Bildruta-för-bildruta Video analys av idiosynkratiska Reach att förstå rörelser hos människor
Summary
Det här protokollet beskriver hur bildruta-för-bildruta video analys för att kvantifiera idiosynkratiska reach att förstå rörelser hos människor. En jämförande analys av når i seende kontra unsighted friska vuxna används för att demonstrera tekniken, men metoden kan också användas för studier av utvecklingstoxicitet och kliniska populationer.
Abstract
Prehension, handlingen att nå för att förstå ett objekt, är central för den mänskliga erfarenheten. Vi använder det att mata oss själva, brudgummen oss och manipulera föremål och verktyg i vår miljö. Sådana beteenden är nedsatt av många sensomotoriska störningar, men vår nuvarande förståelse av deras neurala kontroll är långt ifrån komplett. Nuvarande teknik för utredande mänskliga räckhåll att förstå rörelser utnyttja ofta motion tracking system som kan vara dyrt, kräver tillbehöret av markörer eller sensorer till händerna, hindra naturlig rörelse och sensoriska feedback och ge kinematisk utgång som kan vara svåra att tolka. Medan generellt effektiv för att studera de stereotypa reach att förstå rörelserna friska synskadade vuxna, möta många av dessa tekniker ytterligare begränsningar när du försöker studera oförutsägbara och idiosynkratiska reach att förstå rörelser små spädbarn, unsighted vuxna och patienter med neurologiska sjukdomar. Således presenterar vi ett roman, billig, och mycket pålitlig men ändå flexibelt protokoll för att kvantifiera tidsmässiga och kinematiska strukturen av idiosynkratiska reach att förstå rörelser hos människor. Hög hastighet videokameror fångar flera vyer av reach att förstå rörelse. Bildruta-för-bildruta video analys används för att dokumentera tidpunkten och omfattningen av fördefinierade beteendemässiga händelser såsom rörelse start, samling, maxhöjd, maximal bländare, första kontakt och slutliga grepp. Den tidsmässiga strukturen av rörelsen rekonstrueras genom att dokumentera den relativa bildrutenummer för varje händelse medan den kinematiska strukturen av handen kvantifieras med hjälp av linjalen eller åtgärd funktionen i fotoredigeringsprogram för att kalibrera 2 dimensionell linjär avstånd mellan två delar av kroppen eller mellan en kroppsdel och målet. Bildruta-för-bildruta video analys kan ge en kvantitativ och heltäckande beskrivning av idiosynkratiska reach att förstå rörelser och kommer att ge forskarna möjlighet att expandera deras område undersökning för att omfatta ett större utbud av naturalistisk Grip beteenden, styrs av ett bredare utbud av sensoriska modaliteter, i både kliniska och friska populationer.
Introduction
Prehension, handlingen att nå för att förstå ett objekt, används för många dagliga funktioner inklusive förvärva matvaror för äta, grooming, manipulera objekt, svingar verktyg och kommunicera via gest och skrivna ordet. Den mest framträdande teorin om neurologiskt betingade kontroll av prehension, föreslår Dual Visuomotor Channel teori1,2,3,4, att prehension består av två rörelser – en räckvidd som transporterar handen till platsen för målet och ett grepp som öppnar, former, och stänger handen för att storleken och formen av målet. De två rörelserna förmedlas av syralöslig men samverkande nervbanor från visual till motoriska cortex via Hjässloben1,2,3,4. Beteendemässiga stöd för Dual Visuomotor Channel teorin har varit tvetydiga, till stor del på grund av att reach att förstå rörelsen visas som en enda sammanhängande rättsakt och utspelar sig med lite medveten ansträngning. Prehension studeras dock nästan alltid i samband med visuellt-guidad prehension som når en friska deltagare för att förstå en synlig target-objektet. Under dessa omständigheter förefaller åtgärden som en enda rörelse som utspelar sig i en förutsägbar och stereotypa mode. Före reach debut fixera ögonen på målet. Eftersom armen förlänger siffrorna öppna preshape till storleken på objektet och därefter börjar stänga. Ögonen lossnar från målet strax före mål kontakt och slutliga grepp om målet följer nästan omedelbart efteråt5. När vision tas bort, men är strukturen av rörelsen fundamentalt olika. Rörelsen dissocierar in i dess bestånds delar sådan att en givmilda reach används först att hitta målet genom att trycka på den och sedan haptiska ledtrådar är associerad med målet kontakt guide forma och stängning av handen för att förstå6.
Kvantifiering av reach att förstå rörelsen uppnås oftast använder en 3 dimensionell (3D) motion trackingsystem. Dessa kan inkludera infraröd spårningssystem, elektromagnetisk tracking system, eller video baserad tracking system. Medan sådana system är effektiva för att förvärva kinematisk åtgärder av prehension hos friska vuxna deltagare utföra stereotypa reach att förstå rörelser mot synliga target-objekt, har de ett antal nackdelar. Förutom att vara mycket dyrt, kräver dessa system tillbehöret av sensorer eller markörer på den arm, hand och siffror av deltagaren. Dessa är vanligen fästade med medicinsk tejp, som kan hindra taktil feedback från handen, förändra naturliga motoriska beteende och distrahera deltagare7. Eftersom dessa system generellt producerar numeriska besläktade med olika kinematisk variabler såsom acceleration, retardation och hastighet som de inte också är idealisk för att utreda hur handen kontakter målet. När använder dessa system, ytterligare sensorer eller utrustning krävs för att avgöra vilken del av handen gör kontakt med målet, var på målet kontakt uppstår, och hur konfigurationen av handen kan ändras i syfte för att manipulera målet. Dessutom kräver IR spårningssystem, som oftast sysselsatta, användning av en specialiserad kamera för att spåra platsen för markörerna å i 3D-rymden6. Detta kräver en direkt siktlinje mellan kameran och sensorer på handen. Som sådan, är alla egenheter i rörelsen benägna att dölja detta siktlinje och resultera i förlust av kritiska kinematiska data. Det finns dock ett stort antal instanser där egenheter i reach att förstå rörelsen är faktiskt normen. Dessa inkluderar under tidig utveckling när spädbarn bara lärande att nå och förstå för objekt; När target-objektet inte är synlig och kännbar måste ledtrådar användas för att vägleda räckhåll och grepp; När objektet är ett udda form eller struktur; och när deltagaren presenterar med något av en mängd olika sensomotoriska störningar såsom stroke, Huntingtons sjukdom, Parkinsons sjukdom, Cerebral pares, etc. i alla dessa fall, reach att förstå rörelsen är varken förutsägbart heller stereotypa, inte heller styrs det nödvändigtvis av vision. Därför kan förmågan att 3D motion tracking system att tillförlitligt kvantifiera den temporal och kinematiska strukturen av dessa rörelser vara starkt begränsad på grund av störningar i sensoriska feedback från hand, förändringar i naturliga motoriska beteende, förlust av data, och/eller svårigheter att tolka idiosynkratiska kinematisk utdata från dessa enheter.
Detta dokument beskriver en ny teknik för att kvantifiera idiosynkratiska reach att förstå rörelser i olika befolkningsgrupper som är prisvärd, inte hindrar sensorisk feedback från handen eller naturliga motoriska beteende, och är tillförlitliga men kan vara flexibelt modifierad för att passa en mängd olika experimentella paradigm. Tekniken innebär att man använder flera höghastighetsvideokameror för att registrera reach att förstå rörelsen från flera vinklar. Videon analyseras sedan offline genom fortskrider genom videobildrutorna en i taget och använder visuell inspektion till dokumentet beteendemässiga nyckelhändelser som tillsammans ger en kvantifierad beskrivning av den tidsmässiga och kinematisk organisationen av reach-till-grepp rörelse. Detta dokument beskriver en jämförande analys av visuellt – kontra nonvisually-guidad reach att förstå rörelser i friska vuxna människor6,8,9,10 för att påvisa effekten av tekniken; modifierade versioner av tekniken har dock också använts för att kvantifiera mänskliga spädbarn11 och icke-mänskliga primater12reach att förstå agerande. Omfattande resultaten av den bildruta-för-bildruta videoanalys från dessa studier är bland de första att ge beteendemässiga bevisning till stöd för Dual Visuomotor Channel teorin av prehension.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta dokument beskriver hur du använder bildruta-för-bildruta video analys för att kvantifiera den tidsmässiga organisationen, kinematisk struktur och en delmängd av topografiska dragen av mänskliga räckhåll att förstå rörelser. Tekniken kan användas för att studera typiska visuellt-guidad reach att förstå rörelser, men också idiosynkratiska reach att förstå rörelser. Sådana rörelser är svåra att studera med hjälp av traditionella 3D motion tracking system, men är vanliga i utvecklingsländer s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Alexis M. Wilson och Marisa E. Bertoli för deras hjälp med filmning och förbereda videon för detta manuskript. Denna forskning stöddes av de naturliga vetenskaperna och Engineering Research Council of Canada (JMK, JRK, IQW), Alberta uppfinner-hälsa lösningar (JMK) och den kanadensiska institut för hälsa forskning (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).
