Registrar eficientemente la coordinación ojo-mano al espectro de incoordinación

Lesión cerebral puede dañar los sistemas del motor oculares y somáticos. Caracterización de la lesión posterior al control del motor permite biomarcadores que ayudan en la detección de enfermedades, monitoreo y pronóstico. Se revisa un método para medir el control de movimiento de ojo-mano en salud y patológica falta de coordinación, con paradigmas de mirar-y-alcance para evaluar la coordinación entre ojo y mano.

Resumen

El análisis objetivo de los movimientos de ojo tiene una historia importante y durante mucho tiempo ha demostrado ser una herramienta de investigación importante en la configuración de la lesión cerebral. Grabaciones cuantitativas tienen una fuerte capacidad a la pantalla de diagnóstico. Exámenes simultáneos del ojo y los movimientos de la extremidad superior dirigidos hacia objetivos funcionales compartidos (por ejemplo, coordinación ojo-mano) servir como un camino cargado de biomarcadores robusto adicional para capturar e interrogar a lesiones neurales, incluyendo daño cerebral adquirido (ABI ). Mientras que la cuantitativas grabaciones de doble unidad de efectos en 3-d permitir amplias posibilidades dentro de las investigaciones motor ocular-manual en el ajuste de ABI, la viabilidad de tales grabaciones duales de ojo y la mano es un reto en valores patológicos, particularmente Cuando se acercó con el rigor de la investigación. Aquí se describe la integración de un sistema de seguimiento con un sistema diseñado principalmente para que la investigación de control de miembro para el estudio de un comportamiento natural de seguimiento de movimiento de ojo. El protocolo permite la investigación de las tareas de coordinación ojo-mano (3D) tridimensional, sin restricciones. Más específicamente, se revisa un método para evaluar la coordinación ojo-mano en tareas visualmente guiadas de sacudida para alcanzar en sujetos con accidente cerebrovascular crónico arteria cerebral media (MCA) y compararlos con controles sanos. Se presta especial atención a las propiedades del sistema específico de seguimiento de ojo y de miembro con el fin de obtener datos de alta fidelidad de la lesión de los participantes. Frecuencia de muestreo, precisión, rango de movimiento de la cabeza permitida dado tolerancia prevista y la viabilidad del uso de varias de las propiedades críticas consideradas al seleccionar un perseguidor del ojo y un enfoque. El perseguidor de la extremidad se seleccionaron con base en una rúbrica similar pero incluye la necesidad de 3-d grabación, interacción dinámica y una huella física miniaturizada. Los datos cuantitativos por este método y el general enfoque cuando ejecuta correctamente tiene un tremendo potencial para más refinan nuestra comprensión mecanicista de control óculo-manual y ayudar a informar a posibles intervenciones diagnóstico y pragmáticas dentro de la práctica neurológica y de rehabilitación.

Introducción

Un elemento crítico de la función neurológica es coordinación ojo-mano o la integración de sistemas motor oculares y manual para la planificación y ejecución de función combinada hacia un objetivo común, por ejemplo, una mirada, alcanzar y agarrar de la televisión de control remota. Muchas tareas útiles dependen de acciones visualmente dirigidas, como alcanzar, agarrar, manipulación de objetos y herramientas, que dependen de los movimientos de ojo y mano temporal y espacial acoplados. Lesiones cerebrales adquiridas (ABI) causan trastornos funcionales del miembro, sino también la disfunción ocular; más recientemente, también hay pruebas que señalan a la disfunción de de coordinación ojo-mano¹. Programas de control de motor de coordinación ojo-mano son susceptibles a insultar en lesiones neurológicas de etiologías vasculares, traumáticas y degenerativas. Estos insultos pueden provocar una ruptura entre las relaciones indispensables para el control de motor integrado y rápido²^,³^,⁴^,⁵^,⁶. Muchos estudios sobre la motricidad manual han terminado y han aprovechado orientación visual como pilar central del paradigma sin un método o protocolo para analizar los movimientos de los ojos al mismo tiempo.

En ABI, déficits motor visibles a menudo se detectan durante el examen clínico de cabecera. Sin embargo, deficiencias motoras oculares concurrentes y complejos problemas que implica la integración de los sistemas sensoriales y motor pueden ser subclínica y requieren de grabación objetivo sea identificado⁷^,⁸^,⁹^, ¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. Coordinación motora ocular manual depende de una red cerebral grande e interconectada, resaltando la necesidad de un estudio detallado. Una evaluación de coordinación ojo-mano con grabaciones de objetivo duales ofrece la oportunidad de análisis función cognitiva y motor en varias poblaciones, incluyendo controles sanos y sujetos con antecedentes de lesión cerebral, proporcionando así una visión cerebral circuito y función³.

Mientras que los movimientos sacádicos son balísticos necesitan de movimientos que pueden variar en amplitud dependiendo de la tarea, los estudios han demostrado las dependencias entre movimiento saccade y de la mano durante acción visualmente guiada¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^, ²⁰. de hecho, experimentos recientes han demostrado que los sistemas de control para ambos movimientos comparten planificación recursos²¹^,²². El motor de planificación de centro de coordinación ojo-mano se encuentra en la corteza parietal posterior. En un golpe, hay conocidos déficits en el control del motor; han demostrado los pacientes hemiparéticos para generar predicciones inexactas dadas un conjunto de comandos neurales, cuando le pide que realice movimientos de la mano guiada visualmente, utilizando ya sea el más afectado (contralateral) o menos afectadas del miembro (ipsolateral)²³ ^,²⁴^,²⁵^,²⁶^,²⁷^,²⁸^,²⁹. Además, coordinación ojo-mano y programas relacionados con el control del motor son susceptibles a insultar después de lesiones neurológicas, las relaciones, la disociación temporal y espacial, entre efectores³⁰. Objetivo de control de ojo y mano son fundamentales para caracterizar la incoordinación o grado de deficiencia de coordinación y mejora la comprensión científica del mecanismo de control motor de la ojo-mano en un contexto funcional.

Aunque hay muchos estudios de coordinación ojo-mano en controles sanos³¹^,de¹⁷^,³²^,³³^,³⁴, nuestro grupo ha avanzado el campo por nuestra configuración de lesión neurológica, de ejemplo durante la evaluación de los circuitos de movimiento, han investigado la organización espacial y temporal de los movimientos de la mano, a menudo en respuesta a objetivos espaciales mostrados visualmente. Estudios que se han expandido la caracterización objetiva al ojo y la mano se han centrado casi exclusivamente en la capacidad de rendimiento para grabar que ambos efectores del post- movimiento o en contextos patológicos; el protocolo descrito permite caracterización robusto de control motor ocular y manual en los movimientos espontáneos y naturales. Aquí describimos la técnica en una investigación de los movimientos de sacudida para alcanzar visualmente guiada en sujetos con accidente cerebrovascular crónico arteria cerebral media (MCA) en comparación con controles sanos. Para la grabación simultánea de sacudida y alcance, empleamos ojo concurrente y seguimiento de movimiento de mano.

Protocolo

1. participante

Reclutar a los participantes de control mayores de 18 años, sin antecedentes de disfunción neurológica, lesiones oculares importantes, depresión significativa, mayor discapacidad o implantes eléctricos.
Reclutar los participantes del movimiento mayores de 18 años, con antecedentes de lesión cerebral en la distribución de la arteria cerebral media (MCA), tienen la capacidad de completar la escala de Fugl-Meyer, mantener una gama completa de movimientos de ojo³⁵^,³⁶, tienen la capacidad de realizar señalando las tareas y sin la historia de la disfunción neurológica adicional, comorbilidad de salud ocular significativa, depresión significativa, mayor discapacidad o implantes eléctricos.
Pida a los participantes a firmar un formulario de consentimiento aprobado por Facultad de medicina el institucional Informe Junta de New York University.
Investigación participante (para los criterios de exclusión detallados, véase Rizzo et al³⁷)
1. Historia y realizar exámenes clínicos como se explica a continuación.
  1. Evaluar el estado cognitivo de los participantes con el Mini examen del Estado Mental (MMSE)³⁸.
  2. Realizar exploración neurológica.
  3. Examinar los músculos extraoculares y movimientos del ojo.
    1. Pida a los participantes a seguir el dedo del investigador con los ojos, manteniendo su cabeza en una posición. Dibujar una letra H imaginaria delante de ellos y asegúrese de que su dedo se mueve lo suficientemente lejos hacia fuera y hacia arriba/abajo, evaluación de centro, arriba, abajo, izquierda, derecha, abajo/izquierda, abajo/derecha, arriba/izquierda y arriba/derecha.
    2. Pida a los participantes a seguir y mantener la mirada en un objeto que se movió lentamente a través de su campo visual para evaluar búsqueda lisa. Cubrir una distancia de aproximadamente 24 pulgadas y utilizando un lápiz como un objetivo, barrer hacia adelante y hacia atrás lentamente en dirección horizontal y vertical, repitiendo tres veces cada uno.
    3. Pida a los participantes a buscar tan rápido como sea posible entre los 2 objetivos que son 24 pulgadas de distancia para evaluar los movimientos sacádicos. Utilice un lápiz y una pluma como objetivos y dirigir la mirada a los objetivos en una parte posteriora y adelante manera tres veces horizontalmente y verticalmente.
    4. Pida a los participantes a fijar sobre un objeto mientras se mueve lentamente hacia a sus ojos para evaluar la convergencia, centrado el objetivo, un lápiz, en el puente de su nariz. Siguiendo este procedimiento, repetir la prueba por que el destino mismo de la nariz hacia la posición inicial (divergencia).
    5. Pida al paciente que cubra un ojo y mirar la nariz de los investigadores. Mover la mano fuera del campo visual del paciente y luego traerlo, wag el dedo lentamente y pida al paciente que deje que el investigador sabe cuándo la mano vuelve a la vista, repita esto para la parte superior izquierda, superior derecha, inferior izquierda e inferiores derecha cuadrantes.
      Nota: Cuando el paciente cubre su ojo derecho, cubra el ojo izquierdo y viceversa.
  4. Evaluar el deterioro visual por una prueba de integración visual-motor.
  5. Evaluar la agudeza visual de Snellen tabla³⁹^,⁴⁰.
  6. Evaluar el campo visual con confrontación y si en la pregunta, realizar Goldman o Humphrey campo visual prueba⁴¹^,⁴².
  7. Evaluar la negligencia hemi-espacial mediante la prueba de bisección de línea y la cancelación de la carta única de prueba⁴³.
  8. Cuantificar la magnitud de la discapacidad mediante artículo 25 Nacional Eye Institute Visual funcionamiento cuestionario (NEI-VFQ-25) y de encuesta suplemento 10-artículo⁴⁴.

2. preparación para el experimento y la configuración física del equipo

Equipo:
1. Elegir un rastreador de ojos
  1. Elegir un perseguidor del ojo que es capaz de uso montado en la cabeza (para evitar interferencias con los movimientos de alcance basado en el escritorio) (≤0. 1^o) de alta resolución espacial y resolución temporal alta (≥250 Hz).
  2. Registrar el movimiento ocular binocular con el rastreador de ojos a una velocidad de muestreo de 250 Hz (posición del ojo muestreo cada 4 ms) seguimiento de pupila y reflejo corneal.
2. Elija de un rastreador de extremidad
  1. Elegir un rastreador de extremidades que puede el movimiento en x, y, z posición, precisión de 0,08 cm ³, ³ de latencia de 3,5 ms.
3. Elegir un ordenador portátil capaz de ejecutar un script personalizado que controla en tiempo real integración de los datos adquirido de los dos sistemas y co registrar las señales en tiempo real (Tabla de materiales).
4. Elegir a un monitor de pantalla capaz de integrar con el portátil solicitado y que sea lo suficientemente grande como para apoyar la correspondencia uno a uno entre el monitor y espacio alcance mesa
5. Definir un rectángulo idéntico en tamaño al monitor sobre una superficie de la mesa entre el participante y el monitor, para usar como un espacio de alcance funcional para el trabajo experimental.
Tiempo de preparación:
1. Crear una tabla con la silla de altura ajustable.
2. Coloque a un monitor de pantalla 40 cm desde el borde más lejano de la tabla (Tabla de materiales).
3. Coloque una tabla de mesa (llegar a la superficie) con la dimensión de la relación de 1-1 con el monitor.
4. Configurar el rastreador miembro montando la fuente electromagnética debajo de la mesa (Tabla de materiales).
5. Configurar el rastreador de ojos, host PC (Tabla de materiales).
  1. Coloque cuatro iluminadores infrarrojos de (IR) a las cuatro esquinas del monitor con correas.
  2. Establecer las configuraciones de perseguidor del ojo pantalla de opciones de configuración de seguimiento de ojo.
    1. Seleccione calibración de 13 puntos de la configuración preestablecida de la perseguidor del ojo.
    2. Seleccionar la sensibilidad alta sacada para detectar pequeños sacada.
    3. Seleccione el modo alumno-CR para registrar alumnos y córnea.
    4. Seleccione una frecuencia de muestreo de 250 Hz.
Preparación física participante
1. Participantes de asiento en una silla de altura ajustable a la mesa con la pantalla del ordenador.
2. La posición del participante 60 cm de distancia del monitor de pantalla (tabla de materiales).
3. Fijar el sensor de movimiento (tabla de materiales) al aspecto distal del dedo índice de la mano del para ser probado brazo (brazos dominantes para los controles y ambos brazos en los pacientes con accidente cerebrovascular)
4. Coloque el rastreador de ojos en cabeza de los participantes y ajustar la diadema y cámaras (Tabla de materiales).
  1. Ajuste la diadema
    1. Ajustar la tensión y posición de la diadema (usando las perillas de la diadema) para que la almohadilla delantera está en el centro de la frente y las almohadillas laterales por encima de orejas del participante.
    2. Asegúrese de que la cámara de la venda está en el centro de la frente y sobre el puente de la nariz.
    3. Pida a los participantes para elevar las cejas y si la cinta se mueve, vuelva a instalarlo de mayor o menor en la frente.
  2. Ajustar la cámara y la posición de la córnea iluminador. Pida a los participantes a mirar el monitor.
    1. Desde la pantalla de la cámara, seleccione la imagen de la cámara principal, asegúrese de que muestra cuatro grandes manchas de los marcadores IR que están situados en el centro de la imagen principal. Si no están en el centro, ajustar por consiguiente.
    2. En la pantalla de configuración de cámara, seleccione un ojo en el momento. Ajustar el ojo dos cámaras bajando y levantando la cámara ojo manejar hasta la pupila del ojo está en el centro de la imagen de la cámara
    3. Enfoque la cámara ojo girando el portaobjetivo.
    4. Ajuste el umbral del alumno presionando el botón Auto Threshold en la pantalla de configuración de la cámara.
    5. Realizar el mismo ajuste para el otro ojo.
Calibración
1. Calibrar el tracker de la extremidad de salida para llegar a la superficie mediante una calibración de 9 puntos, pedir al participante que coloque su dedo atado de sensor al llegar a la superficie (mesa) ubicaciones que se muestra en la pantalla del monitor.
2. Calibrar el rastreador de ojos, pida a los participantes a mirar el blanco de calibración que aparece como un punto azul y mantener fijación hasta el punto siguiente aparece en la pantalla
  Nota: Los objetivos de calibración aparecen en 13 posiciones seleccionadas al azar en la pantalla
3. Calibrar el perseguidor del ojo por lo menos dos veces por sesión, una primera al inicio del experimento y en su punto medio.

3. experimento

Pida a los participantes pasar su dedo a la posición inicial, que abarca el círculo start en la pantalla con el punto del dedo indicador (punto rojo), mientras que la fijación (ojo) la posición de inicio en la pantalla.
Nota: La posición de inicio es una ubicación correspondiente de la muestra de punto (punto azul) de fijación en el centro de la pantalla (Figura 1a). La posición del dedo se representa como punto de radio rojo de 4 mm en la pantalla.
Requieren los participantes mantener la posición del dedo en el círculo de inicio de 150 ms hasta que aparezca el objetivo.
Asegúrese de que los participantes para fijar la posición de inicio hasta que oiga un pitido "(beep ir del). (Figura 1)
Nota: La duración entre objetivo aspecto y la señal ir es al azar entre 250 a 750 ms para evitar la anticipación de la señal ir.
Instruir a los participantes hacia sus ojos y la punta de los dedos con rapidez y precisión el objetivo designado como oyen el pitido (figura 1)
1. Objetivo designado aparece círculo de radio blanca de 1 cm
Encomendamos a los participantes tocar la mesa ubicación en la posición de la blanco virtual que aparece en la pantalla levantando la mano y el dedo y volver a conectar la punta de los dedos y el tablero de la mesa
1. Asegúrese de que los participantes hacen un movimiento punteagudo por levantar la mano y del dedo en lugar de arrastrar la mano y el dedo sobre la mesa.
2. Mostrar la ubicación final del alcance como un punto rojo, siguiente llegar a completar.
3. Determinar alcance terminación por una combinación de baja velocidad (< 5% máximo) y 3 mm plano z umbral.
Pida a los participantes a realizar una serie de ensayos de familiarización antes de comenzar la adquisición de datos.
Inicio de adquisición de datos después de que los participantes tocaron 5 de los últimos 10 objetivos con éxito.
Pida a los participantes a realizar una serie de aspecto y llegar a los ensayos como fueron instruidos durante pruebas de familiarización.
1. Que los participantes realizan un total de 76 juicios.
Que los participantes control lleve a cabo el experimento con su mano dominante.
Siempre que sea posible, que los participantes con el movimiento de realizar el experimento con ambas manos, más afectados y menos afectados.
Los participantes completan todo el experimento con al menos una mano.

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Figura 1. Vista esquemática de la configuración y el experimento. (a) representación esquemática del monitor de exhibición y llegar a la superficie durante un juicio. (b) la secuencia de acciones a distancia guiados visualmente. Primera fijación (F) aparece. El destino (T) aparece después de un periodo aleatorio de tiempo. La señal de 'ir' ocurre como auditivo sonido de pitido (representado por la barra vertical gris claro) después de un siguiente intervalo (offset simultánea de F) de tiempo impredecible por aspecto de destino. Mano (H) y los movimientos del ojo (E) siguen la señal de ir. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Resultados

Treinta participantes participaron en el estudio de investigación. Hubo 17 participantes en la cohorte de control y 13 participantes en la cohorte de la carrera. Dos participantes no pudieran terminar el experimento entero, por lo que sus datos fueron excluidos del análisis.

Demografía y cuestionario de evaluación

La tabla 1 muestr...

Discusión

La llegada de ojo y mano, sistemas de seguimiento como herramientas para explorar objetivamente las características de los sistemas motor ocular-manual ha acelerado estudios de investigación, lo que permite una matizada grabación acercamiento para una tarea esencial en las actividades cotidianas, coordinación ojo-mano. Muchas de las tareas de dependiente de la acción naturales son guiados visualmente y dependen de la visión como una entrada sensorial primaria. La mirada está programada a través de comandos motor ...

Divulgaciones

Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pueda interpretarse como un potencial conflicto de interés.

Agradecimientos

Nos gustaría agradecer al Dr. Tamara Bushnik y el equipo de investigación de Rusk NYULMC sus pensamientos, sugerencias y contribuciones. Esta investigación fue apoyada por 5K 12 HD001097 (J-RR, MSL y PR).

Materiales

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

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