VisualEyes: En Modular Software System for oculomotor Eksperimentering

Summary

Neural kontroll og kognitive prosesser kan studeres gjennom øyebevegelser. Den VisualEyes programvare gjør at føreren kan programmere stimuli på to dataskjermer uavhengig ved hjelp av en enkel, tilpasset skriptspråk. Systemet kan stimulere tandem øyebevegelser (rykninger og glatt jakten) eller motstridende øyebevegelser (konvergens) eller en kombinasjon.

Abstract

Øyebevegelser studier har gitt et sterkt fundament som danner en forståelse av hvordan hjernen får visuell informasjon i både normal og dysfunksjonell hjerne. ¹ Men utvikling av en plattform for å stimulere og lagre øyebevegelser kan kreve betydelig programmering, tid og kostnader. Mange systemer ikke tilby den fleksibiliteten til å programmere en rekke stimuli for en rekke eksperimentelle behov. Imidlertid har VisualEyes System en fleksibel arkitektur, slik at føreren kan velge hvilken som helst bakgrunn og forgrunn stimulans, program en eller to skjermer for tandem eller motstridende øyebevegelser og stimulere til venstre og høyre øye uavhengig. Dette systemet kan redusere programmerings utvikling tiden det tar å gjennomføre en oculomotor studien. Den VisualEyes System vil bli diskutert i tre deler: 1) oculomotor opptaksenhet å erverve øyebevegelser svar, 2) VisualEyes programvare skrevet i LabView, for å generere en rekke stimuliog lagre svar som tekstfiler og 3) offline dataanalyse. Øyebevegelser kan tas opp av flere typer instrumenter som: en limbus tracking system, en sclera søk spiral, eller et videobilde system. Typiske øyebevegelser stimuli som rykke-trinn, vergent ramper og vergent trinn med tilhørende svar vil bli vist. I denne videoen rapporten viser vi fleksibiliteten til et system for å lage en rekke visuelle stimuli og plate øyebevegelser som kan utnyttes av grunnleggende forskere og klinikere til å studere sunne samt kliniske populasjoner.

Protocol

En oversikt over de viktigste elementene som trengs for å gjennomføre en oculomotor forsøket er vist i figur 1. Hver blokk i flytskjemaet vil bli omtalt i detalj nedenfor.

1. INSTRUMENTATION SET-UP:

1. Enhver type øyebevegelser Skjermen kan brukes for dette systemet. Vi vil demonstrere en infrarød limbus sporing og en video-overvåking.
2. For tandem sporing bevegelser som rykningsamplituden eller glatt jakten, kan en enkelt datamaskin brukes for visuell visning. Å studere motsatte øyebevegelser som konvergens eller samspillet av konvergens med tandem versjon bevegelser (dvs. vergent med rykningsamplituden stimuli) en haploscope er nødvendig med to dataskjermer for visuell skjerm, se figur 2.

2. Kalibrering:

1. Kalibrering er nødvendig for å omdanne en av beregnings inn i en annen. Øyebevegelsene blir vanligvis angitt i grader (°) for rotasjon som er vist i figur 3. Imidlertid datamaskin monitors bruke pikselverdier i forhold til synsforskere som ofte betegner de visuelle stimuli i grader. Derfor er en omdannelse nødvendig for å omdanne bildeelementverdiene til grader. Man kan bruke trigonometri til å beregne hvor du skal plassere de fysiske målene å kalibrere de visuelle skjermer. For eksempel, dersom stimulus på dataskjermen på linje med en 2 ° fysiske mål (se figur 2), så som pikselverdi tilsvarer en 2 ° stimulus.
2. Å kalibrere systemet, operatøren må åpne Pixel2Deg.vei innenfor VisualEyes katalogen. Først definerer skjermen for å kalibrere ved hjelp av strekkmodus feltet. Tast nummer 1 for venstre øye monitor og nummer 2 for høyre øye monitor. Deretter kjører programmet og flytte den grønne linjen stimulans til den grønne linjen er lagt på toppen av den fysiske mål. Skriv inn den kjente posisjonen til den fysiske mål i grader og trykk på lagre knappen. Deretter klikker du på den grønne linjen. Graden og pikselverdien vil bli vist på skjermen i than nederst til venstre hjørne. Operatøren skal samle minst tre kalibreringspunkter.
3. Når du har lagret alle kalibreringspunktene, åpner D2P utdatafilen i VisualEyes katalogen for å få kalibreringspunkter. Plott kalibreringspunktene for å oppnå en lineær regresjonsligning. Bruk av ligningen for å beregne den første og siste posisjon av den visuelle stimulus operatøren ønsker å programmere i pikselverdier. Et eksempel på det venstre øye høyre øye og kalibreringskurve oppnådd ved hjelp av fem kalibreringspunkter for en konvergens stimulus er vist i figur 4.
4. Gjenta trinn 2.2 og 2.3 for den andre skjermen hvis stimulans krever en ekstra skjerm.

3. VISUALEYES SOFTWARE:

1. Definere En Stimulus: Operatøren må definere første og siste posisjon av venstre og høyre øye stimulans før eksperimentet. Først må du åpne en ny tekstfil og på første rad, definere den første tiden og posisjon verdier of stimulans. Fire parametere må defineres 1) (i sekunder), 2) den horisontale stilling (piksel), 3) den vertikale stilling (piksel), og 4) rotasjon (°) adskilt av en fane. Likeledes, definerer de fire parameterne for den endelige tid og posisjon av stimulus. Lagre stimulans i VisualEyes katalogen som en stimulus_name.vei (VEI = VisualEyes Input-fil) og gjenta dette trinnet for det andre øyet stimulans.
   1. Bevegelsen av stimulus kan generaliseres i to typer: en brå bevegelse trinn eller kontinuerlig rampe. Et skritt lar stimulans til brått flytte eller hoppe fra startposisjonen til den endelige posisjon. Operatøren bør merke seg at endringen i tid er 0,001 sekunder for et skritt stimulans. I neste rad, definere hvor lenge du vil stimulans å oppholde seg i utgangsstilling, samt den endelige posisjon. Stimuli er definert ved hjelp av fire felt innen én rad. Et eksempel på en rykningsamplituden trinn, glatt jakten rampe, vergent trinn og vergent rampen er vist iTabell 1.
   2. For stimuli, kan du ha et enkelt stimulus som et trinn eller en sekvens av visuelle oppgaver som en flere trinn.
2. Lagre Stimulus inn Stimuli Library: Det er flere standardinnstillingene i dc1.txt (venstre øye stimulans / monitor) og dc2.txt (høyre øye stimulans / monitor) filer innenfor VisualEyes katalogen. Den første linjen er prosentandelen av skjermen i horisontalretningen. Den andre linjen er prosentandelen av skjermen i vertikal retning. Den tredje er bakgrunnsbildet og den fjerde er forgrunnen eller målbildet. Den femte linje viser maskinen å arbeide i selvstendig modus. De seks ^th betegner som monitor (1 er høyre øye og to er igjen øyet). 7 ^th linjen er størrelsesforholdet av skjermene. Resten av linjene er de forskjellige typer stimuli operatøren kan brukes innen en forsøkssesjon.
   1. Åpne dc1.txt og dc2.txt fra VisualEyes rettory. Disse to filene inneholder biblioteket stimuli for venstre øye og høyre øye henholdsvis. På den siste raden, skrive filnavnet på den stimulans som har blitt generert fra trinn 3.1. Profilnummeret refererer til m ^th rad tilsvarer stimulans filnavnet. For eksempel, i figur 1, er profil antall stimulus er åtte.
3. Man kan gjenta trinn 03.01 til 03.02 for å lage så mange stimuli som er nødvendig for et eksperiment.
4. Skriv Script for Experimental Protocol: Åpne en tekstfil å skrive de eksperimentelle protokollen kommandoer. Denne filen heter skriptfilen som betyr at VisualEyes System vil lese og utføre hver kommando fra manus funnet i denne filen. Evnen til å skape et skriptfilen for en eksperimentell protokoll tillater brukeren med atferd gjentatte eksperimentelle økter som bruker samme protokoll. Videre kan tallrike skript være skrevet for å variere type og rekkefølge av eksperimentelle kommandoer. Denne filenkan lagres i den VisualEyes katalogen som en script_name.ves fil. (VES = VisualEyes Script)
   1. De VisualEyes funksjoner har input og output argumenter. Tabell 2 viser alle funksjoner i VisualEyes programvare.
      1. ExpTrial: Denne funksjonen brukes til å ringe stimulus som er lagret i stimulans bibliotek fra trinn 3.2. Lengden av data er den tid det vil tillate funksjon å utføre stimulus. Den tempfile.lwf lar VisualEyes programvare for midlertidig lagring av innkommende data og sende den til en output buffer. Når tempfile.lwf ikke er definert, under utførelse av denne funksjonen, det vil ikke lagre alle innkommende data for digitalisering.
      2. Loggfil: Denne funksjonen sender strenger eller inngangs buffer definert fra ExpTrial inn i out.txt filen i VisualEyes katalogen. Når forsøket er ferdig, må brukeren endre navnet på den out.txt filen til et annet navn. Ellers vil dataene bli overskrevet ved neste experiment.
      3. TriggerWait: Denne funksjonen venter for faget å presse en trigger-knappen for å starte ExpTrial og digitalisere dataene. Dette er en kanal inn digital oppkjøpet kort som venter på signalet for å endre fra en digital høy (5 V) til lav (0 V).
      4. RandomDelay: Denne funksjonen genererer en tilfeldig forsinkelse for å hindre prediksjon eller påvente av neste stimulus.
      5. WaveMSD: Denne funksjonen beregner gjennomsnitt og standardavvik av dataene.

4. Legg Eye Movement MONITOR & RUN EKSPERIMENT:

1. Ulike øyebevegelser skjermer som hornhinnen refleksjon video imaging system, limbus sporingssystem eller sclera søk spiral kan brukes til å samle inn og registrere øyebevegelser.
2. Før et emne kan delta, må forsøket forklares og motivet må lese og signere et informert samtykkeskjema godkjent av Institutional Review Board.
3. Operatøren must justere øyebevegelser monitor om emnet. Først blir gjenstand bedt om å fiksere på et mål. Operatøren justerer øyebevegelser monitor for å fange de anatomiske egenskapene til øyet som limbus (grensen mellom iris og sclera) eller eleven og hornhinnen refleksjon avhengig av øyebevegelser monitor brukt.
4. Når øyebevegelser skjermen er riktig justert på emnet, bør operatøren bekrefte at øyebevegelser monitoren fange øyebevegelser ved å spørre faget å gjøre vergent eller rykke bevegelser.
5. Åpne programmet ReadScript.vei i VisualEyes katalogen. I øverste høyre hjørne, skriv inn filnavnet på den eksperimentelle protokollen skriptfilen opprettet fra trinn 3.4. Deretter kjører den ReadScript.vei programmet ved å trykke på den røde pilen på venstre kryss.
6. Gi emnet på utløserknappen og forklare at når motivet skyver knappen, vil datainnsamlingen begynner. En annen Acquire.vei filen vil Automatiske ly vises på skjermen som vil plotte de innkommende data. Data er samplet på 500Hz.
7. Når eksperimentet er fullført, vil ReadScript.vei automatisk stoppe. På denne tiden, gå inn i VisualEyes katalogen og finne den Out1.txt fil. Endre filnavnet ellers neste gang operatøren går eksperimentet, vil datafilen overskrives.

5. OFF-LINE DATAANALYSE:

1. Operatøren kan analysere data ved hjelp av ulike programvarepakker (dvs. Matlab eller Excel). Ventetid, topphastighet, eller amplitude kan være av interesse avhengig av studien.
   1. Et eksempel på en Matlab analyse kode er gitt i VisualEyes katalogen å plotte rykninger, konvergens trinn og konvergens ramper. Eksempler på ensemble saccade, konvergens trinn og konvergens rampeposisjons spor med de tilsvarende hastighets svarene er vist i figur 5.

6. Representative Resultater:

t "> Eksempler på ensemble av øyebevegelser registrert bruker VisualEyes System er vist i Figur 5. Typiske 10 ° rykke bevegelser er vist i plottet 4A. Antisaccades er rykke svar når motivet beskjed om å lage en saccade i motsatt retning av . den visuelle stimulus og er vist i plottet 4B Dette er en mer kognitivt krevende oppgave, derfor kan man observere at ventetid eller tid til å starte bevegelsen er lenger for antisaccades (tomten 4B) sammenlignet med rykninger mot en visuell stimulans også kalt prosaccades (tomten 4A). konvergens svar på 4 ° trinn er vist i plottet 4C og konvergens svar til 5 ° / s ramper stimuli er vist i plottet 4D. Hvert spor er en individuell øyebevegelser hvor den øverste raden er posisjon angitt i grader som en funksjon av tiden. øyebevegelsene blir kalibrert i enheter av grader, måler vinkler, eller prisme dioptrier. Vår forskning benytter grad av rotasjon. Den nederste raden er hastigheten avsatt i ° / s som en funksjon av tiden end er hastigheten av bevegelsen. Skalaen for hvert ensemble data varierer avhengig av bevegelsen.

Figur 1. Flytskjema av viktige elementer for å gjennomføre en oculomotor eksperiment. Eksempler på tiltak for å generere en stimulans bruker VisualEyes programvare og gjennomføre et eksperiment for offline dataanalyse er vist. Del A viser Pixel2Deg.vei vinduet. Del B viser de fire parametere som trengs for å definere en stimulans. Del C er den stimuli bibliotek hvor de svarte tekstlinjer innenfor stimulans bibliotek er eksempel stimuli filer og den røde teksten definerer hver linje. Del D er et eksempel på en eksperimentell protokoll skript.

Figur 2. VisualEyes System Haploscope Eksperimentell Set-Up. Tre CRT-skjermer blir brukt: 1) Et kontrollpanel er nødvendig for å vise stimuli end svar 2) en CRT-skjerm for høyre øye (RE) visuelle stimuli og 3) en CRT skjerm venstre øye (LE) visuelle stimuli. En halv forsølvet speil er plassert 30 cm unna de to visuelle stimuli CRT-skjermer. Dette er for å sikre at de stimuli på CRT-skjermer er projisert på en halv forsølvet speil (50% overføring og 50% refleksjon speil). Speilet tillater emnet å vise stimuli fra dataskjermer lagret på mål som ligger på målte avstander fra emnet som er nødvendig for kalibrering. Med en haploscope er boligen etterspørsel til begge øynene holdes konstant. Avstanden mellom øynene til motivet og speilet er 10 cm. Systemet kan justeres for å tilpasses forskjellige innbyrdes avstander pupillary (IPD), men for denne demonstrasjon vil vi anta at IPD å være 6 cm.

Figur 3. Beregninger av rykningsamplituden (til venstre) og Vergent (høyre) modring fra mål A til B er vist. IPD er den inter-pupillavstandsjustering.

Figur 4. Kalibrering kurve av det venstre øyet (øverst tomten) og høyre øye (nederst tomten) stimulus. En lignende prosedyre ville bli gjennomført for rykke eller glatte jaktstart stimuli.

Figur 5. Eksempler på rykninger (A) antisaccades (B), konvergens trinn (C) og konvergens ramper (D) ved hjelp av VisualEyes system og analysert ved hjelp av et tilpasset program MATLAB. Ensemble posisjons spor (° som en funksjon av tid i sek) er plottet i den øverste raden hvor hver farget linje representerer en annen øyebevegelser. De tilsvarende hastighets-traser (° / s som en funksjon av tid i sek).

0.5

Stimulus Type	Stimulus_Name_Left Eye.vei				Stimulus_Name_Right_Eye.vei
	Tid (s)	x-posisjon (pixel)	y-posisjon (pixel)	Rotasjon (°)	Tid (s)	x-posisjon (pixel)	y-posisjon (pixel)	Rotasjon (°)
Glatt Pursuit Ramp	0	100	0	0	0	100	0	0
	10	200	0	0	10	200	0	0
Saccade Step	0	100	0	0	0	100	0	0
	100	0	0	0.5	100	0	0
	0,501	200	0	0	0,501	200	0	0
	3	200	0	0	3	200	0	0
Konvergens Ramp	0	452	0	0	0	973	0	0
	10	370	0	0	10	1044	0	0
Konvergens Step	0	452	0	0	0	973	0
	0.5	452	0	0	0.5	973	0	0
	0,501	416	0	0	0,501	1002	0	0
	3	416	0	0	3	1002	0	0

Tabell 1. Et eksempel på Smooth Pursuit Ramp, rykningsamplituden Step, konvergens Ramp og konvergens Step Stimuli

Funksjon	Syntax
ExpTrial	Utgang Buffer # = ExpTrial ("Lengde på Data: LE Profil: RE profil"); Eksempel: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3");
	Output Buffer # = Exo Trial ("Lengde på Data: LE Profil: RE profil:. tempfile LVF"); Eksempel: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3: templfile.lwf");
Loggfil	Utgang Buffer # = Loggfil ("TEKST"); Eksempel: 0 = logg ("Forsøk 1");
	0 = Loggfil (Inndatabuffer #); Eksempel: 0 = logg (2);
TriggerWait	0 = TriggerWait (Buffer Number); Eksempel: 0 = TriggerWait (0);
RandomDelay	0 = RandomDelay ("t2: t1"); Eksempel: 0 = RandomDelay ("2000: 500");
WaveMSD	Utgang Buffer # = WaveMSD (Inndatabuffer #);

Tabell 2. Funksjoner brukes til å skrive Forsøksprotokoll i VisualEyes Program

Discussion

Kritiske Steps:

Øyebevegelser skjermer må være riktig innstilt på motivet. For eksempel, øyebevegelser opptak målere fungerer innenfor et område og må tilpasses til emnet. Hvis motivet er øyebevegelser går utover området, vil systemet blir mettet. Ved metning, er øyets bevegelsessignalet ikke gyldig. Kalibrering er også kritisk i øyebevegelser opptak. Alle øyebevegelser skjermer måle et analogsignal som blir digitalisert og må omdannes til enheter som vanligvis brukes i øyebevegelser forskning, for eksempel grad av rotasjon. Linearitet av systemet vurderes gjennom tre eller flere kalibreringspunkter er også viktig for å bestemme om transformasjonen av signalet inn i grader kan gjøres ved hjelp av en enkel lineær transformasjon eller behov for en mer kompleks transformasjon. Det er også viktig å merke seg at riktig plassering av dataskjermer og de fysiske mål er nødvendig for å justere det visuelle stimuli på datamaskinenskjermen når den brukes i en haploscope setting.

Videre instruksjoner til fagene er også avgjørende. For eksempel, for video eller limbus sporing systemer en blinking vil resultere i signal tap; men operatøren kan ikke be en gjenstand til å ikke blinke for en lang varighet. Instruksjoner til faget kan lette når operatørene ønsker faget å se på et nytt mål for å unngå blinker under datainnsamling. Et annet eksempel på betydningen av instruksjoner er representert i en prosaccade versus en antisaccade eksperiment. For prosaccades emnet ser på målet i forhold til en antisaccade eksperiment hvor objektet virker i motsatt retning av stimulus målet.

Mulige Modifikasjoner:

Styrken på VisualEyess systemet er dets fleksibilitet. Flere studier har publisert sin tilpasset programvare for å stimulere saccade stimuli. ^2,3,4,5 Men det er mange andre types av oculomotor studier som man kanskje ønsker å undersøke for eksempel glatte pursuit eller konvergens bevegelser. Den VisualEyes System gjør det mulig å programmere hver skjerm uavhengig slik at operatøren kan programmere rykningsamplituden, glatt forfølgelse eller vergent stimuli eller en hvilken som helst kombinasjon av de tre (rykningsamplituden med vergent stimuli for eksempel). Bakgrunnen er et statisk bilde som i dag ikke beveger seg, men den neste generasjonen av VisualEyes programvaren vil tillate bakgrunnsbildet til å flytte. Forgrunnsbildet kan flyttes horisontalt, vertikalt eller rotere. Standardbildet er en linje, men kan endres til en Fordeling av Gaussian funksjon (DOG) stimulus som brukes til å ytterligere redusere en accommodative stimulus eller et annet bilde. Videre er evnen til å programmere dataskjermer uavhengig tillater mer fleksibilitet. For eksempel er phoria rutinemessig målt som en klinisk parameter, men man kan være lurt å ta det opp med et øye bevegelse monitor. Phoria er hvilestilling av en lukket øye while det andre øyet har en stimulans. Vi har validert denne metoden for å måle phoria bruker VisualEyes System. ^6,7,8

Søknader og Betydning:

Øyebevegelser forskning kan gi vesentlig informasjon til grunnleggende forskere og klinikere. Det kan også være et verktøy for å overvåke nevrologiske lidelser fra traumatisk hjerneskade ⁹ til muskeldystrofi ¹⁰ til Alzheimers sykdom ¹¹ til schizofreni. ¹² Det kan gi innsikt for motorisk læring, ¹³ oppmerksomhetsmekanismer, ¹⁴ eller minne ¹⁵ for å nevne noen få programmer. Videre det fordeler fra en sterk nevrofysiologi fundament fra encellete opptak i ikke-menneskelig primates1 og kan kobles med funksjonell MR for å samtidig studere hjernens funksjon å forstå visuell nettverk, tilkobling og interaksjoner. ¹⁶