Metody badania wpływu odgórnych procesów wzrokowych na zachowania motoryczne
16 kwietnia 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 niniejszej procedury jest opracowanie metodologii wykorzystującej iluzję odwrócenia głębi 3D w celu wyjaśnienia roli odgórnych procesów wizualnych w działaniu motorycznym. Zostaje to osiągnięte poprzez najpierw skonstruowanie aparatury, która prezentuje wyraźny bodziec w odwróconej perspektywie 3D, aby umożliwić wykonywanie ruchów sięgania w różnych stanach percepcyjnych. Drugim krokiem procedury jest konfiguracja systemu motion capture w celu zarejestrowania interakcji uczestnika z tym bodźcem.
Trzecim krokiem jest stworzenie platformy, która pozwala uczestnikom na sięgnięcie w miejsce, w którym ostatnio postrzegali cel znajdujący się na bodźcu, bez żadnych wizualnych korekt w czasie rzeczywistym ani sprzężenia zwrotnego haptycznego. Ostatnim krokiem jest analiza zarówno danych dotyczących ruchu sięgania do przodu, jak i nieinstruowanego wycofania ramienia, aby zbudować kompleksowy model zachowania wzrokowo-ruchowego w tym kontekście. W rezultacie, dzięki ocenie kinematycznej zapewnionej w tym paradygmacie, wyniki mogą wykazać zmiany w dynamice sięgania w zależności od różnych stanów percepcyjnych.
Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak te wykorzystujące iluzję wklęsłej twarzy, jest fakt, że odpowiedni bodziec pozwala na uzyskanie maksymalnych różnic w orientacji powierzchni wynoszących prawie 90 stopni w zależności od tego, czy występuje stan percepcji wertykalnej, czy iluzyjnej. Ta nowa metoda może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie nauki o percepcji i przyczynić się do budowy bardziej obiektywnej psychologii dzięki nowym technikom, które wykraczają poza werbalne raporty uczestników lub naciskanie klawiszy, co pozwala zweryfikować odmienne przewidywania obu hipotez. Innymi słowy, to, czy system kontroli motorycznej ulega wpływowi iluzji, czy nie, umożliwia nam przetestowanie tej hipotezy.
Procedurę zaprezentują Jay Val, CD pathak oraz R Sadik, którzy są asystentami badawczymi w naszych laboratoriach. Najpierw należy zbudować ruchomą platformę o wymiarach 65 by 55 centymetrów, która porusza się po prowadnicy przesuwnej o długości 55 centymetrów. Na platformie zostaną umieszczone poszczególne bodźce.
Bodźce muszą być prezentowane na wysokości oczu siedzącego uczestnika, dlatego tor należy zamocować na odpowiedniej wysokości. Platforma powinna być wyposażona w mechanizm sprężyny zwrotnej. Należy podłączyć ten mechanizm do płytki drukowanej, która synchronizuje poszczególne zdarzenia za siedzeniem uczestnika.
Ustaw lampy tak, aby równomiernie oświetlały platformę. Podłącz lampy do tej samej płyty obwodów znajdującej się pod podłokietnikami fotela uczestnika. Zamocuj przełącznik w pudełku, który uczestnik może łatwo nacisnąć, podnosząc rękę.
Podłącz przełącznik do płytki drukowanej. Podłącz piny wyjściowe do pinów mikrokontrolera odpowiedzialnych za aktywację bodźca. Platforma powinna się cofnąć, a światło powinno zgasnąć, gdy uczestnik wyciągnie ramię i naciśnie pudełko wyzwalacza.
Użyj programu MATLAB do sterowania mikrokontrolerem w celu rejestracji sekwencji prób oraz przekazywania eksperymentatorowi informacji o tym, jakie warunki wyświetlania są wymagane dla każdej próby. Następnie przygotuj odpowiedni bodziec perspektywiczny oraz bodziec w perspektywie odwróconej. Mimo że wydaje się, iż centralny budynek jest wypukły, w obu bodźcach jest on fizycznie wklęsły na prawo od linii środkowej.
Przymocuj czerwoną płaską tarczę. Zbuduj dwa bodźce treningowe z paneli prostokątnych na każdym panelu. Przedstaw jedną z izolowanych prawych powierzchni środkowego budynku za pomocą czerwonej tarczy.
Jeden panel służy do prezentacji bodźca w perspektywie odwróconej, a drugi do bodźca w perspektywie właściwej. Najpierw należy sprawdzić stereopsję uczestników za pomocą testu Rand dot stereo. Należy również określić ich oko dominujące.
Następnie należy skonfigurować system przechwytywania ruchu, składający się z 14 czujników elektromagnetycznych pracujących z częstotliwością 240 hertz oraz oprogramowania do śledzenia ruchu. 12 z 14 czujników należy przymocować do uczestnika za pomocą opasek sportowych. Należy je umieścić na głowie, tułowiu, obu barkach, ramionach, przedramionach oraz na palcu wskazującym i kciuku dłoni obsługującej przełącznik.
Pozostałe dwa czujniki umieść na plecach dwóch bodźców za czerwonymi dyskami. Uczestnik nie powinien widzieć bodźców przed rozpoczęciem testu. Wyłącz wszystkie światła z wyjątkiem lamp służących do oświetlenia platformy z bodźcami.
Zmniejsz jasność ekranów komputerowych i odwróć je od stanowiska eksperymentalnego. Poinstruuj uczestnika o przebiegu eksperymentu oraz o tym, w jaki sposób ma uruchamiać przełącznik. Zademonstruj, że uczestnik powinien chwytać wyłącznie platformę w miejscu, w którym jest ona widoczna.
Następnie przeprowadź próbę treningową dla bodźca. Prześlij obraz przedstawiający jedynie tablicę z drążkiem do zawieszania przedmiotów. Poproś uczestnika, aby sięgnął w stronę drążka, a następnie powrócił dłonią do pozycji spoczynkowej.
Powtórz tę czynność trzykrotnie w tempie wygodnym dla uczestnika. Rozpocznij próby inicjujące, używając dwóch bodźców treningowych. Poproś uczestnika o zamknięcie oczu po każdej próbie, aby nie widział momentu zamiany bodźców.
Oprogramowanie losowo ustawia kolejność wyświetlania dwóch bodźców po cztery razy każdy. Teraz rozpoczynamy próby eksperymentalne. Próby te składają się z trzech warunków.
W pierwszym przypadku obserwuje się perspektywę odwróconą przy percepcji złudzeniowej. Kolejnym warunkiem jest obserwacja perspektywy odwróconej przy percepcji pionowej. Trzecim warunkiem jest, oczywiście, perspektywa właściwa.
Najpierw zaprezentuj bodziec w odwróconej perspektywie i zapytaj, czy uczestnik potrafi ustabilizować złudzeniowy percepcję wysunięcia środkowego budynku. Jeśli uczestnik nie jest w stanie ustabilizować złudzenia, zastosuj soczewkę rozpraszającą na oku niedominującym; jeśli soczewka okaże się niezbędna, należy jej używać w każdej retrospektywnej próbie złudzenia. Kolejność pozostałych prób powinna zostać zrandomizowana.
Dla każdego warunku przedstawiono łącznie 12 prób, co daje 36 prób eksperymentalnych. Całkowita liczba prób wynosi 47. Obejmuje ona próby treningowe oraz eksperymentalne.
Przekaż instrukcje słowne dla każdej próby: w przypadku próby z iluzją retrospektywną i próby z właściwą perspektywą poinstruuj uczestnika, aby postrzegał środkowy budynek jako wystający do przodu. W próbach wertykalnych poinstruuj uczestnika, aby postrzegał środkowy budynek jako zapadający się w głąb. Zawsze proś uczestnika o wyciągnięcie ręki dopiero po ustabilizowaniu się percepcji.
Najbardziej krytycznym elementem protokołu jest zapewnienie, że uczestnik utrzymuje percepcję złudzeniową lub pionową przez cały czas trwania próby. Pozwalamy uczestnikowi poświęcić tyle czasu, ile potrzebuje, aby tego osiągnąć, a w przypadku wątpliwości próba jest powtarzana. Statystyka testu Lambda Wilkesa jest jedną z miar wykorzystywanych w analizie.
Dane dotyczące trajektorii dłoni dla reprezentatywnego badanego. U badanego zaobserwowano istotne różnice w profilach trajektorii ruchu dłoni podczas zasięgów wykonanych przy percepcji pionowej (kolor zielony) oraz percepcji iluzyjnej (kolor niebieski) dla odpowiedniego bodźca. Różnica ta w krzywiźnie trajektorii dłoni przy percepcji pionowej i iluzyjnej jest widoczna również podczas nieinstruowanego wycofania ramion.
Porównując perspektywę pionową, dane ujawniły, zgodnie z oczekiwaniami, istotne różnice zarówno dla wyprostu zasięgu do przodu, jak i w przypadku cofania ręki; szczegółowe omówienie statystyk znajduje się w protokole tekstowym, podczas badania orientacji dłoni podczas zbliżania się do bodźców. Wektory zbliżania dłoni przy odwróconym bodźcu pionowym (oznaczone kolorem zielonym) różniły się od dwóch pozostałych warunków stymulacji. Wektory zbliżania dłoni w dłoni.
Orientacje były wyraźnie podobne. Po opanowaniu technika ta może zostać wykonana w około jedną godzinę, jeśli jest przeprowadzana prawidłowo. Podczas realizacji tej procedury bardzo ważne jest, aby pamiętać o rejestracji ciągłego, pełnego ruchu ramienia, obejmującego zarówno ruch wyciągania ręki do przodu w stronę celu, jak i spontaniczny ruch cofania ręki.
drabina działała automatycznie bez żadnych instrukcji po jej opracowaniu. Technika ta może utorować drogę badaczom w dziedzinie neuronauki do zbadania związku między kontrolą odgórną a przetwarzaniem sensoryczno-motorycznym zarówno w populacjach typowo rozwijających się, jak i patologicznych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje, w jaki sposób odgórne procesy wizualne z brzusznego strumienia wzrokowego wpływają na działania motoryczne. Wykorzystując iluzję odwrócenia głębi 3D, praca bada zarówno ruchy celowe, jak i automatyczne w zmiennych warunkach percepcyjnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Psychologia behawioralna
- Percepcja wzrokowa
Wstęp
- Sygnały odgórne (top-down) odgrywają kluczową rolę w przetwarzaniu wizualnym.
- Zrozumienie zachowania motorycznego w odpowiedzi na bodźce wizualne jest niezbędne.
- Iluzje mogą zmieniać percepcję i wpływać na działania motoryczne.
- Poprzednie badania wykazały zróżnicowany wpływ kontekstu wizualnego na ruch.
Cel badania
- Wyjaśnienie roli odgórnych procesów wizualnych w działaniach motorycznych.
- Ocena wpływu percepcji na dynamikę sięgania.
- Opracowanie metodologii badania interakcji wizualno-motorycznych.
Zastosowane metody
- Budowa aparatury do wywoływania 3D iluzji odwrócenia głębokości.
- Wdrożenie systemu przechwytywania ruchu w celu monitorowania interakcji uczestników.
- Stworzenie platformy do wykonywania ruchów sięgania bez korekt wizualnych.
- Analiza danych dotyczących zasięgu i cofania ramienia w celu modelowania zachowań motorycznych zależnych od wzroku.
Główne wyniki
- Znaczące różnice w ruchach w warunkach iluzyjnych w porównaniu z warunkami rzeczywistymi.
- Zaobserwowano zmienność dynamiki zasięgu w zależności od stanów percepcyjnych.
- Zarówno działania celowe, jak i automatyczne zostały pod wpływem iluzji.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia integracji wzrokowo-ruchowej.
Wnioski
- Procesy wizualne odgórne w znacznym stopniu wpływają na działania motoryczne.
- Iluzje mogą dostarczyć cennych informacji na temat percepcji wzrokowej i zachowania motorycznego.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tych wynikach w celu zbadania dalszych implikacji.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejsza metodologia umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka w walidacji celu poprzez izolowanie odgórnych wpływów wizualnych na zachowanie ruchowe, zapewniając ilościowe odczyty dla integracji percepcyjno-motorycznej. Wspiera ona pewność prognostyczną we wczesnej fazie odkrywania poprzez modelowanie sposobu, w jaki stany percepcyjne zmieniają działania spontaniczne i celowe, co dostarcza informacji niezbędnych do projektowania testów w zakresie angażowania celów w neuronauce. Podejście to usprawnia dopasowanie biomarkerów translacyjnych dzięki obiektywnej ocenie kinematycznej, ograniczając zależność od subiektywnych raportów w walidacji przedklinicznej.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne Etapy Odkrywania i Walidacja Celu
- Wartość naukowa: Weryfikuje hipotezy terapeutyczne poprzez badanie, czy wyjście motoryczne jest sterowane przez iluzję percepcyjną czy percepcję prawdziwą, co pozwala wyjaśnić mechanizmy angażowania celu.
- Wartość operacyjna: Umożliwia biologiczną redukcję ryzyka dzięki standaryzowanej izolacji zmiennych percepcyjnych w testach reakcji motorycznej.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję projektów w portfolio poprzez kwantyfikację wpływu procesów odgórnych na dynamikę zasięgu w kontrolowanych stanach percepcyjnych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Gotowość do analizy: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do dalszych etapów pracy poprzez ustanowienie powtarzalnych paradygmatów sięgania i chwytania w określonych warunkach percepcyjnych.
- Wyniki ilościowe: Dostarcza parametrów kinematycznych (krzywizna ścieżki dłoni, wektory podejścia), umożliwiając porównanie efektów działania związków w różnych stanach percepcyjnych.
- Ponowne wykorzystanie platformy: Skalowalny system przechwytywania ruchu wspiera wysokoprzepustowe przesiewanie neuromodulatorów celujących w szlaki wizualno-motoryczne.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla chorób: Modeluje zaburzenia percepcyjne w schorzeniach neuropsychologicznych, co jest zgodne z translacyjnymi strategiami biomarkerów dla stanów takich jak schizofrenia czy choroba Parkinsona.
- Ciągłość przedkliniczna: Łączy etap odkrycia z walidacją poprzez rejestrację zarówno zamierzonych, jak i spontanicznych komponentów motorycznych w warunkach manipulacji percepcyjnych.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Ułatwia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez ujawnianie zakłóceń percepcyjnych, które mogłyby zniekształcić interpretację punktów końcowych motorycznych in vivo.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta znajduje zastosowanie w fazie od wczesnego etapu odkrywania do identyfikacji wiodących związków, gdzie przed przesiewaniem związków należy wyeliminować ryzyko związane z czynnikami zakłócającymi percepcję w testach motorycznych.
- Biologia odkrywcza: Weryfikuje hipotezę, według której zachowanie motoryczne odzwierciedla stan percepcyjny, a nie reakcję refleksyjną, co zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji celu.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość testu poprzez standaryzację faz inicjacji i retrakcji zasięgu bez korekcji wizualnej w czasie rzeczywistym, co zwiększa niezawodność danych.
- Analityka: Wykorzystuje statystykę testu lambda Wilkesa oraz profilowanie kinematyczne do porównania warunków, co zapewnia rygor statystyczny w wykrywaniu efektów percepcyjno-motorycznych.
- Badania translacyjne: Nawiązuje do prac przedklinicznych poprzez modelowanie wpływu zmian percepcyjnych w modelach chorobowych na naturalne wyniki motoryczne.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia wielokrotnego użytku platformę oceny neuromotorycznej, którą można dostosować do różnych jednostek chorobowych związanych z deficytami integracji sensorycznej.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną poprzez oddzielenie wkładu percepcyjnego od motorycznego w działanie, co redukuje fałszywe sygnały celu.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację dzięki stałej geometrii platformy, zsynchronizowanemu czasowi bodźca oraz protokołom przechwytywania ruchu.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową poprzez wczesną identyfikację testów obarczonych błędami percepcyjnymi, zapobiegając odpływowi projektów na późnym etapie z powodu niemodelowanych uprzedzeń poznawczych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację związków z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o odporność efektu w różnych stanach percepcyjnych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie neuronauki percepcji, systemów przechwytywania ruchu (motion capture) oraz paradygmatów psychologii eksperymentalnej.
- Zależne od infrastruktury elektromagnetycznego śledzenia ruchu oraz sprzętu do prezentacji bodźców (platformy, oświetlenia, synchronizacji przełączników).
- Konieczna jest standaryzacja weryfikacji stanu percepcyjnego w obrębie zespołów (np. raport uczestnika, korekcja soczewek) w celu zapewnienia ważności prób.
- Adaptacja w różnych systemach modelowych może wymagać modyfikacji zadań sięgania oraz induktorów percepcyjnych przy jednoczesnym zachowaniu rozdzielności komponentów celowych i spontanicznych.
- Ograniczenie praktyczne: Podatność uczestników na iluzję musi zostać sprawdzona podczas screeningu, co może zmniejszyć wielkość kohorty i zwiększyć nakłady pracy przy rekrutacji.
