Koordynacja oko-ręka - Eye–hand coordination

Koordynacja ręka-oko (znana również jako koordynacja oko-ręka ) to skoordynowana kontrola ruchu oczu z ruchem ręki i przetwarzaniem bodźców wzrokowych w celu kierowania sięganiem i chwytaniem wraz z wykorzystaniem propriocepcji rąk do kierowania oczami. Koordynację wzrokowo-ruchową badano w czynnościach tak różnorodnych, jak ruch stałych obiektów, takich jak drewniane klocki, łucznictwo, występy sportowe, czytanie muzyki , gry komputerowe, pisanie na maszynie, a nawet robienie herbaty. Jest częścią mechanizmów wykonywania codziennych zadań; pod jego nieobecność większość ludzi nie byłaby w stanie wykonać nawet najprostszych czynności, takich jak podniesienie książki ze stołu lub granie w grę wideo. Chociaż określa się ją terminem koordynacja ręka-oko , bez wyjątku źródła medyczne i większość źródeł psychologicznych odnoszą się do koordynacji oko-ręka .

Ewolucja

Hipoteza oko–przednia kończyna

Hipoteza oko-przednia kończyna (EF) sugeruje, że układ wzrokowy naczelnych zmieniał się równolegle ze specjalizacją ręki poprzez wspólny mechanizm ewolucyjny. Ostatecznym rezultatem stało się dokładne postrzeganie głębokości, szybkość i precyzja chwytania dłoni.

Dlaczego naczelne mają oczy skierowane do przodu i dlaczego nieskrzyżowane nerwy z oczu?

Dlaczego wszystkie naczelne, w tym ludzie, mają oczy skierowane prosto przed siebie? I dlaczego naczelne mają skrzyżowanie wzrokowe (OC), którego prawie połowa (45 procent) składa się z nieskrzyżowanych nerwów? Tradycyjna idea jest taka, że ​​takie widzenie łączy się z wysokiej jakości lornetką, aby promować głębokie widzenie. Jednak artykuł przeglądowy w Brain, Behavior and Evolution przedstawia nową „hipotezę oko-przednia kończyna” (hipoteza EF), która sugeruje, że architektura neuronowa układu wzrokowego naczelnych ewoluowała w zupełnie innym celu. Hipoteza EF postuluje, że posiadanie krótkich ścieżek nerwowych między obszarami mózgu, które odbierają wizualne informacje o ręce, a jądrami ruchowymi kontrolującymi koordynację ręki, ma selektywną wartość. Istotą hipotezy EF jest to, że ewolucyjna transformacja w OC wpłynie na długość tych ścieżek neuronowych.

Sposobem na sprawdzenie hipotezy jest porównanie precyzji i szybkości, powiedzmy, lewej ręki podczas wykonywania zadań odpowiednio w lewym i prawym polu widzenia. Przeprowadzono kilka takich eksperymentów. Chociaż nie zostały one wykonane przede wszystkim w celu przetestowania hipotezy EF, wyniki są wyraźnie zgodne z hipotezą: większa precyzja i szybkość, o ile ręka pracuje w ipsilateralnym polu widzenia. Berlucchi i wsp. uważają, że reakcje dłoni na bodźce wzrokowe prezentowane w ipsilateralnym polu widzenia są zintegrowane z przeciwstronną półkulą, co skutkuje mniejszą liczbą synaps dla przechodzenia sygnałów, co skutkuje szybszymi zdolnościami motorycznymi niż w przypadku bodźców wzrokowych prezentowanych przeciw- bocznie.

Naczelne umiejętnie posługują się rękami pod nadzorem oka

Naczelne i koty umiejętnie posługują się przednimi kończynami pod nadzorem oka. Naczelne i kotowate (kot) mają wysoki odsetek ipsilateralnych wyrostków siatkówkowych (IRP) (45% i 30% IRP). Fakt, że krokodyle, większość ptaków i ryb nie ma IRP, jest również uwzględniony w hipotezie śladu środowiskowego. Ze względów anatomicznych/funkcjonalnych krokodyle, ptaki i ryby w niewielkim stopniu wykorzystują przednią kończynę w swojej przestrzeni czołowej. Afrykańska żaba szponiasta Xenopus laevis przekroczyła tylko wyrostki przed metamorfozą, następnie rozwija widzenie obuoczne i kończyny przednie z pazurami. Xenopus laevis używa pazurów, gdy łapie zdobycz znajdującą się przed żabą. Delfinom brakuje IRP, co jest zgodne z hipotezą, ponieważ przednia kończyna delfina (płetwa piersiowa) jest używana tylko bocznie. Wśród torbaczy wysoki udział IRP mają trzy gatunki drzew pnące. Vombater (Vombatidae) ma bardzo mało IRP, co jest zgodne z hipotezą EF, ponieważ jest roślinożercą lądowym. Ten rodzaj żerowania zmniejsza potrzebę doskonałej kontroli wizualnej przodostopia. Pozostałe torbacze mieszczą się między tymi skrajnościami.

Hipoteza EF oferuje nowe perspektywy ewolucji człowieka. Cechą charakterystyczną dla naczelnych jest prawidłowa kontrola wzroku za pomocą ręki. Dowody kopalne sugerują, że pierwsze rzeczywiste naczelne pojawiły się około 55 milionów lat temu. Nawet wtedy ręka wydaje się być wyspecjalizowana w chwytaniu. Wcześni przodkowie naczelnych mogli wykształcić ten szczególny chwyt, aby uzyskać i jeść kwiaty, nektar i liście w dystalnych gałęziach drzew. Bloch i Boyer twierdzą, że zdolność chwytania dłoni ewoluowała przed wizualną specjalizacją naczelnych. Przeciwnie, hipoteza EF wskazuje, że system widzenia naczelnych ewoluował równolegle ze specjalizacją ręki poprzez wspólny mechanizm ewolucyjny. W zasadzie wzrost IRP ma selektywną wartość u zwierząt, które regularnie wykorzystują przednią kończynę w przednim polu widzenia.

Zachowanie i kinematyka

Neuronaukowcy szeroko badali zachowanie ludzkiego spojrzenia, a badania wykazały, że użycie spojrzenia jest bardzo specyficzne dla zadania, ale ludzie zazwyczaj wykazują proaktywną kontrolę, aby kierować swoim ruchem. Zazwyczaj oczy skupiają się na celu, zanim ręce zostaną użyte do wykonania ruchu, co wskazuje, że oczy dostarczają informacji przestrzennej dla dłoni. Czas, w którym oczy wydają się być zablokowane na celu dla ruchu ręki, jest różny – czasami oczy pozostają nieruchome, dopóki zadanie nie zostanie zakończone. Innym razem oczy wydają się wędrować w kierunku innych interesujących obiektów, zanim ręka nawet je złapie i manipuluje.

Ruch dłoni sterowany wzrokiem

Kiedy oczy i ręce są używane do podstawowych ćwiczeń, oczy na ogół kierują ruch rąk na cele. Co więcej, oczy dostarczają wstępnych informacji o obiekcie, w tym jego wielkości, kształtu i ewentualnie miejsc chwytania, które są wykorzystywane do określenia siły, jaką muszą wywierać opuszki palców, aby wykonać zadanie.

W przypadku zadań sekwencyjnych ruch wzroku występuje podczas ważnych wydarzeń kinematycznych, takich jak zmiana kierunku ruchu lub przechodzenie przez postrzegane punkty orientacyjne. Wiąże się to z zadaniowym charakterem oczu i ich związkiem z planowaniem ruchu rąk oraz błędami między sygnałami ruchowymi a konsekwencjami postrzeganymi przez oczy i inne zmysły, które mogą być wykorzystane do ruchu korekcyjnego. Oczy mają tendencję do „refiksacji” na celu w celu odświeżenia pamięci o jego kształcie lub aktualizacji o zmiany w jego kształcie lub geometrii w zadaniach rysowania, które wiążą się z powiązaniem wizualnych danych wejściowych i ruchu rąk w celu stworzenia kopii tego, co zostało postrzegane. W zadaniach o wysokiej dokładności, gdy oddziałujesz na większą ilość bodźców wzrokowych, czas potrzebny na zaplanowanie i wykonanie ruchu wzrasta liniowo, zgodnie z prawem Fittsa .

Sakkady prowadzone ręcznie

Ludzie wykazali się umiejętnością celowania ruchu oczu w kierunku ręki bez widzenia, wykorzystując zmysł propriocepcji , z niewielkimi błędami związanymi z wewnętrzną wiedzą o pozycji kończyny. Wykazano, że propriocepcja kończyn, zarówno w ruchu aktywnym, jak i biernym, skutkuje przeskokami sakkadowymi, gdy do kierowania ruchem gałek ocznych używa się rąk. Te przekroczenia wynikają raczej z kontroli sakad oczu niż z wcześniejszych ruchów rąk w eksperymentach. Oznacza to, że propriocepcja oparta na kończynach może zostać przekształcona we współrzędne ruchowo-oczne, aby kierować ruchami sakadowymi oczu, co pozwala na prowadzenie ruchów sakadowych rękami i stopami.

Mechanizmy neuronowe

Neuronowa kontrola koordynacji ręka-oko jest złożona, ponieważ obejmuje każdą część ośrodkowego układu nerwowego zaangażowaną w widzenie: ruchy oczu, dotyk i kontrolę dłoni. Obejmuje to same oczy, korę mózgową , struktury podkorowe (takie jak móżdżek , zwoje podstawy mózgu i pień mózgu ), rdzeń kręgowy i obwodowy układ nerwowy . Inne obszary zaangażowane w koordynację oko-ręka, które były najintensywniej badane, to obszary kory czołowej i ciemieniowej służące do kontroli sakad wzrokowych i sięgania do rąk. Uważa się, że oba te obszary odgrywają kluczową rolę w koordynacji oko-ręka i planowaniu ruchów podczas wykonywania zadań.

Uważa się, że bardziej specyficzny obszar, połączenie ciemieniowo- potyliczne , jest zaangażowany w transformację obwodowego sygnału wzrokowego w celu sięgania rękami, co stwierdzono za pomocą fMRI . Ten region w szczególności ma podpodziały na zasięg, chwyt i sakkady. Uważa się, że oprócz połączenia ciemieniowo-potylicznego tylna kora ciemieniowa odgrywa ważną rolę w powiązaniu propriocepcji i transformacji bodźców motorycznych w planowaniu i kontrolowaniu ruchu w odniesieniu do bodźców wzrokowych.

Wiele z tych obszarów, oprócz kontrolowania ruchów sakadowych lub sięgania, pokazuje również sygnały pozycji oka, które są wymagane do przekształcenia sygnałów wizualnych w polecenia motoryczne. Ponadto niektóre obszary zaangażowane w zasięg, takie jak przyśrodkowa kora śródciemieniowa, wykazują skoncentrowane na spojrzeniu ponowne mapowanie odpowiedzi podczas ruchów gałek ocznych zarówno u małp, jak iu ludzi. Jednakże, gdy pojedyncze neurony są rejestrowane w tych obszarach, obszary zasięgu często wykazują pewne reakcje związane z sakadą, a obszary sakadowe często wykazują pewne odpowiedzi związane z zasięgiem. Może to pomóc w koordynacji oko-ręka lub wskazywać na zdolność komórek do łączenia się ze sobą, ponieważ są one używane częściej.

Zespoły kliniczne

Stwierdzono, że liczne zaburzenia, choroby i upośledzenia powodują zakłócenia w koordynacji oko-ręka z powodu uszkodzenia samego mózgu, zwyrodnienia mózgu spowodowanego chorobą lub starzeniem się lub widoczną niezdolnością do pełnej koordynacji zmysłów.

Starzenie się

U osób starszych wykazano zaburzenia koordynacji wzrokowo-ruchowej, zwłaszcza podczas szybkich i precyzyjnych ruchów. Przypisuje się to ogólnej degeneracji kory mózgowej, co skutkuje utratą zdolności do obliczania sygnałów wizualnych i powiązania ich z ruchami rąk. Jednak, podczas gdy starsi dorośli zwykle poświęcają więcej czasu na tego rodzaju zadania, nadal są w stanie pozostać tak samo dokładni jak młodsi dorośli, ale tylko wtedy, gdy poświęci się temu dodatkowy czas.

Zespół Bálinta

Zespół Bálinta charakteryzuje się całkowitym brakiem koordynacji ręka-oko i wykazano, że występuje w izolacji od ataksji wzrokowej. Jest to rzadki stan psychiczny wynikający najczęściej z obustronnego uszkodzenia kory ciemieniowo-potylicznej górnej. Jedną z najczęstszych przyczyn są udary, ale guzy, urazy i choroba Alzheimera również mogą powodować uszkodzenia. Pacjenci z zespołem Balinta mogą cierpieć z powodu 3 głównych elementów: apraksji wzrokowej, ataksji wzrokowej i symultanagnozji. Symultanagnozja występuje wtedy, gdy pacjenci mają trudności z postrzeganiem więcej niż jednego obiektu na raz. Istnieją trzy różne podejścia do rehabilitacji. Pierwsze podejście to podejście adaptacyjne lub funkcjonalne. Obejmuje zadania funkcjonalne, które wykorzystują mocne strony i zdolności pacjenta. Drugie podejście to podejście naprawcze i polega na odbudowie uszkodzonego ośrodkowego układu nerwowego poprzez trening umiejętności percepcyjnych. Ostatnie podejście to podejście wielokontekstowe, które obejmuje ćwiczenie ukierunkowanej strategii w wielu środowiskach o zróżnicowanych zadaniach i wymaganiach ruchowych, wraz z zadaniami samoświadomości.

Apraksja optyczna

Apraksja wzrokowa to stan, który wynika z całkowitej niezdolności osoby do koordynacji ruchów oczu i rąk. Chociaż jest podobny do ataksji wzrokowej, jej skutki są poważniejsze i niekoniecznie wynikają z uszkodzenia mózgu, ale mogą wynikać z wad genetycznych lub zwyrodnienia tkanek.

Ataksja wzrokowa

Ataksja wzrokowa lub ataksja wzrokowo-ruchowa jest problemem klinicznym związanym z uszkodzeniem kory potyliczno-ciemieniowej u ludzi, skutkującym brakiem koordynacji między oczami i ręką. Może dotyczyć jednej lub obu rąk i może występować w części pola widzenia lub w całym polu widzenia. Ataksja wzrokowa jest często uważana za poważne upośledzenie koordynacji oko-ręka wynikające z kaskady niepowodzeń w przemianach czuciowo-ruchowych w tylnej korze ciemieniowej. Percepcja wzrokowa, nazywanie i czytanie są nadal możliwe, ale informacje wizualne nie mogą kierować ruchami motorycznymi rąk. Ataksja wzrokowa jest często mylona z zespołem Balinta, ale ostatnie badania wykazały, że ataksja wzrokowa może wystąpić niezależnie od zespołu Balinta. Pacjenci z ataksją wzrokową zwykle mają problemy z dotarciem do obiektów wzrokowych po stronie świata przeciwnej do strony uszkodzenia mózgu. Często problemy te dotyczą aktualnego kierunku spojrzenia i wydają się być mapowane wraz ze zmianami kierunku spojrzenia. Niektórzy pacjenci z uszkodzeniem kory ciemieniowej wykazują „dosięgnięcie magnetyczne”: problem, w którym zasięgi wydają się być przyciągane w kierunku patrzenia, nawet gdy są odchylone od pożądanego obiektu chwytu.

Choroba Parkinsona

Zaobserwowano, że dorośli z chorobą Parkinsona wykazują takie same zaburzenia jak normalne starzenie się, tylko w bardziej ekstremalnym stopniu, oprócz utraty kontroli funkcji motorycznych, jak w przypadku normalnych objawów choroby. Jest to zaburzenie ruchu i występuje, gdy dochodzi do zwyrodnienia neuronów dopaminergicznych, które łączą istotę czarną z jądrem ogoniastym. Główne objawy pacjenta to sztywność mięśni, spowolnienie ruchu, drżenie spoczynkowe i niestabilność postawy. Wykazano, że zdolność planowania i uczenia się na podstawie doświadczenia pozwala osobom dorosłym z chorobą Parkinsona na poprawę stanu zdrowia, ale tylko w warunkach, w których stosują leki zwalczające skutki choroby Parkinsona. Niektórym pacjentom podaje się L-DOPA, która jest prekursorem dopaminy. Jest w stanie przekroczyć barierę krew-mózg, a następnie jest wychwytywany przez neurony dopaminergiczne, a następnie przekształcany w dopaminę.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura