Metody badania wpływu odgórnych procesów wzrokowych na zachowania motoryczne
April 16th, 2014
Nie jest jasne, w jaki sposób sygnały z góry na dół z brzusznego strumienia wzrokowego wpływają na ruch. Opracowaliśmy paradygmat do testowania zachowań motorycznych w stosunku do celu na iluzji odwrócenia głębi 3D. Istotne różnice występują zarówno w celowych, ukierunkowanych na cel ruchach, jak i automatycznych działaniach w iluzorycznych i prawdziwych warunkach widzenia.
Ogólnym celem tej procedury jest opracowanie metodologii wykorzystującej iluzję odwrócenia głębi 3D w celu wyjaśnienia roli procesów wizualnych odgórnych na działanie motoryczne. Osiąga się to poprzez skonstruowanie najpierw aparatu, który prezentuje solidny bodziec 3D do odwrócenia perspektywy do wykonywania ruchów w różnych stanach percepcyjnych. Drugim krokiem procedury jest skonfigurowanie systemu przechwytywania ruchu, który rejestruje interakcję uczestnika z tym bodźcem.
Trzecim krokiem jest stworzenie platformy, która pozwoli uczestnikom dotrzeć do miejsca, w którym ostatnio postrzegali cel znajdujący się na bodźcu, bez żadnych korekt wizualnych online czy dotykowego sprzężenia zwrotnego. Ostatnim krokiem jest analiza zarówno danych dotyczących zasięgu do przodu, jak i nieinstruowanego cofania ramienia, aby zbudować kompleksowy model zachowań motorycznych w tym kontekście. Ostatecznie wyniki mogą pokazać zmiany w dynamice zasięgu w różnych stanach percepcyjnych dzięki ocenie kinematycznej przewidzianej w tym paradygmacie.
Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami, takimi jak te, które wykorzystują iluzję pustej twarzy, jest to, że odpowiedni bodziec pozwala na prawie 90-stopniowe maksymalne różnice w orientacji powierzchni w pionowych i iluzorycznych stanach percepcyjnych. Ta nowa metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie nauk percepcyjnych i rozpocząć budowanie w kierunku bardziej obiektywnej nauki psychologicznej z nowymi technikami, które wykraczają poza ludzkie werbalne raporty lub naciśnięcia. Innymi słowy, to, czy iluzja wpływa na system sterowania motorycznego, czy nie, pozwala nam przetestować tę hipotezę.
Dzisiejszą procedurę zademonstrują Jay Val, CD pathak i R Sadik, którzy są asystentami badawczymi w naszych laboratoriach. Najpierw zbuduj ruchomą platformę o wymiarach 65 na 55 centymetrów i poruszającą się po torze ślizgowym o długości 55 centymetrów. Różne bodźce zostaną umieszczone na platformie.
Bodźce muszą być prezentowane na wysokości oczu siedzącemu uczestnikowi, dlatego tor powinien być zabezpieczony na odpowiedniej wysokości. Platforma powinna mieć wysuwany mechanizm sprężynowy. Podłącz ten mechanizm do płytki drukowanej, która synchronizuje różne zdarzenia za siedzeniem uczestnika.
Ustaw lampy, aby równomiernie oświetlić platformę. Podłącz lampy do tej samej płytki drukowanej poniżej podpórek pod dłonie siedzenia uczestnika. Zabezpiecz skrzynkę przełączników, którą można łatwo nacisnąć, gdy uczestnik podnosi rękę.
Podłącz przełącznik do płytki drukowanej na płytce drukowanej. Podłącz piny wyjściowe do pinów mikrokontrolera w celu aktywacji bodźca. Platforma powinna się schować, a światło powinno zgasnąć, gdy skrzynka spustowa zostanie naciśnięta przez uczestnika sięgającego na zewnątrz ręką.
Użyj MATLAB do sterowania mikrokontrolerem, aby zarejestrować sekwencję próbną i poinstruować eksperymentatora, jakie warunki oglądania są potrzebne dla każdej próby. Teraz skonstruuj właściwy bodziec perspektywiczny i skonstruuj bodziec odwrotnej perspektywy. Mimo że wydaje się, że centralny budynek jest wypukły, jest fizycznie wklęsły po prawej stronie linii środkowej na obu bodźcach.
Podłącz czerwony płaski dysk. Zbuduj dwa bodźce treningowe z prostokątnych paneli na każdym panelu. Przedstaw jedną z izolowanych prawych powierzchni środkowego budynku za pomocą czerwonego dysku.
Jeden panel jest przeznaczony dla bodźca odwrotnej perspektywy, a drugi dla właściwego bodźca perspektywy. Najpierw przetestuj stereopsję uczestników za pomocą testu stereo z kropką Randa. Określ również ich dominację oczu.
Następnie skonfiguruj system przechwytywania ruchu składający się z 14 czujników elektromagnetycznych o częstotliwości 240 Hz i oprogramowania do śledzenia ruchu. Umieść 12 z 14 czujników na uczestniku za pomocą opasek sportowych. Przymocuj je do głowy, tułowia, dwóch ramion, ramion, przedramion oraz palca wskazującego i kciuka ręki obsługującej przełącznik.
Umieść pozostałe dwa czujniki na grzbietach dwóch bodźców za czerwonymi dyskami. Uczestnik nie powinien widzieć bodźców przed badaniem. Wyłącz wszystkie światła z wyjątkiem lamp używanych do oświetlania platformy stymulacyjnej.
Przyciemnij wszystkie ekrany komputerów i trzymaj je odwrócone od konfiguracji eksperymentalnej. Poinformuj uczestnika o przepływie eksperymentalnym i o tym, jak uruchomi skrzynkę przełącznika. Zademonstruj, w jaki sposób uczestnik powinien chwytać się tylko platformy, na której jest ona widoczna.
Teraz przeprowadź próbę próbną dla bodźca. Wyślij tylko tablicę z drążkiem do wieszania przedmiotów. Poproś uczestnika, aby sięgnął po tyczkę i położył rękę z powrotem na spoczynku.
Zrób to trzy razy w komfortowym tempie uczestnika. Rozpocznij próby inicjacyjne za pomocą dwóch bodźców treningowych. Poproś uczestnika, aby zamknął oczy po każdym badaniu, aby nie widział wymienianych bodźców.
Oprogramowanie losowo ustala kolejność pokazywania dwóch bodźców po cztery razy. Teraz rozpocznij próby eksperymentalne. Badania te składają się z trzech warunków.
Jednym z nich jest oglądanie odwrotnej specyfikacji pod iluzoryczną percepcją. Kolejnym warunkiem jest zobaczenie perspektywy odwrotnej w percepcji pionowej. Trzecią, oczywiście, jest właściwa perspektywa.
Najpierw przedstaw bodziec z odwróconej perspektywy i zapytaj, czy uczestnik może ustabilizować iluzoryczne postrzeganie wyskakującego środkowego budynku. Jeśli uczestnik nie jest w stanie ustabilizować iluzji grającej soczewką rozogniskowaną na niedominującym oku, jeśli soczewka jest potrzebna, użyj jej w każdej retrospektywnej próbie iluzorycznej. Kolejność dla pozostałych badań powinna być losowa.
Przedstawiono łącznie 12 badań dla każdego schorzenia, w wyniku których przeprowadzono 36 badań eksperymentalnych. Łączna liczba badań wynosi 47. Obejmuje to praktykę, szkolenie i próby eksperymentalne.
Udzielaj ustnych instrukcji dla każdej próby dla retrospektywnej próby iluzorycznej, a próba z właściwą perspektywą instruuje uczestnika, aby postrzegał środkowy budynek jako wyskakujący dla spektrum. Próby pionowe instruują uczestnika, aby patrzył na środkowy budynek jako zapadający się w dal. Zawsze proś uczestnika, aby skontaktował się z nim dopiero wtedy, gdy percepcja się ustabilizuje.
Najbardziej krytyczną częścią protokołu jest zapewnienie, że uczestnik utrzymuje iluzoryczną lub pionową percepcję przez cały czas trwania badania. Pozwalamy uczestnikowi poświęcić swój czas, aby to osiągnąć, a w razie wątpliwości próba jest powtarzana. Statystyka testu lambda Wilkesa jest jedną z metryk używanych do analizy.
Dane dotyczące ścieżki ręki dla przedstawiciela. Tester wykazał istotne różnice w profilach trajektorii ścieżki ręki dla zasięgu badanego wykonanego pod percepcją pionową na zielono i iluzoryczną percepcją na niebiesko odpowiedniego bodźca. Ta różnica w krzywiźnie ścieżki ręki pod wpływem pionu i iluzorycznego per percept jest również widoczna w ramionach bez instrukcji wycofania.
Porównując spektywną pionową perspektywę właściwą, dane ujawniły zgodnie z oczekiwaniami istotne różnice zarówno w zakresie wydłużenia zasięgu do przodu, jak i w przypadku cofnięcia ręki, dyskusje na temat statystyk są szczegółowo opisane w protokole tekstowym podczas badania orientacji ręki podczas zbliżania się do bodźców. Wektory podejścia ręcznego pod odwróconym spektywnym bodźcem pionowym w kolorze zielonym różniły się od pozostałych dwóch warunków bodźca. Wektory podejścia ręcznego w ręku.
Orientacje były wyraźnie podobne. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu około godziny, jeśli zostanie wykonana poprawnie. Podczas tej procedury bardzo ważne jest, aby pamiętać o rejestrowaniu ciągłego, pełnego ruchu ramienia, w tym zarówno ruchu ręki sięgającej do przodu w kierunku celu, jak i spontanicznego wycofania ręki.
Drabina działała automatycznie bez żadnych instrukcji po jej opracowaniu. Technika ta może utorować drogę naukowcom w dziedzinie neurobiologii do zbadania związku między kontrolą odgórną a przetwarzaniem czuciowo-motorycznym zarówno w populacjach typowo rozwijających się, jak i patologicznych.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
To badanie bada, jak procesy wizualne z góry do dołu ze strumienia wzrokowego brzusznego wpływają na działania motoryczne. Za pomocą 3D złudzenia odwrócenia głębi, badanie bada zarówno celowe, jak i automatyczne ruchy w różnych warunkach percepcji.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauka
- Psychologia behawioralna
- Percepcja wzrokowa
Tło
- Sygnały z góry do dołu odgrywają kluczową rolę w przetwarzaniu wzrokowym.
- Zrozumienie zachowania motorycznego w odpowiedzi na bodźce wzrokowe jest istotne.
- Iluzje mogą zmieniać percepcję i wpływać na działania motoryczne.
- Poprzednie badania wykazały zróżnicowane wpływy kontekstu wzrokowego na ruch.
Cel badania
- Wyjaśnienie roli procesów wzrokowych z góry do dołu na działania motoryczne.
- Ocenienie, w jaki sposób percepcja wpływa na dynamikę zasięgu.
- Opracowanie metodologii do badania interakcji wzrokowo-motorycznych.
Stosowane metody
- Budowa aparatu do złudzenia odwrócenia głębi 3D.
- Zastosowanie systemu rejestracji ruchu dla interakcji uczestników.
- Stworzenie platformy do sięgania bez korekt wzrokowych.
- Analiza danych dotyczących zasięgu i cofania ramienia w celu zamodelowania zachowania wzrokowo-motorycznego.
Główne wyniki
- Znaczące różnice w ruchach w warunkach iluzorycznych i rzeczywistych.
- Obserwowano różnice w dynamice zasięgu w zależności od stanów percepcyjnych.
- Iluzja wpłynęła zarówno na działania celowe, jak i automatyczne.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia integracji wzrokowo-motorycznej.
Wnioski
- Procesy wzrokowe z góry do dołu znacząco wpływają na działania motoryczne.
- Iluzje mogą dostarczyć wglądu w percepcję wzrokową i zachowanie motoryczne.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tych znaleziskach, aby zbadać dalsze implikacje.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This methodology enables mechanistic de-risking of target validation by isolating top-down visual influences on motor behavior, providing quantitative readouts for perceptual-motor integration. It supports predictive confidence in early discovery by modeling how perceptual states alter spontaneous and deliberate actions, informing assay design for neuroscience target engagement. The approach enhances translational biomarker alignment through objective kinematic assessment, reducing reliance on subjective reports in preclinical validation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by testing whether motor output is driven by perceptual illusion or veridical percept, clarifying target engagement mechanisms.
- Operational Value: Enables biological de-risking through standardized isolation of perceptual variables in motor response assays.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by quantifying how top-down processes modulate reach dynamics under controlled perceptual states.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for downstream workflows by establishing reproducible reach-to-grasp paradigms under defined perceptual conditions.
- Quantitative Outputs: Delivers kinematic metrics (hand path curvature, approach vectors) enabling compound effect comparison across perceptual states.
- Platform Reuse: Scalable motion capture framework supports high-throughput screening of neuromodulators targeting visual-motor pathways.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models perceptual distortions in neuropsychological disorders, aligning with translational biomarker strategies for conditions like schizophrenia or Parkinson’s.
- Preclinical Continuity: Bridges discovery to validation by capturing both deliberate and spontaneous motor components under perceptual manipulation.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by revealing perceptual confounds that could distort motor endpoint interpretation in vivo.
Pipeline & Workflow Integration
Positions the method within early discovery to lead identification, where perceptual confounds in motor assays must be de-risked before compound screening.
- Discovery Biology: Tests hypothesis that motor behavior reflects perceptual state rather than reflexive response, reducing mechanistic ambiguity in target validation.
- Screening: Ensures assay readiness by standardizing reach initiation and retraction phases without online visual correction, improving data reliability.
- Analytics: Uses Wilkes Lambda test statistic and kinematic profiling to compare conditions, enabling statistical rigor in perceptual-motor effect detection.
- Translational Research: Connects to preclinical work by modeling how perceptual alterations in disease models affect naturalistic motor output.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neuromotor assessment platform adaptable across disease areas involving sensory integration deficits.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by dissociating perceptual from motor contributions to action, reducing false target signals.
- Operational Value: Delivers standardization through fixed platform geometry, synchronized stimulus timing, and motion capture protocols.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by identifying perceptually confounded assays early, preventing late-stage attrition due to unmodeled cognitive biases.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on robustness of effect across perceptual states.
Implementation Considerations
- Requires expertise in perceptual neuroscience, motion capture systems, and experimental psychology paradigms.
- Dependent on electromagnetic motion tracking infrastructure and stimulus presentation hardware (platform, lighting, switch synchronization).
- Necessitates cross-team standardization of perceptual state verification (e.g., participant report, lens correction) to ensure trial validity.
- Adaptation across model systems may require modification of reach tasks and perceptual inducers while preserving dissociation of deliberate and spontaneous components.
- Practical limitation: Participant susceptibility to illusion must be screened, potentially reducing cohort size and increasing screening overhead.
