Summary
Cerebrale schade kan schade aan zowel somatische als oogbeschadigingen en/of motor systemen. Karakterisering van motorische controle na verwonding biedt biomarkers die bij de opsporing van de ziekte helpen, monitoring en prognose. We bekijken een methode voor het meten van de controle van de verplaatsingen van de oog-hand in gezondheid en pathologische incoördinatie, met blik-en-bereiken paradigma's te beoordelen van de coördinatie tussen oog en hand.
Abstract
De objectieve analyse van oogbewegingen heeft een grote geschiedenis en lang heeft bewezen een belangrijk onderzoek instrument in het kader van hersenletsel. Kwantitatieve opnamen hebben een sterke capaciteit om diagnostically te sluiten. Gelijktijdige onderzoeken van het oog en de bewegingen van de bovenste extremiteit gericht op gemeenschappelijke functionele doelen (bijvoorbeeld oog-hand coördinatie) dienen als een extra robuuste biomerker-beladen pad te vangen en ondervragen neurale letsel met inbegrip van verworven hersenletsel (ABI ). Terwijl kwantitatieve dual-effector opnamen in 3-D volop kansen binnen oculair-manual motor onderzoeken in de omgeving van ABI veroorloven, is de haalbaarheid van dergelijke dubbele opnames voor zowel oog en hand uitdagend in pathologische instellingen, met name toen benaderd met onderzoek-grade strengheid. Hier beschrijven we de integratie van gaten tracking systeem met een motion tracking systeem voornamelijk bedoeld voor ledemaat automatiseringsonderzoek te bestuderen van een natuurlijke gedrag. Het onderzoek van onbeperkte, driedimensionale (3D) oog-hand coördinatietaken kunnen via het protocol. Meer in het bijzonder, bekijken we een methode voor het beoordelen van de oog-hand coördinatie in visueel begeleide saccade bereikbare taken bij patiënten met chronische middelste cerebrale slagader (MCA) beroerte en vergelijk deze met gezonde controles. Speciale aandacht besteed aan de specifieke oog - en ledematen-tracking Systeemeigenschappen HiFi om gegevens te verkrijgen van de deelnemers na schade. Sampling-snelheid, nauwkeurigheid, bereik van de toelaatbare hoofd verkeer gegeven verwachte tolerantie en de haalbaarheid van gebruik werden verschillende de kritieke eigenschappen beschouwd bij het selecteren van een oog tracker en een aanpak van. De ledemaat tracker werd geselecteerd op basis van een soortgelijk rubriek maar de noodzaak van 3-D opname, dynamische interactie en een verkleinde fysieke voetafdruk opgenomen. De kwantitatieve gegevens mits door deze methode en de algemene benadering wanneer correct uitgevoerd enorm potentieel verder heeft verfijnen van ons mechanistische begrip van oog-handbediening en helpen informeren haalbaar diagnostische en pragmatische interventies binnen de praktijk van neurologische en rehabilitatie.
Introduction
Een cruciaal onderdeel van de neurologische functie is oog-hand coördinatie of de integratie van oculaire en handmatige motor systemen voor de planning en uitvoering van gecombineerde functie naar een gemeenschappelijk doel, bijvoorbeeld, een blik, bereiken en grijpen van de externe televisie. Vele doelgerichte taken is afhankelijk van visueel geleide acties, zoals bereiken, grijpen, object manipulatie en tool gebruiken, welke scharnier op de stoffelijk als ruimtelijk gekoppelde oog en hand bewegingen. Verworven hersenletsel (ABI) veroorzaken niet alleen ledemaat dysfunctie, maar ook oogbeschadigingen en/of disfunctie; meer onlangs, er is ook bewijs wijst naar de disfunctie van de oog-hand coördinatie1. Gecoördineerde oog-hand motorische controle programma's zijn vatbaar voor beledigen in neurologische letsels van degeneratieve, vasculaire en traumatische etiologie. Deze beledigingen kunnen leiden tot een verdeling tussen een van de onmisbare relaties die nodig zijn voor de geïntegreerde en snelle motorische controle2,3,4,5,6. Vele studies over de handmatige motor functie hebben vervuld en visuele begeleiding als een pijler van de kern van het paradigma zonder een methode of het protocol om te analyseren oogbewegingen gelijktijdig hebben leveraged.
In ABI, worden opvallende motor tekorten vaak gedetecteerd tijdens het bed klinisch onderzoek. Echter, gelijktijdige oogbeschadigingen en/of motorische beperking en complexe bijzondere waardeverminderingen met betrekking tot de integratie van sensorische en motorische systemen kunnen worden subklinische en objectieve opname te geïdentificeerde7,8,9, dienen te worden 10,11,12,13,14,15,16. Oculair-manual motor coördinatie is afhankelijk van een groot en onderling verbonden cerebrale netwerk, gewezen op de noodzaak voor een gedetailleerde studie. Een oog-hand coördinatie evaluatie met dubbele objectieve opnames biedt een kans om de gehaltebepaling van zowel cognitieve en motorische functie in meerdere bevolking, met inbegrip van gezonde controles en onderwerpen met een geschiedenis van hersenletsel, waardoor inzicht in cerebrale circuits en functie3.
Hoewel saccades ballistische bewegingen die in amplitude afhankelijk van taak variëren kunnen nodig, studies hebben aangetoond afhankelijkheden tussen saccade en hand beweging tijdens visueel begeleide actie17,18,19, 20. In feite recente experimenten hebben aangetoond dat de controlesystemen voor beide bewegingen planning middelen21,22 delen. De motor planning hub voor oog-hand coördinatie ligt in de achterste pariëtale cortex. In een penseelstreek zijn er bekende tekorten in motorische controle; hemiparetic patiënten zijn gebleken voor het genereren van onjuiste voorspellingen gegeven een verzameling van neurale opdrachten, wanneer gevraagd op te treden visueel begeleide handbewegingen, (contralaterale) met behulp van hetzij de meer getroffen of minder ledemaat (ipsilaterale)23 getroffen ,24,25,26,27,28,29. Bovendien, oog-hand coördinatie en verwante motorische controle programma's zijn vatbaar voor belediging na neurologische letsels, ontkoppeling van de relaties, stoffelijk en ruimtelijk, tussen effectoren30. Objectieve opnames van oog en hand control zijn essentieel voor het karakteriseren van de incoördinatie of de mate van coördinatie stoornis zijn en verbetert het wetenschappelijk begrip van de oog-hand motorische controlemechanisme in een functionele context.
Hoewel er vele studies van oog-hand coördinatie in gezonde controles17,31,32,33,34, heeft onze fractie het veld schoof van onze instelling van neurologische schade, voor aanleg tijdens beroerte circuits beoordeling, de ruimtelijke en temporele ordening der handbewegingen, vaak in reactie op visueel weergegeven ruimtelijke doelen hebben onderzocht. Studies die de karakterisering van het objectieve hebben uitgebreid tot oog en hand hebben vrijwel uitsluitend gericht op de capaciteit van de prestaties record die beide effectoren na beroerte of pathologische instellingen; robuuste karakterisering van handmatige en oogbeschadigingen en/of motorische controle in onbeperkte en natuurlijke bewegingen kunnen de beschreven-protocol. Hier beschrijven we de techniek in een onderzoek van visueel-geleide saccade bereikbare bewegingen bij patiënten met chronische middelste cerebrale slagader (MCA) beroerte ten opzichte van gezonde controles. Voor de gelijktijdige opname van saccade en bereik hanteren wij gelijktijdige oog en het bijhouden van de beweging van de hand.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. de deelnemer
- Werven van controle deelnemers ouder dan 18 jaar, zonder een geschiedenis van neurologische dysfunctie significant oogletsel, grote depressie, grote handicap en/of elektrische implantaten.
- Werven van beroerte deelnemers ouder dan 18 jaar, met een geschiedenis van hersenletsel in de distributie van de middelste cerebrale slagader (MCA), de mogelijkheid hebben om volledig van de omvang van de Fugl-Meyer, handhaven een volledige waaier van oog bewegingen35,36, hebben de mogelijkheid om te voeren te wijzen taken, en zonder de geschiedenis van extra neurologisch dysfunctie, aanzienlijke oog gezondheid comorbiditeit, grote depressie, grote handicap en/of elektrische implantaten.
- Vragen van deelnemers te ondertekenen een toestemmingsformulier goedgekeurd door de institutionele Review Board van New York University School of Medicine.
- Deelnemer Screening (voor gedetailleerde uitsluitingscriteria Zie Rizzo et al.37)
- Geschiedenis en klinische onderzoeken kunnen uitvoeren zoals hieronder besproken.
- De cognitieve toestand van deelnemers met Mini Mental State onderzoek (MMSE)38te beoordelen.
- Neurologisch onderzoek uitvoeren
- Onderzoeken van extraocular spieren en oogbewegingen.
- Vraag de deelnemers te volgen van de onderzoeker vinger met hun ogen terwijl hun hoofd in een positie. Tekenen van een denkbeeldige H letter en zorg ervoor dat de bewegingen van uw vinger ver genoeg uit en omhoog/omlaag, beoordeling center, omhoog, omlaag, links, rechts, omlaag/naar links, omlaag/naar rechts, omhoog/links, en omhoog/naar rechts.
- Vragen van de deelnemers te volgen en de blik op een object verplaatst langzaam via hun gezichtsveld te beoordelen van de goede uitoefening handhaven. Betrekking hebben op een afstand van ongeveer 24 inch en een potlood gebruikt als een doel, vegen heen en weer langzaam in horizontale en verticale richtingen, elk driemaal herhalen.
- Vragen van deelnemers te kijken zo snel mogelijk tussen 2 doelen die 24 inch uit elkaar worden geplaatst om te beoordelen saccades. Een potlood en een pen gebruiken zoals doelen en directe blik naar de doelen in een rug en weer wijze drie keer horizontaal en verticaal.
- Vragen van de deelnemers te fixeren op een voorwerp als het beweegt langzaam richting aan hun ogen te beoordelen van de convergentie, centrering van de doelgroep, een potlood, op de brug van hun neus. Na deze procedure herhalen de test doordat hetzelfde doel van de neus terug naar de startpositie (verschillen).
- Vraag de patiënt om dekking van één oog te kijken van de onderzoeker neus. Verplaatsen van de hand uit het gezichtsveld van de patiënt te brengen in, potsenmaker de vinger langzaam en vragen van de patiënt te laten de onderzoeker weet wanneer de hand komt terug in beeld, herhaal dit voor de bovenste links, rechts, lagere linksboven en lagere juiste kwadranten.
Opmerking: Wanneer de patiënt hun rechteroog omvat, betrekking hebben op het linker oog, en vice versa.
- Het beoordelen van de visuele handicap door een visual-motor integratie test.
- De gezichtsscherpte beoordelen door Snellen grafiek39,40.
- Beoordelen van het gezichtsveld met confrontatie en als in de vraag, het uitvoeren van Goldman of Humphrey gezichtsveld testen41,42.
- Hemi-ruimtelijke verwaarlozing via lijn doorsnijding test te beoordelen en de annulering van één letter test43.
- De mate van invaliditeit via 25-item nationale Eye Institute visuele werking vragenlijst (NEI-VFQ-25) en een supplement van 10-item enquête44te kwantificeren.
- Geschiedenis en klinische onderzoeken kunnen uitvoeren zoals hieronder besproken.
2. voorbereiding van het experiment en de fysieke configuratie van apparatuur
- Uitrusting:
- Kies een oog-tracker
- Kies een eye tracker die kan hoofd gemonteerde gebruik (om storing te voorkomen met Bureau gebaseerde reach bewegingen) hoge ruimtelijke resolutie (≤0.1o) en hoge temporele resolutie (≥250 Hz).
- De beweging van de verrekijker oog met de eye tracker op een sampling rate van 250 Hz (bemonstering ooghoogte elke 4 ms) opnemen voor het bijhouden van zowel leerling als hoornvlies reflectie.
- Kies voor een ledemaat tracker
- Kies een ledemaat-tracker die de beweging in de x, y, z-positie, ³ 0,08 cm nauwkeurigheid, latentie ³ van 3,5 ms kan toewijzen.
- Kies een laptop geschikt voor het uitvoeren van een aangepast script dat besturingselementen real time integratie van gegevens verkregen uit twee systemen en mede het registreren van de signalen in real-time (Tabel van materialen).
- Kies een staat van de integratie met de gekozen laptop monitor van de vertoning en die is groot genoeg om de ondersteuning van one-to-one correspondentie tussen de monitor en tabletop reach ruimte
- Definieert een rechthoek identiek in grootte op de monitor van de vertoning op een tabel oppervlak tussen de deelnemer en de monitor van de vertoning, te gebruiken als een functionele bereiken ruimte voor experimenteel werk.
- Kies een oog-tracker
- Voorbereiding instellen:
- Een tabel met de meegroeistoel hoogte instellen.
- Plaats een monitor van de vertoning 40 cm vanaf de overkant van de tabel (Tabel van materialen).
- Plaats een tafelblad plank (bereiken oppervlak) met de dimensie van de 1-1 verhouding met de monitor van de vertoning.
- De ledemaat tracker instellen door de montage van de elektromagnetische bron onder de tabel (Tabel van materialen).
- Instellen van de eye tracker, host PC (Tabel van materialen).
- Vier infrarood (IR) miniaturisten hechten aan vier hoeken van de monitor met behulp van riemen.
- De configuraties van de tracker oog in oog tracker het instellingenscherm opties instellen
- Selecteer 13-punts kalibratie uit de vooraf ingestelde configuratie van de oog-tracker.
- Selecteer de hoge saccade gevoeligheid voor het detecteren van kleine saccade.
- Leerling-CR kiezen om leerlingen en hoornvlies.
- Selecteer een sampling-frequentie 250 Hz.
- Deelnemer fysieke voorbereiding
- De deelnemers van de stoel op een in hoogte verstelbare stoel aan de tafel met de vertoning van de computer.
- Plaats de deelnemer 60 cm van de monitor van de vertoning (tabel of Materials).
- Bevestigen van de bewegingssensor (tabel van materiaal) aan het distale aspect van de wijsvinger van de hand van de te beproeven arm (dominante wapens voor besturingselementen en beide armen in deelnemers met beroerte)
- Plaats de eye tracker op de deelnemers hoofdband en aanpassen van de hoofdband en camera's (Tabel van materialen).
- Montage van de hoofdband
- De dichtheid en positie van de hoofdband (hoofdband knoppen met) zodanig aanpassen dat de voorste pad in het midden van het voorhoofd en de pads kant boven de oren van de deelnemer is.
- Zorg ervoor dat de camera van de hoofdband in het midden van het voorhoofd en over de brug van de neus is.
- Vragen deelnemers te verhogen hun wenkbrauwen, en als de hoofdband beweegt, refit het hoger of lager op het voorhoofd.
- De camera en het hoornvlies illuminator positie aanpassen. Vraag de deelnemers om te kijken naar de monitor van de vertoning.
- Van het scherm van de camera, selecteer de afbeelding die hoofd camera, controleert u of dat het toont vier grote plekken van de IR-markeringen die zijn geplaatst in het midden van het hoofd camera beeld. Als ze niet in het midden, dienovereenkomstig aan te passen.
- Selecteer één oog in het instellingenscherm voor de camera, op het moment. De twee eye camera's door te verlagen en het verhogen van de eye camera verwerken tot de pupil van het oog is in het midden van de camera beeld aanpassen
- De eye camera richten door het draaien van de houder van de lens.
- De leerling-drempel instellen door op de drempel van de Auto-knop op het setup-scherm van de camera.
- Het uitvoeren van de dezelfde aanpassing voor het andere oog.
- Montage van de hoofdband
- Kalibratie
- Kalibreren van de ledemaat tracker uitgang voor het bereiken van de oppervlakte met behulp van een 9-punts kalibratie, vraag de deelnemer te plaatsen hun sensor gekoppelde vinger op het bereiken van oppervlakte (tafelblad) locaties, zoals weergegeven op het beeldscherm.
- Kalibreren van de eye tracker, vragen deelnemers te kijken naar het kalibratieblad dat wordt weergegeven als een blauwe stip en fixatie te handhaven totdat de volgende stip op het scherm verschijnt
Nota: Kalibratie doelen in 13 willekeurig geselecteerde posities op het scherm verschijnen - Kalibreer de eye tracker ten minste tweemaal per sessie, eerste één aan het begin van het experiment en op het halverwege punt.
3. experiment
- Vragen deelnemers te gaan hun vinger naar de startpositie, die betrekking hebben op de start-cirkel op het scherm met de vinger-indicator stip (rode stip), terwijl de fixering (oog) de startpositie op het scherm.
Opmerking: De beginpositie is een correspondent locatie van de fixatie punt (blauwe stip) beeldschermen in het midden van het scherm (Figuur 1a). De positie van de vinger wordt weergegeven als 4 mm RADIUS-rode stip op het scherm. - Nodig deelnemers voor de positie van de vinger op de start-cirkel voor 150 ms totdat het doel wordt weergegeven.
- Ervoor zorgen dat de deelnemers de beginpositie fixeren totdat ze hoort een pieptoon geluid ("Ga beep"). (Figuur 1)
Opmerking: De duur tussen doelstelling uiterlijk en de go-signaal is gerandomiseerd tussen 250-750 ms om te voorkomen dat de anticipatie van de go-signaal. - Instrueren van deelnemers om naar hun ogen en de vingertop snel en nauwkeurig het aangewezen doelwit als ze het geluid van de pieptoon (Figuur 1 horen)
- Aangewezen doel verschijnt 1 cm RADIUS-witte cirkel
- Instrueren van de deelnemers aan te raken de tafelblad locatie op de positie van de virtuele doelstelling zoals weergegeven op het scherm door de hand en de vinger te heffen en opnieuw aansluiten van de vingertop en tafelblad
- Zorg ervoor dat deelnemers maakt een aanwijsapparaat beweging door de hand en de vinger te heffen in plaats van te slepen van de hand en de vinger op de tafel komen.
- De locatie van het einde van het bereik worden weergegeven als een rode stip, na voltooiing bereiken.
- Reach voltooiing bepalen door een combinatie van lage snelheid (< 5% piek) en 3 mm z-plane drempel.
- Vragen van deelnemers voor het uitvoeren van een reeks vertrouwd proeven voordat data-acquisitie.
- Start data-acquisitie nadat deelnemers 5 van de laatste 10 doelstellingen met succes geraakt.
- Vragen van deelnemers uit te voeren van een serie van look en proeven bereiken als zij kregen de opdracht tijdens vertrouwd proeven.
- Hebben de deelnemers een totaal van 76 proeven uitvoeren.
- Hebben controle deelnemers uitvoeren van het experiment met hun dominante hand.
- Wanneer het mogelijk is, hebben de deelnemers bij een lijn van uitvoeren van het experiment met beide handen, die getroffen zijn door meer en minder getroffen.
- Deelnemers volgen het gehele experiment met ten minste één hand.
Figuur 1. Schematische weergave van de setup en experiment. (a) schematische weergave van de monitor van de vertoning en het bereiken van oppervlak tijdens een proces. (b) Sequencing van acties visueel geleide te bereiken. Eerste fixatie (F) wordt weergegeven. Het doel (T) wordt weergegeven na een gerandomiseerde tijdsduur. De 'go'-signaal treedt op als auditieve piep geluid (aangegeven door de verticale balk van licht-grijs) na een interval (gelijktijdige offset van F) onvoorspelbaar tijd door target verschijning. Hand (H) en de bewegingen van de ogen (E) Volg de go-signaal. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dertig deelnemers deelgenomen aan het onderzoek. Er waren 17 deelnemers in de controle cohort en 13 deelnemers in de beroerte cohort. Twee deelnemers kon niet het hele experiment, afwerking, zodat hun gegevens werden uitgesloten van de analyse.
Demografie en evaluaties van de vragenlijst
Tabel 1 toont de klinische en demografische kenmerken van de representatieve beroerte cohort.
Gemiddelde ongewogen VFQ scores waren 91.33 ± 13.01 in lijn deelnemers, versus 94.87 ± 4.87 in gezonde controles (p = 0.203, ns). Bedoel scores van de 10-item supplement waren 95 ± 11.57 in lijn deelnemers, versus 96.27 ± 6,64 in gezonde controles (p = 0.375, ns). Bedoel scores voor de composiet en 10-item aanvulling waren 92.36 ± 12.18 in lijn deelnemers, versus 95.12 ± 4.65 in gezonde controles (p = 0.244, ns). Beroerte deelnemers hadden een gemiddelde score van het Fugl-Meyer van 55.54 ± 13.33, met een bereik van 30-66.
Oog en Hand bewegingen duur en Latencies
In Figuur 2 zijn saccade en bereik latencies, gemeten als de tijdsduur tussen de go-signaal en het begin van de beweging, uitgezet. Beroerte deelnemers maakte de eerste (primaire) saccades aanzienlijk eerder in beide minder getroffen en meer geteisterde zijden, vergelijken met gezonde controle deelnemers (p <.05) (meer geteisterde hand: 0.082 s, CI: [0.052 0.112]; minder getroffen hand: 0.106 s, CI: [0.08 0.132]; controle saccade begin: 0.529 s, CI: [0.514 0.543]). Vergelijken met controle, beroerte deelnemers gemaakt opmerkelijk vroege eerste saccade te richten maar er waren geen significante verschillen tussen controle bereiken Nederlandse en die getroffen zijn door minder of meer geteisterde bereiken Nederlandse in lijn deelnemers (minder getroffen hand: 0.545 s, CI: [0.521 0.568]; meer geteisterde hand: 0,60 s, CI: [0.567 0.632]; controle bereiken Nederlandse: 0.556 s, CI: [0.544 0.568]). Latency tussen de initiële saccade en reach begin, vertegenwoordigt een tijdelijke ontkoppeling in lijn deelnemers en werd groter in in zowel de meer geteisterde en minder getroffen hand, een 519 ms (CI: [476 562]) en een 439 ms (CI: [404 474]) respectievelijk in scheiding beroerte, versus een minimale scheiding van 27 ms (CI: [8,5 45]) in besturingselementen (alle p <.05 hoeveel Deelnemers niet alleen de langste duur bereikt (berekend als het verschil tussen beweging begin en beëindiging) gedaan met hun kant meer geteisterde beroerte (604 ms, CI: [587 622]) maar ook verhoogd bereiken hun gemiddelde tijd op de kant van minder getroffen (546 ms, CI: [537 555] vs 352 ms, CI: [348 356]) (alle p <.05 hoeveel
Oog bewegingen frequentie
Wij onderzocht het interval tussen het begin van de eerste saccade en begin, die minimaal in gezonde controles en aanzienlijk langer in takt deelnemers in de minder- en meer - aangedane zijde was te bereiken. We verschillen in het aantal saccades die werden gemaakt tijdens deze periode gemerkt. Het aantal saccades geproduceerd door beroerte deelnemers ongeacht de ledematen die ze gebruikt, was meer dan gezonde controles. We uitgezet het aantal secundaire saccades gemaakt door de deelnemers in de histogrammen (Figuur 3). Gezonde controles in 90% van de proeven maakte een enkele saccade en langdurige fixatie op het doel totdat zij voltooid het bereik. In schril contrast, dit patroon werd geproduceerd in 50% van proeven (z = 32.2 p <.05) voor mensen met een beroerte en de rest maakte meerdere saccades. (Figuur 3). Figuur 4 ziet u een voorbeeld van dergelijke saccade sporen.
Ruimtelijke fouten van het oog en de handbewegingen
Ten aanzien van de amplitude van het eindpunt van de beweging naar target center (verkeer fout), lijn deelnemers had verhoogd bereik fouten in zowel minder als meer getroffen handen ten opzichte van gezonde controles (controle: 9.3 mm, CI: [9.0 9.5]; minder getroffen arm: 19,2 mm, CI: [ 18.4 20,0]; meer getroffen arm: 21,4 mm, CI: [20.5 21,4]) (Figuur 5; alle p <.05 hoeveel Samen met de toename van de reach-fouten, saccade eindpunt fouten steeg sterk als afgebeeld in Figuur 5 (besturingselement: 18,3 mm, CI: [17.9 18,7]; minder getroffen arm: 36.4 mm, CI: [35.2 37,6]; meer getroffen arm: 41.6 mm, CI: [40.3 43.0]; alle p <.05 hoeveel
Arm Motor waardevermindering en oog-Hand Latency ontkoppeling correlatie
De Fugl-Meyer-score was gebruikt ter beoordeling van de arm motor bijzondere waardevermindering. Men verwachtte dat tijdelijke ontkoppeling in lijn deelnemers met arm motor bijzondere waardevermindering Ernst correleren zou, maar onze resultaten aangetoond dat het was niet statistisch significant voor de minder (r =-0.64, ns) en meer beïnvloed (r =-0.34, ns) wapens.
| ID | Leeftijd | Geslacht | H / H een | Beroerte | Chroniciteit (Jr) | Fugl-Meyer Score c |
| (jaar) | Kenmerken b | |||||
| 1 | 78 | M | R/L | R MCA distributie | 2 | 66 |
| 2 | 61 | F | R/L | R MCA distributie | 7 | 66 |
| 3 | 34 | M | R/R | L MCA distributie | 1.7 | 66 |
| 4 | 39 | F | R/R | L MCA distributie | 1.4 | 45 |
| 5 | 70 | M | R/R | L MCA distributie | 2.8 | 58 |
| 6 | 60 | F | R/L | R MCA distributie | 2.6 | 30 |
| 7 | 73 | M | R/L | R MCA distributie | 6 | 58 |
| 8 | 51 | F | R/L | R MCA distributie | 12.2 | 30 |
| 9 | 60 | M | R/R | L MCA distributie | 4.4 | 63 |
| 10 | 39 | M | R/L | R MCA distributie | 4.7 | 47 |
| 11 | 70 | M | R/L | R MCA distributie | 2 | 66 |
| 12 | 47 | F | R/R | L MCA distributie | 1.5 | 61 |
| 13 | 65 | F | R/R | L MCA distributie | 0,7 | 66 |
| AVG | 57,5 | 3.8 | 55,5 | |||
| (SD) | -14.3 | -3.2 | -13.3 |
Tabel 1 . Klinische kenmerken omlijnen.
een "H/H" = handigheid / Hemiparesis: rechts-of linkshandigheid (beoordeeld door Edinburgh inventaris) / Hemiparesis lateralisatie
b "Beroerte Features": laesie locatie verkregen uit de medische geschiedenis met de deelnemer en/of familieleden bijeenkomen historicus; regio en lateralisatie Kruis-gevalideerd voor consistentie met de bevindingen van het onderzoek
c "Fugl-Meyer Score": een opsomming van de bovenste extremiteit Score [totaal mogelijk 66], waarin de omvang van na beroerte motor bijzondere waardevermindering.
Figuur 2. Saccade en Reach Latencies Saccade Nederlandse (aangegeven door blauwe cirkels) optreden aanzienlijk eerder in de lijn-deelnemers, terwijl er waren geen significante verschillen tussen controle bereiken Nederlandse (aangeduid door groene cirkels) en beroerte deelnemers (aangeduid door groene cirkels) (met een lichte vertraging aan de zijde van meer getroffen). Latency tussen de eerste saccade en het begin van het bereik wordt aangegeven met een licht grijze balk. (begin: cirkels, opzeggingen: vierkantjes) (foutbalken: 95% betrouwbaarheidsinterval) Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3. Histogrammen van het aantal saccades naast de primaire saccade. De bovenste histogram toont controle deelnemers overweldigend maken een primaire saccade alleen. Er waren beide geen extra saccades buiten de primaire saccade of bevatten een enkele secundaire saccade in ongeveer 96% proeven. Het lagere histogram geeft beroerte deelnemers, maak maximaal vijf secundaire saccades in de dezelfde 96% van de proeven. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4. Afbeelding kunt zien, willekeurige rauwe saccade trace van twee controle deelnemers en tweetakt deelnemers. Twee monsters (ongefilterde, rauw) oog (blauw) en hand (groen) sporen van controle deelnemers (linker kolom) en beroerte deelnemers (rechter kolom) worden uitgezet in scherm mm voor gelijktijdige plotten van oog en hand sporen. In twee beroerte deelnemers proeven bestaan meerdere oogbewegingen voordat ze voltooit het bereik, in tegenstelling tot controle deelnemers proeven die maken een enkele saccade op of sluit het tijdstip van het bereik. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5. Gemiddelde eindpunt fout door deelnemer groeperen en/of arm Groene balken geven de gemiddelde bereiken fout en blauwe staven geven gemiddelde saccade (primaire) fout. Two-sample t-tests werden uitgevoerd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De komst van oog en hand volgsystemen als beschikbare hulpmiddelen voor objectief het verkennen van de kenmerken van oculaire-manual motor systemen heeft versneld onderzoek, waardoor een genuanceerde aanpak voor een essentiële taak in dagelijkse activiteiten – opname oog-hand coördinatie. Veel natuurlijke actie-afhankelijke taken visueel worden geleid en afhankelijk van visie als een primaire sensorische input. Blik is geprogrammeerd door oogbeschadigingen en/of motor opdrachten die centrale visie op belangrijke ruimtelijke doelen wijzen; deze informatie is cruciaal en helpt bij het verwerven van de doelen van de hand. Het gaat erom dat de gecoördineerde oog-hand gedrag efficiënt en nauwkeurig moet worden uitgevoerd. Bijvoorbeeld zal beslissen om te grijpen van een koffiekopje resulteren in een rapid eye movement aan het handvat, een terminal fixatie, de verwerving van cruciale milieu detail voor de plaatsing van de wijsvinger en prehension, allemaal in stoffelijk gesynchroniseerde serie. Na de inleiding van het verkeer is visuele feedback van de bovenste extremiteit cruciaal voor online fout controle en correctie.
Evaluatie van de oog-hand coördinatie met onze verschillende methodologie blijkt dat beroerte belemmert de coördinatie van de controle van de verplaatsingen van de oog-hand. Beroerte deelnemers met MCA-blessure beide minder nauwkeurig saccades openbaren en bereiken (aan beide zijden van de minder/meer-beïnvloed) ten opzichte van gezonde controles; Er verschijnt ook als stark ontkoppeling tussen de primaire saccade begin en reach begin in beide minder / meer geteisterde zijden. Zolang de afboekingen van oog en hand beweging bijdragen afzonderlijk tot functionele compromis, lijkt er te zijn van een specifieke tekort in de oog-hand coördinatie, die kan bereiken fouten te versterken en verdere compromis neurologische functie; Dit gebeurt wanneer deze aparte effector systemen niet te coördineren naar een enkele synchrone gedrag. Een mogelijke verklaring kan liggen in de extra computationele belasting van het uitvoeren van dual oog-hand bewegingen en de verwante interferentie-effecten46,47,48,49. Experimentele paradigma's die oog-hand beweging co geregistreerd moeten toestaan dat wetenschappers systematisch sonde dual taken; Dit is vooral relevant voor pathologische populaties die moeilijkheden met dergelijke taken, ongeacht de combinatie (cognitieve-motor, motor-motor, enz)50,51,52hebben gekend.
Oog en de bovenste ledematen bewegingen gevoelige markers van cerebrale schade en talloze toepassingen bestaan diagnostisch, prognostically en therapeutisch53,54,55,56,57 5958, ,. Oogbewegingen en hun relatie tot ledemaat bewegingen maken een nog grotere 'venster' in de hersenen dan eerder gedacht. Afgezien van directe bijzondere waardevermindering in eye verkeer functie, tekorten in eye verkeer compensatie in reactie op de hand beweging bijzondere waardevermindering is een nieuw gebied schering en inslag met wetenschappelijke gelegenheid. Zodra verder gekenmerkt, zal oog-hand coördinatie kunnen licht werpen op meerdere toepassingen en motiveren verder te begrijpen van de volledige implicaties ervan voor functionele bewegingscontrole, vertalen mechanistische inzicht in klinische studies kennis. De sleutel tot de oog-hand automatiseringsonderzoek is de solide methodologie en krachtige protocollen waarmee een dergelijke fysiologie assay gelijktijdig en met high-fidelity.
Ondanks de voordelen hier afgebakend, zijn er nog steeds methodologische beperkingen aanwezig. Zoals beschreven in de sectie methoden, zijn de deelnemers geïnstrueerd te fixeren van de doelstelling zoals deze wordt weergegeven op een monitor en een gelijktijdige reach op een tafelblad geplaatst onmiddellijk vóór het werkstation. Dit vereist een transformatie van ruimtelijke gegevens van de monitor naar het bovenblad en voegt een extra cognitieve stap. Terwijl deze cognitieve uitdaging identiek aan de transformatie tijdens computer werk is maakt, zou het vertalen van gegevens uit het scherm naar de werkplek of muis-toetsenbord 'space', een meer naturalistische taak gebruiken een paradigma vertaling-gratis. Ongeacht, robuuste 3D-hand tracking met objectief gekarakteriseerd oog opnames toestaan een sonde geïntegreerde motorische controle dat rond multi effector coördinatie draait. Bovendien is de huidige aanpak biedt de gelegenheid om te beoordelen van de oog-hand controle aspecten essentieel zijn voor de interactie met de computerinterface in real-time.
Terwijl kwantitatieve dual-effector opnamen in 3-D robuuste kansen binnen oculair-manual motor onderzoeken in de omgeving van ABI veroorloven, de haalbaarheid van dergelijke dubbele opnames voor zowel oog en hand is uitdagend, met name in een pathologische instelling Wanneer uitgevoerd met onderzoek-grade strengheid. Inspanningen hebben geprobeerd te combineren van oog en hand tracker te beoordelen van oog en hand fysiologie, maar de uitvoer van gegevens is vaak unstable 60. Als deze instabiliteit gezien in gezonde populaties zijn rekening gehouden met de technische kalibratie en opnameproblemen in deelnemers met pathologie naast, wordt de gegevens minder en minder nuttig. Daarom is het pragmatische om de invloed van een methode en paradigma, zoals hier is beschreven. Dienovereenkomstig, oog positie kalibratie is voltooid in het vlak van de diepte van belang, oog-specifieke prikkels worden weergegeven op deze afstanden en blik meting trouw is vervolgens robuust. Weergave van het oog is niet langer uitgelijnd op andere afstanden, en karakterisering is beperkt tot 3D-opnames van de hand positie61,62. De ultieme studie van het oog en hand in de pathologische instelling zal het best worden bereikt met aangepaste software waarmee meerdere diepte kalibraties, geïntegreerde hardware, een centrale computer of host systeem voor signaal co registratie en een vergelijkbaar protocol de ene bovengenoemde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd in de afwezigheid van eventuele commerciële of financiële relaties kan worden opgevat als een mogelijke belangenconflicten.
Acknowledgments
We zouden graag bedanken Dr. Tamara Bushnik en het NYULMC Rusk onderzoeksteam voor hun gedachten, suggesties en bijdragen. Dit onderzoek werd gesteund door 5K 12 HD001097 (naar J-RR MSL en 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).
