Effektivt inspelning den öga-Hand koordinationen till Inkoordination spektrum
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.
Protocol
Representative Results
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 rumslig…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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. Human arm trajectory formation. Brain. 105 (Pt 2), 331-348 (1982).
- 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. Eye movement recordings: methods. In Neuro-Ophthalmology. 40, 15-34 (2007).
- 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. Eye-hand coordination in object manipulation. Journal of Neuroscience. 21 (17), 6917-6932 (2001).
- 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), (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).
- 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).
