可以通过眼动来研究神经控制和认知过程。VisualEyes 软件允许操作者使用一种简单、自定义的脚本语言独立地在两台计算机屏幕上编程刺激。该系统可刺激协同性眼动（扫视和平滑追随）或对向性眼动（辐辏），或任意组合形式的眼动。
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摘要
摘要
眼动研究为理解大脑在正常与功能障碍状态下如何获取视觉信息奠定了坚实基础1。然而，开发一个用于刺激并记录眼动的平台可能需要大量的编程工作、时间和成本。许多系统无法灵活地为多种实验需求编程多种刺激。然而，VisualEyes 系统具有灵活的架构，允许操作者选择任意背景和前景刺激，设置一个或两个屏幕以实现协同或对侧眼动，并独立刺激左眼和右眼。该系统可显著减少开展眼动研究所需的编程开发时间。VisualEyes 系统将从以下三个方面进行介绍：1）用于采集眼动反应的眼动记录装置；2）基于 LabView 编写的 VisualEyes 软件，用于生成多种刺激并以文本文件形式存储反应数据；3）离线数据分析。眼动可通过多种仪器记录，例如：角膜反光追踪系统、巩膜搜索线圈或视频图像系统。本报告将展示典型的眼动刺激，如扫视跃步、辐辏斜坡和辐辏跃步及其相应的反应。在本视频报告中，我们展示了该系统在创建多种视觉刺激和记录眼动方面的灵活性，基础科研人员和临床医生均可利用该系统研究健康人群及临床患者群体。
方案
图1展示了进行眼动实验所需关键要素的概览。下文将详细讨论流程图中的每个模块。
1. 仪器设置：
- 该系统可使用任意类型的 eye movement monitor。我们将演示一种红外角膜缘追踪系统和一种视频监控系统。
- 对于同向的眼动，如扫视或平滑追踪，可使用一台计算机进行视觉显示。若要研究对向的眼动，如辐辏运动，或辐辏与同向版本运动的相互作用（例如，辐辏与扫视刺激的结合），则需要使用 haploscope，并配备两台计算机显示器进行视觉呈现，见图2。
2. 校准：
- 校准是将一组度量转换为另一组度量所必需的。眼动通常以旋转角度（°）表示，如图3所示。然而，计算机显示器使用像素值，而视觉研究人员通常以角度表示视觉刺激。因此，需要进行转换，将像素值转换为角度。可以使用三角学计算物理目标的位置，以校准视觉显示。例如，如果计算机屏幕上的刺激与一个2°的物理目标对齐（见图2），则该像素值对应于一个2°的刺激。
- 为校准系统，操作员需要在VisualEyes目录中打开Pixel2Deg.vei文件。首先，使用拉伸模式字段定义要校准的显示器：输入数字1表示左眼显示器，输入数字2表示右眼显示器。然后运行程序，并移动绿色线状刺激，直到绿色线与物理目标完全重叠。输入已知物理目标的位置（以度为单位），然后按下保存按钮。接着点击绿色线，度数和像素值将显示在屏幕左下角。操作员应至少采集三个校准点。
- 保存所有校准点后，在VisualEyes目录中打开D2P输出文件以获取校准数据。绘制校准点以获得线性回归方程。使用该方程计算操作员希望编程的视觉刺激的起始和终止位置（以像素值表示）。图4展示了使用五个校准点获得的左眼和右眼会聚刺激的校准曲线示例。
- 如果刺激需要额外的显示器，则对另一台显示器重复步骤2.2和2.3。
3. VISUALEYES 软件：
- 定义刺激： 操作者需在实验前定义左右眼刺激的起始位置和终止位置。首先，新建一个文本文件，在第一行定义刺激的初始时间与位置参数。需定义以下四个参数：1）时间（秒），2）水平位置（像素），3）垂直位置（像素），4）旋转角度°) 以制表符分隔。同样，定义刺激的最终时间和位置的四个参数。将刺激保存在 VisualEyes 目录下，文件名为 stimulus_name.vei（VEI = VisualEyes Input）文件，并对另一只眼的刺激重复此步骤。
- 刺激的运动可分为两种类型：突然的阶跃运动或连续的斜坡运动。阶跃运动使刺激从初始位置突然移动或跳跃至最终位置。操作者应注意，阶跃刺激的时间变化为0.001秒。在下一行中，需定义刺激在初始位置和最终位置各停留的时间。每个刺激通过一行中的四个字段进行定义。表1展示了扫视阶跃、平滑追踪斜坡、会聚阶跃和会聚斜坡的示例。
- 对于刺激，可以采用单一刺激（如一个步骤）或一系列视觉任务（如多个步骤）。
- 将刺激保存至刺激库： 在VisualEyes目录中的dc1.txt（左眼刺激/显示器）和dc2.txt（右眼刺激/显示器）文件内包含多个默认设置。第一行为屏幕水平方向的百分比。第二行为屏幕垂直方向的百分比。第三行为背景图像，第四行为前景或目标图像。第五行表示计算机以独立模式运行。第6th 表示显示器编号（1 为右眼，2 为左眼）。7th 屏幕的宽高比是显示器的一个方面。其余各项是操作员在实验过程中可以使用的不同类型的刺激。
- 打开 VisualEyes 目录中的 dc1.txt 和 dc2.txt 文件。这两个文件分别包含左眼和右眼的刺激库。在最后一行，写入由步骤 3.1 生成的刺激文件的文件名。其中，profile 编号对应于 mth 与刺激文件名相对应的行。例如，在图1中，刺激的配置编号为8。
- 可重复步骤 3.1 至 3.2，以生成实验所需的任意数量的刺激。
- 撰写实验方案脚本： 打开一个文本文件以输入实验方案命令。该文件称为脚本文件，表示VisualEyes系统将读取并执行此文件中脚本包含的每条命令。创建实验方案的脚本文件功能使用户能够使用相同方案重复进行实验。此外，可编写多个脚本以改变实验命令的类型和顺序。该文件可保存至VisualEyes目录下，文件名为script_name.ves。（VES = VisualEyes Script）
- VisualEyes 的函数包含输入和输出参数。表 2 列出了 VisualEyes 软件中的所有函数。
- ExpTrial：此功能用于调用步骤3.2中已保存在刺激库中的刺激。数据长度指该函数执行刺激所允许的时间。tempfile.lwf允许VisualEyes软件临时存储传入的数据，并将其输出至输出缓冲区。当未定义tempfile.lwf时，在执行此功能期间将不会存储任何传入数据以进行数字化。
- 日志文件：该函数将来自 ExpTrial 的字符串或输入缓冲区内容输出到 VisualEyes 目录中的 out.txt 文件。实验结束后，操作者必须将 out.txt 文件更名，否则下次实验时数据将被覆盖。
- TriggerWait：该函数等待受试者按下触发按钮，以启动实验试次（ExpTrial）并开始数据的数字化采集。此功能对应于数字采集卡上的一个通道，用于等待信号从高电平数字信号（5 V）变为低电平数字信号（0 V）。
- 随机延迟：该函数生成一个随机延迟，以防止受试者预测或预判下一个刺激的出现。
- WaveMSD：该函数用于计算数据的均值和标准差。
- VisualEyes 的函数包含输入和输出参数。表 2 列出了 VisualEyes 软件中的所有函数。
4. 放置眼动监测仪并运行实验：
- 可使用多种眼动监测设备，如角膜反射视频成像系统、角膜缘追踪系统或巩膜搜索线圈，以采集和记录眼动数据。
- 在受试者参与实验前，必须向其解释实验内容，并要求其阅读并签署经机构审查委员会批准的知情同意书。
- 操作者需在受试者身上调整眼动监测设备。首先，要求受试者注视一个目标点。操作者根据所使用的眼动监测设备，调整设备以捕捉眼睛的解剖特征，例如角膜缘（虹膜与巩膜的边界）、瞳孔或角膜反射。
- 当眼动监测设备在受试者身上正确调整后，操作者应通过要求受试者进行辐辏或扫视运动，来验证设备是否准确捕捉到眼动信号。
- 打开 VisualEyes 目录中的程序 ReadScript.vei。在右上角输入由步骤 3.4 创建的实验协议脚本文件的文件名，然后点击左上角的红色箭头运行 ReadScript.vei 程序。
- 将触发按钮交给受试者，并说明按下按钮后数据采集将开始。此时屏幕上将自动弹出另一个 Acquire.vei 文件，用于实时绘制传入的数据。数据采样频率为 500Hz。
- 实验完成后，ReadScript.vei 将自动停止。此时，进入 VisualEyes 目录并找到 Out1.txt 文件，应立即重命名该文件，否则下次运行实验时，数据文件将被覆盖。
5. 离线数据分析：
- 操作者可使用不同的软件包（例如 MatLab 或 Excel）分析数据。根据研究目的，可能关注的参数包括潜伏期、峰值速度或幅度。
- VisualEyes 目录中提供了一个 Matlab 分析代码示例，用于绘制眼跳、辐辏阶跃和辐辏斜坡图形。图 5 展示了集合眼跳、辐辏阶跃和辐辏斜坡的位置轨迹及其对应的速度响应示例。
6. 代表性结果：
图5展示了使用VisualEyes系统记录的眼动集合示例。图4A显示了典型的10°扫视运动。反向扫视（antisaccades）是指受试者被要求朝视觉刺激相反方向进行扫视时产生的反应，如图4B所示。该任务在认知上要求更高，因此可以观察到，与朝向视觉刺激的扫视（也称为正向扫视，prosaccades）相比，反向扫视的反应潜伏期或启动运动所需时间更长（图4B vs 图4A）。图4C展示了对4°阶跃刺激的辐辏反应，图4D展示了对5 °/s斜坡刺激的辐辏反应。每条轨迹代表一次独立的眼动，其中上排为以度为单位表示的眼动位置随时间的变化。眼动以度、米角或棱镜屈光度为单位进行校准，本研究采用旋转角度（度）作为单位。下排为以°/s为单位表示的眼动速度随时间的变化，即运动的速度。每组数据的刻度根据具体眼动类型而有所不同。
图 1. 开展眼动实验的关键要素流程图。图中展示了使用 VisualEyes 软件生成刺激并进行离线数据分析实验所需的步骤示例。A 部分显示 Pixel2Deg.vei 窗口。B 部分演示定义刺激所需的四个参数。C 部分为刺激库，其中刺激库内的黑色文本行为示例刺激文件，红色文本用于说明每一行的含义。D 部分为实验脚本协议的一个示例。
图 2. VisualEyes 系统 haploscope 实验装置。使用三台 CRT 显示器：1）控制面板用于查看刺激和反应；2）右眼（RE）视觉刺激用的 CRT 显示器；3）左眼（LE）视觉刺激用的 CRT 显示器。在两台视觉刺激 CRT 显示器前方 30 cm 处放置一面半镀银镜（50% 透射和 50% 反射镜）。目的是确保 CRT 显示器上的刺激被投射到该半镀银镜上。该镜片使受试者能够将计算机屏幕上的刺激与位于距受试者特定距离处的目标重叠观察，这是校准所必需的。使用 haploscope 可使双眼的调节需求保持恒定。受试者眼睛与镜面之间的距离为 10 cm。该系统可调节以适应不同的瞳孔间距（IPD），但在本演示中，假设 IPD 为 6 cm。
图3. 显示从目标A到目标B的扫视（左）和辐辏（右）运动的计算。IPD为瞳孔间距。
图4. 左眼（上方图）和右眼（下方图）刺激的校准曲线。对于扫视或平滑追踪刺激，可采用类似的步骤进行校准。
图 5. 使用 VisualEyes 系统记录并经自定义 MATLAB 程序分析的扫视（A）、抗扫视（B）、辐辏阶跃（C）和辐辏斜坡（D）示例。上排为集合位置轨迹图（以时间（秒）为横坐标，单位为°），每条彩色线条代表一次不同的眼动。下排为相应的眼动速度轨迹图（以时间（秒）为横坐标，单位为°/s）。
| 刺激类型 | Stimulus_Name_Left Eye.vei | Stimulus_Name_Right_Eye.vei | ||||||
| 时间 (s) | x-位置 (像素) | y-位置 (像素) | 旋转 (°) | 时间 (s) | x-位置 (像素) | y-位置 (像素) | 旋转 (°) | |
| 平滑追踪斜坡 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 |
| 10 | 200 | 0 | 0 | 10 | 200 | 0 | 0 | |
| 扫视步进 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 |
| 0.5 | 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 | |
| 辐辏斜坡 | 0 | 452 | 0 | 0 | 0 | 973 | 0 | 0 |
| 10 | 370 | 0 | 0 | 10 | 1044 | 0 | 0 | |
| 辐辏步进 | 0 | 452 | 0 | 0 | 0 | 973 | 0 | 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 | |
表1. 平滑追踪斜坡、扫视步进、集合斜坡和集合步进刺激示例
| 功能 | 语法 |
| ExpTrial | 输出缓冲区编号 = ExpTrial ("数据长度：LE 配置文件：RE 配置文件"); 示例：2=ExpTrial("13:3:3"); |
| 输出缓冲区编号 = ExpTrial ("数据长度：LE 配置文件：RE 配置文件：临时文件.lwf") ; 示例：2=ExpTrial("13:3:3:templfile.lwf"); | |
| LogFile | 输出缓冲区编号 = LogFile("文本"); 示例：0=LogFile("实验 1"); |
| 0=LogFile(输入缓冲区编号); 示例：0=LogFile(2); | |
| TriggerWait | 0=TriggerWait(缓冲区编号); 示例：0=TriggerWait(0); |
| RandomDelay | 0=RandomDelay("t2:t1"); 示例：0=RandomDelay("2000:500"); |
| WaveMSD | 输出缓冲区编号 = WaveMSD(输入缓冲区编号); |
表2. 在 VisualEyes 程序中编写实验方案所使用的函数
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讨论
关键步骤：
眼动监测设备必须在受试者身上进行适当调整。例如，眼动记录监测设备的工作范围有限，必须根据受试者进行调节。如果受试者的眼动超出该范围，系统就会达到饱和状态。一旦发生饱和，眼动信号将不再有效。校准在眼动记录过程中也至关重要。所有眼动监测设备测量的都是模拟信号，该信号需经过数字化处理，并转换为眼动研究中常用的单位，例如旋转角度（度）。通过三个或更多校准点评估系统的线性度，对于判断信号向角度的转换是否可采用简单的线性变换，或是否需要更复杂的转换方法，也具有重要意义。还需注意，在使用 haploscope（单视镜）设置时，必须正确放置计算机显示器和物理目标，以确保计算机屏幕上的视觉刺激能够准确对齐。
此外，对受试者的指导说明也至关重要。例如，在视频或角膜缘追踪系统中，眨眼会导致信号丢失；然而，操作者无法要求受试者长时间不眨眼。通过向受试者发出指令，可在操作者希望受试者注视新目标以避免数据采集过程中发生眨眼时提供帮助。指导说明重要性的另一个例子体现在前瞻运动实验（prosaccade）与反向运动实验（antisaccade）之间...
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致谢
本工作部分得到了美国国家科学基金会（BES-0447713）职业奖以及依视路国际公司资助项目的资助。
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参考文献
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重印与许可
勘误
Formal Correction: Erratum: VisualEyes: A Modular Software System for Oculomotor Experimentation
Posted by JoVE Editors on 5/11/2011. Citeable Link.
A correction was made to VisualEyes: A Modular Software System for Oculomotor Experimentation. There was an error in the authors, Eun H. Kim and Tara L. Alvarez, names. The author's names have been corrected to:
Eun H. Kim and Tara L. Alvarez
instead of:
Eun Kim and Tara Alvarez
