VisualEyes:一个模块化的软件系统动眼神经实验
2011年3月25日
神经控制和认知过程可以通过眼球运动来研究。在VisualEyes软件允许操作员程序独立使用一个简单的，自定义的脚本语言上的两个电脑屏幕的刺激。该系统可以刺激串联眼球运动（扫视和平滑追踪）或相对的眼球运动（辐辏）或任何组合。
该程序的总体目标是允许实验者使用视觉眼系统产生一系列视觉刺激以进行眼球运动研究。首先，需要通过使用测量目标将像素值转换为度数来校准视觉眼系统。第二步是在实验之前将刺激保存到库中，从而定义左眼和右眼刺激的初始和最终位置。
最后，将眼球运动监测器放置在受试者身上，并运行实验脚本以记录眼球运动反应。最终，可以获得显示眼球运动的位置和速度轨迹的结果。与现有方法（例如专有软件）相比，该技术的主要优点是作员可以利用任何视觉刺激进行任何类型的眼球运动实验。
演示此程序的是我实验室的 Kim 博士生。该系统可以使用任何类型的眼动监测器。在这个演示中，角膜缘跟踪和视频监控眼球运动系统将用于串联跟踪运动，例如精神病或平滑追逐。
一台计算机可用于视觉显示，以研究对立的眼球运动，例如处女或处女与串联版本运动的互动。需要一个单倍体镜和两个计算机显示器进行视觉显示。首先需要校准才能将一组指标转换为另一组指标，因为眼球运动通常以旋转度数表示。
虽然计算机显示器使用像素值，但可以使用三角函数来计算物理目标的放置位置以校准视觉显示。例如，如果计算机屏幕上的刺激与 2 度的物理目标对齐，则该像素值对应于 2 度的刺激。要校准系统，作员需要在 visualize 目录中打开像素到度数 vei 文件。
首先，使用 stretch mode 字段定义要校准的监视器。为左眼监视器输入 1 号，为 3 号为 右眼监视器输入 2 号。然后运行程序并移动绿线刺激，直到绿线叠加在物理目标上。
现在输入物理目标的已知位置（以度为单位），然后按保存按钮。然后点击绿线。度数和像素值将显示在左下角的显示屏上，作员应至少收集三个校准点。
保存所有校准点后，打开 Visualized 目录中的 D two P Excel 输出文件。获取校准点。绘制校准点以获得线性回归方程。
使用方程计算视觉刺激的初始和最终位置。运算符希望以像素值编程。此处显示了使用原始刺激的 5 个校准点获得的左眼和右眼校准曲线的示例。
如果刺激需要额外的监测器，请对另一个监测器重复前两个步骤。首先，作员需要在实验前定义左眼和右眼刺激的初始和最终位置。为此，请打开一个新的文本文件，然后在第一行中定义初始时间和位置值。
需要定义四个参数，时间、水平位置、垂直位置和旋转，每个参数都由一个选项卡分隔。同样定义四个最终参数，最终时间、水平位置、垂直位置和刺激的旋转。将刺激保存在可视化目录中，作为刺激名称 dot vii 文件，并对任何其他 I 刺激重复此步骤。
接下来，刺激的运动可以概括为两种类型的运动。突然的台阶或连续的斜坡。一个步骤允许刺激突然移动或从初始位置跳到最终位置。
作员应注意，对于阶跃激励，时间变化应为 0.001 秒。表 1 显示了精神病步骤、平滑追求斜坡、处女步和处女斜坡的示例。对于刺激，您可以有一个刺激，例如一个步骤或一系列视觉任务，例如多个步骤。
现在，将两个刺激文件保存在刺激库中。请注意，可视化目录中有几个默认设置。第一条线是屏幕在水平方向上的百分比。
第二条线是屏幕在垂直方向上的百分比。第三个是背景图像，第四个是前景或目标图像。第五行表示计算机应该在独立模式下工作。
第六行表示使用哪个监视器。第七行是显示器的纵横比。其余的行是作员可以在实验过程中使用的不同类型的刺激。
现在，打开 Left Eye 刺激监测器和 Right Eye 刺激。监控可视化目录中的文件。这两个文件分别包含左眼和右眼的库刺激。
在最后一行，写下已定义的激励的文件名。配置文件编号是指与激励文件名对应的行。例如，这里的刺激的配置文件编号为 8。
可以重复前面的步骤来创建实验所需的任意数量的刺激。接下来，可以编写实验方案的脚本。首先，打开一个文本文件以键入实验性协议命令，并将此文件作为脚本名称 vs 文件保存在可视化目录中。
这将是 Visualize 系统将从中读取和执行命令的脚本文件。可视化函数具有 input 和 output 参数。下表展示了可视化软件中未定义临时文件 dot lwf 时可以使用的所有功能。
在执行此功能期间，软件不会存储任何用于数字化的输入数据。日志文件函数将字符串或从 EXP 试用定义的输入缓冲区输出到可视化目录中的 out 文本文件中。实验完成后，请务必将 out 文本文件的名称更改为其他名称。
否则，数据将在下一次实验期间被覆盖。触发权重功能等待受试者按下触发按钮以开始在屏幕上表示为 exp trial 的实验试验并将数据数字化。这是数字采集卡上的通道 12，它正在等待信号从数字高电平变为低电平。
最后，随机延迟函数生成随机延迟以防止预测或预期下一个刺激，波 MSD 函数计算数据的平均值和标准差。在开始实验之前，受试者必须提供机构审查委员会批准的书面知情同意书。在受试者同意参与之前，必须详细解释实验。
不同的眼球运动监测器，如角膜反射视频成像系统、角膜缘跟踪系统或巩膜搜索线圈，可用于收集和记录眼球运动。在这里，我们将演示一个 Limbus 跟踪系统。然后调整眼动监测器以捕捉眼睛的解剖属性，例如角膜缘或瞳孔和角膜反射，具体取决于所使用的眼动监测器。
在被试者身上正确调整眼球运动监测器后，通过要求被试者左右进行精神病或向内和向外称为处女运动来验证眼球运动监测器是否正在捕捉眼球运动。打开程序 Read script dot vei 在右上角可视化的目录下，输入之前创建的实验性协议脚本文件的文件名。然后通过按下左上角的箭头按钮运行 read script dot vei 程序。
接下来，给受试者触发按钮，并说明当按下按钮时，数据收集将开始。另一个采集 VEI 文件将自动出现在屏幕上，该文件将绘制输入数据。数据以 500 赫兹的频率进行采样。
当 Experiment 完成后，read script dot bei 将在此时自动停止。进入 visualized 目录并找到 out 文本文件。重命名文件。
否则，下次 Operator 运行 Experiment 时，数据文件将被覆盖。实验完成后，可以使用不同的软件包（包括 MATLAB 或 Excel 延迟）分析数据。根据研究的不同，峰值速度或振幅可能值得关注。
可视化目录中提供了一个 MATLAB 分析代码示例，用于绘制 SEC 代码、原始步骤和原始斜坡。在这里，我们看到了可以使用可视化系统记录的眼球运动集合示例。在这些图中，我们看到典型的 10 度精神病运动，也称为普罗塞克。
我们的研究使用旋转度。眼球运动可以以度、米角或棱镜屈光度为单位进行校准。每条轨迹代表一个单独的眼球运动，其中在上图中，位置以度数表示，是时间的函数。
底部图表是作为时间的函数以度/秒为单位绘制的速度。此处显示了 Antis cos。这些是精神病反应。
当受试者被告知在视觉刺激的相反方向上做一个 secod 时，处女的反应为 4 度。可以在此处看到步数，此处显示了 Virgin 对每秒 5 度斜坡刺激的响应。在尝试此程序时，请务必记住在受试者进行研究之前校准系统。
向拍摄对象提供适当的指示，并确保针对拍摄对象正确调整眼球运动监测器。看完这个视频后，你应该对如何使用可视化脚本语言进行编程有一个很好的理解，以构建你自己的视觉刺激来研究广泛的眼球运动实验。眼球运动研究受益于强大的研究基础，因为它可以深入了解正常和功能失调的大脑。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本文讨论了使用VisualEyes软件通过眼动研究神经控制和认知过程。该系统允许对两个屏幕上的视觉刺激进行独立编程，便于进行各种眼动实验。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 眼动控制
- 认知过程
背景
- 眼动对于理解神经控制至关重要。
- VisualEyes软件支持自定义脚本来呈现刺激。
- 可以刺激不同类型的眼动，包括快速眼动和平滑追踪。
- 与专有软件相比，该系统提供了更大的灵活性。
研究目的
- 为眼动研究生成视觉刺激。
- 校准视觉眼动系统以获得准确的测量。
- 在实验过程中记录眼动反应。
使用的方法
- 通过将像素值转换为度数来校准视觉眼动系统。
- 为双眼定义刺激的初始和最终位置。
- 在实验会话之前将刺激保存到库中。
- 运行实验脚本以监控和记录眼动。
主要结果
- 成功记录了眼动的位置和速度轨迹。
- 该技术比现有专有软件表现出优势。
- 结果提供了对眼动控制机制的洞察。
- 刺激编程的灵活性允许多样化的实验设计。
结论
- VisualEyes软件是眼动研究的有价值工具。
- 自定义脚本增强了进行各种实验的能力。
- 未来的研究可以利用该系统获得对认知过程的更深入见解。
常见问题
Executive Industry Relevance
Oculomotor experimentation provides critical insights into neural control mechanisms relevant to target validation in neuroscience drug discovery. The VisualEyes system enables flexible, programmable visual stimulus generation to support mechanistic de-risking of therapeutic hypotheses involving visual processing pathways. This capability enhances predictive confidence in preclinical models by allowing precise, reproducible eye movement measurements across diverse experimental designs.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to visual processing and oculomotor control pathways.
- Operational Value: Supports biological de-risking through functional validation of targets involved in eye movement regulation.
- Predictive Value: Facilitates portfolio triage by providing quantitative, reproducible ocular motor readouts for target engagement assessment.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for downstream workflows through standardized stimulus presentation and response capture.
- Quantitative Outputs: Generates position and velocity traces enabling reliable compound screening and dose-response characterization.
- Platform Reuse: Offers scalability across experimental sessions via stimulus library storage and protocol scripting for consistent assay performance.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery-phase mechanistic insights to preclinical validation through disease-relevant oculomotor phenotyping.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by linking target modulation to measurable changes in saccadic, pursuit, or vergence eye movements.
- Biomarker Alignment: Enables exploration of eye movement parameters as translational biomarkers for CNS target engagement and functional outcomes.
Pipeline & Workflow Integration
The VisualEyes system integrates into the discovery continuum from hypothesis testing through lead identification to preclinical validation by providing a modular platform for stimulus control and response quantification.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via programmable visual stimuli to probe neural circuits underlying eye movement control.
- Screening: Enables assay readiness through reproducible stimulus presentation and high-sampling-rate (500 Hz) eye movement monitoring.
- Analytics: Delivers position and velocity readouts in degrees and degrees per second, enabling quantitative comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by allowing disease-model eye movement profiling aligned with visual or oculomotor dysfunction.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable capability via stimulus library, script-based protocols, and compatibility with multiple eye movement monitoring systems (limbus tracking, video-based, scleral search coil).
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in visual processing pathways.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility through calibrated stimulus presentation (pixel-to-degree conversion) and script-driven experimental control.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by reducing custom software development time and enabling rapid adaptation to diverse ocular-motor experimental needs.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization by providing objective, quantifiable oculomotor endpoints for target modulation studies.
Implementation Considerations
- Requires expertise in experimental neuroscience, visual stimulus design, and oculomotor physiology.
- Needs instrumentation for eye movement monitoring (e.g., limbus tracking, video-based, or scleral search coil systems) and a haploscope with dual monitors for binocular stimulation.
- Demands cross-team standardization of calibration procedures (pixel-to-degree conversion using physical targets) and stimulus library management.
- Involves adaptation considerations across model systems, including species-specific eye anatomy and movement ranges.
- Includes practical limitations such as the need for pre-experimental calibration, subject consent procedures, and post-experiment data file management to prevent overwriting.
