VisualEyes: Модульное ПО Система глазодвигательных экспериментированию
25 марта 2011 г.
Neural управления и когнитивные процессы могут быть изучены с помощью движений глаз. Программное обеспечение VisualEyes позволяет оператору программировать стимулов на двух экранах компьютеров независимо с помощью простой, пользовательский язык сценариев. Система может стимулировать движения тандем глаза (саккады и гладкой преследования) или противоположные движения глаз (Вергентные) или любой комбинации.
Общая цель данной процедуры заключается в том, чтобы позволить исследователю создать массив визуальных стимулов с помощью системы визуального контроля глаз для проведения окуломоторного исследования. Сначала систему визуального контроля глаз необходимо откалибровать, преобразовав значения пикселей в градусы с использованием измеренных мишеней. Вторым шагом является определение начального и конечного положений стимулов для левого и правого глаза путем сохранения стимулов в библиотеке перед началом экспериментальной сессии.
И наконец, на испытуемого надевают монитор движений глаз и запускают экспериментальный скрипт для регистрации реакций движений глаз. В итоге можно получить результаты, отображающие траектории положения и скорости движений глаз. Основным преимуществом данной методики перед существующими методами, такими как проприетарное программное обеспечение, является то, что оператор может настроить любые визуальные стимулы для проведения любых типов окуломоторных экспериментов.
Эту процедуру демонстрирует докторант Ким из моей лаборатории. В данной системе можно использовать любой тип монитора движений глаз. В этой демонстрации для отслеживания тандемных движений, таких как саккадический или плавный следящий взгляд, будут использоваться система видеомониторинга и трекинг лимба.
Для визуального отображения при изучении противоположных движений глаз, таких как вергенции, или взаимодействия вергенций с движениями тандемной версии, можно использовать один компьютер. Для визуального отображения потребуется гаплоскоп с двумя компьютерными мониторами. Сначала необходима калибровка для преобразования одного набора метрик в другой, поскольку движения глаз обычно указываются в градусах поворота.
В то время как компьютерные мониторы используют значения пикселей, для расчета расположения физических мишеней при калибровке визуальных дисплеев можно использовать тригонометрию. Например, если стимул на экране компьютера совпадает с физической мишенью, расположенной под углом двух градусов, то данное значение пикселя соответствует стимулу в два градуса. Для калибровки системы оператору необходимо открыть файл pixel to degree dot vei в директории visualize.
Сначала определите монитор для калибровки с помощью поля режима растяжения (stretch mode). Введите число один для монитора левого глаза и число два для монитора правого глаза. Затем запустите программу и перемещайте стимул в виде зеленой линии до тех пор, пока зеленая линия не совместится с физической мишенью.
Теперь введите известное положение физической мишени в градусах и нажмите кнопку сохранения. Затем щелкните по зеленой линии. Значение в градусах и пикселях отобразится на дисплее в нижнем левом углу; оператору следует собрать минимум три калибровочные точки.
После сохранения всех калибровочных точек откройте файл вывода D two P в формате Excel в визуализированном каталоге, чтобы получить калибровочные точки. Постройте график по этим точкам для вывода уравнения линейной регрессии.
Используйте уравнение для расчета начального и конечного положения визуального стимула. Оператор должен задать значения в пикселях. Здесь приведен пример калибровочных кривых для левого и правого глаза, полученных с использованием пяти калибровочных точек для нового стимула.
Повторите два предыдущих шага для другого монитора, если стимул требует использования дополнительного монитора. Сначала оператору необходимо определить начальное и конечное положение стимула для левого и правого глаза перед началом эксперимента. Для этого откройте новый текстовый файл и в первой строке определите значения начального времени и положения.
Необходимо определить четыре параметра: время, положение по горизонтали, положение по вертикали и поворот, разделяя каждый из них знаком табуляции. Аналогично определите четыре конечных параметра: конечное время, положение по горизонтали, положение по вертикали и поворот стимула. Сохраните стимул в визуализированном каталоге в виде файла с именем стимула и расширением .vii, и повторите этот шаг для любого другого стимула I.
Далее движение стимула можно разделить на два типа: резкий скачок или непрерывный наклон. Скачок позволяет стимулу мгновенно переместиться или перепрыгнуть из начального положения в конечное.
Оператору следует отметить, что при ступенчатом стимуле изменение времени должно составлять 0.001 секунды. Примеры психотического скачка, рампы плавного слежения, первичного скачка и первичной рампы приведены в таблице 1. В качестве стимулов можно использовать как одиночный стимул, например скачок, так и последовательность визуальных задач, таких как многоступенчатые стимулы.
Теперь сохраните оба файла стимулов в библиотеке стимулов. Обратите внимание, что в визуализируемой директории задано несколько настроек по умолчанию. Первая строка определяет процент площади экрана по горизонтали.
Вторая строка представляет собой процент экрана в вертикальном направлении. Третья — фоновое изображение, а четвертая — изображение переднего плана или целевое изображение. Пятая строка указывает на то, что компьютер должен работать в автономном режиме.
Шестая строка указывает, какой монитор используется. Седьмая строка определяет соотношение сторон мониторов. Остальные строки содержат различные типы стимулов, которые оператор может использовать в рамках экспериментальной сессии.
Теперь откройте файлы монитора стимулов для левого глаза и монитора стимулов для правого глаза из визуализированного каталога. Эти два файла содержат библиотеку стимулов соответственно для левого и правого глаза.
В последней строке укажите имя файла определенного стимула. Номер профиля соответствует строке с именем файла стимула. Например, в данном случае номер профиля стимула равен восьми.
Предыдущие шаги можно повторить для создания любого количества стимулов, необходимых для эксперимента. Далее можно написать скрипт для протокола эксперимента. Сначала откройте текстовый файл для ввода команд протокола эксперимента и сохраните этот файл в визуализированном каталоге под именем скрипта vs file.
Это будет файл скрипта, из которого система визуализации будет считывать и выполнять команды. Визуализированные функции имеют входные и выходные аргументы. В данной таблице представлены все функции в программном обеспечении для визуализации, которые могут быть использованы, если временной файл .lwf не определен.
При выполнении данной функции программное обеспечение не будет сохранять входящие данные для оцифровки. Функция лог-файла выводит строки или входной буфер, определенный в ходе пробного запуска EXP, в текстовый файл out в визуализированном каталоге. По завершении эксперимента обязательно измените имя текстового файла out на другое.
В противном случае данные будут перезаписаны во время следующего эксперимента. Функция веса триггера ожидает, когда испытуемый нажмет кнопку триггера, чтобы начать экспериментальное пробное испытание, обозначенное на экране как exp trial, и оцифровать данные. Это канал 12 на плате цифрового сбора данных, который ожидает изменения сигнала с высокого цифрового уровня на низкий.
Наконец, функция случайной задержки генерирует случайный интервал, чтобы предотвратить предсказание или предвосхищение следующего стимула, а функция wave MSD вычисляет среднее значение и стандартное отклонение данных. Перед началом эксперимента испытуемый должен предоставить письменное информированное согласие, одобренное институциональным наблюдательным советом. Перед тем как испытуемый согласится на участие, ему должен быть подробно разъяснен ход эксперимента.
Для сбора и записи движений глаз могут использоваться различные мониторы, такие как видеосистема анализа отражения от роговицы, система отслеживания лимба или склеральная поисковая катушка. В данном случае мы продемонстрируем работу системы отслеживания лимба. Затем настройте монитор движений глаз для захвата анатомических структур глаза, таких как лимб или зрачок и отражение от роговицы, в зависимости от используемого устройства.
После правильной настройки монитора движений глаз на испытуемом убедитесь, что прибор фиксирует движения, попросив испытуемого совершать горизонтальные саккадические движения или конвергентные и дивергентные движения (внутрь и наружу). Откройте программу Read script.vi в визуализированном каталоге, введите в верхнем правом углу имя файла скрипта протокола эксперимента, созданного ранее. Затем запустите программу Read script.vi, нажав кнопку со стрелкой в верхнем левом углу.
Затем дайте испытуемому кнопку-триггер и объясните, что при ее нажатии начнется сбор данных. На экране автоматически появится еще один файл сбора VEI, в котором будут отображаться поступающие данные. Частота дискретизации данных составляет 500 hertz.
По завершении эксперимента скрипт чтения dot bei автоматически остановится. Перейдите в визуализированный каталог и найдите текстовый файл out. Переименуйте этот файл.
В противном случае при следующем запуске эксперимента оператором файл данных будет перезаписан. После завершения эксперимента данные можно проанализировать с помощью различных программных пакетов, включая MATLAB или Excel. В зависимости от целей исследования могут быть важны пиковая скорость или амплитуда.
Пример кода для анализа в MATLAB предоставлен в каталоге визуализации для построения графиков кодов SEC, исходных ступеней и исходных наклонных линий. Здесь представлены примеры совокупности движений глаз, которые могут быть зарегистрированы с помощью данной системы визуализации. На этих графиках видны типичные психотические движения с амплитудой 10 градусов, также называемые «просекко» (Proseccos).
В нашем исследовании используется степень поворота. Движения глаз могут быть откалиброваны в градусах, метрах угла или призматических диоптриях. Каждая кривая представляет собой отдельное движение глаза, при этом на верхнем графике положение указано в градусах в зависимости от времени.
На нижнем графике представлена скорость в градусах в секунду как функция времени. Здесь показаны антикос. Это психотические реакции.
Когда испытуемому говорят совершить движение в направлении, противоположном визуальному стимулу, ответы испытуемого при четырех градусах. Шаги можно увидеть здесь, а ответы испытуемого на стимулы в виде рампы со скоростью пять градусов в секунду показаны здесь. При выполнении этой процедуры важно помнить о необходимости калибровки системы до прихода испытуемого для проведения исследования.
Дайте испытуемому соответствующие инструкции и убедитесь, что монитор движений глаз правильно настроен под него. После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как программировать с использованием визуального языка скриптов для создания собственных визуальных стимулов для проведения широкого спектра экспериментов по изучению окуломоторики. Исследования окуломоторики опираются на прочную исследовательскую базу, так как они позволяют получить представление о работе мозга в норме и при патологиях.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье рассматривается использование программного обеспечения VisualEyes для изучения нейронного контроля и когнитивных процессов посредством анализа движений глаз. Система позволяет независимо программировать визуальные стимулы на двух экранах, что упрощает проведение различных окуломоторных экспериментов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Окуломоторный контроль
- Когнитивные процессы
Теоретические основы
- Движения глаз имеют решающее значение для понимания нейронного контроля.
- Программное обеспечение VisualEyes позволяет создавать пользовательские скрипты для предъявления стимулов.
- Можно стимулировать различные типы движений глаз, включая саккады и плавное слежение.
- Система обеспечивает большую гибкость по сравнению с проприетарным программным обеспечением.
Цель исследования
- Создание визуальных стимулов для окуломоторных исследований.
- Калибровка системы отслеживания движений глаз для обеспечения точности измерений.
- Регистрация ответов в виде движений глаз во время экспериментов.
Используемые методы
- Калибровка системы визуального отслеживания глаз путем перевода значений пикселей в градусы.
- Определение начального и конечного положений стимулов для обоих глаз.
- Сохранение стимулов в библиотеку перед началом экспериментальной сессии.
- Запуск экспериментальных скриптов для мониторинга и записи движений глаз.
Основные результаты
- Была успешно проведена запись траекторий положения и скорости движений глаз.
- Данный метод продемонстрировал преимущества перед существующим проприетарным программным обеспечением.
- Результаты позволяют лучше понять механизмы окуломоторного контроля.
- Гибкость программирования стимулов позволяет использовать разнообразные варианты дизайна экспериментов.
Выводы
- Программное обеспечение VisualEyes является ценным инструментом для исследований окуломоторных функций.
- Использование пользовательских скриптов расширяет возможности проведения различных экспериментов.
- В будущих исследованиях данная система может быть использована для более детального изучения когнитивных процессов.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Эксперименты по изучению окуломоторных функций позволяют получить важнейшие сведения о механизмах нейронного контроля, которые имеют значение для валидации мишеней при поиске новых нейрофармакологических препаратов. Система VisualEyes обеспечивает гибкую, программируемую генерацию зрительных стимулов для механистического снижения рисков при проверке терапевтических гипотез, касающихся путей обработки зрительной информации. Эта возможность повышает прогностическую достоверность доклинических моделей, позволяя проводить точные и воспроизводимые измерения движений глаз в рамках различных планов экспериментов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы, касающиеся путей обработки зрительной информации и окуломоторного контроля.
- Операционная ценность: способствует снижению биологических рисков посредством функциональной валидации мишеней, участвующих в регуляции движений глаз.
- Прогностическая ценность: облегчает сортировку портфеля проектов, обеспечивая количественные воспроизводимые показатели окуломоторной активности для оценки взаимодействия с мишенью.
Скрининг и разработка анализа
- Готовность анализа: Подготовка валидированных биологических систем для последующих этапов рабочих процессов посредством стандартизированного предъявления стимула и регистрации ответа.
- Количественные показатели: Получение траекторий положения и скорости, позволяющих проводить надежный скрининг соединений и характеризовать зависимость «доза-эффект».
- Повторное использование платформы: Обеспечение масштабируемости экспериментальных сессий за счет хранения библиотеки стимулов и скриптинга протоколов для достижения стабильных результатов анализа.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная преемственность: обеспечивает связь между механистическими выводами на этапе поиска и доклинической валидацией посредством фенотипирования окуломоторных функций, имеющих значение для конкретного заболевания.
- Прогресс с учетом рисков: поддерживает принятие решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) путем установления связи между модуляцией мишени и измеримыми изменениями саккад, плавного слежения или вергенции глаз.
- Согласование биомаркеров: позволяет исследовать параметры движений глаз в качестве трансляционных биомаркеров взаимодействия с мишенями в ЦНС и функциональных исходов.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Система VisualEyes интегрируется в цикл научных исследований — от проверки гипотез и идентификации перспективных соединений до доклинической валидации, предоставляя модульную платформу для контроля стимулов и количественной оценки ответов.
- Открытия в биологии: Обеспечивает проверку гипотез и уточнение путей с помощью программируемых визуальных стимулов для исследования нейронных цепей, лежащих в основе контроля движений глаз.
- Скрининг: Обеспечивает готовность к анализу за счет воспроизводимого предъявления стимулов и мониторинга движений глаз с высокой частотой дискретизации (500 Hz).
- Аналитика: Предоставляет данные о положении и скорости в градусах и градусах в секунду, что позволяет проводить количественное сравнение различных экспериментальных условий.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает преемственность с доклиническими исследованиями, позволяя проводить профилирование движений глаз в моделях заболеваний, связанных с визуальной или окуломоторной дисфункцией.
- Корпоративное повторное использование: Функционирует как многократно используемый ресурс благодаря библиотеке стимулов, протоколам на основе скриптов и совместимости с несколькими системами мониторинга движений глаз (трекинг лимба, видеосистемы, склеральные поисковые катушки).
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов при валидации мишеней за счет снижения механистической неопределенности в путях визуальной обработки.
- Операционная ценность: повышает уровень стандартизации и воспроизводимости благодаря калиброванному предъявлению стимулов (преобразование пикселей в градусы) и программному управлению экспериментом.
- Стратегическая ценность: повышает эффективность использования капитала за счет сокращения времени на разработку специализированного программного обеспечения и возможности быстрой адаптации к различным потребностям окуломоторных экспериментов.
- Влияние на портфель: способствует приоритезации с учетом рисков, предоставляя объективные, количественно измеримые окуломоторные конечные точки для исследований модуляции мишеней.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы в области экспериментальной нейробиологии, разработки визуальных стимулов и окуломоторной физиологии.
- Необходимо наличие оборудования для мониторинга движений глаз (например, систем отслеживания лимба, видеосистем или систем со склеральными поисковыми катушками), а также гаплоскопа с двумя мониторами для бинокулярной стимуляции.
- Требуется межкомандная стандартизация процедур калибровки (преобразование пикселей в градусы с использованием физических мишеней) и управление библиотекой стимулов.
- Необходимо учитывать особенности адаптации для различных модельных систем, включая видоспецифическую анатомию глаза и диапазоны его движений.
- Существуют практические ограничения, такие как необходимость предварительной калибровки перед экспериментом, процедуры получения согласия испытуемых и управление файлами данных после эксперимента для предотвращения перезаписи.
