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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 распределении средней мозговой артерии (MCA), имеют возможность завершения шкалой Fugl-Мейер, поддерживать полный спектр движений глаз35,36, имеют способность выполнять указывая задач и без истории дополнительных неврологической дисфункции, значительные глаз здоровья сопутствующие заболевания, значительные депрессии, крупные инвалидности и/или электрические имплантаты.
- Попросите участников подписать форму согласия, утвержденным институционального обзора Совет из Нью-Йоркского университета в школе медицины.
- Участница скрининг (более подробные исключения критерии пожалуйста см. Риццо и др37)
- Возьмите историю и выполнить диспансеризации, как описано ниже.
- Оценить состояние когнитивных участников с мини обследование психического состояния (MMSE)38.
- Выполняйте неврологическое обследование.
- Изучите экстраокулярные мышцы и движения глаз.
- Попросите участников следить за палец исследователя с их глаза при сохранении их головы в одну позицию. Нарисуйте мнимой H письмо перед ними и убедитесь, что ваш палец движется достаточно далеко и вверх/вниз, оценки центр, вверх, вниз, влево, вправо, вниз/влево, вниз/вправо, вверх/влево и вверх/вправо.
- Попросите участников отслеживать и поддерживать взгляд на объекте переехал медленно через их поля зрения оценить Гладкая гонка преследования. Обложка на расстоянии около 24 дюймов и используя карандаш как цель, развертки и обратно медленно в горизонтальном и вертикальном направлениях, повторяя каждый три раза.
- Попросите участников выглядят как можно быстрее между 2 цели, которые размещены 24 дюйма друг от друга оценить саккад. Использование карандаша и ручки, как цели и прямым взглядом цели в спину и вперед образом три раза по горизонтали и вертикали.
- Попросите участников фиксировать на объекте, как она движется медленно к их глаза для оценки сходимости, центрирование мишени, карандаш, на их переносице. После этой процедуры, повторите тест, чего же цель из носа обратно в исходное положение (дивергенция).
- Попросите пациента, чтобы охватить один глаз и посмотрите на исследователь нос. Переместить руку из поля зрения пациента и затем привести его, вильнув палец медленно и просят пациента, чтобы знать, когда рука возвращается в поле зрения, исследователь повторите это верхний левый, верхний правый, нижний левый и нижний правый квадраты.
Примечание: Когда пациент охватывает их правый глаз, охватывают левый глаз и наоборот.
- Оцените зрительные нарушения тестом интеграции visual мотор.
- Оценку остроты оптотипу диаграммы39,40.
- Оценить поле зрения с конфронтации и если в вопросе, выполняют Goldman или Хамфри поля зрения тестирования41,42.
- Оцените hemi пространственное игнорирование через линии Биссектриса тест и тест отмены одного письма43.
- Количественной оценки степени инвалидности через 25 элементов национальной глаз институт визуального функционирования вопросника (NEI-VFQ-25) и обследования дополнение 10-пункт44.
- Возьмите историю и выполнить диспансеризации, как описано ниже.
2. подготовка для эксперимента и физической конфигурации оборудования
- Оборудование:
- Выберите глаз трекер
- Выберите глаз трекер, который способен смонтированы голову использования (чтобы избежать интерференции с движениями на основе регистрации reach) высокое пространственное разрешение (o≤0.1) и высоким временным разрешением (≥250 Гц).
- Запись движения бинокулярный глаз с глаз трекер с частотой дискрети 250 Гц (выборки глаз позиции каждые 4 мс) отслеживание зрачка и роговицы отражения.
- Выберите конечности трекер
- Выберите конечности трекер, который может сопоставить движение в x, y, z позицию, ³ 0,08 см точности, задержка ³ 3,5 мс.
- Выберите ноутбук, способный запуск пользовательского сценария, элементы управления, приобретенные в реальном времени интеграции данных из двух систем и совместно регистрации сигналов в режиме реального времени (Таблица материалов).
- Выберите монитор способен интеграции с выбранной ноутбук и это достаточно большой, чтобы поддерживать однозначное соответствие между монитором и настольная охват пространства
- Определите одинаковых по размеру прямоугольника на мониторе на поверхности стола между участником и на мониторе, для использования в качестве функционального пространства достижения для экспериментальных работ.
- Выберите глаз трекер
- Настройка подготовки:
- Создать таблицу с высоты Регулируемый стул.
- Поместите монитор 40 см от дальнего края таблицы (Таблица материалов).
- Место доску настольная (достигнув поверхности) с измерением соотношение 1-1 с на мониторе.
- Настроить трекер конечности, монтируя электромагнитного источник под столом (Таблица материалов).
- Настройка отслеживания глаз, принимающих ПК (Таблица материалов).
- Прикрепите четыре Инфракрасные осветители (ИК) к четырем углам монитора с помощью ремней.
- Установите конфигурации отслеживания глаз от глаз отслеживания установки параметры экрана.
- Выберите Калибровка 13-point из заданной конфигурации отслеживания глаз.
- Выберите высокий саккада чувствительность для обнаружения небольших саккад.
- Выберите режим ученик-CR для записи как учащихся, так и роговицы.
- Выберите частоту выборки 250 Гц.
- Участница физическая подготовка
- Участники сиденье на стуле-регулируемая высота за столом с экрана компьютера.
- Позиция участника 60 см от монитора (таблица материалов).
- Исправить датчик движения (таблица материал) на дистальном аспект указательный палец руки испытываемого руку (доминирующей оружия для элементов управления и обе руки в участников с ходом)
- Место трекер глаз на участников оголовье и настроить заставку и камеры (Таблица материалов).
- Установка ремня
- Отрегулируйте герметичности и положение головного ремня, (с помощью ручки заставку), так что передняя панель находится в центре лба и боковые накладки выше участника уши.
- Убедитесь, что камера заставку находится в самом центре, на лбу и переносице.
- Спросите участников, поднять брови и если затылочный ремень движется, ремонт она выше или ниже на лбу.
- Настройки камеры и роговицы осветитель позиции. Попросите участников взглянуть на мониторе.
- От экрана камеры выберите изображение головы камеры, убедитесь, что он показывает четыре большие пятна от ИК маркеров, которые расположены в центре головы камеры изображения. Если они находятся не в центре, настройте соответствующим образом.
- На экране установки камеры выберите один глаз в то время. Настроить два глаза, камеры, снижение и повышение глаз камеры обработки до зрачка глаза находится в центре изображения камеры
- Фокусировка камеры глаза, повернув держатель объектива.
- Установите порог ученик, нажав кнопку Auto порог на экране настройки камеры.
- Выполнение же регулировка для другой глаз.
- Установка ремня
- Калибровка
- Калибровка конечности трекер выход для достижения поверхности с помощью 9-точки калибровки, попросите участник разместить их датчик прилагаемый пальцем по достижении поверхности (настольные) места, как на экране монитора.
- Калибровка глаз трекер, попросите участников взглянуть на цель калибровки, которая появляется в виде синей точки и поддержания фиксации до тех пор, пока на экране появится следующая точка
Примечание: Калибровочные появляются в 13 случайно выбранных позициях на экране - Калибровка трекер глаза по крайней мере два раза в сессии, первая в начале эксперимента и его в точке на полпути.
3. эксперимент
- Попросите участников для перемещения их пальцем на начальную позицию, охватывающих начала круг на экране с палец индикатор точкой (красная точка), а фиксирующий (глаз) в исходное положение на экране.
Примечание: Начальную позицию находится корреспондент фиксации точки (синяя точка) отображается в центре экрана (Рисунок 1a). Положение пальца представлена как 4 мм радиус красная точка на экране. - Требуют участников поддерживать позицию пальца на начало круг 150 мс до тех пор, пока целевой объект появится.
- Убедитесь, что участники зафиксировать начальную позицию до тех пор, пока они слышат звуковой сигнал («идти beep»). (Рис. 1)
Примечание: Продолжительность между Целевой внешний вид и идти сигнал рандомизированных между ms 250 до 750 для предотвращения ожидании идти сигнал. - Проинструктируйте участников для перемещения их глаза и пальца быстро и точно в назначенный целевой как они слышат звуковой сигнал (рис. 1)
- Указанный целевой появляется круг радиуса белый 1 см
- Проинструктируйте участников коснуться настольная расположение на позиции виртуальный цели отображается на экране, подняв рук и пальцев и повторное подключение пальца и настольные
- Убедитесь, что участники делают указывая движение Лифтинг рук и пальцев, а не перетаскивание рук и пальцев на столешницу.
- Отображать местоположение конца досягаемости как красная точка, следующие добраться до завершения.
- Определить охват завершение сочетание низкой скорости (< 5% пик) и 3 мм z плоскости порог.
- Попросите участников выполнить серию ознакомительных испытаний до начала сбора данных.
- Начало сбора данных после того, как участники коснулись 5 последних 10 целей успешно.
- Попросите участников выполнить серию взгляд и достичь испытания, как они были проинструктированы во время ознакомления судебных разбирательств.
- У участников выполнить в общей сложности 76 испытаний.
- У управления участники выполняют эксперимент с их доминирующей рукой.
- Всякий раз, когда это возможно, у участников с ходом выполнения эксперимент с обеих рук, пострадавших в более и менее пострадавших.
- Участники завершить весь эксперимент по крайней мере одной рукой.
Рисунок 1. Схема установки и эксперимент. (a) схематическое представление монитора и достигнув поверхности во время судебного разбирательства. (b) последовательность действий в пределах досягаемости, визуально гидом. Появляется первый фиксации (F). Целевой (T) появляется после рандомизированных продолжительность времени. «Идти» сигнала происходит как слуховой сигнал звуковой (обозначается вертикальной панели светло серый) после непредсказуемого времени интервала (параллельных смещение F) после целевой внешний вид. Рука (H) и глаз (E) движений следуют пойдем сигнала. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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.
Демография и вопросник оценки
Таблица 1 показывает клинических и демографические характеристики когорты представитель инсульта.
Среднее невзвешенное VFQ счеты были 91.33 ± 13.01 в ход участников, по сравнению с 94.87 ± 4.87 в здоровых элементов управления (p = 0,203, ns). Означать десятки 10-пункт дополнения были 95 ± 11.57 в ход участников, по сравнению с 96.27 ± 6.64 в здоровых элементов управления (p = 0.375, ns). Значит, ноты для составного и 10-пункт дополнения были 92.36 ± 12.18 в ход участников, по сравнению с 95.12 ± 4,65 в здоровых элементов управления (p = 0.244, ns). Инсульта участники имели средняя оценка Fugl-Мейер 55.54 ± 13.33, с диапазоном 30-66.
Глаз и рук движений длительностей и задержки
На рисунке 2 саккада и досягаемости задержки, измеряется как время между идти сигнал и начало движения, строятся. Инсульта участники сделали первоначальный (первичный) саккад значительно ранее в оба пострадавших от менее и более пострадавших сторон, сравнивая здорового управления участников (p <.05) (пострадавших больше рук: 0,082 s, CI: [0,052 0,112]; менее пострадавших руку: 0,106 s, CI: [0.08 0,132]; Управление саккада натисков: 0.529 сек, CI: [0,514 0.543]). Сравнить с контроля, ход участники сделали удивительно раннего первоначальный саккада целевой но там не было значительной разницы между управления достичь натисков и затронут менее или более достигнет натисков в ход участников (менее пострадавших руку: 0.545 s, CI: [0.521 0.568]; больше пострадавших руку: 0.60 s, CI: [0,567 0.632]; управления достигают натисков: 0.556 сек, CI: [0,544 0.568]). Задержка между первоначальной саккада и достичь наступления, который представляет временные отделения в ход участников, была больше в в обоих пострадавших в более и менее пострадавших руку, 519 мс (ДИ: [476 562]) и 439 мс (ДИ: [404 474]) разделение соответственно в инсульт, по сравнению с минимальным разделение 27 мс (ДИ: [8,5 45]) в элементах управления (все элементы p <.05). Инсульта участников не только сделал длинный срок достигает (вычисляется как разница между движение начало и прекращение) с их стороны пострадавших больше (604 МС, CI: [587 622]) но также увеличили их среднее время на стороне пострадавших от менее (546 МС, CI: [537 555] против 352 МС, CI: [348 356]) (все p <.05).
Частота движения глаз
Мы изучили интервал между наступления первоначальных саккада и добраться до наступления, который был минимальным в здоровых элементов управления и значительно больше в ход участников меньше - и более - пораженной стороне. Мы заметили различия в число саккад, которые были сделаны в течение этого периода. Число саккад, производимые инсульта участников независимо от конечностей, которые они использовали, был больше, чем здоровые элементы управления. Мы печать количество вторичных саккад, сделанные участниками в гистограммы (рис. 3). Здоровые элементы управления в 90% судебных процессов сделал один саккада и устойчивой фиксации на цель до тех пор, пока они завершили досягаемости. В противоположность, этот шаблон был создан в 50% испытаний (z = 32,2, p <.05) для тех, кто с инсультом и остальная сделал несколько саккад. (Рис. 3). На рисунке 4 показан пример таких саккада следов.
Пространственная ошибки глаза и движения рук
Что касается амплитуды от движения конечной цели центр (движения ошибка), инсульта участников увеличилась досягаемости ошибки как меньше, так и более пострадавших руки относительно здоровых элементов управления (управления: 9,3 мм, CI: [9,0 9,5]; менее пострадавших руку: 19.2 мм, CI: [ 18.4 20,0]; больше пострадавших руку: 21.4 мм, CI: [20,5 21,4]) (Рисунок 5; все p <.05). Наряду с увеличением охвата ошибок, ошибки конечной саккада увеличилось значительно, как показано на рисунке 5 (контроль: 18,3 мм, CI: [17,9 18.7]; менее пострадавших руку: 36,4 мм, CI: [35,2 37.6]; больше пострадавших руку: 41,6 мм, CI: [43,0 40,3]; все p <.05).
АРМ двигательными нарушениями и глаз рука задержка развязки корреляции
Оценка Fugl-Майер был использован для оценки руку двигательными нарушениями. Ожидается, что временные отделения в ход участников будет соотноситься с двигательными нарушениями тяжести руку, но наши результаты показали, что статистически незначимым для менее (r = -0.64, ns) и более пострадавших (r =-0.34, ns) оружия.
| ID | Возраст | Секс | H / H | Инсульт | Хронизации (лет) | Fugl Мейер Оценка c |
| (лет) | B характеристики | |||||
| 1 | 78 | M | R/L | R MCA распределение | 2 | 66 |
| 2 | 61 | F | R/L | R MCA распределение | 7 | 66 |
| 3 | 34 | M | R/R | L MCA распределение | 1.7 | 66 |
| 4 | 39 | F | R/R | L MCA распределение | 1.4 | 45 |
| 5 | 70 | M | R/R | L MCA распределение | 2.8 | 58 |
| 6 | 60 | F | R/L | R MCA распределение | 2.6 | 30 |
| 7 | 73 | M | R/L | R MCA распределение | 6 | 58 |
| 8 | 51 | F | R/L | R MCA распределение | 12.2 | 30 |
| 9 | 60 | M | R/R | L MCA распределение | 4.4 | 63 |
| 10 | 39 | M | R/L | R MCA распределение | 4.7 | 47 |
| 11 | 70 | M | R/L | R MCA распределение | 2 | 66 |
| 12 | 47 | F | R/R | L MCA распределение | 1.5 | 61 |
| 13 | 65 | F | R/R | L MCA распределение | 0,7 | 66 |
| AVG | 57,5 | 3.8 | 55,5 | |||
| (SD) | -14.3 | -3,2 | -13.3 |
Таблица 1 . Инсульта клинические характеристики.
«H/H» = Handedness / гемипареза: Handedness (оценивать через Эдинбург инвентаризации) / гемипарез Латеральность
b «Штриха особенности»: место поражения, полученные от медицинской истории с участником и/или членов семьи, выступающей как историк; регион и кросс проверены для обеспечения согласованности с выводами экспертизы Латеральность
c «Оценка Fugl-Майер»: суммирование верхней конечности Оценка [всего возможных 66], который отражает степень после инсульта двигательными нарушениями.
Рисунок 2. Саккада и досягаемости задержки Саккада натисков (обозначается синие круги) происходят значительно ранее в ход участников, пока не значительны различия между управления достигают натисков (обозначены зелеными кружками) и инсульта (обозначены зелеными кружками) участников (с небольшая задержка на стороне пострадавших больше). Задержка между первоначальной саккада и добраться до начала обозначаются светло серый бар. (натисков: круги, окончаний: квадраты) (ошибка бар: 95% доверительный интервал) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рис. 3. Гистограммы число саккад помимо основного саккад. Верхняя гистограмма показывает, управления участники преимущественно сделать основной саккада только. Там были либо без дополнительных саккад за пределами основной саккада или содержать один вторичный саккада около 96% испытания. Нижняя гистограмма показывает ход участников, сделайте до пяти средних саккад же 96% судебных процессов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4. Рисунке, случайные сырье саккада трассировки из двух участников контроля и двухтактных участников. Двух выборок (нефильтрованное, сырье) глаз (синий) и ручной (зеленый) следы от контроля участников (левая колонка) и инсульта участников (правая колонка) выводятся в экран мм для одновременной печати следов глаз и рук. В двух исследованиях участники инсульта несколько движений глаз сделаны до того, как они полный охват, в отличие от управления участников испытаний, которые делают один саккада на или закрыть время досягаемости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5. Средняя конечной ошибка участник группировка или руку Зеленые бары указывают в среднем достигают ошибка, и синие полоски указывают среднее саккада (первичный) ошибка. Двухвыборочный t тесты были выполнены. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 природные действий зависимые задачи визуально руководствуются и зависят от видения как первичного сенсорного ввода. Взгляд программируется через окуляр мотор команды, указывающие центральное зрение на ключевых пространственных целей; Эта информация имеет решающее значение и оказывает помощь в приобретении рука целей. Ключевым является, что поведение координации глаз рука должна выполняться эффективно и точно. Например решили захватить чашку кофе приведет к быстрого движения глаз ручку, терминал фиксации, приобретение стержневые окружающей среды подробно указательный палец размещения и захватывание, все в височно синхронизированные серии. После начала движения визуальной обратной связи верхней конечности имеет решающее значение для онлайн ошибка мониторинга и коррекции.
Оценку координации глаз рука с нашими различные методологии указывает, что этот ход затрудняет координацию глаз рука движения управления. Участники инсульта с MCA-травмы выявить как менее точные саккады и достичь (в обе стороны, меньше/больше пострадавшим) относительно здоровых элементов управления; Там также появляется быть Старк развязки между первичной саккада начала и досягаемости начала в обоих менее- / больше пострадавших сторон. Хотя расстройства движения глаз и рук отдельно способствовать функциональный компромисс, по-видимому, существуют определенного дефицита в координации глаз рука, которая может усилить достигая ошибки и далее подрывать неврологических функций; Это происходит, когда эти отдельные эффекторных систем не координировать сторону единого синхронное поведение. Одно из возможных объяснений может заключаться в дополнительной вычислительной нагрузки выполнения движений двойной глаз рука и смежных вмешательства эффекты46,47,48,49. Экспериментальных парадигм, которые требуют регистрации совместного движения глаз рука позволяют ученым систематически зонд двойной задачи; особенно это относится к патологической населения, которые известные трудности с такими задачами, вне зависимости от комбинации (когнитивной мотор, мотор мотор, и т.д.)50,,5152.
Движения глаз и верхней конечности чувствительные маркеры мозговой травмы и множества приложений существуют диагностически, прогностически и терапевтически53,54,55,56,57 ,,5859. Движения глаз и их отношения к движение конечностей создать еще больше «окна» в мозг, чем считалось ранее. Помимо прямого нарушения функции движения глаз дефицит в компенсации движения глаз в ответ на руки движение обесценения является новой областью, изобилует научных возможностей. После того, как далее охарактеризовал, координация глаз рука будет способна пролить свет на нескольких приложений и мотивировать дальнейшие исследования, чтобы понять ее последствия для управления функциональные движения, переводя механистический проницательность в клинических знаний. Ключом к глаз рука управления исследований является надежной методологии и активные протоколы, которые позволяют для анализа таких физиологии одновременно и с высокой точностью.
Несмотря на преимущества, разделенное здесь есть еще методологические ограничения настоящего. Как описано в разделе методы, участники обучаются фиксировать цель, как он появляется на мониторе и сделать одновременно достичь на столешницу, позиционируется сразу напротив станции. Это требует преобразования пространственной информации для столешницы от монитора и добавляет дополнительный когнитивных шаг. Хотя это когнитивная задача идентичен трансформации, которую делает во время работы компьютера, переводя информацию на экране рабочей станции или в мышь клавиатура «пространство», более натуралистический задача будет использовать свободный перевод парадигмы. Независимо от того надежные 3-D рук, отслеживания с объективно характеризуется глаз записи позволяют зонд комплексного управления двигателем, который вращается вокруг нескольких эффекторных координации. Кроме того нынешний подход дает возможность оценить аспекты управления глаз рука, решающее значение для взаимодействия с интерфейсом компьютера в режиме реального времени.
Хотя количественные двойной эффекторных записи в 3-D дают надежные в окуляр руководство мотор расследований в параметре ABI, целесообразность такой двойной записи для глаз и рук является сложной задачей, особенно в патологических условиях При выполнении исследования класс строгости. Усилия пытались объединить глаз и рук трекер для оценки физиологии глаз и рук, но вывод данных часто является нестабильным 60. Когда эти неустойчивостей, видели в здоровых популяциях учтены и juxtaposed с технической калибровки и запись вопросов участников с патологией, данных становится менее полезным. Следовательно это прагматический использовать метод и парадигмы, как описано здесь. Соответственно глаз позиции калибровка завершена в глубину плоскости интерес, глаз специфические раздражители отображаются на этом одном расстоянии и точность измерения взгляд впоследствии надежен. На других расстояниях глаза Посмотреть больше не выравнивается, и характеристика ограничивается 3-D записи рука позиция61,62. Квинтэссенцией исследования глаз и рук в патологических условиях будет достигаться лучше всего с заказного программного обеспечения, которое позволяет мульти глубина калибровок, комплексное оборудование, систему центрального компьютера или узла для совместного регистрации сигнала и протокол похож на один выше.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Acknowledgments
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
| 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 |
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), 18.11-24 (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).
- 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).
- 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).
