VisualEyes: Модульное ПО Система глазодвигательных экспериментированию

Summary

Neural управления и когнитивные процессы могут быть изучены с помощью движений глаз. Программное обеспечение VisualEyes позволяет оператору программировать стимулов на двух экранах компьютеров независимо с помощью простой, пользовательский язык сценариев. Система может стимулировать движения тандем глаза (саккады и гладкой преследования) или противоположные движения глаз (Вергентные) или любой комбинации.

Abstract

Исследования движения глаз заложить прочный фундамент формирования понимания того, как мозг получает визуальную информацию как в нормальной, и дисфункциональной мозга. ¹ Тем не менее, развитие платформы для стимулирования и движения магазин глаз могут потребовать значительных программирования, время и затраты. Многие системы не обеспечивают гибкость программирования многочисленные стимулы для различных экспериментальных потребностей. Тем не менее, VisualEyes Система имеет гибкую архитектуру, что позволяет оператору выбрать любой фон и передний план стимулирования, программы один или два экрана для тандема или против движения глаз и стимулировать левого и правого глаза отдельно. Эта система может значительно сократить время разработки программ, необходимых для проведения исследования глазодвигательных. VisualEyes системы будут обсуждаться на три части: 1) запись глазодвигательный аппарат для получения ответов движения глаз, 2) программное обеспечение VisualEyes написано в LabView, для создания массива стимулови хранения ответов в виде текстовых файлов и 3) анализ данных в автономном режиме. Движения глаз могут быть записаны несколько типов приборов, таких как: лимба системы слежения, поиска склеры катушки, или системы видеоизображения. Типичные стимулы движения глаз, таких как саккадических шагов, сходящихся скатов и сходящихся шагов с соответствующими реакциями будут показаны. В этом видео отчете, мы демонстрируем гибкость системы, чтобы создать многочисленные визуальные стимулы и записывать движения глаз, которые могут быть использованы по основным ученых и клиницистов для изучения здоровых, так клинические населения.

Protocol

Обзор ключевых элементов, необходимых для проведения эксперимента глазодвигательных показано на рисунке 1. Каждый блок в диаграмме будут подробно обсуждаться ниже.

1. ПРИБОРЫ SET-UP:

1. Любой тип движения глаз монитора можно использовать для такой системы. Мы покажем, инфракрасный отслеживание лимба и системы видеонаблюдения.
2. Для тандемных движений, таких как отслеживание саккадической или гладкой погоне, один компьютер может быть использован для визуального отображения. Для изучения противоположные движения глаз, таких как конвергенция или взаимодействия сходимости с тандем-версия движений (например, сходящийся с саккадической стимулов) haploscope необходимо проводить с двух компьютерных мониторов для визуального отображения, смотри рисунок 2.

2. Калибровка:

1. Калибровка необходима, чтобы преобразовать один набор метрик в другую. Движения глаз, как правило, указывается в градусах (°) вращения показано на рисунке 3. Однако, ЭВМ Мonitors использовать пиксельные значения по сравнению с видения исследователей, которые часто обозначают визуальные стимулы в градусах. Таким образом, преобразование необходимо для преобразования значения пикселов в градусах. Можно использовать тригонометрию, чтобы вычислить, где разместить физические цели для калибровки визуальных дисплеев. Например, если стимул на экране компьютера совпадет с физической мишени 2 ° (смотри рисунок 2), то это значение пикселей соответствует 2 ° стимула.
2. Для калибровки системы, оператор должен открыть Pixel2Deg.vei в каталоге VisualEyes. Во-первых, определить монитор использовать для калибровки в поле режима натяжкой. Введите номер 1 для левой монитора глаз и номер 2 для правого монитора глаз. Затем запустить программу и перейти зеленый стимул линии до тех пор, зеленая линия не накладывается поверх физической цели. Введите известное положение физической цели в градусах и нажмите кнопку Сохранить. Затем нажмите на зеленой линии. Значение степени и пиксель будет показано на дисплее в тон левом нижнем углу. Оператор должен собрать не менее трех точек калибровки.
3. После сохранения все точки калибровки, откройте выходной файл D2P в каталоге VisualEyes для получения калибровочных точек. Участок точки калибровки для достижения линейное уравнение регрессии. Используя уравнение для вычисления начальной и конечной позиции визуального стимула оператор желает запрограммировать в пикселях. Примером левого глаза и правого глаза калибровочной кривой, полученной с использованием пяти точек калибровки для Сходимость стимула показано на рисунке 4.
4. Повторите шаги 2,2 и 2,3 для второй монитор, если стимул требуется дополнительный монитор.

3. VISUALEYES ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

1. Определить стимул: оператор должен определить начальную и конечную позицию левого и правого глаза стимула до начала эксперимента. Во-первых, откройте новый текстовый файл и в первой строке, определите начальный момент времени и положение значений температурF раздражителя. Четыре параметры должны быть определены 1) Время (в секундах), 2) горизонтальное положение (пикселей), 3) вертикальное положение (пикселей), и 4) вращение (°), разделенных вкладке. Кроме того, определяют четыре параметры конечного времени и положения стимула. Сохранить стимул в каталоге VisualEyes как stimulus_name.vei (ВЭИ = VisualEyes вход) файл и повторите этот шаг для другого глаза раздражителя.
   1. Движение стимула может быть обобщена на два типа движения: резкого шага или непрерывной рампы. Шаг позволяет стимулом для резко тронуться с места или прыгать от начального положения в конечное положение. Оператор должен отметить, что изменение во времени составляет 0,001 секунды для ступенчатого наращивания. В следующем ряду, определить, как долго вы хотите стимулом для проживания в исходное положение, а также конечное положение. Стимулы определяются с помощью четырех полей в одной строке. Пример саккадической шагом, гладкой преследования рампы, сходящегося шага и сходящегося рампы приведены вТаблица 1.
   2. Для раздражители, вы можете иметь один стимул такой как шаг или последовательность визуальных задач, таких как несколько шагов.
2. Сохранить раздражения в раздражители библиотеки: Есть несколько параметров, по умолчанию в dc1.txt (левый глаз стимулом / монитора) и dc2.txt (правый глаз стимулом / монитора) файлы в каталоге VisualEyes. Первая строка представляет собой процент экране в горизонтальном направлении. Вторая линия представляет собой процент экране в вертикальном направлении. В-третьих, фоновое изображение и четвертый объект или изображение цели. Пятая строка указывает, что компьютер для работы в автономном режиме. ^6-й Значит, какой монитор (1 является правый глаз и 2 левым глазом). ^7-й линии соотношение сторон мониторов. Остальные линий различного типа стимулы оператор может использовать, в пределах экспериментальной сессии.
   1. Откройте dc1.txt и dc2.txt от дирекции VisualEyesТори. Эти два файла содержат библиотеки стимулы для левого и правого глаза соответственно. На последнем ряду, напишите имя файла стимула, который был сгенерирован с шага 3.1. Профиль количество относится к ^т-й строке, соответствующей имени файла стимула. Например, на фиг.1, профиль количество стимула 8.
3. Можно повторить шаги 3,1 до 3,2, чтобы создать как можно больше стимулов, необходимых для эксперимента.
4. Написать сценарий для экспериментального протокола: Откройте текстовый файл введите экспериментальные команды протокола. Этот файл называется файл сценария, который означает, что VisualEyes система будет читать и выполнять каждую команду из сценария в этих файлах. Возможность создать файл сценария для экспериментального протокола позволяет пользователю деяния, повторяется экспериментальных сессий, используя тот же протокол. Кроме того, многочисленные сценарии могут быть написаны для изменения типа и последовательность экспериментальных команд. Этот файлмогут быть сохранены в каталог VisualEyes в виде файла script_name.ves. (VES = VisualEyes Script)
   1. Функции VisualEyes есть входные и выходные аргументы. Таблица 2 показывает все функции в программном обеспечении VisualEyes.
      1. ExpTrial: Эта функция используется для вызова стимул, который был сохранен в библиотеке стимула, начиная с шага 3.2. Длина данных является время, позволит функция для выполнения стимул. Tempfile.lwf позволяет программное обеспечение VisualEyes для временного хранения входящих данных и выводит его в выходной буфер. Когда tempfile.lwf не определена, во время выполнения этой функции, он не будет хранить любые входящие данные для оцифровки.
      2. LogFile: Эта функция выводит строки или входной буфер, определенный с ExpTrial в out.txt файла в каталоге VisualEyes. Когда эксперимент завершится, оператор должен изменить имя out.txt файла под другим именем. В противном случае данные будут перезаписаны в течение следующего experimEnt.
      3. TriggerWait: Эта функция ждет, пока объект не нажимая кнопку, триггер, чтобы начать ExpTrial и оцифровки данных. Это канал на цифровую карту приобретения, которые ждут сигнала, чтобы перейти от Digital High (5 В) с низким (V 0).
      4. RandomDelay: Эта функция генерирует случайный задержки для предотвращения прогноз или ожидание следующего стимула.
      5. WaveMSD: Эта функция вычисляет среднее значение и стандартное отклонение данных.

4. МЕСТО движения глаз MONITOR и RUN ЭКСПЕРИМЕНТ:

1. Различные мониторы движение глаз, такие как роговицы системы визуализации отражение видео, лимба системы слежения или склеры поисковой катушки может быть использован для сбора и движения запись глаз.
2. Перед субъект может участвовать, эксперимент должен быть объяснены и субъект должен прочитать и подписать форму информированного согласия, одобренный ведомственного комитета.
3. Оператор муул настроить монитор движений глаз по этому вопросу. Во-первых, испытуемому предлагается зафиксировать на цели. Оператор регулирует монитор движений глаз, чтобы захватить анатомические атрибуты глаз, такие как лимба (края между радужной оболочкой и склеры) или ученика и роговицы отражения в зависимости от монитора движения глаз используется.
4. После того, как монитор движения глаз правильно отрегулирован по этому вопросу, оператор должен подтвердить, что монитор движение глаз захвата движения глаз, задавая тему, чтобы сделать сходящихся или саккадических движения.
5. Откройте программу ReadScript.vei в каталоге VisualEyes. В правом верхнем углу, введите имя файла экспериментальной файла сценария протокол, созданный с шага 3.4. Затем запустите программу ReadScript.vei, нажав на красную стрелку в левом верхнем углу.
6. Дайте субъекту спусковую кнопку и объяснить, что, когда предметом нажимает кнопку, сбор данных начнется. Еще один файл Acquire.vei будет автоматическое LY появляются на экране, который будет строить поступающие данные. Данные берутся пробы 500 Гц.
7. Когда эксперимент завершится, ReadScript.vei автоматически останавливается. В это время, перейдите в каталог VisualEyes и найти Out1.txt файл. Переименовать файл в противном случае в следующий раз оператор запускает эксперимент, файл данных будет перезаписана.

5. OFF-LINE АНАЛИЗ ДАННЫХ:

1. Оператор может анализировать данные с помощью различных программных пакетов (т.е. Matlab или Excel). Задержка, пиковой скорости, или амплитуды, может представлять интерес в зависимости от исследования.
   1. Пример анализа кода Matlab приводится в каталоге VisualEyes построить саккады, шаги границ и Вергентные пандусы. Примеры ансамбль саккады, сходимость шаг и сходимость рампы позиции следов с соответствующими реакциями скорости показаны на рисунке 5.

6. Представитель Результаты:

т "> Примеры ансамбля движений глаз, записанных с помощью VisualEyes системы показана на рисунке 5. Типичные 10 ° скачкообразных движений приведены в участок 4А. Antisaccades являются скачкообразных ответы, когда субъект сказал, чтобы саккаду в противоположном направлении . визуального стимула, и показаны на участок 4В Это более познавательно трудной задачей, поэтому можно заметить, что задержка или время начать движение больше для antisaccades (участок 4В) по сравнению с саккад в направлении зрительного стимула также называется prosaccades (участок 4А). Вергентные ответы на 4 ° шагов показаны в сюжетных 4C и вергентных ответов на 5 ° / с пандусами стимулы показано на участке 4D. Каждый след индивидуальный движения глаз, где верхний ряд позиция обозначается в градусах, как функция времени. Движения глаз откалиброваны в градусах, углами метр, или призмы диоптрий. Наше исследование использует угол поворота. Нижняя строка скорость построены в ° / с в зависимости от времени вd является скорость движения. Шкала для каждого ансамбля данные отличаются в зависимости от движения.

Рисунок 1. Блок-схема ключевых элементов провести эксперимент Глазодвигательные. Примеры шагов, необходимых для создания стимулов с помощью программного обеспечения VisualEyes и провести эксперимент для автономного анализа данных показано на рисунке. Часть показано окно Pixel2Deg.vei. Часть B демонстрирует четыре параметры, необходимые для определения стимул. Часть С раздражители библиотека, где черные строк текста внутри библиотеки стимулирования, например, стимулы файлы и красный текст определяет каждую строку. Часть D является примером экспериментальному протоколу сценария.

Рисунок 2. VisualEyes Система Haploscope Экспериментальная установка. Используются три ЭЛТ-мониторы: 1) Панель управления необходимо для просмотра стимулыD ответы 2) ЭЛТ-монитор для правого глаза (RE) зрительных стимулов и 3) ЭЛТ-монитор левый глаз (LE) зрительных стимулов. Наполовину посеребренный зеркало установлено на расстоянии 30 см от двух визуальных стимулов ЭЛТ-мониторов. Это чтобы убедиться, что стимулы на ЭЛТ-мониторов проецируются на половину посеребренного зеркала (передачи 50% и 50% отражения зеркала). Зеркало позволяет субъекту для просмотра стимулы из компьютерных экранов, наложенных на мишеней, расположенных на измеренных расстояний от субъекта, который необходим для калибровки. С haploscope, спрос проживание в оба глаза проводится постоянная. Расстояние между глазами человека, и зеркало 10 см. Система может быть скорректирована с учетом различных межзрачкового расстояния (IPD), но для этой демонстрации мы предполагаем, ИМД быть 6 см.

Рисунок 3. Вычисления скачкообразное (слева) и сходящихся (справа) моvement из мишеней, от А до B показаны. IPD является межзрачкового расстояния.

Рисунок 4. Калибровочная кривая левого глаза (верхний график) и правого глаза (нижний график) раздражителя. Аналогичная процедура будет осуществляться в саккадических или гладкой преследования раздражители.

Рисунок 5. Примеры саккадами (а) antisaccades (B), шагов Вергентные (С) и Вергентные рампы (D), используя систему VisualEyes и анализировали с помощью программы пользовательского MATLAB. Ансамбль следы положение (°, как функции времени в секундах) приведены в верхнем ряду, где каждый цвет линия представляет собой другую движения глаз. Соответствующие следы скорость (° / с в зависимости от времени в секундах).

0,5

Стимул Тип	Стимул_Name_Left Eye.vei				Stimulus_Name_Right_Eye.vei
	Время (с)	X-позиция (пиксель)	Y-позиция (пиксель)	Вращение (°)	Время (с)	X-позиция (пиксель)	Y-позиция (пиксель)	Вращение (°)
Гладкой преследования Ramp	0	100	0	0	0	100	0	0
	10	200	0	0	10	200	0	0
Саккаду Шаг	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
Vergence Ramp	0	452	0	0	0	973	0	0
	10	370	0	0	10	1044	0	0
Vergence Шаг	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

Таблица 1. Пример гладкой преследования Ramp, скачкообразное Step, Вергентные рампы и Вергентные Шаг раздражителей

Функция	Синтаксис
ExpTrial	Выходной буфер # = ExpTrial ("Длина данных: LE профиля: RE профиля"); Пример: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3");
	Outpuт буфера # = Exo Trial ("Длина данных: LE профиля: RE профиля:. Временный файл ВЛФ"); Пример: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3: templfile.lwf");
LogFile	Выходной буфер # = LogFile ("TEXT"); Пример: 0 = LogFile ("Эксперимент 1");
	0 = LogFile (входной буфер #); Пример: 0 = LogFile (2);
TriggerWait	0 = TriggerWait (номер буфера); Пример: 0 = TriggerWait (0);
RandomDelay	0 = RandomDelay ("t2: t1"); Пример: 0 = RandomDelay ("2000: 500");
WaveMSD	Выходной буфер # = WaveMSD (входной буфер #);

Таблица 2. Функции, используемых для записи экспериментальный протокол в программе VisualEyes

Discussion

Критические шаги:

Мониторы движения глаз должен быть правильно отрегулирован по этому вопросу. Например, запись движений глаз мониторы работают в диапазоне и должна быть приспособлена к этому вопросу. Если движение глаз субъекта выходит за пределы диапазона, то система насыщается. При насыщении, сигнал движения глаз не действует. Калибровка также имеет важное значение в записи движений глаз. Все мониторы движение глаз измерения аналогового сигнала, которое в цифровую форму и должна быть преобразована в единицах, обычно используемых в исследовании движения глаз, таких как степень вращения. Линейность системы оценивается с помощью трех или более точках калибровки также важно, чтобы определить, является ли преобразование сигнала в градусах может быть сделано с помощью простой линейной трансформации или нуждается в более сложную трансформацию. Важно также отметить, что надлежащее размещение компьютерных мониторов и физических целей необходимо согласовать визуальные стимулы на компьютереЭкран при использовании в условиях haploscope.

Кроме того, инструкции для субъектов также важно. Например, для видео- или отслеживания лимба систем мигают приведет к потере сигнала; Однако оператор не может задать тему не мигает в течение длительного срока. Инструкция к теме может облегчить когда операторы хотели бы тему, чтобы посмотреть на новую цель, чтобы избежать мигает во время сбора данных. Другой пример важности инструкций представлена ​​в prosaccade против в antisaccade эксперимента. Для prosaccades человек смотрит на цель по сравнению с antisaccade эксперимента, когда субъект смотрит в направлении, противоположном направлению мишени стимула.

Возможные модификации:

Сила системы VisualEyess является его гибкость. Несколько исследований опубликовали специальное программное обеспечение, чтобы стимулировать саккаду стимулы. ^2,3,4,5 Тем не менее, есть много других тиPES глазодвигательных исследований, которые можно хотят расследовать такие как гладкой преследования или вергентных движений. VisualEyes Система позволяет программировать каждый монитор самостоятельно, так что оператор может запрограммировать скачкообразное, гладкой преследования или расходятся в стимулы или любую комбинацию из трех (скачкообразных с сходящихся стимулов, например). Фон статическое изображение, что в настоящее время не двигаться, но следующее поколение программного обеспечения VisualEyes позволит фоновое изображение двигаться. Изображение переднего плана можно перемещать горизонтально, вертикально или вращаться. Изображение по умолчанию линия, но может быть изменен на распределение гауссова функция (собака) стимула, используемого для дальнейшего снижения адаптивную стимул или любое другое изображение. Кроме того, возможность программирования компьютерных экранов независимо позволяет более гибко. Например, фория регулярно измеряется в качестве клинического параметра, но может возникнуть желание записать его с монитора движения глаз. Фория является положение покоя из окклюзии глаз whilе другой глаз имеет стимул. Мы подтверждено Этот метод измерения фория помощью VisualEyes системы. ^6,7,8

Приложения и значения:

Исследование движения глаз могут обеспечивать важную информацию к основным ученых и клиницистов. Она также может быть инструментом для контроля неврологических расстройств от черепно-мозговой травмы ⁹ мышечной дистрофии ¹⁰ с болезнью Альцгеймера ¹¹ до шизофрении. ¹² Это может дать представление для моторного обучения, ¹³ механизмов внимания, ¹⁴ или памяти ^15, чтобы назвать несколько приложений. Кроме того, он приносит пользу от сильного нейрофизиологии основания от отдельных записей клеток в нечеловеческих primates1 и может использоваться в сочетании с функциональной МРТ, чтобы одновременно изучать работу мозга, чтобы понять визуального сетей, связи и взаимодействия. ¹⁶