JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

Verimli bir şekilde göz-el koordinasyonu Incoordination spektrum için kayıt

Published: March 21, 2019
doi:
10.3791/58885
, , , ,
1Dept. of Rehabilitation Med,New York University Langone Health, 2Dept. of Neurology,New York University Langone Health, 3Dept. of Ophthalmology,New York University Langone Health

Summary

Beyin yaralanması oküler ve somatik motor sistemleri zarar verebilir. Motor kontrol sonrası yaralanma karakterizasyonu hastalığı algılama, izleme ve prognoz yardımcı biyolojik affords. Göz-el hareketi kontrol sağlık ve göz ve el arasındaki koordinasyon değerlendirmek için bir görünüm ve ulaşmak paradigmaları ile patolojik incoordination ölçmek için bir yöntem gözden geçirin.

Abstract

Göz hareketleri tarafsız analiz önemli bir geçmişi vardır ve uzun beyin hasarı ortamda bir önemli araştırma aracı olarak kanıtlanmıştır. Nicel kayıtları tanıyla ekran için güçlü bir kapasiteye sahip. Eşzamanlı imtihanlarını göz ve paylaşılan fonksiyonel hedeflerine (örneğin, göz-el koordinasyonu) doğru yönetmen üst bacak hareketleri yakalama ve sinir yaralanması, alınan beyin hasarı (ABI dahil olmak üzere sorguya bir ek sağlam biyomarker yüklü yolu hizmet ). 3-b nicel çift-efektör kayıtları geniş fırsatlar ayarı göz-el motor araştırmalarda abi’en içinde göze iken, patolojik ayarları’nda, özellikle göz ve el çift bu tür kayıtların fizibilite meydan okuyor Ne zaman araştırma-grade titizlik ile yaklaştı. Burada bir göz izleme sistemi izleme sistemi doğal bir davranış çalışma öncelikle bacak kontrol araştırma için amaçlanan bir hareket ile bütünleştirilmesi açıklayın. Sınırsız, üç boyutlu (3D) el-göz koordinasyonu görevleri incelenmesi sağlayan protokol. Daha ayrıntılı olarak, göz-el koordinasyonu görsel destekli ulaşmak için saccade görevler kronik orta serebral arter (MCA) kontur olan bireylerde değerlendirmek ve karşılaştırmak onları sağlıklı kontrol için bir yöntem gözden geçirin. Özel dikkat özgü göz ve uzuv izleme sistem özellikleri için yüksek kaliteli ses verilerini katılımcılar sonrası yaralanma sonucu elde etmek için ödenir. Örnekleme hızı, doğruluğu, izin verilen kafa hareketi aralığı beklenen tolerans ve fizibilite kullanım birkaç bir göz izci ve bir yaklaşım seçilirken dikkate kritik özelliklerini verildi. Bacak izci üzerinde benzer bir bölüm tabanlı seçildi ancak 3-b Kayıt, dinamik etkileşimi ve kırılan fiziksel ayak izi ihtiyacını dahil. Nicel veri bu yöntem ve genel tarafından doğru olarak çalıştırıldığında yaklaşım çok büyük potansiyeli daha fazla olması koşuluyla göz-el kontrol mekanik bizim anlayış rafine ve uygun tanılama ve pragmatik müdahaleler içinde bilgi yardımcı nörolojik ve rehabilitasyon uygulama.

Introduction

Nörolojik işlevi önemli bir unsuru göz-el koordinasyonu veya planlama için oküler ve manuel motor sistemleri entegrasyonu ve kombine işlevi, örneğin, paylaşılan bir hedef doğrultusunda yürütülmesini bir görünüm ulaşmak ve televizyon uzak tut. Ulaşan, açgözlü, nesne manipülasyon ve aracı kullanmak geçici ve dağınık şekilde eşleşmiş göz ve el hareketleri hangi menteşe gibi pek çok maksatlı görevler görsel destekli eylemler üzerinde bağlıdır. Alınan beyin yaralanması (ABI) sadece da oküler işlev bozukluğu uzuv disfonksiyon neden; Son zamanlarda, Ayrıca el-göz koordinasyon1fonksiyon bozukluğu gösteren kanıtlar var. Koordine göz-el motor kontrol programları vasküler, travmatik ve dejeneratif etiologies nörolojik yaralanmaları hakaret etmek yatkındır. Bu hakaret için entegre ve hızlı motor kontrol2,3,4,5,6gerekli vazgeçilmez ilişkiler arasındaki bir arıza neden olabilir. Manuel motor fonksiyonları üzerine birçok çalışma tamamlanmıştır ve paradigma bir yöntemi veya protokolü yerine göz hareketleri aynı anda analiz için olmadan bir çekirdek ayağı olarak görsel rehberlik kaldıraçlı.

İçinde ABI, göze çarpan motor açıkları kez başucu klinik muayene sırasında tespit edilir. Ancak, eş zamanlı oküler motor bozuklukları ve duyusal ve motor sistemleri entegrasyonu içeren karmaşık bozuklukları subklinik olabilir ve belirlenen7,8,9olmak objektif kayıt gerektiren, 10,11,12,13,14,15,16. Ayrıntılı bir çalışma ihtiyacını vurgulayarak bir ağdaki büyük ve birbirine bağlı beyin, göz-el motor koordinasyon bağlıdır. Bir el-göz koordinasyonu değerlendirme çift objektif kayýtlarý içeren bilişsel ve motor fonksiyonu sağlıklı kontrol ve beyin hasarı, öyküsü olan konular böylece içgörü sağlamak da dahil olmak üzere birden fazla nüfus tahlil için bir fırsat sağlar Serebral devresi ve işlev3.

Saccades balistik olmakla birlikte genlik göreve bağlı olarak değişebilir taşımaları gerekir, çalışmalar sırasında görsel destekli eylem17,18,19, saccade ve el hareketi arasındaki bağımlılıkları göstermiştir 20. aslında, son deneyler kontrol sistemleri her iki hareketleri için planlama kaynakları21,22paylaşmak göstermiştir. Göz-el koordinasyonu için merkezi planlama motorlu posterior parietal korteks içinde yatıyor. Bir darbede motor kontrolü iyi bilinen açıkları vardır; Hemiparezi Hastalarında verilen sinirsel komutları bir dizi görsel destekli el hareketleri yapmak istedi, (kontralateral) ya da daha fazla kullanarak etkilenen veya daha az (Ipsilateral) Ekstremite23 etkilenen yanlış predictions oluşturmak gösterilmiştir ,24,25,26,27,28,29. Ayrıca, göz-el koordinasyonu ve ilgili motor kontrol programları nörolojik yaralanmaları, ilişkiler, geçici ve dağınık şekilde, effectors30ayırımı takip hakaret yatkındır. Göz ve el denetimin objektif kayıtları incoordination veya derece koordinasyon bozukluğu karakterize için olağanüstü vardır ve göz-el motor kontrol mekanizması işlevsel bir bağlamda bilimsel anlayış geliştirir.

Olmasına rağmen birçok çalışma el-göz koordinasyon sağlıklı kontrol17,31,32,33,34, bizim grup alanını nörolojik yaralanma, bizim ayarı tarafından için gelişmiş bir Kontur devresi değerlendirme sırasında örneği, el hareketleri, kez görsel olarak görüntülenen kayma hedefleri doğrultusunda zamansal ve mekansal organizasyonu araştırdık. Objektif karakterizasyonu göz ve el genişletmiştir çalışmaları neredeyse sadece performans kapasitesi her iki effectors sonrası inme kayıt veya patolojik ayarlarında odaklı olması; açıklanan Protokolü güçlü karakterizasyonu oküler ve manuel motor kontrol Kısıtlamasız ve doğal hareketleri sağlar. Burada biz bir soruşturma görsel olarak güdümlü ulaşmak için saccade hareketlerin kronik orta serebral arter (MCA) kontur sağlıklı kontrol göre olan bireylerde tekniğini tanımlamak. Ulaşmak ve saccade aynı anda kayıt için eş zamanlı göz ve el hareket takibi istihdam.

Protocol

1. katılımcı Denetim katılımcılar nörolojik disfonksiyon, önemli göz yaralanması, önemli depresyon, büyük sakatlık ve/veya elektrik implantlar bir geçmişi olmayan 18 yaşından büyük işe. Beyin hasarı orta serebral arter (MCA) dağıtım öyküsü olan 18 yaşındaki Fugl-Meyer ölçeği tamamlamak, bir dizi göz hareketleri35,36korumak, sahip yeteneği daha inme katılımcıların büyük işe yeteneği işaret gerçekleş…

Representative Results

Otuz katılımcıların araştırma çalışmada katıldı. Denetim kohort 17 katılımcılar ve kontur kohort 13 katılımcılar vardı. Onların veri çözümleme dışı bırakıldı böylece iki katılımcı bütün deneyin bitiremedim. Demografi ve soru formu Değerlendirmeler Tablo 1 temsilcisi kontur kohort klinik ve demografik …

Discussion

Göz ve el için objektif göz-el motor sistemleri özellikleri keşfetmek bir farklı yaklaşımlar içeren etkinleştirme araştırma çalışmaları hız kazandı kullanılabilir araç takip sistemleri yaklaşımı temel bir görev için günlük aktivitelere kayıt- el-göz koordinasyonu. Birçok doğal eylem bağımlı görevleri görsel olarak yönlendirilir ve vizyon birincil duyusal girdi olarak bağlıdır. Bakışları hangi anahtar kayma hedefleri Merkezi görme nokta oküler motor komutları aracılığıyla …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr. Tamara Bushnik ve NYULMC Rusk araştırma ekibi onların düşünce, öneri ve katkıları için teşekkür etmek istiyorum. Bu araştırma 5 K 12 HD001097 (J-RR, MSL ve PR) tarafından desteklenmiştir.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Leigh, R. J., Kennard, C. Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences. Brain. 127 (3), 460-477 (2004).
  3. White, O. B., Fielding, J. . Cognition and eye movements: assessment of cerebral dysfunction. , (2012).
  4. Anderson, T. Could saccadic function be a useful marker of stroke recovery?. Journal Neurology Neurosurgery Psychiatry. 84 (3), 242 (2013).
  5. 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).
  6. Abend, W., Bizzi, E., Morasso, P. Human arm trajectory formation. Brain. 105 (Pt 2), 331-348 (1982).
  7. 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).
  8. Eggert, T. Eye movement recordings: methods. In Neuro-Ophthalmology. 40, 15-34 (2007).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Yee, R. D., et al. Velocities of vertical saccades with different eye movement recording methods. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 26 (7), 938-944 (1985).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Neggers, S. F., Bekkering, H. Coordinated control of eye and hand movements in dynamic reaching. Human Movement Science. 21 (3), 349-376 (2002).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Wenzelburger, R., et al. Hand coordination following capsular stroke. Brain. 128 (Pt 1), 64-74 (2005).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Johansson, R. S., Westling, G., Backstrom, A., Flanagan, J. R. Eye-hand coordination in object manipulation. Journal of Neuroscience. 21 (17), 6917-6932 (2001).
  33. Belardinelli, A., Herbort, O., Butz, M. V. Goal-oriented gaze strategies afforded by object interaction. Vision Research. 106, 47-57 (2015).
  34. Brouwer, A. M., Franz, V. H., Gegenfurtner, K. R. Differences in fixations between grasping and viewing objects. Journal of Vision. 9 (1), (2009).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Kalloniatis, M., Luu, C. . Visual acuity. , (2007).
  41. Brenton, R. S., Phelps, C. D. The normal visual field on the Humphrey field analyzer. Ophthalmologica. 193, 56-74 (1986).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. 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).
  52. Heitger, M. H., et al. Eye movement and visuomotor arm movement deficits following mild closed head injury. Brain. 127 (Pt 3), 575-590 (2004).
  53. 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).
  54. 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).
  55. 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).
  56. 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).
  57. 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).
  58. 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).
  59. Carrasco, M., Clady, X. Prediction of user’s grasping intentions based on eye-hand coordination. IEEE/RSJ International Conference. , 4631-4637 (2010).
  60. 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).
  61. 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).

Tags

Eye-hand CoordinationIncoordinationEye MovementsVisual GuidanceSaccadeReach TasksMiddle Cerebral Artery StrokeMotor ControlBiomarkerExperimental ProcedureSmooth PursuitSaccadesConvergenceDivergence

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Rizzo, J., Beheshti, M., Fung, J., Rucker, J. C., Hudson, T. E. Efficiently Recording the Eye-Hand Coordination to Incoordination Spectrum. J. Vis. Exp. (145), e58885, doi:10.3791/58885 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image