Фреймворк для исследования перцептивного обучения с симуляцией потери центрального зрения

Резюме

Мы представляем разработку фреймворка для отображения взгляда, предназначенной для перцептивных и глазодвигательных исследований с симуляцией потери центрального зрения. Эта структура особенно пригодна для изучения компенсаторных поведенческих и глазодвигательных стратегий у лиц, испытывающих как симулированную, так и патологическую потерю центрального зрения.

Аннотация

Макулярная дегенерация (МД) является одной из основных причин ухудшения зрения в западном мире. Пациенты с МД склонны развивать стратегии спонтанных движений глаз, чтобы компенсировать потерю зрения, включая использование предпочтительного локуса сетчатки, или PRL, сохраненной периферической области, которую они чаще используют для замены поврежденной ямки. Тем не менее, не всем пациентам удается развить PRL, и даже когда им это удается, это может занять у них месяцы. В настоящее время не существует золотого стандарта реабилитационной терапии, а исследования в области МД еще больше затрудняются проблемами набора, соблюдения режима и сопутствующих заболеваний. Чтобы помочь решить эти проблемы, растущий объем исследований использует отслеживание взгляда и зависимые от взгляда дисплеи в моделируемой парадигме центральной потери зрения у людей с интактным зрением. В то время как симулированная потеря зрения качественно отличается от патологической потери центрального зрения, наша модель обеспечивает высококонтролируемую модель, с помощью которой можно изучать компенсаторные движения глаз и тестировать возможные реабилитационные вмешательства при слабом зрении. Разрабатывая комплексную структуру, а не полагаясь на изолированные и разрозненные задачи, мы создаем целостную среду, в которой мы можем проверять более масштабные гипотезы, что позволяет нам изучать взаимодействия между задачами, оценивать эффекты обучения по нескольким показателям и устанавливать последовательную методологию для будущих исследований. Кроме того, участники исследований симулированной потери центрального зрения демонстрируют сходство в их глазодвигательном компенсаторном поведении по сравнению с пациентами с МД. Здесь мы представляем основу для проведения исследований, зависящих от взгляда, связанных с симуляцией потери центрального зрения. Мы уделяем особое внимание использованию этой системы для тестирования поведенческих и глазодвигательных способностей здоровых людей по широкому спектру перцептивных задач, охватывающих различные уровни визуальной обработки. Мы также обсудим, как эта структура может быть адаптирована для обучения пациентов с МД.

Введение

Макулярная дегенерация (МД) является основной причиной ухудшения зрения во всем мире, и, по прогнозам, к 2040 году она затронет 248 миллионов человек во всем^мире. Поздняя стадия МД характеризуется поражением фоторецепторов в центре поля зрения (фовеа). Потеря центрального зрения оказывает серьезное влияние на повседневные задачи, требующие центрального зрения, такие как навигация^{2, чтение 3} и распознавание лиц⁴. Последствия МД оказывают значительное влияние на качество жизни^этих индивидуумов 5 и приводят к негативным психологическим последствиям⁶. У пациентов с МД, лишенных центрального зрения, могут спонтанно развиваться компенсаторные глазодвигательные стратегии, включающие использование периферической области сетчатки для замены ямки (Рисунок 1). Эта область, называемая предпочтительным локусом сетчатки (PRL)⁷, часто используется пациентами для выполнения задач, связанных с фиксацией, чтением и распознаванием лиц. Имеются данные о том, что у пациентов с МД ПРЛ берет на себя глазодвигательные функции фовеи ^8,9. Кроме того, у пациентов с потерей центрального зрения наблюдаются изменения во внимании и когнитивном контроле, что свидетельствует о взаимосвязи между потерей зрения и когнитивными^{функциями.}

Рисунок 1. Иллюстрация перцептивного опыта людей со здоровым зрением и пациентов с макулярной дегенерацией и фовеальной скотомой. Фовеальная скотома приводит к потере центрального зрения у пациентов с макулярной дегенерацией. Некоторые люди могут частично компенсировать потерю зрительного ввода в ямку с помощью периферического расположения сетчатки, определяемого как предпочтительный локус сетчатки (PRL). У пациентов, у которых развился PRL, это часто используется для эксцентрической фиксации и во время выполнения повседневных задач. Расположение, форма и размер ПРЛ на сетчатке могут варьироваться от человека к человеку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Несмотря на то, что не существует золотого стандарта вмешательства для восстановления потери зрения или компенсации потери центрального зрения, экспериментальные подходы оптометрии, трудотерапии и науки о зрении тестируются для улучшения компенсации за счет периферического^{зрения.} Окуломоторные подходы сосредоточены на обучении пациентов улучшению контроля движений глаз и координации, в том числе на обучении их использованию более адекватного PRL 11,12,13,14,15, в то время как перцептивные вмешательства сосредоточены на улучшении общих периферических зрительных способностей или зрения в пределах PRL, частичном преодолении ограничения периферического зрения 16,17,18.^19,20. В недавних исследованиях в качестве парадигмы для изучения движений глаз при потере центрального зрения использовался дисплей на основе отслеживания взгляда 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Этот подход, в котором используется смоделированная скотома (т.е. окклюдер для обструкции центральной области поля зрения) у здоровых людей (рис. 1), смягчает проблемы рекрутинга и комплаентности, обеспечивая при этом высокий контроль по нескольким параметрам, таким как размер и форма скотомы, тем самым предлагая многообещающую альтернативу прямому участию пациентов с МД. Несмотря на то, что существует несколько различий между потерей центрального зрения и симулированной скотомой^30,31, некоторые глазодвигательные функции, наблюдаемые у первых, такие как развитие PRL, можно наблюдать у вторых 27,30,32, что позволяет предположить, что некоторые аспекты компенсаторных глазодвигательных стратегий могут быть вызваны этой парадигмой, зависящей от взгляда. Важно отметить, что симуляция потери центрального зрения обеспечивает широкую основу для изучения пластичности как в здоровой зрительной системе, так и в последующей потере центрального зрения.

В этой статье мы представляем дизайн, разработку и использование зависимой от взгляда структуры, которая может быть использована для тестирования перцептивных, глазодвигательных и зрительных функций у здоровых людей и, с некоторыми модификациями, у пациентов с МД (рис. 2). Мы также подробно описываем технические и психофизические аспекты, которые сопровождают ориентированную на взгляд, периферическую тренировку. Ключевая техническая задача заключается в создании ощущения плавного движения scotoma³³ с короткой задержкой. Эта короткая задержка достигается путем выбора подходящих устройств отображения, айтрекеров и операционных систем 34,35,36. В предыдущей работе было задокументировано, как каждый компонент аппаратного обеспечения добавляет задержку³⁷ и стратегии для уменьшения общей задержки, компенсации моргания и медленных движений глаз³³. Новым аспектом нашей парадигмы является разнообразный набор задач по обучению и оценке в рамках единой структуры для исследования восприятия как у здоровых, так и у пациентов. Эта структура характеризует несколько уровней визуальной обработки, на которые влияет потеря центрального зрения, в частности, зрение низкого уровня, зрение высокого уровня, внимание, глазодвигательный контроль и когнитивный контроль. Предварительные тесты, проведенные с использованием модифицированной версии этого подхода, показали признаки улучшения остроты зрения как у здоровых людей, так и у пациентов³².

Рисунок 2. Многомерный подход к изучению пластичности зрительной системы и реабилитации зрения при макулярной дегенерации. Иллюстрация взаимосвязанных измерений, таких как зрительное восприятие, глазодвигательный и когнитивный контроль, которые способствуют обработке зрительной информации и влияют на потерю центрального зрения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

протокол

Все участники были здоровыми людьми с остротой зрения 20/40 или выше и без известных проблем со зрением. Оба репрезентативных участника – женщины, возраст их составляет 27 и 24 года. Все участники дали информированное согласие, и исследование получило одобрение Институционального наблюдательного совета (IRB) Университета Алабамы в Бирмингеме.

1. Определение идеальной системы для исследования симуляции потери центрального зрения

1. Определите систему, которая эффективно передает информацию от айтрекера к программному обеспечению для генерации стимулов в непрерывном цикле. Используйте методы, описанные в^{пункте 37} , для измерения задержки различных комбинаций систем, чтобы определить систему с наименьшей задержкой.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 3 показано сравнение совокупной задержки четырех различных комбинаций систем, состоящих из двух трекеров движения глаз (EyeLink 1000 Plus Tower Mount и TRACKPixx3), двух устройств отображения (CRT Monitor (частота обновления = 100 Гц) и Display++ (частота обновления = 120 Гц)) и двух операционных систем (Windows 10 и Mac iOS). Каждая комбинация измерялась 20 раз. Результаты показали, что задержка системы была самой низкой при использовании айтрекера Vpixx TrackPixx3 в сочетании с операционной системой Windows 10.

Рисунок 3: Сравнение задержек между различными комбинациями мониторов, устройств отслеживания движения глаз и операционных систем. Столбцы представляют собой стандартное отклонение ± 1 за 20 повторений на комбинацию. Меры были приняты на телефоне с операционной системой Mac в режиме замедленной съемки, достигая частоты обновления 240 Гц. TP/CRS/Win статистически отличается от E1000/CRT/Mac (t(38)=9.53, p<0.001), E1000/CRS/Mac (t(38)=16.24, p<0.001) и E1000/CRS/Win (t(38)=3.94, p<0.001). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

2. Ознакомление участников с симуляцией потери центрального зрения с помощью дисплея, зависящего от взгляда.

ПРИМЕЧАНИЕ: Фундаментальным компонентом моделирования потери центрального зрения является ознакомление участников с отображением, зависящим от взгляда. Без надлежащего ознакомления измерения способностей могут быть объединены с усилиями участников по навигации по дисплею, зависящему от взгляда. Несколько ключевых шагов в протоколе обеспечивают достаточное ознакомление с дисплеем, зависящим от взгляда, чтобы иметь возможность надежно измерять зрительную производительность.

1. Предоставьте участникам аудиовизуальные инструкции о задаче, которую они будут выполнять во время конкретного сеанса. Для каждой задачи имейте отдельную видеоинструкцию со снимками экрана из реальной задачи. Затем объясните инструкции устно, чтобы убедиться, что участник хорошо понимает, чего ожидать от данного задания.
2. Предоставьте участникам практические испытания перед началом выполнения каждого из основных заданий. Это дает возможность уточнить любые вопросы, связанные с задачей.
3. Во время первого визита, перед выполнением задач, зависящих от взгляда, проведите тренинг по фиксации участников, где они учатся размещать свою симулированную скотому в белом центральном поле на экране на разное время, при этом пространственная толерантность увеличивается в разных испытаниях, игнорируя при этом дистракторы, которые могут появиться на экране.
4. Кроме того, проведите для участников вводное задание по PRL, которое призвано способствовать развитию PRL-подобного поведения. В этом задании попросите участников посмотреть на случайно расположенный на экране непрозрачный диск, который покрывает цель (например, Landolt C), и переместите скотому ближе к непрозрачному диску, чтобы показать цель.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Глазодвигательный анализ этой задачи может указать на раннюю PRL-подобную локацию, которая впоследствии может быть использована в качестве локуса обучения. В этой экспериментальной парадигме круглая центральная скотома имела угол зрения 10°. Эти шаги позволяют участникам ознакомиться с дисплеем, зависящим от взгляда, и подготовить их к выполнению широкого спектра перцептивных оценок и тренировочных заданий с использованием периферического зрения.

3. Разработка эффективных инструкций

ПРИМЕЧАНИЕ: Инструкции играют решающую роль в руководстве участников о том, как реагировать на стимулы и управлять своей смоделированной скотомой во время выполнения различных задач. Соответствующие инструкции должны быть подробными и четкими, чтобы избежать путаницы. Инструкции следует повторять по мере необходимости, чтобы обеспечить понимание.

1. Обучающие видео
   1. Визуальная демонстрация: Предоставьте видеоролики, которые наглядно демонстрируют каждый шаг задачи. Видеоролики должны четко иллюстрировать, как правильно управлять смоделированной скотой во время выполнения задачи и как реагировать на раздражители.
   2. Повествование: Предоставьте краткий сценарий, разработанный для сопровождения визуальной демонстрации, который объясняет процесс простыми словами. Убедитесь, что язык прост для понимания, и избегайте технической терминологии.
2. Устные инструкции по сценарию
   1. Последовательность: Используйте стандартизированный сценарий для устных инструкций, чтобы обеспечить согласованность между различными сеансами и участниками. Пример: На протяжении всего задания будет несколько перерывов, чтобы дать глазам отдохнуть. Во время этих перерывов обязательно держите голову на подбородке. Когда вы будете готовы продолжить задачу, нажмите пробел, и задача начнется снова.
   2. Ясность: Говорите медленно и четко - обязательно подчеркните все важные аспекты задачи.
3. Наглядные инструкции
   1. Инструкции на экране: Предоставьте письменные указания на экране, которые участники могут прочитать до и во время выполнения заданий. Используйте короткие предложения для ясности с наглядными пособиями, чтобы продемонстрировать стимулы, с которыми участник может столкнуться во время выполнения каждого задания.

4. Разработка и реализация заданий на оценку

ПРИМЕЧАНИЕ: Задачи, разработанные в рамках этой схемы, в целом делятся на две основные категории: (1) Задачи на свободное движение глаз и (2) Задачи с ограниченной фиксацией. В заданиях на свободное движение глаз позвольте участникам делать движения глаз по экрану, чтобы идентифицировать цели, появляющиеся в случайных местах на экране (или прочитать текст), в то время как в заданиях с ограничением фиксации попросите участников сохранять фиксацию в центральном белом квадрате на протяжении всего задания и использовать свое периферийное зрение для вынесения суждений. На рисунке 4 показаны примеры задач и описания для каждой категории. Более подробную информацию о заданиях можно найти в^{разделе 38}.

Рисунок 4: Визуальное представление различных заданий по оценке, разработанных с использованием фреймворка. Задания в целом подразделяются на задания со свободным движением глаз, где скотома следует за движениями глаз участников, чтобы свободно видеть цели (верхняя панель), и задачи с ограниченной фиксацией, где скотому необходимо поместить в центральную белую рамку на протяжении всего задания (нижняя панель). Эта цифра была изменена с³⁸. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

1. Задания на свободное движение глаз
   ПРИМЕЧАНИЕ: Задания на свободное движение глаз измеряют поведение участников при движении глаз во время выполнения заданий. Они способствуют пониманию движений глаз в контексте натуралистических задач, таких как чтение и визуальный поиск.
   1. Обучающие видео/устные инструкции
      1. Предоставьте участнику обучающее видео и устные инструкции по сценарию до начала калибровки.
   2. Калибровка
      1. Выполняйте проверки предыдущих калибровок между задачами и дополнительные калибровки, если проверки неудовлетворительные или когда участники делают перерывы между задачами.
   3. Бесплатный просмотр методов, специфичных для задачи
      1. Выполняйте задания для свободного просмотра, которые инструктируют участников выполнять различные действия, используя свой взгляд, а не фиксироваться на одной области. Выберите для выполнения задачи один из следующих вариантов.
      2. Поднесите скотому к сигналу, что вызовет появление стимула. Сохраняйте фиксацию на определенном месте экрана в течение определенного периода времени. Выполняйте стандартные задачи, такие как чтение или визуальный поиск, при этом центральное зрение закрыто скотомой.
      3. В начале заданий предоставьте участникам инструкции на экране, а затем проведите ряд практических испытаний. После завершения практических испытаний дайте напоминания, прежде чем переходить к задаче. Перед измерением производительности убедитесь, что участники понимают и продемонстрировали мастерство использования визуальных схем, необходимых глазодвигательных действий и характеристик реакции каждого задания.
      4. Предоставьте участникам звуковую обратную связь, указывающую на точность их ответов по мере выполнения каждого задания, так как визуальная обратная связь может быть упущена из-за использования скотомы.
      5. Включайте перерывы продолжительностью до 1 минуты в каждую задачу, чтобы снизить вероятность усталости от тестирования. Делайте перерывы продолжительностью 3 минуты или дольше в течение нескольких дней, которые включают более длительные сеансы оценки, чтобы снизить вероятность усталости от тестирования.
2. Задачи с ограничениями фиксации
   ПРИМЕЧАНИЕ: Задания с ограниченной фиксацией полезны для проверки или тренировки периферического зрения в определенных местах поля зрения. Эти задачи подходят для тестирования как раннего, так и среднего уровня визуальной обработки, включая остроту зрения, контрастную чувствительность, скученность и т. д., а также высокоуровневую визуальную обработку, включая экзогенное и эндогенное внимание. Для выполнения этих задач важно, чтобы участники научились поддерживать устойчивую фиксацию, чтобы выполнение задачи не смешивалось с ресурсами внимания, предназначенными для устойчивой фиксации. Во время выполнения этих заданий участников просят удерживать центральное зрение сфокусированным на центре экрана с помощью средств фиксации (рисунок 5B), реагируя на стимулы, которые появляются в их периферическом зрении.
   1. Обучающие видео/устные инструкции
      1. Предоставьте участнику обучающее видео и устные инструкции по сценарию до начала калибровки.
   2. Калибровка
      1. Выполняйте проверки предыдущих калибровок между задачами и дополнительные калибровки, если проверки неудовлетворительные или когда участники делают перерывы между задачами.
   3. Методы, специфичные для задачи с ограничениями фиксации
      1. Во время заданий с ограниченной фиксацией попросите участников сохранять положение головы в подбородке в течение всего задания, следя за тем, чтобы калибровка оставалась как можно более точной в исходном положении на протяжении всего процесса.
      2. Предоставьте участникам инструкции на экране, а затем серию практических испытаний. После завершения практических испытаний выдайте на экране набор инструкций с напоминанием, прежде чем переходить к задаче.
      3. Во время выполнения этих заданий попросите участников удерживать центральное зрение сфокусированным на центре экрана с помощью приспособлений для фиксации (белая прямоугольная фиксирующая коробка), реагируя на стимулы, которые появляются в их периферийном зрении по обе стороны от фиксирующей коробки.
      4. Попросите участников ответить указательным пальцем правой руки на пятикнопочном поле для ответов, расположенном справа от них во время оценивания. Если фиксация не поддерживается, стимул не будет предъявлен и истечет время ожидания, если фиксация не будет возобновлена.
      5. Предоставьте участникам звуковую обратную связь, указывающую на точность их ответов по мере выполнения каждого задания, поскольку, опять же, визуальная обратная связь может быть упущена из-за использования скотомы.
      6. Включайте перерывы продолжительностью до 1 минуты в каждую задачу, чтобы снизить вероятность усталости от тестирования. Делайте перерывы продолжительностью 3 минуты или дольше в течение нескольких дней, которые включают более длительные сеансы оценки, чтобы снизить вероятность усталости от тестирования.
3. Разработка соответствующих дисплеев фиксации
   ПРИМЕЧАНИЕ: Задачи, связанные с периферически представленными мишенями и смоделированной скотомой, препятствующей центральному зрению, представляют трудности при попытке оценить производительность в ретинотопически определенном месте. Действительно, даже при фовеальных задачах глаза совершают небольшие, непроизвольные движения в виде дрейфа и микросаккад). Таким образом, для оптимизации стабильности фиксации необходимо тщательно продумать разработку приспособлений для фиксации.
   1. Разработайте конструкцию фиксирующего приспособления, которая включает в себя как большой фиксирующий крест, так и фиксирующую коробку (Рисунок 5). Проинструктируйте участников о необходимости удерживать непрозрачный окклюдер в фиксирующем боксе и использовать длинные плечи фиксирующего креста в качестве ориентира для центра экрана.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эта конструкция сочетает в себе как яблочко, так и перекрестие визуальных средств, которые, как было показано, приводят к наилучшей стабильности фиксации³⁹. Кроме того, благодаря наличию как фиксирующей коробки, так и фиксирующего креста, эта конструкция может быть легко использована в трансляционных контекстах для тестирования пациентов с потерей центрального зрения, как в случае с пациентами с МД.
4. Оптимизация адаптивных процедур для точного измерения производительности
   ПРИМЕЧАНИЕ: Важнейшим аспектом внедрения различных оценок является возможность быстрой и успешной оценки пороговых значений производительности в подмножестве этих задач (в частности, остроты зрения, контрастной чувствительности, скученности и интеграции контуров). Проблема заключается в том, что обычные лестницы могут медленно сходиться и достигать производительности, близкой к порогу, что вызывает разочарование и усталость. Чтобы обойти это, мы внедрили трехэтапную процедуру оценки выполнения этих заданий участниками.
   1. На первом этапе попросите участников выполнить 12 пробных попыток до начала эксперимента. Во время второго этапа используйте лестницу 1-вверх 2-вниз, которая заканчивается после 3 разворотов вниз (т.е. направление изменения стимула, от вниз (сложно) к вверх (легко), также см. раздел репрезентативных результатов), за которым следует третий этап, состоящий из обычной лестницы 1-вверх 3-вниз, которая заканчивается после 60 попыток.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пилотные исследования показали, что эта процедура позволяет достичь надежных пороговых значений для большинства задач (острота зрения, скученность и контрастная чувствительность). Однако для выполнения некоторых задач могут потребоваться другие методы, особенно когда производительность может сильно различаться у разных участников. Например, в задаче интегрирования контуров, после первого этапа процедуры (практики), была реализована дополнительная процедура. Сложность задачи определялась с помощью метода прогрессивной лестницы, при котором колебание ориентации (0°, 1°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°, 12°) увеличивалось каждые три попытки, в общей сложности 24 попытки. Затем второй и третий этапы процедуры (адаптивная лестница) продолжились в обычном режиме. В целом, для разных задач могут потребоваться немного разные адаптивные процедуры. Тем не менее, трехступенчатый подход позволяет участникам практиковаться и быстро входить в диапазон своего порога, а также обеспечивает детальное измерение в этом диапазоне.

Рисунок 5: Приспособления для фиксации, используемые для повышения стабильности фиксации у участников. (A) Фиксирующий крест и фиксирующий бокс использовались для задач по стабилизации фиксации. (Б) Фиксирующий крест, фиксирующий бокс и черный крест в центре использовались в задачах на низкоуровневое зрение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Результаты

В этом разделе мы представляем иллюстративные данные как по свободному движению глаз, так и по задачам с ограниченной фиксацией. Цель этого раздела — проиллюстрировать данные, полученные с помощью фреймворка, и его способность измерять периферические зрительные фун...

Обсуждение

В этой методологической статье мы представляем ориентированную на взгляд структуру для проведения перцептивных исследований при симулированной центральной потере зрения, в которой особое внимание уделяется аппаратным, дизайнерским и методологическим соображения...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
CRT Monitor	ViewSonic PF817 Professional Series CRT, ViewSonic Corp.		https://www.viewsonic.com/us/monitors.html?srsltid= AfmBOorEmjc67A5U2v2V wywNRHWzdrxcYx7Q3Y0 9tiNrnbs6FC4TPlc9
Display++ LCD Monitor	Cambridge Research Systems		https://www.crsltd.com/tools-for-vision-science/calibrated-displays/displaypp-lcd-monitor/
Eye Tracker	EyeLink 1000 Plus Tower Mount, SR Research		https://www.sr-research.com/eyelink-1000-plus/
Eye Tracker	Vpixx Technologies Inc.		www.vpixx.com
Macintosh IOS	Apple Inc.		https://www.apple.com/mac/
Windows 10	Microsoft Inc.		https://www.microsoft.com/en-us/