Métodos para pesquisar a influência de cima para baixo processos visuais em Comportamento Motor

Resumo

Não está claro como os sinais de cima para baixo a partir do corrente visual ventral afetar o movimento. Nós desenvolvemos um paradigma para testar o comportamento do motor para um alvo em uma ilusão inversão profundidade 3D. As diferenças significativas são relatadas em ambos, movimentos deliberados dirigidas a objetivos e ações automáticas sob condições de visualização ilusórias e verídicas.

Resumo

Atenção cinestésica é importante para navegar com sucesso no ambiente. Quando nos relacionamos com nosso ambiente diário, alguns aspectos do movimento são deliberadamente planejado, enquanto outras ocorrem espontaneamente abaixo da consciência. O componente deliberada dessa dicotomia tem sido extensivamente estudada em vários contextos, enquanto a componente espontânea permanece largamente sub-exploradas. Além disso, como os processos perceptivos modular essas classes de movimento ainda não está claro. Em particular, a questão atualmente debatida é se o sistema visuomotor é governada pela percepção espacial produzida por uma ilusão visual, ou se ele não é afetado pela ilusão e rege-se não por a percepção verídica. Percepts biestável como 3D ilusões inversão profundidade (DIIS) fornecem um contexto excelente para estudar essas interações e equilíbrio, especialmente quando usado em combinação com movimentos alcance-a-alcance. Neste estudo, a metodologia é desenvolvido que utiliza um DII para clarify o papel dos processos de cima para baixo na ação motora, principalmente explorando como chegar em direção a um alvo em uma DII são afetados em ambos os domínios movimento deliberado e espontâneas.

Introdução

Vision-para-Percepção vs Visão para-Ação

Para navegar com sucesso o ambiente, a informação do sistema visual é utilizado para ajudar a coordenar o movimento humano. Como a informação visual é selecionado e priorizado para influenciar ações motoras permanece obscuro. Duas projeções anatômicas importantes surgem a partir do córtex visual primário para formar o ventral ("o que", ou "visão de percepção") caminho, estendendo-se até a região temporal, eo dorsal ("onde", ou "visão para a ação") via , para o lobo parietal ^1-2. O fluxo ventral está implicado na utilização de informação visual para os processos perceptivos, tais como reconhecimento de objetos e de identificação, ao passo que o fluxo dorsal é pensado para processar sinais exclusivamente para orientação de ação e percepção espacial. A pergunta é se ou não processos de cima para baixo a partir do fluxo ventral moldar a forma em que os movimentos são executados.

O festudo de caso de paciente amous DF, avaliada pela Goodale e Milner em 1992, forneceu evidência forte e apoio à visuais hipótese de dois córregos, que afirma que os processos de fluxo ventral e dorsal são separáveis ​​para a percepção e ação ^3. Em teoria, os sinais de baixo para cima de paralaxe de movimento e disparidade binocular pode substituir top-down informação perceptual, como o conhecimento prévio e familiaridade, a fim de orientar com precisão as nossas ações, sugerindo que o planejamento motor é impermeável ao controle de fluxo ventral. DF, que sofria de forma agnosia visual causada por lesões occipitais bilaterais ventral, manteve a capacidade de preensão exata em direção aos objetos que ela tinha dificuldade em reconhecer, apoiar a premissa do visual hipótese de dois córregos ^3-4. Por causa de estudos de casos, como DF, assumiu-se que a dicotomia fluxo ventral-dorsal funcional também existiu em indivíduos saudáveis ​​não patológicas. No entanto, se esses resultados fornecem evidência de um absodivisão alaúde do trabalho para a percepção e ação em populações neurotypical foi muito debatido ao longo dos últimos vinte anos, ^5-10.

O Uso das Ilusões segregar percepção e ação

Para testar a hipótese visuais de dois córregos em indivíduos neurotypical, os pesquisadores empregam ilusões visuais para investigar como juízos perceptivos distorcidas do ambiente afetam nossas ações motoras. A ilusão de Ebbinghaus / Titchener, por exemplo, utiliza um alvo de disco rodeado por discos menores que parece ser maior do que o outro disco do mesmo tamanho rodeado por círculos maiores; isto é devido a um efeito de tamanho de contraste ^11. Quando os participantes chegar a compreender o destino de disco, se a hipótese de dois fluxos é verdade, então a abertura aperto da mão agarrando o alvo disco não seria afetado pela ilusão, fazendo com que o participante para atuar sobre a verdadeira geometria do disco alvo em vez de confiar em tamanho incorreto estim perceptualates. Aglioti et al. no relatório de fato esse comportamento, raciocínio que os processos visuais separados governam as ações qualificados e percepção consciente ^11. Por outro lado, outros grupos contestaram estes resultados, não encontrando a dissociação entre os processos de percepção e ação quando controlando cuidadosamente a adequação das tarefas de percepção e de apreensão, propondo uma integração de informações de fluxo visual ao invés de separação ^12. Apesar de vários estudos de acompanhamento realizados para validar ou refutar a hipótese de dois córregos visual usando a ilusão de Ebbinghaus, há peças concorrentes de evidência para apoiar ambos os lados do argumento ^13.

Para explorar ainda mais a influência da percepção visual em processos de ação, também têm sido utilizados 3D ilusões inversão profundidade (DII). Diis produzir movimento ilusório e reversão profundidade percebida de cenas em que os ângulos fisicamente côncavas são percebidos como convexa e vice-versa ^14. The HollowIlusão de rosto é um exemplo de uma DII que gera a percepção de um cara normal, convexo, embora o estímulo é fisicamente côncavo, implicando o papel das influências de cima para baixo, como o conhecimento prévio e preconceito convexidade para provocar a percepção ilusória ^15-16. Apesar dos esforços para caracterizar o comportamento motor no alcance no sentido de objectivos no oco da ilusão de face, a evidência permanece ambígua: um estudo relata um efeito sobre a saída do motor ¹⁷ enquanto outro não ^18. Estes estudos dependem de comparação de estimativas de profundidade de percepção até ao ponto final cálculos de distância de mão em relação a alvos localizados no Oco Ilusão de Rosto. Resultados conflitantes sobre as ações realizadas sobre este tipo de estímulos pode ser um resultado das variações nos métodos utilizados pelos pesquisadores. Porque a forma como a informação ventral e dorsal fluxo é utilizada ainda está a debater, esta controvérsia provoca a necessidade de um estímulo mais robusto, com medidas avançadas adicionais de behavio motorar.

Este é precisamente por isso que a técnica foi desenvolvida utilizando estímulos reversa perspectiva, comumente referido como "reverspectives", que formam outra classe de Diis ^14. Sugestões perspectiva linear que são pintados em superfícies planas por partes 3D produzir competição entre a geometria física do estímulo e da cena pintada real. Sinais sensoriais orientados por dados, tais como a disparidade binocular e movimento paralaxe favorecem a percepção verídica da geometria física, enquanto baseada na experiência familiaridade com perspectiva favorece a percepção de profundidade de inversão (Figura 1). A vantagem do reverspective é que ele permite a colocação de um alvo numa superfície estímulo cujo percebida orientação espacial sob a ilusão difere em cerca de 90 graus a partir da sua orientação física (figuras 1e e 1f). Esta enorme diferença facilita muito o teste se os movimentos alcance-de-agarramento são ou não são influenciados pela ilusão. Esta noção é fundamental para explorar ou não ações motoras realizadas no reverspective são afetados por influências de cima para baixo a partir do fluxo ventral.

Classes de Movimento em Modelos de percepção-ação

Se diferentes estratégias motoras são empregados sob percepções ilusórias e verídicas quando pegar em direção a um alvo em um estímulo reverspective, então ele pode ser facilmente rastreados por estudar a curvatura da abordagem da mão. Além disso, uma análise de todo o movimento de desdobramento desde o início do movimento de meta-dirigida para a retração espontânea, automática da mão de volta para seu estado de repouso pode ser de fato ignorar quaisquer deficiências encontradas nos métodos antigos de testes para a influência da percepção na saída do motor. Estudos recentes destacam a importância de se estudar o equilíbrio entre estas duas classes de circulação, bem como a utilização dos segmentos espontâneas pelos sistemas nervosos para contro preditivo e antecipatórial ^19-21,23-24. A classe recém estatisticamente definido de movimentos espontâneos-automática fornece novas métricas e recursos que acabam por ser tão crucial quanto as dirigidas a objetivos têm sido, até agora, para controlar as alterações sensório-motoras e quantificar aspectos sutis de comportamentos naturais.

Para o nosso conhecimento, a pesquisa existente sobre a hipótese de dois córregos visual só se concentra em atos dirigidos a objetivos, ignorando, assim, os efeitos sobre os movimentos de transição automáticos que são componentes importantes para completar o ciclo de ação visuomotor. A ênfase, portanto, deve ser colocado sobre a importância dos movimentos automáticos, a fim de capturar totalmente ambos os modos de comportamento motor no presente paradigma para esclarecer questões sobre modelos de percepção-ação visuais. Aqui métodos são desenvolvidos para investigar o papel da sinalização de cima para baixo na corrente ventral visual na modulação do comportamento motor no, domínio de ação dirigida a objetivos deliberada em conjunto com o espontâneo, o trânsitomovimentos ional usando um robusto DII reversa perspectiva de estímulo.

Análise racional

A hipótese é que, se os processos visuais de cima para baixo influenciar o sistema sensório-motor, as trajetórias de movimento completo em direção ao alvo incorporado na cena reversa perspectiva 3D sob a percepção ilusória será diferente da abordagem alvo provocada pela percepção verídica (Figuras 1e e 1f). Além disso, uma vez que a percepção ilusória do estímulo reverspective é muito similar ao obtido por uma adequada ("forçado") perspectiva estímulo, atinge realizada para um alvo incorporado no reverspective deve, portanto, ser semelhante em características ao atinge realizados sob a influência do ilusão sobre o estímulo reverspective (Figuras 1c e 1f).

Se influências visuais de cima para baixo não afetam a trajetória de movimento, em seguida, é a hipótese de que alcança feito under a percepção ilusória seria apresentar as mesmas características que alcances realizados sob a percepção verídica sobre o estímulo reverspective (Figura 1e). Em outras palavras, atinge Percept tanto ilusórios e veridical seria semelhante na natureza, de tal modo que os dois caminhos de trajectória para a frente poderia actuar sobre o verdadeiro geometria do estímulo. Como efeitos observados no alcance dianteiro traduzir na retração automática da mão é desconhecida. Empregando uma análise completa do motor, pretendemos avançar nossa compreensão da ação e da percepção loops para esclarecer as questões existentes na mão.

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Protocolo

1. Construindo o Aparelho de estímulo

1. Construir uma plataforma móvel em uma faixa de deslizamento. Cada estímulo irá ser colocado sobre a plataforma móvel de acordo com o tipo de ensaio chamado para.
2. Prenda o trilho sobre uma mesa a uma altura adequada que permita a plataforma de estímulo a ser ao nível dos olhos com o participante para se sentar em frente à mesa.
3. Anexar um mecanismo de mola retrátil para a plataforma de estímulo. Ligar a entrada para o mecanismo de mola para uma placa de circuito.
4. Coloque um conjunto de lâmpadas por trás do banco do participante, de frente para a plataforma de estímulo. É importante para iluminar a plataforma estímulo uniformemente porque iluminação desigual pode lançar sombras que interferem com a percepção ilusória. Conecte o conjunto de faróis para um conversor que liga a placa de circuito.
5. Coloque uma caixa de comutação para a borda da mesa mais próximo da onde o participante serão assentados. Os participantes colocam a mão na caixa de interruptor umat no início de cada prova e ativar o interruptor, assim que levantar sua mão para executar o movimento alcance. Ligue a entrada de caixa de interruptor para a placa de circuito.
6. Conecte cada pino da placa de circuito de saída para um pino do microcontrolador para controlar a ativação simultânea da retração da plataforma móvel via o mecanismo de mola eo desligamento de luzes de uma vez a caixa de interruptor é acionado. O estímulo deve retrair e as luzes devem desligar após o início do movimento de alcance em cada tentativa para evitar as correções visuais on-line e feedback tátil ocorra. A caixa de distribuição é empregado para que a retração estímulo eo início escuridão são realizados somente após o movimento começa, tornando esta uma tarefa alcance imediato.
7. Escreva um programa MATLAB que controla os sinais do microcontrolador. Use o código MATLAB para armazenar uma seqüência de ensaios e instruir o experimentador que estímulos e condições de visualização de usar para cada tentativa.
8. Construestímulos de treinamento t, o estímulo reversa perspectiva, eo estímulo perspectiva adequada (Figuras 1 e 2). Estímulos de treinamento consiste em dois painéis retangulares que representam o direito de superfície isolado parede do prédio meio embutido no estímulo reversa perspectiva eo estímulo perspectiva adequada. A finalidade dos estímulos de formação será discutido no procedimento experimental. Apor alvos planares disco vermelho para a direita da linha média dos estímulos.

2. Participantes

1. Obter o consentimento informado por escrito do IRB protocolo aprovado em conformidade com a Declaração de Helsinque, antes de começar a sessão experimental.
2. Teste o participante para a acuidade visual de cada olho, estereopsia (usando um teste Randot-Stereo), e dominância ocular.
3. Set-up do sistema de captura de movimento. Use catorze sensores eletro-magnética a 240 Hz e software de rastreamento de movimento. A alta resolução de al sistema de gravaçãobaixos para a análise em profundidade do desdobramento do movimento em três dimensões de catorze sensores simultaneamente, que estudos anteriores não têm.
   1. Coloque doze dos quatorze sensores nos seguintes segmentos corporais utilizando bandas de esportes projetados para otimizar o movimento irrestrito do corpo: cabeça, tronco, ombros direito e esquerdo, braço esquerdo, antebraço esquerdo, punho esquerdo, braço direito, antebraço direito, direito pulso, dedo indicador mão direita e polegar da mão direita.
   2. Coloque os restantes dois sensores na parte traseira dos estímulos diretamente atrás do local de destino para alcançar uma posição exata do alvo no espaço 3D em relação ao participante durante a formação e blocos experimentais.

3. Procedimento Experimental

1. Coloque todos os estímulos de vista do participante no momento. Desligar todas as luzes, exceto as lâmpadas usadas para iluminar a plataforma de estímulo. Dim quaisquer telas de computador que estão em uso para executar o experiment de modo que as suas luzes não interfiram com a iluminação mesmo projectado sobre o aparelho.
2. Antes de iniciar qualquer ensaios, informará o participante do fluxo de experiência. Notifique-los da retração estímulo e desligar das luzes, uma vez que iniciar o movimento, levantando a mão fora da caixa do interruptor. Lembre-lhes para não tentar seguir a plataforma retrátil, mas para apenas pegar para onde o alvo foi visto pela última vez. Demonstrar como agarrar onde último lembro de ter visto o alvo, aproximando-o normal à superfície percebida.
3. Comece provas práticas. Estes ensaios permitem que o participante tornar-se confortável com a configuração. Não há estímulo teste na plataforma - apenas uma placa preta com uma protrusão centro pólo usado para prender estímulos. Instruir o participante a chegar no pólo central e trazer a mão para trás para descansar após a conclusão do alcance, em sua / seu próprio ritmo; repita por três ensaios. Nota: É importante não dar instruções sobre como retraçãot da mão; este componente deve ser automática e abaixo controle consciente.
4. Iniciar os ensaios de treinamento. Peça ao participante para fechar o seu / seus olhos depois de cada ensaio para o restante do experimento. Enquanto os olhos do participante estão fechados, apor o estímulo de treinamento chamado no programa MATLAB para o pólo central; a ordem de apresentação do estímulo de treinamento é ao acaso pelo programa MATLAB para um total de oito provas, quatro para cada estímulo. Estímulos de treinamento ajudam a demonstrar a curvatura do alcance quando pediu para pegar em alvos em superfícies físicas representante dos alvos utilizados nos estímulos experimentais.
5. Comece ensaios experimentais. Há três condições de estímulo para os ensaios experimentais: (1) reverspective sob percepção ilusória, como na Figura 1-F (REV-ILLU), (2) reverspective sob percepção verídica, como na Figura 1e (REV-VER), e (3) -perspectiva adequada (PRO), como na Figura 1-C. Lembre-se que condiçõesções (1) e (2) utilizar o mesmo estímulo físico reverspective.
   1. Primeiro apresentar o estímulo reverspective. Peça ao participante se ele / ela pode estabilizar a percepção ilusória do prédio do meio "pulando para fora" em relação a ele / ela. Se o participante tem dificuldade em estabilizar a percepção ilusória, coloque uma lente com foco de no olho não dominante para enfraquecer estereopsia, a fim de preservar a percepção ilusória, mantendo a distância para atingir a meta de ^18. Se o participante requer a lente de focagem de, em seguida, certifique-se de instruir a ele / ela para colocá-los antes de cada ensaio REV-ILLU.
   2. Após o primeiro julgamento REV-ILLU, o programa MATLAB irá embaralhar a ordem dos julgamentos. Para cada ensaio, dá as instruções a seguir, dependendo da condição de estímulo:
      REV-ILLU: "Ver o edifício como meio pulando para fora para você."
      REV-VER: "Ver o edifício como meio cedendo longe de você."
      PRO: "Ver o edifício como meio pulando para fora em direção you. "
      Uma vez que o participante confirma uma percepção estável, pedir-lhes para agarrar o alvo. Realize doze ensaios para cada condição para um total de 36 ensaios experimentais.

4. Análise de Dados

1. Para analisar os movimentos em termos de alcance alvo-dirigida e retrações automáticos, primeiro decompor os dados em duas classes de movimento, detectando o ponto em que a velocidade do movimento, depois de seu início, se aproxima da velocidade instantânea zero.
2. Para olhar para as diferenças na curvatura das trajetórias de caminho de mão para cada condição de estímulo, executar Lambda teste estatístico do Wilk no conjunto de dados 3-dimensional em cada ponto no tempo durante a trajetória. O Lambda Teste de Wilk reduz a probabilidade estatística Λ teste para um valor escalar por meio de determinantes para nos ajudar a inferir se o vector de trajectória significativo para REV-ILLU é semelhante ao REV-VER ou PRO ^22.
3. Para o estudo da orientaçãoção da mão em direcção ao alvo no final do alcance meta-dirigida, comparar o ângulo formado entre o vector de abordagem unidade gerado pelas posições dos sensores polegar, indicador e do punho em relação à unidade de vector do alvo normal à superfície (Figuras 5a e 5b).

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Resultados

1. Mão Trajetórias de Caminho

Os resultados são apresentados para representativas Objecto VT. Lambda teste estatístico do Wilk permite a redução dos nossos dados espaciais tridimensionais para um valor escalar pelo uso de determinantes. Lambda estatística do Wilk usa o teste da razão de verossimilhança , Em que a soma "dentro" de quadrados e produtos formar matriz E, ea soma ...

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Discussão

Os nossos métodos de fornecer uma plataforma para testar a validade de modelos de percepção-ação através da análise de todo o desenrolar do movimento em relação à tarefa experimental. O paradigma pode ser modificado para testar outros tipos de estímulos visuais para ampliar essa área de pesquisa. Por exemplo, outro Diis 3D podem ser testados no aparelho para ver como as interações entre processos top-down e bottom-up traduzir a vários estímulos. Os métodos também podem ser adaptados para testar popula?...

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Materiais

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