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Summary
Contrôle neural et les processus cognitifs peuvent être étudiés par des mouvements oculaires. Le logiciel Visualeyes permet à un opérateur de programmer stimuli sur deux écrans d'ordinateurs utilisant indépendamment un langage simple, des scripts personnalisés. Le système peut stimuler les mouvements oculaires (tandem saccades et la poursuite en douceur) ou mouvements oculaires opposées (vergence) ou ne importe quelle combinaison.
Abstract
études des mouvements des yeux ont fourni une base solide formant une compréhension de la façon dont le cerveau acquiert l'information visuelle à la fois dans le cerveau normal et dysfonctionnel. 1 Cependant, le développement d'une plate-forme pour stimuler et mouvements magasin oculaires peuvent nécessiter une programmation importante, le temps et les coûts. De nombreux systèmes ne offrent pas la flexibilité de programmer de nombreux stimuli pour une variété de besoins expérimentaux. Cependant, le système Visualeyes a une architecture flexible, permettant à l'opérateur de choisir ne importe quel fond et le stimulus premier plan, programme un ou deux écrans pour tandem ou se opposer à des mouvements oculaires et de stimuler l'œil gauche et à droite de façon indépendante. Ce système permet de réduire considérablement le temps de développement de programmation nécessaires pour mener une étude oculomotrice. Le système Visualeyes sera discuté en trois parties: 1) le dispositif d'enregistrement oculomoteur d'acquérir réponses des mouvements oculaires, 2) le logiciel Visualeyes écrit dans LabView, pour générer un ensemble de stimuliet les réponses des magasins que les fichiers texte et 3) l'analyse des données hors ligne. Les mouvements oculaires peuvent être enregistrées par plusieurs types d'instruments tels que: un système limbe de suivi, une bobine de recherche de la sclérotique, ou d'un système d'image vidéo. Stimuli typiques des mouvements oculaires telles que des mesures saccadés, des rampes et convergents étapes convergents avec les réponses correspondantes seront affichés. Dans ce reportage vidéo, nous démontrons la flexibilité d'un système de créer de nombreux stimuli visuels et d'enregistrer les mouvements oculaires qui peuvent être utilisés par les scientifiques et cliniciens pour étudier la santé ainsi que les populations cliniques.
Protocol
Un aperçu des éléments clés nécessaires à la conduite d'une expérience oculomoteur est illustré à la figure 1. Chaque bloc dans le diagramme de flux sera discuté en détail ci-dessous.
1. INSTRUMENTATION SET-UP:
- Ne importe quel type de contrôleur de mouvement de l'oeil peut être utilisé pour ce système. Nous allons démontrer une suivi de limbe infrarouge et un système de surveillance vidéo.
- Pour tandem mouvements de suivi telles que la poursuite des saccades ou lisse, un seul ordinateur peut être utilisé pour l'affichage visuel. Pour étudier les mouvements oculaires adverses tels que la convergence ou l'interaction de convergence avec tandem mouvements de version (ce est à dire, convergente avec des stimuli saccades) Haploscope est nécessaire avec deux moniteurs de visualisation, voir figure 2.
2. ÉTALONNAGE:
- L'étalonnage est nécessaire pour convertir une série de mesures à une autre. Les mouvements oculaires sont généralement indiquées en degrés (°) de rotation indiqué à la figure 3. Cependant, l'ordinateur mes moniteurs utilisent des valeurs de pixels par rapport aux chercheurs de vision qui dénotent souvent les stimuli visuels en degrés. Par conséquent, une conversion est nécessaire pour convertir les valeurs de pixel de degrés. On peut utiliser la trigonométrie pour calculer où placer les objectifs physiques pour calibrer les affichages visuels. Par exemple, si le stimulus sur l'écran d'ordinateur se aligne avec une cible physique 2 ° (voir figure 2) alors que la valeur de pixel correspond à un stimulus 2 °.
- Pour étalonner le système, l'opérateur doit ouvrir Pixel2Deg.vei dans le répertoire Visualeyes. Tout d'abord, définir l'écran pour calibrer en utilisant le champ de mode d'étirement. Entrez le numéro 1 pour le moniteur de l'œil gauche et le numéro 2 pour le moniteur de l'oeil droit. Ensuite, exécutez le programme et déplacer la relance de la ligne verte jusqu'à la ligne verte est superposée à la cible physique. Entrez la position connue de la cible physique en degrés et appuyez sur le bouton Enregistrer. Ensuite, cliquez sur la ligne verte. La valeur de degré et pixel sera affiché sur l'écran en til en bas à gauche coin. L'opérateur doit recueillir un minimum de trois points d'étalonnage.
- Après avoir enregistré tous les points d'étalonnage, ouvrez le fichier de sortie de D2P dans le répertoire Visualeyes pour obtenir les points de calibrage. Tracer les points d'étalonnage pour atteindre une équation de régression linéaire. Utiliser l'équation pour calculer la position initiale et finale du stimulus visuel à l'opérateur désire programmer en valeurs de pixels. Un exemple de l'oeil gauche et la courbe d'étalonnage de l'oeil droit obtenu en utilisant cinq points d'étalonnage pour un stimulus de vergence est représenté sur la figure 4.
- Répétez les étapes 2,2 et 2,3 pour l'autre moniteur si le stimulus nécessite un moniteur supplémentaire.
3. VISUALEYES LOGICIEL:
- Définir un stimulus: L'opérateur doit définir la position initiale et finale de relance de l'œil gauche et à droite avant l'expérience. D'abord, ouvrez un nouveau fichier texte et sur la première ligne, définir la durée initiale et valeurs de position of le stimulus. Quatre paramètres doivent être définis 1) temps (seconde), 2) la position horizontale (pixel), 3) la position verticale (pixel), et 4) la rotation (°) séparés par un onglet. De même, définir les quatre paramètres de la dernière fois et la position du stimulus. Enregistrer le stimulus dans le répertoire Visualeyes comme stimulus_name.vei (VEI = Visualeyes entrée) fichier et répétez cette étape pour l'autre stimulus de l'œil.
- Le mouvement du stimulus peut être généralisée en deux types de mouvements: une étape brusque ou une rampe continue. Une étape permet au stimulus pour déplacer brusquement ou sauter de la position initiale à la position finale. L'opérateur doit noter que le changement dans le temps est 0,001 secondes pour une relance de l'étape. Dans la rangée suivante, définissez combien de temps vous voulez le stimulus de résider dans la position initiale ainsi que la position finale. Stimuli sont définies en utilisant quatre domaines au sein d'une ligne. Un exemple d'une étape saccades, rampe de poursuite en douceur, étape de vergence et rampe vergence sont présentés dansTableau 1.
- Pour stimuli, vous pouvez avoir un seul stimulus tel une étape ou une séquence de tâches visuelles comme les multiples étapes.
- Économisez de stimulation en stimuli Bibliothèque: Il ya plusieurs paramètres par défaut dans l'œil gauche (dc1.txt stimulus / moniteur) et dc2.txt (œil droit stimulus / moniteur) des fichiers dans le répertoire Visualeyes. La première ligne représente le pourcentage de l'écran dans la direction horizontale. La deuxième ligne représente le pourcentage de l'écran dans la direction verticale. Le troisième est l'image d'arrière-plan et le quatrième est l'image d'avant-plan ou de la cible. La cinquième ligne indique à l'ordinateur de fonctionner en mode autonome. Les 6 e qui signifie moniteur (1 est l'oeil droit et l'oeil gauche est 2). Le 7 ème ligne est le rapport d'aspect des moniteurs. Le reste des lignes sont les différents types de stimuli, l'opérateur peut utiliser dans une session expérimentale.
- Ouvrez le dc1.txt et dc2.txt de la direc VisualeyesTory. Ces deux fichiers contiennent les stimuli de la bibliothèque pour l'œil gauche et l'œil droit, respectivement. Sur la dernière ligne, écrire le nom de fichier de la relance qui a été généré à l'étape 3.1. Le numéro de profil se réfère à la m ème ligne correspondant au nom de fichier de relance. Par exemple, dans la figure 1, le numéro de profil de la stimulation est huit.
- On peut répéter les étapes 03.01 à 03.02 pour créer autant de stimuli qui sont nécessaires pour une expérience.
- Ecrire Script pour le protocole expérimental: Ouvrir un fichier de texte pour saisir les commandes de protocole expérimental. Ce fichier est appelé le fichier de script qui signifie que le système sera Visualeyes lire et exécuter chaque commande du script trouvé dans ce fichier. La possibilité de créer un fichier de script pour un protocole expérimental permet à l'utilisateur de comportement répété sessions expérimentales utilisant le même protocole. En outre, de nombreux scripts peuvent être écrits pour faire varier le type et la séquence de commandes expérimentales. Ce fichierpeut être sauvegardé dans le répertoire Visualeyes comme un fichier script_name.ves. (VES = Visualeyes Script)
- Les fonctions VISUALEYES ont des arguments d'entrée et de sortie. Le tableau 2 montre toutes les fonctions du logiciel Visualeyes.
- ExpTrial: Cette fonction est utilisée pour appeler le stimulus qui a été enregistré dans la bibliothèque de relance de l'étape 3.2. La longueur des données est le temps qu'il permet d'exécuter la fonction du stimulus. Le tempfile.lwf permet au logiciel Visualeyes pour stocker temporairement les données d'entrée et de sortie dans un tampon de sortie. Lorsque le tempfile.lwf ne est pas défini, lors de l'exécution de cette fonction, il ne sera pas stocker toutes les données entrant pour la numérisation.
- LogFile: Cette fonction délivre des chaînes ou le tampon d'entrée définie à partir ExpTrial dans le fichier out.txt dans le répertoire Visualeyes. Lorsque l'expérience est terminée, l'opérateur doit changer le nom du fichier out.txt à un autre nom. Sinon, les données seront remplacées lors de la prochaine expériment.
- TriggerWait: Cette fonction attend l'objet d'appuyer sur un bouton de déclenchement pour démarrer le ExpTrial et numériser les données. Il se agit d'un canal à la carte d'acquisition numérique qui est en attente pour le signal pour passer d'un haut numérique (5 V) au bas (0 V).
- RandomDelay: Cette fonction génère un retard aléatoire pour éviter prévision ou d'anticipation de la prochaine relance.
- WaveMSD: Cette fonction calcule la moyenne et l'écart type des données.
- Les fonctions VISUALEYES ont des arguments d'entrée et de sortie. Le tableau 2 montre toutes les fonctions du logiciel Visualeyes.
4. Placez les mouvements oculaires MONITOR & RUN EXPÉRIENCE:
- Différents moniteurs des mouvements oculaires telles que le système de la cornée réflexion vidéo d'imagerie, système de suivi limbe ou une bobine de recherche sclérotique peuvent être utilisés pour collecter et enregistrer des mouvements oculaires.
- Avant un sujet peut participer, l'expérience doit être expliqué et le sujet doit lire et signer un formulaire de consentement éclairé approuvé par l'Institutional Review Board.
- Le mu opérateurst régler le moniteur de mouvement des yeux sur le sujet. Tout d'abord, le sujet est invité à fixer sur une cible. L'opérateur ajuste le moniteur de mouvement des yeux pour capturer les attributs anatomiques de l'œil comme le limbe (frontière entre l'iris et la sclérotique) ou l'élève et de réflexion de la cornée selon le moniteur des mouvements oculaires utilisé.
- Une fois le moniteur de mouvement de l'oeil est bien réglé sur le sujet, l'opérateur doit valider que le moniteur de mouvement de l'oeil capture les mouvements oculaires en demandant au sujet de faire convergente ou des mouvements saccadés.
- Ouvrez le programme ReadScript.vei dans le répertoire Visualeyes. Sur le coin supérieur droit, tapez le nom de fichier du fichier expérimental script protocole créé à l'étape 3.4. Ensuite, exécutez le programme ReadScript.vei en poussant la flèche rouge sur le coin supérieur gauche.
- Donnez le sujet sur le bouton de déclenchement et d'expliquer que lorsque le sujet appuie sur le bouton, la collecte des données commencera. Un autre fichier Acquire.vei sera automatique Ly apparaît sur l'écran qui va tracer les données entrantes. Les données sont échantillonnées à 500Hz.
- Lorsque l'expérience est terminée, le ReadScript.vei se arrête automatiquement. A ce moment, allez dans le répertoire Visualeyes et trouvez le fichier out1.txt. Renommez le fichier sinon la prochaine fois que l'opérateur exploite l'expérience, le fichier de données sera écrasé.
DONNÉES 5. OFF-LINE ANALYSE:
- L'opérateur peut analyser les données en utilisant différents logiciels (c.-à Matlab ou Excel). Latence, la vitesse de pointe, ou l'amplitude peuvent être d'intérêt en fonction de l'étude.
- Un exemple d'un code Matlab analyse est prévue dans le répertoire Visualeyes saccades, de tracer les étapes de convergence et les rampes de convergence. Des exemples de la saccade ensemble, étape de la convergence et la convergence rampe traces de position avec les réponses de vitesse correspondants sont présentés dans la figure 5.
6. Les résultats représentatifs:
t "> Exemples de l'ensemble des mouvements oculaires enregistrées en utilisant le système Visualeyes est illustré à la figure 5. typiques 10 ° mouvements saccadés sont présentés dans la parcelle 4A. antisaccades sont des réponses saccades lorsque le sujet est dit de faire une saccade dans la direction opposée de . le stimulus visuel et sont illustrés dans la parcelle 4B Ce est une tâche plus exigeante sur le plan cognitif, d'où on peut observer que la latence ou le temps de commencer le mouvement est plus long pour antisaccades (parcelle 4B) par rapport à saccades vers un stimulus visuel aussi appelé prosaccades (parcelle 4A). Vergence réponses à 4 ° étapes sont illustrées dans la parcelle 4C et la convergence des réponses aux rampes de 5 ° / stimuli sont présentés dans la parcelle 4D. Chaque trace est un mouvement individuel des yeux où la rangée supérieure est la position notée en degrés comme un fonction du temps. Les mouvements oculaires sont étalonnés dans les unités de degrés, les angles de compteurs, ou dioptries prismatiques. Notre recherche utilise degré de rotation. La rangée du bas est la vitesse tracés dans ° / s en fonction du temps d'uned est la vitesse du mouvement. L'échelle pour chaque ensemble de données varie en fonction du mouvement.
Figure 1. Diagramme des éléments clés de mener une expérience oculomoteur. Des exemples de mesures nécessaires pour générer un stimulus en utilisant le logiciel Visualeyes et mener une expérience pour l'analyse de données hors ligne sont affichées. Partie A montre la fenêtre Pixel2Deg.vei. Partie B montre les quatre paramètres nécessaires pour définir un stimulus. Partie C est la bibliothèque stimuli où les lignes de texte en noir dans la bibliothèque de relance sont par exemple stimuli fichiers et le texte rouge définit chaque ligne. Partie D est un exemple d'un protocole expérimental de script.
Figure 2. Système Visualeyes Haploscope expérimental. Trois moniteurs CRT sont utilisés: 1) Un panneau de contrôle est nécessaire pour voir un stimuliréponses d 2) un moniteur CRT pour l'oeil droit (RE) des stimuli visuels et 3) un moniteur CRT l'œil gauche (LE) des stimuli visuels. Un miroir semi-argenté est placé 30 cm des deux moniteurs CRT stimuli visuels. Il se agit de se assurer que les stimuli sur les moniteurs CRT sont projetées sur le miroir semi-argenté (transmission de 50% et 50% de facteur de réflexion miroir). Le miroir permet au sujet de voir stimuli à partir des écrans d'ordinateur superposées sur des cibles situées à des distances mesurées à partir de l'objet qui est nécessaire pour l'étalonnage. Avec un Haploscope, l'hébergement de la demande dans les deux yeux est maintenue constante. La distance entre les yeux du sujet et le miroir est de 10 cm. Le système peut être ajustée pour se adapter à différentes distances inter-pupillaires (IPD), mais pour cette démonstration, nous allons assumer l'IPD à 6 cm.
Figure 3. Les calculs de saccades (à gauche) et convergents (à droite) movement à partir de cibles de A à B sont représentées. IPD est la distance inter pupillaire.
Figure 4. Courbe de calibration de l'œil gauche (en haut de la parcelle) et l'œil droit (tracé du bas) stimulus. Une procédure similaire serait effectuée pour stimuli de poursuite saccadés ou lisses.
Figure 5. Exemples de saccades (A) antisaccades (B), des mesures de convergence (C) et des rampes de convergence (D) en utilisant le système Visualeyes et analysées en utilisant un programme de MATLAB personnalisé. Traces de position (Ensemble de ° en fonction du temps en secondes) sont tracés dans la rangée supérieure où chaque ligne de couleur représente un mouvement des yeux différents. Les traces correspondantes de vitesse (° / s en fonction du temps en secondes).
| Type de stimulation | Stimulus_Name_Left Eye.vei | Stimulus_Name_Right_Eye.vei | ||||||
| Temps (s) | x position (pixel) | y position (pixel) | La rotation (°) | Temps (s) | x position (pixel) | y position (pixel) | La rotation (°) | |
| Lisse Pursuit rampe | 0 | 100 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 |
| 10 | 200 | 0 | 0 | 10 | 200 | 0 | 0 | |
| Étape saccade | 0 | 100 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 | 0,5 | 100 | 0 | 0 |
| 0,501 | 200 | 0 | 0 | 0,501 | 200 | 0 | 0 | |
| 3 | 200 | 0 | 0 | 3 | 200 | 0 | 0 | |
| Vergence rampe | 0 | 452 | 0 | 0 | 0 | 973 | 0 | 0 |
| 10 | 370 | 0 | 0 | 10 | 1044 | 0 | 0 | |
| Étape Vergence | 0 | 452 | 0 | 0 | 0 | 973 | 0 | |
| 0,5 | 452 | 0 | 0 | 0,5 | 973 | 0 | 0 | |
| 0,501 | 416 | 0 | 0 | 0,501 | 1002 | 0 | 0 | |
| 3 | 416 | 0 | 0 | 3 | 1002 | 0 | 0 | |
Tableau 1. Un exemple de Smooth Pursuit Ramp, Step saccades, Vergence rampe et Vergence Étape stimuli
| Fonction | Syntaxe |
| ExpTrial | Mémoire tampon de sortie # = ExpTrial ("Longueur de données: LE Profil: RE Profil"); Exemple: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3"); |
| Output Buffer # = Exo première instance ("Longueur de données: LE Profil: RE Profil:. tempfile FLM»); Exemple: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3: templfile.lwf"); | |
| LogFile | Mémoire tampon de sortie # = LogFile ("TEXT"); Exemple: 0 = LogFile ("Expérience 1"); |
| 0 = LogFile (tampon d'entrée #); Exemple: 0 = FichierJournal (2); | |
| TriggerWait | 0 = TriggerWait (Numéro de tampon); Exemple: 0 = TriggerWait (0); |
| RandomDelay | 0 = RandomDelay ("t2: t1"); Exemple: 0 = RandomDelay ("2000: 500"); |
| WaveMSD | Mémoire tampon de sortie # = WaveMSD (tampon d'entrée #); |
Tableau 2. Fonctions utilisé pour écrire le protocole expérimental dans le Programme Visualeyes
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Discussion
Étapes critiques:
moniteurs de mouvement des yeux doivent être bien ajustés sur le sujet. Par exemple, les moniteurs d'enregistrement des mouvements oculaires fonctionnent dans une plage et doivent être ajustées à l'objet. Si le mouvement de l'oeil du sujet dépasse la plage, alors le système est saturé. Après saturation, le signal de mouvement de l'œil ne est pas valide. L'étalonnage est également critique dans l'enregistrement des mouvements oculaires. Tous les moniteurs des mouvements oculaires mesurer un signal analogique qui est numérisé et ils doivent être converties en unités couramment utilisées dans la recherche sur le mouvement des yeux tels que le degré de rotation. La linéarité du système évaluée par trois ou plusieurs points d'étalonnage est également important de déterminer si la transformation du signal en degrés peut être effectuée en utilisant une transformée linéaire simple ou a besoin d'une transformation plus complexe. Il est également important de noter que le placement correct des écrans d'ordinateur et les objectifs physiques est nécessaire pour aligner les stimuli visuels sur l'ordinateurécran lorsqu'il est utilisé dans un cadre de Haploscope.
En outre, les instructions pour le sujet sont également impératif. Par exemple, pour les systèmes de vidéo ou de suivi de limbe un clin se traduira par la perte de signal; Toutefois, l'exploitant ne peut pas demander à un sujet pour ne pas clignoter pendant une longue durée. Instructions à l'objet peuvent faciliter lorsque les opérateurs aimeraient le sujet à regarder une nouvelle cible pour éviter clignote pendant la collecte de données. Un autre exemple de l'importance des instructions est représenté dans un prosaccade par rapport à une expérience antisaccade. Pour prosaccades le sujet regarde la cible par rapport à une expérience antisaccade où le sujet regarde dans la direction opposée de la cible de stimulation.
Modifications possibles:
La résistance du système VisualEyess est sa flexibilité. Plusieurs études ont publié leur logiciel personnalisé pour stimuler stimuli saccades. 2,3,4,5 Cependant, il ya beaucoup d'autres types d'études oculomoteurs que l'on peut vouloir étudier telles que la poursuite ou vergence mouvements lisses. Le système Visualeyes permet de programmer chaque moniteur indépendamment de sorte que l'opérateur peut programmer saccades, poursuite lisse ou stimuli convergents ou une combinaison des trois (saccades avec des stimuli convergents par exemple). Le fond est une image statique qui ne se déplace pas mais actuellement la prochaine génération du logiciel Visualeyes permettra l'image de fond à se déplacer. L'image de premier plan peut être déplacée horizontalement, verticalement ou tourner. L'image par défaut est une ligne mais peut être modifié à une distribution gaussienne de la fonction (DOG) relance utilisé pour réduire encore un stimulus accommodante ou toute autre image. En outre, la possibilité de programmer des écrans d'ordinateur indépendamment permet une plus grande souplesse. Par exemple, phorie est régulièrement mesurée comme un paramètre clinique mais on peut vouloir enregistrer avec un moniteur de mouvements oculaires. Phoria est la position de repos d'un whil oeil occluse l'autre œil a un stimulus. Nous avons validé cette méthode de mesure en utilisant le système phoria Visualeyes 6,7,8.
Applications et importance:
la recherche de mouvement des yeux peut fournir des informations importantes pour les scientifiques et cliniciens. Il peut également être un outil pour surveiller les troubles neurologiques de lésions cérébrales traumatiques 9 à la dystrophie musculaire de 10 à la maladie d'Alzheimer 11 à la schizophrénie. 12 Il peut donner un aperçu de l'apprentissage moteur, 13 mécanismes d'attention, 14 ou mémoire 15 en nommer que quelques applications. En outre, il bénéficie d'une base solide de neurophysiologie à partir d'enregistrements de cellules uniques dans primates1 non humain et peut être couplé avec l'IRM fonctionnelle pour étudier simultanément la fonction de cerveau pour comprendre les réseaux visuelle, la connectivité et les interactions. 16
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Disclosures
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu en partie par une bourse de carrière de la Fondation nationale des sciences (BES-0447713) et d'une subvention de Essilor, International.
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Neuroscience Numéro 49 enregistrement des mouvements oculaires neurosciences la stimulation visuelle saccade Vergence Pursuit lisse la vision centrale Attention HétérophorieErratum
Formal Correction: Erratum: VisualEyes: A Modular Software System for Oculomotor Experimentation
Posted by JoVE Editors on 05/11/2011.
Citeable Link.
A correction was made to VisualEyes: A Modular Software System for Oculomotor Experimentation. There was an error in the authors, Eun H. Kim and Tara L. Alvarez, names. The author's names have been corrected to:
Eun H. Kim and Tara L. Alvarez
instead of:
Eun Kim and Tara Alvarez
