Frame-by-Frame Video analyse av idiosynkratiske nå å forstå bevegelser i mennesker
Summary
Denne protokollen beskriver hvordan du bruker frame-by-frame videoanalyse for å kvantifisere idiosynkratiske nå å forstå bevegelser i mennesker. En komparativ analyse av nå i seende versus unsighted friske voksne til å demonstrere teknikken, men metoden kan også brukes til studiet av utviklingsmessige og klinisk bestander.
Abstract
Prehension, av nå å forstå et objekt, er sentral i menneskelig erfaring. Vi bruker det å mate oss groom oss og manipulere gjenstander og verktøy i vårt miljø. Slik atferd er svekket av mange sensorimotor lidelser, men vår nåværende forståelse av deres nevrale kontroll er langt fra fullstendig. Dagens teknologi for undersøker menneskelige rekkevidde å forstå bevegelser utnytte ofte bevegelse sporing systemer som kan være dyrt, krever feste markører eller sensor til hendene, hindre naturlig bevegelse og sensorisk feedback og gi Kinematisk utdata som kan være vanskelige å tolke. Mens generelt effektive for å studere stereotype nå å forstå bevegelser av friske seende voksne, mange av disse teknologiene står overfor flere begrensninger ved forsøk på å studere uforutsigbare og idiosynkratiske nå å forstå bevegelser små barn, unsighted voksne og pasienter med nevrologiske lidelser. Derfor presenterer vi en roman, billig, og svært pålitelige ennå fleksibel protokoll for kvantifisere timelige og Kinematisk oppbygning idiosynkratiske nå å forstå bevegelser i mennesker. Høyhastighets videokameraer fange flere visninger av nå å forstå bevegelse. Frame-by-frame videoanalyse brukes deretter til å dokumentere tidsberegningen og omfanget av forhåndsdefinerte atferdsmessige hendelser som bevegelse start, samling, maksimal høyde, topp blenderåpning, første kontakt og endelige rekkevidde. Den temporale strukturen av bevegelsen er rekonstruert av dokumentere den relative bildenummer Event mens Kinematisk strukturen i hånden er kvantifisert bruke funksjonen hersker eller mål bilderedigering programvare for å kalibrere 2 dimensjonale lineær avstand mellom to kroppsdeler eller mellom en kroppsdel og målet. Frame-by-frame videoanalyse kan gi en kvantitativ og omfattende beskrivelse av idiosynkratiske nå å forstå bevegelser og gir forskere å utvide sitt område i etterforskningen til å omfatte et større utvalg av naturalistiske prehensile atferd, guidet av et bredere utvalg av sensoriske modaliteter, både sunn og klinisk bestander.
Introduction
Prehension, av nå å forstå et objekt, brukes for mange daglige funksjoner inkludert å skaffe mat for spising, grooming, manipulere objekter, vifter verktøy og kommunisere gjennom gest som skrives ordet. Den fremste teorien om neurobehavioral kontroll av prehension, foreslår Visuomotor tokanals teori1,2,3,4, at prehension består av to bevegelser – en rekkevidde som transporterer hånden til plasseringen av målet og en forståelse som åpnes, figurer, og lukker hånden til størrelsen og formen på målet. To bevegelsene er formidlet av dissociable men samspill nervebaner fra visuelle til motorisk cortex via parietal lobe1,2,3,4. Atferdsmessige støtte for tokanals Visuomotor teorien er tvetydig, hovedsakelig skyldes at nå å forstå bevegelse vises som en enkelt sømløs gjerning og utfolder seg uten bevisst anstrengelse. Likevel, prehension er nesten alltid studert i sammenheng med visuelt-guidede prehension der sunn deltaker når for å forstå en synlig målobjektet. Under disse omstendigheter vises handlingen som en enkel bevegelse som utfolder seg i en forutsigbar og stereotype mote. Før nå utbruddet fixate øyne på målet. Som armen strekker sifrene åpne, preshape størrelsen på objektet, og deretter begynne å lukke. Øynene løsner fra målet like før mål kontakt og endelige forståelse av målet følger nesten umiddelbart etterpå5. Når visjon er fjernet, men er strukturen av bevegelsen fundamentalt forskjellig. Bevegelsen dissociates i deltagende komponentene slik at en open-handed nå brukes først til å finne målet ved å berøre det og deretter haptic signaler tilknyttet målet kontakt guide forme og nedleggelse av hånden å gripe6.
Kvantifisering av nå å forstå bevegelse oppnås oftest bruker 3-dimensjonale (3D) bevegelse sporingssystem. Disse kan omfatte infrarød sporingssystemer, elektromagnetisk sporing systemer, eller video basert sporingssystemer. Mens slike systemer er effektiv for å skaffe Kinematisk tiltak for prehension i friske voksne deltakere utfører stereotype nå å forstå bevegelser mot synlig target objekter, har de en rekke ulemper. Er svært dyrt, krever disse systemene feste sensorer eller markører på armen, hånd og sifre til deltakeren. Dette er vanligvis knyttet ved hjelp av medisinsk bånd, som kan hindre taktil tilbakemelding fra hånden, endre naturlige motor atferd og distrahere deltakerne7. Som disse systemene generelt produsere numeriske utgang knyttet til ulike Kinematisk variabler som akselerasjon og retardasjon hastighet er de heller ikke ideelt for å undersøke hvordan hånden kontakt målet. Når bruker disse systemene, flere sensorer eller utstyr er nødvendig for å fastslå hvilken del av hånden gjør kontakt med målet, hvor på målet kontakt oppstår og hvordan konfigurasjonen av hånden kan endres i for å endre målet. I tillegg krever infrarød sporingssystemer, som er den mest vanlig ansatt, bruk av en spesialisert kamera til å spore plasseringen av markører på hånden i 3D-rom6. Dette krever en direkte siktlinje mellom kameraet og sensorer på hånden. Som sådan, er noen særegenheter i bevegelsen sannsynlig å skjule dette siktelinjen og føre til tap av viktige Kinematisk data. Det er imidlertid et stort antall forekomster som særegenheter i nå å forstå bevegelse er faktisk normen. Disse inkluderer under tidlig utvikling når spedbarn er bare lære å nå og forstå for objekter. Når målobjektet ikke er synlig og taktile må signaler brukes til å guide rekkevidden og rekkevidde; Når målobjektet er en merkelig form eller struktur; og når deltakeren presenterer med noen av en rekke sensorimotor lidelser som slag, Huntingtons sykdom, Parkinsons sykdom, Cerebral Parese, etc. i alle disse tilfellene, nå å forstå bevegelse er verken forutsigbar eller stereotype, heller ikke det nødvendigvis veiledet av vision. Følgelig kan evnen til 3D motion sporingssystemer pålitelig kvantifisere timelige og Kinematisk strukturen av disse bevegelser være sterkt begrenset på grunn av avbrudd i Sensorisk feedback fra hånden, endringer i naturlige motor atferd, tap av data, og/eller problemer tolke idiosynkratiske Kinematisk resultatet fra disse enhetene.
Dagens papir beskriver en ny teknikk for kvantifisere idiosynkratiske nå å forstå bevegelser i ulike menneskelige populasjoner som er rimelig, hindrer ikke sensorisk feedback fra hånd eller naturlige motor atferd, og er pålitelig, men kan være fleksibelt endres for å passe en rekke eksperimentelle paradigmer. Teknikken innebærer bruker flere høyhastighets videokameraer til å registrere nå å forstå bevegelse fra flere vinkler. Videoen er deretter analysert frakoblet fremdrift gjennom videobilder ett om gangen, og bruker visuell inspeksjon dokumentet nøkkel atferdsmessige hendelser som utgjør sammen en kvantifisert beskrivelse av timelige og Kinematisk organiseringen av den nå å forstå bevegelse. Dagens papir beskriver en komparativ analyse av visuelt – versus nonvisually-guidede nå å forstå bevegelser i friske menneskelige voksne6,8,9,10 for å vise effekten av teknikken; men har modifiserte versjoner av teknikken også blitt brukt å kvantifisere nå å forstå handlinger av menneskelige spedbarn11 og ikke-menneskelige primater12. Omfattende resultatene av frame-by-frame video analyse fra disse studiene er blant de første opptreden beviser til støtte for tokanals Visuomotor teorien om prehension.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utredningen beskriver hvordan du bruker frame-by-frame videoanalyse for å kvantifisere timelige organisasjonen, Kinematisk struktur og et delsett av topografiske kjennetegn for menneskelig rekkevidde å forstå bevegelser. Teknikken kan brukes å studere typisk visuelt-guidede nå å forstå bevegelser, men også idiosynkratiske nå å forstå bevegelser. Slike bevegelser er vanskelig å studere med tradisjonelle 3D bevegelse sporing systemer, men er vanlig i utviklingsland spedbarn, deltakerne med endrede sensorisk pro…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gjerne takke Alexis M. Wilson og Marisa E. Bertoli for deres hjelp med filming og forbereder video dette manuskriptet. Denne forskningen ble støttet av naturvitenskap og Engineering Forskningsrådet Canada (JMK, JRK, IQW), Alberta Innovates helse løsninger (JMK) og den kanadiske institutter for helse 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 |
Referências
- 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).
