golden berg (1996) ideomotor apraxia and cerebral dominance for motor control

8/14/2019 Golden Berg (1996) Ideomotor Apraxia and Cerebral Dominance for Motor Control

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E L S E V I E R Cogni t ive Bra in Re se a rc h 3 (1996) 95-10 0

C OGN I T I VEBRAINR E S E A R C H

Research reportI d e o m o t o r a p r a x i a a n d c e r e b r a l d o m i n a n c e f o r m o t o r c o n t r o lG eorg G old enbe rg a,b ,* , Joach im Herm sd iSrfe r b , Joseph Spa t t a

a 2nd Neurological D epartment of Neurological Hospital Rosenhfigel, Riedelgasse 5, A 1 130 W ien, Austriab Neuropsychological Departm ent o f the City Hospital Bogenha usen, Englschalkingerstr. 77, D 81925 Miinchen, Germ any

A c c e pte d 22 A ugus t 1995

A b s t r a c t

I d e o m o t o r a p r a xi a i s a s y m p t o m o f l e f t h e m i s p h e r e d a m a g e . P a t ie n t s w it h i d e o m o t o r a p r a xi a c o m m i t e r ro r s w h e n i m i t a t in g m o v e m e n t sw i th t h e i r le f t , n o n -pa ra l y zed h an d . T h i s h as been t ak en a s ev iden ce f o r a m o to r do m in an ce o f t h e l e f t h em isph e re . I t h as beenh y po th es i zed th a t t h e l e f t h em isph e re i s do m in an t f o r i n te rn a l p r ep ro g ram m in g o f sk i l l ed m o v em en t s o f e i t h e r h an d . W e in v es t ig a t ed th ek in em a t i c s o f m o v em en t t r a j ec to r i e s o f im i t a t i o n o f m ean in g l e s s g es tu res . G ro u p an a ly s i s co n f i rm ed th a t h es i t an t , f eedback -co n t ro l l edm o v em en t p r ev a i l in pa t i en t s w i th ap rax ia , bu t an a ly s i s o f s in g l e cases rev ea l ed t h e ex i s t en ce o f k in em a t i ca l l y n o rm a l m o v em en t s l ead in gto ap rac t i c e r ro r s . E n h an ced r e l i an ce o n f e edb ack -co n t ro l app ea r s t o be a co m pen sa to ry s t r a t eg y r a th e r t h an th e so u rce o f ap rac t i c e r ro r s .In a s eco n d s tu dy w e ex p lo red th e a l t e rn a t iv e h y po th es i s t h a t pa t i en t s w i th ap rax ia l ack a g en e ra l co n cep t o f t h e h u m an bo dy w h ich i sn ecessa ry to m ed ia t e t h e t r an s l a t i o n o f a t a rg e t po s i t i o n seen o n th e m o de l i n to a t a rg e t po s i t i o n o n th e pa t i en t ' s bo dy . Im i t a t i o n o fm o v em en t s w as ex am in ed o n o n ese l f an d o n a m an n ik in . P a t i en t s w i th ap rax ia w h o m ad e e r ro r s w h en im i t a t i n g o n th em se lv es co m m i t t ede r ro r s a l so w h en im i t a t i n g o n th e m an n ik in . T ak en to g e th e r , bo th s tu d i e s su pp o r t t he v i ew th a t t h e so u rce o f e r ro r s i n t h e im i t a t i o n o fg es tu res is t o be so u g h t a t a co n cep tu a l l ev e l . T h i s cas t s do u b t s o n th e a l l eg ed do m in an ce o f t h e l e f t h em isph e re f o r m o to r co n t ro l.Keywords: Apraxia ; Motor control ; Kinematics ; Body-schema; Cerebra l dominance; Neuropsychology

1 . I n t r o d u c t i o n

L i m b a p r a x ia i s a s y m p t o m o f le f t h e m i s p h e r e d a m a g ew h i c h i s e a s il y t o d e m o n s t r a t e b u t d i f f i c u l t t o u n d e r s t an d .A p r a c t i c p a t ie n t s c o m m i t s p a t i a l an d t e m p o r a l e r r o r s w h e np e r f o r m i n g m o v e m e n t s w i t h t h e ir l ef t , n o n - p a r e t i c h an d .E r r o r s m a y c o n c e r n t h e u s e o f o b j e c t s an d t o o ls a s w e l l a sm o v e m e n t s p e r f o r m e d w i t h o u t e x t er n a l o b j e c t s l i ke th ep a n t o m i m e o f o b j e c t u se o r th e d e m o n s t r a t i o n o f c o n v e n -t i o na l s y m b o l i c ge s t u re s . A p r a c t i c p a t i e n ts m a y c o m m i te r r o r s e v e n w h e n t h e c o r r e c t m o v e m e n t s a r e d e m o n s t r a t e dt o t h e m a n d t h e y o n l y h a v e t o i m i t a t e t h e m [ 1 6 ] .

T h e r i d d l e o f a p r a x i a i s p o s e d b y t h e o b s e r v a t i o n t h a ta p r a c t i c p a t i e n t s c a n u s e t h e i r l e f t h a n d n o r m a l l y i n s i t u a -t i o n s w h i c h a r e d i f f e r e n t f r o m t h o s e o f a p r a x i a t e s t i n g . T h ew i d e l y a c c e p t e d d e f i n i t i on o f a p r a x i a as a ' d i s o r d e r o fs k i l l e d m o v e m e n t n o t c a u s e d b y w e a k n e s s , a k i n e si a , d e a f -f e r e n ta t i o n, a b n o r m a l t o n e o r p o s t u r e , m o v e m e n t d i s o r d e r s

* Corresp ond ing author . Neurological Department , Krank enhau s Bo-genhausen , Englscha lkingers trasse 77, D-81925 M iinchen, G erman y. Fax:(49) (89) 9270-2089.092 6-6 410 /96/ $15 .00 1996 E l s e v ie r Scie nc e B .V . A l l r igh t s r eservedS S D I 0 9 2 6 - 6 4 1 0 ( 9 5 ) 0 0 0 3 4 - 8

( s u c h a s t r e m o r o r c h o r e a ) . . ' [ 6 ] i m p l i e s th a t t h e r e a r es i t ua t i o ns w h e r e t h e l e f t h a n d i s m o v e d w i t h c o m p l e t e l yn o r m a l s k i l l a n d v e l o c i t y . O t h e r w i s e , t h e e x c l u s i o n o fo t h e r m o v e m e n t d i s o r d e r s c o u l d n o t b e v e r i f ie d .

A n e x p l a n a t i o n f o r t h e d i s s o c i a ti o n b e t w e e n n o r m a l a n da b n o r m a l m o t o r c o n t r o l o f t h e l e ft h a n d c o u l d b e s o u g h t i nd i f f e r e n t c o n c e p t u a l d e m a n d s o f th e m o t o r t a s k s e xa m i n e d .S u c h a n e x p l a n a t i o n c a n e a s i l y a c c o u n t f o r e r r o r s o c c u r -r i n g w i t h t o o l u s e , p a n t o m i m e o f o b j e c t u s e a n d s y m b o l i cg e s t u r e s , a s i n a ll o f t h e m a c o r r e c t c o n c e p t o f t h e i n t e n d e dm o v e m e n t h a s to b e e v o k e d fr o m m e m o r y b e f o r e m o v e -m e n t e x e c u t i o n c a n s t a r t . I t d o e s , h o w e v e r , h a v e p r o b l e m sw i t h i m p a i r e d i m i t a t i o n o f g e s t u r e s , a s i n th i s s i t u a ti o n t h ei n t e n d e d t a r g e t p o s i t i o n i s d e m o n s t r a t e d b y t h e e x a m i n e ra n d t h e p a t i e n t h a s o n l y t o c o p y t h e m o v e m e n t . T h e c a s ea g a i n s t a c o n c e p t u a l s o u r c e o f e r r o r s i n t h e i m i t a t i o n o fm o v e m e n t s s e e m s t o b e e v e n m o r e c o n v i n c i n g if i m i t a t i o ni s p r o b e d f o r m e a n i n g l e s s a n d n o v e l m o v e m e n t s t h e e x e c u -t i on o f w h i c h c a n n o t b e h e l p e d b y e v o c a t i o n o f c o n c e p t u a lk n o w l e d g e . E r r o r s i n t h e im i t a t io n o f m o v e m e n t s h a v et h e r e f o re b e e n a m a i n a r g u m e n t f o r c o n s i d e r i n g a p r a x i a -o r a t l e a s t a v a r i e t y o f it - a s a d i s o r d e r o f m o v e m e n te x e c u t i o n [ 1 ,1 4 - 1 6 , 1 9 ] . T h e o c c u r r e n c e o f s u c h a d i s o r d e r


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96 G. Goldenberg e t al . / Cogn it ive Brain Research 3 (1996) 95- 10 0i n t h e n o n - p a r a l y z e d l e f t l i m b s s e e m s t o i n d i c a t e a g e n e r a ld o m i n a n c e o f th e l e f t - h e m i s p h e r e f o r m o t o r c o n t r o l [ 14 ,1 6 ].

2 . K i n e m a t i c s o f a p ra c t ic m o v e m e n t sT h e h y p o t h e s i s t h a t a p r a x i a i s a m a n i f e s t a t i o n o f t h e l e f t

h e m i s p h e r e ' s d o m i n a n c e f o r m o t o r c o n t r o l h a s b e e n f u r -t h e r s p e c i f i e d . I t h a s b e e n h y p o t h e s i z e d t h a t t h e r e i s a l e f th e m i s p h e r e d o m i n a n c e f o r t h e in t er n a l p r e p r o g r a m m i n g o fs k i l l e d m o v e m e n t s o f e i th e r h a n d [ 1 0 ,1 4 ]. B y c o n t r a s t ,a p r a x i a i s s a i d n o t t o a f f e c t t h e g u i d a n c e o f m o v e m e n t s b ye x t e r n a l f e e d b a c k - c o n t r o l . M o v e m e n t s t h a t e v o k e a p r a x i ce r r o r s s h o u l d d i f f e r f r o m t h o s e t h a t d o n o t i n t h a t th e y p o s eh e a v i e r d e m a n d s o n i n t e r n a l p r e p r o g r a m m i n g o f m o v e -m e n t s a n d i n t h a t t h e y a r e p e r f o r m e d i n t h e a b s e n c e o fe x t e rn a l r e f e r e n ce p o i n t s w h i c h w o u l d a l l o w f e e d b a c k - c o n -t r o l l e d c o r r e c t i o n o f e r r o r s .

T h e p r o p o r t io n s o f p r e p r o g r a m m e d a n d f e e d b a c k - c o n -t r o l l e d c o m p o n e n t s o f m o v e m e n t s c a n b e i n f e r r e d f r o mk i n e m a t i c v e l o c i ty p r o f i l e s [1 3] . T h e p r e p r o g r a m m e d p h a s eo f a t a r g e t - d i r e c t e d m o v e m e n t i s c h a r a c t e r i z e d b y a ' b e l l -s h a p e d ' v e l o c i t y c u r v e w i t h o n e s i n g l e v e l o c i t y m a x i m u m[ 18 ]. F e e d b a c k c o n t r o l le d m o v e m e n t p h a s e s h a v e m u l t i p l ev e l o c i t y p e a k s r e s u l t i n g f r o m r e p e a t e d u p d a t i n g a n d c o r -r e c t i o n s o f t h e m o v e m e n t p a t h . T h e m a x i m u m v e l o c i t y o ft h e p r e p r o g r a m m e d p h a s e i s g e n e r al l y h i g h e r t h an t h ev e l o c i ty o f t h e f e e d b a c k - c o n t r o l l e d p h a s e .

P o i z n e r e t a l . [ 2 0 ] a n a l y z e d t h e k i n e m a t i c s o f p a n -t o m i m e o f o b j e c t u s e i n a p r a c t i c p a t i e n t s . T h e y d i d n o te x p l i c i t l y a d d r e s s t h e d i s t i n c t i o n b e t w e e n p r e p r o g r a m m e da n d f e e d b a c k - c o n t r o l l e d p h a s e s o f m o v e m e n t s b u t f o u n dm u l t i p l e a b n o r m a l i t i e s o f t h e k i n e m a t i c p r o f i l e , s o m e o fw h i c h ( e .g . a r ed u c t io n o f m a x i m u m v e l o c i ty ) w o u l d b ec o m p a t i b l e w i th a s p e c i f ic d e f i ci t in t h e p r e p r o g r a m m i n go f g o a l d i r e c t e d m o v e m e n t s . H o w e v e r , a p r e p o n d e r a n c e o fh e s it a ti n g , f e e d b a c k - c o n t r o l l e d m o v e m e n t s i n s o m e a p r a x i cp a t i e n t s d o e s n o t b y i t s e l f p r o v e t h a t t h e k i n e m a t i c a b n o r -m a l i t i e s a r e t h e s o u r c e o f a p r a c t i c e r r o r s . A l t e r n a t i v e l y , i ft h e p a t i e n t s l a c k e d a c l e a r c o n c e p t u a l r e p r e s e n t a t i o n o f t h ei n t e n d e d t a r g e t p o s i t i o n s , t h e y m i g h t h a v e s w i t c h e d t o as t ra t e g y o f s lo w a n d f e e d b a c k - c o n t r o l l e d m o v e m e n t s in a na t t e m p t t o f i n d t h e c o r r e c t t a r g e t p o s i t i o n s b y t r i a l a n de r ro r .

I f l a ck o f i n t e rn a l p r e p r o g r a m m i n g i s in d e e d t h e c a u seo f a p r a c t i c e rr o r s , i t s h o u l d b e d e t e c t a b l e i n e v e r y m o v e -m e n t w h i c h e n d s u p w i t h a n a p r a c t i c e r r o r . T o t e s t t h i sp r e d i c t i o n w e u n d e r t o o k a n i n v e s t i g a t i o n o f m o v e m e n tk i n e m a t i c s i n a l a r g e r s a m p l e o f a p r a c t i c p a t ie n t s [1 1 ]. W ed e c i d e d t o i n v e s t i g a t e t h e i m i t a t i o n o f m e a n i n g l e s s g e s -t u r e s a s e r r o r s i n t h i s t a s k h a v e b e e n a s s u m e d t o p e r m i t ad i r e c t o b s e r v a t i o n o f t h e e x e c u t i o n a l d e f i c i t i n a p r a x i a[1,4,14].

A r m a n d h a n d m o v e m e n t s d u r i n g th e im i t at io n o f m e a n -i n g l e s s g e s t u r e s w e r e r e c o r d e d u s i n g a n u l t r a s o n i c d e v i c e( C M S 5 0 , Z e b r i s , G e r m a n y ) . T w o t i n y u l t r a s o n i c t r a n s m i t -

t e r s w e r e f i x e d a t t h e u l n a r a s p e c t o f t h e w r i s t a n d o f t h em e t a c a r p o p h a l a n g e a l jo i n t o f t h e l it tl e f i n g e r o n o n e h a n da n d t h e i r p o s i t i o n s i n t h r e e - d i m e n s i o n a l s p a c e w e r e r e g i s -t e r e d w i t h a s a m p l i n g r a t e o f 1 0 0 H z . C a l c u l a t i o n o fm o v e m e n t d u r a t i o n s , o f p a t h l e n g t h , o f v e l o c i t i e s a n d o fa c c e l e r a t i o n s w e r e d o n e w i t h t h e 3 D A s o f t w a r e [ 1 7 ] .

P a t i e n t s w e r e a s k e d t o i m i t a t e s i m p l e h a n d p o s t u r e sd e m o n s t r a t e d b y t h e e x a m i n e r . A f t e r f i v e p r a c t i c e i t e m s ,t h e t r aj e c t o r ie s o f s ix m o v e m e n t s w e r e r e g i s t e r e d t h r e et i m e s . F o r e a ch m o v e m e n t i t w a s d e n o t ed w h e t h e r i t e n d e di n a c o r r e c t i m i t a t i o n o r n o t . F o r e a c h c o r r e c t i m i t a t i o n 1p o i n t w a s c r e d i t e d . N e i t h e r a n y n o r m a l c o n t r o l n o r a n yp a t i e n t w i t h r i g h t b r a i n d a m a g e s c o r e d l o w e r t h a n 2 0 o u to f a m a x i m u m s c o r e o f 2 3 . P a t i e n t s w h o f e l l b e l o w t h i ss c o r e w e r e c l a s s i f i e d a s a p r a c t i c .

I n t h e v e l o c i t y p r o f i l e s o f t h e w r i s t m o v e m e n t t w op h a s e s c o u l d b e d i s t i n g u i s h e d : a t r a n s p o r t p h a s e d u r i n gw h i c h t h e h a n d w a s b r o u g h t v e r y c l o s e t o t h e t a r g e t a t t h es u b j e c t ' s h e a d , a n d a n a d j u s t m e n t p h a s e d u r i n g w h i c h t h eh a n d s l o w l y a p p r o a c h e d i t s f i n a l p o s i t i o n . F o r s t a t i s t i c a le v a l u a t i o n , t w o p a r a m e t e r s w e r e c o n s i d e r e d : T h e n u m b e ro f v e l o c i t y p e a k s d u r i n g t h e t r a n s p o r t p h a s e , a n d t h e l e n g t ho f t h e d i s t a n c e t r a v e l l e d d u r i n g t h e a d j u s t m e n t p h a s e . I np r e p r o g r a m m e d m o v e m e n t s t h e t r a ns p o r t p h a s e sh o u l d h a v eo n l y o n e v e l o c i t y m a x i m u m a n d t h e a d j u s t m e n t p h a s es h o u l d b e v e r y s h o r t i f n o t e n t i r e l y a b s e n t .

I n 1 0 c o n t r o l s t h e l e f t h a n d w a s e x a m i n e d a n d i n 1 0 t h er i g h t h a n d , b u t t h e r e w e r e n o d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m . I nt h e v a s t m a j o r i t y o f m o v e m e n t s ( 9 7 . 9 % ) t h e t r a n s p o r tp h a s e y i e l d e d o n l y o n e v e l o c i t y p e a k . T h e h a n d w a st r a n s p o r t e d c l o s e t o i t s f i n a l p o s i t i o n w i t h o n e s i n g l e c y c l eo f a c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n . W i t h v e r y f e w e x c e p t i o n st h e h a n d m o v e d n o t a t al l o r l e s s t h a n 3 0 m i l l i m e t e r s a f t e rt h e t e r m i n a t i o n o f t h e t r a n s p o r t p h a s e , i n d i c a t i n g t h a t n o n eo r o n l y m i n o r a d j u s t m e n t s w e r e n e c e s s a r y t o r e a c h t h ef i n a l p o s i t i o n . A p p a r e n t l y , i m i t a t i o n o f h a n d p o s t u r e s i s av e r y s i m p l e t a s k f o r n o r m a l p e r s o n s . A l t h o u g h t h e m e a n -i n g l e s s g e s t u r e s a r e c e r t a i n l y u n f a m i l i a r , t h e i r k i n e m a t i cp r o f i l e d i s c l o s e s t h e f e a t u r e s o f a p r e p r o g r a m m e d r o u t i n em o v e m e n t .

W e e x a m i n e d 8 p a t i e n t s w i t h r i g h t b r a i n d a m a g e , a n d2 0 p a t i e n t s w i t h l e f t b r a i n d a m a g e a n d a p h a s i a . O u t o f t h eaphas ic pa t i en t s , 13 were c l a s s i f i ed a s ap rac t i c . A l l pa t i en t simi ta ted the ges tu re s wi th the hand ip s i l a te ra l to the l e s ion .T h e m o v e m e n t t r a je c to r i es o f r i g ht b r a i n d a m a g e d p a t i en t sd i d n o t m a r k e d l y d i f f e r f r o m t h o se o f t he n o r m a l c o n t r ol s .B y c o n t r a s t , n o n - f l u e n t a n d h e s i t a t i n g m o v e m e n t s w i t hm u l t i p l e v e l o c i t y p e a k s a n d p r o l o n g e d a d j u s t m e n t p a t h sw e r e p r e v a l e n t i n p a t i e n t s w i t h a p r a x i a . T h e r e w e r e , h o w -e v e r , d i s s o c i a t i o n s b e t w e e n t h e f r e q u e n c y o f k i n e m a t i ca b n o r m a l i t i e s a n d t h e d i a g n o s i s o f a p r a x i a . O n t h e o n eh a n d , t h e r e w e r e l e f t b r a i n d a m a g e d p a t i e n t s w h o s u c -c e e d e d i n c o r r e c t l y i m i t a t i n g m o s t o f t h e p o s i t i o n s b u t i nw h o m t h e k i n e m a t i c a n a l y s i s r e v e a l e d m u l t i p l e v e l o c i t yp e a k s o r p r o l o n g a t i o n s o f t h e a d j u s t m e n t p h a s e . P r o b a b l y ,t h e s e w e r e p a t i e n t s w i t h m i l d o r r e c o v e r e d a p r a x i a . O n t h e


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G. Goldenberg e t al . / Cognit it ,e Brain Research 3 (1996) 9 5-1 00 9 7

o t h e r h a n d , a n d m o r e i m p o r t a n t l y , t h e r e w e r e t w o s e v e r e l ya p r a c t i c p a t i e n t s i n w h o m t h e m a j o r i t y o f m o v e m e n t ss h o w e d a c o m p l e t e l y n or m a l k i n e m a t i c p r o fi le . I t m a y b eo f i n t e r es t t ha t t hese were t he on ly aprac t i c pa t i en t s i nw h o m t h e l e s i o n e x t e n d e d i n t o p r e f r o n t a l c o r t e x .

A n a l y s i s o f t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e k i n e m a t i cp r o f i l e a n d t h e e n d - p o s i t i o n o f s i n g le g e s t u r e s r e v e a l e d t h a tt h e d i s s o c i a t i o n b e t w e e n a n o r m a l k i n e m a t i c p r o f i l e a n d a ni n c o r r e c t e n d - p o s i t i o n w a s n o t r e s t r i c t e d t o t h e s e t w op a t i e n t s b u t o c c u r r e d i n s e v e r a l t r i a l s o f 2 a d d i t i o n a la p r a c t i c p a t i e n t s , b e i n g t h u s p r e s e n t i n a s i g n i f i c a n t n u m -

b e r o f a p r a c t i c p a t i e n t s . O n t h e o t h e r h a n d , k i n e m a t i c a l l ya b n o r m a l m o v e m e n t s w h ic h e v e n t u a l l y l ea d t o t h e c o rr e c tt a r g e t p o s i t i o n w e r e a f r e q u e n t f i n d i n g i n b o t h , a p r a c t i ca n d n o n - a p r a c t i c l e f t b r a i n d a m a g e d p a t i en t s b u t o c c u r r e do n l y v e r y r a r e l y i n c o n t r o l s o r ri g h t b r a i n d a m a g e d p a t i e n ts(Fig . 1) .

T h e c r u c i a l f i n d i n g o f t h i s s t u d y i s t h a t m o v e m e n t sp e r f o r m e d w i t h t h e k i n e m a t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f l a r g e l yp r e p r o g r a m m e d m o v e m e n t s c a n l e a d t o a p r a c t i c e r r o r s .T h i s c o n t r a d i c t s t h e a s s u m p t i o n t h a t k i n e m a t i c a b n o r m a l i -t i es a r e t he sou rce o f ap rac t i c e r ro r s . W e t h i nk t ha t a mo re

!

i \ i0 cmC o n t r o l

J 5 0mmlsl s

|L B D 8 a

|

L B D 8 b

L B D 1 8

. , ,

L B D 1 0 L B D 1 2

II I #Fig . 1 . R e l a t i o n sh ip b e twe e n m o v e m e n t t r a je c to r i e s a n d f i n a l p o s i t i o n i n im i t a t i o n o f g e s tu r e s . T h e s k e t c h o n t h e t o p o f e a c h g r a p h sh o w s th e f in a l p o s i t i o n .T h e c u r v e s o n t h e l e f t s i d e o f e a c h g r a p h a r c t h e m o v e m e n t p a t h s o f t h e t w o m a r k e r s a t ta c h e d t o t h e u l n a r s id e o f t h e h a n d , t h e c u r v e o n t h e r i g h t s h o w s t h ev e lo c i t y p r o f i l e o f t h e p r o x im a l m a r k e r . I n t h e c o n t r o l t h e ta r g e t p o s i t i o n i s co r r e c t . T h e v e lo c i t y p r o f i l e c o n s i s t s o f a s i n g l e p e a k e d t r a n sp o r t p h a se a n d av e r y s h o r t f i n a l a d j u s t m e n t p h a s e . L B D S a a n d L B D S b a r e t w o m o v e m e n t s o f a l e f t h e m i s p h e r e d a m a g e d p a t i e n t s w h o e v e n t u a l l y r e a c h e d t h e c o rr e c tp o s i t i o n t o o . H o we v e r , v e lo c i t y p r o f i l e s r e v e a l e n h a n c e d r e l i a n c e o n f e e d b a c k - c o n t r o l : I n L B DSa th e t r a n sp o r t p h a se h a s two v e lo c i t y p e a k s a n d t h ea d j u s t m e n t p h a s e i s p r o l o n g e d , i n L B D S b t h e t r a n s p o rt p h a s e i s s i n g l e p e a k e d b u t d e c e l e r a ti o n i s i r re g u l a r a n d t h e a d j u s t m e n t p h a s e p r o l o n ge d . L B D 1 0 a n dL B D 1 2 c o m m i t a p r ac t i c e rr o rs a n d s h o w k i n e m a t i c e v i d e n c e o f l ac k o f p r e p r o g r a m m i n g o f m o v e m e n t . B y c o n tr a s t, L B D 1 8 r e a c h e s a w r o n g t a rg e t p o s i ti o nw i t h a k i n e m a t i c a l l y p e r f e c t m o v e m e n t .


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98 G. Goldenberg et al. / Cognitive Brain Research 3 (1996) 95-100p l a u s i b l e e x p l a n a t i o n o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n k i n e -m a t i c a b n o r m a l i t i e s a n d a p r a c t i c e r r o r s c o u l d s t a r t f r o m t h ea s s u m p t i o n t h a t a p r a c t i c p a t i e n t s a r e u n a b l e t o d e t e r m i n et h e e x a c t t a r g e t p o s i t i o n o f t h e i n t e n d e d m o v e m e n t s .W h e t h e r o r n o t i n s e c u r i t y a b o u t t h e t a r g e t p o s i t i o n l e a d s t ok i n e m a t i c a b n o r m a l i t i e s d e p e n d s o n a c h o i c e o f s t r a t e g i e s .T h e p a t i e n t m a y f e e l t h e d i f f i c u l t y o f r e a c h i n g a c o r r e c tp o s i t i o n a n d o p t f o r a s t r a t e g y o f h e s i t a n t , f e e d b a c k c o n -t r o l l e d m o v e m e n t , t r y i n g t o f i n d o u t t h e c o r r e c t t a r g e td u r i n g t h e c o u r s e o f t h e m o v e m e n t . A p p a r e n t l y t h i s s t r a t -e g y w a s s u c c e s s f u l i n a c o n s i d e r a b l e n u m b e r o f t r i a l s a n dl e a d t o d i s s o c i a t i o n s b e t w e e n c o r r e c t e n d - p o s i t i o n s a n da b n o r m a l k i n e m a t i c s . A l t e r n a t i v e l y , t h e p a t i e n t m a y n o tc a r e a b o u t t h e e x a c t d e f i n i t i o n o f t h e t a r g e t p o s i t i o n a n dm a y p l a n a n d e x e c u t e a p p r o p r i a t e l y a m o v e m e n t t o a na p p r o x i m a t e fi n a l p o s i t i o n . I f t h e a p p r o x i m a t e p o s i t i o nh a p p e n s t o b e d i f f e r e n t f r o m t h e r e q u i r e d o n e , t h e r e r e s u l t sa d i s s o c i a t i o n b e t w e e n a b n o r m a l f i n a l p o s i t i o n a n d n o r m a lk i n e m a t i c s . I n t h e t w o p a t i e n t s i n w h o m t h i s w a s t h ep r e v a i l in g t y p e o f a p r a x i c e r ro r s, f r o n t a l l o b e d a m a g e m a yh a v e c o n t r i b u t e d t o t h e l a c k o f a w a r e n e s s o f e r r o r s . I n a n yc a s e , t h e b a s i c d i s t u r b a n c e c o n c e r n s t h e d e t e r m i n a t i o n o ft h e t a r g e t p o s i t i o n r a t h e r t h a n t he e x e c u t i o n o f th e m o v e -m e n t .

3. Apraxia and the body schemeA n i d e a w h i c h c o u l d a c c o u n t f o r d e f i c i e n t i m i t a t i o n o f

m e a n i n g l e s s g e s t u r e s w i t h o u t p o s t u l a t i n g a g e n e r a l m o t o rd o m i n a n c e o f t h e l e f t h e m i s p h e r e i s , t h a t t h e b a s i c d e f i c i ti n i d e o m o t o r a p r a x i a c o n c e r n s t h e a b i l i t y t o c o d e a n dc o m p r e h e n d m o v e m e n t s i n r e l a t i o n t o o n e ' s o w n b o d y[ 3 ,1 9 , 2 3] . B o t h s y m b o l i c a n d m e a n i n g l e s s g e s t u r e s a r ea i m e d a t p r o d u c i n g e x p l i c i t l y d e f i n e d p o s i t i o n s o r m o v e -m e n t s o f b o d y p a r t s . B y c o n tr a st , m o s t m o v e m e n t s o u ts i d et h e t e s t i n g s i t u a t i o n a r e a i m e d a t a n d d e t e r m i n e d b y e x t e r -n a l t a r g e t s a n d a r e t h e r e f o r e s p a r e d f r o m a p r a x i a . T h et e r m s ' d y s s o m a t o g n o s i e s p a t i a le ' [ 3, 19 ] a n d ' r e f l e x i v ea p r a x i a ' [ 2 3 ] h a v e b e e n p r o p o s e d t o c h a r a c t e r i z e t h i s c o n -c e p t i o n o f a p r a x i a . I t c a n n o t a c c o u n t f o r f a u l t y o b j e c t a n dt o o l - u s e w h i c h c o n s e q u e n t l y a r e a s s u m e d t o b e a n e x p r e s -s i o n o f a b a s i c a l l y d i f f e r e n t v a r i a n t o f a p r a x i a . F r e q u e n t l y ,t h e t e r m s ' i d e o m o t o r ' a n d ' i d e a t i o n a l ' a p r a x i a a r e u s e d t od i s t i n g u i s h f a u l t y p e r f o r m a n c e o f b o d y - r e l a t e d m o v e m e n t sf r o m f a u l t y o b j e c t u s e [ 4 ,1 9 ].

T h e i d e a t h a t t h e b a s i c d i s t u r b a n c e i n i d e o m o t o r a p r a x i ac o n c e r n s th e c o d i n g o f m o v e m e n t i n re l a ti o n t o o n e ' s o w nb o d y i s , h o w e v e r , o p e n t o s e v e r a l i n te r p r e t a t io n s . T h e r e a r et h r e e l e v e l s a t w h i c h t h e ' b o d y s c h e m e ' c o u l d b e d i s -t u r b e d .

T h e d i s t u r b a n c e c o u l d c o n c e r n t h e i m p l i c i t e v a l u a t i o no f t h e p o s i t i o n a n d c o n f i g u r a t i o n o f t h e b o d y . T h e n e e d t oe v a l u a t e t h e p o s i t i o n a n d c o n f i g u r a t i o n o f o n e ' s b o d y i si m p l i c i t i n t h e p l a n n i n g o f a n y g o a l d i r e c t e d m o t o r a c t i o n[ 2 , 1 3 ] . B o d y p a r t s a r e m o v e d r e l a t i v e t o o t h e r b o d y p a r t s ,

a n d e x t e r n a l t a r g e t s c o u l d n o t b e r e a c h e d i f th e i n i ti a lp o s i t i o n o f t h e b o d y a n d i t s p a r t s w e r e n o t t a k e n i n t oa c c o u n t . A d i s t u r b a n c e o f t h e i m p l i c i t c a l c u l a t i o n o f t h ep o s i t i o n a n d c o n f i g u r a t i o n o f o n e ' s b o d y w o u l d m a n i f e s ti t s e l f i n m i s r e a c h i n g a n d i n s e c u r i t y o f m o v e m e n t s t o e x t e r -n a l o b j e c t s e v e n m o r e t h a n i n t h e p e r f o r m a n c e o f m o v e -m e n t s i n b o d y c e n t e r e d s p a c e .

A l t e r n a t i v e l y , t h e r e c o u l d b e a l a c k o f e x p l i c i t a w a r e -n e s s o f t h e o w n b o d y ' s p o s i t i o n a n d c o n f i g u r a t i o n . E x p l i c i ta w a r e n e s s o f t h e p o s i t i o n a n d c o n f i g u r a t i o n o f t h e o w nb o d y i s r a r e l y c a l l e d o n w h e n m o v e m e n t s a r e d i r e c t e d t oe x t e r n a l o b j e c t s . I t i s , h o w e v e r , e s s e n t i a l i f t h e a i m o f t h em o v e m e n t i s t o a c h i e v e a d e f i n e d p o s i t i o n o r c o n f i g u r a t i o no f b o d y p a r ts .

F i n a l l y , t h e d i s o r d e r c o u l d c o n c e r n a g e n e r a l s c h e m e o ft h e h u m a n b o d y w h i c h a p p l i e s i rr e s p e c ti v e l y o f w h e t h e ro n e o w n ' s b o d y i s c o n c e r n e d o r n o t . T r a n s p o s i t i o n o fp e r c e i v e d t a r g e t p o s i t i o n s i n t o a g e n e r a l c o n c e p t o f t h eh u m a n b o d y m a y p l a y a r o l e i n i m i t a t i n g g e s t u r e s . I m i t a -t i o n o f g e s t u r e s h a s b e e n s a i d t o t e s t t h e i n t e g r i t y o f ad i r e c t r o u t e f r o m v i s u a l p e r c e p t i o n t o m o t o r c o n t r o l [ 2 1 ,2 2 ],b u t o n c l o s e r s c r u t i n y i t i n v o l v e s i n t e r m e d i a t e s t e p s o fc o n s i d e r a b l e c o m p l e x i t y . I f t h e e x a m i n e r s i ts o p p o s i t e t ot h e p a t i e n t , t h e r e q u i r e d m o v e m e n t i s a m i r r o r i m a g e o f t h ep e r c e i v e d o n e . I f , f o r a n o t h e r e x a m p l e , t h e e x a m i n e r i st a l le r t h a n t he p a t i e n t , e x a c t r e p r o d u c t i o n o f t h e i r m o v e -m e n t w o u l d o v e r s h o o t t h e t a r g e t o n t h e p a t i e n t ' s b o d y .W h e n g e s t u r e s a r e t o b e i m i t a t e d t h e t a r g e t p o s i t i o n s h a v et o b e i n f e r r e d f r o m a m e n t a l t r a n s p o s i t i o n o f t h e d e m o n -s t r a t e d m o v e m e n t t o t h e o w n b o d y , a n d t h i s t r a n s p o s i t i o nh a s t o a b s t r a c t f r o m a c c i d e n t a l d e t e r m i n a n t s o f t h e p e r -c e i v e d m o v e m e n t s a s a re , f o r e x a m p l e , t h e s i z e o r p o s it i o no f t h e d e m o n s t r a t i n g p e r s o n . A f e a s i b l e w a y t o a c h i e v e th i st r a n s l a t i o n w o u l d b e t o c o n c e p t u a l i z e t h e p e r c e i v e d m o v e -m e n t s i n t h e i r r e l a t i o n s h i p t o a g e n e r a l c o n c e p t o f t h eh u m a n b o d y w h i c h a p p l i e s i r r e s p e c t i v e l y o f t h e s i z e a n dp o s i t i o n o f th e b o d y a n d i r r e s p e c t i v e l y o f w h e t h e r t h e b o d yb e l o n g s t o t h e e x a m i n e r , t h e p a t i e n t , o r a n y b o d y e l s e .

4. Manipulat ing a mannik inI f d e f e c t i v e i m i t a t i o n o f m e a n i n g l e s s g e s t u r e s i s c a u s e d

b y a l a c k o f a w a r e n e s s o f t h e p o s i t i o n a n d c o n f i g u r a t i o n o fo n l y t h e p a t i e n t s ' o w n b o d i e s , t h e y s h o u l d b e a b l e t or e p l i c a t e t h e s a m e g e s t u r e s o n a n e x t e r n a l m o d e l o f t h eh u m a n b o d y . I f , b y c o n t r a s t , t h e b a s i c d i s o r d e r c o n c e r n s ag e n e r a l c o n c e p t o f t h e h u m a n b o d y , r e p l i c a t i o n o f t h eg e s t u r e s o n a n e x t e r n a l m o d e l s h o u l d b e a s d e f e c t i v e a s o nt h e m s e l v e s . I n o r d e r t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n t h e s e p o s s i b i l i -t i e s i m i t a t i o n o f m e a n i n g l e s s g e s t u r e s w a s e x a m i n e d i nt w o c o n d i t i o n s : o n t h e p a t i e n t ' s o w n b o d y a n d o n am a n n i k i n [ 7 ] .T h e p a t i e n t s w e r e a s k e d t o i m i t a t e 1 0 m e a n i n g l e s sp o s t u r e s o f t h e h a n d . T h e e x a m i n e r s e t i n f r o n t o f t h ep a t i e n t a n d d e m o n s t r a t e d t h e p o s t u r e ' l i k e a m i r r o r ' , t h a t


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G. G oldenberg e t a l. / Cognit it~e Brain R esearch 3 (1996) 95- 100 99i s, i f t h e p a t i e n ts u s e d t h e i r l e f t h a n d , t h e e x a m i n e r d e m o n -s t r a t e d w i t h t h e r i g h t h a n d a n d v i c e v e r s a . F o r e a c hp o s t u r e , 2 p o i n t s w e r e c r e d i t e d w h e n i m i t a t i o n w a s c o r r e c ta f t e r t h e f i r s t p r e s e n t a t i o n . O t h e r w i s e , t h e d e m o n s t r a t i o nw a s r e p e a t e d a n d 1 p o i n t w a s g i v e n f o r a c o r r e c t i m i ta t io no n s e c o n d t r i a l . I n a d d i t i o n t o t h i s c o n v e n t i o n a l t e s t o fi m i t a t i o n , p a t i e n t s w e r e a s k e d t o i m i t a t e t h e s a m e g e s t u r e so n a m a n n i k i n . T h e y w e r e s e a t e d o p p o s i t e to a l i f e - s iz e dw o o d e n m a n n i k in w h o s e a r m s a n d h a n d s co u l d b e m o v e dl ik e t h a t o f a h u m a n b e i n g . T h e y w e r e a s k e d t o r e p l ic a t ew i t h o n e h a n d o f t h e m a n n i k i n p o s t u r e s d e m o n s t r a t e d b yt h e e x a m i n e r . T h e e x a m i n e r s a t b e s i d e s t h e m a n n i k i n a n dd e m o n s t r a t e d t h e p o s t u r e s ' l i k e t h e m a n n i k i n ' , t h a t i s , i ft h e p a t i e n t m a n i p u l a t e d t h e m a n n i k i n ' s l e f t h a n d , t h e e x -a m i n e r d e m o n s t r a t e d w i t h t h e le f t h a n d a n d v i c e v e r sa . T h ep o s t u r e s u s e d , t h e c o u r s e o f e x a m i n a t i o n a n d t h e c ri t e ri af o r s c o r i n g w e r e t h e s a m e a s w i t h t h e i m i t a t i o n o n t h e o w nb o d y .

T o r u l e o u t t h e p o s s i b i l i t y t h a t a g e n e r a l d e f i c i e n c y o fm o t o r e x e c u t io n a f f e c t s a n y s ki l le d m o t o r p e r f o r m a n c e , at es t o f m o t o r s k i ll w h i c h r e q u ir e d t h e m a n i p u l a t io n o fb e a d s w a s i n c l u d e d i n t h e e x p e r im e n t a l d e s ig n . I t w a sh y p o t h e s i z e d t h a t a d i s o rd e r o f m o t o r e x e c u t i o n w h i c hm a n i f e s t s i t s e l f i n t a s k s p o s i n g m o t o r d e m a n d s a s d i f f e r e n ta s im i t a t io n o f g e s tu r e s a n d m a n i p u l a t i o n o f a m a n n i k i nw o u l d a l s o s h o w u p i n a n o th e r t es t o f m a n u a l d e x t e ri ty .P a t i e n t s w e r e a s k e d t o t a k e w i t h o n e h a n d t h r e e b e a d sf r o m t h r e e v e r t i c a l r o d s a n d t o s t i c k t h e m o n t h r e e o t h e rr o d s . T h e y w e r e n o t a l l o w e d t o c o ll e c t a n d t r a n s p o s e t h eb e a d s o n e a f t e r t h e a n o t h e r , b u t h a d t o c o l l e c t a l l t h r e eb e a d s i n t h e h a n d b e f o r e b e g i n n i n g t o s t i c k t h e m o n t h e

t a r g e t r o d s . T h e r o d s w e r e a l i g n e d i n a f r o n t a l p l a n e .P a t i e n t s w h o u s e d t h e i r l e f t h a n d m o v e d t h e b e a d s f r o mt h e l e f t s e t o f t h re e s t i c k s t o t h e r i g h t o n e , a n d v i c e v e r s a .A f t e r t w o s u c c e s s f u l p r a c t i c e t r i a l s , 1 0 t r i a l s w e r e r u n , a n dt h e t i m e f r o m l e a v i n g t h e s t a r t i n g p o i n t u n t i l t h e d e l i v e r yo f t h e l as t b e a d w a s m e a s u r e d w i t h a s t o p w a t c h . I f a b e a df e l l o u t o f t h e h a n d , t h e t ri a l w a s r e p e a t e d . T h e m e a n t i m eo f t h e 1 0 t ri a l s w a s t a k e n f o r t h e s t a ti s ti c a l e v a l u a t i o n .

T o e x p l o r e w h e t h e r a f a u l t y a p p r e h e n s i o n o f s p a ti alr e l a ti o n s h ip s b e t w e e n b o d y p a r ts m i g h t b e a n e x p r e s s io n o fa m o r e g e n e r a l d i s t u r b a n c e o f v i s u o s p a t i a l p r o c e s s in g , t h ec o m p r e h e n s i o n a n d m a n i p u l a t i o n o f s p a ti a l re l a ti o n s h ip so u ts id e t h e h u m a n b o d y w a s a s s e ss e d b y t h e W A I S - Rs u b te s t b l o ck - d e s ig n . A s b l o c k - d e si g n d e m a n d s m o t o r m a -n i p u l a t i o n o f b l o c k s , t h is t e st s e r v e d a s a f u r t h e r c o n t r o l f o ra g e n e r a l d i s t u r b a n c e o f m o t o r e x e c u t i o n . F i n a l l y , a l lp a t i e n t s w i t h l e f t h e m i s p h e r e d a m a g e w e r e a d m i n i s t e r e dt h e G e r m a n v e r s i o n o f t h e T o k e n T e s t [ 1 2 ],

8 5 r i g h t - h a n d e d s u b j e c t s w e r e e x a m i n e d . T h e r e w e r e 3 5p a t i e n t s w i t h l e f t b r a i n d a m a g e ( L B D ) , 2 0 p a t i e n t s w i t hr i g h t b r a i n d a m a g e ( R B D ) , a n d 3 0 c o n t r o l s w i t h o u t a n ye v i d e n c e f o r b r a in d a m a g e . A l l p a t ie n t s w i th b r a i n d a m a g eh a d s u f f e r e d a s i n g l e , u n i l a t e r a l c e r e b r o v a s c u l a r a c c i d e n t( C V A ) , a n d a l l L B D p a t i e n t s h a d a p h a s i a . P a t i e n t s w i t hb r a i n d a m a g e u s e d t h e h a n d i p s i l a t e r a l t o t h e l e s i o n f o ri m i t a ti o n o f g e st u r es , p a n t o m i m e o f o b j e c t u s e a n d m a n i p -u l a ti o n o f b e a d s a nd m o v e d t h e s a m e h a n d o f th e m a n -n i k i n . C o n t r o l s u s e d e i t h e r t h e r i g h t o r t h e l e f t h a n d f o r a l lt e s t s . A s t h e r e w e r e n o d i f f e r e n c e s b e t w e e n c o n t r o l s u s i n gt h e i r r i g h t a n d t h o s e u s i n g t h e i r l e f t h a n d s t h e c o n t r o l d a t aw e r e c o l l a p s e d .

M a n n i k i n2 0

m

18

16

14

12

1 0

8 -

63 0 72 8 ~2 6 -2 4 -2 2 -

(1) 18-0 16-

~ 1 4 -12 -1o -8 -6 - Block -Des ign

B e a d s

" ~ 1 0

~ 9

32

2624

12ID864loken Test

A p r a c t i cIm]]] LBDE ~ RB DIZ~ Cont ro ls

Fig. 2. Results of im itation on the m annikin, m anipulation of b eads, block d esign and Token Test. M eans and S.D. are show n. See text for interpretation ofresults.


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100 G. Goldenberg e t al . / Cogni t ive Brain Research 3 (1996) 95 -10 0F i g . 2 d i s p l a y s t h e m a i n r e s u l ts . A p r a c t i c p a t i e n t s m a d e

s i g n i f i c a n t ly m o r e e r r o rs t h a n a n y o t h e r g r o u p w h e n i m i t a -t i o n w a s p r o b e d o n t h e m a n n i k i n . C o m p a r e d t o le f t b r a i nd a m a g e d p a t i e n t s w i t h o u t a p r a x i a, t h e y d i d a l s o w o r s e w i t hB l o c k - D e s i g n a n d w e r e s o m e w h a t - a l b e i t n o t s i g n i f i-c a n t l y - s l o w e r w i th t h e m a n i p u l a t i o n o f b e a d s . H o w e v e r ,o n b o t h o f t h e s e t es t s, p a t i e n t s w i t h r i g h t b r a i n d a m a g e h a dm o r e d i f f i c u lt i e s t h a n t h e a p r a c t ic p a t i e n t s. I n m a n i p u l a t i o no f b e a d s t h e r ig h t b r a i n d a m a g e d p a t i e n t s ' d i f f i c u l ti e sa p p e a r e d t o s t e m f r o m t h e v i s u o s p a t i a l d e m a n d s o f a li g n -i n g t h e b o r i n g s o f t h e b e a d s e x a c t l y w i t h t h e d i r e c t i o n o ft h e ro d s . I n s u m i t w o u l d a p p e a r t h a t t he d i f f i c u l t i e s w h i c ht he a p r a c t ic p a t i en t s e x p e r i e n c e d w i t h t h e m a n n i k i n c a nn e i t h e r b e r e f e rr e d t o a g e n e r a l w e a k n e s s o f v i s u o s p a t i a la b i l i t i e s n o r t o a g e n e r a l l a c k o f m o t o r s k i l l . T h e s e v e r i t yo f a p h a s i a w a s g r e a t e r i n a p r a c t ic p a t i e n t s t h a n i n l ef t b r a i nd a m a g e d p a t i e n t s w i t h o u t a p r a x i a a n d , c o n s e q u e n t l y , t hea p r a c t i c p a t i e n t s ' s c o r e s o n t h e T o k e n - T e s t w e r e s i g n i f i -c a n t l y lo w e r . H o w e v e r , a l l p a t i e n t s h a d u n d e r s t o o d t h ei n s t r u c t i o n a n d i m i t a t i o n o f g e s t u r e s i s it s e l f a c o m p l e t e l yn o n - v e r b a l t a s k.

I t i s , i n p r i n c i p l e , i m p o s s i b l e t o u l t i m a t e l y p r o v e t h a t t h ea s s o c ia t e d o c c u r r e n c e o f t w o n e u r o p s y c h o l o g i c a l s y m p -t o m s s t e m s f r o m a c o m m o n b a s i c d ef i c it , b u t th e r es u l ts o ft h e s t u d y a r e c l e a r l y i n a c c o r d w i t h h y p o t h e s i s t h a t p a t i e n t sw i t h a p r a x i a h a v e p r o b l e m s w i t h a g e n e ra l c o n c e p t o f t h eh u m a n b o d y , a n d t h at e r ro r s i n th e i m i t a t i o n o f m e a n i n g -l e ss m o v e m e n t h a v e t h e ir s o u r c e t h er e . T h i s i n t e r p r e t a ti o ni s f a r a w a y f r o m t h e i n it i a l a s s u m p t i o n t h a t i m p a i r e di m i t a t i o n o f m o v e m e n t s t e st if i e s th e e x i s t e n c e o f a d e f i c i to f m o t o r e x e c u t i o n a n d h e n c e a l e ft h e m i s p h e r e d o m i n a n c ef o r m o t o r c o n t ro l . O n t h e c o n t r a ry , i m p a i r e d i m i t a t io n o fm o v e m e n t s c a n b e s e e n a s a f u rt h e r m a n i f e s t a t i o n o fn o n - v e r b a l c o n c e p t u a l d i s t u r b a n c e s f o l l o w i n g l e f t h e m i -s p h e r e d a m a g e [ 5 , 8 , 9 , 2 4 ] .

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