VisualEyes: En modulær softwaresystem til øjenmotorik Eksperimenter

Summary

Neural kontrol og kognitive processer kan studeres gennem øjenbevægelser. Den VisualEyes software giver en operatør at programmere stimuli på to computerskærme uafhængigt hjælp af en simpel, brugerdefinerede scriptsprog. Systemet kan stimulere tandem øjenbevægelser (saccades og glat forfølgelse) eller modsatrettede øjenbevægelser (konvergensregioner) eller en hvilken som helst kombination.

Abstract

Øjenbevægelser undersøgelser har givet et stærkt fundament danner en forståelse af, hvordan hjernen erhverver visuel information i både den normale og dysfunktionelle hjerne. ¹ imidlertid udvikling af en platform til at stimulere og opbevare øjenbevægelser kan kræve betydelige programmering, tid og omkostninger. Mange systemer tilbyder ikke fleksibilitet til at programmere mange stimuli for en række eksperimentelle behov. Men VisualEyes System har en fleksibel arkitektur, gør det muligt for føreren at vælge en baggrund og forgrund stimulus program en eller to skærme til tandem eller modsatrettede øjenbevægelser og stimulere til venstre og højre øje selvstændigt. Dette system kan reducere programmeringen af ​​udviklingen nødvendige tid til at foretage en oculomotoriske undersøgelse. Den VisualEyes systemet vil blive drøftet i tre dele: 1) oculomotor optageenhed at erhverve øjenbevægelser reaktioner, 2) VisualEyes software skrevet i LabView, at generere en række stimuliog gemme svar som tekstfiler og 3) offline dataanalyse. Bevægelser øjet kan registreres af flere typer af instrumentering som: en limbus tracking system, en sclera søgespole eller et videobillede system. Typiske øjenbevægelser stimuli såsom saccadiske trin, vergent ramper og vergent skridt med de tilsvarende svar vil blive vist. I denne video rapport viser vi fleksibiliteten i et system til at skabe mange visuelle stimuli og optage øjenbevægelser, der kan udnyttes af grundforskning og klinisk forskning for at studere sunde såvel som kliniske populationer.

Protocol

En oversigt over de centrale elementer, der er nødvendige for at gennemføre en oculomotoriske eksperiment er vist i figur 1. Hver blok i flowdiagrammet vil blive diskuteret i detaljer nedenfor.

1. INSTRUMENTERING SET-UP:

1. Enhver type øjenbevægelser monitor kan anvendes til dette system. Vi vil demonstrere en infrarød limbus sporing og et videoovervågningssystem.
2. For tandem sporing bevægelser såsom saccadiske eller glat udøvelse, kan en enkelt computer anvendes til visuel visning. At studere modsatrettede øjenbevægelser såsom konvergens eller interaktionen af ​​konvergens med tandem udgave bevægelser (dvs. vergent med saccadiske stimuli) et haploscope er brug med to computerskærme til visuelle display, se figur 2.

2. KALIBRERING:

1. Kalibrering er nødvendig for at konvertere et sæt målinger til en anden. Øjenbevægelser typisk angivet i grader (°) af rotation vist i figur 3. Men computer monitors bruger pixelværdier i forhold til vision forskere, som ofte betegner de visuelle stimuli i grader. Derfor er en konvertering nødvendig for at omdanne pixelværdier til grader. Man kan bruge trigonometri til at beregne, hvor at placere de fysiske mål for at kalibrere de visuelle. For eksempel, hvis stimulus på computerskærmen flugter med en 2 ° fysisk mål (se figur 2), så at pixel svarer til en 2 ° stimulus.
2. For at kalibrere systemet, operatøren har brug for at åbne Pixel2Deg.vei i VisualEyes bibliotek. Først definerer skærmen til kalibrere ved hjælp af strækning tilstand område. Indtast nummer 1 for det venstre øje skærm og nummer 2 til højre øje skærmen. Derefter køre programmet og flytte den grønne linje stimulus, indtil den grønne linje er overlejret oven på den fysiske mål. Indtast den kendte position af den fysiske mål i grader, og tryk på knappen Gem. Klik derefter på den grønne linje. Værdien grad og pixel vises på displayet i than nederste venstre hjørne. Operatøren skal indsamle mindst tre kalibreringspunkter.
3. Efter at have gemt alle kalibreringspunkter Åbn D2P uddatafilen i VisualEyes bibliotek for at få punkterne. Kalibreringskurven punkter at opnå en lineær regressionsligning. Brug ligningen til at beregne den indledende og afsluttende placering af den visuelle stimulus operatøren ønsker at programmere i pixelværdier. Et eksempel på det venstre øje og højre øje kalibreringskurve opnået under anvendelse af fem kalibreringspunkter for en konvergens stimulus er vist i figur 4.
4. Gentag trin 2.2 og 2.3 for den anden skærm, hvis stimulus kræver en ekstra skærm.

3. VISUALEYES SOFTWARE:

1. Definer en stimulus: Operatøren må definere den indledende og afsluttende stilling venstre og højre øje stimulus før forsøget. Åbn først en ny tekstfil og på første række, definere den indledende tid og position værdier of stimulus. Fire parametre skal defineres 1) (sekunder), 2) den vandrette position (pixel), 3) den lodrette position (pixel), og 4) rotation (°) adskilt af en fane. Ligeledes definerer de fire parametre for den endelige tid og position af stimulus. Gem stimulus i VisualEyes bibliotek som en stimulus_name.vei (VEI = VisualEyes Input fil) og gentage dette trin for det andet øje stimulus.
   1. Bevægelsen af ​​stimulus kan generaliseres i to typer af bevægelse: en brat trin eller en kontinuerlig rampe. Et skridt tillader stimulus til pludseligt flytte eller springe fra den indledende position til den endelige position. Operatøren bør bemærke, at ændringen i tid er 0.001 sekunder for en trin stimulus. I den næste række, definere, hvor længe du vil have incitament til at opholde sig i den indledende position samt den endelige position. Stimuli er defineret ved hjælp af fire felter inden for en række. Et eksempel på en saccadiske trin, glat udøvelse rampe, vergent trin og vergent rampe er vist iTabel 1.
   2. For stimuli, kan du have en enkelt stimulus som et trin eller en sekvens af visuelle opgaver såsom en flere trin.
2. Spar Stimulus til Stimuli Library: Der er flere standardindstillinger i dc1.txt (venstre øje stimulus / monitor) og dc2.txt (højre øje stimulus / monitor) filer i VisualEyes bibliotek. Den første linje er den procentdel af skærmen i vandret retning. Den anden linje er den procentdel af skærmen i lodret retning. Den tredje er baggrundsbilledet og den fjerde er forgrunden eller målbilledet. Den femte linje indikerer, at computeren til at arbejde i uafhængig tilstand. Det ^6. betegner som monitor (1 er højre øje og 2 venstre øje). Den ^7. linje er billedformatet af skærmene. Resten af ​​linier er en anden type af stimuli kan operatøren anvende inden for en eksperimentel session.
   1. Åbn dc1.txt og dc2.txt fra VisualEyes direkTory. Disse to filer indeholder biblioteket stimuli for venstre øje og højre øje hhv. På den sidste række, skriver filnavnet på den påvirkning, der er blevet genereret fra trin 3.1. Profilen nummer refererer til m ^th rækken svarende til stimulus filnavn. For eksempel i figur 1 profilen antallet af stimulus er 8.
3. Man kan gentage trin 3,1-3,2 at skabe så mange stimuli, der er nødvendige for et eksperiment.
4. Skriv Script for forsøgsprotokollen: Åbn en tekstfil at skrive forsøgsprotokollen kommandoer. Denne fil kaldes scriptfilen og betyder, at VisualEyes System vil læse og udføre hver kommando fra scriptet findes i denne fil. Evnen til at skabe et script-fil til en forsøgsprotokol tillader brugeren at foretager med jævne eksperimentelle sessioner anvender samme protokol. Desuden kan mange scripts skrives at variere typen og rækkefølgen af ​​eksperimentelle kommandoer. Denne filkan gemmes i VisualEyes bibliotek som en script_name.ves fil. (VES = VisualEyes Script)
   1. De VisualEyes funktioner har input og output argumenter. Tabel 2 viser alle funktioner i VisualEyes softwaren.
      1. ExpTrial: Denne funktion bruges til at ringe til stimulus, der er gemt i den stimulus biblioteket fra trin 3.2. Længden af ​​data er den tid, det vil give den funktion at udføre stimulus. Den tempfile.lwf tillader VisualEyes softwaren til midlertidigt at lagre de indkommende data og output det i en udgangsbuffer. Når tempfile.lwf er ikke defineret, under udførelsen af ​​denne funktion, vil det ikke gemmer nogen indkommende data for digitalisering.
      2. LogFile: Denne funktion udsender strenge eller input buffer er defineret fra ExpTrial til out.txt fil i VisualEyes bibliotek. Når eksperimentet er færdig, skal operatøren ændre navnet på den out.txt fil til et andet navn. Ellers vil data blive overskrevet ved næste experiment.
      3. TriggerWait: Denne funktion venter motivet til at skubbe en udløser-knappen for at starte ExpTrial og digitalisere dataene. Dette er en kanal i den digitale erhvervelse kortet, der venter på signalet for at skifte fra et digitalt højt (5 V) til lav (0 V).
      4. RandomDelay: Denne funktion genererer en tilfældig forsinkelse for at forhindre forudsigelse eller forventning om den næste stimulus.
      5. WaveMSD: Denne funktion beregner middelværdi og standardafvigelse af dataene.

4. Placer Eye Movement Monitor & RUN eksperiment:

1. Forskellige øjenbevægelser skærme såsom hornhindens refleksioner video imaging system, limbus tracking system eller sclera søgning spole kan anvendes til at indsamle og registrere øjenbevægelser.
2. Før et emne kan deltage, skal forsøget forklares og motivet skal læse og underskrive en informeret samtykkeerklæring godkendt af Institutional Review Board.
3. Operatøren must justere øjenbevægelser skærmen på emnet. Først bliver emnet bedt om at fiksere på et mål. Operatøren justerer øjenbevægelser monitor til at fange de anatomiske egenskaber af øjet, såsom limbus (grænsen mellem iris og sclera) eller elev og corneal refleksion afhængigt af øjenbevægelser monitor anvendes.
4. Når øjenbevægelser skærmen er justeret korrekt om emnet, skal operatøren validere at øjenbevægelser monitoren opfange de øjenbevægelser ved at bede emnet at gøre vergent eller saccadiske bevægelser.
5. Åbn programmet ReadScript.vei i VisualEyes bibliotek. På det øverste højre hjørne, indtast filnavnet på forsøgsprotokollen script fil oprettet i trin 3.4. Kør derefter ReadScript.vei programmet ved at trykke på den røde pil på øverste venstre hjørne.
6. Giv emnet triggerknappen og forklare, at når emnet skubber knappen, vil dataindsamlingen begynde. En anden Acquire.vei fil vil Automatisk ly vises på skærmen, som vil plotte de indgående data. Udtages data på 500Hz.
7. Når eksperimentet er færdig, vil den ReadScript.vei automatisk stoppe. På dette tidspunkt gå ind i VisualEyes bibliotek og finde Out1.txt fil. Omdøb filen ellers næste gang operatøren kører eksperiment, vil datafilen blive overskrevet.

5. OFF-LINE DATA ANALYSE:

1. Operatøren kan analysere data ved hjælp af forskellige software-pakker (dvs. MatLab eller Excel). Latency, peak hastighed eller amplitude kan være af interesse afhængigt af undersøgelsen.
   1. Et eksempel på en Matlab analyse kode findes i VisualEyes biblioteket til at plotte saccades, konvergensregioner trin og konvergensregioner ramper. Eksempler på de ensemble saccade, konvergens trin og konvergens rampe holdning spor med de tilsvarende velocity svar er vist i figur 5.

6. Repræsentative resultater:

t "> Eksempler på ensemble af øjenbevægelser optaget med VisualEyes System er vist i figur 5. Normale 10 ° saccadiske bevægelser er vist i plot 4A. Antisaccades er saccadiske reaktioner, når motivet er fortalt at gøre en saccade i den modsatte retning af . den visuelle stimulus og er vist i plot 4B Dette er en mere kognitivt krævende opgave, og derfor kan man iagttage, at latenstiden eller tid til at begynde bevægelsen er længere for antisaccades (plot 4b) sammenlignet med saccades mod en visuel stimulus også kaldet prosaccades (plot 4A). konvergens responser til 4 ° trin er vist i afbildning 4c og konvergensregioner svar til 5 ° / s ramper stimuli er vist i afbildning 4D. Hvert spor er en individuel øjenbevægelser, hvor den øverste række er position betegnes i grader som funktion af tiden. Eye bevægelser er kalibreret i andele i grader, meter vinkler eller prisme dioptrier. Vores forskning anvender grad af rotation. Den nederste række er hastigheden afbildet i ° / s som funktion af tiden end er hastigheden af ​​bevægelsen. Skalaen for hvert ensemble data varierer afhængigt af bevægelsen.

Figur 1. Flowdiagram af vigtige elementer til at foretage en oculomotoriske eksperiment. Eksempler på nødvendige skridt til at generere en stimulus ved hjælp af VisualEyes softwaren og udføre et eksperiment for dataanalyse offline vises. Del A viser Pixel2Deg.vei vinduet. Del B viser de fire parametre nødvendige for at definere en stimulus. Del C er den stimuli bibliotek, hvor de sorte tekstlinjer i stimulus-biblioteket er eksempel stimuli filer og rød tekst definerer hver linje. Del D er et eksempel på en eksperimentel script protokol.

Figur 2. VisualEyes System Haploscope forsøgsopstilling. Tre CRT-skærme anvendes: 1) Et kontrolpanel er nødvendig for at se stimuli enU-svar 2) en CRT-skærm til højre øje (RE) visuelle stimuli og 3) en CRT-skærm venstre øje (LE) visuelle stimuli. En halv-transparente spejl er placeret 30 cm væk fra de to visuelle stimuli CRT-skærme. Dette er for at sikre, at de stimuli på CRT-skærme er projiceret op på halve forsølvet spejl (50% transmission og 50% reflektans spejl). Spejlet giver emnet for at se stimuli fra computerskærme overlejret på mål placeret på målte afstande fra emnet, som er nødvendig for kalibrering. Med en haploscope er indkvartering efterspørgslen til begge øjne holdes konstant. Afstanden mellem motivets øjne og spejlet er 10 cm. Systemet kan justeres til at rumme forskellige inter-pupillary afstande (IPD), men for denne demonstration antager vi IPD at være 6 cm.

Figur 3. Beregninger af saccadiske (til venstre) og Vergent (højre) movement fra mål A til B er vist. IPD er den inter-pupil afstand.

Figur 4. kalibreringskurve venstre øje (øverste afbildning) og højre øje (nederste plot) stimulus. En lignende procedure vil blive udført for saccadiske eller Smooth Pursuit stimuli.

Figur 5. Eksempler på saccades (A) antisaccades (B), konvergensregioner trin (C) og konvergensregioner ramper (d) at anvende VisualEyes systemet og analyseret ved hjælp af en brugerdefineret MATLAB program. Ensemble position spor (° som en funktion af tid i sek) er afbildet i den øverste række, hvor hver farvet linje repræsenterer en anden øjenbevægelser. De tilsvarende hastighed spor (° / s som funktion af tid i sek).

0,5

Stimulus Type	Stimulus_Name_Left Eye.vei				Stimulus_Name_Right_Eye.vei
	Tid (s)	X-position (pixel)	y-position (pixel)	Rotation (°)	Tid (s)	X-position (pixel)	y-position (pixel)	Rotation (°)
Smooth Pursuit Ramp	0	100	0	0	0	100	0	0
	10	200	0	0	10	200	0	0
Saccade Step	0	100	0	0	0	100	0	0
	100	0	0	0,5	100	0	0
	0,501	200	0	0	0,501	200	0	0
	3	200	0	0	3	200	0	0
Konvergens Ramp	0	452	0	0	0	973	0	0
	10	370	0	0	10	1044	0	0
Konvergens Step	0	452	0	0	0	973	0
	0,5	452	0	0	0,5	973	0	0
	0,501	416	0	0	0,501	1002	0	0
	3	416	0	0	3	1002	0	0

Tabel 1. Et eksempel på Smooth Pursuit Ramp, saccadiske Step, konvergens Ramp og konvergens Step Stimuli

Funktion	Syntaks
ExpTrial	Output Buffer # = ExpTrial ("længde Data: LE Profil: RE profil"); Eksempel: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3");
	Output Buffer # = Exo Trial ("længde af data: LE Profil: RE Profil:. tempfile LWF"); Eksempel: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3: templfile.lwf");
LogFile	Output Buffer # = LogFile ("tekst"); Eksempel: 0 = LogFile ("Eksperiment 1");
	0 = LogFile (Input Buffer #); Eksempel: 0 = LogFile (2);
TriggerWait	0 = TriggerWait (Buffer Number); Eksempel: 0 = TriggerWait (0);
RandomDelay	0 = RandomDelay ("T2: t1"); Eksempel: 0 = RandomDelay ("2000: 500");
WaveMSD	Output buffer # = WaveMSD (Input Buffer #);

Tabel 2. Funktioner bruges til at skrive forsøgsprotokollen i VisualEyes Program

Discussion

Kritiske trin:

Øjenbevægelser skærme skal justeres korrekt om emnet. For eksempel øjenbevægelser optagelse skærme arbejder inden for et interval, og skal tilpasses til emnet. Hvis motivets øjenbevægelser går ud over området, så systemet bliver mættet. Ved mætning, det øjenbevægelser signalet er ikke gyldig. Kalibrering er også kritisk i øjenbevægelser optagelse. Alle øjenbevægelser skærme måle et analogt signal, som digitaliseres og skal omdannes til enheder, der almindeligvis anvendes i øjenbevægelser forskning såsom graden af ​​rotation. Systemets linearitet vurderes gennem tre eller flere kalibreringspunkter er også vigtigt at bestemme, om transformation af signalet i grader kan gøres ved hjælp af en simpel lineær transformation eller behov for en mere kompleks transformation. Det er også vigtigt at bemærke, at der er behov for korrekt placering af computerskærme og de fysiske mål at tilpasse de visuelle stimuli på computerenskærmen, når anvendt i en haploscope indstilling.

Endvidere instrukser til emner er også bydende nødvendigt. For eksempel, for video- eller limbus sporingssystemer et blink vil resultere i tab af signal; dog den erhvervsdrivende kan ikke bede et emne til ikke blinke for en lang varighed. Instruktioner til emnet kan lette, når operatørerne ønsker motivet til at se på et nyt mål for at undgå blinker under dataindsamling. Et andet eksempel på, hvor vigtigt instruktioner er repræsenteret i en prosaccade versus en antisaccade eksperiment. For prosaccades motivet kigger på målet i forhold til en antisaccade eksperiment, hvor motivet ser ud i den modsatte retning af stimulus-målet.

Eventuelle ændringer:

Styrken af ​​VisualEyess systemet er dets fleksibilitet. Flere undersøgelser har offentliggjort deres brugerdefineret software til at stimulere saccade stimuli. ^2,3,4,5 Men der er mange andre types af oculomotoriske undersøgelser, at man måske ønsker at undersøge, såsom glatte pursuit eller konvergensregioner bevægelser. Den VisualEyes System gør det muligt at programmere hver skærm uafhængigt, så operatøren kan programmere saccadiske, glat forfølgelse eller vergent stimuli eller en kombination af de tre (saccadiske med vergent stimuli for eksempel). Baggrunden er et statisk billede, der på nuværende tidspunkt ikke bevæger sig, men den næste generation af VisualEyes software giver baggrundsbilledet til at flytte. Forgrundsbilledet kan flyttes vandret, lodret eller rotere. Standard billede er en linje, men kan ændres til en fordeling af Gauss-funktion (DOG) stimulus anvendes til yderligere at reducere en lempelig stimulus eller en anden billede. Desuden evnen til at programmere computerskærme uafhængigt giver mulighed for mere fleksibilitet. For eksempel er phoria rutinemæssigt målt som en klinisk parameter, men man kan ønsker at optage det med et øje bevægelse skærm. Phoria er hvilestilling af okkluderede øje while det andet øje har en stimulus. Vi har valideret denne metode til måling phoria anvender VisualEyes System. ^6,7,8

Applikationer og betydning:

Øjenbevægelser forskning kan give væsentlige oplysninger til grundlæggende forskere og klinikere. Det kan også være et redskab til at overvåge neurologiske lidelser fra traumatisk hjerneskade ⁹ til muskelsvind ¹⁰ til Alzheimers sygdom ¹¹ til skizofreni. ¹² Det kan give indsigt for motorisk læring, ¹³ opmærksomhed mekanismer, ¹⁴ eller hukommelse ¹⁵ for at nævne nogle få programmer. Desuden det nyder godt af et stærkt neurofysiologi fundament fra encellede optagelser i nonhuman primates1 og kan kobles med funktionel MRI til samtidig studere hjernens funktion at forstå visuelle netværk, tilslutningsmuligheder og interaktioner. ¹⁶