Текст книги "Айтрекинг в психологической науке и практике"

О чем говорит окуломоторика
А. А. Митькин

Разносторонний анализ движений глаз имеет собственную историю, начало которой было положено Дюбуа-Реймоном в середине XIX в. (Du Bois-Reymond, 1849). Нейрофизиология обнаруженного явления была обозначена как роговично-сетчаточный потенциал (передний полюс глазного яблока имеет знак «плюс», а задний – знак «минус»).

Дальнейшее изучение окуломоторной активности (ОМА), проходившее в острых дискуссиях (Митькин, 1982), позволило ученым отказаться от расширительной трактовки эффективности окулографических методик. Наиболее жесткой элиминации подверглась попытка напрямую связать ОМА с интеллектуальными процессами.

Опыт экспериментальных исследований показал, что испытуемый зачастую оказывается «хитрее», чем предполагает экспериментатор, и выбирает для решения поставленной задачи собственные оригинальные варианты. В конечном счете мы всегда имеем дело с сотрудничеством двух индивидов, а характер этого сотрудничества существенно зависит от специфики метода. Личный опыт автора побуждает его сделать акцент на методе электроокулографии (ЭОГ). Этот метод обладает рядом преимуществ, касающихся положения испытуемого и общей организации исследования. ЭОГ позволяет изучать окуломоторику в самом широком диапозоне профессионального поведения индивида, при любой пространственной ориентации оператора и неблагоприятных внешних условиях. ЭОГ дает возможность «дробить» эксперимент (в пространстве и времени), а затем интегрировать итоговую картину результата. Незаменимость ЭОГ в исследованиях, проводимых на маленьких детях, давно признана всеми психологами (накожные датчики-электроды не доставляют детям беспокойства и не влияют на их спонтанное поведение).

Применение ЭОГ сопряжено с решением ряда сопутствующих проблем.

Динамика и статика объектов восприятия. Ранние представления о приоритетном восприятии неподвижных предметов подверглись радикальной корректировке. Выяснилось, что зрительная детекция динамичных объектов предшествует (как в филогенезе, так и онтогенезе) аналогичному обнаружению стационарных объектов.

Поле зрения. ЭОГ существенно помогла расширить наши знания, относящиеся к структуре поля зрения при его бинокулярном и монокулярном функционировании, а также получить объективные данные об утомляемости зрительной системы в разных режимах работы (Козлова, Митькин, 1977).

Иерархическое управление окуломоторикой. ЭОГ в ее тесном взаимодействии с современной нейрофизиологией позволило отказаться от архаичных представлений о дихотомической затылочно-лобной кортикальной организации окуломоторики. Их закономерно сменила уровневая концепция сенсомоторных процессов (Митькин, 1974, 1982), дальнейшая разработка которой продолжается. Обновление научных «декораций» инициировалось невозможностью объяснить со старых позиций ряд фактов: а) значительную степень непроизвольности, неконтролируемости и неосознанности движений глаз; б) наличие врожденных окуломоторных реакций у младенцев при слабой кортикализации моторных функций; в) сохранение основных окуломоторных функций при декортикализации животных; г) универсальные формы окуломоторики на всем протяжении эволюции (даже у низших позвоночных с практически отсутствующей корой). Однако такая смена позиции не избавила исследователей от появления других не менее трудных проблем. Дело в том, что все отделы ствола мозга (т. е. уровня, ставшего теперь ответственным за окуломоторику) так или иначе связаны с этим процессом, что, в свою очередь, провоцирует вопрос о наличии общего для всех управляющего центра. Многолетний поиске использованием эволюционных данных привел исследователей к выводу, что роль такого интегратора выполняют верхние двухолмия (ВД) – мезэнцефалическое нервное образование, в котором оканчиваются аксоны ганглиозных клеток сетчатки. Полисенсорная конвергенция на нейронах ВД обеспечивает соотнесение окуломоторики с общей соматической моторикой и адекватные реакции на зрительные сигналы (в обоих случаях требуется участие интернейронов). Таким образом, кратчайший путь окуломоторного ответа на зрительный стимул включает следующие инстанции: рецепторы сетчатки – ганглиозные клетки – клетки афферентного поверхностного слоя ВД – интернейроны ВД – премоторные нейроны глубоких слоев ВД – мотонейроны глазодвигательных ядер (Батуев, Таиров, 1978).

ЭОГ для клинического использования. Медицинская практика свидетельствует о привилегированном положении окуломоторики, которая обычно сохраняется у больного, лишившегося иных видов соматической активности. Интересные возможности открываются перед психологами на пути привлечения современных технических средств к решению комплексных задач этого круга.

Неоспоримые успехи применения иерархической концепции становятся стимулом к дальнейшему поиску (что естественно для науки). Теперь уже во главу угла ставится дилемма между иерархией и гетерархией, поскольку границы между уровнями откровенно демонстрируют свою лабильность.

Литература

Барабанщиков В. А. Окуломоторные структуры восприятия. М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 1997.

Батуев А. С, Таиров О. П. Мозг и организация движений. Концептуальные модели. Л.: Наука, 1978.

Козлова Е. В., Митькин А. А. Развитие глазодвигательной активности в раннем онтогенезе бинокулярного зрения // Stud. Psychol. 1977. V. 19. № 4. P. 301–303.

Милсум Дж. Анализ биологических систем управления. М.: Мир, 1968.

Митькин А. А. Дискуссионные аспекты психологии и физиологии зрения // Психол. журн. 1982. № 1. С. 31–42.

Митькин А. А. Об уровнях управления движениями глаз //Системный подход к психофизиологической проблеме. М.: Наука, 1982. С. 57–64.

Митькин А. А. Электроокулография в инженерно-психологических исследованиях. М.: Наука, 1974.

Митькин А. А. Электроокулография. Методы и критерии оценки функционального комфорта. М.: ВНИИТЭ, 1978. С. 44–54.

Goldbery M. E., Wurtz R. H. Activity of superior colliculus in leaving monkey. I. Receptive fields of single neurons. II. Effect of attention on neuronal responses // Journal Neurophysiol. 1972. V. 35. № 4. P. 542–574.

Wurtz R. H., Albano J. E. Visual-motor function of the primate superior colliculus //Annu. Rev. Neurosci. 1980. V. 3. P. 477–483.

Zee D. S., Yamazuki A., Butler P. H., Gucer G. Effect of ablation of flocculus and paraflocculus on eye movements in primate // Journal Neurophysiol. 1981. V. 46. № 4. P. 878–899.

К вопросу о терминологии в исследованиях движений глаз
О. Л. Окутин

В окулографии с некоторых пор по отношению к траекториям саккад часто применяется термин «баллистическая». Насколько это верно и насколько теоретически обосновано? Попытаемся ответить на этот вопрос.

В учебнике Маиевского (Маиевский, 1870) по баллистике еще в 1870 г. было описано, что баллистическая траектория – это траектория, по которой движется тело, обладающее начальной скоростью, под действием силы тяжести и силы аэродинамического сопротивления воздуха. Без учета сопротивления воздуха баллистическая траектория представляет собой часть эллипса, один из фокусов которого расположен в центре Земли. Это справедливо для летательных аппаратов, выходящих в процессе движения за плотные слои атмосферы. Для вычислений движения ядер Галилей в свое время, не учитывая сопротивления воздуха, строил параболические траектории движения снарядов. Что было вполне приемлемым до появления реактивных двигателей, а с ними баллистических ракет, для которых стало необходимым учитывать сопротивление воздуха в силу больших скоростей.

В психологию, очевидно, термин «баллистическая траектория саккады» попал по нескольким причинам. Во-первых, потому, что саккада неуправляема в процессе движения, во-вторых, из-за геометрической формы некоторых саккад, которые напоминают параболы. Вероятно, автор термина «баллистическая траектория саккады» применил эту метафору к движению мнимой точки взора, которая является пересечением оси взора и рассматриваемого предмета, опираясь на всем известные факты из школьного курса физики о движениях тел, брошенных под углом к горизонту. Там решением задач являются квадратичные параболы и соответствующие распределения скоростей. Для физического тела, движущегося в результате броска или выстрела, словом, получившего начальную скорость и описывающего баллистическую траекторию, скорость на пассивном участке траектории постепенно падает до нуля в верхней точке, находящейся в середине пути, а затем в идеале нарастает до скорости, с которой тело было брошено. В конце траектории физическое тело имеет максимум скорости. Таким образом, будучи производной от пути, скорость линейно падает до нуля и затем линейно растет до своего максимума.

Что же мы имеем при рассмотрении саккад? С появлением высокочастотных айтрекеров, обладающих достаточной точностью, познание процесса движения точки взора сводится к анализу графиков окулограмм. Высокая частотность детекции позволяет «проникать» в процессы, не осознаваемые человеком в силу их быстротечности. Так, например, айтрекер SMI High Speed позволяет регистрировать положение точки взора через каждые 2 мс. Это интервал времени, при котором многие ранее казавшиеся непрерывными процессы становятся существенно дискретными. Это похоже на то, как при рассматривании целостной фотографии увеличение детализации изображения приводит к появлению цветных квадратиков, мало напоминающих первичный образ. Так, например, нарисованная окружность при изображении на уровне экранных пикселей, представляет собой конструкцию из квадратиков. Современные айтрекеры тоже являются своеобразными микроскопами, позволяющими заглянуть вглубь процессов, которые, казалось бы, хорошо описаны. Аргументы в пользу аналоговых айтрекеров, которые используют непосредственно установленную на глаз присоску и не имеют побочных математических и аппаратных шумов, принять трудно по причине регистрации глазодвигательной активности с помощью отраженного луча от установленного на присоске зеркала на светочувствительную бумагу. В таком способе регистрации химическая реакция на поверхности бумаги тоже является процессом во времени, а также зависит от силы светового потока и времени его воздействия на рассматриваемую точку поверхности. И мелкие, краткосрочные попадания отраженного луча не вызывают соответствующей засветки. Проявляются только достаточно сильные и относительно долговременные положения отраженного луча. Проблемы «шумов» современных айтрекеров снимаются с помощью манекен-тестов, а в остальном это прекрасные комплексы, позволяющие совершать путешествия во времени, по сути, останавливать время до нескольких миллисекунд.

Для рассмотрения «баллистичности» саккад мы воспользовались экспериментами, проведенными на айтрекерах SMIHigh Speed (Центр экспериментальной психологии МГППУ) с частотой детекции 500 Гц и Primelic (установленном в Цюрихском университете) с еще большей частотой детекции – 2000 Гц.

Для испытуемых ставилась задача в условиях ограниченного времени (500 мс на каждое предъявление) рассмотреть изображение «смайлика» на экране и подсчитать количество «грустных» смайликов. При этом сначала на экран выводились по одному смайлику в 8 возможных позициях, равноотстоящих от центра экрана на 12 град. После каждого показа смайлика на периферии предъявлялся смайлик в центре экрана одного из двух видов (грустный или веселый). После серии предъявлений 7 одиночных периферических смайликов предъявлялись по два периферических смайлика одновременно. После каждого предъявления двух периферических смайликов показывался одиночный смайлик в центре экрана. После этого предъявлялась серия из трех периферических смайликов с вставками по одному смайлику в центре экрана. Задача длилась 20 секунд и требовала нарастания напряженности и скорости перевода взгляда по мере прогресса событий.

Испытуемые – сотрудники Центра экспериментальной психологии МГППУ и сотрудники Цюрихского университета с нормальным зрением.

Анализ саккадических движений показал, что в момент начала саккады и даже несколько ранее смена стимульных изображений, отстоящих от намечаемой траектории саккады на 5 и более градусов, не вызывала смены цели или хотя бы отклонения саккады в сторону нового стимула. Это понятно, время подготовки саккады занимает от 50 (по некоторым литературным данным) до 200 мс. Нам встречались минимальные латентные времена от 100 до 200 мс. А время выполнения активного участка траектории саккады – около 30–40 мс. Следовательно, при смене стимула в начале саккады команда на смену цели не успевает проходить в силу скоротечности самой саккады. В нашей серии экспериментов мы сталкивались с подобной ситуацией в силу невозможности отработки испытуемыми появления двух и трех стимульных изображений и из-за этого запаздывания во времени. В своем качестве «неотклоняемости от ранее намеченных целей» траектория саккады подобна неуправляемой баллистической траектории. Однако в этой же серии возникла ситуация, при которой перед началом саккады произошла смена стимульного изображения. Изображение находилось на траверзе от предполагаемой траектории саккады на расстоянии 2–3 угловых градусов. В этой ситуации точка взора совершила быструю саккаду до точки нового стимула, затем произошла приостановка на 50 мс и некоторое отклонение в сторону нового стимула, а затем была исполнена ранее намеченная траектория и возврат к новому стимульному изображению. Этот факт указывает на различия между баллистической траекторией и саккадой. Важно понять, на каком расстоянии от траектории саккады действие нового стимульного изображения способно отклонять и менять скорость саккад.

Массив скоростей в различных точках траектории вычислялся по линейной формуле v= S/t. При этом путь вычислялся как корень из суммы квадратов разностей соответствующих координат в предыдущий момент времени и в текущий момент. Время 2 мс, 40 пикселей приблизительно соответствуют 1 угловому градусу.

Анализ скоростей в момент саккад показал, что скорости меняются существенно неравномерно, являются существенно дискретными и движение точки взора представляет собой неравномерное по величине и направлению перемещение, имеющее тенденцию взрывного роста в первой половине саккады и затухающие колебания скорости во второй половине траектории.

Рис. 1. Распределение скорости точки взора при саккадах, очевидно, существенно различается с линейным графиком скорости при баллистической траектории

Что касается формы траектории, то не всегда саккада напоминает квадратичную параболу. Часто это траектория со сменой направления до 110 угловых градусов. В литературе принято этот участок траектории называть «глиссадой», что, на наш взгляд, тоже неверно, поскольку за таким поворотом в траектории точки взора наблюдается серия различного рода движений, подводящих к стимульному изображению. Часто по форме это различные окружности, спирали, петли, траектории, напоминающие греческую букву φ. Многие психологи относят эти кривые к глиссаде, при том что глиссада – это прямолинейный участок полета самолета перед посадкой, когда летчик наблюдает взлетно-посадочную полосу (ВПП) и регулирует угол захода на посадку, скользя (глиссируя) на малом газу с целью попасть в начало полосы. Если пользоваться авиационной терминологией, то участки траектории точки взора после саккады перед фиксацией можно было бы назвать «заходом на посадку». Но в окулографии часто это полноценные саккады со скоростью до 300 градусов/с.

Таким образом, рассмотрение по трем критериям «схожести» траекторий саккад с баллистическими показывает, что использование этого термина для окулографии является некорректным. Если и сравнивать траектории саккад с чем-то похожим из техники, то это не баллистическая ракета, а крылатая, которая движется при постоянно работающем двигателе.

Рис. 2. Скорость саккады, изображенной на рисунке 3.

Скорость измеряется в угловых градусах, по оси X – время, одно деление – 2 мс

Рис. 3. Часть саккады (направление – справа сверху влево вниз) перед торможением.

Траектория саккады – по оси X, Y. Экранные координаты в пикселях

Глазные мышцы – очень высокоиннервированы, они неутомимы, находятся в постоянном контакте с глазным яблоком. Любое движение глаз – это сложно организованная работа (не всегда одновременная) всех шести мышц для каждого глаза. В связи с этим при использовании термина «баллистическая траектория саккад» необходимо помнить, что он не точен с точки зрения науки, а лишь отчасти характеризует трудности в смене цели (плохую управляемость саккад).

В техническом отношении возможно было бы применять к характеристикам траектории саккад термины «прыжки глаз», «траектория крылатой ракеты» или что-то другое, но не «баллистическая траектория».

Отдаленно, по нарастанию к середине и затуханию к концу траектории, движение точки взора напоминают движение маятника, но и это весьма приблизительно. При высокочастотном рассмотрении траекторий саккад это набор быстрых последовательных нарастающих по скорости прыжков в первой части траектории и таких же тормозящих прыжков. И это показано на частоте детекции 500 Гц. Если же рассматривать 2 кГц, то это еще более дискретная картина.

В качестве материала для анализа были взяты саккады из окулограмм, полученных в результате решения зрительной задачи по перемещению взора в стимульную точку, предъявляемую на параболическом экране в диапазоне ±20° по вертикали и горизонтали с началом координат в центре экрана. Стимульная точка представлена посредством лазерной точки. В результате эксперимента испытуемый демонстрировал саккады различной направленности и амплитуды.

Полученные данные представлены в виде трех массивов чисел, соответствующих угловым координатам положения глаза в плоскости торзий по горизонтали и вертикали. Существенным отличием данного айтрекера является съем информации с физического объекта глаза с помощью закрепленного на нем поискового кольца. Наряду с высокой частотой детекции высока и точность измерений до 0,01°. Кроме того, предварительно были получены данные манекен-теста, с помощью которых был отделен «шум» и исследовались только непосредственные движения глаза.

Преимущество данного метода в том, что существует возможность определять положение глаза и при моргании, а также регистрируются реакции всех трех пар мышц, так как торзии тоже регистрируются.

Строго говоря, массив скоростей должен был бы вычисляться не в евклидовых координатах, а с учетом кривизны экрана. Расстояние между двумя точками равно арктангенсу корня квадратного из суммы квадратов тангенсов приращения угла в данной точке. Однако, если пользоваться декартовыми координатами, пренебрегая кривизной, то ошибка составит не более 5 % на амплитуде 20°. При малом же изменении угла можно пользоваться формулой корня квадратного из суммы квадратов приращений угла в точке. Время изменения пути в данном случае 0,5 мс. Деля путь на время, получаем значение скорости в точке.

Ниже представлены графики скорости при выполнении испытуемым фиксации и окулограмма этой фиксации. Очевидно, что при столь высокой частоте регистрации глаз совершает периодические колебания. Амплитуда этих колебаний до 150 градусов в секунду. С помощью спектрального анализа, применяя преобразование Фурье для определения регулярности или стохастичности этих колебаний, получено, что график скоростей представляет собой регулярные колебания с частотой около 700 Гц (рисунок 4).

На графиках ниже приведены распределения скоростей в момент выполнения саккад и окулограммы самих саккад. Выполнение саккад происходит на основе базовых колебаний за счет направленного задействования экстраокулярных мышц и некоторого увеличения амплитуды колебаний.

Рис. 4. Изменения скорости при фиксации взора в точке (частота детекции – 2000 Гц)

Рис. 5. Фиксация взора в точке

Рис. 6. Окулограмма одной из саккад. По оси X, Y угловые градусы по горизонтали и вертикали соответственно

Рис. 7. Изменение скорости во времени

По оси X – время, одно деление – 0,5 мс. По оси Y – скорость точки взора. Единица измерения град/с

Рис. 8. Окулограмма одной из саккад. По оси X, Y – угловые градусы по горизонтали и вертикали соответственно

Рис. 9. Изменение скорости во времени

По оси X – время, одно деление 0,5 мс. По оси Y – скорость точки взора. Единица измерения град/с

Рис. 10. Окулограмма одной из саккад

По оси X, Y – угловые градусы по горизонтали и вертикали соответственно

Таким образом, детальное рассмотрение траектории саккад с высокой частотой детекции и точностью позволяют сделать вывод о неправомерности применения термина «баллистическая траектория» в отношении траекторий саккад в общем случае. Более близким с точки зрения физической сущности параметров движения точки взора при выполнении саккад является термин «траектория движения маятника». Однако и это не совсем точно описывает траекторию движения точки взора во время саккады, так как саккадическое движение является результатом сложного сокращения экстраокулярных мышц глаза под непрерывным контролем ЦНС.

Рис. 11. Изменение скорости во времени

По оси X – время, одно деление 0,5 мс. По оси Y – скорость точки взора. Единица измерения – град/с

Литература

Запорожец А. В., Венгер Л. А., Зинченко В. П. и др. Восприятие и действие / Под ред. А. В. Запорожца. М., 1967.

Захарченко Д. В. Изменение параметров окуломоторных и двигательных реакций оператора под действием алкоголя: Дис… канд. биол. наук. М., 2015.

Зинченко В. П., Ломов Б. Ф. Механизм движений руки и глаза в процессе восприятия // Вопросы психологии. 1960. № 1.

Маиевский Н. В. Курс внешней баллистики. СПб.: Тип. Имп. академии наук, 1870.