方法探索自上而下视觉过程对电机性能的影响
April 16th, 2014
目前还不清楚从腹侧视觉流自顶向下的信号如何影响运动。我们开发了一种范式来测试3D深度反转错觉马达朝着一个目标的行为。显著差异报告在两个故意，目标导向运动和自动操作虚幻和不虚伪的观看条件下。
该过程的总体目标是开发一种使用 3D 深度反转错觉的方法，以阐明自上而下的视觉过程对运动动作的作用。这是通过首先构建一个提供强大的 3D 反向透视刺激的装置来实现的，以在不同的感知状态下进行到达。该程序的第二步是设置一个动作捕捉系统来记录参与者与该刺激的交互。
第三步是创建一个平台，允许参与者到达他们最后感知到刺激上目标的位置，而无需任何在线视觉校正或触觉反馈。最后一步是分析向前伸展数据以及手臂的非指示后缩，以建立在这种情况下视觉运动行为的综合模型。最终，通过该范式中提供的运动学评估，结果可以显示不同感知状态下到达动态的变化。
与利用空心面部错觉的现有方法相比，该技术的主要优点是，相应的刺激允许在垂直和幻觉感知状态下的表面方向产生近 90 度的最大差异。这种新方法可以帮助回答感知科学领域的关键问题，并开始通过超越人类口头自我报告或按键的新技术建立更客观的心理科学，这两个假设的预测截然不同。换句话说，电机控制系统是否受到错觉的影响使我们能够检验这一假设。
今天演示该程序的是 Jay Val、CD pathak 和 R Sadik，他们是我们实验室的研究助理。首先，构建一个 65 x 55 厘米的活动平台，并在 55 厘米长的滑轨上移动。各种刺激将放置在平台上。
刺激必须以视线水平呈现给坐着的参与者，因此轨道应固定在适当的高度。平台应具有可伸缩的弹簧机构。将此机制连接到电路板，该电路板可同步参与者座位后面的各种事件。
设置灯以均匀照亮平台。将灯连接到参与者座位扶手下方的同一电路板。固定一个开关盒，该开关盒很容易被参与者抬起手压下。
将开关连接到电路板上的电路板。将输出引脚连接到微控制器的引脚以激活刺激。当参与者用手臂向外伸出按下扳机盒时，平台应缩回，灯应熄灭。
使用MATLAB控制微控制器记录试验序列，并指示实验者每次试验需要哪些观察条件。现在构建正确的透视刺激并构建反向透视刺激。尽管中央建筑看起来是凸的，但在两个刺激下，它在物理上都凹向中线的右侧。
连接一个红色平面圆盘。从每个面板上的矩形面板构建两个训练刺激。用红色圆盘表示中间建筑物的孤立右表面之一。
一个面板用于反向透视刺激，另一个面板用于正确的透视刺激。首先，使用兰德点立体测试测试参与者的立体视觉。还要确定他们的眼睛优势。
接下来，设置由 14 个 240 赫兹电磁传感器和运动跟踪软件组成的动作捕捉系统。使用运动带将 14 个传感器中的 12 个放在参与者身上。将它们连接到头部、躯干、两个肩膀、上臂、前臂以及作开关的手的食指和拇指上。
将另外两个传感器放在红色圆盘后面的两个刺激的背面。参与者在测试前不应看到刺激。关闭除用于照亮刺激平台的灯外的所有灯。
调暗所有计算机屏幕并让它们远离实验设置。向参与者简要介绍实验流程以及他们将如何触发开关盒。演示参与者如何只抓住可见的平台。
现在，对刺激进行练习试验。只送一块带有杆子的黑板来悬挂物品。让参与者伸手去拿杆子，把手放回原处。
以参与者舒适的速度这样做三次。使用两种训练刺激开始启动试验。让参与者在每次试验后闭上眼睛，这样他们就不会看到刺激被交换。
软件随机设置两个刺激各显示四次的顺序。现在开始实验试验。这些试验包括三个条件。
一种是在虚幻的感知下观看反向规范。下一个条件是在垂直感知下观看反向透视。当然，第三个是正确的视角。
先呈现反向透视刺激，询问参与者是否能稳定中楼弹出的虚幻感知。如果参与者无法稳定在非优势眼上播放散焦镜片的错觉，如果需要镜片，请将其用于每次回顾性幻觉试验。其余试验的顺序应随机化。
每种情况总共提出了 12 项试验，产生了 36 项实验试验。试验总数为47项。这包括实践培训和实验试验。
为回顾性幻觉试验的每次试验给出口头指示，正确的透视试验指导参与者将中间的建筑视为为观察的弹出。垂直试验指示参与者将中间建筑视为塌陷。始终要求参与者仅在感知稳定后才伸出援手。
该协议最关键的部分是确保参与者在整个试验期间保持虚幻或垂直的感知。我们允许参与者花时间来实现这一目标，如果有疑问，则重复试验。Wilkes Lambda 检验统计量是用于分析的指标之一。
代表的手部路径数据。受试者在各自刺激的绿色垂直感知和蓝色幻觉感知下执行的受试者到达的手部路径轨迹曲线表现出显着差异。这种垂直和幻觉下手部路径曲率的差异也体现在手臂的非指示回缩中。
比较纵向正确视角，在检查接近刺激期间手的方向时，文本协议中详细介绍了向前伸展和手缩讨论的预期显着差异的数据。绿色反向视觉垂直刺激下的手接近向量与其他两种刺激条件不同。手中的手动接近向量。
方向明显相似。一旦掌握了这项技术，如果作正确，大约可以在一小时内完成。在参加此程序时，记住记录手臂的连续完整运动非常重要，包括向前伸向目标的手和自发的手缩回。
梯子在开发后无需任何说明即可自动执行。这项技术可以为神经科学领域的研究人员探索典型发育人群和病理人群中自上而下的控制与感觉运动处理之间的关系铺平道路。
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概述
本研究探讨了背景视觉流程如何影响运动动作。通过使用3D深度反转错觉，研究在不同知觉条件下考察了既有意识的也有自动的运动。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为心理学
- 视觉感知
背景
- 自上而下的信号在视觉处理中起着至关重要的作用。
- 了解对视觉刺激的运动行为反应是必不可少的。
- 错觉可以改变感知并影响运动动作。
- 先前的研究已经显示了视觉环境对运动的不同影响。
研究目的
- 阐明自上而下视觉流程对运动行为的作用。
- 评估知觉如何影响伸手动态。
- 为研究视觉-运动互动开发一种方法。
使用的方法
- 建立3D深度反转错觉装置。
- 实施动作捕捉系统以用于参与者互动。
- 创建一个无视觉矫正的伸手平台。
- 分析伸手数据和手臂收回以模拟视觉运动行为。
主要结果
- 在错觉与真实条件下运动存在显著差异。
- 根据知觉状态观察到伸手动态的变化。
- 既有意识的也有自动的动作都受到错觉的影响。
- 结果有助于理解视觉-运动整合。
结论
- 自上而下的视觉流程显著影响运动行为。
- 错觉可以提供对视觉感知和运动行为的见解。
- 未来的研究可以在这些发现的基础上探索进一步的影响。
常见问题
Executive Industry Relevance
This methodology enables mechanistic de-risking of target validation by isolating top-down visual influences on motor behavior, providing quantitative readouts for perceptual-motor integration. It supports predictive confidence in early discovery by modeling how perceptual states alter spontaneous and deliberate actions, informing assay design for neuroscience target engagement. The approach enhances translational biomarker alignment through objective kinematic assessment, reducing reliance on subjective reports in preclinical validation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by testing whether motor output is driven by perceptual illusion or veridical percept, clarifying target engagement mechanisms.
- Operational Value: Enables biological de-risking through standardized isolation of perceptual variables in motor response assays.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by quantifying how top-down processes modulate reach dynamics under controlled perceptual states.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for downstream workflows by establishing reproducible reach-to-grasp paradigms under defined perceptual conditions.
- Quantitative Outputs: Delivers kinematic metrics (hand path curvature, approach vectors) enabling compound effect comparison across perceptual states.
- Platform Reuse: Scalable motion capture framework supports high-throughput screening of neuromodulators targeting visual-motor pathways.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models perceptual distortions in neuropsychological disorders, aligning with translational biomarker strategies for conditions like schizophrenia or Parkinson’s.
- Preclinical Continuity: Bridges discovery to validation by capturing both deliberate and spontaneous motor components under perceptual manipulation.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by revealing perceptual confounds that could distort motor endpoint interpretation in vivo.
Pipeline & Workflow Integration
Positions the method within early discovery to lead identification, where perceptual confounds in motor assays must be de-risked before compound screening.
- Discovery Biology: Tests hypothesis that motor behavior reflects perceptual state rather than reflexive response, reducing mechanistic ambiguity in target validation.
- Screening: Ensures assay readiness by standardizing reach initiation and retraction phases without online visual correction, improving data reliability.
- Analytics: Uses Wilkes Lambda test statistic and kinematic profiling to compare conditions, enabling statistical rigor in perceptual-motor effect detection.
- Translational Research: Connects to preclinical work by modeling how perceptual alterations in disease models affect naturalistic motor output.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neuromotor assessment platform adaptable across disease areas involving sensory integration deficits.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by dissociating perceptual from motor contributions to action, reducing false target signals.
- Operational Value: Delivers standardization through fixed platform geometry, synchronized stimulus timing, and motion capture protocols.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by identifying perceptually confounded assays early, preventing late-stage attrition due to unmodeled cognitive biases.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on robustness of effect across perceptual states.
Implementation Considerations
- Requires expertise in perceptual neuroscience, motion capture systems, and experimental psychology paradigms.
- Dependent on electromagnetic motion tracking infrastructure and stimulus presentation hardware (platform, lighting, switch synchronization).
- Necessitates cross-team standardization of perceptual state verification (e.g., participant report, lens correction) to ensure trial validity.
- Adaptation across model systems may require modification of reach tasks and perceptual inducers while preserving dissociation of deliberate and spontaneous components.
- Practical limitation: Participant susceptibility to illusion must be screened, potentially reducing cohort size and increasing screening overhead.
