Videoanalyse van het frame-voor-Frame van idiosyncratische Reach-naar-greep bewegingen bij de mens
Summary
Dit protocol wordt beschreven hoe u video frame-voor-frame-analyse te kwantificeren idiosyncratische reach-naar-greep bewegingen bij de mens. Een vergelijkende analyse van bereiken slechtzienden versus unsighted gezonde volwassenen wordt gebruikt om aan te tonen van de techniek, maar de methode kan ook worden toegepast op de studie van ontwikkelings- en klinische populaties.
Abstract
Prehension, de handeling van het bereiken van te begrijpen van een object, staat centraal in de menselijke ervaring. We gebruiken het om te voeden onszelf, onszelf bruidegom en manipuleren van objecten en hulpmiddelen in onze omgeving. Dergelijke gedragingen zijn aangetast door vele sensomotorische aandoeningen, maar ons huidige begrip van hun neuraal controle is verre van compleet. Huidige technologieën voor behandelende menselijke bewegingen van de reach-te-begrijpen vaak gebruiken tracking systemen die kunnen worden duur, vereisen het aanbrengen van markeringen of sensoren op de handen, natuurlijke beweging en sensorische feedback belemmeren, en bieden kinematische beweging uitvoer die kan moeilijk te interpreteren. Terwijl in het algemeen effectief voor het bestuderen van de stereotiepe bewegingen van de reach-naar-greep van gezonde slechtzienden volwassenen, veel van deze technologieën extra beperkingen geconfronteerd wanneer u probeert te bestuderen van de onvoorspelbare en idiosyncratische reach-naar-greep bewegingen van baby’tjes unsighted volwassenen en patiënten met neurologische aandoeningen. Dus presenteren we een roman, goedkoop, en zeer betrouwbare nog flexibele protocol voor het kwantificeren van de temporele en kinematische structuur van idiosyncratische reach-naar-greep bewegingen bij de mens. High speed video camera’s vastleggen meerdere weergaven van de beweging van de reach-te-begrijpen. Frame-voor-frame video-analyse wordt vervolgens gebruikt voor het documenteren van de timing en de omvang van de vooraf gedefinieerde gedrags gebeurtenissen zoals beweging start collectie, maximale hoogte, maximale diafragma, eerste contact en definitieve greep. De temporele structuur van de beweging is gereconstrueerd door de relatieve framenummer van elk evenement te documenteren terwijl de kinematische structuur van de hand is gekwantificeerd aan de hand van de liniaal of de maatregel functie in foto-editing software om te kalibreren 2 dimensionale lineaire afstanden tussen twee lichaamsdelen of een lichaamsdeel en het doel. Frame-voor-frame videoanalyse kan bieden een kwantitatieve en uitgebreide beschrijving van idiosyncratische reach-naar-greep bewegingen en onderzoekers uit te breiden hun gebied van onderzoek te nemen een groter scala van naturalistische grijpen in staat zal stellen gedrag, geleid door een grotere verscheidenheid van sensorische modaliteiten, in zowel gezonde en klinische populaties.
Introduction
Prehension, de handeling van het bereiken om een object te begrijpen is gebruikt voor vele dagelijkse functies, met inbegrip van het verwerven van voedselpunten voor eten, grooming, manipuleren van objecten, zwaaiende tools en communiceren door middel van gebaar en geschreven woord. De meest prominente theorie inzake de neuro-controle van prehension, stelt de Visuomotor dubbelkanaals theorie1,2,3,4, dat prehension bestaat uit twee delen – een bereik die vervoert de hand naar de locatie van het doel en een greep die opent, vormen, en sluit de hand aan de grootte en vorm van het doel. De twee bewegingen zijn gemedieerd door scheidbaar maar interagerende zenuwbanen van visuele aan motorische cortex via de Pariëtale kwab1,2,3,4. Gedrags ondersteuning voor de Dual Visuomotor Channel-theorie is dubbelzinnig, grotendeels te wijten aan het feit dat de beweging van de reach-naar-greep wordt weergegeven als een naadloze Akte en ontvouwt zich met weinig bewuste inspanning. Prehension wordt echter bijna altijd bestudeerd in het kader van visueel-geleide prehension waarin een gezonde deelnemer bereikt om een zichtbaar doelobject te begrijpen. Onder deze omstandigheden wordt de actie weergegeven als een enkele beweging die zich in een voorspelbare en stereotiepe mode ontvouwt. Voorafgaand aan het begin van het bereik fixeren de ogen op het doel. Als de arm breidt de cijfers open, preshape aan de grootte van het object, en vervolgens beginnen te sluiten. De ogen losraken van het doel net vóór doel contact en laatste greep van het doel volgt vrijwel onmiddellijk daarna5. Als visie wordt verwijderd, is de structuur van de beweging echter fundamenteel verschillend. Het verkeer dissocieert in haar samenstellende onderdelen zodanig zijn dat een royaal reach voor het eerst gebruikt is het om doel te vinden door het aanraken van het en vervolgens haptische signalen doel contact guide vormgeven en sluiting van de hand te begrijpen6is gekoppeld.
Kwantificering van de reach-naar-greep beweging wordt meestal bereikt met behulp van een 3 dimensionale (3D) motion trackingsysteem. Daarbij kan men denken infrarood tracking-systemen, elektromagnetische volgsystemen, of video op basis van tracking-systemen. Hoewel dergelijke systemen effectief voor het verwerven van kinematische maatregelen van prehension in gezonde volwassen deelnemers uitvoeren van stereotiepe bewegingen van de reach-naar-greep naar zichtbaar doelobjecten, hebben ze een aantal nadelen. Naast het feit dat erg duur, vereisen deze systemen de gehechtheid van de sensoren of markeringen op de arm, hand en cijfers van de deelnemer. Deze zijn meestal verbonden met behulp van medische tape, die kan belemmeren tactiele feedback uit de hand, natuurlijke motor gedrag aanpassen en deelnemers7afleiden. Omdat deze systemen in het algemeen numerieke uitvoer aan verschillende kinematische variabelen zoals snelheid, versnelling en vertraging gerelateerde produceren zijn ze ook niet ideaal om te onderzoeken hoe de hand contact opneemt met het doel. Wanneer met behulp van deze systemen, extra sensoren of apparatuur zijn vereist om te bepalen welk deel van de hand maakt contact met de doelgroep, waar op het doel contact treedt op, en hoe in mogelijk gewijzigd wanneer de configuratie van de hand om te manipuleren het doel. Bovendien, vereisen infrarood tracking-systemen, die meestal werkenden, het gebruik van een gespecialiseerde camera voor het bijhouden van de locatie van de markeringen op de hand in de 3D-ruimte6. Dit vereist een directe lijn van gezicht tussen de camera en de sensoren aan de kant. Als zodanig is eigenaardigheden in de beweging dreigen te verdoezelen van deze lijn van het zicht en leiden tot het verlies van kritieke kinematische gegevens. Er zijn echter een groot aantal gevallen waarin eigenaardigheden in het reach-naar-greep verkeer eigenlijk de norm zijn. Deze omvatten tijdens de vroege ontwikkeling bij zuigelingen gewoon leren zijn om te bereiken en begrijpen voor objecten; Wanneer het target-object niet zichtbaar en tactiele is moeten signalen worden gebruikt om het bereik en de greep; Wanneer het doelobject is een oneven vorm of structuur; en wanneer de deelnemer met om het even wie van een verscheidenheid van sensomotorische aandoeningen zoals een beroerte presenteert, de ziekte van Huntington, de ziekte van Parkinson, cerebrale parese, etc. In al deze gevallen, het verkeer van de reach-naar-greep is niet voorspelbaar, noch stereotiepe, noch is het noodzakelijk geleid door visie. Bijgevolg, het vermogen van 3D motion tracking systemen te kwantificeren op betrouwbare wijze de temporele en kinematische structuur van deze bewegingen kunnen ernstig beperkt als gevolg van storingen in sensorische feedback van de hand, veranderingen in de natuurlijke motor gedrag, verlies van gegevens, en/of problemen interpreteren de idiosyncratische kinematische uitvoer van deze apparaten.
De huidige paper beschrijft een nieuwe techniek voor het kwantificeren van de idiosyncratische reach-naar-greep bewegingen in verschillende menselijke populaties die betaalbaar is, geen belemmering vormt voor sensorische feedback van de hand of het natuurlijke gedrag van de motor, en is betrouwbaar maar kan flexibel gewijzigd om aan te passen van een verscheidenheid van experimentele paradigma’s. De techniek omvat het gebruik van meerdere high-speed video camera’s voor het opnemen van het verkeer van de reach-te-begrijpen vanuit meerdere invalshoeken. De video is dan off line geanalyseerd door de videoframes een modeltraject tegelijk en met behulp van visuele inspectie om document belangrijke gedrags gebeurtenissen waarmee, samen een gekwantificeerde beschrijving van de temporele en kinematische organisatie van het reach-te-begrijpen verkeer. De huidige paper beschrijft een vergelijkende analyse van visueel – versus nonvisually geleide reach-naar-greep bewegingen in gezonde menselijke volwassenen6,,8,,9,10 om aan te tonen van de werkzaamheid van de techniek; gewijzigde versies van de techniek hebben echter ook gebruikt te kwantificeren van de acties van de reach-naar-greep van menselijke baby’s11 en12van de niet-menselijke primaten. De uitvoerige resultaten van de frame-voor-frame videoanalyse van deze studies behoren tot de eerste gedrags bewijs ter ondersteuning van de theorie van de Visuomotor dubbelkanaals van prehension te leveren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het huidige document wordt beschreven hoe u video frame-voor-frame-analyse te kwantificeren van de temporele organisatie, kinematische structuur en een subset van topografische kenmerken van menselijke bewegingen van de reach-te-begrijpen. De techniek kan worden gebruikt om te studeren van typische visueel geleide bewegingen van de reach-te-begrijpen, maar ook idiosyncratische reach-naar-greep bewegingen. Dergelijke bewegingen zijn moeilijk te bestuderen met behulp van traditionele 3D motie volgsystemen, maar komen vaak …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs wil Alexis M. Wilson en Marisa E. Bertoli bedanken voor hun hulp bij het filmen en voorbereiding van de video van dit manuscript. Dit onderzoek werd gesteund door de natuurwetenschappen en Engineering Research Council of Canada (JMK, JRK, IQW), Alberta Innovates-Health oplossingen (JMK) en de Canadese instituten van gezondheid onderzoek (IQW).
Materials
| High Speed Video Cameras | Casio | http://www.casio-intl.com/asia-mea/en/dc/ex_f1/ or http://www.casio-intl.com/asia-mea/en/dc/ex_100/ | Casio EX-F1 High Speed Camera or Casio EX-100 High Speed Camera used to collect high speed video records |
| Adobe Photoshop | Adobe | http://www.adobe.com/ca/products/photoshop.html | Software used to calibrate and measure distances on individual video frames |
| Adobe Premiere Pro | Adobe | http://www.adobe.com/ca/products/premiere.html?sdid=KKQOM&mv=search&s_kwcid=AL!3085!3!193588412847!e!!g!!adobe%20premiere%20pro&ef_id=WDd17AAABAeTD6-D:20170606160204:s | Software used to perform Frame-by-Frame Video Analysis |
| Height-Adjustable Pedestal | Sanus | http://www.sanus.com/en_US/products/speaker-stands/htb3/ | A height adjustable speaker stand with a custom made 9 cm x 9 cm x 9 cm triangular top plate attached to the top with a screw is used as a reaching pedestal |
| 1 cm Calibration Cube | Learning Resources (Walmart) | https://www.walmart.com/ip/Learning-Resources-Centimeter-Cubes-Set-500/24886372 | A 1 cm plastic cube is used to transform distance measures from pixels to centimeters |
| Studio Light | Dot Line | https://www.bhphotovideo.com/c/product/1035910-REG/dot_line_rs_5620_1600w_led_light.html | Strong lamp with cool LED light used to illumate the participant and testing area |
| 3 Dimensional (3D) Sleep Mask | Kfine | https://www.amazon.com/Kfine-Sleeping-Contoured-lightweight-Comfortable/dp/B06W5CDY78?th=1 | Used as a blindfold to occlude vision in the No Vision condition |
| Orange Slices | N/A | N/A | Orange slices served as the large sized reaching targets |
| Donut Balls | Tim Hortons | http://www.timhortons.com/ca/en/menu/timbits.php | Old fashion plain timbits from Tim Hortons served as the medium sized reaching targets |
| Blueberries | N/A | N/A | Blueberries served as the small sized reaching targets |
References
- Karl, J. M., Whishaw, I. Q. Different evolutionary origins for the Reach and the Grasp: an explanation for dual visuomotor channels in primate parietofrontal cortex. Front Neurol. 4 (208), (2013).
- Whishaw, I. Q., Karl, J. M. The contribution of the reach and the grasp to shaping brain and behaviour. Can J Exp Psychol. 68 (4), 223-235 (2014).
- Jeannerod, M., Long, J., Badeley, A. Intersegmental coordination during reaching at natural visual objects. Attention and Performance IX. , 153-169 (1981).
- Arbib, M. A., Brooks, V. B. Perceptual structures and distributed motor control. Handbook of Physiology. 2, 1449-1480 (1981).
- De Bruin, N., Sacrey, L. A., Brown, L. A., Doan, J., Whishaw, I. Q. Visual guidance for hand advance but not hand withdrawal in a reach-to-eat task in adult humans: reaching is a composite movement. J Mot Behav. 40 (4), 337-346 (2008).
- Karl, J. M., Sacrey, L. A., Doan, J. B., Whishaw, I. Q. Hand shaping using hapsis resembles visually guided hand shaping. Exp Brain Res. 219 (1), 59-74 (2012).
- Domellöff, E., Hopkins, B., Francis, B., Rönnqvist, L. Effects of finger markers on the kinematics of reaching movements in young children and adults. J Appl Biomech. 23 (4), 315-321 (2007).
- Karl, J. M., Sacrey, L. A., Doan, J. B., Whishaw, I. Q. Oral hapsis guides accurate hand preshaping for grasping food targets in the mouth. Exp Brain Res. 221 (2), 223-240 (2012).
- Karl, J. M., Schneider, L. R., Whishaw, I. Q. Nonvisual learning of intrinsic object properties in a reaching task dissociates grasp from reach. Exp Brain Res. 225 (4), 465-477 (2013).
- Hall, L. A., Karl, J. M., Thomas, B. L., Whishaw, I. Q. Reach and Grasp reconfigurations reveal that proprioception assists reaching and hapsis assists grasping in peripheral vision. Exp Brain Res. 232 (9), 2807-2819 (2014).
- Karl, J. M., Whishaw, I. Q. Haptic grasping configurations in early infancy reveal different developmental profiles for visual guidance of the Reach versus the Grasp. Exp Brain Res. 232 (9), 3301-3316 (2014).
- Whishaw, I. Q., Karl, J. M., Humphrey, N. K. Dissociation of the Reach and the Grasp in the destriate (V1) monkey Helen: a new anatomy for the dual visuomotor channel theory of reaching. Exp Brain Res. 234 (8), 2351-2362 (2016).
- Timmann, D., Stelmach, G. E., Bloedel, J. R. Grasping component alterations and limb transport. Exp Brain Res. 108 (3), 486-492 (1996).
- Saling, M., Mescheriakov, S., Molokanova, E., Stelmach, G. E., Berger, M. Grip reorganization during wrist transport: the influence of an altered aperture. Exp Brain Res. 108 (3), 493-500 (1996).
- Whishaw, I. Q., Faraji, J., Kuntz, J., Mirza Ahga, B., Patel, M., Metz, G. A. S., et al. Organization of the reach and grasp in head-fixed vs freely-moving mice provides support for multiple motor channel theory of neocortical organization. Exp Brain Res. 235 (6), 1919-1932 (2017).
