JoVE Science Education

Sensation and Perception

Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle

Just-noticeable Differences

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Sensation and Perception

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JoVE Science Education Sensation and Perception

Just-noticeable Differences

6.3: Perspectives on Sensation and Perception

6.14: The Staircase Procedure for Finding a Perceptual Threshold

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07:30 min

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April 30, 2023

Overview

Quelle: Labor von Jonathan Flombaum, Johns Hopkins University

Psychophysik ist ein Zweig der Psychologie und Neurowissenschaften, die versucht zu erklären, wie physikalische Größen in neuronale feuern und mentale Repräsentationen Größenordnung übersetzt werden. Eine Reihe von Fragen in diesem Bereich bezieht sich auf nur-deutliche Unterschiede (JND): wieviel braucht etwas zu ändern, damit die Änderung wahrnehmbar sein? Intuitionen über diese Pumpen, sollten die Tatsache, dass kleine Kinder in einem enormen Tempo wachsen, relativ gesehen, aber selten merkt man Wachstum statt auf einer täglichen Basis. Allerdings, wenn das Kind kehrt aus Schlaf-away Lager oder als Großeltern das Kind nach einer längeren Abwesenheit sieht, nur ein paar Wochen der wachsenden ist mehr als spürbar. Es kann scheinen, enorm! Änderungen in der Höhe sind nur nach einer Abwesenheit aufgefallen, weil die kleinen Veränderungen, die auf einer täglichen Basis stattfinden zu klein und wahrnehmbar sind. Aber nach einer Abwesenheit, viele kleine Änderungen addieren. Also, wie viel Wachstum braucht wahrnehmbar sein stattfinden? Die minimale Menge ist die JND.

Psychologen und Neurowissenschaftler messen JND in vielen Bereichen. Wieviel heller braucht ein Licht sein, um wahrgenommen zu werden? Wie viel lauter braucht ein Sound sein? Sie erhalten häufig die Messungen durch den Einsatz eines Paradigmas gezwungen-Wahl. Dieses Video konzentriert sich auf Größe, demonstriert eine Standardmethode zur Messung einer JND wenn der Bereich einer Form ändert.

Procedure

1. Ausrüstung

Für dieses Experiment einen Computer verwenden und Implementierung Software wie E-Prime oder eine Programmierumgebung wie MATLAB oder PsychoPy zu experimentieren.

(2) Reize und Experiment Design

Dieses Experiment wird wiederholte Versuche mit dem gleichen grundlegenden Design beinhalten. Zwei Scheiben gleichzeitig auf dem Bildschirm erscheint eine auf der linken Seite und auf der rechten Seite. Immer wird man größer ist als andere, und die Aufgabe wird sein, einen Tastendruck zu verwenden, um die größeren auswählen. Die Details sind wie folgt:
Programmieren Sie das Experiment zeichne eine blaue Scheibe mit einem Radius von 10 px. Die Scheibe wird in jeder Prüfung des Experiments im Display vertikal zentriert und horizontal zentriert in entweder der linke oder rechte Hälfte des Displays angezeigt. Mit Hilfe eines Anregung, die unverändert in jeder Prüfung erscheint ist die Methode des ständigen Reizes bezeichnet. Es bezieht sich nur auf die Tatsache, dass eines der beiden Reize in jeder Prüfung ist immer das gleiche. Die 10 px blaue Scheibe ist somit der ständige Reiz.
Gegenüber den ständigen Reiz in jeder Studie zeigen Sie eine andere blaue Scheibe. Diese Scheibe wird den Vergleich Reiz bezeichnet. Es wird einen Radius zwischen 5 und 9 sowie zwischen 11 und 15 px haben. Das ist insgesamt 10 Möglichkeiten. Gehören Sie im Experiment 10 Prüfungen für jede der 20 möglichen Vergleich Stimuli. So das Experiment 200 Studien beinhalten wird.
Zeigt die zwei Reize auf dem Bildschirm für 200 ms, gefolgt von einem Bildschirm die nur liest “die größeren L/R war?” Abbildung 1 schematizes die Abfolge der Ereignisse in jeder Prüfung.
1. Wichtige Antworten “L” werden angezeigt, dass das linke Objekt größer war, und ‘R’ wichtige Antworten benennen, die das Recht, die man als größer wahrgenommen wurde.
Achten Sie darauf, dass das Programm die folgenden wichtigen Daten in eine Tabelle ausgibt: die Prüfungsnummer, die Größe des Vergleich Stimulus, die Bildschirmposition Vergleich Reiz, die richtige Antwort und die Antwort der Teilnehmer. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für solch eine Datentabelle.

Abbildung 1: Eine schematische Darstellung einer einzigen gezwungen-Wahl-Studie in einem Experiment zur Messung des Just-wahrnehmbare Unterschied (JND) für Kreisgröße. Erstens fordert ein Bildschirm bereit die Teilnehmer, die ein Prozess beginnen wird. Als nächstes zwei blaue Scheiben erscheinen in der Anzeige, Side-by-Side. Sie bleiben für nur 200 ms, an welcher, die Stelle das Display die Teilnehmer auf eine Antwort fordert. Der ‘L’ Schlüssel wird verwendet, um anzugeben das Objekt auf der linken Seite und die “R” Taste um das Objekt auf der rechten Seite anzugeben.

Abbildung 2: Eine Beispieltabelle Ausgabe aus einem Experiment gezwungen Wahl JND. Die Spalten berichten die relevanten Daten aus dem experimentellen Programm.

3. Durchführung des Experiments

Einen Teilnehmer zu rekrutieren, und als sie im Labor ankommt, sag ihr, dass sie ein einfaches Experiment auf die Wahrnehmung der Form zu tun. Dann haben Sie ihre komplette informierte Zustimmung.
Sitz des Teilnehmers vor dem Test Computer und erklären die Aufgabe wie folgt:
1. Jeder Versuch dieses Experiments wird die gleiche grundlegende Abfolge der Ereignisse beinhalten. Erstens sehen Sie das Wort “Ready?” auf dem Bildschirm. Drücken Sie die Leertaste, wenn Sie bereit sind, den Test zu starten. An diesem Punkt erscheint zwei blaue Scheiben auf beiden Seiten des Bildschirms sehr kurz. Wenn sie verschwinden, wird die Anzeige “war größer, L/R?” Ihre Aufgabe ist zu berichten, welche die beiden Scheiben für Sie, die man auf der rechten Seite oder auf der linken Seite des Bildschirms größer aussah. Es gibt 200 Studien im Experiment, aber sie sind kurz. Das ganze Experiment dauert weniger als fünf Minuten. Haben Sie Fragen?
Starten Sie nach der Beantwortung aller Fragen das experimentelle Programm, und lassen Sie die Teilnehmer beginnen. Lassen sie in der ruhigen Testraum, bis das Experiment abgeschlossen ist.

4. Analyse der Ergebnisse

Um die Ergebnisse zu analysieren, ist das erste, was zu tun, festzustellen, welche Antworten richtig und welche falsch waren. Hinzufügen einer Spalte der Ausgabetabelle Daten für diese Zwecke. Vergleichen Sie die Antwort und die richtige Antwort, die letzte Spalte mit einem 1 Kennzeichnung, wenn die Antwort war richtig und 0, wenn es nicht war.
1. Schnell schauen, um sicherzustellen, dass Leistung sinnvoll war-, dass der Teilnehmer war an oder in der Nähe von perfekter Genauigkeit als der Vergleich 5 und 15 px, war groß genug Unterschiede im Vergleich zu 10, die sollten keine Fehler gemacht wurden.
Nun fügen Sie eine weitere Spalte hinzu, die Datentabelle, genannt “Anteil des C Antworten.” Beobachten Sie in der Spalte, ob der Vergleich oder die konstante vom Teilnehmer gewählt wurde. Wenn das Vergleichsobjekt gewählt wurde, markieren Sie eine 1 in der Spalte. Wenn die konstante gewählt wurde, markieren Sie eine 0.
Berechnen Sie jetzt, für jede Größe Vergleich der Bruchteil der Zeit, die der Vergleich als größere vom Teilnehmer ausgewählt wurde. Für Vergleich Reize von 5 sollte die Anzahl in der Nähe von 0 und für Vergleich Reize von 15 sollte es sein, in der Nähe von 1.
Um die Ergebnisse zu visualisieren, sie graph wie folgt: Make Streudiagramm mit der Größe des Vergleichs auf der x-Achse und der Anteil der Zeiten, auf der y-Achse ausgewählt wurde. Es sieht etwas wie in Abbildung 3.

Abbildung 3. Ergebnisse eines Experiments gezwungen-Wahl der JND für Kreisradius finden. Dargestellt ist der Anteil der Zeit, die der Vergleich Reiz als größer (vom Teilnehmer) ausgewählt wurde in Abhängigkeit von der Größe des Reizes Vergleich. Der ständige Reiz hatte immer einen Radius von 10 px.

Wieviel braucht etwas ändern für einen Unterschied, wahrgenommen zu werden?

Denken Sie an, zum Beispiel kleine Kinder, die schnell wachsen – immer größer auf einer täglichen Basis. Allerdings ist es oft schwierig, subtile Veränderungen bemerken, vor allem, wenn sie immer noch kämpfen, um einen Basketball zu erreichen.

Über einen viel längeren Zeitraum wird ihr Wachstum-Spurt mehr als spürbar; der Betrag kann in der Tat enorm scheinen! Diese Änderungen in der Höhe sind erst nach einer Zeitspanne bemerkt, weil die kleinen täglichen Unterschiede zu klein sind, um wahrnehmbar zu sein.

Die minimale noch wahrgenommene Höhe der nur-spürbar-Unterschied ist, das ist in diesem Beispiel die kleinste Menge an Wachstum bemerkt.

Dieses Video zeigt eine Standardmethode für die Messung eines nur-spürbar-Unterschied in Größe der Form. Nicht nur besprochen, die erforderlichen Schritte zum Entwerfen und führen ein Experiment, sondern wir auch erklären, wie man die Daten analysieren und interpretieren der Ergebnisse nur beschreiben wie kleine von einer Umstellung im Bereich wahrgenommen werden muss.

In diesem Experiment werden Teilnehmer kurz zwei verschiedene Kreise angezeigt, die in der Größe variieren und sind gezwungen, zu wählen, welches größer ist.

Bei jeder Prüfung ist eine immer mit dem gleichen Umfang vorgestellt, während der andere ist vielfältig. Dieser Ansatz ist die Methode des konstanten Stimulus genannt.

In diesem Fall soll der ständige Reiz haben einen Radius von 10 px und befindet sich nach dem Zufallsprinzip auf entweder den linken oder rechten Seite des Bildschirms. Im Gegensatz dazu haben die anderen Kreis, genannt den Vergleich Reiz, Umkreis, die variiert zwischen 5 und 9 sowie zwischen 11 und 15 px.

Diese 10 Möglichkeiten ist, der Vergleich Reiz 10 Mal auf jeder Seite, für eine Gesamtmenge von 200 Studien nachgewiesen. Die abhängige Variable wird aufgezeichnet, als welche Impulse gewählt wurde, der größer sein.

Teilnehmer werden erwartet, um richtig zu wählen, wenn sie einen Unterschied in der Größe zwischen den beiden Reize wahrgenommen. Jedoch wenn die Formen näher in Umfang und unterhalb der gerade wahrnehmbare Unterschied liegen, ist Leistung voraussichtlich sinken.

Um das Experiment zu beginnen, begrüßen Sie die Teilnehmer im Labor. Mit ihnen bequem vor dem Computer sitzen, die Aufgabenanweisungen erklären: der Bildschirm wird das Wort “Ready?” darauf haben, bis sie die Leertaste drücken.

Beobachten Sie, wie zwei blaue Reize erscheinen und weisen Sie die Teilnehmer an, die Impulse, die sie dachten, war größer, durch Drücken der Taste “L” für Links und “R” für rechts Antworten. Erinnern sie daran, dass sie erraten sollte, wenn sie nicht sicher sind, welches größer ist.

Nach der Beantwortung aller Fragen der Teilnehmer haben, verlassen Sie den Raum. Es ermöglichen Sie ihnen, alle 200 Studien über einen Zeitraum von 5 Minuten abgeschlossen. Wenn sie fertig sind, in den Raum zurück und danke ihnen für Ihre Teilnahme an dem Experiment.

Um die Daten zu analysieren, zuerst Abrufen der programmierten Ausgabedatei, die jeder Teilnehmer Antworten erfasst. Schnell einen Blick auf die Daten um sicherzustellen, dass Leistungen sinnvoll waren – nämlich, dass wenn die Größen der Vergleich Stimuli 5 und 15 px, Genauigkeit nahezu perfekt war.

Fügen Sie eine Spalte in die Ausgabetabelle genannt “Genauigkeit”, um festzustellen, ob die aufgezeichneten Antworten richtig oder nicht sind. Vergleichen Sie diese auf die richtigen Antworten für alle Versuche gegeben. Verwenden Sie die folgende Anweisung, eine 1, wenn die Antwort zu registrieren war richtig und 0, wenn es falsch war.

Nun, Hinzufügen einer anderen Spalte der Tabelle, mit der Bezeichnung “Anteil der Vergleich Antworten”. Vergleichen Sie die Spalte “Vergleich von Position” mit “Reaktion” und verwenden Sie eine neue IF-Anweisung eine ‘1’ zu markieren, wenn der Vergleich Reiz gewählt wurde oder eine ‘0’ zu, wenn die konstanten Kreis gewählt wurde.

Um die Ergebnisse zu visualisieren, machen einen Scatter Plot mit der Größe des Vergleichs auf der x-Achse und der Anteil der Zeiten wurde es als größer auf der y-Achse gewählt. Daran erinnern Sie, dass der ständige Reiz immer ein Radius von 10 px hatte, weshalb Reize mit 5 oder 6 px Radien wurden fast nie gewählt und die mit 14 oder 15 waren immer gewählt.

Mit einem Radius von 9 oder 11 px der Vergleich war schwieriger und Teilnehmer oft Fehler gemacht. In der Tat war Leistung Ebene Chance, was darauf hindeutet, dass Unterschiede nicht wahrgenommen wurden.

Berechnen Sie die nur-spürbar-Differenz, nehmen die Vergleich-Größe, die 75 % der Zeit gewählt wurde, in diesem Fall einen Radius von 12, minus die Vergleich-Größe, die 25 % der Zeit gewählt wurde – Radius von 8 — und teilen das Ergebnis durch 2 auf eine Antwort von 2 px.

Das heißt, die Radien der Kreise müssen durch mindestens 2 unterscheiden px für ihre Größe genau wahrgenommen werden.

Nun, da Sie nur-deutliche Unterschiede in der Wahrnehmung von visuellen Objekten Größen kennen, schauen Sie wie dieses Paradigma in neurophysiologischen Studien zu erkunden, wie das Gehirn reagiert und in anderen Verhaltensstörungen Situationen, wie z. B. die Unterscheidung zwischen Körperfett Ebenen in Lebensmitteln verwendet wird.

Forscher haben untersuchte wie sich die einzelnen Neuronen im visuellen Kortex die physikalischen Eigenschaften der Welt, wie Objektgrößen kodieren.

Mit elektrophysiologischen Aufnahmetechniken, die Impulsmuster in Verbindung mit Reize Präsentation messen, fanden Forscher heraus, dass Neuronen, die empfindlich auf Größe manchmal reagieren auf die gleiche Weise auf Objekte, die tatsächlich unterschiedlich groß sind.

Dies ist, warum JND sind nur-kaum-spürbar: manchmal, im Gehirn, die relevanten Reize wirklich Wirkungen zu unterscheiden.

Darüber hinaus haben Forscher eine Aufgabe nur deutliche Unterschiede verwendet, um einzelne Schwellenwerte für die Erkennung von Fett Konzentrationen in Lebensmitteln zu charakterisieren.

Sie fanden heraus, dass Personen mit einem höheren Body-mass-Index einen höheren nur spürbaren Unterschied oder höhere Schwelle erforderlich, vor der Verkostung Fettsäuren in den Proben. Diese Ergebnisse könnten zu neuen Ansätzen führen, überschüssige Fettkonsum beschränken.

Sie habe nur Jupiters Einführung in nur-deutliche Unterschiede beobachtet. Jetzt haben Sie ein gutes Verständnis der wie zu entwerfen und führen Sie das Experiment, wie analysieren und bewerten die Ergebnisse.

Danke fürs Zuschauen!

Results

Das Diagramm in Abbildung 3 zeigt den Anteil der Zeit, in denen der Vergleich Reiz in Abhängigkeit von der Größe der seinen Radius gewählt wurde. Daran erinnern Sie, dass der ständige Reiz immer einen Radius von 10 px in diesem Experiment hat. Dies ist deshalb mit einem Radius von 5 oder 6 px, der Vergleich ist fast nie gewählt, und es ist fast immer mit einem Radius gewählt, wenn 14 oder 15 px. Allerdings ist der Vergleich mit einem Radius von 9 oder 11 px, schwierig. Teilnehmer machen oft Fehler. Die JND ist wie folgt definiert: die Vergleich-Größe, wenn es etwa 75 % der Zeit abzüglich seiner Größe gewählt wird, wenn es 25 % der Zeit, ausgewählt wird, die alle durch 2 geteilt. Hier sind die Zahlen 12 und 8. So ist die JND für Kreisradius 2 px.

Gibt es detaillierte mathematische Gründe warum die genaue Berechnung der ein JND ist, mit Statistiken und die Art der Normalverteilungen (Bell-Kurven) zu tun haben. Blick auf das Diagramm sollten aber die Berechnung noch intuitiver. Wenn der Radius wurde nur 1 px kleiner oder größer als 10, die Teilnehmer viele Fehler gemacht, Durchführung sehr in der Nähe von 0.5, das ist, was sie produzieren würden, wenn sie nur raten waren. Aber Leistung wurde schnell viel genauer mit einem Pixel Unterschied von 2, und es war fast perfekt mit einem Pixel Unterschied von 3 oder größer. Abbildung 4 ist eine kommentierte Version der Abbildung 3 die Berechnung einer JND veranschaulichen soll.

Abbildung 4. Eine kommentierte Version der Abbildung 3.

Applications and Summary

Eine der Hauptanwendungen von den ständigen Reiz Ansatz zur Messung einer JND hat in den Neurowissenschaften, speziell in Neurophysiologie Studien entwickelt, um zu untersuchen, wie das Abfeuern von einzelnen Neuronen kodiert physikalische Eigenschaften über die Welt kommen. Diese Studien umfassen in der Regel eine Affe mit Elektroden implantiert in ihrer visuellen Kortex. Die Elektroden durchdringen Einzelzellen, die auf visuelle Reize reagieren durch Brennen oder Spick, d. h. durch die Durchführung eines schnellen elektrischen Signals. In Studien über die Verwendung der JND Methoden, Forscher haben entdeckt, dass einzelne Neuronen laut sind-sie reagieren auf die Größe oder Helligkeit oder Farbe eines Reizes mehr oder weniger die gleiche Weise jedesmal, aber mit einigen Variabilität. Das Ergebnis ist, dass zwei sehr ähnliche Reize die gleiche Reaktion hervorrufen werden einen Teil der Zeit. Ein Kreis mit einem Radius von 10 px wird manchmal die gleiche neuronale Antwort als Kreis mit einem Radius von 9 px oder einen Kreis mit einem Radius von 11 px. Dies ist, warum JND sind nur-kaum-spürbar: manchmal, im Gehirn, die relevanten Reize wirklich Wirkungen zu unterscheiden.

Transcript

Exactly how much does something need to change for a difference to be perceived?

Think of, for instance, young children who grow rapidly—getting taller on a daily basis. However, it’s often difficult to notice subtle changes, especially if they still struggle to reach a basketball.

Over a much longer span, their growth spurt becomes more than perceptible; in fact, the amount can seem enormous! These changes in height are only noticed after a lapse because the small day-to-day differences are too small to be perceivable.

The minimal yet perceived amount is the just-noticeable-difference, which, for this example, is the smallest amount of growth noticed.

This video demonstrates a standard approach for measuring a just-noticeable-difference in shape size. Not only do we discuss the steps required to design and execute an experiment, but we also explain how to analyze the data and interpret the results describing just how small of a change in area is necessary to be perceived.

In this experiment, participants are briefly shown two different circles that vary in size and are forced to choose which one is larger.

During each trial, one is always presented with the same circumference, whereas the other is varied. This approach is referred to as the method of constant stimulus.

In this case, the constant stimulus is designed to have a radius of 10 px and located randomly on either the left or right side of the screen. In contrast, the other circle, called the comparison stimulus, will have a radius that varies between 5 and 9 and between 11 and 15 px.

Given these 10 possibilities, the comparison stimulus is shown 10 times on each side, for a total of 200 trials. The dependent variable is recorded as which stimulus was chosen to be the larger one.

Participants are expected to choose correctly if they perceived a difference in size between the two stimuli. However, when the shapes are closer in circumference and below the just-noticeable difference, performance is predicted to decline.

To begin the experiment, greet the participant in the lab. With them sitting comfortably in front of the computer, explain the task instructions: The screen will have the word “Ready?” on it until they press the space bar.

Watch as two blue stimuli appear and instruct the participant to indicate which stimulus they thought was larger by pressing the ‘L’ key for left- and ‘R’ for right-side responses. Remind them that they should guess if they are not sure which one is larger.

After answering any questions the participant might have, leave the room. Allow them to complete all of the 200 trials over a 5-min period. When they finish, return to the room and thank them for taking part in the experiment.

To analyze the data, first retrieve the programmed output file that captured each participant’s responses. Quickly glance at the data to make sure that performances were sensible—namely, that when the sizes of the comparison stimuli were 5 and 15 px, accuracy was near perfect.

Next, add a column to the output table called ‘Accuracy’ to determine whether the recorded answers are correct or not. Compare those given to the correct responses for all trials. Use the following IF statement to register a 1 when the response given was correct and 0 when it was incorrect.

Now, add another column to the table, labeled ‘Proportion of Comparison Responses’. Compare the column ‘Comparison Position’ with ‘Response’ and use a new IF statement to mark a ‘1’ when the comparison stimulus was chosen or a ‘0’ if the constant circle was chosen.

To visualize the results, make a scatter plot with the size of the comparison on the x-axis and the proportion of times it was chosen as being larger on the y-axis. Recall that the constant stimulus always had a 10-px radius, which is why stimuli with 5 or 6 px radii were almost never chosen and those with 14 or 15 were always chosen.

With a radius of 9 or 11 px, the comparison was more difficult and participants often made mistakes. In fact, performance was at chance level, suggesting that differences were not being perceived.

To calculate the just-noticeable-difference, take the comparison size that was chosen 75% of the time, in this case a radius of 12, minus the comparison size that was chosen 25% of the time—radius of 8—and divide the result by 2 for an answer of 2 px.

In other words, the radii of the circles need to differ by at least 2 px for their sizes to be accurately perceived.

Now that you are familiar with just-noticeable differences in the perception of visual objects’ sizes, let’s look at how this paradigm is used in neurophysiological studies to explore how the brain responds and in other behavioral situations, such as distinguishing between fat levels in food.

Researchers have investigated how individual neurons in the visual cortex encode the physical properties of the world, like objects’ sizes.

Using electrophysiological recording techniques that measure firing patterns in conjunction with stimuli presentation, researchers found that neurons that are sensitive to size will sometimes respond in the same way to objects that are actually different sizes.

This is why JND are just-barely-noticeable: sometimes, in the brain, the relevant stimuli really do produce indistinguishable effects.

In addition, researchers have used a just-noticeable-differences task to characterize individual thresholds for detecting fat concentrations in food.

They found that individuals with a higher body mass index required a higher just-noticeable difference, or higher threshold, before tasting fatty acids in the samples. These results could lead to new approaches to limit excess fat consumption.

You’ve just watched JoVE’s introduction to just-noticeable differences. Now you should have a good understanding of how to design and run the experiment, as well as how to analyze and assess the results.

Thanks for watching!

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