方法探索自上而下视觉过程对电机性能的影响

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Behavior

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Summary

目前还不清楚从腹侧视觉流自顶向下的信号如何影响运动。我们开发了一种范式来测试3D深度反转错觉马达朝着一个目标的行为。显著差异报告在两个故意,目标导向运动和自动操作虚幻和不虚伪的观看条件下。

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Nguyen, J., Papathomas, T. V., Ravaliya, J. H., Torres, E. B. Methods to Explore the Influence of Top-down Visual Processes on Motor Behavior. J. Vis. Exp. (86), e51422, doi:10.3791/51422 (2014).

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Abstract

动觉的意识是非常重要的成功驾驭环境。当我们与我们的日常生活环境进行交互,运动的某些方面是故意策划,而其他人自发地发生下面自觉意识。这种二分法的故意成分已被广泛研究在不同上下文中,而自发的组成部分在很大程度上仍然勘探不足。此外,如何感知过程调节这些运动类,目前尚不得而知。特别是,目前争论的问题是通过一种视觉的错觉产生的空间知觉,还是不受错觉,并管辖,而不是由不虚伪知觉的视觉动作系统是否规范。双稳态知觉,如3D深度反转错觉(DIIS)为研究这种互动和平衡极好的背景下,以达到抓握动作结合使用时尤为如此。在这项研究中,一种方法被开发了使用DI​​I到CLARIFY的自上而下的过程对电动机行动中的作用,特别是在探索如何达到对上一个DII的目标受到影响在这两个故意和自发运动领域。

Introduction

视觉的知觉视觉换行动

为了成功驾驭环境,从视觉系统的信息是用来帮助协调人体运动。如何视觉信息的选择和优先级来影响电机的动作仍不清楚。两大解剖预测从初级视觉皮层出现,形成腹(“什么”,或者“愿景感知”)途径,延伸至颞区和背(“何处”,或“视觉行动”)途径,以顶叶1-2。腹侧神经束被牵连在利用视觉信息的感知过程,如目标识别和鉴定,而背流被认为是专门处理信号的行动指南和空间意识。问的问题是从腹侧流自上而下的过程不论形状,其动作的执行方式。

该f病人的DF amous案例研究,于1992年由古德尔和米尔纳评估,提供了有力的证据和视觉两流假说,谓其腹侧和背侧流过程可分离,感知和行动3的支持。从理论上讲,运动视差和视差的自底向上的信号可以覆盖自上而下的感知信息,例如为了准确地指导我们的行动事先了解和熟悉,这表明运动规划是不受腹侧流控制。 DF,从谁造成双侧枕叶腹侧病变视力表失认受,保留对她有困难识别物体精确的掌握能力,支持可视化两流假说3-4的前提。因为像DF案例研究,人们认为功能性腹,背流的二分法也存在于健康的,非病理性的个体。然而,无论这些结果为ABSO提供证据劳动观念和neurotypical群体行动的琵琶分工已激烈的争论在过去的二十年5-10。

使用幻象分隔知觉与行动

为了测试在neurotypical科目视觉两流假说,研究人员使用视错觉,调查环境扭曲感性判断如何影响我们汽车的行动。艾宾浩斯/铁钦纳错觉,例如,使用由这似乎是比同尺寸由大圆圈包围的另一个磁盘更大更小的磁盘包围的磁盘目标;这是由于尺寸对比效果11。当参与者达到掌握目标磁盘,如果两个数据流的假设成立,那么手抓住在磁盘目标的抓地力孔径将由错觉影响,导致参与者采取行动的磁盘目标的真实几何而不是依赖于不正确的知觉大小估算阿泰。 Aglioti 。其实报告这种行为,理由是独立的可视化流程管控熟练的操作和意识知觉11。相反,其他团体质疑这些结果,发现感知与行动之间没有分离时,仔细控制的感知和把握任务的匹配,提出视觉流信息的集成,而不是分离12。尽管有过一些后续研究进行验证或反驳使用艾宾浩斯错觉视觉两流的假设,有证据争相件来支持论点13的两侧。

为了进一步探讨视觉感知的行动过程的影响,3D深度反转错觉(DII)也被利用。 DIIS产生虚幻的运动和场景的感知深度反转,其中物理凹角被认为是凸的,反之亦然14。空心面的幻觉是DII生成一个正常的,凸面的感知虽然刺激是物理上凹的,牵连的自上而下的影响,如已有知识和凸偏压的作用,引起的幻觉的知觉15-16的一个例子。尽管在努力伸向上的空心面幻影目标来描述的运动行为,证据仍然模棱两可:一项研究报告对电机输出17的效果,而另一个不18。这些研究依赖于比较的感知深度估计到端点相对的手的距离的计算,以位于所述空心面的幻觉目标。在这种类型的刺激所执行的操作相互矛盾的结果可能是研究人员使用的方法变化的结果。因为在腹侧和背侧流信息被利用的方式仍高达辩论,这场争论的火花需要一个更强大的刺激与运动行为之研究额外的先进措施河

这也正是为什么一种技术是使用反向透视刺激,通常被称为“reverspectives”,它形成另一个类DIIS 14的开发。被涂在分段3D平面的表面线性透视线索产生刺激的物理几何形状和实际绘场景之间的竞争。数据驱动的感官信号,如双目视差和运动视差利于物理几何的其实的知觉,而基于经验的熟悉程度来看有利于深度知觉反转( 图1)。该reverspective的优点在于,它允许在放置目标上的刺激,其表面的假象下感知的空间取向从它的物理方位相差近90度( 图1E1F)。这种巨大的差异极大地方便了测试范围作抓握动作是否是或不是INFL由错觉uenced。这个概念的关键是探索在reverspective执行电机的动作是否被受到来自腹侧流自上而下的影响。

在知觉 - 动作模型运动类

如果不同的运动策略是对的reverspective刺激目标时抓下虚幻和其实的知觉就业,那么它可以很容易地通过学习手的方法的曲率追踪。此外,从目标导向运动开始整个展开运动的手返回到其静止状态的自发的,自动回缩的分析,可能实际上旁路在过去的试验方法对电机输出的感知影响发现任何缺陷。最近的研究强调研究由神经系统的预测性和预见性控器采用自发段的这两个运动类之间的平衡,以及意义升19-21,23-24。新统计定义的类的自发自动机芯提供了新的指标和功能,变成是一样重要的目标导向的人一直这样远远地跟踪感觉运动的变化和量化自然行为的微妙的方面。

据我们所知,在视觉两流假设现有的研究只集中在目标导向行为,从而忽视了对自动过渡动作是显著的组件来完成视觉动作动作循环的任何影响。因此,重点必须放在自动运动的重要性,以充分把握的运动行为在目前的模式这两种模式,以澄清有关视知觉 - 动作模式的问题。在此方法的开发,以在调节运动行为的故意,目标导向行动领域与自发性,中转一起探讨自上而下的信号在视觉腹侧流中的作用利用一个强大的DII反向的角度刺激有理动作。

合理

据推测,如果自上而下的视觉过程影响的感觉运动系统,全运动轨迹朝向嵌入目标下的虚幻知觉的三维反向视角场景将不同于由其实的知觉( 图1e中引起靶的方法和1F)。因此,此外,由于reverspective刺激的虚幻的知觉是非常相似的,通过适当的(“被迫”)的角度得到的刺激,达到朝向嵌入目标上的reverspective执行应该是相似的特性的影响下进行的下游幻想对reverspective刺激( 图1c1F)。

如果自顶向下的视觉影响,不会影响移动轨迹,那么它是假设,作出达到UND呃虚幻的知觉会表现出相同的特征下对reverspective刺激( 图1e)的不虚伪知觉做出河段。换句话说,既虚幻和不虚伪知觉河段将性质相似,这样既前进轨迹路径将作用于刺激的真实几何形状。如何在向前观察到的效果达到翻译中的手的自动回缩是未知的。通过采用全电机的分析,我们的目标是推动我们的行动和感知的理解循环澄清存在的问题在眼前。

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Protocol

1,构建激励装置

  1. 构造一个滑动轨道上可移动的平台上。每个刺激将被放置在可移动的平台上根据试验要求的类型。
  2. 在一个合适的高度,允许为刺激平台是在眼平与该参与者在表中的前坐在轨道固定到一个表中。
  3. 附上一个可伸缩的弹簧机构,以刺激平台。将输入连接到弹簧机构,以在电路板上。
  4. 将一组参与者的座椅后面的灯,面对刺激的平台。它均匀地照亮刺激的平台很重要,因为不均匀的照明可投与虚幻的知觉干扰阴影。该组灯连接到一个转换器,它连接到所述电路板。
  5. 安装开关盒,以表格的边缘最靠近那里的学员将被固定。参与者把他们的手放在开关盒一个吨每次试验的开始,只要他们举起他们的手来执行范围的运动激活开关。连接开关箱输入到电路板上。
  6. 所述电路板的每个输出引脚连接到微控制器上,以控制通过弹簧机构和转弯过一次开关盒被触发灯的同时激活的移动平台的回缩的针。刺激必须缩回,灯光必须达到运动在每次试验开始后关闭,以防止任何在线视觉修正和触觉反馈的发生。开关盒采用,使刺激回缩和黑暗开始执行后,才开始运动,使之成为一个直接接触的工作。
  7. 写一个MATLAB程序,用于控制微控制器的信号。使用MATLAB代码来存储试验序列,并指示要使用的每个审判什么刺激和观察条件的实验者。
  8. 营建吨训练刺激,反向透视刺激,以及适当的视角的刺激( 图12)。训练刺激包括代表中间建筑物中嵌入的反向透视刺激和适当的视角刺激的分离的右表面壁的两个矩形面板。训练刺激的目的将在实验过程中进行讨论。加盖红色平面圆盘的目标,以刺激的中线的右侧。

2,参赛者

  1. 内部评级法中获得书面知情同意批准的协议符合赫尔辛基宣言开始实验性会议之前。
  2. 测试参与者在每只眼睛,立体视敏度(使用Randot立体声测试),和眼睛的主导地位。
  3. 建立动作捕捉系统。使用14种电磁传感器在240赫兹和运动追踪软件。高分辨率的记录系统,人新低深入分析运动的同时14传感器三个维度展开,即过去的研究缺乏。
    1. 在以下机身段将14传感器12采用设计优化了身体不受限制运动运动带:头部,躯干,左,右肩膀,左上臂,左前臂,左手腕,右上臂,右前臂,右手腕,右手的食指和右手的大拇指。
    2. 放置在刺激直接背后的目标位置的背面剩余的两个传感器来达到目标​​的空间相对三维的准确位置,将参与者的训练和试验块中。

3,实验步骤

  1. 将所有的刺激拿出来看从参与者在这个时候。关掉所有的灯,除了用来照亮刺激平台上的灯。暗淡的任何计算机屏幕,在使用运行的experiment使它们的光不会与连照明投射到该装置产生干扰。
  2. 在开始任何试验,告知实验流程的参与者。刺激回缩通知他们和灯光的关闭,一旦他们发起运动以解除他们的手断开关盒。提醒他们不要尝试按照回缩平台,但只抢在那里的目标是最后一次露面。演示如何抢在他们最后记得用接近它垂直于表面的感知看到的目标。
  3. 开始练习试验。这些试验允许参与者成为舒适与安装。没有测试激励的平台上 - 只有黑色板用于附加的刺激中心杆突起。指导参与者达到在中心柱和在完成拿不到的地方,把手背休息,在他/她自己的步伐;重复三次试验。注意:不给就如何retrac指令是很重要的t为手;此组件应该是自动的,下面有意识的控制。
  4. 开始训练试验。请参与者每次试验的余下的实验结束后,他/她的眼睛。而参与者的眼睛是闭着的,加盖训练刺激的MATLAB程序磁极的中心呼吁;训练刺激呈现的顺序由MATLAB程序,共8项试验,四为每个刺激随机。训练刺激有助于证明的河段弯曲时,要求抢在物理表面上代表在刺激实验中使用的目标的目标。
  5. 开始实验性试验。有三种刺激条件下的实验性试验:(1)reverspective下虚幻的知觉,如在图3420(REV-ILLU),(2)根据其实的知觉reverspective,如在图1e(REV-VER),和(3)适当的视角(PRO), 如图1c所示。回想条件行动(1)和(2)利用相同的物理reverspective刺激。
    1. 首先介绍了reverspective刺激。请参与者,如果他/她能够稳定的中间建筑“弹出了”对他/她的虚幻的知觉。如果参与者有麻烦稳定虚幻的知觉,放置一个去聚焦透镜上的非优势眼立体感减弱,以保持虚幻的知觉,同时保持距离达至目标18。如果参与者需要去聚焦透镜,那么一定要教他/她的每REV-ILLU审判之前穿上。
    2. 第一REV-ILLU经审讯,MATLAB程序将随机试验的顺序。对于每一个试验,让视刺激条件以下说明:
      REV-ILLU:“查看中间的建设作为弹出朝着你。”
      REV-VER:“查看中间的建设作为崩落在离你而去。”
      箴:“查看中间的建设作为弹出了对ÿOU。“
      一旦确认参加一个稳定的知觉,让他们抢的目标。进行12个试验为每个条件,共36实验性试验。

4,数据分析

  1. 分析变动的目标定向范围和自动撤消而言,首先,通过检测点时的运动速度,其引发后,接近零的瞬时速度分解的数据分成两个运动类。
  2. 寻找为每个刺激条件在手路径轨迹的曲率差异,在时间轨迹在3维数据集上执行威尔克的Lambda检验统计量在每个点。该威尔克的Lambda测试降低了似然比检验统计 ​​量Λ为标量值通过决定因素的方法来帮助我们推断的平均轨迹矢量REV-ILLU是否相似,REV-VER或PRO 22。
  3. 研究ORIEN向在目标定向范围的端部的目标的手tation,比较( 图5a由相对于目标的单位矢量垂直于表面的拇指,食指和手腕传感器位置所生成的单元的方法矢量之间所形成的角度和图5b)。

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Representative Results

1,手路径轨迹

结果显示为代表主题的VT。该威尔克的Lambda检验统计量允许我们的三维空间数据还原成一个标值所使用的决定因素。该威尔克的Lambda统计采用似然比检验 ,在广场和产品的“内”总和形成矩阵E,和广场和产品的“总”总和形式矩阵(E + H)。该规则指出,当 ,零假设被拒绝。在是的信任程度,oad/51422/51422eq5.jpg“宽度=”15“/>是变量或维数,并是自由度的假设和错误,分别在其中是的条件的数目和是试验次数。在我们的例子中, 。因此,我们得到从Rencher的方法多元一个发现的查表nalysis 22。

使用威尔克的Lambda测试显示REV-ILLU和REV-VER条件在前进,目标导向运动( 图3a)之间的统计学显著差异,如手路径轨迹分析在整个路径的行进( 图3d)。这种行为也被保留在如在图中( 图4a和4d)看到noninstructed回缩。正如所料,REV-VER和PRO条件之间的比较在正向和retractory变动显著差异( 图3b,3e中,图4b,图4E)。由于运动的展开是决定在方法上的差异至关重要,威尔克的λ值是基于手路径轨迹的完整( 图3d-3F的比例绘制,并与 REV-ILLU比较( 图3d)向前手路径轨迹威尔克的λ值是相似的在REV-VER PRO比较( 图3e)中找到。对于手的回缩( 图4d4e)也同样如此。该REV-ILLU和PRO条件并不在任何运动类显著不同,如基于路径的完成百分比在正向和缩回情况下,所有的λ值( 图3c,3F,4c4023)。

2,手的方向

当检查的手的方向,当它接近目标中的每个条件,汉在REV-VER例D-向量的方法从那些在REV-ILLU和PRO例( 图5c)不同。对感知目标REV-ILLU和适当的条件下的物理目标定向,当REV-ILLU和PRO条件产生类似手的姿势。对于REV-ILLU试验的平均值单元的方法和矢量的单位矢量垂直于靶表面之间形成的角度产生一个97.5197°±3.2228差异( 图5d)。回想一下,反向的角度刺激产生近90度的虚幻和不虚伪状态之间最大的差异。因此,这表明代表主题的VT面向她的手走向下虚幻的知觉感知的目标,而不是目标的物理位置。

图1
图1。正确-和REVERSE -透视刺激。(AC)正确,或“被迫”的观点。绘刺激的( )前视图。 二)正交视图。 ( 三)顶视图:一个凹现场演示了典型的接触轨迹为目标的箭头不虚伪知觉。 ( 一,DF)的逆向角度产生了两种知觉,在备件(e)所示及(f)。绘刺激的( )前视图。 ( 四)正交视图。 ( 五)顶视图:一个凸现场演示了典型的接触轨迹箭头的不虚伪知觉。 顶视图:一个凹场景虚幻的知觉-虚线所示-带出了典型的接触轨迹的箭头。虚线图表示的感知虚幻三维唯一形状。的对象的位置是不ACCURA德;事实上,虚幻的对象是故意朝观察者,以澄清接触不到的地方轨迹偏移。所有轨迹的曲率可以被夸大,以说明可能造成的差异,这取决于知觉。 ( 六)知觉对象提供了一个极好的测试,以查看该幻觉((六轨迹)),或由物理表面((e)条轨迹)的轨迹深远是否管辖。需要注意的是适当的和反向的角度共享相同的正视图(a)所示请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2。训练刺激。( (CD)的矩形板具有相同的方向在反向立体三维刺激中间建筑物的右侧壁。 (A,C)的俯视图来说明放置的面板,用箭头表示典型的接触轨迹的原理图。的轨迹的曲率可以被夸大,以说明差异。因为他们似乎参与刺激的(B,D)的照片。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
数字3,正向手路径轨迹分析( 交流电 )平均数轨迹绘制在白色的置信区间(有色管),用于在轨迹的反向透视其实的(REV-VER绿色),反向透视虚幻(REV-ILLU每个点在蓝色),以及适当的视角(在PROPER为目标导向,意向前运动红色)的条件。 (DF)的lambda值的条件下两两比较基于路径的完整的百分比。使用威尔克的Lambda测试,当 ,零假设被拒绝。 由虚线给出。 (d)中的REV-VER REV-ILLU及(e)REV-VER PROPER比较, (F)REV-ILLU PROPER .5比较, 因此条件之间的手路径轨迹不显著差异。 请点击这里查看这个数字的放大版本。

图4
图4。缩回手路径轨迹分析。(AC)在轨迹反向的角度不虚伪(REV-VER为绿色)每一个点绘制在白色的置信区间(彩色管)平均轨迹,反向的角度虚幻(REV- ILLU蓝色),并适当的视角(专有红色)条件下的手的自发的,自动回缩。 (DF)的lambda值的条件下两两比较基于路径的完整的百分比。使用威尔克的Lambda测试,当 ,零假设被拒绝。 由虚线给出。 (d)中的REV-VER REV-ILLU及(e)REV-VER PROPER比较, ,说明手路径轨迹之间的显著差异。对于(F)REV-ILLU 适当的比较, 因此康迪特之间手路径轨迹离子不显著差异。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5
图5。手取向。(a)该手的单位矢量的方法是通过设在拇指传感器,索引和腕的位置来定义。 二)单位(虚线)矢量垂直于靶面的正确视角(顶部)和反向透视(中部和底部)的刺激。根据虚幻的知觉(底部面板中,虚线),该矢量被认为是几乎垂直于该物理单位矢量(中间)。 ( 三)手工方式绘制向量为REV-VER(绿色),REV-ILLU(蓝色),和适当的(红色)试验,( 请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

我们的方法提供了一个平台,通过分析整个有关实验任务展开运动,以测试的感知动作模型的有效性。该模式可进行修改,以测试其他类型的视觉刺激,以扩大这方面的研究。例如,其他三维DIIS可以在设备进行测试,看自顶向下和自底向上的过程之间的相互作用如何翻译对各种刺激。该方法也可以适合于测试,可能有干扰感知和动作过程临床人群。此外,在我们的研究中使用的动作捕捉系统可以与其他类型的录音设备被替换为最适合的实验任务。因此,这些方法用于其他应用程序可能泛化持有显著的价值在人类行为研究的进步。

然而,如同任何技术,目前的模式也有其局限性。因为除去HAP的抽动反馈和在线可视化控制通过关闭指示灯和缩回的刺激,本研究并没有允许同时记录眼球运动与运动的结合执行的。眼球运动可以帮助确定参与者是否使用参考的非自我中心或自我中心框架采用自顶向下或自底向上的策略25。因为目前的设计不具有执行这种额外措施的能力,它被限制成只捕捉人体的运动功能。替代方法来消除触觉反馈和在线可视化控制,可寻求出捕捉眼球运动的措施。

除此之外挫折,实验设计具有比现有方法有几个优点。由于过去的研究主要集中在故意,目标方向的动作和结束点的数据,研究人员忽视了非指示,自动回缩任何影响,并且在实际unfoldi从开始运动休息的NG。这里介绍的协议考虑到了这两个故意和自动运动形式,以帮助在不同的感知状态建立一个更好的理解感觉运动行为。不像其他的策略,这种模式侧重于空间和时间的影响,以获得视觉动作循环有充分的认识。此外,在本实验中使用的reverspective刺激的强度胜过以往( 例如空心面的错觉)使用的其他DIIS作为它的配置产生下不虚伪和虚幻的状态接近90°的差异在感知表面方向同时保持足够接近的参与者因为他/她与它进行交互。这极大差异有助于自上而下工艺上的感觉运动行为中的作用的消歧。

由于对感觉运动过程自上而下影响的研究很重要,不只是在规范体系,而且在临床iCal的人群中,这一模式可能被证明是研究它们的有用工具。该协议的未来应用可能包括剪裁研究疾病如精神分裂症(深圳)。据了解,患者与深圳展览在自上而下的功能下降一定的亚群,并在知觉组织26-28已知问题。因此,了解如何转换到电机领域可以增进我们的知识来开发更好的诊断工具和治疗的深圳。

该协议是经过精心设计,调查的自上而下的过程上感觉运动行为中的作用,特别是当参与者被要求要达到上产生多个知觉刺激的目标。本协议中的关键步骤是在刺激的选择和从运动开始回到静止状态的高解析度动作捕捉的。此外,强大的统计分析有助于阐明是否虚幻的知觉会影响电机的策略。因为这个实验的设计允许的预期自然和自发运动行为的高分辨率记录,制定的分析平台可以帮助澄清一些长期争论的知觉 - 动作模型存在的问题。为代表性的主题VT的初步结果说明这种潜力。

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Disclosures

作者宣称没有竞争的财务权益。

Acknowledgments

作者要感谢视觉研究和感觉 - 运动整合实验室的实验室的成员,帮助学员跑在这项研究中,波林娜Yanovich,约书亚比斯和拓拔Isenhower帮助在最初的设计阶段,而汤姆恩典,他在建设刺激的帮助。这项工作是支持由下列来源:美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划:奖#DGE-0937373,美国国家科学基金会Cyber​​Enabled探索与创新I型(IDEA):授予#094158,和罗格斯大学,美国国立卫生研究院UMDNJ生物技术培训计划:格兰特# 5T32GM008339-22。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Laboratory bench
Slidable Track with Retractable Spring built in-house
Retractable Spring
Adjustable Lamps
Switch Box
Circuit Board
Arduino Smart Projects, Italy
MATLAB The MathWorks Inc., Natick, MA, USA
Randot-dot Stereo Test
Reverse-Perspective Stimulus built in-house
Proper-Perspective Stimulus built in-house
Training Stimuli built in-house
Polhemus Motion Capture System Liberty, Colchester, VT, USA
The Motion Monitor Motion-Tracking Software Innovative Sports Training, Inc., Chicago, IL
Sport Sweatbands
De-Focusing Lens

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