VisualEyes: modułowy system oprogramowania do eksperymentów okulomotorycznych
March 25th, 2011
Kontrola neuronalna i procesy poznawcze mogą być badane za pomocą ruchów gałek ocznych. Oprogramowanie VisualEyes pozwala operatorowi programować bodźce na dwóch ekranach komputera niezależnie za pomocą prostego, niestandardowego języka skryptowego. System może stymulować tandemowe ruchy gałek ocznych (sakkady i płynny pościg) lub przeciwstawne ruchy gałek ocznych (wergencja) lub dowolną kombinację.
Ogólnym celem tej procedury jest umożliwienie eksperymentatorowi wygenerowania szeregu bodźców wzrokowych za pomocą układu wzrokowo-wzrokowego oka w celu przeprowadzenia badania okulistyczno-motorycznego. Po pierwsze, układ wzrokowy oka musi zostać skalibrowany poprzez konwersję wartości pikseli na stopnie przy użyciu zmierzonych celów. Drugim krokiem jest zdefiniowanie początkowej i końcowej pozycji bodźców lewego i prawego oka poprzez zapisanie bodźców w bibliotece przed sesją eksperymentalną.
Na koniec monitor ruchu gałek ocznych jest umieszczany na obiekcie i uruchamiany jest eksperymentalny skrypt w celu zarejestrowania reakcji na ruchy gałek ocznych. Ostatecznie można uzyskać wyniki, które pokazują ślady położenia i prędkości ruchów gałek ocznych. Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami, takimi jak zastrzeżone oprogramowanie, jest to, że operator łączy dowolne bodźce wzrokowe w celu przeprowadzenia dowolnego rodzaju eksperymentów motorycznych oka.
Demonstruje tę procedurę doktorantka o Kim z mojego laboratorium. W tym systemie można użyć dowolnego rodzaju monitora ruchu gałek ocznych. W tej demonstracji śledzenie rąbka i system monitorowania ruchu gałek ocznych zostaną wykorzystane do śledzenia ruchów tandemowych, takich jak psychotyczny lub płynny pościg.
Pojedynczy komputer może być używany do wyświetlania wizualnego do badania przeciwstawnych ruchów gałek ocznych, takich jak dziewice lub interakcja dziewic z ruchami w wersji tandemowej. Potrzebny jest haploskop z dwoma monitorami komputerowymi do wyświetlania obrazu. Pierwsza kalibracja jest potrzebna do przekształcenia jednego zestawu wskaźników na inny, ponieważ ruchy gałek ocznych są zwykle wskazywane w stopniach rotacji.
Podczas gdy monitory komputerowe wykorzystują wartości pikseli, można użyć trygonometrii do obliczenia, gdzie umieścić fizyczne cele, aby skalibrować wyświetlacze wizualne. Na przykład, jeśli bodziec na ekranie komputera wyrównuje się z fizycznym celem o dwóch stopniach, to wartość piksela odpowiada bodźcowi o dwóch stopniach. Aby skalibrować system, operator musi otworzyć plik pixel to degree dot vei w katalogu visualize.
Najpierw zdefiniuj monitor do kalibracji za pomocą pola trybu rozciągania. Wprowadź numer jeden dla monitora lewego oka i numer dwa dla monitora prawego oka. Następnie uruchom program i przesuwaj bodziec zielonej linii, aż zielona linia zostanie nałożona na fizyczny cel.
Teraz wprowadź znaną pozycję fizycznego celu w stopniach i naciśnij przycisk zapisz. Następnie kliknij zieloną linię. Stopień i wartość piksela zostaną pokazane na wyświetlaczu w lewym dolnym rogu, a operator powinien zebrać co najmniej trzy punkty kalibracji.
Po zapisaniu wszystkich punktów kalibracji otwórz plik wyjściowy D two P Excel w wizualizowanym katalogu. Aby uzyskać punkty kalibracji. Wykreśl punkty kalibracji, aby uzyskać równanie regresji liniowej.
Użyj równania, aby obliczyć początkową i końcową pozycję bodźca wzrokowego. Operator chce zaprogramować wartości pikseli. Przykład krzywej kalibracyjnej lewego i prawego oka uzyskanej przy użyciu pięciu punktów kalibracji dla bodźca pierwotnego pokazano tutaj.
Powtórz poprzednie dwa kroki dla drugiego monitora, jeśli bodziec wymaga dodatkowego monitora. Po pierwsze, operator musi określić początkową i końcową pozycję bodźca lewego i prawego oka przed eksperymentem. W tym celu otwórz nowy plik tekstowy i w pierwszym wierszu zdefiniuj początkowe wartości czasu i pozycji.
Należy zdefiniować cztery parametry: czas, pozycję poziomą, pozycję pionową i obrót, z których każdy jest oddzielony zakładką. Podobnie zdefiniuj cztery końcowe parametry: czas końcowy, pozycję poziomą, pozycję pionową i rotację bodźca. Zapisz bodziec w wizualizowanym katalogu jako plik z nazwą bodźca kropka vii i powtórz ten krok dla każdego innego bodźca I.
Następnie ruch bodźca można uogólnić na dwa rodzaje ruchu. Nagły krok lub ciągła rampa. Krok pozwala bodźcowi gwałtownie przesunąć się lub przeskoczyć z pozycji wyjściowej do pozycji końcowej.
Operator powinien pamiętać, że zmiana czasu powinna wynosić 0,001 sekundy dla bodźca krokowego. Przykład kroku psychotycznego, rampy gładkiego pościgu, kroku dziewiczego i rampy dziewiczej pokazano w tabeli pierwszej. W przypadku bodźców możesz mieć pojedynczy bodziec, taki jak krok lub sekwencję zadań wizualnych, takich jak wiele kroków.
Teraz zapisz oba pliki bodźców w bibliotece bodźców. Należy pamiętać, że w wizualizowanym katalogu znajduje się kilka ustawień domyślnych. Pierwsza linia to procent ekranu w kierunku poziomym.
Druga linia to procent ekranu w kierunku pionowym. Trzeci to obraz tła, a czwarty to obraz pierwszego planu lub docelowy. Piąty wiersz wskazuje, że komputer powinien pracować w trybie niezależnym.
Szósty wiersz oznacza, który monitor jest używany. Siódma linia to proporcje monitorów. Reszta linii to różne rodzaje bodźców, których operator może użyć w ramach sesji eksperymentalnej.
Teraz otwórz monitor bodźców lewego oka i bodziec prawego oka. Monitoruj pliki z wizualizowanego katalogu. Te dwa pliki zawierają bodźce biblioteczne odpowiednio dla lewego i prawego oka.
W ostatnim wierszu wpisz nazwę pliku bodźca, który został zdefiniowany. Numer profilu odnosi się do wiersza odpowiadającego nazwie pliku bodźca. Na przykład tutaj numer profilu bodźca wynosi osiem.
Można powtórzyć poprzednie kroki, aby stworzyć tyle bodźców, ile jest potrzebnych do eksperymentu. Następnie można napisać skrypt dla protokołu eksperymentalnego. Najpierw otwórz plik tekstowy, aby wpisać polecenia protokołu eksperymentalnego i zapisz ten plik w wizualizowanym katalogu jako nazwę skryptu vs plik.
Będzie to plik skryptu, z którego system wizualizacji będzie odczytywał i wykonywał polecenia. Wizualizowane funkcje mają argumenty wejściowe i wyjściowe. W tej tabeli przedstawiono wszystkie funkcje wizualizowanego oprogramowania, które mogą być używane, gdy plik tymczasowy dot lwf nie jest zdefiniowany.
Podczas wykonywania tej funkcji oprogramowanie nie będzie przechowywać żadnych przychodzących danych do digitalizacji. Funkcja pliku dziennika wyprowadza ciągi lub bufor wejściowy zdefiniowany z próby EXP do wyjściowego pliku tekstowego w wizualizowanym katalogu. Po zakończeniu eksperymentu pamiętaj o zmianie nazwy wyjściowego pliku tekstowego na inną nazwę.
W przeciwnym razie dane zostaną nadpisane podczas następnego eksperymentu. Funkcja wagi wyzwalacza czeka, aż badany naciśnie przycisk spustu, aby rozpocząć próbę eksperymentalną oznaczoną na ekranie jako próba exp i zdigitalizować dane. To jest kanał 12 na cyfrowej karcie akwizycji, który czeka na zmianę sygnału z cyfrowego maksimum na niski.
Wreszcie, funkcja losowego opóźnienia generuje losowe opóźnienie, aby zapobiec przewidywaniu lub przewidywaniu następnego bodźca, a funkcja MSD fali oblicza średnią i odchylenie standardowe danych. Przed rozpoczęciem eksperymentu uczestnik musi wyrazić pisemną i świadomą zgodę zatwierdzoną przez instytucjonalną komisję rewizyjną. Eksperyment musi być szczegółowo wyjaśniony, zanim osoba badana będzie mogła zgodzić się na udział.
Do zbierania i rejestrowania ruchów gałek ocznych można używać różnych monitorów ruchu gałek ocznych, takich jak system obrazowania wideo odbicia rogówki, system śledzenia rąbka lub cewka poszukiwawcza twardówki. Tutaj zademonstrujemy system śledzenia limbus. Następnie dostosuj monitor ruchu gałek ocznych, aby uchwycić anatomiczne atrybuty oka, takie jak rąbek lub odbicie źrenicy i rogówki, w zależności od używanego monitora ruchu gałek ocznych.
Gdy monitor ruchu gałek ocznych zostanie odpowiednio wyregulowany na obiekcie, sprawdź, czy monitor ruchu gałek ocznych rejestruje ruchy gałek ocznych, prosząc badanego o wykonanie ruchów psychotycznych z boku na bok lub do wewnątrz i na zewnątrz, zwanych ruchami dziewiczymi. Otwórz program Read script dot vei w wizualizowanym katalogu w prawym górnym rogu, wpisz nazwę pliku utworzonego wcześniej skryptu protokołu eksperymentalnego. Następnie uruchom program do czytania skryptu dot vei, naciskając przycisk strzałki w lewym górnym rogu.
Następnie daj podmiotowi przycisk spustowy i wyjaśnij, że po naciśnięciu przycisku rozpocznie się zbieranie danych. Na ekranie automatycznie pojawi się kolejny plik VEI, który wykreśli przychodzące dane. Dane są próbkowane z częstotliwością 500 herców.
Po zakończeniu eksperymentu odczyt skryptu dot bei zostanie automatycznie zatrzymany w tym momencie. Przejdź do wizualizowanego katalogu i znajdź plik tekstowy. Zmień nazwę pliku.
W przeciwnym razie następnym razem, gdy operator uruchomi eksperyment, plik danych zostanie zastąpiony. Po zakończeniu eksperymentu dane można analizować przy użyciu różnych pakietów oprogramowania, w tym opóźnień MATLAB lub Excel. Prędkość szczytowa lub amplituda mogą być interesujące w zależności od badania.
Przykład kodu analizy MATLAB znajduje się w wizualizowanym katalogu do wykreślania kodów SEC, pierwszych kroków i dziewiczych ramp. Tutaj widzimy przykłady zespołu ruchów gałek ocznych, które można zarejestrować za pomocą systemu wizualizacji. Na tych wykresach widzimy typowe 10-stopniowe ruchy psychotyczne, zwane również Proseccos.
W naszych badaniach wykorzystujemy stopień rotacji. Ruchy gałek ocznych można kalibrować w stopniach, kątach metrowych lub dioptriach pryzmatów. Każdy ślad reprezentuje indywidualny ruch gałek ocznych, gdzie w górnej części wykresu pozycja jest oznaczona w stopniach w funkcji czasu.
Dolny wykres to prędkość wykreślona w stopniach na sekundę w funkcji czasu. Antys cos są pokazane tutaj. Są to reakcje psychotyczne.
Kiedy badanemu mówi się, aby zrobił sekundę w kierunku przeciwnym do bodźca wzrokowego, dziewica reaguje na cztery stopnie. Kroki można zobaczyć tutaj, a reakcje dziewicy na bodźce rampy o pięć stopni na sekundę są pokazane tutaj. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby pamiętać o kalibracji systemu przed zgłoszeniem się pacjenta na badanie.
Udziel pacjentowi odpowiednich instrukcji i upewnij się, że monitor ruchu gałek ocznych jest prawidłowo dostosowany do fotografowanego obiektu. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak programować za pomocą wizualizowanego języka skryptowego do konstruowania własnych bodźców wizualnych w celu zbadania szerokiego zakresu eksperymentów motorycznych oczu. Badania motoryczne oczu korzystają z silnych podstaw badawczych, ponieważ mogą dostarczyć wglądu w normalny i dysfunkcyjny mózg.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł dotyczy zastosowania oprogramowania VisualEyes do badania kontroli neuronowej i procesów poznawczych poprzez ruchy oczu. System umożliwia niezależne programowanie stymulacji wzrokowych na dwóch ekranach, ułatwiając różne eksperymenty ruchowo-oczne.
Główne elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Kontrola ruchowo-oczna
- Procesy poznawcze
Tło
- Ruchy oczu są kluczowe dla zrozumienia kontroli neuronowej.
- Oprogramowanie VisualEyes umożliwia niestandardowe skryptowanie do prezentacji stymulacji.
- Można stymulować różne rodzaje ruchów oczu, w tym sakkady i płynne śledzenie.
- System zapewnia elastyczność w porównaniu z oprogramowaniem firmowym.
Cel badania
- Generowanie stymulacji wzrokowych do badań ruchowo-ocznych.
- Kalibracja systemu wzrokowego do celów dokładnych pomiarów.
- Rejestrowanie odpowiedzi ruchów oczu podczas eksperymentów.
Stosowane metody
- Kalibracja systemu wzrokowego przez konwersję wartości pikseli na stopnie.
- Definiowanie początkowych i końcowych pozycji stymulacji dla obu oczu.
- Zapisywanie stymulacji w bibliotece przed sesją eksperymentalną.
- Uruchamianie skryptów eksperymentalnych do monitorowania i rejestrowania ruchów oczu.
Główne wyniki
- Ślady pozycji i prędkości ruchów oczu zostały pomyślnie zarejestrowane.
- Technika wykazała zalety w porównaniu z istniejącymi programami firmowymi.
- Wyniki dostarczają wglądu w mechanizmy kontroli ruchowo-ocznej.
- Elastyczność w programowaniu stymulacji pozwala na różnorodne projekty eksperymentalne.
Wnioski
- Oprogramowanie VisualEyes jest cennym narzędziem do badań ruchowo-ocznych.
- Niestandardowe skryptowanie zwiększa zdolność do prowadzenia różnorodnych eksperymentów.
- Przyszłe badania mogą wykorzystać ten system do głębszego zrozumienia procesów poznawczych.
Często zadawane pytania
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.
