Координация глаз и рук

Об аналогичной задаче в робототехнике см. «Задачу калибровки руки и глаза» .

Координация глаз и рук (также известная как координация рук и глаз ) — это скоординированный двигательный контроль движения глаз с помощью движения рук и обработки зрительной информации для руководства дотягиванием и хватанием, а также использование проприоцепции рук для управления глазами, модальность мультисенсорной интеграции . Координация глаз и рук изучалась в таких разнообразных видах деятельности, как перемещение твердых предметов, таких как деревянные кубики, стрельба из лука, спортивные выступления, чтение музыки , компьютерные игры, набор текста и даже заваривание чая. Это часть механизмов выполнения повседневных задач; в его отсутствие большинство людей не смогли бы выполнить даже самое простое действие, например, взять книгу со стола.

Эволюция

Гипотеза глаза-передние конечности

Гипотеза глаз-передние конечности (EF) предполагает, что зрительная система приматов менялась параллельно со специализацией руки посредством общего эволюционного механизма. Конечным результатом стало точное восприятие глубины, скорости и точности движения руки при захвате.

Приматы и бинокулярное зрение

У приматов, включая человека, глаза направлены вперед. У приматов также есть перекрест зрительных нервов (OC), 45 процентов которого состоит из неперекрещенных нервов. Традиционная идея состоит в том, что такое зрение в сочетании с полноценной бинокулярностью способствует глубокому зрению. Но обзорная статья в журнале Brain, Behavior and Evolution представляет новую гипотезу глаз и передних конечностей (гипотеза EF), согласно которой нейронная архитектура зрительной системы приматов развивалась для совершенно другой цели. Гипотеза EF постулирует, что наличие коротких нервных путей между областями мозга, которые получают визуальную информацию о руке, и двигательными ядрами, контролирующими координацию руки, имеет избирательное значение. Суть гипотезы EF заключается в том, что эволюционная трансформация OC повлияет на длину этих нервных путей.

Способ проверки гипотезы — сравнить точность и скорость, например, 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. Берлуччи и др. считает, 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 быстрым двигательным навыкам, чем при зрительных стимулах, представленных контрлатерально.

Приматы и кошачьи умело используют передние конечности под контролем глаза. Приматы и кошачьи имеют высокую долю ипсилатеральных проекций сетчатки (IRP) (45% соответственно 30% IRP). . Тот факт, что у крокодилов, большинства птиц и рыб отсутствует IRP, также учитывается гипотезой EF. По анатомическим/функциональным причинам крокодилы, птицы и рыбы мало используют переднюю конечность в лобном пространстве.

Африканская шпорцевая лягушка ( Xenopus laevis ) до метаморфоза имеет только скрещивающиеся отростки, после этого у нее развивается бинокулярное зрение и передние конечности с когтями. Xenopus laevis использует когти, когда ловит добычу, находящуюся перед лягушкой. У дельфинов отсутствует IRP, что согласуется с гипотезой, поскольку передняя конечность дельфина (грудной плавник) используется только латерально. Среди сумчатых три вида лазающих по деревьям имеют высокую долю IRP. Вомбатер (Vombatidae) имеет очень мало IRP, что соответствует гипотезе EF, поскольку это наземное травоядное животное. Такой поиск пищи снижает потребность в превосходном визуальном контроле передней части стопы. Остальные сумчатые находятся между этими крайностями.

Гипотеза EF предлагает новые взгляды на эволюцию человека. Превосходный контроль глаз и рук — типичная черта приматов. Ископаемые данные свидетельствуют о том, что первые настоящие приматы появились около 55 миллионов лет назад. Даже тогда рука, похоже, была специально приспособлена для захвата. Ранние предки приматов, возможно, развили эту особую хватку, чтобы собирать и есть цветы, нектар и листья на дальних ветвях деревьев. Блох и Бойер утверждают, что хватательная способность рук развилась до зрительной специализации приматов. Гипотеза EF, напротив, указывает на то, что система зрения приматов развивалась параллельно со специализацией руки посредством общего эволюционного механизма. В принципе увеличение ИРП имеет избирательное значение у животных, регулярно использующих переднюю конечность во фронтальном поле зрения.

Поведение и кинематика

Нейробиологи тщательно исследовали поведение человеческого взгляда, отметив, что использование взгляда очень зависит от конкретной задачи. но люди обычно проявляют активный контроль, направляя свое движение. Обычно глаза фиксируются на цели до того, как руки начинают движение, что указывает на то, что глаза предоставляют рукам пространственную информацию. Продолжительность, в течение которой глаза фиксируются на цели при движении руки, варьируется — иногда глаза остаются зафиксированными до тех пор, пока задача не будет завершена. В других случаях кажется, что глаза устремляются вперед в сторону других интересующих объектов 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 на цель. Кроме того, глаза предоставляют исходную информацию об объекте, включая его размер, форму и, возможно, места захвата, позволяющие оценить силу, которую необходимо приложить кончикам пальцев для выполнения задачи.

В последовательных задачах движение взгляда происходит во время важных кинематических событий, таких как изменение направления движения или при прохождении воспринимаемых ориентиров. Это связано с ориентированной на поиск задачи природой глаз и их связью с планированием движения рук, а также с ошибками между выходным моторным сигналом и последствиями, воспринимаемыми глазами и другими органами чувств, которые можно использовать для корректирующего движения. Глаза имеют тенденцию «повторно фиксироваться» на цели, чтобы освежить память о ее форме или обновить ее форму или геометрию в задачах рисования, которые включают в себя связь между визуальным вводом и движением руки для создания копии того, что было. воспринимается. В задачах с высокой точностью, когда воздействуют на большее количество зрительных стимулов, время, необходимое для планирования и выполнения движения, увеличивается линейно, например, при использовании компьютерной мыши , согласно закону Фиттса .

Саккады с ручным управлением

Люди обладают способностью направлять движение глаз в сторону руки без зрения, используя чувство проприоцепции , с лишь незначительными ошибками, связанными с внутренним знанием положения конечностей. Было показано, что проприоцепция конечностей как при активном, так и при пассивном движении приводит к саккадическим выбросам, когда руки используются для управления движением глаз. В экспериментах эти выбросы являются результатом контроля глазных саккад, а не предшествующего движения рук. Это означает, что проприоцепция, основанная на конечностях, способна трансформироваться в двигательные координаты глаза для управления саккадами глаз, что позволяет управлять саккадами руками и ногами.

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 явной неспособности полностью координировать чувства.

Старение

У пожилых людей наблюдаются нарушения координации глаз и рук, особенно при высоких скоростях и точных движениях. Это связывают с общей дегенерацией коры головного мозга, приводящей к потере способности обрабатывать зрительные сигналы и связывать их с движениями рук. Однако, хотя пожилые люди, как правило, тратят больше времени на такого рода задачи, они все равно могут оставаться такими же точными, как и молодые люди, но только если уделять этому дополнительное время.

синдром Балинта

Синдром Балинта характеризуется полным отсутствием координации глаз и рук и, как было показано, возникает изолированно от атаксии зрительного нерва. Это редкое психологическое состояние, чаще всего возникающее в результате двустороннего повреждения верхней теменно-затылочной коры. Одной из наиболее частых причин является инсульт, но опухоли, травмы и болезнь Альцгеймера также могут вызвать повреждение. Пациенты с синдромом Балинта могут страдать от трех основных компонентов: апраксии зрительного нерва, атаксии зрительного нерва и симултанагнозии. Симультанагнозия – это когда пациенты испытывают трудности с восприятием более чем одного объекта одновременно. Существовало три различных подхода к реабилитации. Первый подход – адаптивный или функциональный; он включает в себя функциональные задачи, в которых используются сильные стороны и способности пациента. Второй подход является лечебным и предполагает восстановление поврежденной центральной нервной системы путем тренировки навыков восприятия. Последний подход представляет собой многоконтекстный подход и включает в себя практику целевой стратегии в разнообразной среде с различными задачами и требованиями к движениям, а также задачами по самосознанию.

Оптическая апраксия

Оптическая апраксия – это состояние, возникающее в результате полной неспособности человека координировать движения глаз и рук. Хотя оно похоже на атаксию зрительного нерва, его последствия более серьезны и не обязательно связаны с повреждением головного мозга, но могут быть результатом генетических дефектов или дегенерации тканей.

Оптическая атаксия

Оптическая атаксия или зрительно-моторная атаксия — клиническая проблема, связанная с повреждением затылочно-теменной коры у человека, приводящая к нарушению координации между глазами и рукой. Оно может поражать одну или обе руки и может присутствовать в части поля зрения или во всем поле зрения. Оптическая атаксия часто рассматривается как нарушение координации рук и глаз высокого уровня, возникающее в результате каскада сбоев в сенсорно-моторных преобразованиях в задней теменной коре. Зрительное восприятие, называние и чтение по-прежнему возможны, но визуальная информация не может направлять моторные движения рук. Оптическую атаксию часто путают с синдромом Балинта, но недавние исследования показали, что зрительная атаксия может возникать независимо от синдрома Балинта. Пациенты с оптической атаксией обычно испытывают трудности с приближением к зрительным объектам на стороне света, противоположной стороне повреждения головного мозга. Часто эти проблемы связаны с текущим направлением взгляда и, по-видимому, переназначаются вместе с изменениями направления взгляда. У некоторых пациентов с повреждением теменной коры наблюдается «магнетическое хватание»: проблема, при которой кажется, что прикосновение притягивается к направлению взгляда, даже если он отклоняется от желаемого объекта захвата.

болезнь Паркинсона

У взрослых с болезнью Паркинсона наблюдаются те же нарушения, что и при нормальном старении, только в более выраженной степени, в дополнение к потере контроля над двигательными функциями при нормальных симптомах заболевания. Это двигательное расстройство, возникающее при дегенерации дофаминергических нейронов, которые соединяют черную субстанцию ​​с хвостатым ядром. Первичные симптомы пациента включают мышечную ригидность, замедленность движений, тремор покоя и постуральную нестабильность. Было показано, что способность планировать и учиться на собственном опыте позволяет взрослым с болезнью Паркинсона улучшить результаты, но только в условиях, когда они используют лекарства для борьбы с последствиями болезни Паркинсона. Некоторым пациентам назначают L-ДОФА, предшественник дофамина. Он способен преодолевать гематоэнцефалический барьер, затем захватывается дофаминергическими нейронами и затем преобразуется в дофамин.

См. также

• Кинематика
• Управление двигателем
• Нейропластичность
• Человеческие чувства
• Задача компенсационного слежения
• Хейроскоп

Дальнейшее чтение

• Кроуфорд, доктор юридических наук; Медендорп, ВП; Маротта, Джей-Джей (2004). «Пространственные преобразования для координации глаз и рук». Журнал нейрофизиологии . 92 (1): 10–19. дои : 10.1152/jn.00117.2004 . hdl : 2066/64567 . ПМИД   15212434 .
• Йоханссон, РС; Вестлинг, Г.; Бэкстрем, А.; Фланаган, младший (2001). «Координация глаз и рук при манипулировании предметами» . Журнал неврологии . 21 (17): 6917–6932. doi : 10.1523/JNEUROSCI.21-17-06917.2001 . ПМК   6763066 . ПМИД   11517279 .