VisualEyes: un sistema software modulare per la Sperimentazione oculomotoria
March 25th, 2011
Il controllo neurale e processi cognitivi possono essere studiati attraverso i movimenti oculari. Il software VisualEyes consente all'operatore di programmare stimoli su due schermi di computer in modo indipendente utilizzando un linguaggio semplice, scripting personalizzato. Il sistema è in grado di stimolare i movimenti oculari tandem (saccadi e di esercizio regolare) o movimenti oculari opposti (di convergenza) o qualsiasi combinazione.
L'obiettivo generale di questa procedura è quello di consentire a uno sperimentatore di generare una serie di stimoli visivi utilizzando il sistema visivo oculare per condurre uno studio oculo-motorio. Innanzitutto, il sistema visivo deve essere calibrato convertendo i valori dei pixel in gradi utilizzando i bersagli misurati. Il secondo passo consiste nel definire le posizioni iniziale e finale degli stimoli dell'occhio sinistro e destro salvando gli stimoli in una libreria prima della sessione sperimentale.
Infine, il monitor del movimento oculare viene posizionato sul soggetto e viene eseguito lo script sperimentale per registrare le risposte ai movimenti oculari. In definitiva, si possono ottenere risultati che mostrano tracce di posizione e velocità dei movimenti oculari. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come il software proprietario, è che l'operatore compone qualsiasi stimolo visivo per condurre qualsiasi tipo di esperimento motorio oculare.
A dimostrare questa procedura è uno studente di dottorato su Kim del mio laboratorio. Per questo sistema è possibile utilizzare qualsiasi tipo di monitor del movimento oculare. In questa dimostrazione, un sistema di tracciamento del limbus e un sistema di monitoraggio video dei movimenti oculari saranno utilizzati per il tracciamento in tandem di movimenti come l'inseguimento psicotico o regolare.
Un singolo computer può essere utilizzato per la visualizzazione visiva per studiare i movimenti oculari opposti come le vergini o l'interazione delle vergini con i movimenti in versione tandem. È necessario un cannocchiale aploscopico con due monitor per computer per la visualizzazione visiva. La prima calibrazione è necessaria per convertire una serie di metriche in un'altra perché i movimenti oculari sono in genere indicati in gradi di rotazione.
Mentre i monitor dei computer utilizzano i valori dei pixel, è possibile utilizzare la trigonometria per calcolare dove posizionare i bersagli fisici per calibrare i display visivi. Ad esempio, se lo stimolo sullo schermo del computer si allinea con un bersaglio fisico di due gradi, il valore dei pixel corrisponde a uno stimolo di due gradi. Per calibrare il sistema, l'operatore deve aprire il file pixel to degree dot vei all'interno della directory di visualizzazione.
Innanzitutto, definire il monitor da calibrare utilizzando il campo della modalità di allungamento. Immettere il numero uno per il monitor dell'occhio sinistro e il numero due per il monitor dell'occhio destro. Quindi eseguire il programma e spostare lo stimolo della linea verde fino a quando la linea verde non viene sovrapposta al bersaglio fisico.
Ora inserisci la posizione nota del bersaglio fisico in gradi e premi il pulsante Salva. Quindi fare clic sulla linea verde. Il grado e il valore dei pixel verranno visualizzati sul display nell'angolo in basso a sinistra e l'operatore dovrebbe raccogliere un minimo di tre punti di calibrazione.
Dopo aver salvato tutti i punti di calibrazione, aprire il file di output Excel D two P nella directory visualizzata. Per ottenere i punti di calibrazione. Tracciare i punti di calibrazione per ottenere un'equazione di regressione lineare.
Usa l'equazione per calcolare la posizione iniziale e finale dello stimolo visivo. L'operatore desidera programmare in valori di pixel. Di seguito è mostrato un esempio della curva di calibrazione dell'occhio sinistro e dell'occhio destro ottenuta utilizzando cinque punti di calibrazione per uno stimolo vergine.
Ripetere i due passaggi precedenti per l'altro monitor se lo stimolo richiede un monitor aggiuntivo. Innanzitutto, l'operatore deve definire la posizione iniziale e finale dello stimolo dell'occhio sinistro e destro prima dell'esperimento. A tale scopo, aprire un nuovo file di testo e definire i valori iniziali di tempo e posizione nella prima riga.
È necessario definire quattro parametri, il tempo, la posizione orizzontale, la posizione verticale e la rotazione, ciascuno separato da una tabulazione. Allo stesso modo, definisci i quattro parametri finali, il tempo finale, la posizione orizzontale, la posizione verticale e la rotazione dello stimolo. Salva lo stimolo nella directory visualizzata come file del nome dello stimolo punto vii e ripeti questo passaggio per qualsiasi altro stimolo I.
Successivamente, il movimento dello stimolo può essere generalizzato in due tipi di movimento. Un passo brusco o una rampa continua. Un passo consente allo stimolo di spostarsi bruscamente o saltare dalla posizione iniziale alla posizione finale.
L'operatore deve notare che la variazione di tempo dovrebbe essere di 0,001 secondi per uno stimolo a gradini. Un esempio di un passo psicotico, una rampa di inseguimento regolare, un passo vergine e una rampa vergine sono mostrati nella tabella uno. Per gli stimoli, puoi avere un singolo stimolo, come un passo o una sequenza di compiti visivi, come un multi-passo.
Ora, salva entrambi i file di stimolo nella libreria di stimoli. Si noti che ci sono diverse impostazioni predefinite all'interno della directory visualizzata. La prima riga è la percentuale dello schermo all'interno della direzione orizzontale.
La seconda riga è la percentuale dello schermo all'interno della direzione verticale. La terza è l'immagine di sfondo e la quarta è l'immagine in primo piano o di destinazione. La quinta riga indica che il computer deve funzionare in modalità indipendente.
La sesta riga indica quale monitor viene utilizzato. La settima riga è il rapporto d'aspetto dei monitor. Il resto delle linee sono i diversi tipi di stimoli che l'operatore può utilizzare all'interno di una sessione sperimentale.
Ora apri il monitor dello stimolo dell'occhio sinistro e lo stimolo dell'occhio destro. Monitorare i file dalla directory visualizzata. Questi due file contengono gli stimoli della libreria rispettivamente per l'occhio sinistro e l'occhio destro.
Nell'ultima riga, scrivi il nome del file dello stimolo che è stato definito. Il numero di profilo si riferisce alla riga corrispondente al nome del file di stimolo. Ad esempio, qui il numero di profilo dello stimolo è otto.
Si possono ripetere i passaggi precedenti per creare tutti gli stimoli necessari per un esperimento. Successivamente, è possibile scrivere lo script per il protocollo sperimentale. Innanzitutto, apri un file di testo per digitare i comandi del protocollo sperimentale e salva questo file nella directory visualizzata come nome di script vs file.
Questo sarà il file di script da cui il sistema di visualizzazione leggerà ed eseguirà i comandi. Le funzioni visualizzate hanno argomenti di input e output. Questa tabella mostra tutte le funzioni del software visualizzato che possono essere utilizzate quando il file temporaneo dot lwf non è definito.
Durante l'esecuzione di questa funzione, il software non memorizzerà alcun dato in entrata per la digitalizzazione. Le stringhe di output della funzione del file di log o il buffer di input definito dalla prova EXP nel file di testo in uscita nella directory visualizzata. Al termine dell'esperimento, assicurarsi di modificare il nome del file di testo in uscita con un altro nome.
In caso contrario, i dati verranno sovrascritti durante l'esperimento successivo. La funzione del peso del grilletto attende che il soggetto prema il pulsante di attivazione per avviare la prova sperimentale indicata come prova di accelerazione sullo schermo e digitalizzare i dati. Questo è il canale 12 sulla scheda di acquisizione digitale che è in attesa che il segnale passi da un alto digitale a un basso.
Infine, la funzione di ritardo casuale genera un ritardo casuale per prevenire la previsione o l'anticipazione dello stimolo successivo, mentre la funzione MSD d'onda calcola la media e la deviazione standard dei dati. Prima di iniziare un esperimento, il soggetto deve fornire il consenso scritto e informato approvato dal comitato di revisione istituzionale. L'esperimento deve essere spiegato in dettaglio prima che un soggetto possa accettare di partecipare.
Diversi monitor del movimento oculare, come il sistema di imaging video a riflessione corneale, il sistema di tracciamento del limbus o la bobina di ricerca sclera possono essere utilizzati per raccogliere e registrare i movimenti oculari. Qui dimostreremo un sistema di tracciamento del limbus. Quindi regola il monitor del movimento oculare per acquisire le caratteristiche anatomiche dell'occhio, come il limbus o la pupilla e la riflessione corneale, a seconda del monitor del movimento oculare utilizzato.
Una volta che il monitor del movimento oculare è regolato correttamente sul soggetto, verificare che il monitor del movimento oculare stia catturando i movimenti oculari chiedendo al soggetto di eseguire movimenti psicotici da un lato all'altro o verso l'interno e verso l'esterno chiamati movimenti vergini. Aprire il programma Leggi script dot vei nella directory visualizzata nell'angolo in alto a destra, digitare il nome del file di script del protocollo sperimentale creato in precedenza. Quindi esegui il programma read script dot vei premendo il pulsante freccia nell'angolo in alto a sinistra.
Quindi, dai al soggetto il pulsante di attivazione e spiega che quando il pulsante viene premuto, inizierà la raccolta dei dati. Sullo schermo apparirà automaticamente un altro file VEI di acquisizione, che traccerà i dati in entrata. I dati vengono campionati a 500 hertz.
Al termine dell'esperimento, lo script di lettura dot bei si fermerà automaticamente in questo momento. Entra nella directory visualizzata e trova il file di testo in uscita. Rinominare il file.
In caso contrario, alla successiva esecuzione dell'esperimento da parte dell'operatore, il file di dati verrà sovrascritto. Al termine dell'esperimento, i dati possono essere analizzati utilizzando diversi pacchetti software, tra cui la latenza MATLAB o Excel. La velocità o l'ampiezza di picco possono essere interessanti a seconda dello studio.
Un esempio di codice di analisi MATLAB è fornito nella directory visualizzata per tracciare i codici SEC, i passi vergini e le rampe vergini. Qui vediamo esempi dell'insieme dei movimenti oculari che possono essere registrati utilizzando il sistema visualizzato. In questi appezzamenti, vediamo i tipici movimenti psicotici a 10 gradi, chiamati anche Prosecchi.
La nostra ricerca utilizza il grado di rotazione. I movimenti oculari possono essere calibrati in unità di gradi, angoli metrici o diottrie del prisma. Ogni traccia rappresenta un singolo movimento oculare in cui nella parte superiore del grafico la posizione è indicata in gradi in funzione del tempo.
Il grafico in basso è la velocità tracciata in gradi al secondo in funzione del tempo. Gli antis cos sono mostrati qui. Queste sono risposte psicotiche.
Quando al soggetto viene detto di fare un secod nella direzione opposta allo stimolo visivo, la vergine risponde a quattro gradi. I passaggi possono essere visti qui e le risposte della vergine agli stimoli di rampa di cinque gradi al secondo sono mostrate qui. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di calibrare il sistema prima che il soggetto venga presentato per uno studio.
Fornire istruzioni adeguate al soggetto e assicurarsi che il monitor dei movimenti oculari sia regolato correttamente per il soggetto. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come programmare utilizzando il linguaggio di scripting visualizzato per costruire i tuoi stimoli visivi per studiare un'ampia gamma di esperimenti motori oculari. La ricerca motoria oculare beneficia di una solida base di ricerca perché può fornire informazioni sul cervello normale e disfunzionale.
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Panoramica
Questo articolo discute l'uso del software VisualEyes per studiare il controllo neurale e i processi cognitivi attraverso i movimenti oculari. Il sistema permette la programmazione indipendente di stimoli visivi su due schermi, facilitando vari esperimenti oculo-motori.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienza
- Controllo oculo-motore
- Processi cognitivi
Sfondo
- I movimenti oculari sono fondamentali per comprendere il controllo neurale.
- Il software VisualEyes consente lo scripting personalizzato per la presentazione degli stimoli.
- Possono essere stimolati diversi tipi di movimenti oculari, inclusi saccade e smooth pursuit.
- Il sistema offre flessibilità rispetto al software proprietario.
Scopo dello studio
- Generare stimoli visivi per studi oculo-motori.
- Calibrare il sistema visivo oculare per misurazioni accurate.
- Registrare le risposte dei movimenti oculari durante gli esperimenti.
Metodi utilizzati
- Calibrazione del sistema visivo oculare convertendo i valori dei pixel in gradi.
- Definizione delle posizioni iniziali e finali degli stimoli per entrambi gli occhi.
- Salvataggio degli stimoli in una libreria prima della sessione sperimentale.
- Esecuzione di script sperimentali per monitorare e registrare i movimenti oculari.
Risultati principali
- Le tracce di posizione e velocità dei movimenti oculari sono state registrate con successo.
- La tecnica ha dimostrato vantaggi rispetto al software proprietario esistente.
- I risultati forniscono informazioni sui meccanismi di controllo oculo-motore.
- La flessibilità nella programmazione degli stimoli consente diversi progetti sperimentali.
Conclusioni
- Il software VisualEyes è uno strumento prezioso per la ricerca oculo-motoria.
- Lo scripting personalizzato migliora la capacità di condurre vari esperimenti.
- Studi futuri possono sfruttare questo sistema per approfondire i processi cognitivi.
Domande frequenti
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.
