VisualEyes: un sistema software modulare per la Sperimentazione oculomotoria

Summary

Il controllo neurale e processi cognitivi possono essere studiati attraverso i movimenti oculari. Il software VisualEyes consente all'operatore di programmare stimoli su due schermi di computer in modo indipendente utilizzando un linguaggio semplice, scripting personalizzato. Il sistema è in grado di stimolare i movimenti oculari tandem (saccadi e di esercizio regolare) o movimenti oculari opposti (di convergenza) o qualsiasi combinazione.

Abstract

Studi Eye Movement hanno fornito una solida base formando una comprensione di come il cervello acquisisce informazioni visive sia nel cervello normale e disfunzionale. ¹ Tuttavia, lo sviluppo di una piattaforma per stimolare e movimenti oculari negozio può richiedere programmazione sostanziale, tempi e costi. Molti sistemi non offrono la flessibilità di programmare numerosi stimoli per una varietà di esigenze sperimentali. Tuttavia, il sistema VisualEyes ha un'architettura flessibile, che permette all'operatore di scegliere qualsiasi sfondo e primo piano di stimolo, il programma di uno o due schermi per tandem o opporsi movimenti oculari e stimolare l'occhio destro e sinistro in modo indipendente. Questo sistema è in grado di ridurre significativamente il tempo di sviluppo di programmazione necessario per condurre uno studio oculomotore. Il sistema VisualEyes sarà discusso in tre parti: 1) il dispositivo di registrazione oculomotorio di acquisire risposte movimento degli occhi, 2) il software VisualEyes scritto in LabView, per generare una serie di stimolie le risposte memorizzare come file di testo e 3) analisi dei dati offline. I movimenti oculari possono essere registrati da diversi tipi di strumenti quali: un sistema di tracciamento limbus, una bobina di ricerca sclera, o un sistema di immagine video. Verranno mostrati tipici stimoli movimento degli occhi, come gradini, rampe saccadici convergente e gradini convergente con le risposte corrispondenti. In questo video report, dimostriamo la flessibilità di un sistema per creare numerosi stimoli visivi e movimenti oculari di record che possono essere utilizzati da scienziati e medici di base per studiare sani e popolazioni cliniche.

Protocol

Una panoramica degli elementi chiave necessari per condurre un esperimento oculomotore è mostrato in figura 1. Ogni blocco nel diagramma di flusso sarà discusso in dettaglio nel seguito.

1. STRUMENTAZIONE SET-UP:

1. Qualsiasi tipo di monitor movimento degli occhi può essere utilizzato per questo sistema. Dimostreremo un tracciamento limbus a infrarossi e un sistema di monitoraggio video.
2. Per i movimenti di tracciamento tandem come inseguimento saccadico o liscia, un singolo computer può essere utilizzato per la visualizzazione. Per studiare i movimenti degli occhi opposti, come convergenza o l'interazione di convergenza con i movimenti di versione tandem (cioè, convergente con stimoli saccadici) un haploscope è necessario con due monitor di computer per la visualizzazione visiva, vedi figura 2.

2. TARATURA:

1. La calibrazione è necessaria per convertire un insieme di parametri in un altro. I movimenti oculari sono generalmente indicate in gradi (°) di rotazione indicata nella figura 3. Tuttavia, computer monitors utilizzano valori dei pixel rispetto ai ricercatori di visione che spesso denotano gli stimoli visivi in ​​gradi. Quindi, è necessaria una conversione per convertire i valori dei pixel in gradi. Si può usare la trigonometria per calcolare dove posizionare gli obiettivi fisici per calibrare i display visivi. Ad esempio, se lo stimolo sullo schermo del computer allinea con un 2 ° destinazione fisica (vedi figura 2), allora il valore del pixel corrisponde ad uno stimolo 2 °.
2. Per calibrare il sistema, l'operatore deve aprire Pixel2Deg.vei all'interno della directory VisualEyes. In primo luogo, definire il monitor per calibrare utilizzando il campo modalità tratto. Inserire il numero 1 per il monitor occhio sinistro e il numero 2 per il monitor occhio destro. Quindi, eseguire il programma e spostare la linea di stimolo verde finché la linea verde è sovrapposta sulla parte superiore del bersaglio fisica. Inserire la posizione nota del bersaglio fisico in gradi e premere il pulsante Salva. Quindi, fare clic sulla linea verde. Il valore in gradi e pixel verrà visualizzato sul display in tegli basso a sinistra angolo. L'operatore deve raccogliere un minimo di tre punti di calibrazione.
3. Dopo aver salvato tutti i punti di calibrazione, aprire il file di output D2P nella directory VisualEyes per ottenere i punti di calibrazione. Tracciare i punti di calibrazione per ottenere una equazione di regressione lineare. Utilizzare l'equazione per calcolare la posizione iniziale e finale dello stimolo visivo l'operatore desidera programmare in valori di pixel. Un esempio dell'occhio sinistro e la curva di calibrazione ottenuta usando occhio destro cinque punti di calibrazione per uno stimolo vergenza è mostrato in figura 4.
4. Ripetere i punti 2.2 e 2.3 per l'altro monitor se lo stimolo richiede un monitor aggiuntivo.

3. VisualEyes SOFTWARE:

1. Definire uno stimolo: L'operatore deve definire la posizione iniziale e finale di sinistra e di destra stimolo dell'occhio prima dell'esperimento. In primo luogo, aprire un nuovo file di testo e in prima fila, definire il tempo iniziale e valori di posizione of stimolo. Quattro parametri devono essere definiti 1) tempo (secondi), 2) la posizione orizzontale (pixel), 3) la posizione verticale (pixel), e 4) la rotazione (°) separati da una linguetta. Analogamente, definire i quattro parametri del tempo e la posizione finale dello stimolo. Salvare lo stimolo nella directory VisualEyes come stimulus_name.vei di file (VEI = VisualEyes Input) e ripetere l'operazione per l'altro stimolo occhio.
   1. Il movimento dello stimolo può essere generalizzata in due tipi di movimento: un passo brusco o una rampa continua. Un passo permette lo stimolo per spostare bruscamente o saltare dalla posizione iniziale alla posizione finale. L'operatore deve notare che il cambiamento nel tempo è di 0,001 secondi per uno stimolo passo. Nella riga successiva, definire quanto tempo si desidera lo stimolo di risiedere nella posizione iniziale e la posizione finale. Gli stimoli sono definite utilizzando quattro campi all'interno di una riga. Un esempio di un passo saccadici, rampa di esercizio regolare, passo convergente e rampa convergente sono mostrati inTabella 1.
   2. Per stimoli, si può avere un singolo stimolo quale un passo o una sequenza di compiti visivi come a più passaggi.
2. Salvare stimolo in stimoli Biblioteca: Ci sono diverse impostazioni predefinite nel dc1.txt (occhio sinistro stimolo / monitor) e dc2.txt (occhio destro stimolo / monitor) i file all'interno della directory VisualEyes. La prima riga è la percentuale dello schermo nella direzione orizzontale. La seconda linea è la percentuale dello schermo nella direzione verticale. Il terzo è l'immagine di sfondo e il quarto è l'immagine di primo piano o di destinazione. La quinta riga indica al computer di funzionare in modo indipendente. Il ⁶ ° significa che il monitor (1 è l'occhio destro e 2 è lasciato occhio). Il 7 ^° riga è il rapporto di aspetto dei monitor. Il resto delle linee sono i diversi tipi di stimoli l'operatore può utilizzare all'interno di una sessione sperimentale.
   1. Aprire il dc1.txt e dc2.txt dal diret VisualEyestory. Questi due file contengono gli stimoli della biblioteca per l'occhio sinistro e l'occhio destro, rispettivamente. L'ultima riga, scrivere il nome del file dello stimolo che è stato generato dal passaggio 3.1. Il numero di profilo si riferisce al m ^° fila corrispondente al nome del file di stimolo. Ad esempio, in figura 1, il numero di profilo dello stimolo è 8.
3. Si può ripetere i passaggi 3,1-3,2 per creare il maggior numero di stimoli che sono necessarie per un esperimento.
4. Scrivi Script per il protocollo sperimentale: Aprire un file di testo per digitare i comandi sperimentali protocollo. Questo file è denominato il file di script che significa che il sistema VisualEyes leggerà ed eseguire ogni comando dello script si trovano in questo file. La possibilità di creare un file script per un protocollo sperimentale permette all'utente di essere reiterata sessioni sperimentali utilizzando lo stesso protocollo. Inoltre, possono essere scritti numerosi script per variare il tipo e la sequenza di comandi sperimentali. Questo filepuò essere salvato nella directory VisualEyes come file script_name.ves. (VES = VisualEyes Script)
   1. Le funzioni VisualEyes hanno argomenti di input e output. La tabella 2 mostra tutte le funzioni del software VisualEyes.
      1. ExpTrial: Questa funzione viene utilizzata per chiamare lo stimolo che è stato salvato nella libreria di stimolo dal punto 3.2. La lunghezza dei dati è il tempo che permetterà la funzione di eseguire lo stimolo. Il tempfile.lwf permette al software VisualEyes per memorizzare temporaneamente i dati e output in ingresso in un buffer di uscita. Quando il tempfile.lwf non è definito, durante l'esecuzione di questa funzione, non sarà memorizzare i dati in entrata per la digitalizzazione.
      2. LogFile: Questa funzione emette stringhe o buffer di ingresso definito dal ExpTrial nel file out.txt nella directory VisualEyes. Quando l'esperimento è completa, l'operatore deve modificare il nome del file out.txt a un altro nome. In caso contrario, i dati saranno sovrascritti durante il prossimo speriment.
      3. TriggerWait: Questa funzione attende il soggetto di spingere un pulsante a scatto per avviare la ExpTrial e digitalizzare i dati. Questo è un canale in sulla scheda di acquisizione digitale che è in attesa del segnale per passare da un elevato digitale (5 V) al basso (0 V).
      4. RandomDelay: Questa funzione genera un ritardo casuale per impedire previsione o anticipazione della prossima stimolo.
      5. WaveMSD: Questa funzione calcola la media e la deviazione standard dei dati.

4. LUOGO THE EYE MOVEMENT MONITOR e RUN ESPERIMENTO:

1. Diversi monitor movimento degli occhi, come il sistema di video corneale riflessione per immagini, sistema di tracciamento limbus o sclera bobina di ricerca possono essere utilizzati per raccogliere e registrare i movimenti oculari.
2. Prima che un soggetto può partecipare, l'esperimento deve essere spiegato e il soggetto deve leggere e firmare un modulo di consenso informato approvato dal Institutional Review Board.
3. L'operatore must regolare il monitor movimento degli occhi sull'argomento. In primo luogo, il soggetto viene chiesto di fissarsi su un bersaglio. L'operatore regola il monitor movimento degli occhi per catturare gli attributi anatomici dell'occhio come il limbus (confine tra l'iride e sclera) o la pupilla e la riflessione corneale seconda monitor movimento degli occhi usato.
4. Una volta che il monitor movimento degli occhi è regolato correttamente il soggetto, l'operatore deve verificare che il monitor movimento degli occhi è catturare i movimenti degli occhi chiedendo al soggetto di fare convergente o movimenti saccadici.
5. Aprire il programma ReadScript.vei nella directory VisualEyes. Nell'angolo in alto a destra, digitare il nome del file di script protocollo sperimentale creato dal passaggio 3.4. Quindi, eseguire il programma ReadScript.vei premendo la freccia rossa in alto a sinistra.
6. Dare il soggetto il pulsante di scatto e spiega che quando il soggetto preme il pulsante, la raccolta dei dati avrà inizio. Un altro file Acquire.vei sarà automatico ly appaiono sullo schermo, che tracciare i dati in arrivo. I dati sono campionati a 500Hz.
7. Quando l'esperimento è completa, il ReadScript.vei si ferma automaticamente. In questo momento, andare nella directory VisualEyes e trovare il file Out1.txt. Rinominare il file altrimenti la prossima volta che l'operatore gestisce l'esperimento, il file di dati viene sovrascritto.

5. OFF-LINE ANALISI DEI DATI:

1. L'operatore può analizzare i dati utilizzando diversi pacchetti software (ie Matlab o Excel). Latenza, velocità di picco, o ampiezza possono essere di interesse a seconda dello studio.
   1. Un esempio di un codice Matlab analisi viene fornito nella directory VisualEyes per tracciare saccades, gradini vergenza e rampe di convergenza. Esempi della saccade insieme, passo convergenza e rampa convergenza di posizione tracce con le corrispondenti risposte di velocità sono mostrati in figura 5.

6. Rappresentante dei risultati:

t "> Esempi di insieme di movimenti oculari registrati con il sistema VisualEyes è mostrato nella Figura 5. tipici 10 ° movimenti saccadici sono mostrati nella trama 4A. Antisaccades sono risposte saccadici quando il soggetto viene detto di fare una saccade in direzione opposta . stimolo visivo e figurano nella trama 4B Questo è un compito più cognitivamente impegnativo, da cui si può osservare che la latenza o il tempo per iniziare il movimento è più lungo per antisaccades (trama 4B) rispetto a saccadi verso uno stimolo visivo chiamato anche prosaccades (plot 4A). risposte convergenza a 4 ° passaggi sono illustrati nella trama 4C e vergenza risposte a 5 ° / s rampe stimoli sono riportati nella trama 4D. Ogni traccia è un movimento oculare individuale dove la riga superiore è la posizione indicata in gradi come funzione del tempo. I movimenti oculari sono calibrati in unità di gradi, angoli metro o diottrie prisma. La nostra ricerca utilizza grado di rotazione. La riga inferiore è la velocità tracciata in ° / s in funzione del tempo di und è la velocità del movimento. La scala per ogni insieme di dati differisce a seconda del movimento.

Figura 1. Diagramma di flusso degli elementi chiave per condurre un esperimento oculomotore. Sono mostrati esempi di passaggi necessari per generare uno stimolo utilizzando il software VisualEyes e condurre un esperimento per l'analisi dei dati offline. Parte A mostra la finestra Pixel2Deg.vei. Parte B illustra i quattro parametri necessari per definire uno stimolo. Parte C è la libreria stimoli in cui le linee di testo nero all'interno della libreria di stimolo sono esempio stimoli file e il testo rosso definisce ogni riga. Parte D è un esempio di un protocollo di script sperimentale.

Figura 2. VisualEyes sistema haploscope set-up sperimentale. Tre monitor CRT da utilizzare sono: 1) Pannello di un controllo è necessario per visualizzare un stimolirisposte d 2) un monitor CRT per l'occhio destro (RE) stimoli visivi e 3) un CRT monitorare l'occhio sinistro (LE) stimoli visivi. Uno specchio semi-argentato è posta 30 cm di distanza dai due monitor CRT stimoli visivi. Questo è per assicurare che gli stimoli sui monitor CRT vengono proiettate sullo specchio argentato metà (trasmissione 50% e il 50% di riflessione speculare). Lo specchio consente al soggetto di visualizzare stimoli dagli schermi di computer sovrapposte su obiettivi situati a distanze misurate dal soggetto che è necessaria per la calibrazione. Con un haploscope, la sistemazione richiesta di entrambi gli occhi è mantenuto costante. La distanza tra gli occhi del soggetto e lo specchio è di 10 cm. Il sistema può essere regolata per ospitare diverse distanze pupillare (IPD), ma per questa dimostrazione ci si assume la IPD di essere di 6 cm.

Figura 3. Calcoli di saccadici (a sinistra) e convergente (a destra) movimento dagli obiettivi A a B sono mostrati. IPD è la distanza pupillare.

Figura 4. Curva di calibrazione dell'occhio sinistro (plot in alto) e l'occhio destro (grafico in basso) stimolo. Una procedura analoga sarebbe stata condotta per stimoli inseguimento saccadici o lisce.

Figura 5. Esempi di saccadi (A) antisaccades (B), punti di convergenza (C) e le rampe di convergenza (D) utilizzando il sistema VisualEyes e analizzati utilizzando un programma MATLAB personalizzato. Tracce di posizione Ensemble (° come funzione del tempo in sec) sono tracciati nella fila superiore dove ciascuna linea colorata rappresenta un movimento occhio diverso. I corrispondenti tracce di velocità (° / s in funzione del tempo in sec).

0.5

Stimolo Type	Stimolo_Name_Left Eye.vei				Stimulus_Name_Right_Eye.vei
	Time (s)	posizione x (pixel)	posizione y (pixel)	Rotazione (°)	Time (s)	posizione x (pixel)	posizione y (pixel)	Rotazione (°)
Smooth Pursuit Ramp	0	100	0	0	0	100	0	0
	10	200	0	0	10	200	0	0
Saccade Passo	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
Convergenza Ramp	0	452	0	0	0	973	0	0
	10	370	0	0	10	1044	0	0
Convergenza Passo	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

Tabella 1. Un esempio di Smooth Pursuit Ramp, saccadici Step, convergenza Ramp e convergenza Passo stimoli

Funzione	Sintassi
ExpTrial	Buffer di uscita # = ExpTrial ("Lunghezza dei dati: LE Profilo: RE Profilo"); Esempio: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3");
	Output Buffer # = Exo Trial ("Lunghezza dei dati: LE Profilo: RE Profilo:. filetemp LWF"); Esempio: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3: templfile.lwf");
LogFile	Output Buffer # = LogFile ("TEXT"); Esempio: 0 = LogFile ("Experiment 1");
	0 = LogFile (Input Buffer #); Esempio: 0 = LogFile (2);
TriggerWait	0 = TriggerWait (Buffer Number); Esempio: 0 = TriggerWait (0);
RandomDelay	0 = RandomDelay ("t2: t1"); Esempio: 0 = RandomDelay ("2000: 500");
WaveMSD	Output Buffer # = WaveMSD (Input Buffer #);

Tabella 2. Funzioni utilizzato per scrivere il protocollo sperimentale nel programma VisualEyes

Discussion

Fasi critiche:

Monitor movimento degli occhi devono essere regolati correttamente il soggetto. Ad esempio, i monitor di registrazione movimento degli occhi lavorano all'interno di una gamma e devono essere regolati al soggetto. Se il movimento degli occhi del soggetto va oltre la gamma, allora il sistema si satura. Dopo la saturazione, il segnale di movimento oculare non è valido. La calibrazione è fondamentale anche nella registrazione il movimento degli occhi. Tutti i monitor movimenti oculari misurare un segnale analogico che viene digitalizzato e deve essere convertito in unità comunemente utilizzati in movimento dell'occhio ricerca come il grado di rotazione. La linearità del sistema valutata attraverso tre o più punti di taratura è importante anche per determinare se la trasformazione del segnale in gradi può essere fatto utilizzando una semplice trasformazione lineare o necessita di una trasformazione più complessa. E 'anche importante notare che il corretto posizionamento dei monitor di computer e gli obiettivi fisici è necessario per allineare gli stimoli visivi del computerschermo quando viene utilizzato in un ambiente haploscope.

Inoltre, le istruzioni per i soggetti sono anche un imperativo. Ad esempio, per i sistemi di video o di monitoraggio limbus un batter d'occhio si tradurrà in perdite di segnale; Tuttavia l'operatore non può chiedere un soggetto non lampeggia per una lunga durata. Le istruzioni per il soggetto possono facilitare quando gli operatori vorrebbero il soggetto a guardare un nuovo obiettivo per evitare lampeggia durante la raccolta dei dati. Un altro esempio dell'importanza di istruzioni è rappresentata in un prosaccade contro un esperimento antisaccade. Per prosaccades il soggetto guarda verso il bersaglio rispetto ad un esperimento antisaccade cui il soggetto guarda nella direzione opposta del bersaglio stimolo.

Possibili modifiche:

La forza del sistema VisualEyess è la sua flessibilità. Diversi studi hanno pubblicato il loro software personalizzato per stimolare stimoli saccade. ^2,3,4,5 Tuttavia, ci sono molti altri types di studi oculomotori che si può desiderare di indagare come i movimenti di inseguimento o di convergenza lisce. Il sistema VisualEyes permette di programmare ogni monitor in modo indipendente in modo che l'operatore può programmare saccadici, esercizio regolare o stimoli convergente o una combinazione dei tre (saccadici con stimoli convergente per esempio). Lo sfondo è un'immagine statica che attualmente non si muove, ma la prossima generazione del software VisualEyes consentirà l'immagine di sfondo di muoversi. L'immagine in primo piano può essere spostato in senso orizzontale, in verticale o ruotare. L'immagine predefinita è una linea, ma può essere modificato in una distribuzione di funzione gaussiana (DOG) stimolo utilizzato per ridurre ulteriormente uno stimolo accomodante o qualsiasi altra immagine. Inoltre, la possibilità di programmare gli schermi di computer indipendente consente maggiore flessibilità. Ad esempio, euforia è normalmente misurata come parametro clinico, ma uno può decidere di registrare con un monitor movimento degli occhi. Phoria è la posizione di riposo di un whil occhio occlusoe l'altro occhio è uno stimolo. Abbiamo convalidato questo metodo di euforia che utilizzano il sistema VisualEyes misura. ^6,7,8

Applicazioni e significato:

Eye ricerca movimento può fornire informazioni significative per gli scienziati e medici di base. Può anche essere uno strumento per monitorare i disturbi neurologici da trauma cranico ⁹ a distrofia muscolare da ¹⁰ a malattia di Alzheimer da ¹¹ a schizofrenia. ¹² si può fornire indicazioni per l'apprendimento motorio, ¹³ meccanismi di attenzione, ¹⁴ o ¹⁵ di memoria per citarne alcune applicazioni. Inoltre, gode di una solida base neurofisiologia dalle registrazioni cella singola in primates1 non umano e può essere accoppiato con la risonanza magnetica funzionale per studiare contemporaneamente le funzioni cerebrali per capire le reti visiva, la connettività e le interazioni. ¹⁶