Name: 方法探索自上而下视觉过程对电机性能的影响 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-04-16T16:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: 探索利用三维深度反转错觉装置研究自上而下视觉过程对运动行为的影响。通过动作捕捉系统记录参与者在不同知觉状态下的伸手动作，分析伸手动态和手臂回撤数据，揭示视觉-运动整合机制。该方法有助于深入理解感知与行为的关系。

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作者谨此感谢视觉研究实验室和感觉-运动整合实验室的成员在本研究参与者测试过程中提供的帮助，感谢Polina Yanovich、Joshua Dobias和Robert W. Isenhower在初始设计阶段的支持，以及Tom Grace在刺激材料构建方面的协助。本研究得到了以下资助：美国国家科学基金会研究生研究奖学金项目：资助号 #DGE-0937373，美国国家科学基金会网络使能发现与创新I类（理念）项目：资助号 #094158，以及罗格斯大学-UMDNJ NIH生物技术培训项目：资助号 #5T32GM008339-22。

1. 构建刺激装置
<ol>
	<li>在滑动轨道上构建一个可移动的平台。根据实验类型，每种刺激物将被放置在该可移动平台上。</li>
	<li>将轨道固定在一张桌子的适当高度，使刺激平台与坐在桌前的受试者眼睛处于同一水平位置。</li>
	<li>将一个可回缩的弹簧装置连接到刺激平台上。将弹簧装置的输入端连接至电路板。</li>
	<li>在受试者座椅后方安装一组朝向刺激平台的灯。均匀照亮刺激平台非常重要，因为光照不均可能产生阴影，干扰错觉感知。将这组灯连接至一个转换器，并将其与电路板相连。</li>
	<li>将一个开关盒安装在桌子边缘，靠近受试者就座的位置。每次试验开始时，受试者将手放在开关盒上，并在抬起手准备执行伸手动作时立即触发开关。将开关盒的输入端连接至电路板。</li>
	<li>将电路板的每个输出引脚连接至微控制器的对应引脚，以控制弹簧装置在开关盒被触发后同步启动移动平台的回缩和灯光的关闭。每次试验中，在伸手动作启动后，必须立即回缩刺激物并关闭灯光，以防止任何实时的视觉校正和触觉反馈发生。使用开关盒可确保刺激回缩和黑暗出现仅在运动开始后执行，从而使本任务成为即时伸手任务。</li>
	<li>编写一个控制微控制器信号的 MATLAB 程序。利用该 MATLAB 代码存储一系列试验，并指导实验人员在每次试验中使用何种刺激物和观察条件。</li>
	<li>制作训练用刺激物、反透视刺激物和正透视刺激物（图 1 和 图 2）。训练用刺激物由两个矩形面板组成，代表嵌入在反透视和正透视刺激物中的中间建筑物的右侧孤立表面墙。训练用刺激物的目的将在实验流程中进一步说明。在刺激物中线右侧粘贴红色平面圆盘作为目标。</li>
</ol>
2. 参与者
<ol>
	<li>在开始实验前，获取参与者签署的经机构审查委员会（IRB）批准的书面知情同意书，并符合《赫尔辛基宣言》的要求。</li>
	<li>对参与者进行每只眼的视力、立体视觉（使用Randot立体视觉测试）和眼优势测试。</li>
	<li>设置运动捕捉系统。使用14个电磁传感器，采样频率为240 Hz，并配合运动追踪软件。该高分辨率记录系统可同时对14个传感器进行三维空间内运动展开的深入分析，这是以往研究尚未具备的能力。
	<ol>
		<li>使用专为保障身体自由活动而设计的运动绑带，将14个传感器中的12个分别固定于以下身体部位：头部、躯干、左右肩部、左上臂、左前臂、左手腕、右上臂、右前臂、右手腕、右手示指和右手拇指。</li>
		<li>将剩余的两个传感器直接置于刺激物背面、目标位置的正后方，以精确获取训练和实验阶段中目标相对于参与者的三维空间位置。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 实验步骤
<ol>
	<li>此时将所有刺激物置于受试者视线之外。除用于照亮刺激平台的灯具外，关闭所有其他灯光。将实验过程中使用的任何计算机屏幕调至最暗，以免其光线干扰投射到装置上的均匀照明。</li>
	<li>在开始任何试验之前，向受试者说明实验流程。告知他们一旦用手离开开关盒启动动作，刺激物将被收回且灯光会关闭。提醒受试者不要试图跟随收回的平台，而应仅抓取目标最后出现的位置。通过垂直于感知表面的方式接近目标，演示如何抓取其最后记忆中所见的位置。</li>
	<li>开始练习试验。这些试验使受试者能够熟悉实验装置。此时平台上无测试刺激物，仅有一块带有中心柱突起的黑色板，用于固定刺激物。指导受试者伸手触碰中心柱，并以自己的节奏完成伸手动作后将手返回静止位置；重复三次。注意：切勿对如何收回手部动作给予具体指示；该动作应为自动发生且处于意识控制之下。</li>
	<li>开始训练试验。要求受试者在每次试验结束后闭上眼睛，直至实验剩余部分结束。在受试者闭眼期间，根据 MATLAB 程序的指示将相应的训练刺激物固定在中心柱上；训练刺激物的呈现顺序由 MATLAB 程序随机化，共进行八次试验，每种刺激物各四次。训练刺激物有助于展示当要求抓取代表实验刺激物物理表面的目标时，伸手轨迹的弯曲特征。</li>
	<li>开始正式实验试验。正式试验包含三种刺激条件：（1）在错觉知觉下的反透视刺激，如图1f所示（REV-ILLU）；（2）在真实知觉下的反透视刺激，如图1e所示（REV-VER）；（3）正透视刺激（PRO），如图1c所示。请注意，条件（1）和（2）使用的是相同的物理反透视刺激物。
	<ol>
		<li>首先呈现反透视刺激物。询问受试者是否能稳定地感知中间建筑“朝自己方向凸出”的错觉。如果受试者难以稳定该错觉知觉，可在其非优势眼上放置一个散焦镜片，以削弱立体视觉，从而在保持对目标伸手距离的同时维持错觉知觉18。若受试者需要使用散焦镜片，则必须确保其在每次 REV-ILLU 试验前佩戴好镜片。</li>
		<li>完成首次 REV-ILLU 试验后，MATLAB 程序将自动随机化后续试验顺序。针对每次试验，根据当前刺激条件给出以下指令：
		 REV-ILLU：“将中间建筑视为朝你方向凸出。” 
		REV-VER：“将中间建筑视为远离你方向凹陷。” 
		PRO：“将中间建筑视为朝你方向凸出。” 
		待受试者确认已建立稳定的知觉后，要求其抓取目标。每种条件各进行十二次试验，共计 36 次正式实验试验。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 数据分析
<ol>
	<li>为了从目标导向性伸手运动和自动回缩运动的角度分析运动，在运动起始后，通过检测运动速度接近瞬时零速的时刻，首先将数据分解为两类运动。</li>
	<li>为了考察不同刺激条件下手部运动轨迹曲率的差异，对轨迹过程中每一时间点的三维数据集进行威尔克λ检验统计量（Wilk's Lambda Test Statistic）分析。威尔克λ检验通过行列式将似然比检验统计量Λ简化为一个标量值，以帮助我们推断REV-ILLU的平均轨迹向量是否与REV-VER或PRO22相似。</li>
	<li>为了研究目标导向性伸手运动结束时手部朝向目标的方向，比较由拇指、食指和腕部传感器位置生成的单位接近向量与目标表面法向单位向量之间所形成的角度（图5a和图5b）。</li>
</ol>

<ol><li>Schneider, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two+visual+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Two visual systems.</a> Science. 163, 895-902 (1969).</li>
<li>Ingle, D., Goodale, M. A., Mansfield, R. J. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aIngle%2C+D+%22Analysis+of+visual+behavior%22">Analysis of visual behavior</a>. , MIT Press. (1982).</li>
<li>Goodale, M. A., Milner, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Separate+visual+pathways+for+perception+and+action%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Separate visual pathways for perception and action.</a> Trends Neurosci. 15, 20-25 (1992).</li>
<li>James, T. W., Culham, J., Humphrey, G. K., Milner, A. D., Goodale, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ventral+occipital+lesions+impair+object+recognition+but+not+object-directed+grasping%3A+an+fMRI+study%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Ventral occipital lesions impair object recognition but not object-directed grasping: an fMRI study.</a> Brain. 126, 2463-2475 (2003).</li>
<li>Pisella, L., Binkofski, F., Lasek, K., Toni, I., Rossetti, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((No+double-dissociation+between+optic+ataxia+and+visual+agnosia%3A+multiple+sub-streams+for+multiple+visuo-manual+integrations%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychologia%22%5BJournal%5D)">No double-dissociation between optic ataxia and visual agnosia: multiple sub-streams for multiple visuo-manual integrations.</a> Neuropsychologia. 44, 2734-2748 (2006).</li>
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<li>Schenk, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((No+dissociation+between+perception+and+action+in+patient+DF+when+haptic+feedback+is+withdrawn%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">No dissociation between perception and action in patient DF when haptic feedback is withdrawn.</a> J. Neurosci. 32, 2013-2017 (2012).</li>
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<li>Rencher, A. C. Methods of multivariate analysis. , 2nd edn, J. Wiley. (2002).</li>
<li>Torres, E. B., Zipser, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+control+of+hand+displacements+and+rotations+in+orientation-matching+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Simultaneous control of hand displacements and rotations in orientation-matching experiments.</a> J. Appl. Physiol. 96, 1978-1987 (2004).</li>
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<li>Schneider, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reduced+binocular+depth+inversion+in+schizophrenic+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Schizophrenia+Res%22%5BJournal%5D)">Reduced binocular depth inversion in schizophrenic patients.</a> Schizophrenia Res. 53, 101-108 (2000).</li>
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<li>Butler, P. D., Silverstein, S. M., Dakin, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visual+perception+and+its+impairment+in+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22Biol.+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Visual perception and its impairment in schizophrenia.</a> Biol. Psychiatry. 64, 40-47 (2008).</li>
</ol>

作者声明不存在竞争性财务利益。

我们的方法提供了一个平台，通过分析运动在实验任务中的完整展开过程，来检验感知-动作模型的有效性。该范式可进行修改，以测试其他类型的视觉刺激，从而拓宽这一研究领域。例如，可在该装置上测试其他三维动态视错觉（3D DIIs），以探究自上而下与自下而上过程之间的相互作用如何映射到不同刺激上。这些方法还可针对可能存在感知与动作过程异常的临床人群进行调整。此外，本研究中使用的运动捕捉系统可替换为其他类型的记录设备，以更好地适应特定的实验任务。因此，这些方法在其他应用中的潜在推广对于推动人类行为研究具有重要意义。
然而，与任何技术一样，当前范式也存在其局限性。由于通过关闭灯光和撤回刺激的方式去除了触觉反馈和实时视觉控制，本研究无法在执行运动的同时记录眼动。眼动有助于判断参与者是采用以环境为中心（allocentric）还是以自我为中心（egocentric）的参考系来实施自上而下或自下而上的策略25。由于当前实验设计无法实现这一附加测量，因此仅能捕捉身体的运动学功能。未来可探索其他去除触觉反馈和实时视觉控制的方法，以实现对眼动指标的同步记录。
<p class="...

用于感知的视觉 vs. 用于行动的视觉
为了成功地在环境中移动，视觉系统提供的信息被用于协调人体运动。然而，视觉信息如何被选择和优先处理以影响运动行为，目前尚不明确。从初级视觉皮层发出两条主要的解剖通路：一条是向颞叶延伸的腹侧通路（“是什么”，或称“用于感知的视觉”），另一条是向顶叶延伸的背侧通路（“在哪里”，或称“用于行动的视觉”）1-2。腹侧通路参与利用视觉信息进行诸如物体识别与辨认等感知过程，而背侧通路则被认为专门处理指导动作和空间感知的信号。本研究提出的问题是：来自腹侧通路的自上而下加工过程是否会影响运动执行的方式？
由古达尔（Goodale）和米尔纳（Milner）于1992年评估的著名病例研究患者DF，为视觉双通路假说提供了有力证据和支持，该假说认为腹侧通路和背侧通路在感知与行动功能上是可分离的3。理论上，自下而上的运动视差和双眼视差信号能够覆盖自上而下的感知信息（如先前知识和熟悉度），从而准确引导我们的行为，这表明运动规划不受腹侧通路的控制。DF患者因双侧枕叶腹侧损伤导致视觉形状失认症，但她仍能准确抓取其难以识别的物体，这一现象支持了视觉双通路假说的基本前提3-4。由于DF等病例研究的存在，人们曾认为功能性腹侧-背侧通路的二分法同样存在于健康、无病理状态的个体中。然而，过去二十年来，这些发现是否为神经典型人群中的感知与行动功能绝对分工提供了证据，一直存在激烈争论5-10。
利用错觉分离感知与动作
为了在神经正常个体中检验视觉双通路假说，研究人员利用视觉错觉来探究环境感知判断的偏差如何影响我们的运动行为。例如，艾宾浩斯/铁钦纳错觉（Ebbinghaus/Titchener Illusion）使用一个被较小圆盘包围的中心圆盘，该中心圆盘看起来比另一个尺寸相同但被较大圆圈包围的圆盘更大；这是由于大小对比效应所致11。当参与者伸手抓取中心圆盘时，如果双通路假说成立，那么手部抓握时的开口大小将不受错觉影响，导致参与者依据中心圆盘的真实几何尺寸进行动作，而非依赖错误的感知尺寸估计。Aglioti et al. 确实报告了这种行为，并推断由不同的视觉通路分别调控熟练动作与有意识的感知11。相反，其他研究团队对此结果提出质疑，在严格控制感知任务与抓取任务匹配条件的情况下，并未发现感知与动作过程之间的分离现象，因而提出视觉通路信息是整合而非分离的12。尽管已开展多项后续研究，试图通过艾宾浩斯错觉验证或反驳视觉双通路假说，但目前仍存在相互矛盾的证据支持两种对立观点13。
为了进一步探究视觉感知对动作过程的影响，研究者也采用了三维深度倒置错觉（DII）。深度倒置错觉会产生场景中的虚假运动感和深度感知反转，使物理上凹陷的角被感知为凸起，反之亦然14。空心面具错觉（Hollow Face Illusion）即是一种DII，它会使人将实际为凹陷的刺激感知为正常的凸面人脸，这表明自上而下的影响因素（如先验知识和凸性偏好）在引发错觉感知中的作用15-16。尽管已有研究试图表征朝向空心面具错觉上目标抓取动作的运动行为，但现有证据仍不一致：一项研究报道了对运动输出的影响17，而另一项研究则未发现此类效应18。这些研究依赖于将感知深度估计值与手部相对于空心面具错觉上目标位置的终点距离计算值进行比较。针对此类刺激所执行动作的研究结果存在矛盾，可能源于研究者所采用方法的差异。由于腹侧通路与背侧通路信息的利用方式仍存在争议，这一争议凸显了对更稳健的刺激材料以及更先进的运动行为测量手段的需求。
这正是开发出使用反向透视刺激（通常称为“反向透视图”）技术的原因，此类刺激构成了另一类深度倒置错觉（DIIs）14。绘制在分段三维平面表面上的线性透视线索，会在刺激物的实际几何结构与所绘制场景之间产生竞争。数据驱动的感觉信号（如双眼视差和运动视差）倾向于支持对物理几何结构的真实知觉，而基于经验的透视熟悉性则倾向于支持深度反转的知觉（图1）。反向透视图的优势在于，它允许将目标放置在刺激表面，使得在错觉条件下目标被感知的空间方向与其实际物理方向相差近90度（图1e和图1f）。这一巨大差异极大地方便了检验抓取动作是否受到错觉影响。这一概念对于探索在反向透视图上执行的运动动作是否受到腹侧通路自上而下影响至关重要。
感知-动作模型中的运动类别
如果在抓取反透视刺激上的目标时，错觉感知与真实感知下采用了不同的运动策略，那么通过研究手部接近轨迹的曲率即可轻松追踪这一差异。此外，对从目标导向运动的起始到手部自发、自动回缩至静息状态的整个运动过程进行分析，实际上可能规避以往检测感知对运动输出影响的方法中存在的各种不足。近期研究强调了研究这两类运动之间平衡的重要性，以及神经系统利用自发运动阶段实现预测性和预期性控制的作用19-21,23-24。新近通过统计学定义的自发-自动运动类别提供了新的度量指标和特征，这些指标和特征在追踪感觉-运动变化及量化自然行为的细微方面时，被证明与迄今为止的目标导向运动同样关键。
据我们所知，目前关于视觉双通路假说的研究仅关注有目的性的动作，从而忽略了对自动过渡性运动的影响，而后者是完成视觉运动动作环路的重要组成部分。因此，必须强调自动运动的重要性，以便在当前范式中全面捕捉两种模式的运动行为，从而澄清视觉感知-动作模型中的相关问题。本文提出了一种方法，利用稳健的DII逆透视刺激，研究视觉腹侧通路中自上而下的信号在调节有意识的、有目的性动作领域中的运动行为，以及自发性过渡运动中的作用。
原理
假设认为，如果自上而下的视觉过程会影响感觉运动系统，那么在错觉感知条件下，朝向三维反向透视场景中嵌入目标的完整运动轨迹将不同于真实感知所引发的目标接近运动（图1e和1f）。此外，由于反向透视刺激所产生的错觉感知与通过正确（“强制”）透视刺激所获得的感知非常相似，因此朝向反向透视结构上嵌入目标的抓取动作，在特征上应与在反向透视刺激错觉影响下的抓取动作相似（图1c和1f）。
如果自上而下的视觉影响不会改变运动轨迹，那么可以假设，在错觉感知条件下对反透视刺激物（图1e)）所进行的伸手动作，其特征将与真实感知条件下的伸手动作相同。换句话说，错觉感知和真实感知条件下的伸手动作在本质上应是相似的，即两种前向运动轨迹都将基于刺激物的真实几何结构而产生。目前尚不清楚前向伸手动作中观察到的效应如何体现在手部的自动回缩过程中。通过采用完整的运动分析方法，我们旨在深化对动作与感知回路的理解，以澄清当前存在的问题。

<table><tbody><tr><td>实验台</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>带可伸缩弹簧的滑轨</td><td></td><td></td><td>自制</td></tr><tr><td>可伸缩弹簧</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>可调节灯具</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>开关盒</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>电路板</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Arduino</td><td>Smart Projects, Italy</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>The MathWorks Inc., Natick, MA, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Randot 点阵立体视觉测试图</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>反向透视刺激图</td><td></td><td></td><td>自制</td></tr><tr><td>正向透视刺激图</td><td></td><td></td><td>自制</td></tr><tr><td>训练用刺激图</td><td></td><td></td><td>自制</td></tr><tr><td>Polhemus 运动捕捉系统</td><td>Liberty, Colchester, VT, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Motion Monitor 运动追踪软件</td><td>Innovative Sports Training, Inc., Chicago, IL</td><td></td><td></td></tr><tr><td>运动吸汗带</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>散焦透镜</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

探索自上而下视觉过程对运动行为影响的方法

Methods to Explore the Influence of Top-down Visual Processes on Motor Behavior

本体感觉意识对于成功地在环境中进行导航至关重要。当我们与日常环境互动时，某些运动行为是有意规划的，而另一些则在意识觉察之下自发发生。这种二分法中的有意运动成分已在多种情境下得到广泛研究，而自发运动成分则仍缺乏深入探索。此外，感知过程如何调节这两类运动行为仍不清楚。特别是，当前一个备受争议的问题是：视觉运动系统究竟受视觉错觉所产生的空间知觉支配，还是不受错觉影响而由真实知觉所主导。诸如三维深度倒置错觉（DIIs）这类双稳态知觉为研究此类相互作用与平衡提供了极佳的实验情境，尤其是在与伸手抓握动作结合使用时。本研究建立了一种方法，利用深度倒置错觉来阐明自上而下的认知过程在运动行为中的作用，重点探讨在有意运动和自发运动两种模式下，朝向深度倒置错觉目标的伸手动作如何受到影响。

1. 手部运动轨迹
结果显示了代表性受试者 VT 的数据。Wilk's Lambda 检验统计量通过使用行列式，将我们的三维空间数据简化为一个标量值。Wilk's Lambda 统计量采用似然比检验 <img alt="静力平衡方程 Λ=det(E)/det(E+H)，公式，数学分析。" fo:content-width=".8in" src="/files/ftp_upload/51422/51422eq1.jpg" width="90" data-altupdatedat="1787630408000">，其中“组内”平方和与乘积构成矩阵 E，“总”平方和与乘积构成矩阵 (E+H)。该规则指出，当 <img alt="热力学数值不等式；方程；物理学中的能量分析概念。" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51422/51422eq2.jpg" width="110" data-altupdatedat="1787630408000"> 时，拒绝原假设。在 <img alt="理论物理或数学分析中的符号公式 Λ* α,p,νH,ν...

目前尚不清楚来自腹侧视觉通路的自上而下信号如何影响运动。我们建立了一种实验范式，用于检测在三维深度反转错觉条件下朝向目标的运动行为。研究发现，在错觉和真实视觉条件下，无论是有意识的目标导向运动，还是自动动作，均存在显著差异。

本体感觉对于成功地在环境中进行导航至关重要。当我们与日常环境互动时，运动的某些方面……

本实验的总体目标是利用三维深度倒置错觉，建立一种方法，以阐明自上而下的视觉过程对运动动作的影响。该目标通过两个步骤实现：首先构建一种装置，呈现强烈的三维反向透视刺激，使受试者在不同知觉状态下执行伸手动作；第二步是设置运动捕捉系统，记录受试者与该刺激的交互过程。第三步是创建一个平台，使参与者能够在没有实时视觉校正或触觉反馈的情况下，伸手至其最后感知到的刺激目标位置。最后一步是分析前向伸手数据以及非指令性的手臂回缩动作，以构建在此情境下视觉运动行为的综合模型。最终，通过本范式提供的运动学评估，结果可展示不同感知状态下伸手动力学的变化。与现有方法（例如利用空心面具错觉的方法）相比，该技术的主要优势在于，其相应的刺激能够在垂直状态和错觉感知状态下产生接近90度的最大表面朝向差异。这种新方法有助于回答感知科学领域中的关键问题，并推动建立更加客观的心理科学体系，采用超越人类语言自我报告或按键反应的新技术。这两种假设的截然不同的预测结果，换句话说，即运动控制系统是否受到错觉的影响，使我们能够检验这一假设。今天由我们实验室的研究助理 Jay Val、CD pathak 和 R Sadik 演示该实验步骤。首先构建一个可在滑轨上移动的平台，平台尺寸为 65 厘米 × 55 厘米，滑轨长度为 55 厘米。各种刺激物将放置在该平台上。刺激材料必须以坐姿参与者的视线水平呈现，因此应将轨道固定在适当高度。平台应配备可伸缩的弹簧装置。将该装置连接至电路板，以同步参与者座椅后方的各种事件。设置灯具以均匀照亮平台。将灯具连接到参与者座椅扶手下方的同一电路板上。固定一个开关盒，确保参与者抬手时能轻松按压。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。当参与者伸手按压触发盒时，平台应缩回，同时灯光应熄灭。使用 MATLAB 控制微控制器以记录试验序列，并指示实验人员每个试验所需的观察条件。现在构建正确的透视刺激，并构建反向透视刺激。尽管中央建筑物看起来是凸的，但在两种刺激中，其物理形状实际上在中线右侧是凹的。安装一个红色平面圆盘。使用每个矩形面板构建两个训练刺激。用红色圆盘表示中间建筑物其中一个孤立的右侧表面。一个面板用于反向透视刺激，另一个面板用于正常透视刺激。首先，使用随机点立体视觉测试来检测参与者的立体视觉。同时确定其优势眼。接下来，设置由14个电磁传感器和运动追踪软件组成的动作捕捉系统，采样频率为240赫兹。使用运动绑带将其中12个传感器放置在受试者身上，分别固定于头部、躯干、双侧肩部、上臂、前臂，以及操作开关的手的食指和拇指。将另外两个传感器放置在红色圆盘后方两个刺激物的背面。受试者在测试前不应看到这些刺激物。除用于照亮刺激平台的灯具外，关闭所有其他灯光。调暗所有计算机屏幕，并将其朝向远离实验装置的方向。向参与者简要说明实验流程及其如何触发开关盒。演示参与者应仅在平台可见时抓取平台。现在，对一个刺激进行一次练习试验。仅发送一块带有杆子的黑板用于悬挂物体。要求参与者伸手去够杆子，然后将手移回休息位置。以受试者感到舒适的节奏重复此操作三次。使用两种训练刺激开始启动试验。每次试验后，让受试者闭上眼睛，以免看到刺激物被更换。软件会随机设置两个刺激各呈现四次的顺序。现在开始实验试验。这些试验包含三种条件。第一种情况是在错觉感知下观察反转的图像；第二种情况是在垂直感知下观察反向视角；第三种情况则是正确的视角。首先呈现反转视角的刺激，并询问参与者是否能够稳定中间建筑物凸出的错觉感知。如果参与者无法稳定该错觉，可对非优势眼使用散焦镜片；若需要使用镜片，则在每次回顾性错觉试验中均应使用。其余试验的顺序应随机化。每种条件下共呈现12次试验，总计36次实验性试验。试验总次数为47次，包括练习训练和实验性试验。在每次试验中，针对回顾性错觉试验和正确视角试验，均需给出口头指示，指导参与者将中间的建筑物视为向前凸出；在垂直试验中，指导参与者将中间的建筑物视为向内凹陷远离。务必在参与者的知觉稳定后，才要求其伸手进行操作。该实验方案最关键的步骤是确保受试者在整个试验过程中始终保持虚幻的或垂直的感知。我们允许受试者花费足够时间以达到这一状态，若存在任何疑虑，则重复该次试验。威尔克斯λ检验统计量是用于分析的指标之一。一名代表性受试者的手部运动路径数据显示，在垂直知觉（绿色）和错觉知觉（蓝色）条件下，该受试者执行到达动作时的手部轨迹曲线存在显著差异。在非指令性回撤动作中，也可观察到垂直知觉与错觉知觉条件下手部路径曲率的这种差异。与正向透视垂直刺激相比，数据如预期所示，在前伸距离和手部回缩方面均表现出显著差异，相关统计学分析的详细内容见正文方案。在考察手部接近刺激物时的方向时，绿色所示的反向透视垂直刺激条件下的手部接近向量与其他两种刺激条件存在差异。手部的接近向量在手部运动过程中体现。方向具有显著的相似性。一旦掌握，若操作正确，该技术可在大约一小时内完成。在进行此操作时，非常重要的是要记住记录手臂的连续完整运动，包括向前伸手朝向目标的动作以及手部的自然回缩动作。该阶梯在开发完成后无需任何指令即可自动运行。该技术可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的自上而下控制与感觉运动处理之间的关系提供新的途径。

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Research

科研

JoVE Journal

Behavior

行为

方法探索自上而下视觉过程对电机性能的影响

本研究采用单脉冲经颅磁刺激刺激初级运动皮层，结合神经导航以及手部肌肉肌电活动的记录，探索受试者观察动作序列时的皮质脊髓兴奋性。...

动作观察期间皮质脊髓兴奋性的调节

本文描述了一种基于特定视觉模式下反射性眼动来量化视觉信息处理质量的方法。通过反应时间和注视输出参数，对6个月及以上儿童在有无视觉障碍情况下的视觉功能表现进行表征。...

一种利用眼动追踪量化儿童视觉信息处理的方法

时间顺序判断可用于估算加工速度参数和注意权重，从而推断注意加工的机制。该方法可应用于多种视觉刺激，并适用于多种注意操控范式。...

通过基于模型的时序判断分析测量注意力和视觉处理速度

我们介绍一种基于虚拟现实的新颖实验装置，该装置通过主动控制一只手来提高另一只（未经训练的）手的运动技能表现。该方法通过提供实时的、基于运动的感官反馈，使未经训练的手产生正在运动的感知。这种新方法可用于增强单侧轻偏瘫患者的康复效果。...

利用虚拟现实将运动技能知识从一只手转移到另一只手

本文展示了一种行为范式，可在人类上肢肌肉进行视觉引导的伸手运动期间，诱发强烈的快速视觉运动反应。...

一种激发人类上肢肌肉快速视觉运动反应的新出现靶向范式

本实验方案描述了如何在自由活动的小鼠中，将无线光遗传学技术与高速视频记录相结合，用于单颗粒取食抓握任务，以表征参与精细运动行为的神经环路。...

在体 无线光遗传学控制精细运动行为

伸手是人类与环境互动的一项基本技能。已有许多研究致力于采用多种方法来表征伸手行为。本文提供了一种开源的经颅磁刺激应用方案，用于评估人类在执行伸手任务过程中皮质脊髓兴奋性的状态。...

评估目标导向 reaching 行为期间的皮质脊髓兴奋性

本文介绍了一种量化视动反射的标准实验方案。该方法结合了虚拟转鼓刺激与视频眼动记录技术，从而能够精确评估该行为的特征选择性及其适应性可塑性。...

小鼠视动反射视觉特征选择性的量化

在虚拟现实环境中，运动想象在脑机接口系统中具有广泛的应用。本文阐述了使用个性化的数字化身，这些化身在虚拟现实环境中模拟参与者所想象执行的动作，以增强沉浸感和身体所有权感知。...

基于虚拟现实脑机接口环境中具身化数字孪生的运动想象表现

本文介绍了如何使用眼动追踪方法来研究文本理解过程中的认知活动。内容包括眼动追踪设备的描述、实验刺激材料的设计方法以及实验操作建议。文中提供的信息适用于大多数使用语言刺激材料的研究。...

利用眼动追踪评估文本理解中的认知过程

探索利用三维深度反转错觉装置研究自上而下视觉过程对运动行为的影响。通过动作捕捉系统记录参与者在不同知觉状态下的伸手动作，分析伸手动态和手臂回撤数据，揭示视觉-运动整合机制。该方法有助于深入理解感知与行为的关系。

探索自上而下视觉过程对运动行为影响的方法

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