Jak tworzyć i wykorzystywać rywalizację binokularną

Każde z naszych oczu normalnie widzi nieco inny obraz, a mózg łączy te dwa obrazy w jedną spójną reprezentację. Jednak gdy oczom prezentowane są obrazy wystarczająco różniące się od siebie, dochodzi do wzorca naprzemiennych postrzeżeń, w którym jeden obraz dominuje w świadomości, podczas gdy drugi jest tłumiony. Dominacja przechodzi z jednego obrazu na drugi zazwyczaj co kilka sekund.

To zjawisko percepcyjne jest znane jako rywalizacja binokularna. Aby stworzyć bodziec wywołujący rywalizację binokularną, do każdego oka prezentowany jest inny obraz w tym samym postrzeganym miejscu. Ten film opisuje kilka niedrogich i prostych sposobów tworzenia i wykorzystywania rywalizacji binokularnej.

Witajcie, jestem David Carmel. Jestem pracownikiem postdoktoralnym w Departamencie Psychologii na Uniwersytecie Nowojorskim. Witajcie, jestem Mike Arca i jestem doktorantem w Departamencie Psychologii na Uniwersytecie Princeton.

W tym filmie przedstawimy kilka tanich i prostych sposobów tworzenia i wykorzystywania rywalizacji binokularnej. Rywalizację binokularną uważa się za użyteczną w badaniu selekcji percepcyjnej i świadomości zarówno w modelach ludzkich, jak i zwierzęcych, ponieważ niezmienne bodźce dostarczane do każdego oka prowadzą do naprzemiennych zmian w świadomości wizualnej. Istnieje kilka sposobów wywoływania rywalizacji binokularnej, jednak osoby rozpoczynające pracę w tej dziedzinie często nie są pewne, która metoda będzie najlepiej odpowiadać ich konkretnym potrzebom.

Naszym celem jest opisanie zalet i wad najczęściej stosowanych metod. Zacznijmy zatem. Rywalizacja binokularna może zostać wywołana poprzez prezentację każdemu oku sprzecznych z sobą obrazów w odpowiadających sobie miejscach na siatkówce, zamiast jednego połączonego obrazu; to, co widzą obserwatorzy, to wzorzec naprzemiennych percepcji, w których obraz z jednego oka dominuje w świadomości przez określony czas, podczas gdy drugi obraz jest tłumiony.

Okresy dominacji i tłumienia odwracają się okresowo, przy czym tylko krótkie czasu trwania charakteryzują się percepcją mieszaną. Rywalizację binokularną można wykorzystać do zbadania kilku istotnych kwestii, takich jak: na których etapach w hierarchii przetwarzania wzrokowego zdarzenia neuronalne korelują z doświadczeniem świadomym? W jaki sposób mózg rozwiązuje konkurencję między bodźcami i wybiera ten, który ma zostać wprowadzony do świadomości?

Jakie aspekty obrazu wyciszonego z poziomu świadomości mogą mimo to zostać przetworzone i w jaki sposób takie przetwarzanie może wpływać na zachowanie? Istnieje kilka prostych metod tworzenia wyświetlacza do rywalizacji binokularnej. W tym filmie przedstawiono najpopularniejsze metody, opisując zalety i wady każdej z nich.

Przed omówieniem metod musimy rozważyć kwestię utrzymania stabilnej fiksacji podczas eksperymentów nad rywalizacją binokularną. Zanim przejdziemy do konkretnych metod wywoływania rywalizacji, należy wspomnieć o problemie stabilnej fiksacji, który jest kluczowym aspektem we wszystkich opisanych poniżej metodach. Zazwyczaj nasze oczy obracają się lub wykonują ruchy fiksacyjne w taki sposób, aby ten sam obraz fiksacyjny padał na każdą dołeczkę plamki.

Jednakże pomyślna wersja zależy od tego, czy każde oko widzi te same elementy. Jeśli każdemu oku zostanie zaprezentowany całkowicie inny obraz, wersja zostanie zaburzona, ponieważ mózg nie będzie dysponował wystarczającymi informacjami, aby określić prawidłowy kąt wersji. Może to zakłócić rywalizację binokularną, gdyż dwa obrazy mogą nie padać na odpowiadające sobie miejsca na siatkówce.

W związku z tym, oprócz różnych obrazów, wyświetlacz powinien zawierać elementy identyczne dla obu oczu. Umożliwia to oczom utrzymanie stabilnego spojrzenia pomimo różnic między rywalizującymi elementami obrazów. Zazwyczaj stabilizujące identyczne elementy obejmują punkt fiksacji w centrum rywalizujących obrazów oraz ramkę wokół obrazów.

Ramka może być jednolita lub teksturowana i może mieć dowolny kształt, pod warunkiem że jest identyczna dla obu oczu. Nieskorelowane poziome ruchy gałek ocznych występują częściej niż pionowe. Dlatego zamiast pełnej ramki można zastosować teksturowany pasek po obu stronach każdego obrazu.

Na koniec, w niektórych badaniach ramka może być niewskazana. Na przykład, jeśli eksperyment wymaga, aby bodźce pojawiały się na jednolitym tle, w takich przypadkach możliwe jest zastosowanie linii NUNU lub obrazu znajdującego się dalej od bodźca, takiego jak pierścienie tarczy strzelniczej. Przyjrzyjmy się teraz temu, jak wywołać rywalizację binokularną.

W niniejszym opracowaniu omówimy trzy niedrogie i proste rozwiązania, w tym gogle czerwono-niebieskie, stereoskop lustrzany oraz gogle pryzmatyczne. Stosowanie gogli chromatycznych – czerwonych, niebieskich lub czerwono-zielonych – jest popularną metodą preferowaną przez wielu badaczy ze względu na łatwość i niski koszt wdrożenia; wystarczy para gogli z celofanu, dostępnych w wielu sklepach z zabawkami. W tym przypadku wykorzystamy gogle czerwono-niebieskie, przygotowując jeden obraz wyświetlany wyłącznie przez niebieską działkę monitora oraz drugi obraz, wyświetlany w tym samym miejscu na ekranie wyłącznie przez działkę czerwoną. Każda z soczewek przepuści tylko jeden z obrazów, dzięki czemu dwa różne obrazy padną na odpowiadające sobie miejsca na siatkówce obu oczu i zaczną ze sobą rywalizować.

Oba obrazy powinny zawierać identyczne informacje, takie jak ramka lub punkt fiksacji, aby zapewnić stabilne widzenie stereoskopowe. Te identyczne elementy powinny mieć kolor, który zostanie przepuszczony przez obie soczewki, np. czarny lub biały. Należy pamiętać, że technika ta nie ma związku z widzeniem barwnym.

Kolory służą jedynie do rozdzielenia dwóch obrazów, tak aby każdy trafiał do innego oka. Metoda ta powinna działać nawet u obserwatorów z zaburzeniami rozpoznawania barw. Zalety stosowania okularów czerwono-niebieskich obejmują niską cenę sprzętu oraz łatwość przygotowania bodźców.

Okulary czerwono-niebieskie można z łatwością stosować we wszystkich metodach neuroobrazowania, w tym w MRI. Co więcej, okulary czerwono-niebieskie nie wymagają stabilizacji głowy ani indywidualnej regulacji urządzenia wizualnego dla każdego obserwatora. Do wad należy fakt, że każdy obraz może zawierać jedynie odcienie jednego koloru, co wyklucza stosowanie bodźców chromatycznych.

Soczewki nie są idealne, więc zawsze występuje pewien stopień przenikania obrazu, w wyniku czego każde oko widzi część obrazu przeznaczonego dla drugiego oka. Stwarza to problem w przypadku twierdzenia, że obraz stłumiony był całkowicie niewidoczny. Przenikanie można ograniczyć, stosując więcej niż jeden filtr.

Na przykład noszenie dwóch par gogli, jedna na drugiej, a wreszcie czerwono-niebieskich gogli, nie współpracuje dobrze z większością obecnych systemów śledzenia wzroku. Przejdźmy teraz do metody stereoskopu lustrzanego. Lustra można łatwo ustawić tak, aby dostarczać inny obraz do każdego z oczu obserwatora.

Najpierw przygotuj dwa różne obrazy zawierające niektóre identyczne elementy i wyświetl je obok siebie na monitorze. Lustrzany stereoskop jest łatwy do skonstruowania; wystarczą do tego cztery lustra oraz stojaki do ich zamocowania w odpowiednich pozycjach. Dwa lustra należy ustawić tak, aby każde znajdowało się blisko jednego oka i pod kątem 45 stopni względem linii widzenia tego oka; użyj podpieracza do brody, aby ustabilizować położenie głowy obserwatora.

Umieść kolejne lustra po obu stronach dwóch pierwszych luster, skierowane w stronę bodźców pod kątem 45 stopni, tak aby każdy obraz padał na odpowiadające mu miejsce w każdym oku. Różniące się od siebie obrazy powinny teraz ze sobą rywalizować. W większości przypadków wygodniej jest użyć jednego z kilku dostępnych w sprzedaży stereoskopów.

Oczy każdego obserwatora nieco różnią się od siebie, dlatego podczas umieszczania osoby przed wyświetlaczem może być konieczne dostosowanie kątów nachylenia luster w celu uzyskania stabilnych obrazów pojedynczych. Przy użyciu stereoskopu lustrzanego ważne jest upewnienie się, że każde oko widzi tylko ten obraz, który powinno, a obraz ten jest widoczny wyłącznie w miejscu, w którym nakłada się on na obraz dla drugiego oka. W wielu przypadkach każde oko będzie miało również linię widzenia skierowaną na obraz przeznaczony dla drugiego oka.

Aby zablokować tę niepożądaną linię widzenia, należy umieścić przegrodę. Może to być na przykład arkusz tektury rozciągający się od linii środkowej stereoskopu między oczami obserwatora w stronę centrum wyświetlacza w taki sposób, aby blokował linię widzenia do bodźca dla drugiego oka. Dodatkowym problemem, który może wystąpić, jest to, że każde oko może widzieć obraz, który powinno widzieć, dwukrotnie: raz przez lustro i ponownie bezpośrednio.

Spowoduje to pojawienie się dodatkowego obrazu każdego bodźca obok miejsca, w którym występuje rywalizacja. Aby tego uniknąć, należy dostosować zależność między położeniem obrazów a odległością obserwatora od ekranu. W celu dokonania tych korekt przed rozpoczęciem eksperymentu, należy przygotować obraz przedstawiający tylko te części wyświetlacza, które są identyczne w obu obrazach i który służy do ustawienia stereoskopu dla każdego obserwatora przed wyświetleniem bodźca rywalizującego.

Zaletą stosowania stereoskopów lustrzanych jest to, że oddzielne obrazy umożliwiają wykorzystanie bodźców chromatycznych. Obrazy są całkowicie odseparowane, co zapobiega ich wzajemnemu przenikaniu się. Przygotowanie bodźców jest łatwe i proste.

Każde dwa obrazy prezentowane obok siebie mogą ze sobą konkurować. Wreszcie stereoskopy można stosować w połączeniu z eye-trackingiem. Do wad należy fakt, że stereoskopy pozwalają na prezentację jedynie stosunkowo małych bodźców, ponieważ do wyświetlenia każdego obrazu można wykorzystać tylko połowę pola widzenia.

Stereoskopy nie mogą być łatwo wykorzystywane w skanerze MRI, ponieważ wymagałoby to zastosowania niemagnetycznych elementów we wszystkich częściach urządzenia, a konfiguracja musiałaby dodatkowo uwzględniać nachylenie lustra, przez które zazwyczaj obserwuje się bodźce w skanerze. Ponadto stereoskopy wymagają stabilizacji głowy oraz indywidualnej regulacji dla każdego obserwatora. Przejdźmy teraz do omówienia sposobu użycia gogli pryzmatycznych.

Metoda z goglami pryzmatycznymi jest wariacją koncepcji stereoskopu z wykorzystaniem gogli, w których soczewki stanowią pryzmaty zamiast luster. Podobnie jak w przypadku lustra, obrazy stereoskopowe są prezentowane obok siebie na monitorze. Soczewki pryzmatyczne można nabyć u dowolnego komercyjnego dostawcy optyki wraz z plastikowymi oprawkami.

Każdy z pryzmatów załamuje światło, sprawiając, że obiekty znajdujące się z boku wydają się być bezpośrednio przed obserwatorem. Dwa takie pryzmaty, zorientowane w przeciwnych kierunkach, działają w ten sam sposób co lustro. W stereoskopie tworzyłyby one iluzję, że dwa obrazy, które w rzeczywistości znajdują się fizycznie obok siebie, nakładają się w przestrzeni?

Należy pamiętać, że przy użyciu gogli pryzmatycznych nadal konieczne jest zastosowanie przegrody, ponieważ każde oko może widzieć obraz przeznaczony dla drugiego oka. Jednakże odległość i rozmiar wyświetlacza nie wymagają regulacji, gdyż każdy obraz ma tylko jedną linię widzenia dla każdego oka. Zalety i wady gogli pryzmatycznych są podobne do tych w przypadku stereoskopów lustrzanych, z jedną istotną różnicą.

Gogle pryzmatyczne są łatwe w użyciu w skanerze MRI, ponieważ mogą być wykonane z tworzywa sztucznego i są bardziej kompaktowe niż stereoskop lusterkowy. Przejdźmy teraz do sposobu zapewnienia całkowitego stłumienia obrazów, aby móc odpowiedzieć na pytania badawcze dotyczące przetwarzania obrazu stłumionego. W eksperymentach nad rywalizacją dwuoczną do stworzenia bodźca CFS najodpowiedniejsza jest silna forma rywalizacji znana jako ciągłe tłumienie błyskowe, w skrócie CFS.

Przedstaw obraz o stosunkowo niskim kontraście jednemu oku. Będzie to obraz tłumiony. Przedstaw obraz o wysokim kontraście, szybko zmieniający się, drugiemu oku.

Będzie to dominująca maska CFS, aby zapewnić maksymalną skuteczność. Maska CFS powinna zmieniać się z częstotliwością od 10 do 20 hertz. CFS można wywołać, stosując wszystkie opisane wcześniej w tym filmie metody rywalizacji, korzystając ze stereoskopu lustrzanego lub gogli pryzmatycznych.

Maski CFS składające się z wielu małych, kolorowych elementów są bardzo skuteczne. Jednakże maska CFS złożona z elementów w skali szarości może być również skuteczna przy użyciu czerwono-niebieskich okularów. Maska CFS może składać się z wielu elementów, które mają ten sam kolor.

Jeśli będziesz oglądać ten film przez okulary czerwono-niebieskie, prawdopodobnie wystąpi znaczny efekt przenikania kolorów ze względu na kompresję wideo, która została zastosowana w celu zmaksymalizowania szans na całkowite stłumienie obrazu. Przed rozpoczęciem eksperymentu dostosuj poziom kontrastu obrazu stłumionego. Przełączenia między obrazem dominującym a stłumionym są zazwyczaj stopniowe i mogą przebiegać dość powoli, co oznacza, że znaczna część czasu oglądania zajmowana jest przez fazy mieszane.

Konkretna postać faz mieszanych różni się w zależności od obserwatora i rodzaju bodźców. Przedstawiono tutaj dwie powszechne formy faz mieszanych. Po pierwsze, w rywalizacji fragmentarycznej (piecemeal rivalry) faza mieszana może polegać na stopniowym przejmowaniu dominacji przez obraz stłumiony, co objawia się pojawianiem coraz większej liczby dominantowych fragmentów w obrębie bodźca.

Po drugie, faza mieszana może również wystąpić poprzez falę dominacji przesuwającą się przez obraz. Aby wywołać taką falę, należy wprowadzić przyrost kontrastu w określonej części obrazu tłumionego. Naprzemienne zmiany w rywalizacji binokularnej występują w przypadkowych, niezależnych odstępach czasu.

Oznacza to, że czas trwania ostatniego interwału dominacji nie pozwala przewidzieć długości kolejnego. Jeśli czasy trwania dominacji zostaną podzielone na przedziały o równej szerokości, histogram przedstawiający liczbę wystąpień poszczególnych długości dominacji wykazuje tendencję do dobrego dopasowania do rozkładu skośnego, znanego jako funkcja gamma.

Wpływ manipulacji eksperymentalnych na czas trwania i rywalizację ma tendencję do ujawniania się w kształcie funkcji gamma najlepiej dopasowanej do każdej z warunków. Wystąpi wiele różnych czasów trwania dominacji, jednak prawdopodobieństwo ich wystąpienia może zostać zmienione przez czynniki manipulacyjne, takie jak dwa obrazy. Cechy niskopoziomowe wpływają na względne czasy trwania okresu dominacji i tłumienia.

Na przykład, jeśli dwa obrazy różnią się kontrastem, obraz o wyższym kontraście będzie charakteryzował się dłuższymi czasami dominacji, co doprowadzi do uzyskania najlepiej dopasowanego rozkładu gamma z większą medianą. Ponadto różni obserwatorzy mogą uzyskać różne rozkłady gamma dla tego samego zestawu bodźców. Można wykorzystać parametry funkcji gamma jako zmienne zależne w eksperymencie, jednak zależność między tymi parametrami a kształtem rozkładu nie jest bezpośrednio przejrzysta.

W związku z tym przydatna może być bardziej dostępna miara tendencji centralnej. Jednak ze względu na to, że rozkład gamma może być silnie skośny, częściej reprezentatywną wartością wyników jest mediana czasu trwania niż średnia. Stosowanie mediany w rozkładzie niegaussowskim oznacza również, że o ile liczba punktów danych nie jest duża, odpowiednie testy statystyczne powinny być nieparametryczne.

W tym filmie opisaliśmy naturę rywalizacji binokularnej, kilka metod jej wywoływania oraz kwestie, które należy wziąć pod uwagę podczas jej stosowania. Mamy nadzieję, że nasz wstęp okaże się pomocny w wykorzystaniu tego fascynującego zjawiska.