Visualeyes: En modulär mjukvarusystem för oculomotor Experiment

Summary

Neural kontroll och kognitiva processer kan studeras genom ögonrörelser. Den Visualeyes mjukvaran tillåter en operatör att programmera stimuli på två datorskärmar självständigt med hjälp av en enkel, anpassad skriptspråk. Systemet kan stimulera tandem ögonrörelser (saccades och smidig strävan) eller motsatta ögonrörelser (konvergens) eller någon kombination.

Abstract

Studier ögonrörelser har gett en stark grund som bildar en förståelse för hur hjärnan förvärvar visuell information i både normala och dysfunktionella hjärna. ¹ Men utvecklingen av en plattform för att stimulera och lagra ögonrörelser kan kräva betydande programmering, tid och kostnader. Många system erbjuder inte möjlighet att programmera flera stimuli för olika experimentella behov. Dock har Visualeyes systemet en flexibel arkitektur, vilket gör att föraren kan välja någon bakgrund och förgrund stimulans, program en eller två skärmar för tandem eller motsätta ögonrörelser och stimulera vänster och höger öga självständigt. Detta system kan avsevärt minska utvecklingstiden programmering som behövs för att genomföra en oculomotor studie. Den Visualeyes Systemet kommer att diskuteras i tre delar: 1) den oculomotor inspelningsenhet att förvärva svar ögonrörelser, 2) i Visualeyes mjukvara skriven i LabView, för att generera en rad stimulioch lagra svar som textfiler och 3) offline dataanalys. Ögonrörelser kan registreras av flera olika typer av instrumentering som: ett limbus tracking system, en sklera söktallriken, eller en videobild system. Typiska ögonrörelser stimuli såsom sackadiska steg, vergent ramper och vergent steg med motsvarande svar kommer att visas. I den här videon rapporten visar vi flexibiliteten i ett system för att skapa många visuella stimuli och rekordögonrörelser som kan utnyttjas av grundforskare och kliniker för att studera friska och kliniska populationer.

Protocol

En översikt av de viktigaste delarna som behövs för att genomföra en oculomotor experiment visas i figur 1. Varje block i flödesschemat kommer att diskuteras i detalj nedan.

1. INSTRUMENTERING SET-UP:

1. Alla typer av ögonrörelser skärmen kan användas för det här systemet. Vi kommer att visa en infraröd limbus spårning och ett videoövervakningssystem.
2. För tandem spårning rörelser som snabba ryckiga eller slät strävan, kan en enda dator användas för visuell display. Att studera motsatta ögonrörelser såsom konvergens eller interaktionen av konvergens med tandem version rörelser (dvs, vergent med snabba ryckiga stimuli) en haploscope behövs med två datorskärmar för visuell display, se figur 2.

2. KALIBRERING:

1. Det behövs Kalibrering att konvertera en uppsättning mått till en annan. Ögonrörelser Normalt anges i grader (°) rotations som visas i figur 3. Men dator monitors använder pixelvärden jämfört med visions forskare som ofta betecknar de visuella stimuli i grader. Det behövs därför en omvandling för att omvandla pixelvärdena till grader. Man kan använda trigonometri för att beräkna var du vill placera de fysiska mål för att kalibrera de visuella displayer. Till exempel, om stimulus på datorskärmen i linje med en 2 ° fysiska målet (se figur 2) då det pixelvärde motsvarar en 2 ° stimulans.
2. För att kalibrera systemet, måste operatören att öppna Pixel2Deg.vei inom Visualeyes katalogen. Först definierar monitorn för att kalibrera med stretch läget fältet. Ange nummer 1 för vänster öga monitor och nummer 2 för höger öga monitorn. Kör sedan programmet och flytta den gröna linjen stimulans tills den gröna linjen lagras ovanpå den fysiska målet. Ange kända positionen för fysiska målet i grader och tryck på knappen Spara. Klicka sedan på den gröna linjen. Graden och pixelvärdet kommer att visas på displayen i tHan nedre vänstra hörnet. Operatören ska samla minst tre kalibreringspunkter.
3. När du har sparat alla kalibreringspunkter, öppna D2P utdatafilen i Visualeyes katalogen för att erhålla kalibreringspunkterna. Rita kalibreringspunkterna för att uppnå en linjär regressionsekvation. Använd ekvationen för att beräkna den initiala och slutliga ståndpunkt av den visuella stimulans operatören önskar att programmera i pixelvärden. Ett exempel på det vänstra ögat och höger öga kalibreringskurva som erhållits med användning av fem kalibreringspunkter för en vergens stimulus visas i figur 4.
4. Upprepa steg 2,2 och 2,3 för den andra bildskärmen om den stimulans kräver en extra bildskärm.

3. Visual MJUKVARA:

1. Definiera en stimulans: Operatören behöver definiera den initiala och slutliga ståndpunkt vänster och höger öga stimulans före experimentet. Börja med att öppna en ny textfil och på första raden, definierar den initiala tid och position värden of stimulus. Fyra parametrar behöver definieras en) (sekunder), 2) det horisontella läget (pixel), 3) den vertikala positionen (pixel), och 4) rotationen (°) åtskilda av en flik. Likaså definierar de fyra parametrarna för sista gången och position stimulans. Spara stimulans i Visualeyes katalogen som stimulus_name.vei (VEI = Visualeyes Input) fil och upprepa detta steg för det andra ögat stimulans.
   1. Rörelsen av stimulus kan generaliseras i två typer av rörelse: ett abrupt steg eller en kontinuerlig ramp. Ett steg tillåter stimulans att plötsligt flytta eller hoppa från utgångsläget till slutläget. Operatören bör notera att förändringen i tid är 0.001 sekunder för en stegstimulus. I nästa rad, ange hur länge du vill att stimulans att bosätta sig i utgångsläget samt den slutliga positionen. Stimuli definieras med hjälp av fyra fält inom en rad. Ett exempel på en snabba ryckiga steg, följeramp, vergent steget och vergent rampen visas iTabell 1.
   2. För stimuli, kan du ha en enda retning såsom ett steg eller en sekvens av visuella uppgifter såsom en flera steg.
2. Spara Stimulus in Stimuli Library: Det finns flera standardinställningarna i dc1.txt (vänster öga stimulus / monitor) och dc2.txt (höger öga stimulus / monitor) filer inom Visualeyes katalogen. Den första raden är den procentuella andelen av skärmen inom den horisontella riktningen. Den andra raden är den procentuella andelen av skärmen inom den vertikala riktningen. Den tredje är bakgrundsbilden och den fjärde är förgrunden eller målbilden. Den femte raden indikerar att datorn ska fungera i fristående läge. De ^{6: e} betecknar som bildskärm (1 är höger öga och 2 vänster öga). Den ^{7: e} raden är bildformatet på bildskärmarna. Resten av linjerna är de olika typerna av stimuli operatören kan användas inom en experimentell session.
   1. Öppna dc1.txt och dc2.txt från Visual direcrium. Dessa två filer innehåller biblioteket stimuli för vänster och höger öga resp. På den sista raden, skriv namnet på den stimulans som har genererats från steg 3,1 fil. Profil numret hänvisar till ^{m: te} raden motsvarande stimulans filnamnet. Till exempel i figur 1 är profilen antalet stimulus 8.
3. Man kan upprepa steg 3,1-3,2 för att skapa så många stimuli som behövs för ett experiment.
4. Skriv Script för den experimentella protokollet: Öppna en textfil för att skriva de experimentella protokollkommandon. Denna fil kallas skriptfilen, vilket innebär att Visualeyes systemet kommer att läsa och exekvera varje kommando från manus finns i denna fil. Möjligheten att skapa ett skript fil för ett experimentellt protokoll tillåter användaren att utföra återkommande experimentella sessioner som använder samma protokoll. Vidare kan många skript skrivas för att variera typen och sekvensen av experimentella kommandon. Denna filkan sparas i Visualeyes katalogen som script_name.ves fil. (VES = Visualeyes Script)
   1. De Visualeyes funktioner har ingångs- och utgångs argument. Tabell 2 visar alla funktioner i Visual programvaran.
      1. ExpTrial: Denna funktion används för att kalla den stimulans som har sparats i den stimulans biblioteket från steg 3.2. Längden av data är den tid det kommer att tillåta funktionen att exekvera stimulus. Den tempfile.lwf tillåter Visualeyes programvara för att tillfälligt lagra inkommande data och utgång den till en utgångsbuffert. När tempfile.lwf inte är definierad, under genomförandet av denna funktion, kommer det inte att lagra inkommande uppgifter för digitalisering.
      2. LogFile: Denna funktion sänder strängar eller indatabufferten definieras från ExpTrial till out.txt filen i Visualeyes katalogen. När experimentet är klar, måste operatören ändra namnet på den out.txt filen till ett annat namn. Annars kommer data att skrivas över under nästa experiment.
      3. TriggerWait: Denna funktion väntar motivet att driva en trigger för att starta ExpTrial och digitalisera data. Detta är en kanal i den digitala förvärv kort som väntar på signalen för att ändra från en digital hög (5 V) till låg (V 0).
      4. RandomDelay: Denna funktion genererar en slumpmässig fördröjning för att förhindra förutsägelse eller väntan på nästa stimulans.
      5. WaveMSD: Denna funktion beräknar medelvärdet och standardavvikelsen för data.

4. Placera Eye Move MONITOR & RUN EXPERIMENT:

1. Olika ögonrörelsemonitorer såsom hornhinnans reflektion videoavbildningssystem, limbus tracking system eller sklera sökspole kan användas för att samla in och registrera ögonrörelser.
2. Innan ett ämne kan delta måste försöket förklaras och motivet måste läsa och underteckna ett informerat samtycke form som godkänts av Institutional Review Board.
3. Operatören must justera ögonrörelser monitorn i ämnet. Först, är ämnet ombedd att fixera på ett mål. Operatören justerar ögonrörelser monitorn för att fånga de anatomiska attribut i ögat som limbus (gränsen mellan iris och sklera) eller eleven och hornhinnan reflektion beroende på ögonrörelser monitorn används.
4. När ögonrörelser monitorn är korrekt inställd i ämnet, bör operatören validera att ögonrörelser monitorn är fånga ögonrörelser genom att be motivet att göra vergent eller sackadiska rörelser.
5. Öppna programmet ReadScript.vei i Visual katalogen. På det övre högra hörnet, skriv in namnet på den experimentella protokollet skriptfilen som skapas från steg 3,4 fil. Kör sedan ReadScript.vei programmet genom att trycka på den röda pilen på övre vänstra hörnet.
6. Ge ämnet triggerknappen och förklara att när motivet trycker på knappen, kommer datainsamlingen påbörjas. En annan Acquire.vei filen kommer automa ly visas på skärmen som kommer rita inkommande data. Data samplas 500Hz.
7. När experimentet är klar, kommer ReadScript.vei stannar automatiskt. Vid denna tid, gå in i Visual katalogen och hitta Out1.txt filen. Byt namn på filen annars nästa gång föraren kör experimentet, kommer datafilen skrivas över.

5. OFF-LINE DATAANALYS:

1. Operatören kan analysera data med hjälp av olika programpaket (dvs. Matlab eller Excel). Latens, topphastigheten, eller amplitud kan vara av intresse beroende på studien.
   1. Ett exempel på en Matlab analys koden finns i Visualeyes katalogen att rita saccades, konvergens steg och konvergens ramper. Exempel på de ensemble saccade, konvergens steg och konvergens ramppositions spår med motsvarande hastighetssvar visas i figur 5.

6. Representativa resultat:

t "> Exempel på ensemble av ögonrörelser som spelats in med Visualeyes systemet visas i figur 5. Typiska 10 ° sackadiska rörelser visas i tomt 4A. Antisaccades är sackadiska svar när motivet är tillsagd att göra en saccade i motsatt riktning . den visuella stimuli och visas i diagram 4B är här en mer kognitivt krävande uppgift, varför man kan konstatera att latensen eller tid att påbörja rörelsen längre antisaccades (tomt 4B) jämfört med saccades mot en visuell stimulans även kallad prosaccades (tomt 4A). vergens reaktioner på 4 ° steg visas i tomt 4C och vergens svar till 5 ° / s ramper stimuli visas i tomt 4D. Varje spår är en individuell ögonrörelse där den övre raden är positionen betecknad i grader som en funktion av tiden. Ögonrörelser är kalibrerade i andelar i grader, metervinklar eller prisma dioptrier. Vår forskning använder rotationsgrad. Den nedersta raden är hastigheten plottas i ° / s som en funktion av tiden end är rörelsens hastighet. Skalan för varje ensemble uppgifter varierar beroende på rörelsen.

Figur 1. Flödesschema av viktiga element för att genomföra en oculomotor experiment. Exempel på åtgärder som behövs för att generera en stimulans med hjälp av Visualeyes programvara och genomföra ett experiment för offline dataanalys visas. Del A visar Pixel2Deg.vei fönstret. Del B visar de fyra parametrar som behövs för att definiera en stimulans. Del C är den stimuli bibliotek där de svarta textrader i den stimulans biblioteket är exempel stimuli filer och den röda texten definierar varje rad. Del D är ett exempel på en experimentell skript protokoll.

Figur 2. Visualeyes System Haploscope försöksuppställningen. Tre CRT-skärmar används: Det behövs 1) Ett kontrollpanelen för att visa stimuli end svar 2) en CRT-skärm för höger öga (RE) visuella stimuli och 3) en CRT övervaka vänster öga (LE) visuella stimuli. En halvförsilvrad spegeln placeras 30 cm från de två visuella stimuli CRT-skärmar. Detta för att försäkra att de stimuli på CRT-skärmar projiceras på halv försilvrad spegel (50% transmission och 50% reflektion spegel). Spegeln gör att motivet för att visa stimuli från datorskärmar lagrade på mål placerade på uppmätta avstånd från motivet som behövs för kalibrering. Med en haploscope, är efterfrågan boende i båda ögonen hålls konstant. Avståndet mellan motivets ögon och spegeln är 10 cm. Systemet kan anpassas för att passa olika interpupillavstånd (IPD) men för den här demonstrationen kommer vi att anta att IPD vara 6 cm.

Figur 3. Beräkningar av sackadiska (vänster) och Vergent (höger) momang från mål A till B visas. IPD är mellanpupillavstånd.

Figur 4. Kalibreringskurva av det vänstra ögat (övre kurva) och högra öga (nedre kurva) stimulans. Ett liknande förfarande skulle genomföras för sackadiska eller följe stimuli.

Figur 5. Exempel på saccades (A) antisaccades (B), konvergens steg (C) och konvergens ramper (D) med hjälp av Visualeyes systemet och analyseras med hjälp av en anpassad MATLAB program. Ensemble positions spår (° som funktion av tiden i sek) plottas i den övre raden där varje färgad linje representerar en annan ögonrörelser. Motsvarande hastighets spår (° / s som en funktion av tiden i sekunder).

0,5

Stimulus Typ	Stimulus_Name_Left Eye.vei				Stimulus_Name_Right_Eye.vei
	Tid (s)	x-positionen (pixel)	y-positionen (pixel)	Rotation (°)	Tid (s)	x-positionen (pixel)	y-positionen (pixel)	Rotation (°)
Smidig Pursuit Ramp	0	100	0	0	0	100	0	0
	10	200	0	0	10	200	0	0
Saccade Steg	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
Vergens Ramp	0	452	0	0	0	973	0	0
	10	370	0	0	10	1044	0	0
Vergens Steg	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

Tabell 1. Ett exempel på Smooth Pursuit Ramp, snabba ryckiga steg, konvergens Ramp och konvergens Steg Stimuli

Funktion	Syntax
ExpTrial	Utgång Buffer # = ExpTrial ("Längd på data: LE Profil: RE Profile"); Exempel: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3");
	Output Buffer # = Exo Trial ("Längd på data: LE Profil: RE Profil:. temporärfil LVF"); Exempel: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3: templfile.lwf");
LogFile	Utgång Buffer # = loggfil ("TEXT"); Exempel: 0 = loggfil ("Experiment 1");
	0 = loggfil (Input Buffer #); Exempel: 0 = loggfil (2);
TriggerWait	0 = TriggerWait (Buffer Number); Exempel: 0 = TriggerWait (0);
RandomDelay	0 = RandomDelay ("t2: t1"); Exempel: 0 = RandomDelay ("2000: 500");
WaveMSD	Utgång Buffer # = WaveMSD (Input Buffer #);

Tabell 2. Funktioner används för att skriva den experimentella protokollet i Visualeyes Program

Discussion

Kritiska steg:

Ögonrörelse monitorer måste vara korrekt justerad i ämnet. Till exempel, ögonrörelser inspelning monitorer arbetar inom ett område och måste justeras till ämnet. Om motivets ögonrörelser går utöver området, då systemet blir mättad. Vid mättnad, är ögats rörelsesignalen inte giltig. Kalibrering är också kritisk i ögonrörelser inspelning. Alla ögonrörelsemonitorer mäta en analog signal som är digitaliserad och måste omvandlas till enheter som vanligen används i ögonrörelser forskning såsom graden av rotation. Systemets linjäritet bedömas genom tre eller flera kalibreringspunkter är också viktigt att bestämma om omvandlingen av signalen till grader kan göras med en enkel linjär transform eller behöver en mer komplex transformation. Det är också viktigt att notera att det krävs en korrekt placering av datorskärmar och de fysiska mål för att rikta in de visuella stimuli på datornscreena när den används i ett haploscope inställning.

Dessutom instruktionerna till de ämnen är också absolut nödvändigt. Till exempel för video- eller limbus tracking system en blinkning kommer att resultera i signalförlust; men operatören kan inte begära ett föremål för inte blinka under en lång tid. Instruktioner till ämnet kan underlätta när operatörerna vill att motivet för att titta på ett nytt mål för att undvika blinkar vid datainsamling. Ett annat exempel på vikten av instruktioner är representerad i en prosaccade kontra en antisaccade experiment. För prosaccades motivet tittar på målet jämfört med ett antisaccade experiment där motivet tittar i motsatt riktning av stimulus målet.

Möjliga ändringar:

Styrkan i VisualEyess systemet är dess flexibilitet. Flera studier har publicerats sin anpassade program för att stimulera saccade stimuli. ^2,3,4,5 Men det finns många andra types av oculomotor studier som man kanske vill undersöka t.ex. följe eller konvergens rörelser. Den Visualeyes systemet gör att man kan programmera varje bildskärm självständigt så att operatören kan programmera snabba ryckiga, slät strävan eller vergent stimuli eller någon kombination av de tre (snabba ryckiga med vergent stimuli till exempel). Bakgrunden är en statisk bild som för närvarande inte flytta men nästa generation av Visualeyes programvara gör att bakgrundsbilden att flytta. Förgrundsbilden kan flyttas horisontellt, vertikalt eller rotera. Standard bilden är en linje, men kan ändras till ett Fördelning av Gaussfunktion (DOG) stimulus som används för att ytterligare minska en ackommoderande stimulans eller någon annan bild. Dessutom möjlighet att programmera datorskärmar självständigt möjliggör större flexibilitet. Till exempel är phoria rutinmässigt mätas som en klinisk parameter men en kanske vill spela in det med en ögonrörelse bildskärm. Phoria är viloläget för ett tilltäppt öga while det andra ögat har en stimulans. Vi har validerat denna metod för att mäta phoria använder Visualeyes systemet. ^6,7,8

Applikationer och Betydelse:

Rörelse Ögon forskning kan ge viktig information till grundforskare och kliniker. Det kan också vara ett verktyg för att övervaka neurologiska störningar från traumatisk hjärnskada ⁹ till muskeldystrofi ¹⁰ till Alzheimers sjukdom ¹¹ till schizofreni. ¹² Det kan ge insikt om motorisk inlärning, ¹³ uppmärksamhetsmekanismer, ¹⁴ eller minnet ¹⁵ för att nämna några applikationer. Dessutom gynnar det från en stark neurofysiologi fundament från encelliga inspelningar i ickemänskliga primates1 och kan kopplas till funktionell MRI för att samtidigt studera hjärnans funktion för att förstå visuella nätverk, uppkoppling och interaktioner. ¹⁶