Summary
Cerebral skada kan skada både okulär och somatiska motoriska system. Karakterisering av motorisk kontroll efter skada ger biomarkörer som hjälper i sjukdom identifiering, övervakning och prognos. Vi granskar en metod att mäta öga-hand rörelsekontroll i hälsa och patologisk Inkoordination, med titt-och-nå paradigm att bedöma samordning mellan öga och hand.
Abstract
Objektiva analyser av ögonrörelser har en betydande historia och länge har visat sig vara ett viktigt sökverktyg i fastställandet av hjärnskada. Kvantitativa inspelningar har en stark förmåga att skärmen diagnostiskt. Samtidiga undersökningar av ögat och övre benrörelser riktad mot gemensamma funktionella mål (t.ex., öga-hand koordination) fungera som en extra robust biomarkör-lastad sökvägen till fånga och förhöra neurala skada, inklusive förvärvad hjärnskada (ABI ). Medan kvantitativa dual-effektor inspelningar i 3-D råd med stora möjligheter inom okulär-manual motor utredningar i inställningen av ABI, är genomförbarheten av sådana dubbla inspelningar för både ögat och handen utmanande i patologiska inställningar, särskilt När närmade sig med forskning-grade noggrannhet. Här beskriver vi integrationen av ett öga spårningssystem med en motion tracking system avsedd för lem kontroll forskning att studera ett naturligt beteende. Protokollet gör det möjligt för utredningen av obegränsad, tredimensionella (3D) öga-hand samordningsarbetet. Mer specifikt, granskar vi en metod för att bedöma öga-hand koordination i visuellt guidade saccade att nå uppgifter hos försökspersoner med kronisk mellersta cerebral artär (MCA) stroke och jämföra dem med friska kontroller. Särskild uppmärksamhet ägnas åt ögat - och lem-spårning Systemegenskaper för att erhålla hög trohet data från deltagarna efter skada. Samplingsfrekvens, noggrannhet, tillåtna huvudrörelser utbud gett förväntade tolerans och genomförbarheten av användning var flera av de kritiska egenskaperna beaktas när du väljer en eye-tracker och en strategi. Lem tracker valdes baserat på en liknande rubrik men ingår behovet av 3-D inspelning, dynamisk interaktion och en miniatyriserade fysiska fotavtryck. Kvantitativa data förutsatt av denna metod och övergripande strategi när genomförs korrekt har enorm potential att ytterligare förfina våra mekanistisk förståelse av öga-hand kontroll och hjälpa informera genomförbart diagnostiska och pragmatiska åtgärder inom den neurologiska och rehabiliterande praxis.
Introduction
En kritisk del av den neurologiska funktionen är öga-hand koordination eller integrering av okulär och manuell motorsystem för planering och utförande av kombinerad funktion mot ett gemensamt mål, exempelvis en look, nå och ta av TV remote. Många målmedvetna uppgifter beror på visuellt guidade åtgärder, såsom att nå, greppa, object manipulation och verktyg använder, som gångjärn på temporally och rumsligt kopplat öga och hand rörelser. Förvärvade hjärnskador (ABI) orsaka inte bara lem dysfunktion men också okulär dysfunktion; Mer nyligen, det finns också bevis som pekar på dysfunktion av öga-hand samordning1. Samordnad öga-hand motorstyrning program är mottagliga för förolämpning i neurologiska skador från vaskulär, traumatiska och degenerativa etiologier. Dessa förolämpningar kan orsaka en uppdelning mellan någon av de oumbärliga förbindelser som behövs för snabb och integrerad motorstyrning2,3,4,5,6. Många studier om funktionen manuell motor har slutförts och har lånefinansierade visuell vägledning som core pelare paradigm utan en metod eller ett protokoll för att analysera ögonrörelser samtidigt.
I ABI upptäcks iögonfallande motoriska brister ofta vid sängkanten klinisk prövning. Men kan samtidiga okulär motoriska funktionsnedsättningar och komplexa funktionsnedsättningar som innebär integrering av sensoriska och motoriska system vara subklinisk och nödvändiggör objektiva inspelning att vara identifierade7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16. Okulär-manual motor samordning är beroende av ett stort sammanhängande cerebral nätverk, belysa behovet av en detaljerad undersökning. Öga-hand samordning utvärdering med dubbla objektiv inspelningar ger möjlighet till assay både kognitiva och motoriska funktion i flera populationer, inklusive friska kontroller och patienter med en historia av hjärnskada, vilket ger inblick i cerebral kretsar och funktion3.
Medan saccades är ballistiska rörelser som kan variera i amplitud beroende på uppgift behöver, studier har visat samband mellan saccade och hand rörelse under visuellt guidade åtgärder17,18,19, 20. I själva verket senaste experiment har visat att styrsystem för båda rörelserna delar planering resurser21,22. Motorn planering nav för öga-hand koordination ligger i den bakre parietala cortexen. I stroke finns det välkända brister i motorisk kontroll; hemiparetic patienter har visat sig generera felaktiga förutsägelser givet en uppsättning av neurala kommandon, när ombeds utföra visuellt guidade handrörelser, med hjälp av antingen mer påverkas (kontralateral) eller mindre drabbade (ipsilaterala) lem23 ,24,25,26,27,28,29. Dessutom, öga-hand koordination och relaterade motorstyrning program är mottagliga för förolämpning efter neurologiska skador, frikoppling relationer, temporally och rumsligt, mellan effektorer30. Objektiva inspelningar av ögat och handen kontroll är av största vikt att karaktärisera den Inkoordination eller graden av samordning leverfunktion och förbättrar den vetenskapliga förståelsen av öga-hand motorisk kontrollmekanism i ett funktionellt sammanhang.
Det finns många studier av öga-hand koordination i friska kontroller17,31,32,33,34, har vår grupp avancerade fältet genom vår inställning för neurologiska skador, för exempel under stroke kretsar bedömning, har undersökt den rumsliga och tidsmässiga organisationen handrörelser, ofta som svar på visuellt visas rumsliga mål. Studier som har utvidgat objektiva karakterisering till ögat och handen fokuserat nästan uteslutande på prestanda till post båda effektorer efter stroke eller i patologisk inställningar; protokollet beskrivs möjliggör robust karakterisering av okulär och manuell motorstyrning i oinskränkt och naturliga rörelser. Här beskriver vi tekniken i en utredning av visuellt-guidad saccade att nå rörelser hos försökspersoner med kronisk mellersta cerebral artär (MCA) stroke jämfört med friska kontroller. För samtidig inspelning av saccade och reach anställer vi samtidiga öga och hand motion tracking.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. deltagare
- Rekrytera kontrolldeltagare på äldre än 18 år, utan anamnes på neurologisk dysfunktion, betydande ögonskador, betydande depression, stora funktionshinder eller elektriska implantat.
- Rekryterar Stroke deltagare äldre än 18 år, med en historia av hjärnskada i mellersta cerebral artär (MCA) distribution, har förmågan att slutföra skalan Fugl-Meyer, upprätthålla ett komplett utbud av ögats rörelser35,36, har den förmåga att utföra pekar uppgifter och utan historien om ytterligare neurologisk dysfunktion, betydande ögat hälsa samsjuklighet, betydande depression, stora funktionshinder och/eller elektriska implantat.
- Be deltagarna att underteckna ett medgivande som godkänts av den institutionella i styrelsen för New York University's School of Medicine.
- Deltagare Screening (för detaljerade uteslutningskriterier se Rizzo et al37)
- Ta historia och utföra kliniska undersökningar som diskuteras nedan.
- Bedöma kognitiv deltagare med Mini Mental State Examination (MMSE)38.
- Utföra neurologisk undersökning.
- Granska extraocular muskler och ögonrörelser.
- Be deltagarna att följa forskarens finger med sina ögon samtidigt hålla huvudet i en position. Rita en imaginär H brev framför dem och kontrollera att din finger flyttar långt nog ut och upp/ned, bedöma center, upp, ner, vänster, höger, ned/till vänster, ner/höger, upp/vänster, och upp/till höger.
- Be deltagarna att följa och upprätthålla blicken på ett objekt rörde sig långsamt genom deras synfält att bedöma smooth pursuit. Täcker en sträcka på ungefär 24 tum och med en blyertspenna som måltavla, sopa fram och tillbaka långsamt i horisontell och vertikal riktning, upprepande vardera tre gånger.
- Be deltagarna att titta så fort som möjligt mellan 2 mål som placeras 24 inches isär för att bedöma saccades. Använd en penna och en penna som mål och rikta blicken till mål i en back och fram sätt tre gånger horisontellt och vertikalt.
- Be deltagarna att fixera på ett objekt när den rör sig långsamt mot att deras ögon att bedöma konvergens, centrering målet, en penna, på bron i näsan. Följande procedur, upprepa testet genom att föra samma mål från näsan tillbaka ut till startpositionen (avvikelse).
- Be patienten att täcka ett öga och titta på forskarens näsa. Flytta ut ur patientens synfält och sedan ta i, wag finger sakta och be patienten att låta forskaren vet när handen kommer tillbaka in i vyn, upprepa detta för övre vänstra, övre högra, nedre vänstra och nedre högra kvadranterna.
Obs: När patienten täcker deras högra öga, täcka det vänstra ögat, och vice versa.
- Bedöma synnedsättning genom ett visual-motor integrationtest.
- Bedöma synskärpan av Snellen diagram39,40.
- Bedöma synfältet med konfrontation och om i frågan, utföra Goldman eller Humphrey synfält test41,42.
- Bedöma hemi-spatial försummelse via linje bisection test och bokstav annulleringen testa43.
- Kvantifiera omfattningen av funktionshinder via 25-objektet nationella Eye Institute Visual fungerande frågeformulär (NEI-VFQ-25) och en 10-objektet tillägg undersökning44.
- Ta historia och utföra kliniska undersökningar som diskuteras nedan.
2. förberedelse för experimentet och den fysiska konfigurationen av utrustning
- Utrustning:
- Välja en eye-tracker
- Välja en eye-tracker som kan huvud-monterad användning (för att undvika störningar med skrivbord-baserade reach rörelser) hög rumslig upplösning (≤0.1o) och temporal högupplösta (≥250 Hz).
- Registrera den binokulära ögonrörelser med eye tracker vid en samplingsfrekvens på 250 Hz (provtagning öga position varje 4 ms) spårning både elev och hornhinnans reflektion.
- Välja en lem tracker
- Välja en lem-tracker som kan mappa rörelsen i x, y, z position, ³ 0,08 cm-noggrannhet, latens ³ 3,5 ms.
- Välja en bärbar dator kan köra ett anpassat skript som styr realtid integration av data förvärvade från två system och samtidig registrering signalerna i realtid (Tabell för material).
- Välj en bildskärm som kan integreras med den valda laptop och som är tillräckligt stor för att stödja one-to-one korrespondens mellan monitor och bordsskiva reach utrymme
- Definiera en rektangel som är identiska i storlek till den bildskärm bildskärmen på en bordsytan mellan deltagaren och bildskärmen, för att använda som en funktionell nå utrymme för experimentellt arbete.
- Välja en eye-tracker
- Ställa in beredning:
- Ställa in en tabell med höjd Justerbar stol.
- Placera en bildskärm 40 cm från den bortersta kanten av tabellen (Tabell för material).
- Placera en bordsskiva styrelse (når ytan) med dimensionen 1-1-förhållande med bildskärmen.
- Ställa in lem tracker genom att montera elektromagnetisk källan under tabellen (Tabell för material).
- Ställa in eye tracker, värd PC (Tabell för material).
- Fäst fyra infraröd (IR) belysning till fyra hörn av skärmen med hjälp av remmar.
- Ange de eye tracker konfigurationerna från eye tracker setup alternativskärmen.
- Välj 13-punktskalibrering förinställda konfigurationen av eye tracker.
- Välj hög saccade känslighet att upptäcka små saccade.
- Välj elev-CR-läge för att spela in både elever och hornhinnan.
- Välj en samplingsfrekvens vid 250 Hz.
- Deltagare fysiska förberedelser
- Plats för deltagarna på en Höj-och sänkbart stol vid bordet med datorskärmen.
- Placera deltagaren 60 cm från bildskärmen (tabell av material).
- Fixa rörelsesensorn (tabell av Material) till den distala delen av pekfingret av hand den provas arm (dominerande vapen för kontroller, och båda armarna i deltagare med stroke)
- Placera eye tracker på deltagarnas pannband och justera pannband och kameror (Tabell för material).
- Montering av pannband
- Justera täthet och position av pannbandet (med pannband knoppar) så att den främsta pad är i mitten av pannan och sida kuddar över deltagarens öron.
- Kontrollera att kamerans pannband är i mitten av pannan och över bron i näsan.
- Be deltagarna att höja sina ögonbryn, och om pannbandet flyttar, återmontera det högre eller lägre i pannan.
- Justera kameran och korneal illuminator position. Be deltagarna att titta på bildskärmen.
- Kamera på skärmen Välj huvud kamerabilden, kontrollera att den visar fyra stora fläckar från IR markörer som är placerade i mitten av huvudet kamerabilden. Om de inte är i centrera, justera.
- Kameran setup-skärmen Välj ett öga på tiden. Justera två ögat kameror genom att sänka och höja öga kameran hanterar tills pupillen i ögat är i centrera av kamerabilden
- Fokusera ögat kameran genom att vrida objektivet innehavaren.
- Ange tröskelvärdet elev genom att trycka på knappen Auto tröskeln på skärmen kameran setup.
- Utföra den samma justeringen för andra ögat.
- Montering av pannband
- Kalibrering
- Kalibrera lem tracker utgång att nå ytan med hjälp av en 9-punktskalibrering, be deltagaren att placera sin sensor bifogade finger på nå ytan (bordsskiva) platser som visas på skärmen.
- Kalibrera eye tracker, be deltagarna att titta på den kalibrering mål som visas som en blå prick och underhålla fixering tills nästa punkten visas på skärmen
Obs: Kalibrering mål visas i 13 slumpmässigt utvalda positioner på skärmen - Kalibrera eye tracker minst två gånger per session, första en i början av experimentet och dess halvvägs.
3. experiment
- Be deltagarna att flytta sitt finger till startpositionen, som täcker start cirkeln på skärmen med fingret-indikatorpunkten (röd prick), medan fixerande (öga) startposition på skärmen.
Obs: Startposition är en korrespondent läge fixering punkt (blue dot) bildskärmarna på mitten av skärmen (figur 1a). Placeringen av fingret representeras 4 mm radie röd prick på skärmen. - Kräva deltagarna behålla fingerposition på start cirkeln för 150 ms tills målet visas.
- Säkerställa att deltagarna fixera startpositionen tills de hör ett pipljud (”gå beep”). (Figur 1)
Obs: Varaktigheten mellan mål utseende och gå signalen är randomiserade mellan 250 till 750 ms att förhindra väntan på signalen gå. - Instruera deltagarna att flytta både sina ögon och fingertoppar snabbt och korrekt utsedda målet eftersom de hör pipljudet (figur 1)
- Utsedda mål visas 1 cm radie vit cirkel
- Instruera deltagarna att touch bordsskiva platsen på positionen för den virtuella mål som visas på skärmen genom att lyfta hand och finger och åter ansluta fingertoppen och bordsskiva
- Kontrollera att deltagarna göra en pekande rörelse genom att lyfta hand och finger i stället för att dra hand och finger på bordsskivan.
- Visa slutet platsen i reach som en röd prick, följande nå slutförande.
- Bestämma reach slutförandet av en kombination av låg-velocity (< 5% peak) och 3 mm z-planet tröskel.
- Be deltagarna att utföra en serie av förtrogenhet prövningar innan datainsamling.
- Starta dataförvärv efter deltagarna rört 5 av de 10 senaste målen framgångsrikt.
- Be deltagarna att utföra en serie av utseende och nå prövningar som de instruerades under förtrogenhet prövningar.
- Har deltagarna utföra Totalt 76 studier.
- Har kontrolldeltagare utföra experimentet med sin dominerande hand.
- När det är möjligt, har deltagare med stroke utföra experimentet med båda händerna, mer-drabbade och mindre drabbade.
- Deltagarna slutföra hela experimentet med minst en hand.
Figur 1. Schematisk bild av installationsprogrammet och experiment. (a) Schematisk framställning av bildskärm och når ytan under en rättegång. (b) sekvensering av åtgärder inom visuellt-guidad räckhåll. Första fixering (F) visas. Målet (T) visas efter en randomiserad tid. 'Gå' signalen inträffar som auditiv pip-ljud (betecknas med ljusgrå vertikala baren) efter en oförutsägbar tidsintervall (samtidiga offset f) följande av target utseende. Handen (H) och Eye (E) rörelser följa go-signalen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Trettio deltagare deltog i forskningsstudien. Det fanns 17 deltagare i kontroll Kohorten och 13 deltagare i stroke kohorten. Två deltagare inte kunde avsluta hela experimentet, så deras uppgifter har uteslutits från analysen.
Demografi och frågeformulär bedömningar
Tabell 1 visar de kliniska och demografiska egenskaperna av representativa stroke kohorten.
Medelvärdet oviktat VFQ noter var 91.33 ± 13,01 i stroke deltagare, kontra 94.87 ± 4,87 i friska kontroller (p = 0.203, ns). Genomsnittliga betyg för 10-objekt tillägget var 95 ± 11,57 i stroke deltagare, kontra 96.27 ± 6,64 i friska kontroller (p = 0,375, ns). Genomsnittliga poängen för den sammansatta och 10-post tillägget var 92.36 ± 12.18 i stroke deltagare, kontra 95.12 ± 4,65 i friska kontroller (p = 0.244, ns). Stroke deltagarna hade en genomsnittlig Fugl-Meyer poäng 55.54 ± 13,33, med en räckvidd på 30-66.
Öga och Hand rörelser varaktigheter och tidsfördröjningar
I figur 2 ritas saccade och reach latenser, mätt som varaktigheten mellan gå signal och rörelse debut. Stroke deltagare gjort den första (primära) saccades betydligt tidigare i både mindre drabbade och mer drabbade sidor, att jämföra med friska kontrolldeltagare (p <.05) (mer drabbade hand: 0.082 s, CI: [0,052 0.112]; mindre drabbade hand: 0.106 s, KI: [0,08 0,132]; styra saccade ansats: 0.529 s, CI: [0.514 0.543]). Jämför med kontroll, stroke deltagare gjort anmärkningsvärt tidigt inledande saccade att rikta men det fanns inga signifikanta skillnader mellan kontroll når ansats och drabbades av mindre eller mer-drabbade når ansats i stroke deltagare (mindre drabbade hand: 0.545 s, KI: [0.521 0.568]; mer drabbade hand: 0,60 s, CI: [0.567 0.632]; kontroll nå ansats: 0.556 s, CI: [0.544 0.568]). Fördröjning mellan den inledande saccade och reach debut, som representerar en temporal frikoppling i stroke deltagare, var större i i båda drabbats av mer och mindre drabbade handen, en 519 ms (CI: [476 562]) och en 439 ms (CI: [404 474]) separation respektive i stroke, jämfört med en minimal separation av 27 ms (CI: [8,5 45]) i kontroller (alla p <.05). Stroke deltagare inte bara gjort den längsta varaktighet når (beräknas som skillnaden mellan rörelsen debut och uppsägning) med deras mer drabbade sidan (604 ms, CI: [587 622]) men också ökat deras genomsnittliga nå tid på mindre drabbade sidan (546 ms, KI: [537 555] vs 352 ms, CI: [348 356]) (alla p <.05).
Ögats rörelser frekvens
Vi undersökte intervallet mellan första saccade uppkomsten och nå debut, som var minimal i friska kontroller och betydligt längre i stroke deltagare i den mindre- och mer - drabbade sidan. Vi märkt skillnader i antalet saccades som gjorts under denna period. Antalet saccades produceras av stroke deltagare oavsett den lem som de använde, var mer än friska kontroller. Vi ritade antalet sekundära saccades gjort av deltagare i histogram (figur 3). Friska kontroller i 90% av prövningar gjort en enda saccade och ihållande fixering vid målet tills de klara räckhåll. I skarp kontrast, detta mönster genererades i 50% av prövningar (z = 32.2, p <.05) för personer med stroke och återstoden gjort flera saccades. (Figur 3). Figur 4 visar ett exempel på sådan saccade spår.
Rumsliga fel i ögat och handrörelser
När det gäller amplituden från rörelsen endpoint till target center (rörelse fel), stroke deltagare hade ökat nå fel i både mindre och mer drabbade händer jämfört med friska kontroller (kontroll: 9,3 mm, CI: [9,0 9,5]; mindre drabbade arm: 19,2 mm, CI: [ 18,4 20,0]; mer drabbade arm: 21,4 mm, CI: [20,5 21,4]) (figur 5; alla p <.05). Tillsammans med ökningen av reach fel, saccade slutpunkt fel ökat kraftigt som visas i figur 5 (kontroll: 18,3 mm, CI: [17,9 18,7]; mindre drabbade arm: 36,4 mm, CI: [35,2 37,6]; mer drabbade arm: 41,6 mm, CI: [40,3 43,0]; alla p <.05).
Beväpna Motor njurfunktion och öga-Hand latens frikoppling korrelation
Fugl-Meyer poäng användes för att bedöma arm motor njurfunktion. Det förväntades att temporal frikoppling i stroke deltagare skulle korrelera med arm motor njurfunktion allvarlighetsgrad, men våra resultat visade att det var statistiskt obetydlig för mindre (r = -0,64, ns) och mer påverkas (r =-0.34, ns) vapen.
| ID | Ålder | Sex | H / H en | Stroke | Kronicitet (år) | Fugl-Meyer poäng c |
| (år) | Egenskaper b | |||||
| 1 | 78 | M | R/L | R MCA distribution | 2 | 66 |
| 2 | 61 | F | R/L | R MCA distribution | 7 | 66 |
| 3 | 34 | M | R/R | L MCA distribution | 1.7 | 66 |
| 4 | 39 | F | R/R | L MCA distribution | 1.4 | 45 |
| 5 | 70 | M | R/R | L MCA distribution | 2.8 | 58 |
| 6 | 60 | F | R/L | R MCA distribution | 2.6 | 30 |
| 7 | 73 | M | R/L | R MCA distribution | 6 | 58 |
| 8 | 51 | F | R/L | R MCA distribution | 12.2 | 30 |
| 9 | 60 | M | R/R | L MCA distribution | 4.4 | 63 |
| 10 | 39 | M | R/L | R MCA distribution | 4.7 | 47 |
| 11 | 70 | M | R/L | R MCA distribution | 2 | 66 |
| 12 | 47 | F | R/R | L MCA distribution | 1.5 | 61 |
| 13 | 65 | F | R/R | L MCA distribution | 0,7 | 66 |
| AVG | 57,5 | 3.8 | 55,5 | |||
| (SD) | -14,3 | -3,2 | -13,3 |
Tabell 1 . Stroke kliniska kännetecken.
en ”H/H” = Handedness / hemipares: Handedness (bedömd genom Edinburgh lagret) / hemipares lateralitet
b ”Stroke funktioner”: lesion läge erhålls från sjukdomshistoria med deltagare och/eller familjemedlemmar som tjänstgör som historiker; regionen och lateralitet cross-validerade för överensstämmelse med undersökning fynd
c ”Fugl-Meyer Score”: en summering av den övre extremiteten poäng [totalt möjliga 66], som avspeglar i vilken utsträckning av efter stroke motoriska funktionsnedsättningar.
Figur 2. Saccade och Reach tidsfördröjningar Saccade ansats (indikeras med blå cirklar) inträffar betydligt tidigare i stroke deltagare, medan det fanns inga signifikanta skillnader mellan kontroll nå ansats (indikeras av gröna cirklar) och stroke deltagare (indikeras av gröna cirklar) (med en spenslig försening på mer drabbade sida). Fördröjning mellan den inledande saccade och reach debut indikeras med ett grått fält. (ansats: cirklar, avslutningar: rutor) (felstapel: 95% konfidensintervall) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Histogram av antalet saccades förutom den primära saccade. Övre histogrammet visar, kontrolldeltagare överväldigande gör en primär saccade bara. Det var antingen ingen ytterligare saccades utöver de primära saccade eller innehålla en enda sekundära saccade i ca 96% prövningar. Lägre histogrammet visar stroke deltagare, göra upp till fem sekundära saccades i samma 96% av prövningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Bild visar, slumpmässiga raw saccade spår från två kontrolldeltagare och tvåtakt deltagare. Två prover (ofiltrerade, rå) ögon (blå) och hand (grön) spår från kontrolldeltagare (vänster kolumn) och stroke deltagare (högra kolumnen) ritas i skärmen mm som möjliggör samtidiga plottning av ögat och handen spår. I två stroke deltagare prövningar görs flera ögonrörelser innan de Slutför räckhåll, i motsats till kontroll deltagare prövningar som gör en enda saccade vid eller nära tidpunkten för reach. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Genomsnittliga endpoint fel av deltagaren gruppering eller arm Gröna staplar visar genomsnittet nå fel, och blå staplarna visar genomsnittliga saccade (primära) fel. Två-sampel t-test utfördes. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Tillkomsten av ögat och handen tracking system som tillgängliga verktyg för att objektivt undersöka egenskaperna hos okulär-manual motor system har accelererat forskningsstudier, möjliggör en nyanserad inspelning tillvägagångssätt för en viktig uppgift i dagliga aktiviteter – öga-hand koordination. Många naturliga åtgärd-beroende uppgifter styrs visuellt och beror på vision som en primär sinnesintryck. Blicken är programmerad genom okulär motoriska kommandon som pekar central syn på centrala rumsliga mål; denna information är avgörande och hjälper förvärva hand mål. Nyckeln är att samordnade öga-hand beteende måste utföras effektivt och korrekt. Exempelvis bestämmer dig för att ta en kaffekopp kommer att resultera i en snabba ögonrörelser handtaget, en terminal fixering, förvärvet av pivotala miljömässiga detalj för pekfingret placering och prehension, alla i temporally synkroniserade serien. Efter rörelse initiering är visuell feedback av övre extremiteten avgörande för online fel övervakning och korrigering.
Bedömning av öga-hand koordination med vår tydliga metodik indikerar att stroke försvårar samordning av öga-hand rörelsekontroll. Stroke deltagare med MCA-skada avslöja både mindre exakt saccades och nå (i båda mindre/mer-drabbade sidor) i förhållande till friska kontroller; Det verkar också vara stark frikoppling mellan primära saccade debut och reach debut i både mindre- / mer drabbade sidor. Medan försämringar av ögat och handen rörelse bidrar separat till funktionella kompromiss, verkar det finnas ett visst underskott i öga-hand koordination, vilket kan förstärka nå fel och ytterligare äventyra neurologisk funktion; Detta inträffar när dessa separat effektor system misslyckas att samordna mot en enda synkron beteende. En potentiell förklaring kan ligga i ytterligare computational lasten av att köra dubbla öga-hand rörelser och de relaterade störningar effekter46,47,48,49. Experimentella paradigm som kräver öga-hand rörelser samtidig registrering tillåta forskare systematiskt sond dubbla uppgifter. Detta är särskilt relevant för patologisk populationer som har kända svårigheter med sådana uppgifter, oavsett kombination (kognitiv-motor, motor-motor, etc)50,51,52.
Ögon- och övre benrörelser är känsliga markörer av cerebral skada och otaliga applikationer finns diagnostiskt, prognostiskt och terapeutiskt53,54,55,56,57 ,58,59. Ögonrörelser och deras relationer till benrörelser skapa en ännu större 'fönster' in i hjärnan än man tidigare trott. Bortsett från direkta nedskrivningar i öga rörelse funktion, underskott i öga rörelse ersättning svar till hands rörelse leverfunktion är ett nytt område som idel vetenskaplig möjlighet. När ytterligare kännetecknas, kommer att öga-hand koordination kunna belysa flera program och motivera ytterligare studier för att förstå dess fulla konsekvenser för funktionella rörelsekontroll, översätta mekanistisk insikt i kliniska kunskap. Nyckeln till öga-hand kontroll forskning är den robust metod och kraftig protokoll som möjliggör en till assay sådan fysiologi samtidigt och med HiFi.
Trots fördelarna avgränsad här, finns det fortfarande metodologiska begränsningar närvarande. Som beskrivs i avsnittet metoder, instrueras deltagarna att fixera målet som det visas på en bildskärm och att göra en samtidiga räckvidd på en bordsskiva placerad omedelbart framför arbetsstationen. Detta kräver en omvandling av rumslig information från monitorn till bordsskivan och lägger ett extra kognitiv steg. Medan denna kognitiva utmaning är identisk med omvandlingen gör under datorarbete, skulle översätta information från skärmen till arbetsstationen eller till mus-tangentbord 'utrymme', en mer naturalistisk uppgift använda en översättning-fri paradigm. Oavsett, robust 3D-hand spårning med objektivt kännetecknas ögat inspelningar tillåter en sond integrerad motorstyrning som kretsar kring flera effektor samordning. Den nuvarande metoden ger dessutom en möjlighet att bedöma de öga-hand kontrollaspekterna som är kritiska till interaktion med datorgränssnitt i realtid.
Medan kvantitativa dual-effektor inspelningar i 3-D råd robusta möjligheter inom okulär-manual motor utredningar i inställningen av ABI, genomförbarheten av sådana dubbla inspelningar för både ögat och handen är utmanande, särskilt i en patologisk inställning När utförat med forskning-grade noggrannhet. Ansträngningar har försökt att kombinera öga och hand tracker att bedöma ögat och handen fysiologi, men data utdata är ofta instabila 60. När dessa instabilitet ses i friska populationer är beaktas och kontrasteras med teknisk kalibrering och inspelningsproblem i deltagare med patologi, blir data mindre användbar. Därför är det pragmatiska att utnyttja en metod och paradigm, som beskrivs här. Därför ögat kalibrering är klar i djup planet av intresse, eye-specifika stimuli visas på detta enda avstånd och blick mätning trohet är därefter robust. På andra sträckor, ögats uppfattning justeras inte längre och karakterisering är begränsad till 3D-inspelningar av hand position61,62. Kvintessensen studiet av ögat och handen i inställningen patologisk uppnås bäst med anpassad programvara som tillåter flera djup kalibreringar, integrerad hårdvara, en dator eller värdenhet centralsystem för signal samtidig registrering och ett protokoll som liknar en tidigare nämnda.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av några kommersiella eller finansiella relationer som kunde tolkas som en potentiell intressekonflikt.
Acknowledgments
Vi vill tacka Dr Tamara Bushnik och NYULMC Rusk forskargruppen för deras tankar, förslag och bidrag. Denna forskning stöds av 5K 12 HD001097 (till J-RR, MSL och 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.
- 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.
- 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.
- 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).
