Metodi per Esplora l'influenza di Top-down processi visivi sul comportamento motorio
16 aprile 2014
Non è chiaro come i segnali top-down dal flusso visivo ventrale influenzano il movimento. Abbiamo sviluppato un paradigma per testare il comportamento del motore verso un bersaglio su un 3D illusione di profondità inversione. Differenze significative sono riportate in entrambi i movimenti goal-directed intenzionali e le azioni automatiche in condizioni di visualizzazione illusorie e veritiere.
L'obiettivo generale di questa procedura è sviluppare una metodologia basata su un'illusione di profondità 3D per chiarire il ruolo dei processi visivi top-down sull'azione motoria. Ciò viene raggiunto innanzitutto costruendo un apparato che presenti uno stimolo robusto di prospettiva inversa in 3D, al fine di eseguire movimenti verso lo stimolo in diversi stati percettivi. Il secondo passaggio della procedura consiste nell'allestire un sistema di motion capture per registrare l'interazione del partecipante con questo stimolo.
Il terzo passaggio consiste nel creare una piattaforma che permetta ai partecipanti di effettuare un movimento verso la posizione in cui hanno percepito per ultima volta il bersaglio presente nello stimolo, senza correzioni visive in tempo reale né feedback tattile. L'ultimo passaggio prevede l'analisi sia dei dati relativi al movimento in avanti sia del ritrarsi non istruito del braccio, al fine di costruire un modello completo del comportamento visuomotorio in questo contesto. In definitiva, i risultati possono mostrare variazioni nella dinamica del movimento in diverse condizioni percettive, grazie alla valutazione cinematica fornita da questo paradigma.
Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come quelli che utilizzano l'illusione della faccia cava, è che lo stimolo rispettivo permette differenze massime quasi pari a 90 gradi nell'orientamento della superficie in condizioni di percezione verticale e illusoria. Questo nuovo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della scienza percettiva e rappresentare un primo passo verso una scienza psicologica più oggettiva, grazie a nuove tecniche che superano i semplici resoconti verbali soggettivi o le pressioni di tasti da parte degli esseri umani. Le previsioni molto diverse delle due ipotesi. In altre parole, stabilire se il sistema di controllo motorio sia o meno influenzato dall'illusione ci permette di verificare questa ipotesi.
La procedura di oggi sarà dimostrata da Jay Val, CD Pathak e R Sadik, assistenti di ricerca nei nostri laboratori. Costruire innanzitutto una piattaforma mobile di 65 per 55 centimetri che si muove su un binario scorrevole lungo 55 centimetri. Sulla piattaforma verranno posizionati i vari stimoli.
Lo stimolo deve essere presentato all'altezza degli occhi di un partecipante seduto, quindi il binario deve essere fissato all'altezza appropriata. La piattaforma deve essere dotata di un meccanismo a molla retrattile. Collegare questo meccanismo a una scheda elettronica che sincronizzi diversi eventi dietro il sedile del partecipante.
Posizionare le lampade in modo da illuminare uniformemente la piattaforma. Collegare le lampade allo stesso circuito posizionato al di sotto dei braccioli del sedile del partecipante. Fissare una scatola con interruttore facilmente premibile sollevando la mano del partecipante.
Collegare l'interruttore alla scheda circuitale sulla piastra del circuito. Collegare i pin di uscita ai pin del microcontrollore per l'attivazione dello stimolo. La piattaforma dovrebbe ritrarsi e la luce dovrebbe spegnersi quando il box del trigger viene premuto dal partecipante che allunga il braccio in avanti.
Utilizzare MATLAB per controllare il microcontrollore al fine di registrare la sequenza delle prove e per indicare all'operatore sperimentale a quali condizioni di visione occorre impostare ogni prova. Costruire ora lo stimolo prospettico corretto e lo stimolo prospettico inverso. Anche se l'edificio centrale sembra convesso, esso è fisicamente concavo a destra della linea mediana in entrambi gli stimoli.
Collegare un disco piano rosso. Costruire i due stimoli di addestramento utilizzando pannelli rettangolari su ciascun pannello. Rappresentare una delle superfici destre isolate dell'edificio centrale con il disco rosso.
Un pannello è destinato allo stimolo in prospettiva inversa e l'altro allo stimolo in prospettiva corretta. Prima di tutto, verificare la stereopsi dei partecipanti mediante un test stereo con punti Rand. Determinare inoltre la dominanza oculare.
Successivamente, configurare il sistema di acquisizione del movimento composto da 14 sensori elettromagnetici a 240 hertz e da un software di rilevamento del movimento. Applicare 12 dei 14 sensori sul partecipante utilizzando fasce sportive, posizionandoli su testa, tronco, due spalle, braccia superiori, avambracci, e sul dito indice e pollice della mano che opera l'interruttore.
Posizionare gli altri due sensori sul retro dei due stimoli, dietro ai dischi rossi. Il partecipante non deve vedere gli stimoli prima della prova. Spegnere tutte le luci, tranne le lampade utilizzate per illuminare la piattaforma dello stimolo.
Abbassare la luminosità di tutti i monitor dei computer e mantenerli rivolti lontano dal setup sperimentale. Illustrare al partecipante il flusso dell'esperimento e come dovrà attivare la scatola di commutazione. Dimostrare al partecipante che deve afferrare la piattaforma solo nella zona in cui è visibile.
Ora, eseguire una prova di pratica per uno stimolo. Inviare solo una lavagna con un'asta per appendere oggetti. Chiedere al partecipante di raggiungere l'asta e riportare la mano nella posizione di riposo.
Eseguire questa procedura tre volte, mantenendo un ritmo confortevole per il partecipante. Iniziare le prove di avvio utilizzando i due stimoli di addestramento. Chiedere al partecipante di chiudere gli occhi dopo ogni prova, in modo che non veda lo scambio degli stimoli.
Il software imposta in modo casuale l'ordine di presentazione dei due stimoli quattro volte ciascuno. Iniziare ora le prove sperimentali. Queste prove consistono in tre condizioni.
Uno osserva la visione inversa sotto una percezione illusoria. La condizione successiva è l'osservazione della prospettiva inversa sotto una percezione verticale. La terza, ovviamente, è la prospettiva corretta.
Presentare prima lo stimolo in prospettiva inversa e chiedere al partecipante se riesce a stabilizzare la percezione illusoria dell'edificio centrale che emerge. Se il partecipante non riesce a stabilizzare l'illusione, applicare una lente defocalizzante sull'occhio non dominante; se necessaria, utilizzare la lente in ogni prova illusoria retrospettiva. L'ordine delle prove rimanenti deve essere randomizzato.
Vengono presentati un totale di 12 prove per ogni condizione, per un totale di 36 prove sperimentali. Il numero complessivo totale di prove è 47, che include le prove di allenamento e quelle sperimentali.
Fornire istruzioni verbali per ogni prova, indicando al partecipante, nella prova illusoria retrospettiva e nella prova della prospettiva corretta, di osservare l'edificio centrale come se emergesse in primo piano. Nelle prove verticali, indicare al partecipante di osservare l'edificio centrale come se si ritirasse all'interno. Chiedere sempre al partecipante di allungare la mano solo dopo che la percezione si è stabilizzata.
La parte più critica del protocollo consiste nell'assicurare che il partecipante mantenga la percezione illusoria o verticale per l'intera durata della prova. Si permette al partecipante di prendersi tutto il tempo necessario per raggiungere questo stato, e in caso di dubbio, la prova viene ripetuta. La statistica del test di Wilkes Lambda è una delle metriche utilizzate per l'analisi.
Dati del percorso della mano per un soggetto rappresentativo hanno mostrato differenze significative nei profili della traiettoria del percorso della mano per i movimenti effettuati dal soggetto sotto la percezione verticale in verde e la percezione illusoria in blu del rispettivo stimolo. Questa differenza nella curvatura del percorso della mano in base alla percezione verticale e a quella illusoria si osserva anche nel ritiro non istruito degli arti.
Confrontando la prospettiva verticale spective, i dati hanno rivelato, come previsto, differenze significative sia nell'estensione del raggiungimento in avanti che nelle discussioni sulla retrazione della mano; le analisi statistiche sono descritte in dettaglio nel protocollo testuale quando si esamina l'orientamento della mano durante l'avvicinamento agli stimoli. I vettori di avvicinamento della mano sotto lo stimolo verticale spective inverso, mostrati in verde, differivano dalle altre due condizioni di stimolo. Vettori di avvicinamento della mano nella mano.
Le orientazioni erano notevolmente simili. Una volta acquisita, questa tecnica può essere eseguita in circa un'ora se effettuata correttamente. Durante l'esecuzione di questa procedura, è molto importante ricordare di registrare un movimento completo e continuo del braccio, inclusi sia il movimento di avvicinamento della mano verso il bersaglio sia il ritiro spontaneo della mano.
La scala ha funzionato automaticamente senza alcuna istruzione dopo il suo sviluppo. Questa tecnica può aprire la strada ai ricercatori nel campo delle neuroscienze per esplorare la relazione tra controllo top-down ed elaborazione sensoriomotoria sia nelle popolazioni tipicamente sviluppate che in quelle patologiche.
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Panoramica
Questo studio analizza in che modo i processi visivi top-down del flusso visivo ventrale influenzano le azioni motorie. Utilizzando un'illusione di inversione della profondità 3D, la ricerca esamina movimenti sia deliberati che automatici in condizioni percettive variabili.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Psicologia del comportamento
- Percezione visiva
Sfondo
- I segnali top-down svolgono un ruolo cruciale nell'elaborazione visiva.
- Comprendere il comportamento motorio in risposta a stimoli visivi è essenziale.
- Le illusioni possono alterare la percezione e influenzare le azioni motorie.
- Studi precedenti hanno mostrato effetti variabili del contesto visivo sul movimento.
Scopo dello studio
- Chiarire il ruolo dei processi visivi top-down sull'azione motoria.
- Valutare come la percezione influisca sulla dinamica del raggiungimento.
- Sviluppare una metodologia per lo studio delle interazioni visuo-motorie.
Metodi Utilizzati
- Costruzione di un apparato per l'illusione di inversione della profondità 3D.
- Implementazione di un sistema di motion capture per l'interazione del partecipante.
- Creazione di una piattaforma per il raggiungimento senza correzioni visive.
- Analisi dei dati di raggiungimento e ritrazione del braccio per modellare il comportamento motorio visivo.
Risultati principali
- Differenze significative nei movimenti in condizioni illusorie rispetto a quelle veridiche.
- Sono state osservate variazioni nella dinamica del raggiungimento in base agli stati percettivi.
- Sia le azioni deliberate che quelle automatiche sono state influenzate dall'illusione.
- I risultati contribuiscono alla comprensione dell'integrazione visuomotoria.
Conclusioni
- I processi visivi top-down influenzano in modo significativo le azioni motorie.
- Le illusioni possono fornire spunti utili per comprendere la percezione visiva e il comportamento motorio.
- Ricerche future possono basarsi su questi risultati per esplorare ulteriori implicazioni.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questa metodologia consente una riduzione dei rischi meccanicistici nella validazione degli obiettivi isolando le influenze visive discendenti sul comportamento motorio, fornendo letture quantitative dell'integrazione percettivo-motoria. Supporta una previsione affidabile nella fase iniziale di scoperta modellando come gli stati percettivi alterino azioni spontanee e deliberate, orientando la progettazione di saggi per il coinvolgimento degli obiettivi in neuroscienze. L'approccio migliora l'allineamento traslazionale dei biomarcatori attraverso una valutazione cinetica oggettiva, riducendo la dipendenza da resoconti soggettivi nella validazione preclinica.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Verifica ipotesi terapeutiche testando se l'output motorio sia guidato da un'illusione percettiva o da una percezione veridica, chiarificando i meccanismi di coinvolgimento del bersaglio.
- Valore operativo: Consente la riduzione del rischio biologico mediante l'isolamento standardizzato di variabili percettive nei saggi di risposta motoria.
- Valore predittivo: Supporta la selezione del portafoglio quantificando in che modo i processi top-down modulano la dinamica del raggiungimento in condizioni percettive controllate.
Sviluppo di screening e saggi
- Prontezza del saggio: Prepara sistemi biologici validati per flussi di lavoro successivi, stabilendo paradigmi riproducibili di afferramento in condizioni percettive definite.
- Risultati quantitativi: Fornisce metriche cinematiche (curvatura del percorso della mano, vettori di avvicinamento) che consentono il confronto degli effetti di composti in diversi stati percettivi.
- Riutilizzo della piattaforma: Un framework scalabile di acquisizione del movimento supporta lo screening ad alto rendimento di neuromodulatori mirati alle vie visuo-motorie.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Rilevanza per le Malattie: Modella le distorsioni percettive nei disturbi neuropsicologici, in linea con le strategie traslazionali di biomarcatori per condizioni come la schizofrenia o il morbo di Parkinson.
- Continuità Preclinica: Collega la scoperta alla validazione catturando sia i componenti motori intenzionali sia quelli spontanei sotto manipolazione percettiva.
- Progressione Basata sul Rischio: Guida le decisioni di avanzamento o interruzione rivelando confondenti percettivi che potrebbero alterare l'interpretazione degli endpoint motori in vivo.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Posiziona il metodo nella fase iniziale della scoperta fino all'identificazione dei composti guida, in cui i fattori di confusione percettivi nei saggi motori devono essere eliminati prima dello screening dei composti.
- Biologia della scoperta: Verifica l'ipotesi secondo cui il comportamento motorio riflette lo stato percettivo piuttosto che una risposta riflessiva, riducendo l'ambiguità meccanicistica nella validazione degli obiettivi.
- Screening: Garantisce la prontezza del saggio standardizzando le fasi di inizio e ritrazione del movimento senza correzione visiva in tempo reale, migliorando l'affidabilità dei dati.
- Analisi: Utilizza la statistica test di Wilks Lambda e il profilo cinematico per confrontare le condizioni, consentendo un rigore statistico nel rilevamento degli effetti percettivo-motori.
- Ricerca traslazionale: Si collega ai lavori preclinici modellando come le alterazioni percettive nei modelli di malattia influenzino l'output motorio naturalistico.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma di valutazione neuromotoria riutilizzabile, adattabile a diverse aree di malattia che coinvolgono deficit nell'integrazione sensoriale.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva dissociando i contributi percettivi da quelli motori all'azione, riducendo i segnali falsi dei bersagli.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione attraverso una geometria della piattaforma fissa, una temporizzazione sincronizzata degli stimoli e protocolli di acquisizione del movimento.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale identificando precocemente i saggi confusi a livello percettivo, prevenendo l'abbandono in fasi avanzate dovuto a bias cognitivi non modellati.
- Impatto sul portafoglio: Permette la priorizzazione dei composti aggiustata per il rischio, in base alla robustezza dell'effetto attraverso diversi stati percettivi.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in neuroscienze percettive, sistemi di cattura del movimento e paradigmi di psicologia sperimentale.
- È dipendente da infrastrutture per il tracciamento elettromagnetico del movimento e da hardware per la presentazione degli stimoli (piattaforma, illuminazione, sincronizzazione degli interruttori).
- Necessita di una standardizzazione intersettoriale della verifica dello stato percettivo (ad esempio, resoconto del partecipante, correzione delle lenti) per garantire la validità delle prove.
- L'adattamento attraverso diversi sistemi modello potrebbe richiedere modifiche ai compiti di afferramento e agli induttori percettivi, mantenendo al contempo la dissociazione tra componenti deliberate e spontanee.
- Limitazione pratica: la suscettibilità del partecipante all'illusione deve essere verificata, riducendo potenzialmente la dimensione del gruppo e aumentando il carico relativo alla selezione.
