Зрительно-ручная координация - Eye–hand coordination

Зрительно-моторная координация (также известная как координация глаз и рук ) - это скоординированное управление движением глаз с движением руки и обработка визуальных входных данных для управления достижением и хватанием вместе с использованием проприоцепции рук для направления глаз. Координация глаз и руки изучалась в таких разнообразных видах деятельности, как движение твердых предметов, таких как деревянные блоки, стрельба из лука, спортивные выступления, чтение нот , компьютерные игры, набор текста и даже приготовление чая. Это часть механизмов выполнения повседневных задач; в его отсутствие большинство людей не смогли бы выполнять даже простейшие действия, такие как брать книгу со стола или играть в видеоигры. Хотя это признается термином зрительно-моторная координация , все без исключения медицинские источники и большинство психологических источников относятся к зрительно-моторной координации .

Эволюция

Гипотеза глаз и передних конечностей

Гипотеза глаз-передняя конечность (EF) предполагает, что зрительная система приматов изменялась параллельно со специализацией руки посредством общего эволюционного механизма. Конечным результатом стало точное восприятие глубины, скорость и точность руки при захвате.

Почему у приматов глаза направлены вперед и почему от глаз не перекрещиваются нервы?

Почему у всех приматов, включая человека, глаза устремлены прямо вперед? И почему у приматов есть перекрест зрительных нервов (ОК), при котором почти половина (45 процентов) состоит из неперекрещенных нервов? Традиционно считается, что такое зрение в сочетании с полноценной бинокулярностью способствует глубокому зрению. Однако в обзорной статье в журнале Brain, Behavior and Evolution представлена ​​новая «гипотеза глаза и передних конечностей» (гипотеза EF), которая предполагает, что нейронная архитектура зрительной системы приматов развивалась с совершенно другой целью. Гипотеза EF постулирует, что избирательное значение имеет короткие нейронные пути между областями мозга, которые получают визуальную информацию о руке, и двигательными ядрами, контролирующими координацию руки. Суть гипотезы EF заключается в том, что эволюционная трансформация ОК будет влиять на длину этих нервных путей.

Способ проверки гипотезы - это сравнение точности и скорости, скажем, левой руки при выполнении задач в левом и правом поле зрения соответственно. Было проведено несколько таких экспериментов. Хотя они не были сделаны в первую очередь для проверки гипотезы EF, результаты явно соответствуют гипотезе: более высокая точность и скорость, пока рука работает в ипсилатеральном поле зрения. Berlucchi и др. Полагают, что реакции руки на зрительные стимулы, представленные в ипсилатеральном поле зрения, интегрированы в контралатеральное полушарие, что приводит к меньшему количеству синапсов для прохождения сигналов, что приводит к более быстрой моторике, чем при визуальных стимулах, предъявляемых противодействующим. сбоку.

Приматы умело владеют руками под присмотром глаз

Приматы и кошки умело используют передние конечности под присмотром глаза. Приматы и представители семейства кошачьих (кошки) имеют высокую долю ипсилатеральных проекций сетчатки (IRP) (45% соответственно 30% IRP). Тот факт, что у крокодилов, большинства птиц и рыб отсутствует IRP, также согласуется с гипотезой EF. По анатомическим / функциональным причинам крокодилы, птицы и рыбы мало используют переднюю конечность во фронтальном пространстве. Африканская когтистая лягушка Xenopus laevis до метаморфоза имела только скрещенные выступы, после чего у нее развиваются бинокулярное зрение и передние конечности с когтями. Xenopus laevis использует свои когти, когда ловит добычу, находящуюся перед лягушкой. У дельфинов отсутствует IRP, что согласуется с гипотезой, поскольку передняя конечность дельфина (грудной плавник) используется только сбоку. Среди сумчатых три вида лазающих по деревьям имеют высокую долю IRP. Vombater (Vombatidae) имеет очень мало IRP, что соответствует гипотезе EF, поскольку это наземное травоядное животное. Такой вид добычи снижает потребность в отличном визуальном контроле переднего отдела стопы. Остальные сумчатые попадают между этими крайностями.

Гипотеза EF предлагает новые взгляды на эволюцию человека. Умелое управление глазами - типичная черта приматов. Ископаемые остатки предполагают, что первые настоящие приматы появились около 55 миллионов лет назад. Даже тогда рука, похоже, была специализирована для захвата. Ранние предки приматы, возможно, развили эту особую хватку, чтобы извлекать и есть цветы, нектар и листья на дистальных ветвях деревьев. Блох и Бойер утверждают, что способность захвата рук эволюционировала до визуальной специализации приматов. Гипотеза EF, напротив, указывает на то, что система зрения приматов развивалась параллельно со специализацией руки через общий эволюционный механизм. В принципе, увеличение IRP имеет избирательное значение для животных, которые регулярно используют переднюю конечность во фронтальном поле зрения.

Поведение и кинематика

Нейробиологи широко исследовали поведение взгляда человека, при этом исследования показали, что использование взгляда очень зависит от задачи, но люди обычно демонстрируют упреждающий контроль, чтобы направлять свои движения. Обычно глаза фиксируются на цели до того, как руки используются для движения, что указывает на то, что глаза предоставляют пространственную информацию для рук. Время, в течение которого глаза, кажется, прикованы к цели для движения руки, различается - иногда глаза остаются зафиксированными до тех пор, пока задача не будет завершена. В других случаях кажется, что глаза ищут другие интересные объекты еще до того, как рука схватит объект и начнет манипулировать им.

Движение руки под контролем глаз

Когда глаза и руки используются для основных упражнений, глаза обычно направляют движение рук к целям. Кроме того, глаза предоставляют исходную информацию об объекте, включая его размер, форму и, возможно, места захвата, которые используются для определения силы, которую необходимо приложить кончикам пальцев для выполнения задачи.

Для последовательных задач движение взгляда происходит во время важных кинематических событий, таких как изменение направления движения или при прохождении воспринимаемых ориентиров. Это связано с ориентированной на поиск задач природой глаз и их отношением к планированию движений рук, а также с ошибками между выходным моторным сигналом и последствиями, воспринимаемыми глазами и другими органами чувств, которые могут использоваться для корректирующего движения. Глаза имеют тенденцию «повторно фиксироваться» на цели, чтобы освежить память о ее форме, или обновлять для изменений ее формы или геометрии в задачах рисования, которые включают взаимосвязь визуального ввода и движения руки для создания копии того, что было воспринимается. В задачах высокой точности при воздействии на большее количество визуальных стимулов время, необходимое для планирования и выполнения движения, увеличивается линейно в соответствии с законом Фиттса .

Саккады с ручным управлением

Люди продемонстрировали способность направлять движение глаз к руке без зрения, используя чувство проприоцепции , с небольшими ошибками, связанными с внутренним знанием положения конечностей. Было показано, что проприоцепция конечностей как при активном, так и при пассивном движении приводит к выбросам глазной саккады, когда руки используются для управления движением глаз. Эти выбросы являются результатом контроля глазных саккад, а не предыдущих движений рук в экспериментах. Это означает, что проприоцепция на основе конечностей способна преобразовываться в моторные координаты глаза, чтобы направлять саккады глаза, что позволяет управлять саккадами руками и ногами.

Нейронные механизмы

Нейронный контроль координации глаз и рук сложен, потому что он включает в себя все части центральной нервной системы, участвующие в зрении: движения глаз, прикосновение и управление руками. Это включает в себя сами глаза, кору головного мозга , подкорковые структуры (такие как мозжечок , базальные ганглии и ствол мозга ), спинной мозг и периферическую нервную систему . Другими областями, участвующими в координации глаз и рук, которые изучались наиболее интенсивно, являются области лобной и теменной коры для контроля саккад глаза и досягаемости рук. Считается, что обе эти области играют ключевую роль в координации глаз и рук и в планировании движений во время выполнения заданий.

Считается, что более специфическая область, теменно- затылочное соединение , участвует в преобразовании периферических зрительных входов для достижения руками, что было обнаружено с помощью фМРТ . Эта область, в частности, имеет подразделения для досягаемости, хватания и саккад. В дополнение к теменно-затылочному соединению, задняя теменная кора, как полагают, играет важную роль в отношении проприоцепции и трансформации моторных сенсорных входных сигналов к планированию и управлению движением в отношении визуальных входных сигналов.

Многие из этих областей, помимо контроля саккад или досягаемости, также показывают сигналы положения глаз, которые необходимы для преобразования визуальных сигналов в двигательные команды. Кроме того, некоторые области, вовлеченные в досягаемость, такие как медиальная интрапариетальная кора, демонстрируют центрированное на взгляде переназначение ответов во время движений глаз как у обезьян, так и у людей. Однако, когда в этих областях регистрируются одиночные нейроны, досягаемые области часто показывают некоторые ответы, связанные с саккадами, а области саккад часто показывают некоторые ответы, связанные с досягаемостью. Это может помочь в координации глаз и руки или намекнуть на способность клеток соединяться вместе, поскольку они используются чаще.

Клинические синдромы

Было обнаружено, что многочисленные расстройства, заболевания и нарушения приводят к нарушению координации глаз и рук из-за повреждения самого мозга, дегенерации мозга из-за болезни или старения или очевидной неспособности полностью координировать чувства.

Старение

Нарушения координации глаз и рук были выявлены у пожилых людей, особенно во время высокоскоростных и точных движений. Это было связано с общей дегенерацией коры головного мозга, что привело к потере способности вычислять визуальные сигналы и связывать их с движениями рук. Тем не менее, хотя пожилые люди, как правило, тратят больше времени на такие задачи, они по-прежнему могут оставаться такими же точными, как и молодые люди, но только в том случае, если требуется дополнительное время.

Синдром Балинта

Синдром Балинта характеризуется полным отсутствием координации глаз и рук, и было продемонстрировано, что он возникает изолированно от атаксии зрительного нерва. Это редкое психологическое состояние, чаще всего возникающее в результате двустороннего повреждения верхней теменно-затылочной коры. Одна из наиболее частых причин - инсульты, но опухоли, травмы и болезнь Альцгеймера также могут вызывать повреждения. Пациенты с синдромом Балинта могут страдать от трех основных компонентов: апраксии зрительного нерва, атаксии зрительного нерва и симултанагнозии. Симултанагнозия - это когда пациенты испытывают трудности с восприятием более чем одного объекта одновременно. Существует три разных подхода к реабилитации. Первый подход - это адаптивный или функциональный подход. Он включает в себя функциональные задачи, в которых используются сильные стороны и способности пациента. Второй подход является лечебным и включает восстановление поврежденной центральной нервной системы путем тренировки навыков восприятия. Последний подход - это многоконтекстный подход, и этот подход включает в себя отработку целевой стратегии в множественной среде с разнообразными задачами и требованиями к движению, а также с задачами самосознания.

Оптическая апраксия

Апраксия зрительного нерва - это состояние, которое возникает в результате полной неспособности человека координировать движения глаз и рук. Хотя он похож на атаксию зрительного нерва, его последствия более серьезны и не обязательно возникают из-за повреждения мозга, но могут возникать из-за генетических дефектов или дегенерации тканей.

Оптическая атаксия

Атаксия зрительного нерва или зрительно-моторная атаксия - это клиническая проблема, связанная с повреждением затылочно-теменной коры у людей, что приводит к нарушению координации между глазами и рукой. Он может поражать одну или обе руки и может присутствовать как в части поля зрения, так и во всем поле зрения. Атаксия зрительного нерва часто рассматривается как нарушение координации глаз и руки на высоком уровне, возникающее в результате каскада сбоев сенсорных преобразований в двигательные в задней теменной коре. Визуальное восприятие, наименование и чтение по-прежнему возможны, но визуальная информация не может направлять двигательные движения рук. Атаксию зрительного нерва часто путают с синдромом Балинта, но недавние исследования показали, что атаксия зрительного нерва может возникать независимо от синдрома Балинта. Пациенты с оптической атаксией обычно не могут дотянуться до визуальных объектов на стороне света, противоположной стороне повреждения мозга. Часто эти проблемы связаны с текущим направлением взгляда и, кажется, перераспределяются вместе с изменениями направления взгляда. У некоторых пациентов с повреждением теменной коры обнаруживается «магнитное досягаемость»: проблема, при которой кажется, что руки тянутся к направлению взгляда, даже когда они отклоняются от желаемого объекта захвата.

болезнь Паркинсона

У взрослых с болезнью Паркинсона наблюдаются те же нарушения, что и при нормальном старении, только в более крайней степени, в дополнение к потере контроля над моторными функциями в соответствии с нормальными симптомами болезни. Это двигательное расстройство, возникающее при дегенерации дофаминергических нейронов, соединяющих черную субстанцию ​​с хвостатым ядром. Основные симптомы пациента включают мышечную ригидность, замедленность движений, тремор покоя и нестабильность позы. Было показано, что способность планировать и учиться на собственном опыте позволяет взрослым с болезнью Паркинсона время выздоравливать, но только в условиях, когда они принимают лекарства для борьбы с последствиями болезни Паркинсона. Некоторым пациентам назначают L-ДОФА, который является предшественником дофамина. Он способен преодолевать гематоэнцефалический барьер, затем поглощается дофаминергическими нейронами и затем превращается в дофамин.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение