Methoden om Ontdek de invloed van Top-down Visual Processen op motorisch gedrag
16 april 2014
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.
Het algemene doel van deze procedure is om een methodologie te ontwikkelen die gebruikmaakt van een 3D-diepte-inversie-illusie om de rol van top-down visuele processen bij motorische handelingen te verduidelijken. Dit wordt bereikt door eerst een apparaat te construeren dat een robuuste 3D-omgekeerde perspectiefstimulus presenteert om reikbewegingen onder verschillende perceptuele toestanden uit te voeren. De tweede stap van de procedure is het opzetten van een motion-capture-systeem om de interactie van een deelnemer met deze stimulus te registreren.
De derde stap is het creëren van een platform waarmee deelnemers naar de plek kunnen reiken waar zij voor het laatst een doelwit op de stimulus waarnamen, zonder enige online visuele correcties of haptische feedback. De laatste stap is het analyseren van zowel de data van de voorwaartse reikbeweging als de niet-geïnstrueerde intrekking van de arm om een uitgebreid model van het visuele motorische gedrag in deze context op te stellen. Uiteindelijk kunnen de resultaten, via de kinematische beoordeling die in dit paradigma wordt geboden, veranderingen in de reikdynamiek onder verschillende perceptuele toestanden aantonen.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals die waarbij gebruik wordt gemaakt van de holle-gezichtsillusie, is dat de betreffende stimulus maximale verschillen in oppervlakteoriëntatie van bijna 90 graden mogelijk maakt onder verticale en illusoire perceptuele toestanden. Deze nieuwe methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen binnen de perceptiewetenschap en kan bijdragen aan de ontwikkeling van een meer objectieve psychologische wetenschap met nieuwe technieken die verder gaan dan menselijke verbale zelfrapportages of toetsaanslagen, gezien de zeer verschillende voorspellingen van de twee hypothesen. Met andere woorden: of het motorische controlesysteem wel of niet wordt beïnvloed door de illusie, stelt ons in staat om deze hypothese te testen.
De procedure zal vandaag worden gedemonstreerd door Jay Val, CD pathak en R Sadik, die onderzoekassistenten zijn in onze laboratoria. Constructeer eerst een beweegbaar platform van 65 bij 55 centimeter dat beweegt op een glijbaan van 55 centimeter lang. De verschillende stimuli worden op het platform geplaatst.
De stimuli moeten op ooghoogte aan een zittende deelnemer worden gepresenteerd, dus de baan moet op de juiste hoogte worden bevestigd. Het platform moet voorzien zijn van een intrekbaar veermechanisme. Verbind dit mechanisme met een printplaat die diverse gebeurtenissen achter de stoel van de deelnemer synchroniseert.
Stel de lampen zo in dat het platform gelijkmatig wordt verlicht. Sluit de lampen aan op dezelfde printplaat onder de handsteunen van de stoel van de deelnemer. Bevestig een schakeldoos die eenvoudig kan worden ingedrukt wanneer de deelnemer zijn hand optilt.
Sluit de schakelaar aan op de printplaat. Verbind de uitgangspinnen met de pinnen van de microcontroller voor de stimulatieactivatie. Het platform moet intrekken en het licht moet uitgaan wanneer de triggerbox wordt ingedrukt door de deelnemer die zijn arm naar buiten strekt.
Gebruik MATLAB om de microcontroller aan te sturen voor het vastleggen van de reeks proeven en om de experimentator te instrueren over welke kijkcondities voor elke proef vereist zijn. Maak nu de juiste perspectiefstimulus en maak de omgekeerde perspectiefstimulus. Hoewel het lijkt alsof het centrale gebouw convex is, is het fysiek concaaf ten opzichte van de middellijn op beide stimuli.
Bevestig een rode vlakke schijf. Bouw de twee trainingsstimuli uit rechthoekige panelen op elk paneel. Representeer een van de geïsoleerde rechteroppervlakken van het middelste gebouw met de rode schijf.
Eén paneel is voor de stimulus met omgekeerd perspectief en het andere voor de stimulus met het juiste perspectief. Test eerst de stereopsis van de deelnemers met een Rand dot stereotest. Bepaal daarnaast hun oogdominantie.
Stel vervolgens het motion capture-systeem in, bestaande uit 14 elektromagnetische sensoren op 240 hertz en motion tracking-software. Plaats 12 van de 14 sensoren op de deelnemer met behulp van sportbanden. Bevestig deze aan het hoofd, de romp, de twee schouders, de bovenarmen, de onderarmen en de wijsvinger en duim van de hand waarmee de schakelaar wordt bediend.
Plaats de andere twee sensoren op de achterkant van de twee stimuli achter de rode schijven. De deelnemer mag de stimuli vóór de test niet zien. Schakel alle lichten uit, behalve de lampen die worden gebruikt om het stimulusplatform te verlichten.
Zet de helderheid van alle computerschermen lager en richt ze weg van de experimentele opstelling. Instrueer de deelnemer over de gang van het experiment en hoe zij de schakelbox moeten activeren. Demonstreer dat de deelnemer alleen naar het platform moet grijpen op de plaatsen waar dit zichtbaar is.
Voer nu een oefenronde uit voor een stimulus. Presenteer enkel een whiteboard met een stok waarop objecten kunnen worden opgehangen. Vraag de deelnemer om naar de stok te reiken en hun hand vervolgens weer in rustpositie te brengen.
Voer dit drie keer uit op een tempo dat comfortabel is voor de deelnemer. Begin de initiële proeven met de twee trainingsstimuli. Laat de deelnemer na elke proef de ogen sluiten, zodat zij het wisselen van de stimuli niet zien.
De software bepaalt willekeurig de volgorde waarin de twee stimuli telkens vier keer worden getoond. Begin nu met de experimentele trials. Deze trials bestaan uit drie condities.
Men bekijkt het omgekeerde perspectief onder een illusoire waarneming. De volgende conditie is het bekijken van het omgekeerde perspectief onder een verticale waarneming. De derde is uiteraard het juiste perspectief.
Presenteer eerst de stimulus van het omgekeerde perspectief en vraag of de deelnemer het illusoire percept van het uitstekende middelste gebouw kan stabiliseren. Als de deelnemer de illusie niet kan stabiliseren, kan een defocuslens op het niet-dominante oog worden geplaatst; indien deze lens nodig is, dient deze voor elke retrospectieve illusie-trial te worden gebruikt. De volgorde van de resterende trials moet worden gerandomiseerd.
Voor elke conditie worden in totaal 12 trials gepresenteerd, wat resulteert in 36 experimentele trials. Het totale aantal trials is 47. Dit omvat de oefentrainingen en de experimentele trials.
Geef voor elke testbeurt mondelinge instructies: voor de retrospectieve illusie-testbeurt en de juiste perspectief-testbeurt wordt de deelnemer geïnstrueerd om het middelste gebouw als naar buiten stekend te zien. Bij de verticale testbeurten wordt de deelnemer geïnstrueerd om het middelste gebouw als naar binnen hol te zien. Vraag de deelnemer altijd om pas te reiken zodra de perceptie gestabiliseerd is.
Het meest kritieke deel van het protocol is ervoor zorgen dat de deelnemer de illusoire of verticale perceptie gedurende de gehele duur van de proef behoudt. We geven de deelnemer de tijd om dit te bereiken en bij twijfel wordt de proef herhaald. De toetsstatistiek van de Wilkes Lambda is een maatstaf die wordt gebruikt voor de analyse.
Handpadgegevens voor een representatieve proefpersoon. De proefpersoon vertoonde significante verschillen in de trajectprofielen van het handpad voor de reikbewegingen die werden uitgevoerd onder de verticale perceptie in het groen en de illusoire perceptie in het blauw van de respectievelijke stimulus. Dit verschil in de kromming van het handpad bij de verticale en illusoire perceptie is ook zichtbaar bij de niet-geïnstrueerde retractie van de arm.
Bij het vergelijken van het verticale proper perspectief onthulden de gegevens, zoals verwacht, significante verschillen voor zowel de voorwaartse reikextensie als bij de handretractie; de statistieken hiervan zijn gedetailleerd beschreven in het tekstprotocol bij het onderzoeken van de oriëntatie van de hand tijdens de benadering van de stimuli. Handbenaderingsvectoren onder de reverse spective verticale stimulus (in het groen) verschilden van de andere twee stimuluscondities. Handbenaderingsvectoren in de hand.
De oriëntaties waren opvallend vergelijkbaar. Zodra deze techniek onder de knie is, kan deze in ongeveer één uur worden uitgevoerd indien correct gedaan. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het zeer belangrijk om eraan te denken een continue volledige beweging van de arm vast te leggen, inclusief zowel de voorwaartse reikbeweging van de hand naar het doel als de spontane terugtrekking van de hand.
De ladder functioneerde automatisch zonder verdere instructies na de ontwikkeling ervan. Deze techniek kan de weg vrijmaken voor onderzoekers op het gebied van neurowetenschappen om de relatie tussen top-down controle en sensorimotorische verwerking te onderzoeken in zowel typisch ontwikkelende als pathologische populaties.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt hoe top-down visuele processen vanuit de ventrale visuele stroom motorische acties beïnvloeden. Met behulp van een 3D-diepte-inversie-illusie onderzoekt het onderzoek zowel bewuste als automatische bewegingen onder variërende perceptuele omstandigheden.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschap
- Gedragspsychologie
- Visuele perceptie
Achtergrond
- Top-down signalen spelen een cruciale rol bij de visuele verwerking.
- Het begrijpen van motorisch gedrag als reactie op visuele stimuli is essentieel.
- Illusies kunnen de waarneming veranderen en motorische acties beïnvloeden.
- Eerdere studies hebben uiteenlopende effecten van de visuele context op beweging aangetoond.
Doel van de studie
- Om de rol van top-down visuele processen bij motorische acties te verduidelijken.
- Om te beoordelen hoe perceptie de dynamiek van het reiken beïnvloedt.
- Om een methodologie te ontwikkelen voor het bestuderen van visueel-motorische interacties.
Gebruikte methoden
- Constructie van een apparaat voor een 3D diepte-inversie-illusie.
- Implementatie van een motion capture-systeem voor interactie met de deelnemers.
- Creatie van een platform voor reiken zonder visuele correcties.
- Analyse van reikgegevens en armretractie om visueel-motorisch gedrag te modelleren.
Belangrijkste resultaten
- Significante verschillen in bewegingen onder illusoire versus veridicale omstandigheden.
- Variaties in de reikdynamiek werden waargenomen op basis van perceptuele toestanden.
- Zowel bewuste als automatische acties werden beïnvloed door de illusie.
- De resultaten dragen bij aan het begrip van visueel-motorische integratie.
Conclusies
- Top-down visuele processen hebben een aanzienlijke invloed op motorische acties.
- Illusies kunnen inzicht bieden in visuele perceptie en motorisch gedrag.
- Toekomstig onderzoek kan voortbouwen op deze bevindingen om verdere implicaties te verkennen.
Veelgestelde Vragen
Industriële Relevantie voor Management
Deze methodologie maakt mechanische risicoreductie van targetvalidatie mogelijk door top-down visuele invloeden op motorisch gedrag te isoleren, waardoor kwantitatieve readouts voor perceptueel-motorische integratie worden verkregen. Het ondersteunt voorspellend vertrouwen in de vroege ontdekkingsfase door te modelleren hoe perceptuele toestanden spontane en bewuste acties veranderen, wat bijdraagt aan het ontwerp van assays voor target engagement binnen de neurowetenschappen. De benadering verbetert de translationele uitlijning van biomarkers via objectieve kinematische beoordeling, waardoor de afhankelijkheid van subjectieve rapportages bij preklinische validatie wordt verminderd.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt therapeutische hypothesen door te testen of motorische output wordt aangestuurd door een perceptuele illusie of een veridiek percept, waardoor mechanismen van target engagement worden verduidelijkt.
- Operationele waarde: Maakt biologische risicoreductie mogelijk door gestandaardiseerde isolatie van perceptuele variabelen in assays voor motorische respons.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt portfolio-triage door te kwantificeren hoe top-down processen de reikdynamiek moduleren onder gecontroleerde perceptuele toestanden.
Screening & Assayontwikkeling
- Klaarheid van de assay: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream-workflows door reproduceerbare reach-to-grasp-paradigma's vast te stellen onder gedefinieerde perceptuele omstandigheden.
- Kwantitatieve outputs: Levert kinematische metrieken (handpadkromming, benaderingsvectoren) die vergelijking van het effect van verbindingen over verschillende perceptuele toestanden mogelijk maken.
- Hergebruik van het platform: Een schaalbaar motion capture-framework ondersteunt high-throughput screening van neuromodulatoren die gericht zijn op visueel-motorische banen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Relevantie voor ziekten: Modelleert perceptuele vervormingen bij neuropsychologische stoornissen, in overeenstemming met translationele biomarkerstrategieën voor aandoeningen zoals schizofrenie of Parkinson.
- Preklinische continuïteit: Slaat een brug van ontdekking naar validatie door zowel doelbewuste als spontane motorische componenten vast te leggen onder perceptuele manipulatie.
- Risico-gecorrigeerde vooruitgang: Informeert go/no-go-beslissingen door perceptuele confounders te onthullen die de interpretatie van motorische eindpunten in vivo kunnen vervormen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Plaatst de methode binnen de fase van vroege ontdekking tot aan de identificatie van lead-verbindingen, waarbij perceptuele storende factoren in motorische assays moeten worden geëlimineerd voordat de screening van verbindingen plaatsvindt.
- Ontdekkingsbiologie: Test de hypothese dat motorisch gedrag de perceptuele toestand weerspiegelt in plaats van een reflexmatige reactie, waardoor mechanistische ambiguïteit bij doelvalidatie wordt verminderd.
- Screening: Waarborgt de gereedheid van de assay door de fasen van reikinitiatie en retractie te standaardiseren zonder online visuele correctie, wat de betrouwbaarheid van de gegevens verbetert.
- Analytiek: Maakt gebruik van de Wilkes Lambda-toetsstatistiek en kinematische profilering om condities te vergelijken, wat statistische strengheid mogelijk maakt bij het detecteren van perceptueel-motorische effecten.
- Translationeel onderzoek: Legt een verbinding met preklinisch werk door te modelleren hoe perceptuele veranderingen in ziektemodellen de naturalistische motorische output beïnvloeden.
- Hergebruik binnen de organisatie: Vestigt een herbruikbaar platform voor neuromotorische beoordeling dat aanpasbaar is voor verschillende ziektebeelden waarbij sprake is van tekorten in de sensorische integratie.
Operationele en bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen door perceptuele bijdragen aan actie te scheiden van motorische bijdragen, waardoor foutieve doelsignalen worden verminderd.
- Operationele waarde: Levert standaardisatie via een vaste platformgeometrie, gesynchroniseerde stimulus-timing en motion capture-protocollen.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door perceptueel verwarrende assays vroegtijdig te identificeren, waardoor uitval in een laat stadium door niet-gemodelleerde cognitieve biases wordt voorkomen.
- Impact op de portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van verbindingen mogelijk op basis van de robuustheid van het effect over verschillende perceptuele toestanden.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in de perceptuele neurowetenschap, motion capture-systemen en experimentele psychologische paradigma's.
- Afhankelijk van de infrastructuur voor elektromagnetische bewegingstracking en hardware voor stimuluspresentatie (platform, verlichting, schakelsynchronisatie).
- Vereist cross-team standaardisatie van de verificatie van de perceptuele toestand (bijv. rapportage van de deelnemer, lenscorrectie) om de validiteit van de trials te waarborgen.
- Adaptatie naar verschillende modelsystemen kan wijzigingen in reiktaken en perceptuele induceerders vereisen, waarbij de dissociatie tussen bewuste en spontane componenten behouden moet blijven.
- Praktische beperking: De vatbaarheid van de deelnemer voor de illusie moet worden gescreend, wat mogelijk de cohortgrootte vermindert en de overhead voor screening verhoogt.
