JoVE Science Education

Sensation and Perception

Cueing Espacial

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JoVE Science Education Sensation and Perception

Spatial Cueing

6.3: Perspectives on Sensation and Perception

6.11: The Inverted-face Effect

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07:51 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratório de Jonathan Flombaum – Universidade Johns Hopkins

A atenção refere-se à capacidade humana limitada de selecionar algumas informações para processamento em detrimento de outros estímulos no ambiente. A atenção funciona em todas as modalidades sensoriais: visão, audição, toque, até gosto e olfato. É mais frequentemente estudado no domínio visual embora. Uma maneira comum de estudar a atenção visual é com um paradigma de sinalização espacial. Esse paradigma permite que os pesquisadores meçam as consequências de focar a atenção visual em alguns locais e não em outros. Esse paradigma foi desenvolvido pelo psicólogo Michael Posner no final dos anos 70 e início dos anos 80 em uma série de artigos em que ele comparou a atenção a um holofote, iluminando seletivamente parte de uma cena. ^1,2 Este vídeo demonstra procedimentos padrão para um experimento espacial para investigar a atenção visual.

Procedure

1. Equipamento

O experimento requer um software de implementação de computador e experimento, como o E-Prime, ou um ambiente de programação como MATLAB ou PsychoPy.

2. Estímulo e Design de Experimentos

O experimento envolve testes curtos nos quais os participantes devem detectar e relatar um breve alvo visual. Cada ensaio compreende três quadros. A figura 1 retrata os quadros.

Figura 1. Sequência de eventos no paradigma de sinalização espacial utilizado para medir as consequências da atenção visual. Cada ensaio começa da mesma forma, como mostrado no quadro um, com uma cruz de fixação central e duas caixas verdes em cada lado. No quadro dois, a cruz de fixação é substituída por uma seta, apontando para uma das duas caixas (50% do tempo cada). Finalmente, no quadro três, uma letra é mostrada-um L ou um T-in uma das duas caixas. No exemplo mostrado, a letra é um L. No exemplo do painel direito, a letra aparece na caixa que a seta aponta, produzindo um ensaio congruente. No painel à esquerda, a letra aparece em frente à seta, produzindo um julgamento incongruente. A medida de interesse é o tempo que um participante leva para fazer uma resposta correta (o tempo de reação), em particular, a diferença média entre ensaios congruentes e incongruentes.

No quadro um, há duas caixas verdes, 1.0 em. x 1.0 in. em ambos os lados do display, centradas verticalmente. Além disso, há uma cruz de fixação vermelha feita de linhas longas de 0,5 polegadas, localizada exatamente no centro do display. As caixas verdes devem estar a cerca de 1,5 polegadas das bordas do display.
No segundo quadro, a cruz de fixação é substituída por uma deixa, uma seta que aponta para uma das duas caixas verdes. Torne a seta vermelha, e fácil de ver, como mostrado na Figura 1.
No quadro três, um ‘T’ ou ‘L’ é adicionado a uma das duas caixas, e a seta do quadro dois é substituída pelo reaparecimento da cruz de fixação.
1. A tarefa do participante é indicar se a letra na caixa é um ‘L’ ou um ‘T’ usando as teclas apropriadas. Cada letra aparecerá 50% do tempo.
2. Em 80% dos ensaios, a letra aparece na caixa que a seta aponta no quadro dois. São chamados de julgamentos congruentes. Nos 20% restantes dos ensaios, a letra aparece em frente à direção da seta. São chamados de julgamentos incongruentes.
3. No geral, as letras aparecerão igualmente frequentemente à direita ou à esquerda.
Sequencie o experimento, tal como descrito, para incluir as proporções corretas de ensaios congruentes e incongruentes em uma ordem aleatória. Incluem 400 ensaios no total (320 congruentes e 80 incongruentes).
O quadro um deve permanecer presente em cada ensaio por 100 ms, quadro 2 para 100 ms, e o quadro três deve permanecer presente até que uma resposta seja registrada.
Por fim, certifique-se de programar o experimento para coletar dados relevantes. O arquivo de saída deve ter um cabeçalho como o mostrado na tabela na Figura 2, com cada linha incluindo os dados de um ensaio: o número de ensaio, a posição da letra que apareceu (esquerda ou direita), a letra específica que apareceu (L ou T), se o julgamento foi congruente ou incongruente (chamado de condição), a tecla de pressão feita pelo participante e, principalmente, o tempo de reação – o tempo que levou para o participante fazer uma keypress, medida a partir do início da letra. (Este número deve ser registrado em ms, e espera-se que varie entre 50 e 500).

Figura 2. Tabela de amostra para organizar a saída de dados em um experimento de sinalização espacial. A principal medida de interesse é o tempo de reação em cada julgamento. Além disso, a condição precisa ser registrada para comparar o tempo de reação em ensaios congruentes e incongruentes, e o tipo de letra e resposta dadas são necessários para avaliar a precisão da resposta. Também é uma boa ideia registrar a posição da carta para garantir que os ensaios apareçam nas proporções corretas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Executando o experimento

Para executar o experimento, recrute de 10 a 20 participantes.
Quando um participante chega ao laboratório, explique que o experimento que fará é projetado para investigar a natureza da atenção visual e pedir que eles completem um acordo de consentimento informado.
Sente o participante em frente ao seu computador de teste, com a parte de trás da cadeira a 60 cm de distância do monitor.
Explique as instruções a eles em detalhes:
1. “Cada teste deste experimento será mais ou menos o mesmo. Você verá uma cruz de fixação vermelha no início de cada julgamento. É importante que você mantenha os olhos fixos nessa posição o tempo todo. Após 100 ms, a cruz de fixação será substituída por uma seta vermelha apontando para uma das duas caixas verdes que também estarão no visor. Finalmente, depois de 100 ms, a seta desaparecerá e uma letra aparecerá em uma das duas caixas. Sempre será um L ou um T, e seu trabalho é informar qual deles está usando a chave apropriada. Queremos que você faça uma chave-chave o mais rápido possível, sem sacrificar a precisão, por isso é uma boa ideia manter o dedo indicador direito na tecla L e o dedo indicador esquerdo na tecla T o tempo todo. Depois de responder, haverá um atraso de meio segundo antes do próximo julgamento começar. Note que a seta vermelha nem sempre apontará para o lugar onde a letra eventualmente aparecerá. Você fará 400 testes do experimento, o que deve levar apenas cerca de 5 a 10 minutos. Haverá uma pequena pausa de dois minutos quando você estiver no meio do caminho. Você tem alguma pergunta?
Uma vez que você responda a qualquer pergunta, inicie o programa e observe o participante para alguns ensaios para ter certeza de que eles entenderam as instruções. Então você pode deixar a sala de testes até que o experimento esteja completo.

4. Análise dos Resultados

Seu programa deve preencher automaticamente as células em sua tabela de resultados para cada participante à medida que o experimento progride. Assim, ao final do experimento, você terá uma mesa com 400 linhas representando 400 ensaios para cada participante.
Primeiro, verifique se as respostas fornecidas são precisas. Para fazer isso, adicione uma coluna à tabela chamada Precisão. A Figura 3 mostra uma tabela de dados povoada.
1. Para determinar se a resposta dada estava correta, compare as respostas dadas com as identidades reais das letras mostradas. Lembre-se que a tabela inclui uma coluna para cada uma delas.
  1. O Excel (ou outro software) é capaz de determinar automaticamente se as respostas estão corretas inserindo a seguinte fórmula na nova coluna chamada Precisão:
    =se (“Tipo de letra”= “Resposta Dada”,1,0)Isso significa que se o caractere na coluna Tipo de letra for o mesmo da coluna Resposta Dada, haverá um 1 na coluna de precisão. Caso contrário, haverá um 0, indicando uma resposta incorreta.
  2. Calcular a precisão média de cada participante, analisando os valores na nova coluna Precisão. Se a proporção de respostas corretas para um participante for inferior a 0,8, não analise mais os resultados do participante; isso sugere que o participante entendeu mal as instruções ou não priorizou o desempenho com precisão.
2. Agora, a medida de interesse pode ser calculada. Média juntos o tempo de reação de um participante em todos os ensaios congruentes, e separadamente, em todos os ensaios incongruentes. Em seguida, calcule uma média congruente e incongruente para todos os participantes agrupados.

Figura 3. Uma tabela de dados preenchida com resultados de 25 ensaios espaciais. A coluna final, rotulada como “Precisão”, foi adicionada após a conclusão do experimento, e uma fórmula foi usada para automatizar uma verificação de precisão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nossa capacidade de selecionar certas informações em um ambiente para processar, ignorando outros estímulos, é referida como atenção.

A atenção visual pode ser aberta — onde os olhos são conscientemente voltados para um objeto, como uma lua cheia em ascensão — ou encobertas, em que uma pessoa percebe algo que não está olhando diretamente.

Por exemplo, um indivíduo pode estar olhando para uma placa apontando para o lado esquerdo de uma bifurcação na estrada. No entanto, eles ainda vão discernir uma coruja próxima mais adiante nesse caminho, porque essa é a direção que eles são cued para ir. Esse conceito é referido como sinalização espacial — onde a atenção secreta é deslocada por um determinado sinal.

Baseado em trabalhos anteriores do psicólogo Michael Posner, este vídeo demonstra como executar uma tarefa de sinalização espacial computadorizada, incluindo como interpretar dados investigando uma medida de atenção visual secreta — tempos de reação em ensaios congruentes e incongruentes.

Neste experimento, os participantes devem detectar e relatar breves alvos visuais que mostram foco e mudanças subsequentes na atenção.

Durante cada ensaio, os participantes são solicitados a observar três quadros que ocorrem em ordem: No quadro 1, uma cruz de fixação vermelha, feita de linhas longas de 1/2 polegadas, está localizada no centro do visor. Duas caixas verdes, cada uma 1 por 1 polegada, estão centradas verticalmente, 1,5 polegadas. longe das bordas do display.

Após 100 ms, o segundo quadro aparece para esta mesma duração, mas desta vez, a cruz de fixação é substituída por uma sugestão — uma seta vermelha que aponta para uma das duas caixas verdes.

No terceiro quadro, a seta de sinalização é substituída simultaneamente pela cruz de fixação. Em metade dos ensaios, a letra ‘T’ é adicionada a uma das duas caixas, enquanto a outra metade contém a letra ‘L’; ambos são igualmente distribuídos. Os participantes devem identificar a carta mostrada.

Após cada resposta, ocorre um breve intervalo de 500 ms entre testes, e a sequência é repetida para um total de 400 ensaios.

Aqui, o truque é que eles são congruentes, onde a letra aparece na caixa que a seta está apontando para 80% do tempo, ou incongruente, onde aparece em frente à direção da seta para 20% dos ensaios.

A variável dependente é, então, o tempo que um participante leva para fazer uma resposta correta entre os tipos de ensaio, o que é alcançado simplesmente escolhendo a letra mostrada na caixa, independentemente do lado.

Espera-se, em média, que os participantes sejam mais rápidos em responder durante ensaios congruentes em comparação com os incongruentes, mostrando assim as vantagens associadas à localização espacial de onde se deve focar sua atenção.

Na preparação para o experimento, abra o programa de software e verifique se o paradigma de sinalização espacial está funcionando corretamente.

Após recrutar participantes, leve cada um para o laboratório e explique que a tarefa foi projetada para investigar a natureza da atenção visual. Antes de prosseguir, peça que eles preeguem um termo de consentimento informado.

Para começar, sente o participante em frente ao computador de teste, com a parte de trás da cadeira a 60 cm do monitor. Explique as instruções da tarefa e responda a quaisquer perguntas.

Quando o participante estiver pronto, permita que inicie o programa pressionando a barra de espaço. Observe-os durante alguns ensaios para garantir que eles estejam pressionando a tecla ‘L’ ou ‘T’ assim que a letra aparecer na tela.

Deixe a sala de testes enquanto completam os 400 testes. No meio do experimento, forneça uma pausa de 2 minutos, tornando o tempo total da tarefa menos de 10 minutos.

Para iniciar a análise dos dados, primeiro recupere os dados capturados que foram inicialmente programados em um arquivo de saída.

Observe que os dados dos seguintes itens devem ser preenchidos automaticamente na tabela: o número de ensaio, a posição da letra, o tipo de letra, a condição, a resposta real dada pelo participante e, principalmente, o tempo de reação — medido desde o início da carta até a tecla.

Em seguida, verifique se as respostas fornecidas são precisas adicionando uma coluna chamada ‘Precisão’ à tabela. Para preencher esta coluna, crie uma fórmula para comparar ‘Tipo de letra’ com o ‘Resposta Dada’, de tal forma que um 1 represente uma resposta correta e 0 indica uma resposta incorreta.

Agora, verifique se os valores de precisão média total para cada participante estão acima de 0,8 para garantir que os participantes entendam as instruções de tarefa.

Para visualizar os dados, gráfico os tempos médios de reação entre os participantes por tipo de ensaio. Note que eles responderam cerca de 200 ms mais rápido em congruentes em comparação com ensaios incongruentes.

Essa diferença sugere que a seta levou os participantes a atender a um determinado local espacial, permitindo que eles processassem mais rapidamente e identificassem a letra quando ela aparecesse lá.

Agora que você está familiarizado com a concepção de um experimento para examinar a sinalização espacial, vamos examinar como os pesquisadores têm usado variações do paradigma para investigar como a capacidade de atenção muda em casos de lesão cerebral, juntamente com alterações nas demandas de tarefas.

Estudos utilizando ressonância magnética funcional indicaram que regiões dentro do lobo parietal estão envolvidas na capacidade de orientar a atenção a um local espacial.

Em pacientes com danos focais causados por derrames ou tumores, Posner e colegas descobriram que os tempos de reação eram mais longos durante os ensaios congruentes e notavelmente, quando comparados aos controles neurológicos — aqueles com lesões fora da área parietal — que confirmam a significância funcional desta região.

Além disso, como você já aprendeu, a inclusão de pistas na tarefa leva a pensamentos antecipatórios de onde focar a atenção, mesmo que essas expectativas possam não ser atendidas.

Pesquisadores adaptaram o paradigma para identificar os tipos de estímulos, como flashes brilhantes inesperados, que podem automaticamente fazer com que a atenção mude. Tais modificações poderiam beneficiar indivíduos que podem ter problemas para se concentrar em demandas restritas, como aqueles com Transtorno de Déficit de Atenção e Hiperatividade.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à sinalização espacial. Agora você deve ter uma boa compreensão de como projetar e conduzir um paradigma de atenção visual secreta, bem como como analisar e interpretar demandas atencionais quando as pistas são esperadas e incompatíveis.

Obrigado por assistir!

Results

A Figura 4 mostra tempo médio de reação para um grupo de participantes, comparando ensaios congruentes e incongruentes. Os participantes foram, em média, cerca de 200 ms mais rápidos para responder em ensaios congruentes. Isso mostra as vantagens associadas ao local onde se atende e os custos para outros locais. A seta deu aos participantes 80% de informações confiáveis sobre onde a carta apareceria em cada ensaio, de modo que os participantes direcionavam a atenção visual para as posições apontadas pela seta. Quando a carta apareceu naquela posição, o que fazia na maior parte do tempo, os participantes podiam processá-la e identificá-la rapidamente. Quando a carta parecia oposta, porém, os participantes precisavam mudar sua atenção pela tela para então processar e identificar a carta apresentada, uma mudança de atenção que parecia ter levado cerca de 200 ms, em média.

Figura 4. Resultados do tempo de reação de um experimento espacial. Os participantes geralmente responderam mais rapidamente em congruentes em comparação com ensaios incongruentes. Em ensaios congruentes, a seta de sinalização apontava para o lugar onde uma carta eventualmente apareceu. Mas em julgamentos incongruentes, apontou o oposto. A diferença nos tempos de reação sugere que a seta levou os participantes a comparecerem à caixa apontada pela seta, permitindo que eles processassem mais rapidamente e identificassem a letra quando ela aparecesse lá.

Applications and Summary

Desde que foi introduzida no final da década de 1970, a tarefa de sinalização espacial tem sido amplamente utilizada pelos pesquisadores, por exemplo, a fim de identificar os tipos de estímulos que podem automaticamente fazer com que a atenção mude. Por exemplo, pesquisadores investigaram se flashes brilhantes e sons altos automaticamente fazem com que a atenção mude. Nesses experimentos, as letras que precisam ser identificadas às vezes são precedidas por luzes e sons inesperados. Os pesquisadores podem então comparar as velocidades de detecção quando um flash brilhante, por exemplo, precede uma letra na mesma posição ou em uma posição diferente. Um custo associado a um flash em uma posição oposta implica que o flash capturou automaticamente a atenção.

Na década de 1990 e depois, a tarefa tornou-se importante para uso em conjunto com a ressonância magnética funcional, a fim de identificar os centros neurológicos envolvidos no controle da atenção espacial. Ao contrastar a atividade cerebral em condições congruentes e incongruentes, os pesquisadores descobriram que as regiões do lobo parietal estão envolvidas na mudança de atenção adicional que ocorre em ensaios incongruentes em comparação com os congruentes.

References

Posner, M. I. (1980). Orienting of attention. Quarterly journal of experimental psychology, 32(1), 3-25.
Posner, M. I., Snyder, C. R., & Davidson, B. J. (1980). Attention and the detection of signals. Journal of experimental psychology: General, 109(2), 160.

Transcript

Our ability to select certain information in an environment to process, while ignoring other stimuli, is referred to as attention.

Visual attention can either be overt—where the eyes are consciously aimed towards an object, like a rising full moon—or covert, in which a person notices something that they are not looking at directly.

For example, an individual might be staring at a sign pointing towards the left side of a fork in the road. However, they will still discern a nearby owl further down that path, because that’s the direction they are cued to go. This concept is referred to as spatial cueing—where covert attention is shifted by a particular signal.

Based on previous work by psychologist Michael Posner, this video demonstrates how to execute a computerized spatial cueing task, including how to interpret data investigating a measure of covert visual attention—reaction times across congruent and incongruent trials.

In this experiment, participants must detect and report brief visual targets that showcase focus and subsequent shifts in attention.

During every trial, participants are asked to observe three frames that occur in order: In frame 1, a red fixation cross, made of ½-in. long lines, is located in the center of the display. Two green boxes, each 1 by 1 in., are centered vertically, 1.5 in. away from the edges of the display.

After 100 ms, the second frame appears for this same duration, but this time, the fixation cross is replaced with a cue—a red arrow that points towards one of the two green boxes.

In the third frame, the cue arrow is simultaneously replaced with the fixation cross. In half of the trials, the letter ‘T’ is added to one of the two boxes, whereas the other half contains the letter ‘L’; both are equally distributed. Participants are asked to identify the letter shown.

Following every response, a brief 500-ms inter-trial-interval occurs, and the sequence is repeated for a total of 400 trials.

Here, the trick is that they are either congruent, where the letter appears in the box that the arrow is pointing to 80% of the time, or incongruent, where it appears opposite of the arrow’s direction for 20% of the trials.

The dependent variable is then the time it takes a participant to make a correct response across trial types, which is achieved by simply choosing the letter shown in the box, regardless of the side.

Participants are expected, on average, to be faster at responding during congruent trials compared to incongruent ones, thus showing the advantages associated with cueing the spatial location of where one should focus their attention.

In preparation for the experiment, open the software program and verify that the spatial cueing paradigm is working correctly.

After recruiting participants, bring each one into the lab and explain that the task is designed to investigate the nature of visual attention. Before proceeding, ask them to complete an informed consent form.

To begin, seat the participant in front of the testing computer, with the back of their chair 60 cm away from the monitor. Explain the task instructions and answer any questions.

When the participant is ready, allow them to start the program by pressing the spacebar. Observe them over a few trials to ensure that they are either pressing the key ‘L’ or ‘T’ as soon as the letter appears on the screen.

Leave the testing room as they complete the 400 trials. Halfway through the experiment, provide a 2-min break, making the total task time less than 10 min.

To begin data analysis, first retrieve the captured data that were initially programmed into an output file.

Note that data for the following items should automatically be populated into the table: the trial number, the letter position, the letter type, the condition, the actual response given by the participant, and importantly, the reaction time—measured from the onset of the letter to the keypress.

Next, check whether the responses provided are accurate by adding a column called ‘Accuracy’ to the table. To populate this column, create a formula to compare ‘Letter Type’ with the ‘Response Given’, such that a 1 represents a correct response and 0 indicates an incorrect answer.

Now, verify that the total averaged accuracy values for each participant are above 0.8 to ensure that participants understood the task instructions.

To visualize the data, graph the average reaction times across participants by trial type. Note that they responded about 200 ms faster in congruent compared to incongruent trials.

This difference suggests that the arrow cued participants to attend to a particular spatial location, allowing them to more quickly process and identify the letter when it appeared there.

Now that you are familiar with designing an experiment to examine spatial cueing, let’s examine how researchers have used variations of the paradigm to investigate how attentional ability changes in cases of brain injury along with alterations in task demands.

Studies using functional magnetic resonance imaging indicated that regions within the parietal lobe are involved in the ability to orient attention to a spatial location.

In patients with focal damage due to strokes or tumors, Posner and colleagues discovered that reaction times were longer during incongruent compared to congruent trials and notably, when compared to neurological controls—those with lesions outside of the parietal area—which confirm the functional significance of this region.

Also, as you’ve learned already, the inclusion of cues in the task leads to anticipatory thoughts of where to focus attention, even though those expectations might not be met.

Researchers have adapted the paradigm to identify the kinds of stimuli, like unexpected bright flashes, that may automatically cause attention to shift. Such modifications could benefit individuals that may have trouble focusing under constrained demands, like those with Attention-Deficit-Hyperactivity Disorder.

You’ve just watched JoVE’s introduction to spatial cueing. Now you should have a good understanding of how to design and conduct a covert visual attention paradigm as well as how to analyze and interpret attentional demands when cues are both expected and mismatched.

Thanks for watching!