eksperimentet med begge hender, mer-påvirket og mindre berørt.
  11. Deltakerne fullføre hele eksperimentet med minst én hånd.

Figure 1
Figur 1. Skjematisk visning av oppsett og eksperiment. (a) skjematisk fremstilling av skjermen og nå overflaten under et prøveabonnement. (b) sekvensering av handlinger visuelt-guidede nå. Første fiksering (F) vises. Målet (T) vises etter en randomisert tidsrom. 'Gå' signal oppstår som auditiv pip lyd (angitt av den lysegrå loddrette stolpen) etter en uforutsigbar tid intervall (samtidige forskyvning av F) følgende ved målet. Følg gå-signalet hånd (H) og øyet (E) bevegelser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tretti deltakere deltok i forskningsstudie. Det var 17 deltakere i kontroll kohort og 13 deltakere i slag kohort. To deltakerne kunne ikke fullføre hele eksperimentet, så deres data er utelatt fra analyse.

Demografi og spørreskjemaet vurderinger

Tabell 1 viser klinisk og demografiske kjennetegner representant slag kohort.

Betyr unweighted VFQ score var 91.33 ± 13.01 i slag deltakere, versus 94.87 ± 4.87 sunn kontroller (p = 0.203, ns). Mener score av 10-element supplement var 95 ± 11.57 i slag deltakere, versus 96.27 ± 6,64 sunn kontroller (p = 0.375, ns). Mener score for tillegget, kompositt og 10-elementet var 92.36 ± 12,18 i slag deltakere, versus 95.12 ± 4.65 sunn kontroller (p = 0.244, ns). Hjerneslag deltakere hadde en dårlig Fugl-Meyer score på 55.54 ± 13,33, med et utvalg av 30-66.

Øye og håndbevegelsene varigheter og ventetider

I figur 2 tegnes saccade og nå ventetider, målt som varigheten mellom gå signal og bevegelse utbruddet. Hjerneslag deltakerne gjorde første (Primær) saccades betydelig tidligere i både mindre berørt og mer-berørte sider, sammenligne sunn kontroll deltakere (p <.05) (mer berørt hånd: 0.082 s, CI: [0.052 0.112], mindre berørt hånd: 0.106 s, CI: [0,08 0.132]; kontrollere saccade onsets: 0.529 s, CI: [0.514 0.543]). Sammenligne kontroll, hjerneslag deltakerne gjorde bemerkelsesverdig tidlig første saccade å målrette men det var ingen vesentlig forskjell mellom kontroll nå onsets og mindre berørt eller mer-påvirket nå onsets i slag deltakere (mindre berørt hånd: 0.545 s, CI: [0.521 0.568]; mer berørt hånd: 0.60 s, CI: [0.567 0.632]; kontroll nå onsets: 0.556 s, CI: [0.544 0.568]). Ventetid mellom første saccade og nå utbruddet, som representerer en timelig dekopling i slag deltakere, var større i i begge mer berørt og mindre berørt hånden, en 519 ms (CI: [476 562]) og en 439 ms (CI: [404 474]) separasjon henholdsvis i slag, kontra en minimal separasjon av 27 ms (CI: [8,5 45]) i kontroller (alle p <.05 av Hjerneslag deltakerne ikke bare gjort den lengste varighet når (beregnet som differansen mellom bevegelse utbruddet og oppsigelse) med sine mer berørt side (604 ms, CI: [587 622]), men også økt gjennomsnittlig nå tid på siden mindre berørt (546 ms, CI: [537 555] vs 352 ms, CI: [348 356]) (alle p <.05 av

Øye bevegelser frekvens

Vi undersøkte intervallet mellom første saccade utbruddet og nå utbruddet, som var minimal sunn kontroller og betydelig lengre i slag deltakere i den mindre- og mer - berørte. Vi merke forskjeller i antall saccades som er gjort i denne perioden. Antall saccades produsert av hjerneslag deltakerne uansett lem de brukte, var mer enn sunn kontroller. Vi tegnet inn antall sekundære saccades laget av deltakere på histogrammer (Figur 3). Sunn kontroller i 90% av studier gjort en enkelt saccade og vedvarende fiksering på målet før de avsluttet nå. I skarp kontrast dette mønsteret ble generert i 50% av studier (z = 32,2, p <.05) for de med slag og resten gjorde flere saccades. (Figur 3). Figur 4 viser et eksempel på slike saccade spor.

Romlig feil av øyet og håndbevegelser

Med hensyn til amplituden fra bevegelsen endepunkt til målet center (bevegelse feil), slag deltakerne hadde økt rekkevidde feil i både mindre og mer berørte hender i forhold til sunn kontroller (kontroll: 9.3 mm, CI: [9.0 9.5]; mindre berørt arm: 19,2 mm, CI: [ 18.4 20,0]; mer berørt arm: 21.4 mm, CI: [20.5 21.4]) (figur 5, alle p <.05 av Sammen med økningen i rekkevidde feil, saccade endepunkt feil økt sterkt som vist i figur 5 (kontroll: 18.3 mm, CI: [17,9 18,7]; mindre berørt arm: 36.4 mm, CI: [35,2 37,6]; mer berørt arm: 41.6 mm, CI: [40.3 43.0], alle p <.05 av

Armen Motor verdifall og øye-hånd ventetid dekopling korrelasjon

Fugl-Meyer poengsummen ble brukt til å vurdere arm motor verdifall. Det var forventet at timelige dekopling i slag deltakere vil relatere med armen motor verdifall alvorlighetsgrad, men resultatene viste at det var statistisk ubetydelig for mindre (r =-0.64, ns) og mer (r =-0.34, ns) armer.

ID Alder sex H / T en Hjerneslag Kronisitet (år) Fugl-Meyer Score c
(år) Egenskaper b
1 78 M R/L R MCA distribusjon 2 66
2 61 F R/L R MCA distribusjon 7 66
3 34 M R/R L MCA distribusjon 1.7 66
4 39 F R/R L MCA distribusjon 1.4 45
5 70 M R/R L MCA distribusjon 2.8 58
6 60 F R/L R MCA distribusjon 2.6 30
7 73 M R/L R MCA distribusjon 6 58
8 51 F R/L R MCA distribusjon 12.2 30
9 60 M R/R L MCA distribusjon 4.4 63
10 39 M R/L R MCA distribusjon 4.7 47
11 70 M R/L R MCA distribusjon 2 66
12 47 F R/R L MCA distribusjon 1.5 61
13 65 F R/R L MCA distribusjon 0,7 66
AVG 57,5 3.8 55,5
(SD) -14.3 -3.2 -13.3

Tabell 1 . Slag kliniske egenskaper.
et "H/H" = håndbruk / Hemiparesis: håndbruk (vurdert gjennom Edinburgh lageret) / Hemiparesis Laterality

b "Slag funksjoner": lesjon stedet innhentet fra medisinsk historie med deltaker og/eller familiemedlemmer som historiker; regionen og laterality kryss-godkjent for konsistens eksamen funn
c "Fugl-Meyer Score": en summering av øvre ekstremitetene Score [totalt mulig 66] som reflekterer graden av post-takts motor verdifall.

Figure 2
Figur 2. Saccade og nå ventetider Saccade onsets (angitt med blå sirkler) inntreffer betydelig tidligere i slag deltakerne, mens det var ingen betydelige forskjeller mellom kontroll nå onsets (angitt med grønne sirkler) og hjerneslag deltakere (angitt med grønne sirkler) (med en liten forsinkelse på mer berørt side). Ventetid mellom første saccade og nå utbruddet er angitt med lys grå bar. (onsets: kretser, oppsigelser: ruter) (feilfelt: 95% konfidensintervall) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. Histogrammer antall saccades i tillegg til den primære saccade. Øvre histogrammet viser, kontroll deltakerne overveldende gjøre en primær saccade bare. Det var heller ingen ytterligere saccades utover den primære saccade eller inneholder en enkelt sekundære saccade ca 96% forsøk. Lavere histogrammet viser strek deltakere, gjøre opp til fem sekundære saccades i samme 96% av prøvelser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. Figuren viser, tilfeldig rå saccade spor fra to kontroll deltakere og to hjerneslag deltakere. To prøver (ufiltrert, rå) øyet (blå) og hånd (grønn) spor fra kontroll deltakere (venstre kolonne) og hjerneslag deltakere (høyre kolonne) tegnes i skjermen mm å tillate samtidig plotting av øyet og hånd spor. I to slag deltakerne forsøk, er flere øyebevegelser laget før de fullfører nå, i motsetning til kontroll deltakerne prøvelser som gjør et enkelt saccade på eller lukke tiden utilgjengelig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5. Gjennomsnittlig endepunktet feil deltaker gruppering og/eller arm Grønne linjer angir gjennomsnittlig nå feil og blå stolper angir gjennomsnittlig saccade (Primær) feil. To utvalg t-tester ble utført. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bruk av øyet og hånd sporing systemer som tilgjengelige verktøy for objektivt utforske karakteristikkene av okulære håndbok motoriserte systemer har akselerert undersøkelser, slik at en nyansert opptak tilnærming for en viktig oppgave i daglige aktiviteter- øye-hånd koordinasjon. Mange naturlige handling-avhengige oppgavene guidet visuelt og avhenger visjon som en primær sanseinntrykk. Blikk er programmert gjennom okulær motor kommandoer som peker sentralsyn på viktige romlige mål; Denne informasjonen er avgjørende, og bistår i å anskaffe hånd mål. Nøkkelen er at koordinert øye-hånd atferd må utføres effektivt og nøyaktig. For eksempel vil beslutter å ta en kaffekopp resultere i en REM håndtaket, en terminal fiksering, oppkjøpet av avgjørende miljømessige detaljer for pekefingeren plassering og prehension, alt i timelig synkronisert serien. Etter bevegelse initiering er visuell tilbakemelding av den øvre lem avgjørende for online feil overvåking og korrigering.

Vurdering av øye-hånd koordinasjon med våre forskjellige metodikk angir at slag vanskeliggjør samordning av øye-hånd bevegelse kontroll. Hjerneslag deltakerne med MCA-skade avsløre både mindre nøyaktig saccades og nå (i begge mindre/mer-berørte) i forhold til sunn kontroller; Det synes også å være stark frikopling mellom primær saccade utbruddet og nå utbruddet i både mindre / mer-berørte sidene. Mens lidelse øye og hånd bevegelse bidra separat til funksjonelle kompromiss, synes det å være en bestemt underskudd i øye-hånd koordinasjon, som kan forsterke nå feil og skade ytterligere nevrologiske funksjon; Dette skjer når disse separate effektor systemer ikke klarer å koordinere mot en enkelt synkron atferd. En mulig forklaring kan ligge i flere beregningsorientert laste av dobbel øye-hånd bevegelser og de relaterte forstyrrelser effekter46,47,48,49. Eksperimentell paradigmer som krever øye-hånd bevegelse co-registrering tillater forskere å systematisk granske to oppgaver. Dette er spesielt relevant for patologisk populasjoner med kjente problemer med slike aktiviteter, uavhengig av den kombinasjon (kognitiv-motor, motor-motor, etc)50,51,52.

Øyne og øvre lem bevegelser er følsom markører for hjerne skade og utallige programmer finnes diagnostically, prognostically og terapeutisk53,54,55,56,57 ,58,59. Øyebevegelser og relasjonene lem bevegelser opprette en enda større "vindu" i hjernen enn tidligere antatt. Bortsett fra direkte svekkelse i øyet bevegelse funksjon, underskudd i øyet bevegelse erstatning svar på hånd bevegelse verdifall er et nytt område florerer med vitenskapelige mulighet. Når ytterligere preget, vil øye-hånd koordinasjon være i stand til å belyse flere programmer og motiverer videre studier for å forstå de fulle implikasjonene funksjonelle bevegelse kontroll, oversette mekanistisk innsikt i klinisk kunnskap. Nøkkelen til øye-hånd kontroll forskning er robust metoder og energisk protokoller som lar analysen slik fysiologi samtidig og med høy kvalitet.

Til tross for fordelene avgrenset her, er det fortsatt metodologiske begrensninger finnes. Som beskrevet i avsnittet metoder, er deltakerne pålagt å fixate målet som det vises på en skjerm og en samtidige rekkevidde på en tabletop plassert umiddelbart foran arbeidsstasjonen. Dette krever en endring av romlig informasjon fra skjermen til bordet og legger en ekstra kognitiv trinn. Mens denne kognitive utfordringer er identisk med transformasjon gjør under datamaskinen, ville oversette informasjon fra skjermen til arbeidsstedet eller mus-tastatur "rom", en mer naturalistisk oppgave bruke en oversettelse-fri paradigme. Uansett, robust 3D hånd sporing med objektivt preget øye innspillinger tillate en å undersøke integrert motorstyring som dreier multi effektor koordinering. I tillegg gir finnes tilnærmingen en mulighet til å vurdere øye-hånd kontroll aspekter avgjørende for samspillet med datamaskinen-grensesnittet i sanntid.

Mens kvantitative dual-effektor opptak i 3D råd robust muligheter innenfor okulær-manuelle motor undersøkelser i innstillingen av ABI, muligheten for slike to innspillinger for både øyet og hånd er utfordrende, spesielt i en patologisk Når utført med forskning-grade rigor. Innsats har forsøkt å kombinere øye og hånd bane å vurdere øye og hånd fysiologi, men dataene utgangen er ofte ustabil 60. Når disse ustabilitet sett sunn bestander er tatt hensyn og sidestilt med teknisk kalibreringen og innspillingsproblemer i deltakerne patologi, blir dataene mindre nyttig. Derfor er det pragmatisk å utnytte en metode og paradigme, som beskrevet her. Følgelig øyet posisjon kalibreringen er ferdig i dybden flyet av interesse, øye-spesifikke stimuli vises på denne enkeltdistanser og blikk måling gjengivelse er senere robust. Øyets visningen justeres ikke lenger andre avstander, og karakterisering er begrenset til 3D opptak av hånd posisjon61,62. Typiske studiet av øyet og hånd i innstillingen patologisk vil best oppnås med tilpasset programvare som tillater flere dybde kalibreringer, integrert maskinvare, en sentral datamaskin eller vert system for signalet co-registrering og en protokoll som er lik den nevnte.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer at forskningen ble utført i fravær av noen kommersielle eller økonomiske relasjoner som kan tolkes som en potensiell interessekonflikt.

Acknowledgments

Vi vil gjerne takke Dr. Tamara Bushnik og NYULMC Rusk forskningsteam for deres tanker, forslag og bidrag. Denne forskningen ble støttet av 5K 12 HD001097 (til J-RR, MSL og PR).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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), 18.11-24 (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. EyeLink user manual 1.3.0 [Computer software manual]. , Available from: http://sr-research.jp/support/manual/EyeLink%20II%20Head%20Mounted%20User%20Manual%202.14.pdf (2007).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. 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).
  52. 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).
  53. Heitger, M. H., et al. Eye movement and visuomotor arm movement deficits following mild closed head injury. Brain. 127 (Pt 3), 575-590 (2004).
  54. 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).
  55. 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).
  56. 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).
  57. 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).
  58. 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).
  59. 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).
  60. Carrasco, M., Clady, X. Prediction of user's grasping intentions based on eye-hand coordination. IEEE/RSJ International Conference. , 4631-4637 (2010).
  61. 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).
  62. 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

Atferd problemet 145 Brain skader øyebevegelser øye sporing lem bevegelser bane slag okulær motorisk koordinasjon
Effektivt opptak øye-hånd koordinasjon manglende koordinasjon spektrum
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Rizzo, J. R., Beheshti, M., Fung,… More

Rizzo, J. R., 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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter