שיטות לחקור את ההשפעה של תהליכים חזותיים מלמעלה למטה על התנהגות מוטורית
16 באפריל 2014
לא ברור כיצד אותות מלמעלה למטה מהזרם החזותי הגחון משפיעים על תנועה. פיתחנו פרדיגמה לבדוק מנוע התנהגות כלפי יעד באשלית היפוך עומק 3D. הבדלים משמעותיים הם דיווחו בשני תנועות מכוונות, מכוון למטרה ופעולות אוטומטיות בתנאי צפייה מתעתעים ו ממשיים.
המטרה הכללית של הליך זה היא לפתח מתודולוגיה המשתמשת באשליה של היפוך עומק תלת-ממדי כדי להבהיר את תפקידם של תהליכים חזותיים מלמעלה-למטה (top-down) על פעולה מוטורית. זאת מושג תחילה על ידי בניית מכשיר המציג גירוי של פרספקטיבה הפוכה תלת-ממדית חזקה לצורך ביצוע תנועות הגעה תחת מצבים תפיסתיים שונים. השלב השני של ההליך הוא הקמת מערכת ללכידת תנועה כדי להקליט את האינטראקציה של המשתתף עם גירוי זה.
השלב השלישי הוא יצירת פלטפורמה המאפשרת למשתתפים להושיט את ידם אל המקום שבו תפסו לאחרונה את מיקום המטרה על הגירוי, ללא תיקונים חזותיים בזמן אמת או משוב הפטי. השלב הסופי הוא ניתוח נתוני ההושטה קדימה וכן נתוני נסיגת הזרוע הבלתי מונחית, במטרה לבנות מודל מקיף של התנהגות ויזואלית-מוטורית בהקשר זה. בסופו של דבר, התוצאות יכולות להראות שינויים בדינמיקת ההושטה תחת מצבים תפיסתיים שונים באמצעות ההערכה קינמטית המסופקת בפרדיגמה זו.
היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון אלו המשתמשות באשליה הפנים החלולות, הוא שהגירוי הרלוונטי מאפשר הבדלים מקסימליים של כמעט 90 מעלות בכיוון פני השטח תחת מצבים תפיסתיים אנכיים ואשליים. שיטה חדשה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום מדעי התפיסה ולהוות בסיס לבניית מדע פסיכולוגי אובייקטיבי יותר, באמצעות טכניקות חדשות שמעבר לדיווחים מילוליים של בני אדם או ללחיצות על מקשים, בשל התחזיות השונות מאוד של שתי ההיפותזות. במילים אחרות, בדיקה האם מערכת הבקרה המוטורית מושפעת מהאשליה או לא, תאפשר לנו לבחון היפותזה זו.
את הפרוצדורה ידגימו היום Jay Val, CD pathak ו-R Sadik, עוזרי מחקר במעבדות שלנו. ראשית, בנו פלטפורמה ניידת בגודל 65 על 55 סנטימטרים הנעה על מסילה מחליקה באורך 55 סנטימטרים. הגירויים השונים ימוקמו על הפלטפורמה.
יש להציג את הגירויים בגובה העיניים של המשתתף היושב, לכן יש לקבע את המסלול בגובה המתאים. הפלטפורמה צריכה לכלול מנגנון קפיץ נסוג. חבר מנגנון זה ללוח מעגלים המסנכרן אירועים שונים מאחורי מושב המשתתף.
הסדרו את המנורות כך שיאירו את הפלטפורמה באופן אחיד. חברו את המנורות לאותה לוח מעגלים הנמצא מתחת למשענת הידיים של מושב המשתתף. חבקו תיבת מתג שניתן להפעילה בקלות על ידי הרמת יד המשתתף.
חבר את המתג ללוח המעגלים על גבי לוח המעגלים. חבר את פיני הפלט לפיני הבקר (microcontroller) עבור הפעלת הגירוי. הפלטפורמה צריכה לסגת והאור צריך להיכבות כאשר המשתתף לוחץ על תיבת ההדק (trigger box) בעת פריסת זרועו כלפי חוץ.
השתמש ב-MATLAB כדי לשלוט בבקר המיקרו (microcontroller) לצורך תיעוד רצף הניסויים ולהנחיית הנסיין לגבי תנאי הצפייה הדרושים לכל ניסוי. כעת בנה את גירוי הפרספקטיבה הנכון ובנה את גירוי הפרספקטיבה ההפוכה. למרות שנראה כי הבניין המרכזי הוא קמור, הוא שקוע פיזית מימין לקו האמצע בשני הגירויים.
חברו דיסקה מישורית אדומה. בנו את שני גירויי האימון מפאנלים מלבניים על כל פאנל. ייצגו את אחד המשטחים הימניים המבודדים של הבניין המרכזי באמצעות הדיסקה האדומה.
לוח אחד מיועד לגירוי בפרספקטיבה הפוכה והשני לגירוי בפרספקטיבה תקינה. ראשית, בדקו את הסטריאופסיס (ראייה תלת-ממדית) של המשתתפים באמצעות מבחן Rand dot stereo. כמו כן, קבעו את העין הדומיננטית שלהם.
בשלב הבא, הגדירו את מערכת לכידת התנועה המורכבת מ-14 חיישנים אלקטרומגנטיים הפועלים ב-240 hertz ותוכנה למעקב תנועה. מקמו 12 מתוך 14 החיישנים על המשתתף באמצעות רצועות ספורט. הצמידו אותם לראש, לגו, לשתי הכתפיים, לזרועות העליונות, לאמות, ולאצבע המורה ובאגודל של היד המפעילה את המתג.
מקמו את שני החיישנים האחרים על גבם של שני הגירויים, מאחורי הדיסקים האדומים. המשתתף לא יראה את הגירויים לפני הבדיקה. כבו את כל האורות למעט המנורות המשמשות להארת פלטפורמת הגירויים.
החשיכו את מסכי המחשב והרחיקו אותם מהמעמד הניסיוני. תנו למשתתף הסבר על מהלך הניסוי וכיצד עליו להפעיל את תיבת המיתוג. הדגימו למשתתף כי עליו לתפוס את הפלטפורמה רק כאשר היא נראית לעין.
כעת, בצעו ניסוי תרגול עבור גירוי. הציגו רק לוח גיר עם מוט לתליית חפצים. בקשו מהמשתתף להושיט יד לעבר המוט ולהחזיר את ידו למצב מנוחה.
בצע זאת שלוש פעמים בקצב הנוח למשתתף. התחל את ניסיי ההשראה באמצעות שני גירויי האימון. הנחה את המשתתף לעצום את עיניו לאחר כל ניסוי, כדי שלא יראה את החלפת הגירויים.
התוכנה קובעת באופן אקראי את סדר הצגת שני הגירויים, ארבע פעמים כל אחד. כעת התחל בניסויי הבדיקה. ניסויים אלו מורכבים משלושה תנאים.
המצב הראשון הוא צפייה בפרספקטיבה ההפוכה תחת תפיסה אשלית. התנאי הבא הוא צפייה בפרספקטיבה ההפוכה תחת תפיסה אנכית. המצב השלישי, כמובן, הוא הפרספקטיבה הנכונה.
הצג תחילה את גירוי הפרספקטיבה ההפוכה ושאל אם המשתתף יכול לייצב את התפיסה האשלית של הבניין המרכזי ש"קופץ" החוצה. אם המשתתף אינו מצליח לייצב את האשליה, השתמש בעדשת טשטוש (defocusing lens) על העין הלא-דומיננטית; במידה והעדשה נחוצה, השתמש בה בכל ניסוי אשלי רטרוספקטיבי. את סדר הניסויים הנותרים יש להגריל באופן אקראי.
מוצגים סך הכל 12 ניסיונות עבור כל תנאי, מה שמוביל ל-36 ניסיונות ניסוייים. המספר הכולל של הניסיונות הוא 47. נתון זה כולל את אימוני התרגול ואת הניסיונות הניסוייים.
ספק הוראות מילוליות עבור כל ניסוי: בניסוי האשליה הרטרוספקטיבית וניסוי הפרספקטיבה הנכונה, הנחה את המשתתף לראות את הבניין המרכזי כבולט החוצה. בניסויי האנכיות, הנחה את המשתתף לראות את הבניין המרכזי כשקוע פנימה. בקש מהמשתתף תמיד להושיט את ידו רק לאחר שהתפיסה התייצבה.
החלק הקריטי ביותר בפרוטוקול הוא הבטחת השמירה של המשתתף על התפיסה האשלית או האנכית לאורך כל משך הניסוי. אנו מאפשרים למשתתף להקדיש את הזמן הדרוש לו כדי להשיג זאת, ובמקרה של ספק, הניסוי חוזר על עצמו. הסטטיסטי של מבחן Wilkes Lambda הוא מדד אחד המשמש לניתוח.
נתוני נתיב היד עבור נבדק מייצג. הנבדק הראה הבדלים משמעותיים בפרופילי מסלול נתיב היד עבור תנועות ההגעה שבוצעו תחת תפיסה אנכית (בירוק) ותפיסה אשליית (בכחול) של הגירוי המתאים. הבדל זה בעקמומיות נתיב היד תחת תפיסה אנכית לעומת תפיסה אשליית נראה גם בנסיגת הזרוע הבלתי מונחית.
בהשוואה לפרספקטיבה האנכית הנכונה, הנתונים חשפו כצפוי הבדלים משמעותיים הן עבור הרחבת ההגעה קדימה והן בדיוניות נסיגת היד; הסטטיסטיקה מפורטת בפרוטוקול הטקסט בעת בחינת כיוון היד במהלך הגישה לגירויים. וקטורי גישת היד תחת גירוי אנכי הפוך (בירוק) היו שונים משני תנאי הגירוי האחרים. וקטורי גישת היד ביד.
האוריינטציות היו דומות באופן ניכר. לאחר השליטה בטכניקה, ניתן לבצע אותה בערך בשעה אחת אם היא מבוצעת נכון. במהלך ביצוע הליך זה, חשוב מאוד לזכור להקליט תנועה מלאה ורציפה של הזרוע, כולל תנועת ההגעה קדימה של היד לעבר המטרה והנסיגה הספונטנית של היד.
הסולם פעל באופן אוטומטי ללא כל הנחיות לאחר פיתוחו. טכניקה זו עשויה לסלול את הדרך עבור חוקרים בתחום מדעי המוח לבחון את הקשר בין בקרה מלמעלה-למטה (top-down control) לבין עיבוד תחושתי-מוטורי באוכלוסיות עם התפתחות טיפוסית ובאוכלוסיות פתולוגיות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן כיצד תהליכים חזותיים של עיבוד מלמעלה למטה (top-down) מהנתיב החזותי הגבי (ventral stream) משפיעים על פעולות מוטוריות. באמצעות אשליה של היפוך עומק בתלת-ממד, המחקר בוחן תנועות מכוונות ואוטומטיות תחת תנאים תפיסתיים משתנים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- פסיכולוגיה התנהגותית
- תפיסה חזותית
רקע
- אותות מלמעלה-למטה (Top-down signals) ממלאים תפקיד מכריע בעיבוד חזותי.
- הבנת ההתנהגות המוטורית בתגובה לגירויים חזותיים היא חיונית.
- אשליות יכולות לשנות את התפיסה ולהשפיע על פעולות מוטוריות.
- מחקרים קודמים הראו השפעות משתנות של הקשר חזותי על תנועה.
מטרת המחקר
- להבהיר את תפקידם של תהליכים חזותיים מלמעלה למטה (top-down) על פעולה מוטורית.
- להעריך כיצד התפיסה משפיעה על דינמיקת ההגעה.
- לפתח מתודולוגיה לחקר אינטראקציות חזותיות-מוטוריות.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- בניית מכשיר לאשליה של היפוך עומק בתלת-ממד.
- הטמעה של מערכת ללכידת תנועה עבור אינטראקציה של המשתתפים.
- יצירת פלטפורמה להגעה ללא תיקונים חזותיים.
- ניתוח נתוני הגעה והסגת הזרוע לצורך מידול התנהגות מוטורית חזותית.
תוצאות עיקריות
- הבדלים משמעותיים בתנועות תחת תנאים של אשליה לעומת תנאים מציאותיים (veridical).
- נצפו שינויים בדינמיקה של ההגעה בהתאם למצבים תפיסתיים.
- הן פעולות מכוונות והן פעולות אוטומטיות הושפעו מהאשליה.
- התוצאות תורמות להבנת האינטגרציה החזותית-מוטורית.
מסקנות
- תהליכים חזותיים מסוג top-down משפיעים באופן משמעותי על פעולות מוטוריות.
- אשליות יכולות לספק תובנות לגבי תפיסה חזותית והתנהגות מוטורית.
- מחקרים עתידיים יכולים להתבסס על ממצאים אלו כדי לבחון השלכות נוספות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מתודולוגיה זו מאפשרת הפחתת סיכונים מכניסטית של תיקוף המטרה על ידי בידוד השפעות חזותיות מלמעלה-למטה על התנהגות מוטורית, ובכך מספקת מדדים כמותיים לאינטגרציה תפיסית-מוטורית. היא תומכת בביטחון חיזוי בשלבי הגילוי המוקדמים על ידי מידול האופן שבו מצבים תפיסתיים משנים פעולות ספונטניות ומכוונות, ובכך מנחה את תכנון המערכי הבדיקה למעורבות של מטרות נוירולוגיות. גישה זו משפרת את ההתאמה של ביומרקרים תרגומיים באמצעות הערכה קינמטית אובייקטיבית, ובכך מפחיתה את ההסתמכות על דיווחים סובייקטיביים בתיקוף פרה-קליני.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: בוחן השערות טיפוליות על ידי בדיקה האם הפלט המוטור מונחה על ידי אשליה תפיסתית או תפיסה אמיתית, ובכך מבהיר את מנגנוני המעורבות של המטרה.
- ערך תפעולי: מאפשר הפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות בידוד סטנדרטי של משתנים תפיסתיים במבחני תגובה מוטורית.
- ערך ניבוי: תומך במיון תיקי פיתוח על ידי כימות האופן שבו תהליכים של עיבוד מלמעלה למטה (top-down) משפיעים על דינמיקת ההגעה תחת מצבים תפיסתיים מבוקרים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מוכנות הבדיקה: מכינה מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף עבור זרימות עבודה המשך, על ידי ביסוס פרדיגמות הiracial של הושטה ותפיסה תחת תנאי תפיסה מוגדרים.
- תוצרים כמותיים: מספקת מדדים קינמטיים (קימור נתיב היד, וקטורי גישה) המאפשרים השוואה של השפעות תרכובים בין מצבים תפיסתיים שונים.
- שימוש חוזר בפלטפורמה: תשתית לכידת תנועה ניתנת להרחבה התומכת בסריקה בעלת תפוקה גבוהה של נוירומודולטורים המכוונים למסלולים חזותיים-מוטוריים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות למחלה: מדמה עיוותים תפיסתיים בהפרעות נוירו-פסיכולוגיות, בתיאום עם אסטרטגיות של סממנים ביולוגיים תרגומיים למצבים כמו סכיזופרניה או מחלת פרקינסון.
- המשכיות פרה-קלינית: מגשר בין שלב הגילוי לשלב התיקוף על ידי לכידה של רכיבים מוטוריים מכוונים וספונטניים תחת מניפולציה תפיסתית.
- קידום מותאם סיכון: מספק מידע לקבלת החלטות לגבי המשך התהליך (go/no-go) על ידי חשיפת משתנים תפיסתיים מבלבלים שעלולים לעוות את פרשנות נקודת הסיום המוטורית in vivo.
שילוב זרימת עבודה וצינור עיבוד
ממקם את השיטה בשלב שבין הגילוי המוקדם לזיהוי תרכובות מובילות, שבו יש להפחית סיכונים הנובעים מהערכות שגויות של תפיסה במבחני מוטוריקה לפני סריקת תרכובות.
- ביולוגיה של הגילוי: בוחן את ההיפותזה לפיה התנהגות מוטורית משקפת מצב תפיסתי ולא תגובה רפלקסיבית, ובכך מפחית עמימות מכניסטית בתיקוף המטרה.
- סריקה: מבטיח את מוכנות המערך על ידי סטנדרטיזציה של שלבי תחילת ההגעה והנסיגה ללא תיקון חזותי מקוון, ובכך משפר את אמינות הנתונים.
- אנליטיקה: משתמש בסטטיסטיקת המבחן Wilkes Lambda ובפרופיל קינמטי להשוואה בין תנאים, מה שמאפשר דיוק סטטיסטי בזיהוי השפעות תפיסתיות-מוטוריות.
- מחקר תרגומי: מקשר לעבודה פרה-קלינית על ידי מידול האופן שבו שינויים תפיסתיים במודלים של מחלות משפיעים על פלט מוטורי טבעי.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה ניתנת לשימוש חוזר להערכה נוירו-מוטורית, הניתנת להתאמה למספר תחומי מחלה הכוללים ליקויי אינטגרציה חושית.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי על ידי הפרדה בין תרומות תפיסתיות למשגשתיות לפעולה, ובכך מפחית אותות מטרה שגויים.
- ערך תפעולי: מספק סטנדרטיזציה באמצעות גאומטריה קבועה של הפלטפורמה, תזמון גירויים מסונכרן ופרוטוקולים של לכידת תנועה.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי זיהוי מוקדם של בדיקות עם בלבול תפיסתי, ובכך מונע נשירה בשלבים מאוחרים עקב הטיות קוגניטיביות שלא מודלו.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף של תרכובות מותאם לסיכון, בהתבסס על חוסן ההשפעה על פני מצבים תפיסתיים שונים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בנוירוሳይנס תפיסתי, מערכות לכידת תנועה ופרגדימות של פסיכולוגיה ניסוית.
- תלוי בתשתית מעקב תנועה אלקטרומגנטית ובחומרת הצגת גירויים (פלטפורמה, תאורה, סנכרון מפסקים).
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של אימות המצב התפיסתי (למשל, דיווח משתתף, תיקון עדשות) כדי להבטיח את תקינות הניסוי.
- התאמה בין מערכות מודל עשויה לדרוש שינוי של משימות הגעה ומשרה תפיסתיים, תוך שמירה על הדיסוציאציה בין רכיבים מכוונים לספונטניים.
- מגבלה מעשית: יש לסנן את רגישות המשתתפים לאשליה, דבר שעלול לצמצם את גודל הקוהורט ולהגדיל את עלויות הסינון.
