Methoden om Ontdek de invloed van Top-down Visual Processen op motorisch gedrag
Summary
Het is onduidelijk hoe top-down signalen van de ventrale visuele stroom beïnvloeden beweging. We ontwikkelden een paradigma motorisch gedrag naar een doel te testen op een 3D-diepte inversie illusie. Significante verschillen worden gerapporteerd in zowel bewuste, doelgerichte bewegingen en automatische acties onder illusoir en veridical kijkcondities.
Abstract
Kinesthetische bewustzijn is belangrijk voor het milieu succesvol te navigeren. Toen we met onze dagelijkse omgeving, zijn sommige aspecten van de beweging opzettelijk, terwijl anderen spontaan optreden hieronder bewustzijn. De bewuste onderdeel van deze tweedeling is uitgebreid bestudeerd in verschillende contexten, terwijl de spontane component grotendeels onderbelicht. Bovendien, hoe perceptuele processen moduleren deze beweging klassen is nog onduidelijk. In het bijzonder, een momenteel gedebatteerd vraag is of de visuomotorische systeem wordt beheerst door de ruimtelijke waarneming die door een visuele illusie of dat het wordt niet beïnvloed door de illusie en wordt in plaats daarvan beheerst door de 'paranormale waarneming. Bistabiele waarnemingen zoals 3D diepte inversie illusies (DiiS) een uitstekende context dergelijke interacties en balansonderzoek, vooral wanneer gebruikt in combinatie met een bereik te begrijpen bewegingen. In deze studie wordt een methode ontwikkeld die een DII gebruikt om clarify de rol van top-down processen op de motor optreden, met name onderzoeken hoe bereikt naar een doel op een DII worden beïnvloed in zowel bewuste en spontane beweging domeinen.
Introduction
Vision-voor-Perceptie versus Vision-voor-actie
Om het milieu succesvol te navigeren, wordt de informatie uit het visuele systeem gebruikt om te helpen coördineren menselijke beweging. Hoe visuele informatie wordt geselecteerd en geprioriteerd om motorische handelingen beïnvloeden, blijft onduidelijk. Twee belangrijke anatomische projecties voortvloeien uit de primaire visuele cortex aan de ventrale vormen ("wat", of "visie voor de waarneming") weg, uit te breiden tot de temporale gebied, en de dorsale ('waar' of 'visie voor actie ") pathway , de pariëtale kwab 1-2. De ventrale stroom wordt betrokken bij het gebruik van visuele informatie voor perceptuele processen zoals object herkenning en identificatie, terwijl de dorsale stroom wordt gedacht om signalen uitsluitend verwerken voor actie begeleiding en ruimtelijk inzicht. De gestelde vraag is of top-down processen van de ventrale stroom vorm aan de manier waarop de bewegingen worden uitgevoerd.
De famous case study van Patiënt DF, geëvalueerd door Goodale en Milner in 1992, levert sterke aanwijzingen en ondersteuning voor de visuele twee-stromen hypothese, die beweert dat de ventrale en dorsale stroom processen scheidbaar zijn voor de perceptie en actie 3. In theorie kan bottom-up signalen van bewegingsparallax en binoculaire dispariteit top-down perceptuele informatie zoals voorkennis en vertrouwdheid om zo nauwkeurig mogelijk te begeleiden onze acties overschrijven, wat suggereert dat de motorische planning is ongevoelig voor ventrale stroom controle. DF, die van visuele vorm agnosia veroorzaakt door bilaterale ventrale occipitale letsels opgelopen, behield accurate grijpen vermogen naar objecten die ze moeite herkennen had, ondersteunen het uitgangspunt van de visuele twee-stromen hypothese 3-4. Omwille van case studies als DF, werd ervan uitgegaan dat de functionele ventrale-dorsale stroom tweedeling bestond ook bij gezonde, nonpathological individuen. Echter, ongeacht of deze bevindingen leveren bewijs voor een absoluit werkverdeling voor de perceptie en actie in neurotypical bevolking is fel gedebatteerd over de afgelopen twintig jaar 5-10.
Het gebruik van Illusies te Perceptie en Actie Scheiden
Om de visuele twee-stromen hypothese in neurotypische proefpersonen testen, onderzoekers in dienst visuele illusies te onderzoeken hoe scheef perceptuele arresten van het milieu aantasten onze motorische handelingen. De Ebbinghaus / Titchener illusie, gebruikt bijvoorbeeld een schijf doel omringd door kleinere schijven die lijkt groter dan de andere schijf van dezelfde grootte omringd door grotere kringen; Dit is het gevolg van een maat-contrast effect 11. Wanneer deelnemers bereiken om de schijf doel te begrijpen, als de twee-stromen hypothese geldt, dan is de grip opening van de hand grijpen op de schijf doelwit zou worden beïnvloed door de illusie, waardoor de deelnemer op te treden op het ware geometrie van de schijf doel plaats van te vertrouwen op onjuiste perceptuele grootte estimates. Aglioti et al.. in feite het verslag van dit gedrag, redenerend dat aparte visuele processen regeren bekwame acties en bewuste waarneming 11. Daarentegen hebben andere groepen deze resultaten betwist, vinden geen dissociatie tussen perceptie en actie processen wanneer een zorgvuldige controle van de matching van perceptuele en grijpen taken, stelt een integratie van visuele informatie stroom in plaats van een scheiding 12. Ondanks verschillende follow-up studies uitgevoerd om te bevestigen of weerleggen de visuele twee-streams hypothese met behulp van de Ebbinghaus Illusie, zijn er concurrerende bewijsstukken aan beide kanten van het argument 13 ondersteunen.
Om de invloed van de visuele waarneming op actie processen verder te verkennen, zijn 3D-diepte inversie illusies (DII) ook gebruikt. DIIS produceren illusoire beweging en perceptie van de diepte omkering van scènes waarin fysiek concave hoeken worden gezien als convexe en vice versa 14. The HollowGezicht Illusion is een voorbeeld van een DII dat de perceptie van een normaal, bolle gezicht genereert Hoewel de prikkel is fysiek concave, wat impliceert de rol van top-down invloeden zoals voorkennis en convexiteit vertekening om de illusoire waarneming 15-16 ontlokken. Ondanks inspanningen om motorisch gedrag te karakteriseren in het bereiken van de streefcijfers op de Holle Gezicht Illusion, bewijs blijft dubbelzinnig: een studie meldt een effect op de uitgang van de motor 17 en de andere niet 18. Deze studies baseren op het vergelijken van perceptuele diepte schattingen berekeningen afstand van de hand ten opzichte eindpunt om doelen op de Holle Gezicht Illusion. Tegenstrijdige resultaten op acties die op dit type stimuli kan een gevolg van de variaties in methoden die door onderzoekers. Omdat de wijze waarop de ventrale en dorsale stroom informatie wordt gebruikt is nog steeds aan het debat, deze controverse vonken de behoefte aan een meer robuuste stimulans met extra geavanceerde maatregelen van de motor gedragsproblemenr.
Juist daarom een techniek ontwikkeld met behulp van reverse-perspectief stimuli, gewoonlijk aangeduid als "reverspectives", welke andere klasse van DIIS 14 vormen. Lineair perspectief cues die zijn geschilderd op piecewise 3D vlakke oppervlakken produceren concurrentie tussen de fysieke geometrie van de stimulus en het eigenlijke geschilderde tafereel. Data-driven zintuiglijke signalen, zoals verrekijker ongelijkheid en bewegingsparallax het voordeel van de 'paranormale waarneming van de fysieke geometrie, terwijl ervaring gebaseerde vertrouwdheid met perspectief is voorstander van de diepte-inversie waarneming (figuur 1). Het voordeel van de reverspective is dat het zorgt voor het plaatsen van een doel op een stimulus oppervlak waarvan de waargenomen ruimtelijke oriëntatie in de illusie verschilt bijna 90 graden van de fysieke oriëntatie (fig. 1e en 1f). Dit enorme verschil aanzienlijk vergemakkelijkt testen of bereik-voor-grijpen bewegingen wel of niet influenced door de illusie. Dit begrip is de sleutel tot het verkennen of motorische acties uitgevoerd op de reverspective worden beïnvloed door top-down invloeden uit de ventrale stroom.
Beweging Klassen in Perceptie-Actie Modellen
Als er verschillende motor strategieën worden ingezet onder illusoir en paranormale waarnemingen bij het grijpen naar een doel op een reverspective stimulus, dan kan het gemakkelijk worden bijgehouden door het bestuderen van de kromming van de hand van aanpak. Bovendien is een analyse van het volledige ontplooiing beweging vanaf de initiatie van de doelgerichte beweging aan de spontane, automatische terugtrekking van de hand terug naar zijn rusttoestand kan in feite bypass eventuele tekortkomingen in het verleden testmethoden voor perceptuele invloed op de uitgang van de motor. Recente studies benadrukken het belang van het bestuderen van het evenwicht tussen deze twee bewegingen klassen en het gebruik van de spontane segmenten van de zenuwstelsel voorspellende en anticiperend control 19-21,23-24. De nieuw statistisch gedefinieerde klasse van spontane-automatische bewegingen biedt nieuwe metrics en functies die blijken van cruciaal belang te zijn als de doelgerichte die tot nu toe zijn geweest om sensomotorische veranderingen te volgen en om subtiele aspecten van het natuurlijke gedrag te kwantificeren.
Voor zover ons bekend, bestaand onderzoek op het visuele twee-stromen hypothese richt zich alleen op doelgerichte handelingen, zodat er geen effecten op de automatische overgangsregeling bewegingen die belangrijke componenten aan het voltooien van de visuomotorische actie lus zijn negeren. De nadruk moet daarom op het belang van automatische bewegingen worden geplaatst om beide vormen van motorisch gedrag in de huidige paradigma volledig vast te leggen om kwesties met betrekking tot visuele perceptie-actiemodellen verduidelijken. Hier methoden ontwikkeld om de rol van top-down signalering in de beeldende ventrale stroom te onderzoeken op het moduleren van motorisch gedrag in de bewuste, doelgerichte actie domein in combinatie met spontane, transitional bewegingen met behulp van een robuuste DII omgekeerde perspectief stimulus.
Motivering
Er wordt verondersteld dat, als top-down visuele processen beïnvloeden de sensomotorische systeem, vol beweging trajecten naar de embedded doel in het 3D reverse-perspectief scène onder de illusoire waarneming zal verschillen van de doelgroep benadering opgewekt door de 'paranormale waarneming (Cijfers 1e en 1f). Aangezien de illusoire waarneming van de reverspective stimulus is zeer vergelijkbaar met die verkregen door een goede ("gedwongen") perspectief stimulus, indringen uitgevoerd naar een ingesloten doel op een reverspective derhalve gelijkaardig zijn kenmerken bereikt uitgevoerd onder invloed van de illusie op de reverspective stimulus (figuren 1c en 1f).
Als top-down visuele invloeden hebben geen invloed op de beweging traject, dan wordt de hypothese dat maakte und bereiktre van de illusoire waarneming zou vertonen dezelfde kenmerken als bereikt in het kader van de 'paranormale waarneming op de reverspective stimulus (Figuur 1e). Met andere woorden, zowel illusoir veridical waarneming bereikt dezelfde aard zijn, zodat zowel voorwaartse wijze wegen zouden inwerken op de werkelijke geometrie van de stimulus. Hoe effecten waargenomen in de voorwaartse bereiken vertalen in het automatisch intrekken van de hand is onbekend. Door het gebruik van een volledige motor analyse, willen we ons begrip van handelen en waarnemen lussen om de bestaande problemen te verduidelijken bij de hand.
Protocol
Representative Results
Discussion
Onze werkwijze een platform om de geldigheid van perceptie-actie modellen te testen door analyse van de volledige ontplooiing van beweging ten opzichte van de experimentele taak. Het paradigma kan worden gewijzigd om andere soorten visuele stimuli testen om dit onderzoeksgebied verbreden. Zo kunnen bijvoorbeeld andere 3D DiiS worden getest op het apparaat om te zien hoe de interactie tussen top-down en bottom-up processen te vertalen naar verschillende stimuli. De methoden kunnen ook worden afgestemd op de klinische pop…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag de leden van het Laboratorium van Vision Research en de sensomotorische integratie laboratorium erkennen voor het helpen van de deelnemers lopen in deze studie, Polina Yanovich, Joshua Dobias, en Robert W. Isenhower voor hulp in de eerste ontwerpfase, en Tom genade voor zijn hulp bij de opbouw van de stimulus. Dit werk werd ondersteund door de volgende bronnen: de NSF Graduate Research Fellowship Programma: Award # DGE-0937373, de NSF CyberEnabled Discovery en Innovatie Type I (Idea): Grant # 094158, en de Rutgers-UMDNJ NIH Biotechnologie Training Program: Grant # 5T32GM008339-22.
Materials
| 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 |
References
- Schneider, G. E. Two visual systems. Science. 163, 895-902 (1969).
- Ingle, D., Goodale, M. A., Mansfield, R. J. W. . Analysis of visual behavior. , (1982).
- Goodale, M. A., Milner, A. D. Separate visual pathways for perception and action. Trends Neurosci. 15, 20-25 (1992).
- James, T. W., Culham, J., Humphrey, G. K., Milner, A. D., Goodale, M. A. Ventral occipital lesions impair object recognition but not object-directed grasping: an fMRI study. Brain. 126, 2463-2475 (2003).
- Pisella, L., Binkofski, F., Lasek, K., Toni, I., Rossetti, Y. No double-dissociation between optic ataxia and visual agnosia: multiple sub-streams for multiple visuo-manual integrations. Neuropsychologia. 44, 2734-2748 (2006).
- Westwood, D. A., Goodale, M. A. Perceptual illusion and the real-time control of action. Spat. Vis. 16, 243-254 (2003).
- Schenk, T. Visuomotor robustness is based on integration not segregation. Vis. Res. 50, 2627-2632 (2010).
- Schenk, T. No dissociation between perception and action in patient DF when haptic feedback is withdrawn. J. Neurosci. 32, 2013-2017 (2012).
- Gegenfurtner, K., Henriques, D., Krauzlis, R. Recent advances in perception and action. Vis. Res. 51, 801-803 (2011).
- Binkofski, F., Buxbaum, L. J. Two action systems in the human brain. Brain Lang. , (2012).
- Aglioti, S., DeSouza, J. F., Goodale, M. A. Size-contrast illusions deceive the eye but not the hand. Curr. Biol. 5, 679-685 (1995).
- Franz, V. H., Gegenfurtner, K. R., Bulthoff, H. H., Fahle, M. Grasping visual illusions: no evidence for a dissociation between perception and action. Psychol. Sci. 11, 20-25 (2000).
- Gilster, R., Kuhtz-Buschbeck, J. P., Wiesner, C. D., Ferstl, R. Grasp effects of the Ebbinghaus illusion are ambiguous. Exp. Brain Res. 171, 416-420 (2006).
- Papathomas, T. V. Art pieces that ‘move’ in our minds – an explanation of illusory motion based on depth reversal. Spatial Vis. 21, 79-95 (2007).
- Papathomas, T. V., Bono, L. M. Experiments with a hollow mask and a reverspective: top-down influences in the inversion effect for 3-D stimuli. Perception. 33, 1129-1138 (2004).
- Hill, H., Johnston, A. The hollow-face illusion: object-specific knowledge, general assumptions or properties of the stimulus. Perception. 36, 199-223 (2007).
- Hartung, B., Schrater, P. R., Bulthoff, H. H., Kersten, D., Franz, V. H. Is prior knowledge of object geometry used in visually guided reaching. J. Vis. 5, 504-514 (2005).
- Kroliczak, G., Heard, P., Goodale, M. A., Gregory, R. L. Dissociation of perception and action unmasked by the hollow-face illusion. Brain Res. 1080, 9-16 (2006).
- Torres, E. B. Two classes of movements in motor control. Exp. Brain Res. 215, 269-283 (2011).
- Torres, E. B. Signatures of movement variability anticipate hand speed according to levels of intent. Behav. Brain Func. 9. 10, 10 (2013).
- Torres, E. B., Heilman, K. M., Poizner, H. Impaired endogenously evoked automated reaching in Parkinson’s disease. J. Neurosci. 31, 17848-17863 (2011).
- Rencher, A. C. . Methods of multivariate analysis. , (2002).
- Torres, E. B., Zipser, D. Simultaneous control of hand displacements and rotations in orientation-matching experiments. J. Appl. Physiol. 96, 1978-1987 (2004).
- Yanovich, P., Isenhower, R. W., Sage, J., Torres, E. B. Spatial-orientation priming impedes rather than facilitates the spontaneous control of hand-retraction speeds in patients with Parkinson’s disease. PLoS ONE. 8, 1-19 (2013).
- Prime, S. L., Marotta, J. J. Gaze strategies during visually-guided versus memory-guided grasping. Exp. Brain Res. 225, 291-305 (2013).
- Schneider, U., et al. Reduced binocular depth inversion in schizophrenic patients. Schizophrenia Res. 53, 101-108 (2000).
- Dima, D., Dillo, W., Bonnemann, C., Emrich, H. M., Dietrich, D. E. Reduced P300 and P600 amplitude in the hollow-mask illusion in patients with schizophrenia. Psychiatry Res. 191, 145-151 (2011).
- Butler, P. D., Silverstein, S. M., Dakin, S. C. Visual perception and its impairment in schizophrenia. Biol. Psychiatry. 64, 40-47 (2008).
