Summary
Cerebral skade kan skade både okulær og somatiske motor systemer. Karakterisering af motorisk kontrol efter skade giver biomarkører, der kan hjælpe med sygdom afsløring, overvågning og prognosticering. Vi gennemgår en metode til at måle øje-hånd bevægelseskontrol i sundhed og patologiske isammenhæng med kig-og-nå paradigmer at vurdere koordinationen mellem øje og hånd.
Abstract
Den objektive analyse af øjenbevægelser har en betydelig historie og har været længe vist sig for at være et vigtigt søgeredskab i fastsættelsen af hjerneskade. Kvantitative optagelser har en stærk kapacitet til at screene diagnostisk. Samtidige undersøgelser af øjne og øvre lemmer bevægelser rettet mod fælles funktionelle mål (fx øje-hånd koordination) tjene som en ekstra robust biomarkør-laden stien til fange og afhøre neurale skade, herunder erhvervet hjerneskade (ABI ). Mens kvantitative dual-effektor optagelser i 3D råd til rige muligheder inden for okulær-manual motor undersøgelser i indstillingen af ABI, gennemførligheden af sådanne dual optagelser for både øje og hånd udfordrende i patologisk indstillinger, især da nærmede sig med forsknings-grade stringens. Her beskriver vi integrationen af en eye tracking system med en bevægelsessporing system primært tiltænkt lemmer kontrol forskning til at studere en naturlig adfærd. Protokollen giver mulighed for undersøgelse af ubegrænset, tre-dimensionelle (3D) øje-hånd koordination opgaver. Mere specifikt, gennemgår vi en metode til at vurdere øje-hånd koordination i visuelt guidede saccade at nå opgaver hos patienter med kronisk midterste cerebral arterien (MCA) slagtilfælde og sammenligne dem med raske kontrolpersoner. Særlig opmærksomhed er betalt til specifikke øje - og lemmer-tracking system ejendomme for at opnå high fidelity data fra deltagere efter skade. Sampling-hastighed, nøjagtighed, tilladte hoved bevægelsesområde givet forventede tolerance og gennemførligheden af anvendelsen var flere af de kritiske egenskaber i betragtning, når du vælger en øje tracker og en tilgang. Lemmer tracker blev udvalgt på grundlag af en lignende rubrikken men medtaget behovet for 3D optagelse, dynamiske samspil og en minituariseret fysiske fodaftryk. De kvantitative data forudsat ved denne metode og samlet tilgang, når udført korrekt har enormt potentiale til yderligere forfine vores mekanistiske forståelse af øje-hånd kontrol og hjælpe med at informere mulige diagnostiske og pragmatisk interventioner inden for den neurologiske og rehabiliterende praksis.
Introduction
Et vigtigt element i den neurologiske funktion er øje-hånd koordination eller integration af okulær og manuel motor systemer til planlægning og udførelse af kombinerede funktion mod et fælles mål, for eksempel, et kig, nå og snuppe på TV-fjernbetjeningen. Mange målrettede opgaver afhænger visuelt guidede handlinger, såsom at nå, gribe, objektmanipulation og værktøj bruger, hvilke hængsel på tidsmæssigt og rumligt koblede øje og hånd bevægelser. Erhvervede hjerneskader (ABI) forårsage ikke kun lemmer dysfunktion, men også okulær dysfunktion; for nylig, er der også beviser peger på dysfunktion af øje-hånd koordination1. Koordineret øje-hånd motorisk kontrolprogrammer er modtagelige for fornærmelse i Neurologiske skader fra kar, traumatisk og degenerative etiologies. Disse fornærmelser kan forårsage en opdeling mellem et af de uundværlige forhold behov for integrerede og hurtige motorisk kontrol2,3,4,5,6. Mange undersøgelser på den manuelle motorik er afsluttet og har gearede visuel vejledning som en kerne søjle af paradigme uden en metode eller protokol til at analysere øjenbevægelser samtidigt.
I ABI, er iøjnefaldende motor underskud ofte fundet under den sengelamper kliniske undersøgelse. Men samtidige okulær motoriske funktionsnedsættelser og komplekse funktionsnedsættelse involverer integration af sensoriske og motoriske systemer kan være subklinisk og nødvendiggøre objektive optagelse for at være identificeret7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16. Okulær-manual motor koordinering afhænger af et stort og sammenkoblede cerebral netværk, fremhæve behovet for en detaljeret undersøgelse. En øje-hånd koordination evaluering med dobbelt objektive optagelser giver mulighed for analyse både kognitive og motoriske funktion i flere befolkningsgrupper, herunder raske kontrolpersoner og patienter med en historie af hjerneskade, hvilket giver indsigt i cerebral kredsløb og funktion3.
Mens saccades er ballistiske bevægelser, der kan variere i amplitude afhængigt af opgaven behøver, undersøgelser har vist afhængigheder mellem saccade og hånd bevægelse under visuelt guidede aktion17,18,19, 20. I virkeligheden, seneste eksperimenter har vist, at kontrolsystemer for begge bevægelser del planlægning ressourcer21,22. Motor planlægning hub for øje-hånd koordination ligger i den bageste parietal cortex. I et strøg er der velkendte underskud i motorisk kontrol; hemiparetic patienter har vist sig at generere unøjagtige forudsigelser givet et sæt af neurale kommandoer, når bedt om at udføre visuelt guidede håndbevægelser, ved hjælp af enten mere påvirket (kontralaterale) eller mindre påvirket (ipsilaterale) lemmer23 ,24,25,26,27,28,29. Derudover er øje-hånd koordination og relaterede motorisk kontrolprogrammer modtagelige for fornærmelse efter Neurologiske skader, afkobling relationer, tidsmæssigt og rumligt, mellem effektorer30. Objektive optagelser af øje og hånd kontrol er altafgørende at karakterisere isammenhæng eller graden af koordinering værdiforringelse og forbedrer den videnskabelige forståelse af øje-hånd motor kontrolmekanisme i en funktionel sammenhæng.
Selvom der er mange undersøgelser af øje-hånd koordination i raske kontrolpersoner17,31,32,33,34, har vores gruppe avanceret feltet af vores indstilling af neurologisk skade, for instans under slagtilfælde kredsløb vurdering, har undersøgt den rumlige og tidsmæssige tilrettelæggelse af håndbevægelser, ofte i forbindelse med visuelt viste rumlige mål. Undersøgelser, der har udvidet den objektive karakterisering til øje og hånd har næsten udelukkende fokuseret på performance kapacitet til at optage både effektorer efter slagtilfælde eller patologiske indstillinger; den beskrevne protokol giver mulighed for robust karakterisering af okulær og manuel motorisk kontrol i uhindret og naturlige bevægelser. Her beskriver vi teknik i en undersøgelse af visuelt guidede saccade at nå bevægelser hos patienter med kronisk midterste cerebral arterien (MCA) slagtilfælde i forhold til raske kontrolpersoner. Til simultan optagelse af saccade og reach anvender vi samtidige øje og hånd motion tracking.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. deltager
- Rekruttere kontrol deltagere ældre end 18 år, uden en historie af neurologiske dysfunktion, betydelige øjenskader, betydelig depression, store handicap og/eller elektriske implantater.
- Rekruttere slagtilfælde deltagere ældre end 18 år, med en anamnese med hjerneskade i den midterste cerebral arterie (MCA) distribution, har evnen til at fuldføre den Fugl-Meyer skala, opretholde en bred vifte af øje bevægelser35,36, har den evnen til at udføre, pege opgaver, og uden historie af yderligere neurologiske dysfunktion, betydelig eye sundhed komorbiditet, betydelig depression, store handicap og/eller elektriske implantater.
- Spørge deltagerne til at underskrive en samtykkeerklæring, der er godkendt af den institutionelle Review Board af New York University's School of Medicine.
- Deltager Screening (for detaljeret udelukkelseskriterier Se venligst Rizzo mfl37)
- Tage historie og udføre kliniske undersøgelser, som drøftet nedenfor.
- Vurdere kognitiv deltagere med Mini Mental State undersøgelse (MMSE)38.
- Udføre neurologisk undersøgelse.
- Undersøge ekstraokulær muskler og øjenbevægelser.
- Spørge deltagerne til at følge forskerens finger med øjnene samtidig med at deres hoved i en position. Tegner en imaginær H bogstav foran dem, og sørg for at dine finger bevægelser langt nok ud og op/ned, vurdere center, op, ned, venstre, højre, ned/venstre, ned/højre, op/venstre, og opad/mod højre.
- Spørge deltagerne til at følge og opretholde blik på et objekt flyttes langsomt gennem deres visuelle felt at vurdere glat udøvelse. Dække en afstand af ca 24 inches og ved hjælp af en blyant som mål, feje og tilbage langsomt i vandrette og lodrette retninger, gentage hver tre gange.
- Spørge deltagerne til at se så hurtigt som muligt mellem 2 mål, der er placeret 24 inches fra hinanden for at vurdere saccades. Brug en blyant og en pen, som mål og direkte blik til mål i en tilbage og frem måde tre gange vandret og lodret.
- Spørge deltagerne til at fiksere på et objekt, når det flyttes langsomt mod til deres øjne at vurdere konvergens, centrering mål, en blyant, på broen i deres næse. Efter denne procedure, Gentag testen ved at bringe det samme mål fra næsen tilbage til udgangspositionen (divergens).
- Bede patienten om at dække det ene øje og se på forskerens næse. Flytte hånden ud af patientens visuelle felt og derefter bringe det i wag finger langsomt og bede patienten om at lade forskeren vide, hvornår hånden kommer tilbage til syne, Gentag dette for øverste venstre hjørne, øverste højre og nederste venstre og nederste højre kvadranter.
Bemærk: Når patienten dækker deres højre øje, dække det venstre øje, og vice versa.
- Vurdere den synshandicap af en visuel-motorisk Integration test.
- Vurdere synsstyrken ved Snellen diagram39,40.
- Vurdere det visuelle felt med konfrontation og hvis i spørgsmål, udføre Goldman eller Humphrey visuelle felt test41,42.
- Vurdere hemi-fysisk omsorgssvigt via linje gennemskæring test og enkelt bogstav annullering test43.
- Kvantificere omfanget af handicap via 25-element National Eye Institute Visual funktion spørgeskema (NEI-VFQ-25) og en 10-vare supplement undersøgelse44.
- Tage historie og udføre kliniske undersøgelser, som drøftet nedenfor.
2. forberedelse til eksperimentet og den fysiske konfiguration af udstyr
- Udstyr:
- Vælg en øje tracker
- Vælg en øje tracker, som er i stand til at head-monteret brug (for at undgå interferens med skrivebord-baserede reach bevægelser) høj rumlig opløsning (≤0.1o) og høj tidsmæssige opløsning (≥250 Hz).
- Optage kikkert øjenbevægelser med øjet tracker på en samplingfrekvens på 250 Hz (prøveudtagning øjenhøjde hver 4 ms) tracking både elev og cornea refleksion.
- Vælge af en legemsdel tracker
- Vælg en legemsdel tracker, der kan knyttes til bevægelse i x, y, z stilling, ³ 0,08 cm nøjagtighed, Latency ³ 3,5 MS.
- Vælg en bærbar computer i stand til at køre et tilpasset script der styrer real-time integration af data opnået fra to systemer og co registrerer signaler i realtid (Tabel af materialer).
- Vælg et display skærm i stand til at integrere med den valgte bærbare computer og der er stort nok til at understøtte en til en-korrespondance mellem skærm og bordplade reach plads
- Definere et rektangel identiske i størrelse til display skærmen på et bord overflade mellem deltageren og display skærmen, til brug som en funktionel nåede plads for eksperimentelt arbejde.
- Vælg en øje tracker
- Oprette forberedelse:
- Oprette en tabel med stolens højde justerbar.
- Placer en display skærm 40 cm fra den yderste kant af tabellen (Tabel af materialer).
- Placer en bordplade board (nå overfladen) med 1-1 ratio dimension med display dataskærm.
- Oprette lemmer tracker ved at montere den elektromagnetiske kilde under tabellen (Tabel af materialer).
- Opsætning af øjet tracker, være vært PC (Tabel af materialer).
- Knytte fire infrarød (IR) belysning til fire hjørner af skærmen ved hjælp af stropperne.
- Sæt øjet tracker konfigurationer fra øjet tracker installation valgmuligheder raster.
- Vælg 13-punkts kalibrering fra den forudindstillede konfiguration af øjet tracker.
- Vælg høj saccade følsomhed til at opdage små saccade.
- Vælg elev-CR tilstand til at registrere både elever og hornhinden.
- Vælg en samplingfrekvens på 250 Hz.
- Deltagerens fysiske forberedelse
- Sæde deltagere på en højde-justerbar stol ved bordet med computerskærm.
- Placer deltager 60 cm fra display skærm (tabel af materialer).
- Fix bevægelsesføleren (tabel af materiale) til det distale aspekt af pegefingeren af side af den skal testes arm (dominerende våben til kontrol, og begge arme i deltagere med slagtilfælde)
- Placer øje tracker på deltagernes hovedbøjle og justere hovedbøjle og kameraer (Tabel af materialer).
- Montering af pandebånd
- Justere tæthed og placering af pandebånd (ved hjælp af pandebånd drejeknapper), så den forreste pad er i midten af panden og side puder over deltagerens ører.
- Sørg for, at hovedbøjle kameraet er i midten af panden og over broen på næsen.
- Spørge deltagerne til at hæve deres øjenbryn, og hvis hovedbøjlen flytter, ombygning det højere eller lavere på panden.
- Justere kamera og cornea illuminator holdning. Spørge deltagerne til at se på display skærmen.
- Fra skærmbilledet kamera Vælg hoved kamerabilledet, skal du kontrollere, at det viser fire store pletter fra de IR markører, der er placeret i midten af hovedet kamerabilledet. Hvis de ikke er i centrum, justere i overensstemmelse hermed.
- Kamera setup skærmen, Vælg det ene øje på tidspunktet. Justere to øjet kameraer ved at sænke og hæve eye-kameraet håndtere indtil Eleven i øjet er i midten af kamerabilledet
- Fokusere eye-kameraet ved at dreje linsen indehaveren.
- Indstille eleven tærskel ved at trykke på knappen Auto tærskel på indstillingsskærmen kamera.
- Udføre den samme justering for andet øje.
- Montering af pandebånd
- Kalibrering
- Kalibrere lemmer tracker output til at nå overfladen ved hjælp af en 9-punkts kalibrering, spørge deltageren at placere deres sensor vedlagte finger på at nå overfladen (bordplade) placeringer, som vises på skærmen.
- Kalibrere øje tracker, bede deltagerne til at se på kalibrering målet, der vises som en blå prik og vedligeholder fiksering, indtil den næste prik vises på skærmen
Bemærk: Kalibreringen mål vises i 13 tilfældigt udvalgte positioner på skærmen - Kalibrere øje tracker mindst to gange pr. session, ene i begyndelsen af eksperimentet og på dets halvvejs.
3. eksperiment
- Spørge deltagerne til at flytte deres finger på den startposition, der dækker start cirklen på skærmen med finger-indikator dot (rød prik), mens fiksere (øjet) startposition på skærmen.
Bemærk: Startposition er en korrespondent placering af fiksering punkt (blå prik) viser i midten af skærmen (figur 1a). Placeringen af fingeren er repræsenteret som 4 mm radius rød prik på skærmen. - Kræve deltagerne at fastholde fingerposition på start cirkel for 150 ms indtil destinationen vises.
- Sikre, at deltagerne fiksere startposition, indtil de høre et bip ("gå bip"). (Figur 1)
Bemærk: Varigheden mellem målet udseende og gå signalet er randomiseret mellem 250 til 750 ms at forhindre foregribelse af go-signal. - Pålægge deltagerne at flytte både deres øjne og fingerspids hurtigt og præcist til de udpegede mål som de hører bip (figur 1)
- Udpegede mål vises 1 cm radius hvid cirkel
- Pålægge deltagerne at røre den bordplade placering på placeringen af den virtuelle mål, som vises på skærmen ved at løfte hånd og finger og re-forbinder fingerspids og bordplade
- Kontroller, at deltagerne gøre en pegende bevægelse ved at løfte hånd og finger i stedet for at trække hånd og finger på bordpladen.
- Vise lokationen slutningen af reach som en rød prik, følgende nå afslutningen.
- Bestemme reach færdiggørelsen af en kombination af lav-velocity (< 5% peak) og 3 mm z-plane tærskel.
- Spørge deltagerne til at udføre en række fortrolighed forsøg før du starter dataopsamling.
- Start dataopsamling, når deltagerne rørt 5 af de sidste 10 mål med succes.
- Spørge deltagerne til at udføre en række look og nå forsøg, som de blev instrueret i fortrolighed forsøg.
- Har deltagerne udføre ialt 76 forsøg.
- Har kontrol deltagerne udføre eksperimentet med deres dominerende hånd.
- Når det er muligt, har deltagerne med slagtilfælde udføre eksperimentet med begge hænder, mere-ramte og mindre-ramte.
- Deltagerne udfylde hele eksperimentet med mindst én hånd.
Figur 1. Skematisk oversigt over opsætning og eksperiment. (a) skematisk gengivelse af display monitor og nå overfladen under en retssag. (b) sekventering af aktioner inden for visuelt guidede rækkevidde. Første fiksering (F) vises. Mål (T) vises efter et randomiseret længde af tid. 'Gå' signalet forekommer som auditive bip lyd (tilkendegivet ved lys-grå lodrette bar) efter en uforudsigelig gang interval (samtidige forskydningen af F) følgende mål udseende. Hånd (H) og øjet (E) bevægelser følge go-signal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
30 deltagere deltog i undersøgelsen. Der var 17 deltagere i kontrol kohorte, og 13 deltagere i slagtilfælde kohorte. To deltagere kunne ikke afslutte hele eksperimentet, så deres data blev udelukket fra analysen.
Demografi og spørgeskema vurderinger
Tabel 1 viser de kliniske og demografiske karakteristika som repræsentative slagtilfælde kohorte.
Middelværdi oejeblikkelige VFQ score var 91.33 ± 13.01 i slagtilfælde deltagere, versus 94.87 ± 4.87 i raske kontrolpersoner (p = 0.203, ns). Mener snesevis af 10-vare tillæg var 95 ± 11.57 i slagtilfælde deltagere, versus 96.27 ± 6,64 i raske kontrolpersoner (p = 0.375, ns). Mener noder for den sammensatte og 10-punkt supplement var 92.36 ± 12.18 i slagtilfælde deltagere, versus 95.12 ± 4,65 i raske kontrolpersoner (p = 0.244, ns). Slagtilfælde deltagere havde en gennemsnitlig Fugl-Meyer score på 55.54 ± 13,33, med en vifte af 30-66.
Øje og hånd bevægelser varighed og ventetid
I figur 2 er saccade og reach ventetid, målt som varigheden mellem gå signal og bevægelse debut, afbildet. Slagtilfælde deltagere foretaget indledende (primære) saccades betydeligt tidligere i både mindre-ramte, og mere-ramte sider, sammenligne med sunde kontrol deltagere (p <.05) (mere-ramte hånd: 0.082 s, CI: [0.052 0.112]; mindre-ramte hånd: 0.106 s, CI: [0,08 0.132]; kontrollere saccade indtræder: 0.529 s, CI: [0.514 0.543]). Sammenligne med kontrol, slagtilfælde deltagere lavet bemærkelsesværdigt tidligt indledende saccade til at målrette men der var ingen signifikant forskel mellem kontrol nå indtræder og mindre påvirket eller mere-ramte nå indtræder i slagtilfælde deltagere (mindre påvirket side: 0.545 s, CI: [0.521 0.568]; mere-ramte hånd: 0,60 s, CI: [0.567 0.632]; kontrol nå indtræder: 0.556 s, CI: [0.544 0.568]). Ventetid mellem den indledende saccade og reach debut, som repræsenterer en tidsmæssig afkobling i slagtilfælde deltagere, var større i i både den mere-ramte og mindre påvirket side, en 519 ms (CI: [476 562]) og en 439 ms (CI: [404 474]) adskillelse henholdsvis i slagtilfælde, versus en minimal adskillelse af 27 ms (CI: [8,5 45]) i kontrolelementer (alle p <.05 procentmålpunkt Optegne deltagere ikke kun lavet den længste varighed når (beregnet som forskellen mellem bevægelse indtræden og ophør) med deres mere-ramte side (604 ms, CI: [587 622]), men også øget deres gennemsnitlige nå tid på de mindre påvirket side (546 ms, CI: [537 555] vs 352 ms, CI: [348 356]) (alle p <.05 procentmålpunkt
Øje bevægelser frekvens
Vi undersøgte intervallet mellem den indledende saccade debut og nå debut, som var minimal i raske kontrolpersoner og betydeligt længere i slagtilfælde deltagere i de mindre- og mere - ramte side. Vi lagde mærke til forskellene i antallet af saccades, der blev foretaget i løbet af denne periode. Antallet af saccades produceret af slagtilfælde deltagere uanset legemsdel de brugte, var mere end raske kontrolpersoner. Vi afbildet antallet af sekundære saccades fremsat af deltagerne i histogrammer (figur 3). Raske kontrolpersoner i 90% af forsøg foretaget en enkelt saccade og vedvarende fiksering på målet indtil de færdige rækkevidde. I skarp kontrast, dette mønster blev genereret i 50% af forsøg (z = 32.2, p <.05) for dem med slagtilfælde og resten lavet flere saccades. (Figur 3). Figur 4 viser et eksempel på sådanne saccade spor.
Fysisk fejl af øjet og håndbevægelser
Med hensyn til amplitude fra bevægelse slutpunkt til target center (bevægelse fejl), slagtilfælde deltagere havde øget rækkevidde fejl i både mindre og mere berørt hænder i forhold til raske kontrolpersoner (kontrol: 9,3 mm, CI: [9.0 9.5]; mindre-ramte arm: 19,2 mm, CI: [ 18.4 20,0]; mere-ramte arm: 21.4 mm, CI: [20,5 21,4]) (figur 5; alle p <.05 procentmålpunkt Sammen med stigningen i reach fejl, saccade slutpunkt fejl steget stærkt som vist i figur 5 (kontrol: 18,3 mm, CI: [17,9 18,7]; mindre-ramte arm: 36,4 mm, CI: [35,2 37.6]; mere-ramte arm: 41.6 mm, CI: [40.3 43,0]; alle p <.05 procentmålpunkt
Arm Motor værdiforringelse og øje-hånd Latency afkobling korrelation
Fugl-Meyer score blev brugt til at vurdere arm motor værdiforringelse. Det var forventet at tidsmæssig afkobling i slagtilfælde deltagere ville korrelerer med arm motor værdiforringelse sværhedsgrad, men vores resultater viste, at det var statistisk insignifikante for mindre (r =-0.64, ns) og mere påvirket (r =-0.34, ns) våben.
| ID | Alder | Køn | H / H en | Slagtilfælde | Chronicity (yrs) | Fugl-Meyer Score c |
| (yrs) | Karakteristika b | |||||
| 1 | 78 | M | R/L | R MCA distribution | 2 | 66 |
| 2 | 61 | F | R/L | R MCA distribution | 7 | 66 |
| 3 | 34 | M | R/R | L MCA distribution | 1.7 | 66 |
| 4 | 39 | F | R/R | L MCA distribution | 1.4 | 45 |
| 5 | 70 | M | R/R | L MCA distribution | 2.8 | 58 |
| 6 | 60 | F | R/L | R MCA distribution | 2.6 | 30 |
| 7 | 73 | M | R/L | R MCA distribution | 6 | 58 |
| 8 | 51 | F | R/L | R MCA distribution | 12.2 | 30 |
| 9 | 60 | M | R/R | L MCA distribution | 4.4 | 63 |
| 10 | 39 | M | R/L | R MCA distribution | 4.7 | 47 |
| 11 | 70 | M | R/L | R MCA distribution | 2 | 66 |
| 12 | 47 | F | R/R | L MCA distribution | 1.5 | 61 |
| 13 | 65 | F | R/R | L MCA distribution | 0,7 | 66 |
| AVG | 57,5 | 3.8 | 55,5 | |||
| (SD) | -14.3 | -3.2 | -13.3 |
Tabel 1 . Slagtilfælde kliniske karakteristika.
en "Hansen" = håndethed / hemiparese: håndethed (vurderet gennem Edinburgh beholdning) / hemiparese lateralitet
b "Slagtilfælde funktioner": læsion placering fremstillet af sygehistorie med deltager og/eller familiemedlemmer, der tjener som historikeren; regionen og lateralitet cross-valideret til konsekvens hos undersøgelse kendelse
c "Fugl-Meyer Score": en Summering af øvre ekstremiteter Score [alt muligt 66], der afspejler omfanget af post takts motor værdiforringelse.
Figur 2. Saccade og Reach ventetid Saccade indtræder (angivet med blå cirkler) forekommer betydeligt tidligere i slagtilfælde deltagere, mens der var ingen signifikante forskelle mellem kontrol nå indtræder (angivet af grønne cirkler) og slagtilfælde deltagere (angivet af grønne cirkler) (med en lille forsinkelse på mere-ramte side). Ventetid mellem den indledende saccade og reach debut er angivet med en lys grå bjælke. (indtræder: cirkler, afslutninger: pladser) (fejllinje: 95% konfidensinterval) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Histogrammer af antallet af saccades ud over den primære saccade. Den øverste histogrammet vises, kontrol deltagere overvældende gør en primær saccade kun. Var der enten ingen yderligere saccades ud over den primære saccade eller indeholde en enkelt sekundære saccade i omkring 96% forsøg. Lavere histogrammet viser slagtilfælde deltagere, gøre op til fem sekundære saccades i den samme 96% af forsøg. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Fig. 4. Figur viser, tilfældige rå saccade spor fra to kontrol deltagere og totakt deltagere. To prøver (ufiltreret, rå) øjet (blå) og hånd (grøn) spor fra kontrol deltagere (venstre kolonne) og slagtilfælde deltagere (højre kolonne) afbildes i skærmen mm at tillade samtidige plotning af øje og hånd spor. I to takts deltagere forsøg, er flere øjenbevægelser lavet før de udfylde reach, i modsætning til kontrol deltagere forsøg, at gøre en enkelt saccade på eller lukke tid utilgængeligt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Gennemsnitlige slutpunkt fejl af deltager gruppering og/eller arm Grønne barer angiver gennemsnittet nå fejl, og blå bjælker angiver gennemsnitlig saccade (primære) fejl. To stikprøver t-tests blev udført. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Fremkomsten af øje og hånd sporingssystemer som tilgængelige værktøjer for objektivt at udforske Karakteristik af okulære-manual motor systemer har fremskyndet forskningsundersøgelser, muliggør en nuanceret optagelse tilgang for en væsentlig opgave i daglige aktiviteter – øje-hånd koordination. Mange naturlige action-afhængige opgaver styres visuelt og afhænge af vision som en primære sensoriske input. Blik er programmeret gennem okulær motoriske kommandoer, som punkt centrale syn på centrale rumlige mål; denne information er afgørende og hjælper med at erhverve hånd mål. Centrale er, at koordinerede øje-hånd adfærd skal udføres effektivt og præcist. For eksempel vil beslutter at få fat i en kaffekop resultere i en hurtige øjenbevægelser håndtaget, en terminal fiksering, erhvervelse af afgørende miljømæssig detaljer for pegefinger placering og prehension, alle i tidsligt synkroniserede serie. Efter bevægelse indledning er visuel feedback af overekstremiteterne afgørende for online fejl overvågning og korrektion.
Vurdering af øje-hånd koordination med vores forskellige metode viser, at slagtilfælde hæmmer koordinering af øje-hånd bevægelseskontrol. Slagtilfælde deltagere med MCA-skade afsløre begge mindre nøjagtig saccades og nå (i begge mindre/mere-ramte sider) i forhold til raske kontrolpersoner; der synes også at være stark afkobling mellem den primære saccade debut og reach debut i begge mindre- / mere-ramte sider. Mens svækkelser af øje og hånd bevægelse bidrage særskilt til funktionelle kompromis, synes der at være en specifik underskud i øje-hånd koordination, som kan forstærke den nåede fejl og yderligere kompromittere neurologisk funktion; Dette sker når systemerne separat effektor undlader at koordinere mod en enkelt synkron adfærd. En potentiel forklaring kan ligge i den ekstra beregningsmæssige belastning fuldbyrdende dual øje-hånd bevægelser og relaterede interferens virkninger46,47,48,49. Eksperimentelle paradigmer, der kræver øje-hånd bevægelse Co registrering tillader videnskabsfolk at systematisk sonde dual opgaver; Dette er især relevant for patologiske befolkninger, der har kendt vanskeligheder med sådanne opgaver, uanset kombinationen (kognitiv-motorisk, motor-motor, osv)50,51,52.
Øjne og øvre lemmer bevægelser er følsomme markører for cerebral skade og utallige programmer findes diagnostisk, prognostically og terapeutisk53,54,55,56,57 ,58,59. Øjenbevægelser og deres relationer til lemmer bevægelser skal du oprette en endnu større 'vindue' ind i hjernen, end hidtil antaget. Bortset fra direkte værdiforringelse i øjet bevægelse funktion, underskud i øjet bevægelse kompensation som svar på hånd bevægelse værdiforringelse er et nyt område fyldt med videnskabelige mulighed. Når yderligere karakteriseret, vil øje-hånd koordination være i stand til at kaste lys over flere programmer og motivere yderligere undersøgelser for at forstå dets fulde implikationer for funktionelle bevægelseskontrol, oversætte mekanistiske indblik i klinisk viden. Nøglen til øje-hånd kontrol forskning er robust metode og energisk protokoller, der aktiverer en til assay sådan fysiologi samtidigt og med high fidelity.
Trods fordelene ved afgrænset her, er der stadig metodologiske begrænsninger nuværende. Som beskrevet i afsnittet metoder, er deltagerne instrueres i at fiksere mål, som det vises på en skærm overvåge og gøre en samtidige rækkevidde på bordplade placeret umiddelbart foran arbejdsstationen. Dette kræver en transformation af rumlig information fra skærmen til bordpladen og tilføjer en ekstra kognitive trin. Mens denne kognitive udfordring er identisk med omdannelsen gør under computerarbejde, ville oversætte information fra skærmen til den arbejde station eller i mus-tastatur 'rum', en mere naturalistisk opgave bruge en oversættelse-gratis paradigme. Uanset hvad, robust 3D-hånd sporing med objektivt karakteriseret øje optagelser tillader en at sonde integreret motorstyring, der kredser om multi effektor koordinering. Desuden, giver den nuværende fremgangsmåde mulighed for at vurdere de øje-hånd kontrol aspekter kritiske til interaktion med computer grænseflade i realtid.
Mens kvantitative dual-effektor optagelser i 3D råd robust muligheder inden for okulær-manual motor undersøgelser i indstillingen af ABI, gennemførligheden af sådanne dual optagelser for både øje og hånd udfordrende, især i en patologisk indstilling Når henrettet med forsknings-grade stringens. Indsats har forsøgt at kombinere øje og hånd tracker at vurdere øje og hånd fysiologi, men data output er ofte ustabile 60. Når disse ustabilitet set i sunde befolkninger er taget i betragtning og sammenstillet med den tekniske kalibrering og indspilningsproblemer i deltagere med patologi, bliver data mindre og mindre nyttige. Det er derfor pragmatisk at udnytte en metode og paradigme, som beskrevet her. I overensstemmelse hermed, øjet holdning kalibrering er afsluttet i dybde flyet af interesse, øje-specifik stimuli vises på denne enkelt afstand og blik måling troskab er efterfølgende robust. På andre afstande, øjets opfattelse ikke længere justeres og karakterisering er begrænset til 3D-optagelser af hånd holdning61,62. Kvintessens undersøgelse af øje og hånd i indstillingen patologiske opnås bedst med brugerdefinerede software, der tillader flere dybde kalibreringer, integreret hardware, en central computer eller vært system til signal Co registrering og en protokol, der svarer til den ene ovennævnte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at forskningen blev gennemført i mangel af nogen kommercielle eller finansielle forbindelser, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.
Acknowledgments
Vi vil gerne takke Dr. Tamara Bushnik og NYULMC Rusk Research Team for deres tanker, forslag og bidrag. Denne forskning blev støttet af 5K 12 HD001097 (til J-RR, MSL og PR).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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.
- 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.
- 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), 18.11-24 (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).
- EyeLink user manual 1.3.0 [Computer software manual]. , Available from: http://sr-research.jp/support/manual/EyeLink%20II%20Head%20Mounted%20User%20Manual%202.14.pdf (2007).
- 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).
