Frame-by-Frame Video analyse af idiosynkratiske Reach at forstå bevægelser hos mennesker
Summary
Denne protokol beskriver hvordan frame-by-frame video analyse til at kvantificere idiosynkratiske reach at forstå bevægelser hos mennesker. En sammenlignende analyse af nåede i seende versus unsighted raske voksne bruges til at demonstrere teknikken, men metoden kan også anvendes til undersøgelse af udviklingstoksicitet og kliniske populationer.
Abstract
Prehension, handlingen om at nå for at gribe et objekt, er centrale for den menneskelige erfaring. Vi bruger det til foder os, soignere os og manipulere objekter og værktøjer i vores miljø. Sådan opførsel er svækket af mange sensorimotor lidelser, men vores nuværende forståelse af deres neurale kontrol er langt fra komplet. Nuværende teknologier for behandlende menneskelige reach at forstå bevægelser udnytter ofte bevægelsessporing systemer, der kan være dyrt, kræver fastgoerelse af markører eller sensorer til hænderne, hindre naturlige bevægelse og sensorisk feedback, og give kinematiske output, som kan være vanskelige at fortolke. Mens generelt effektivt til at studere de stereotype reach at forstå bevægelser af sunde seende voksne, mange af disse teknologier står over yderligere begrænsninger, når du forsøger at studere de uforudsigelige og idiosynkratiske reach at forstå bevægelser af unge spædbørn, unsighted voksne og patienter med neurologiske lidelser. Dermed, vi præsenterer en roman, billig, og meget pålidelig men fleksibel protokol til kvantificering af den tidsmæssige og kinematiske struktur idiosynkratiske reach at forstå bevægelser hos mennesker. Høj hastighed videokameraer fange flere visninger af reach at forstå bevægelse. Frame-by-frame video analyse bruges derefter til at dokumentere timingen og omfanget af pre-definerede adfærdsmæssige begivenheder som bevægelse start, indsamling, maksimale højde, peak blænde, første kontakt og endelige greb. Den tidsmæssige struktur af bevægelsen er rekonstrueret af dokumenterer relative billednummer af hver event, mens den kinematiske struktur af hånden kvantificeres ved hjælp af funktionen lineal eller foranstaltning i foto redaktion programmel for at kalibrere 2 dimensionelle lineær afstande mellem to dele af kroppen eller mellem en kropsdel og målet. Frame-by-frame video analyse kan give et kvantitativt og omfattende beskrivelse af idiosynkratiske reach at forstå bevægelser og vil gøre det muligt for forskere at udvide deres område af undersøgelsen til at omfatte en større vifte af naturalistiske prehensile adfærd, styret af en bredere vifte af sensoriske modaliteter i både sunde og kliniske populationer.
Introduction
Prehension, handlingen om at nå for at gribe et objekt, er brugt for mange daglige funktioner, herunder erhvervelse af fødevarer elementer til spise, grooming, manipulere objekter, wielding værktøjer og kommunikere gennem gestus og skrevet ordet. Den mest fremtrædende teori vedrørende neurobehavioral kontrol af prehension, foreslår Dual Visuomotor kanal teori1,2,3,4, at prehension består af to bevægelser – en rækkevidde der transporterer hånd til placeringen af målet og et greb, der åbner, figurer, og lukker hånden til størrelse og form af målet. De to bevægelser er medieret af dissocierbart men interagerende nervebaner fra visuel til motoriske cortex via isselappen1,2,3,4. Adfærdsmæssige understøttelse af Dual Visuomotor kanal teori har været tvetydig, i vid udstrækning skyldes det, at reach at forstå bevægelse vises som en problemfri fællesakten og udfolder sig med lille bevidst indsats. Ikke desto mindre, prehension er næsten altid undersøgt i forbindelse med visuelt guidede prehension i som en sund deltager når for at forstå en synlig destinationsobjektet. Under disse omstændigheder synes handlingen som en enkelt bevægelse, der udfolder sig i en forudsigelig og stereotype mode. Før reach indsættende fiksere øjne på målet. Som armen udvider cifrene åbne, preshape til størrelsen på objektet, og efterfølgende begynder at lukke. Øjnene frigøre fra målet lige før mål kontakt og endelige forståelse af målet følger næsten umiddelbart bagefter5. Når vision er fjernet, men er strukturen af bevægelsen fundamentalt forskellige. Bevægelsen dissocieres i sit konstituerende komponenter, sådan at en generøse reach bruges først til at finde målet ved at røre ved det og derefter Haptiske signaler tilknyttet target kontakt guide forme og lukning af hånden at forstå6.
Kvantificering af reach at forstå bevægelse opnås oftest ved hjælp af en 3-dimensionelle (3D) motion tracking system. Disse kan omfatte infrarød sporingssystemer, elektromagnetisk sporingssystemer, eller video baseret sporingssystemer. Sådanne systemer er effektiv for at erhverve kinematiske foranstaltninger af prehension i raske voksne deltagere udfører stereotype reach at forstå bevægelser mod synlige mål objekter, har de en række ulemper. Ud over at være meget dyrt, kræver disse systemer udlæg i sensorer eller markører på arm, hånd og cifre af deltageren. Disse er normalt fastgjort ved hjælp af medicinsk tape, som kan hindre Taktile feedback fra hånden, ændre naturlige motor adfærd og distrahere deltagere7. Da disse systemer producerer generelt numeriske output relateret til forskellige kinematiske variabler som acceleration, deceleration og hastighed ikke er også velegnet til at undersøge hvordan hånden kontakter målet. Hvornår bruger disse systemer, ekstra sensorer eller udstyr er forpligtet til at afgøre, hvilken del af hånden gør kontakt med target, hvor på målet kontakt opstår, og hvordan konfigurationen af hånden kan ændre sig i for at manipulere målet. Derudover kræver infrarød tracking systemer, som er den mest almindeligt erhvervsdrivende, brug af en specialiseret kamera til at spore placeringen af markører på side i 3D-rum6. Dette kræver en direkte linje af syne mellem kameraet og sensorerne på hånden. Som sådan, er nogen idiosynkrasier i bevægelse tilbøjelige til at overskygge denne linje af syne og resultere i tab af kritiske kinematiske data. Der er imidlertid et stort antal forekomster, hvor idiosynkrasier i reach at forstå bevægelse er faktisk normen. Disse omfatter i den tidlige udvikling når spædbørn er bare lære at nå og forstå for objekter; når målet objekt ikke er synligt og taktile skal stikord bruges til at guide rækkevidden og rækkevidde; Når målobjektet er en ulige form eller tekstur; og når deltageren præsenterer med en af en række sensorimotor lidelser såsom et slagtilfælde, Huntingtons sygdom, Parkinsons sygdom, Cerebral parese, osv i alle disse tilfælde, reach at forstå bevægelse er hverken forudsigelige eller stereotype, eller er det nødvendigvis styret af vision. Derfor kan mulighed for 3D motion tracking systemer til pålideligt kvantificere den tidsmæssige og kinematiske struktur af disse bevægelser være stærkt begrænset på grund af forstyrrelser i sensorisk feedback fra side, ændringer i naturlig motor adfærd, tab af data, og/eller vanskeligheder tolkning idiosynkratiske kinematiske outputtet fra disse enheder.
Den nuværende papir beskriver en ny teknik for kvantificering idiosynkratiske reach at forstå bevægelser i forskellige befolkningsgrupper, der er overkommelig, ikke hindrer sensoriske feedback fra hånd eller naturlig motor adfærd, og er pålidelige, men kan være fleksibelt modificeret til at passe til en lang række eksperimentelle paradigmer. Teknikken indebærer at bruge flere high-speed video kameraer optage reach at forstå flytning fra flere vinkler. Videoen er derefter analyseret offline af forløber gennem videobilleder én ad gangen og ved hjælp af visuel inspektion til dokument vigtige adfærdsmæssige begivenheder, der tilsammen giver en kvantificeret beskrivelse af den tidsmæssige og kinematiske organisation af reach at forstå bevægelse. Den nuværende papir beskriver en sammenlignende analyse af visuelt – versus nonvisually guidede reach at forstå bevægelser i sunde menneskelige voksne6,8,9,10 for at påvise effekten af teknikken; dog har ændrede versioner af teknikken også været brugt til at kvantificere menneskelige spædbørn11 og ikke-menneskelige primater12reach at forstå handlinger. De omfattende resultater af den indramme af indramme video analyse fra disse undersøgelser er blandt de første til at give adfærdsmæssige beviser til støtte for Dual Visuomotor kanal teorien om prehension.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den nuværende papir beskriver hvordan frame-by-frame video analyse til at kvantificere de tidsmæssige organisation, kinematiske struktur og en delmængde af topografiske egenskaber i menneskelige reach at forstå bevægelser. Teknikken kan bruges til at studere typisk visuelt guidede reach at forstå bevægelser, men også idiosynkratiske reach at forstå bevægelser. Sådanne flytninger er vanskelige at undersøge ved hjælp af traditionelle 3D bevægelsessporing systemer, men er almindelige i udviklingslandene spædb…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Alexis M. Wilson og Marisa E. Bertoli for deres hjælp med optagelserne og forberede dette manuskript videoen. Denne forskning blev støttet af naturvidenskab og Engineering Research Council of Canada (JMK, Jørgens, IQW), Alberta Innovates-sundhed-løsninger (JMK) og den canadiske institutter for sundhed Research (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).
