Methoden om Ontdek de invloed van Top-down Visual Processen op motorisch gedrag

Summary

Het is onduidelijk hoe top-down signalen van de ventrale visuele stroom beïnvloeden beweging. We ontwikkelden een paradigma motorisch gedrag naar een doel te testen op een 3D-diepte inversie illusie. Significante verschillen worden gerapporteerd in zowel bewuste, doelgerichte bewegingen en automatische acties onder illusoir en veridical kijkcondities.

Abstract

Kinesthetische bewustzijn is belangrijk voor het milieu succesvol te navigeren. Toen we met onze dagelijkse omgeving, zijn sommige aspecten van de beweging opzettelijk, terwijl anderen spontaan optreden hieronder bewustzijn. De bewuste onderdeel van deze tweedeling is uitgebreid bestudeerd in verschillende contexten, terwijl de spontane component grotendeels onderbelicht. Bovendien, hoe perceptuele processen moduleren deze beweging klassen is nog onduidelijk. In het bijzonder, een momenteel gedebatteerd vraag is of de visuomotorische systeem wordt beheerst door de ruimtelijke waarneming die door een visuele illusie of dat het wordt niet beïnvloed door de illusie en wordt in plaats daarvan beheerst door de 'paranormale waarneming. Bistabiele waarnemingen zoals 3D diepte inversie illusies (DiiS) een uitstekende context dergelijke interacties en balansonderzoek, vooral wanneer gebruikt in combinatie met een bereik te begrijpen bewegingen. In deze studie wordt een methode ontwikkeld die een DII gebruikt om clarify de rol van top-down processen op de motor optreden, met name onderzoeken hoe bereikt naar een doel op een DII worden beïnvloed in zowel bewuste en spontane beweging domeinen.

Introduction

Vision-voor-Perceptie versus Vision-voor-actie

Om het milieu succesvol te navigeren, wordt de informatie uit het visuele systeem gebruikt om te helpen coördineren menselijke beweging. Hoe visuele informatie wordt geselecteerd en geprioriteerd om motorische handelingen beïnvloeden, blijft onduidelijk. Twee belangrijke anatomische projecties voortvloeien uit de primaire visuele cortex aan de ventrale vormen ("wat", of "visie voor de waarneming") weg, uit te breiden tot de temporale gebied, en de dorsale ('waar' of 'visie voor actie ") pathway , de pariëtale kwab ^1-2. De ventrale stroom wordt betrokken bij het gebruik van visuele informatie voor perceptuele processen zoals object herkenning en identificatie, terwijl de dorsale stroom wordt gedacht om signalen uitsluitend verwerken voor actie begeleiding en ruimtelijk inzicht. De gestelde vraag is of top-down processen van de ventrale stroom vorm aan de manier waarop de bewegingen worden uitgevoerd.

De famous case study van Patiënt DF, geëvalueerd door Goodale en Milner in 1992, levert sterke aanwijzingen en ondersteuning voor de visuele twee-stromen hypothese, die beweert dat de ventrale en dorsale stroom processen scheidbaar zijn voor de perceptie en actie ^3. In theorie kan bottom-up signalen van bewegingsparallax en binoculaire dispariteit top-down perceptuele informatie zoals voorkennis en vertrouwdheid om zo nauwkeurig mogelijk te begeleiden onze acties overschrijven, wat suggereert dat de motorische planning is ongevoelig voor ventrale stroom controle. DF, die van visuele vorm agnosia veroorzaakt door bilaterale ventrale occipitale letsels opgelopen, behield accurate grijpen vermogen naar objecten die ze moeite herkennen had, ondersteunen het uitgangspunt van de visuele twee-stromen hypothese ^3-4. Omwille van case studies als DF, werd ervan uitgegaan dat de functionele ventrale-dorsale stroom tweedeling bestond ook bij gezonde, nonpathological individuen. Echter, ongeacht of deze bevindingen leveren bewijs voor een absoluit werkverdeling voor de perceptie en actie in neurotypical bevolking is fel gedebatteerd over de afgelopen twintig jaar ^5-10.

Het gebruik van Illusies te Perceptie en Actie Scheiden

Om de visuele twee-stromen hypothese in neurotypische proefpersonen testen, onderzoekers in dienst visuele illusies te onderzoeken hoe scheef perceptuele arresten van het milieu aantasten onze motorische handelingen. De Ebbinghaus / Titchener illusie, gebruikt bijvoorbeeld een schijf doel omringd door kleinere schijven die lijkt groter dan de andere schijf van dezelfde grootte omringd door grotere kringen; Dit is het gevolg van een maat-contrast effect ^11. Wanneer deelnemers bereiken om de schijf doel te begrijpen, als de twee-stromen hypothese geldt, dan is de grip opening van de hand grijpen op de schijf doelwit zou worden beïnvloed door de illusie, waardoor de deelnemer op te treden op het ware geometrie van de schijf doel plaats van te vertrouwen op onjuiste perceptuele grootte estimates. Aglioti et al.. in feite het verslag van dit gedrag, redenerend dat aparte visuele processen regeren bekwame acties en bewuste waarneming ^11. Daarentegen hebben andere groepen deze resultaten betwist, vinden geen dissociatie tussen perceptie en actie processen wanneer een zorgvuldige controle van de matching van perceptuele en grijpen taken, stelt een integratie van visuele informatie stroom in plaats van een scheiding ^12. Ondanks verschillende follow-up studies uitgevoerd om te bevestigen of weerleggen de visuele twee-streams hypothese met behulp van de Ebbinghaus Illusie, zijn er concurrerende bewijsstukken aan beide kanten van het argument ¹³ ondersteunen.

Om de invloed van de visuele waarneming op actie processen verder te verkennen, zijn 3D-diepte inversie illusies (DII) ook gebruikt. DIIS produceren illusoire beweging en perceptie van de diepte omkering van scènes waarin fysiek concave hoeken worden gezien als convexe en vice versa ^14. The HollowGezicht Illusion is een voorbeeld van een DII dat de perceptie van een normaal, bolle gezicht genereert Hoewel de prikkel is fysiek concave, wat impliceert de rol van top-down invloeden zoals voorkennis en convexiteit vertekening om de illusoire waarneming ^15-16 ontlokken. Ondanks inspanningen om motorisch gedrag te karakteriseren in het bereiken van de streefcijfers op de Holle Gezicht Illusion, bewijs blijft dubbelzinnig: een studie meldt een effect op de uitgang van de motor ¹⁷ en de andere niet ^18. Deze studies baseren op het vergelijken van perceptuele diepte schattingen berekeningen afstand van de hand ten opzichte eindpunt om doelen op de Holle Gezicht Illusion. Tegenstrijdige resultaten op acties die op dit type stimuli kan een gevolg van de variaties in methoden die door onderzoekers. Omdat de wijze waarop de ventrale en dorsale stroom informatie wordt gebruikt is nog steeds aan het debat, deze controverse vonken de behoefte aan een meer robuuste stimulans met extra geavanceerde maatregelen van de motor gedragsproblemenr.

Juist daarom een techniek ontwikkeld met behulp van reverse-perspectief stimuli, gewoonlijk aangeduid als "reverspectives", welke andere klasse van DIIS ¹⁴ vormen. Lineair perspectief cues die zijn geschilderd op piecewise 3D vlakke oppervlakken produceren concurrentie tussen de fysieke geometrie van de stimulus en het eigenlijke geschilderde tafereel. Data-driven zintuiglijke signalen, zoals verrekijker ongelijkheid en bewegingsparallax het voordeel van de 'paranormale waarneming van de fysieke geometrie, terwijl ervaring gebaseerde vertrouwdheid met perspectief is voorstander van de diepte-inversie waarneming (figuur 1). Het voordeel van de reverspective is dat het zorgt voor het plaatsen van een doel op een stimulus oppervlak waarvan de waargenomen ruimtelijke oriëntatie in de illusie verschilt bijna 90 graden van de fysieke oriëntatie (fig. 1e en 1f). Dit enorme verschil aanzienlijk vergemakkelijkt testen of bereik-voor-grijpen bewegingen wel of niet influenced door de illusie. Dit begrip is de sleutel tot het verkennen of motorische acties uitgevoerd op de reverspective worden beïnvloed door top-down invloeden uit de ventrale stroom.

Beweging Klassen in Perceptie-Actie Modellen

Als er verschillende motor strategieën worden ingezet onder illusoir en paranormale waarnemingen bij het grijpen naar een doel op een reverspective stimulus, dan kan het gemakkelijk worden bijgehouden door het bestuderen van de kromming van de hand van aanpak. Bovendien is een analyse van het volledige ontplooiing beweging vanaf de initiatie van de doelgerichte beweging aan de spontane, automatische terugtrekking van de hand terug naar zijn rusttoestand kan in feite bypass eventuele tekortkomingen in het verleden testmethoden voor perceptuele invloed op de uitgang van de motor. Recente studies benadrukken het belang van het bestuderen van het evenwicht tussen deze twee bewegingen klassen en het gebruik van de spontane segmenten van de zenuwstelsel voorspellende en anticiperend control ^19-21,23-24. De nieuw statistisch gedefinieerde klasse van spontane-automatische bewegingen biedt nieuwe metrics en functies die blijken van cruciaal belang te zijn als de doelgerichte die tot nu toe zijn geweest om sensomotorische veranderingen te volgen en om subtiele aspecten van het natuurlijke gedrag te kwantificeren.

Voor zover ons bekend, bestaand onderzoek op het visuele twee-stromen hypothese richt zich alleen op doelgerichte handelingen, zodat er geen effecten op de automatische overgangsregeling bewegingen die belangrijke componenten aan het voltooien van de visuomotorische actie lus zijn negeren. De nadruk moet daarom op het belang van automatische bewegingen worden geplaatst om beide vormen van motorisch gedrag in de huidige paradigma volledig vast te leggen om kwesties met betrekking tot visuele perceptie-actiemodellen verduidelijken. Hier methoden ontwikkeld om de rol van top-down signalering in de beeldende ventrale stroom te onderzoeken op het moduleren van motorisch gedrag in de bewuste, doelgerichte actie domein in combinatie met spontane, transitional bewegingen met behulp van een robuuste DII omgekeerde perspectief stimulus.

Motivering

Er wordt verondersteld dat, als top-down visuele processen beïnvloeden de sensomotorische systeem, vol beweging trajecten naar de embedded doel in het 3D reverse-perspectief scène onder de illusoire waarneming zal verschillen van de doelgroep benadering opgewekt door de 'paranormale waarneming (Cijfers 1e en 1f). Aangezien de illusoire waarneming van de reverspective stimulus is zeer vergelijkbaar met die verkregen door een goede ("gedwongen") perspectief stimulus, indringen uitgevoerd naar een ingesloten doel op een reverspective derhalve gelijkaardig zijn kenmerken bereikt uitgevoerd onder invloed van de illusie op de reverspective stimulus (figuren 1c en 1f).

Als top-down visuele invloeden hebben geen invloed op de beweging traject, dan wordt de hypothese dat maakte und bereiktre van de illusoire waarneming zou vertonen dezelfde kenmerken als bereikt in het kader van de 'paranormale waarneming op de reverspective stimulus (Figuur 1e). Met andere woorden, zowel illusoir veridical waarneming bereikt dezelfde aard zijn, zodat zowel voorwaartse wijze wegen zouden inwerken op de werkelijke geometrie van de stimulus. Hoe effecten waargenomen in de voorwaartse bereiken vertalen in het automatisch intrekken van de hand is onbekend. Door het gebruik van een volledige motor analyse, willen we ons begrip van handelen en waarnemen lussen om de bestaande problemen te verduidelijken bij de hand.

Protocol

1. Bouwen aan de Stimulus Apparatus

1. De bouw van een beweegbare platform op een glijdende spoor. Elke stimulus wordt op het beweegbare platform geplaatst, afhankelijk van het type proef verzocht.
2. Bevestig het spoor op een tafel bij een geschikte hoogte waarmee de stimulus perron op ooghoogte van de deelnemer worden gezet voor de tabel.
3. Bevestig een intrekbare veermechanisme aan de stimulus platform. Verbind de ingang aan het veermechanisme op een printplaat.
4. Plaats een set lampen achter de deelnemer, met uitzicht op de stimulus platform. Het is belangrijk om de stimulus platform gelijkmatig branden door ongelijkmatige verlichting schaduwen die interfereren met de illusoire waarneming kan uitbrengen. Sluit de set lampen een converter die het verbindt met de printplaat.
5. Bevestig een schakelkast aan de rand van de tafel het dichtst bij de waar de deelnemer zullen worden gezet. Deelnemers plaatsen hun hand op de schakelkast eent het begin van elke proef en activeer de schakelaar zodra zij heffen hun hand om het bereik beweging uit te voeren. Koppel de schakelkast ingang aan de printplaat.
6. Sluit elke uitgang pin van de printplaat om een ​​pin op de microcontroller de gelijktijdige activering van het terugtrekken van het bewegende platform via het veermechanisme en het draaien weg van licht wanneer de schakelkast is geactiveerd controleren. De stimulans moet intrekken en de lichten moeten na de opening van het bereik beweging in elke proef draaien om te voorkomen dat een online visuele correcties en haptische feedback te voorkomen. De schakelkast wordt gebruikt, zodat de prikkel terugtrekken en duisternis begin worden alleen uitgevoerd na beweging begint, waardoor dit een directe bereik taak.
7. Schrijf een MATLAB programma dat de microcontroller signalen controleert. Gebruik de MATLAB-code om een ​​reeks proeven op te slaan en te instrueren de experimentator wat stimuli en bekijken de voorwaarden te gebruiken voor elk onderzoek.
8. Bouwt trainingsprikkels, het omgekeerde perspectief stimulus, en de goede-perspectief stimulus (figuren 1 en 2). Training stimuli bestaan ​​uit twee rechthoekige panelen die het geïsoleerde recht oppervlak muur van het middelste gebouw ingebed in de omgekeerde perspectief stimulus en de goede-perspectief stimulus. Het doel van de training stimuli worden in de experimentele procedure worden besproken. Bevestig rode vlakke schijf doelen aan de rechterkant van de middellijn van de stimuli.

2. Deelnemers

1. Verkrijgen schriftelijke geïnformeerde toestemming van de IRB goedgekeurde protocol in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki voor het begin van de experimentele sessie.
2. Test de deelnemer voor gezichtsscherpte in elk oog, stereopsis (met behulp van een Randot-Stereo Test), en oog dominantie.
3. Set-up van de motion capture systeem. Gebruik veertien electro-magnetische sensoren op 240 Hz en-motion tracking software. De hoge-resolutie opname systeem al.dieptepunten voor de grondige analyse van de ontplooiing van de beweging in drie dimensies van veertien sensoren tegelijkertijd, dat afgelopen studies ontbreken.
   1. Plaats twaalf van de veertien sensoren op het volgende lichaam segmenten met behulp van sport banden ontworpen om onbeperkte beweging van het lichaam te optimaliseren: hoofd, romp, rechter en linker schouder, linker bovenarm, linker onderarm, linker pols, rechter bovenarm, rechter onderarm, rechts pols, rechter wijsvinger, en rechterduim.
   2. Overgebleven twee sensoren op de achterzijde van de stimuli direct achter de doellocatie een nauwkeurige positie van het doel in 3D opzichte bereiken de deelnemer tijdens de training en experimentele blokken.

3. Experimentele procedure

1. Plaats alle prikkels uit het zicht van de deelnemer op dit moment. Schakel alle lichten, behalve voor de lampen gebruikt om de stimulus platform verlichten. Dim elke computer schermen die in gebruik zijn bij de expertise uitvoerenrimentele zodat hun lichten niet interfereren met de verlichting zelfs geprojecteerd op het apparaat.
2. Voor het begin van elk onderzoek, stelt de deelnemer aan het experiment. Houd ze van de stimulus terugtrekken en het uitschakelen van de lichten als ze eenmaal initiëren beweging door het opheffen van hun hand uit de schakelkast. Herinner hen niet te proberen om de terugtrekkende platform te volgen, maar om alleen te grijpen naar waar het doel was voor het laatst gezien. Laten zien hoe je naar waar ze het laatst herinneren het zien van de doelgroep door het naderen van het normaal om de waargenomen oppervlak grijpen.
3. Begin praktijk proeven. Deze studies laten voor de deelnemer om comfortabel met de setup geworden. Er is geen test stimulus op het platform - alleen een zwart bord met een centrale stok uitsteeksel gebruikt om stimuli te bevestigen. Instrueer de deelnemer te bereiken op het centrale stok en om de hand terug om rust te brengen na het voltooien van het bereik, op zijn / haar eigen tempo; herhaal voor drie proeven. Opmerking: Het is belangrijk om niet te instructies over hoe Retrac gevent de kant; deze component moet automatisch en onder bewuste controle.
4. Initiëren opleiding proeven. Vraag de deelnemer zijn / haar ogen sluiten na iedere proef voor de rest van het experiment. Terwijl de ogen van de deelnemer zijn gesloten, brengt de trainingsprikkel gevraagd in de MATLAB-programma naar het centrum paal; De volgorde van training stimulus wordt willekeurig door het MATLAB programma voor een totaal van acht proeven, vier voor elke stimulus. Training stimuli duidelijk maken kromming bereik desgevraagd op doelen op fysieke oppervlakken vertegenwoordiger van de doelen die in de experimentele stimuli te grijpen.
5. Begin experimentele studies. Er zijn drie stimulusvoorwaarden de experimentele proeven: (1) reverspective onder illusoire waarneming, zoals in figuur 1f (REV-ILLU), (2) reverspective onder veridical waarneming, zoals in figuur 1e (REV-VER) en (3) goede-perspectief (PRO), zoals in figuur 1c. Bedenk dat voorwaardenties (1) en (2) gebruik maken van dezelfde fysieke reverspective stimulus.
   1. Presenteer eerst de reverspective stimulus. Vraag de deelnemer of hij / zij de illusoire waarneming van het middelste gebouw "knallen" naar hem / haar kan stabiliseren. Indien de deelnemer heeft moeite het stabiliseren van de illusoire waarneming, plaats een-de focus lens op de nondominant oog stereopsis verzwakken om het illusoire waarneming te behouden met behoud van het bereiken van afstand tot het doel ^18. Indien de deelnemer moet de-de focus lens, zorg er dan voor om te instrueren hem / haar om ze op vóór elke REV-ILLU proef.
   2. Na de eerste REV-ILLU proef, zal het MATLAB-programma de volgorde van de proeven willekeurig. Voor elk onderzoek, geven de volgende instructies afhankelijk van de stimulus conditie:
      REV-ILLU: "Bekijk het middelste gebouw als popping naar u toe."
      REV-VER: "Bekijk het middelste gebouw zoals het instorten van je af."
      PRO: "Bekijk het middelste gebouw als knallen uit de richting van you. "
      Zodra de deelnemer bevestigt een stabiele waarneming, vraag hen op het doel te grijpen. Voer twaalf proeven voor elke voorwaarde voor een totaal van 36 experimentele studies.

4. Data Analysis

1. Om de bewegingen in termen van doelgerichte bereik en automatische intrekkingen analyseren de gegevens eerst ontleden in twee klassen beweging door het detecteren van het punt waarop de snelheid van de beweging, na de inleiding, nadert momentane rotatiecentrum.
2. Om te zoeken naar verschillen in de kromming van de hand pad trajecten voor elke stimulus staat, voert u de Wilk's Lambda Test Statistiek op de 3-dimensionale dataset op elk punt in de tijd tijdens het traject. De Wilk lambda Test verkleint de kans toetser Λ een scalaire waarde via determinanten ons helpen afleiden of het gemiddelde traject vector voor REV-ILLU lijkt op REV-VER of PRO ^22.
3. Om de oriëntatie te bestuderenging van de hand naar het doel aan het einde van de doelgerichte bereiken, vergelijk de hoek gevormd tussen het apparaat benadering vector gegenereerd door de duim, wijsvinger en pols sensor posities ten opzichte eenheidsvector loodrecht op het oppervlak van het doel (figuren 5a en 5b).

Results

1. Hand Path Trajecten

De resultaten worden getoond voor vertegenwoordiger Betreft VT. De Wilk lambda testwaarde maakt de vermindering van onze driedimensionale ruimtegegevens in een scalaire waarde met behulp van determinanten. De Wilk's lambda statistiek gebruikt de likelihood ratio toets , Waarbij de "in" kwadratensom en producten vormen matrix E, en "totaal" kwadratenso...

Discussion

Onze werkwijze een platform om de geldigheid van perceptie-actie modellen te testen door analyse van de volledige ontplooiing van beweging ten opzichte van de experimentele taak. Het paradigma kan worden gewijzigd om andere soorten visuele stimuli testen om dit onderzoeksgebied verbreden. Zo kunnen bijvoorbeeld andere 3D DiiS worden getest op het apparaat om te zien hoe de interactie tussen top-down en bottom-up processen te vertalen naar verschillende stimuli. De methoden kunnen ook worden afgestemd op de klinische pop...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Laboratoriumbank
Schuifbare baan met intrekbare veer			zelf gemaakt
Intrekbare veer
Instelbare lampen
Schakeldoos
Printplaat
Arduino	Smart Projects, Italië
MATLAB	The MathWorks Inc., Natick, MA, VS
Randot-dot stereo test
Omgekeerde perspectief stimulus			zelf gemaakt
Juiste perspectief stimulus			zelf gemaakt
Trainingsstimuli			zelf gemaakt
Polhemus Motion Capture-systeem	Liberty, Colchester, VT, VS
The Motion Monitor Motion-Tracking Software	Innovative Sports Training, Inc., Chicago, IL
Sportzweetbandjes
De-focuslens