Análise de vídeo quadro-a-quadro de movimentos de alcance de compreender idiossincráticos em seres humanos
Summary
Este protocolo descreve como usar análise de vídeo frame-por-frame para quantificar os movimentos de alcance de compreender idiossincráticos em seres humanos. Uma análise comparativa de atingindo em avistado contra enxergar adultos saudáveis é usado para demonstrar a técnica, mas o método também pode ser aplicado ao estudo de populações clínicas e de desenvolvimento.
Abstract
Preensão, o ato de alcançar para agarrar um objeto, é central para a experiência humana. Usamos para nos alimentar, nos noivo e manipular objetos e ferramentas em nosso ambiente. Tais comportamentos são prejudicados por muitas desordens sensório-motor, no entanto, nossa compreensão atual do seu controle neural está longe de ser completa. As tecnologias atuais para investigar os movimentos de alcance de compreender humanos muitas vezes utilizam sistemas que podem ser caro, exigem a fixação de marcadores ou sensores nas mãos, impedem o movimento natural e feedback sensorial e fornecer cinemática de rastreamento de movimento saída que pode ser difíceis de interpretar. Enquanto geralmente eficaz para estudar os movimentos estereotipados de alcance de compreender de adultos saudáveis avistados, muitas dessas tecnologias enfrentam limitações adicionais ao tentar estudar os movimentos imprevisíveis e idiossincráticos do alcance de compreender de lactentes jovens, adultos enxergar e pacientes com doenças neurológicas. Assim, apresentamos um protocolo novo, barato e altamente confiável ainda flexível para quantificar a estrutura temporal e cinemática de movimentos de alcance de compreender idiossincráticos em seres humanos. Câmeras de vídeo de alta velocidade de captura de várias exibições do movimento de alcance de compreender. Análise de vídeo frame-por-frame é usado para documentar o sincronismo e a magnitude de eventos comportamentais pré-definidas tais como o início do movimento, coleção, altura máxima, abertura de pico, primeiro contato e compreensão final. A estrutura temporal do movimento é reconstruída, documentando o número do quadro relativo de cada evento, enquanto a estrutura cinemática da mão é quantificada usando a função de governante ou medida em software de edição de foto para calibrar 2 dimensional linear distâncias entre duas partes do corpo ou entre uma parte do corpo e o alvo. Análise de vídeo frame-por-frame pode fornecer uma descrição quantitativa e abrangente dos movimentos de alcance de compreender idiossincráticos e permitirá que os investigadores expandir sua área de investigação para incluir uma maior variedade de naturalista preênsil comportamentos, guiados por uma ampla variedade de modalidades sensoriais, em populações saudáveis e clínicas.
Introduction
Preensão, o ato de alcançar para agarrar um objeto, é usado para muitas funções diárias incluindo adquirir itens de comida para comer, aliciamento, manipulando objetos, empunhando ferramentas e se comunicando através de gestos e escrita a palavra. A teoria mais proeminente respeitantes ao controlo Neurocomportamentais de preensão, o Dual Channel Visuomotor teoria1,2,3,4, propõe essa preensão consiste em dois movimentos – um alcance que transporta a mão para a localização do alvo e uma compreensão que abre, formas e fecha a mão para o tamanho e a forma do alvo. Os dois movimentos são mediados por vias neurais dissociável mas interagindo de visual para o córtex motor através do lobo parietal1,2,3,4. Suporte comportamental para a teoria de Dual Channel Visuomotor tem sido ambígua, em grande parte devido ao fato de que o movimento alcance de compreender aparece como um simples ato sem costura e desenrola-se com pouco esforço consciente. Não obstante, preensão quase sempre é estudado no contexto da preensão visualmente orientada, em que um participante saudável atinge para agarrar um objeto alvo visível. Nestas circunstâncias, a ação aparecem como um único movimento que se desenrola de forma estereotipada e previsível. Antes do aparecimento do alcance dos olhos se fixam no alvo. Como o braço estende os dígitos abrir, preshape para o tamanho do objeto e posteriormente começarem a fechar. Os olhos desencaixem do alvo apenas antes do contato com alvo e aperto final do alvo segue quase imediatamente depois5. Quando a visão é removido, no entanto, a estrutura do movimento é fundamentalmente diferente. O movimento dissocia-se em seus componentes constituintes, tais que uma mão aberto alcance primeiro é usado para localizar o alvo tocando isso e então háptica cues associados contato guia de destino moldar e fechamento da mão para agarrar a6.
Quantificação do movimento de alcance de compreender mais frequentemente é conseguida usando um sistema de rastreamento de movimento tridimensional (3D) 3. Estes podem incluir sistemas de rastreamento infravermelho, eletromagnéticos, monitoramento de sistemas, ou sistemas de controle baseados em vídeo. Embora tais sistemas são eficazes para a aquisição de medidas cinemáticas de preensão em participantes adultos saudáveis, realizando movimentos estereotipados de alcance de compreender para objetos alvo visível, eles têm uma série de inconvenientes. Além de ser muito caro, estes sistemas exigem a fixação de sensores ou marcadores para o braço, mão e dígitos do participante. Estes geralmente são ligados usando fita adesiva médica, que pode impedir o feedback tátil da mão, alterar o comportamento motor natural e distrair os participantes7. Como esses sistemas geralmente produzem saída numérica relacionada com diferentes variáveis cinemáticas como aceleração, desaceleração e velocidade eles também não são ideais para investigar como a mão entra em contato com o alvo. Quando usando esses sistemas, sensores adicionais ou equipamentos são necessários para determinar qual parte da mão faz contato com o alvo, onde o alvo contato ocorre, e como a configuração da mão pode ser alterado em ordem para manipular o destino. Além disso, sistemas de rastreamento infravermelho, que são os mais comumente empregados, requerem o uso de uma câmara especializada para controlar a localização dos marcadores na mão no espaço 3D6. Isto requer uma linha direta de visão entre a câmera e os sensores na mão. Como tal, qualquer idiossincrasias do movimento são propensos a obscurecer esta linha de visão e resultar em perda de dados críticos de cinemáticas. Há, no entanto, um grande número de instâncias em que idiossincrasias no movimento de alcance de compreender são na verdade a norma. Estes incluem durante o desenvolvimento precoce quando crianças estão aprendendo a alcançar e agarrar para objetos; Quando o objeto de destino não é visível e tátil pistas devem ser usadas para orientar o alcance e a compreensão; Quando o objeto de destino é uma forma estranha ou textura; e quando o participante apresenta-se com qualquer um de uma variedade de distúrbios sensório-motor, como um acidente vascular cerebral, doença de Huntington, doença de Parkinson, Paralisia Cerebral, etc. em todos estes casos, o movimento de alcance de compreender não é nem previsível, nem estereotipada, nem é necessariamente guiada pela visão. Consequentemente, a capacidade de movimento 3D sistemas de rastreamento confiável quantificar a estrutura temporal e cinemática destes movimentos pode ser severamente limitada devido a interrupções em feedback sensorial da mão, mudanças no comportamento motor natural, perda de dados, e/ou dificuldades de interpretar a saída de cinemática idiossincrática destes dispositivos.
O presente trabalho descreve uma técnica nova para quantificação dos movimentos de alcance de compreender idiossincráticos em diversas populações humanas que é acessível, não impede o feedback sensorial da mão ou comportamento motor natural e é confiável, mas pode ser flexìvel modificados para atender a uma variedade de paradigmas experimentais. A técnica envolve o uso de múltiplas câmeras de vídeo de alta velocidade para gravar o movimento de múltiplos ângulos de alcance de compreender. O vídeo é então analisado off-line, progredindo através de quadros de vídeo um de cada vez e usando a inspeção visual para eventos documento chave comportamental que, juntos, fornecem uma descrição quantificada da organização temporal e cinemática do alcance de compreender movimento. O presente trabalho descreve uma análise comparativa de visualmente – contra movimentos de alcance de compreender nonvisually guiadas em adultos humanos saudáveis6,8,9,10 , a fim de demonstrar a eficácia da técnica; no entanto, versões modificadas da técnica também utilizámos para quantificar as ações de alcance de compreender de bebês humanos11 e primatas não-humanos12. Os resultados abrangentes da frame-por-frame vídeo análise destes estudos estão entre as primeiras para fornecer evidência comportamental para apoiar a teoria de Dual Channel Visuomotor de preensão.
Protocol
Representative Results
Discussion
O presente trabalho descreve como usar a análise de vídeo frame-por-frame para quantificar a organização temporal, estrutura cinemática e um subconjunto de características topográficas de movimentos humanos de alcance de compreender. A técnica pode ser usada para estudar os movimentos típicos de alcance de compreender visualmente orientada, mas também movimentos de alcance de compreender idiossincráticos. Tais movimentos são difíceis de estudar usando sistemas de rastreamento de movimento 3D tradicional, mas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostaria de agradecer sua ajuda com as filmagens e preparando o vídeo para este manuscrito Alexis M. Wilson e Marisa E. Bertoli. Esta pesquisa foi apoiada por ciências naturais e engenharia pesquisa Conselho de Canadá (JMK, JRK, refere), Alberta Innovates-saúde soluções (JMK) e os institutos canadenses da pesquisa saúde (refere).
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).
