JoVE Science Education

Sensation and Perception

Diferenças notáveis

JoVE Science Education
Sensation and Perception

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Sensation and Perception

Just-noticeable Differences

6.3: Perspectives on Sensation and Perception

6.14: The Staircase Procedure for Finding a Perceptual Threshold

15,247 Views

•

07:30 min

•

April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratório de Jonathan Flombaum – Universidade Johns Hopkins

Psicofísica é um ramo da psicologia e neurociência que tenta explicar como as quantidades físicas são traduzidas em disparo neural e representações mentais de magnitude. Um conjunto de perguntas nesta área diz respeito a diferenças just-notáveis (JND): Quanto algo precisa mudar para que a mudança seja perceptível? Para bombear intuições sobre isso, considere o fato de que as crianças pequenas crescem a uma taxa enorme, relativamente falando, mas raramente se observa o crescimento ocorrendo diariamente. No entanto, quando a criança retorna do acampamento de dormir ou quando um avô vê a criança após uma ausência prolongada, apenas algumas semanas de crescimento é mais do que perceptível. Pode parecer enorme! As mudanças de altura só são notadas após uma ausência porque as pequenas mudanças que ocorrem no dia-a-dia são muito pequenas para serem percepcionais. Mas depois de uma ausência, muitas pequenas mudanças se somam. Então, quanto crescimento precisa ser realizado para ser perceptível? O valor mínimo é o JND.

Psicólogos e neurocientistas medem o JND em muitos domínios. Quanto mais brilhante é que uma luz precisa ser notada? Quanto mais alto um som precisa ser? Eles frequentemente obtêm as medidas empregando um paradigma de escolha forçada. Este vídeo se concentrará no tamanho, demonstrando uma abordagem padrão para medir um JND quando a área de uma forma mudar.

Procedure

1. Equipamento

Para este experimento, use um software de implementação de computador e experimento, como o E-Prime, ou um ambiente de programação como MATLAB ou PsychoPy.

2. Estímulos e Design de Experimentos

Este experimento envolverá ensaios repetidos com o mesmo design básico. Dois discos aparecerão na tela simultaneamente, um no lado esquerdo e outro à direita. Um sempre será maior do que outro, e a tarefa será usar uma tecla para selecionar a maior. Os detalhes são os seguintes:
Programe o experimento para desenhar um disco azul com um raio de 10 px. O disco aparecerá em cada ensaio do experimento, centrado no display verticalmente, e centrado horizontalmente na metade esquerda ou direita do display. Usar um estímulo que parece inalterado em cada ensaio é às vezes chamado de método de estímulo constante. Refere-se apenas ao fato de que um dos dois estímulos em cada ensaio é sempre o mesmo. O disco azul de 10 px é, portanto, o estímulo constante.
Em frente ao estímulo constante em cada ensaio, exiba outro disco azul. Este disco é chamado de estímulo de comparação. Terá um raio entre 5 e 9 e entre 11 e 15 px. São 10 possibilidades totais. No experimento, inclua 10 ensaios cada para cada um dos 20 estímulos de comparação possíveis. Então o experimento envolverá 200 testes.
Exibir os dois estímulos na tela por 200 ms, seguido por uma tela que diz apenas ‘Qual foi o L/R maior?’ A Figura 1 esquematiza a sequência de eventos em cada ensaio.
1. As respostas-chave ‘L’ indicarão que o objeto esquerdo era maior, e as respostas-chave ‘R’ designarão que a direita foi percebida como maior.
Certifique-se de que o programa produz os seguintes dados importantes em uma tabela: o número de ensaio, o tamanho do estímulo de comparação, a posição de tela do estímulo de comparação, a resposta correta e a resposta dada pelo participante. A Figura 2 mostra uma amostra de tal tabela de dados.

Figura 1. Uma representação esquemática de um único teste de escolha forçada em um experimento para medir a diferença just-perceptível (JND) para o tamanho do círculo. Primeiro, uma tela pronta solicita aos participantes que um teste começará. Em seguida, dois discos azuis aparecem no display, lado a lado. Eles permanecem presentes por apenas 200 ms, momento em que o display solicita ao participante uma resposta. A tecla ‘L’ é usada para indicar o objeto à esquerda e a tecla ‘R’ para indicar o objeto à direita.

Figura 2. Uma tabela de saída de amostra de um experimento JND de escolha forçada. As colunas relatam os dados relevantes do programa experimental.

3. Executando o experimento

Recrute uma participante, e quando ela chegar ao laboratório diga a ela que fará um simples experimento sobre a percepção da forma. Então tenha seu consentimento completo informado.
Sente o participante em frente ao computador de teste e explique a tarefa da seguinte forma:
1. Cada teste deste experimento envolverá a mesma sequência básica de eventos. Primeiro, você verá a palavra “Pronto?” na tela. Pressione a barra espacial quando estiver pronto para começar o julgamento. Nesse ponto, dois discos azuis aparecerão em ambos os lados da tela muito brevemente. Quando eles desaparecem, o visor lerá ‘Qual era maior, L/R?’ Seu trabalho é informar qual dos dois discos parecia maior para você, o da direita ou o do lado esquerdo da tela. Há 200 testes no experimento, mas eles são curtos. Todo o experimento deve levar menos de cinco minutos. Você tem alguma pergunta?
Depois de responder a qualquer pergunta, inicie o programa experimental e deixe o participante começar. Deixe-a na sala de testes tranquila até que o experimento esteja completo.

4. Análise dos resultados

Para analisar os resultados, a primeira coisa a fazer é determinar quais respostas estavam corretas e quais estavam incorretas. Adicione uma coluna à tabela de saída de dados para esses fins. Compare a resposta dada e a resposta correta, marcando a coluna final com um 1 quando a resposta dada estava correta e 0 quando não estava.
1. Procure rapidamente ter certeza de que o desempenho foi sensato – que o participante estava em ou quase perfeita precisão quando a comparação era de 5 e 15 px, diferenças grandes o suficiente em comparação com 10 que nenhum erro deveria ter sido feito.
Agora adicione outra coluna à tabela de dados, chamada “Proporção de Respostas C”. Na coluna, observe se a comparação ou a constante foi escolhida pelo participante. Se o objeto de comparação for escolhido, marque um 1 na coluna. Se a constante foi escolhida, marque um 0.
Agora, para cada tamanho de comparação, calcule a fração do tempo em que a comparação foi selecionada como maior pelo participante. Para estímulos de comparação de 5, o número deve ser próximo de 0, e para estímulos de comparação de 15 deve ser próximo de 1.
Para visualizar os resultados, gráfico-os da seguinte forma: Faça gráfico de dispersão, com o tamanho da comparação no eixo x e a proporção de vezes que foi escolhido no eixo y. Vai parecer algo parecido com o da Figura 3.

Figura 3. Resultados de um experimento de escolha forçada para encontrar o JND para raio de círculo. Plotado é a proporção de tempo que o estímulo de comparação foi selecionado como maior (pelo participante) em função do tamanho do estímulo de comparação. O estímulo constante sempre teve um raio de 10 px.

Exatamente quanto algo precisa mudar para que a diferença seja percebida?

Pense, por exemplo, em crianças pequenas que crescem rapidamente — ficando mais altas diariamente. No entanto, muitas vezes é difícil notar mudanças sutis, especialmente se eles ainda lutam para chegar a uma bola de basquete.

Em um período muito mais longo, seu surto de crescimento torna-se mais do que perceptível; na verdade, a quantidade pode parecer enorme! Essas mudanças de altura só são notadas após um lapso porque as pequenas diferenças do dia-a-dia são muito pequenas para serem percepcionais.

A quantidade mínima, mas percebida, é a diferença just-perceptível, que, por exemplo, é a menor quantidade de crescimento notada.

Este vídeo demonstra uma abordagem padrão para medir uma diferença perceptível no tamanho da forma. Não só discutimos as etapas necessárias para projetar e executar um experimento, mas também explicamos como analisar os dados e interpretar os resultados descrevendo o quão pequena de uma mudança na área é necessária para ser percebida.

Neste experimento, os participantes são brevemente mostrados dois círculos diferentes que variam de tamanho e são forçados a escolher qual é maior.

Durante cada ensaio, um é sempre apresentado com a mesma circunferência, enquanto o outro é variado. Essa abordagem é referida como o método de estímulo constante.

Neste caso, o estímulo constante é projetado para ter um raio de 10 px e localizado aleatoriamente no lado esquerdo ou direito da tela. Em contraste, o outro círculo, chamado de estímulo de comparação, terá um raio que varia entre 5 e 9 e entre 11 e 15 px.

Dadas essas 10 possibilidades, o estímulo de comparação é mostrado 10 vezes de cada lado, para um total de 200 ensaios. A variável dependente é registrada como qual estímulo foi escolhido para ser o maior.

Espera-se que os participantes escolham corretamente se perceberam uma diferença de tamanho entre os dois estímulos. No entanto, quando as formas estão mais próximas na circunferência e abaixo da diferença just-perceptível, prevê-se que o desempenho diminua.

Para começar o experimento, cumprimente o participante do laboratório. Com eles sentados confortavelmente na frente do computador, explique as instruções de tarefa: A tela terá a palavra “Pronto?” até que pressionem a barra de espaço.

Observe como dois estímulos azuis aparecem e instrua o participante a indicar qual estímulo eles achavam que era maior pressionando a tecla ‘L’ para as respostas do lado esquerdo e ‘R’ para respostas do lado direito. Lembre-os de que eles devem adivinhar se eles não têm certeza de qual é maior.

Depois de responder a qualquer pergunta que o participante possa ter, saia da sala. Permita-lhes completar todos os 200 ensaios durante um período de 5 minutos. Quando eles terminarem, voltem para a sala e agradeçam-lhes por participarem do experimento.

Para analisar os dados, primeiro recupere o arquivo de saída programado que capturou as respostas de cada participante. Olhe rapidamente para os dados para ter certeza de que os desempenhos eram sensatos — ou seja, que quando os tamanhos dos estímulos de comparação eram de 5 e 15 px, a precisão era quase perfeita.

Em seguida, adicione uma coluna à tabela de saída chamada ‘Precisão’ para determinar se as respostas gravadas estão corretas ou não. Compare as respostas corretas para todos os ensaios. Use a seguinte instrução IF para registrar um 1 quando a resposta dada estiver correta e 0 quando estiver incorreta.

Agora, adicione outra coluna à tabela, rotulada como “Proporção de Respostas de Comparação”. Compare a coluna ‘Posição de comparação’ com ‘Resposta’ e use uma nova instrução IF para marcar um ‘1’ quando o estímulo de comparação foi escolhido ou um ‘0’ se o círculo constante for escolhido.

Para visualizar os resultados, faça um gráfico de dispersão com o tamanho da comparação no eixo x e a proporção de vezes que foi escolhido como sendo maior no eixo y. Lembre-se que o estímulo constante sempre teve um raio de 10 px, razão pela qual os estímulos com raios de 5 ou 6 pxs quase nunca foram escolhidos e aqueles com 14 ou 15 sempre foram escolhidos.

Com um raio de 9 ou 11 px, a comparação foi mais difícil e os participantes muitas vezes cometeram erros. Na verdade, o desempenho estava no nível do acaso, sugerindo que as diferenças não estavam sendo percebidas.

Para calcular a diferença just-perceptível, pegue o tamanho de comparação escolhido em 75% do tempo, neste caso um raio de 12, menos o tamanho de comparação que foi escolhido 25% do tempo — raio de 8 — e divida o resultado por 2 para uma resposta de 2 px.

Em outras palavras, os raios dos círculos precisam diferir em pelo menos 2 px para que seus tamanhos sejam percebidos com precisão.

Agora que você está familiarizado com diferenças notáveis na percepção do tamanho dos objetos visuais, vamos ver como esse paradigma é usado em estudos neurofisiológicos para explorar como o cérebro responde e em outras situações comportamentais, como distinguir entre níveis de gordura nos alimentos.

Pesquisadores investigaram como neurônios individuais no córtex visual codificam as propriedades físicas do mundo, como o tamanho dos objetos.

Usando técnicas de gravação eletrofisiológica que medem padrões de disparo em conjunto com a apresentação de estímulos, os pesquisadores descobriram que neurônios sensíveis ao tamanho às vezes respondem da mesma forma a objetos que são realmente de tamanhos diferentes.

É por isso que o JND é simplesmente quase imperceptível: às vezes, no cérebro, os estímulos relevantes realmente produzem efeitos indistinguíveis.

Além disso, os pesquisadores têm usado uma tarefa de diferenças notáveis para caracterizar limiares individuais para detectar concentrações de gordura nos alimentos.

Eles descobriram que indivíduos com maior índice de massa corporal exigiam uma diferença mais perceptível, ou limiar mais alto, antes de provar ácidos graxos nas amostras. Esses resultados podem levar a novas abordagens para limitar o consumo excessivo de gordura.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE a diferenças notáveis. Agora você deve ter uma boa compreensão de como projetar e executar o experimento, bem como como analisar e avaliar os resultados.

Obrigado por assistir!

Results

O gráfico na Figura 3 mostra a proporção de tempo em que o estímulo de comparação foi escolhido em função do tamanho de seu raio. Lembre-se que o estímulo constante sempre tem um raio de 10 px neste experimento. É por isso que com um raio de 5 ou 6 px a comparação quase nunca é escolhida, e quase sempre é escolhida com um raio se 14 ou 15 px. No entanto, com um raio de 9 ou 11 px, a comparação é difícil. Os participantes muitas vezes cometem erros. O JND é definido da seguinte forma: O tamanho de comparação quando é escolhido cerca de 75% do tempo menos o seu tamanho quando é escolhido 25% do tempo, todos divididos por 2. Aqui, esses números são 12 e 8, respectivamente. Assim, o JND para raio de círculo é de 2 px.

Existem razões matemáticas detalhadas para que este seja o cálculo exato de um JND, tendo a ver com estatísticas e a natureza das distribuições normais (curvas de sino). Mas olhar para o gráfico deve tornar a computação mais intuitiva. Quando o raio era apenas 1 px menor ou maior que 10, a participante cometeu muitos erros, realizando muito perto de 0,5, que é o que ela produziria se estivesse apenas adivinhando. Mas o desempenho rapidamente se tornou muito mais preciso com uma diferença de pixels de 2, e foi quase perfeito com uma diferença de pixels de 3 ou maior. A Figura 4 é uma versão anotada da Figura 3, destinada a ilustrar o cálculo de um JND.

Figura 4. Uma versão anotada da Figura 3.

Applications and Summary

Uma das principais aplicações da abordagem constante de estímulo à medição de um JND veio na neurociência, especificamente em estudos de neurofisiologia elaborados para investigar como o disparo de neurônios individuais codifica propriedades físicas sobre o mundo. Esses estudos geralmente envolvem um macaco com eletrodos implantados em seu córtex visual. Os eletrodos penetram células individuais que respondem à estimulação visual disparando ou espetando, ou seja, conduzindo um sinal elétrico rápido. Em estudos sobre o uso de métodos JND, os pesquisadores descobriram que os neurônios individuais são barulhentos – eles respondem ao tamanho ou brilho ou cor de um estímulo mais ou menos da mesma maneira todas as vezes, mas com alguma variabilidade. O resultado é que dois estímulos muito semelhantes provocarão a mesma resposta em partes do tempo. Um círculo com um raio de 10 px às vezes terá a mesma resposta neuronal que um círculo com um raio de 9 px ou um círculo com um raio de 11 px. É por isso que o JND é simplesmente quase imperceptível: às vezes, no cérebro, os estímulos relevantes realmente produzem efeitos indistinguíveis.

Transcript

Exactly how much does something need to change for a difference to be perceived?

Think of, for instance, young children who grow rapidly—getting taller on a daily basis. However, it’s often difficult to notice subtle changes, especially if they still struggle to reach a basketball.

Over a much longer span, their growth spurt becomes more than perceptible; in fact, the amount can seem enormous! These changes in height are only noticed after a lapse because the small day-to-day differences are too small to be perceivable.

The minimal yet perceived amount is the just-noticeable-difference, which, for this example, is the smallest amount of growth noticed.

This video demonstrates a standard approach for measuring a just-noticeable-difference in shape size. Not only do we discuss the steps required to design and execute an experiment, but we also explain how to analyze the data and interpret the results describing just how small of a change in area is necessary to be perceived.

In this experiment, participants are briefly shown two different circles that vary in size and are forced to choose which one is larger.

During each trial, one is always presented with the same circumference, whereas the other is varied. This approach is referred to as the method of constant stimulus.

In this case, the constant stimulus is designed to have a radius of 10 px and located randomly on either the left or right side of the screen. In contrast, the other circle, called the comparison stimulus, will have a radius that varies between 5 and 9 and between 11 and 15 px.

Given these 10 possibilities, the comparison stimulus is shown 10 times on each side, for a total of 200 trials. The dependent variable is recorded as which stimulus was chosen to be the larger one.

Participants are expected to choose correctly if they perceived a difference in size between the two stimuli. However, when the shapes are closer in circumference and below the just-noticeable difference, performance is predicted to decline.

To begin the experiment, greet the participant in the lab. With them sitting comfortably in front of the computer, explain the task instructions: The screen will have the word “Ready?” on it until they press the space bar.

Watch as two blue stimuli appear and instruct the participant to indicate which stimulus they thought was larger by pressing the ‘L’ key for left- and ‘R’ for right-side responses. Remind them that they should guess if they are not sure which one is larger.

After answering any questions the participant might have, leave the room. Allow them to complete all of the 200 trials over a 5-min period. When they finish, return to the room and thank them for taking part in the experiment.

To analyze the data, first retrieve the programmed output file that captured each participant’s responses. Quickly glance at the data to make sure that performances were sensible—namely, that when the sizes of the comparison stimuli were 5 and 15 px, accuracy was near perfect.

Next, add a column to the output table called ‘Accuracy’ to determine whether the recorded answers are correct or not. Compare those given to the correct responses for all trials. Use the following IF statement to register a 1 when the response given was correct and 0 when it was incorrect.

Now, add another column to the table, labeled ‘Proportion of Comparison Responses’. Compare the column ‘Comparison Position’ with ‘Response’ and use a new IF statement to mark a ‘1’ when the comparison stimulus was chosen or a ‘0’ if the constant circle was chosen.

To visualize the results, make a scatter plot with the size of the comparison on the x-axis and the proportion of times it was chosen as being larger on the y-axis. Recall that the constant stimulus always had a 10-px radius, which is why stimuli with 5 or 6 px radii were almost never chosen and those with 14 or 15 were always chosen.

With a radius of 9 or 11 px, the comparison was more difficult and participants often made mistakes. In fact, performance was at chance level, suggesting that differences were not being perceived.

To calculate the just-noticeable-difference, take the comparison size that was chosen 75% of the time, in this case a radius of 12, minus the comparison size that was chosen 25% of the time—radius of 8—and divide the result by 2 for an answer of 2 px.

In other words, the radii of the circles need to differ by at least 2 px for their sizes to be accurately perceived.

Now that you are familiar with just-noticeable differences in the perception of visual objects’ sizes, let’s look at how this paradigm is used in neurophysiological studies to explore how the brain responds and in other behavioral situations, such as distinguishing between fat levels in food.

Researchers have investigated how individual neurons in the visual cortex encode the physical properties of the world, like objects’ sizes.

Using electrophysiological recording techniques that measure firing patterns in conjunction with stimuli presentation, researchers found that neurons that are sensitive to size will sometimes respond in the same way to objects that are actually different sizes.

This is why JND are just-barely-noticeable: sometimes, in the brain, the relevant stimuli really do produce indistinguishable effects.

In addition, researchers have used a just-noticeable-differences task to characterize individual thresholds for detecting fat concentrations in food.

They found that individuals with a higher body mass index required a higher just-noticeable difference, or higher threshold, before tasting fatty acids in the samples. These results could lead to new approaches to limit excess fat consumption.

You’ve just watched JoVE’s introduction to just-noticeable differences. Now you should have a good understanding of how to design and run the experiment, as well as how to analyze and assess the results.

Thanks for watching!

Tags

Just-noticeable Differences Perceived Difference Growth Spurt Perceptible Change Subtle Changes Small Day-to-day Differences Smallest Amount Of Growth Noticed Measuring Just-noticeable-difference Experiment Design Data Analysis Interpreting Results Change In Area Necessary To Be Perceived Method Of Constant Stimulus