Analysis of visual perception features by corneal reflex components examination

Cover Page


Cite item

Abstract

The article surveys the data of experimental studies in which the corneal reflex was used in the analysis of the visual perception process. Visual perception largely depends on the physiological characteristics of the human visual system, both individual and general. Blinking performs a number of functions, one of which is protection, including protection from unpleasant or undesired information. Blinking is closely related to the processes of concentration and disinterest. Blinking while watching a video is synchronized in single person and in a group of people watching the same video fragment. Blinking synchronization depends on the video plot; background video does not cause synchronization. Blinking synchronization is not gender specified. A longer duration of blinking is associated with a significant increase of the intervals between blinks. Accounting for these features of visual perception will allow to coordinate the work with video in several ways. First of all, it is an analysis of the reaction by monitoring the blinks while watching the video. Such analysis should contain a detailed and comprehensive decoding including electrophysiological, psychological and psychophysiological tools. Thus, the analysis of visual perception by studying the corneal reflex components requires an interdisciplinary approach and should be targeted to getting the results usable both for further studies of psychological features and principles of human visual perception and for further creation of most effectively perceived video.

Full Text

Современные данные об участии различных отделов сенсомоторной системы в реализации мигательного рефлекса определяют широкое использование анализа его особенностей в фундаментальных и прикладных исследованиях для определения особенностей других процессов, напрямую либо косвенно связанных с морганием. Не возникает сомнения в том, что моргание является частью процесса зрительного восприятия, выполняет ряд защитных функций и находится во взаимозависимой связи с процессами восприятия и переработки зрительной информации [1, 5]. Каждые несколько секунд моргание продолжительностью около 400 мс прерывает зрительное восприятие окружающего мира [38]. Общая потеря времени составляет до 6 с в течение 1 мин, или до 10% общего времени. Моргание выполняет во многом защитные функции, вызывает активное подавление восприятия визуальной информации [39, 40]. В исследовании, проведённом в 2009 г. [34], изучалась реакция испытуемых на эмоционально нейтральные, неприятные и приятные образы. Наиболее энергичные защитные «моргательные» реакции были выявлены во время просмотра неприятных изображений, в то время как между реакциями на нейтральные и приятные образы различия выявлены не были. Из-за чувствительности к низкой пространственной частоте визуальные раздражители выборочно подавляются во время моргания, это подавление отражается на визуальной обработке на магноцеллюлярном пути, так же как и саккадические подавления [10, 27–29, 39, 40]. В последних нейровизуальных исследованиях показано уменьшение активности префронтальной, теменной и зрительной коры головного мозга во время моргания [7, 10, 21, 24]. Подавление магноцеллюлярного пути и церебральной коры может способствовать десенсибилизирующим временным изменениям параллельно морганию и сохранению стабильного зрительного восприятия и сознания без отвлечения на осознание помаргивания. Однако эти механизмы моргания-подавления тщательно скрыты и на самом деле никогда не компенсируют визуальную информацию, потерянную во время моргания [22, 23]. Моргание обычно подавляется во время какой-то задачи, для выполнения которой требуется «включение» визуального внимания, и, как правило, происходит непосредственно перед и после выполнения, когда сроки задания точно определены [12, 16, 33]. Выявлена зависимость мигательного рефлекса от состояния внимания, что свидетельствует о влиянии неспецифических систем мозга на возбудимость нейронов дуги мигательного рефлекса [35]. Отсюда следует, что существует необходимость «выбрать» подходящий момент для моргания так, чтобы не потерять важную визуальную информацию. Для осуществления моргания в такие неявные паузы необходимо подавление как мигательного рефлекса, так и передачи контрольного сигнала для активации механизма производства моргания в соответствующие сроки [22–24]. Однако учитывая, что длина каждой сцены непредсказуема, также должен быть подходящий момент для помаргивания в пределах одной сцены. В результате проведённого в 2009 г. группой учёных во главе с Tamami Nakano исследования был сделан вывод, что существует некий механизм контроля сроков моргания, который «ищет» подразумеваемый перерыв в визуальном потоке, чтобы избежать временной потери основной визуальной информации. Рассмотрим подробнее этот эксперимент [22]. В исследование были включены 18 человек. Каждый из них принял участие в трёх экспериментах, в которых им были представлены следующие отрывки: видео­отрывок из британского комедийного телесериала «Мистер Бим», фоновое видео о тропических рыбках и аудиоотрывок из книги Дж.К. Роулинг «Гарри Поттер». Для каждого эксперимента было подготовлено два стимула, и один из них был представлен каждому испытуемому 3 раза в каждом эксперименте. Видеоотрывки были представлены без какого-либо звукового сопровождения, а аудиоотрывок — без зрительного стимулирования (пустой экран). Каждый эксперимент начинался с контроля: испытуемые в течение 210 с смотрели на пустой экран. Тестовый материал затем представлялся 3 раза с 60-секундным интервалом между повторами. Впоследствии испытуемые отвечали на шесть вопросов с выбором ответа между двумя вариантами о содержании стимула. Во время просмотра видео были записаны электроокулограммы с использованием Ag/AgCl-электродов, прикреплённых к левым надглазничной и подглазничной областям. Спонтанные моргания во время просмотра одного и того же видео были синхронизированы как для одного испытуемого, так и для всей выборки. При этом синхронизация морганий не наблюдалась при просмотре фонового видео и прослушивании аудиоотрывка. Следовательно, синхронизация требует сюжета, но необходимость следовать сюжетной линии не является причиной синхронизации. Отметим, что предыдущие исследования показали, что сроки моргания связаны с явными перерывами внимания [12, 14, 15, 18, 25]. Таким образом, есть основания ожидать, что моргания синхронизируются при явной смене сцен во время просмотра видео, что и было подтверждено данным исследованием. Так как латентность была намного больше, чем при фотическом мигательном рефлексе в ответ на световой раздражитель [41], исследователями было получено подтверждение того, что моргание при просмот­ре видео не было рефлекторным ответом на физические раздражители, такие как быстрое изменение яркости при смене сцен, но были избирательно совершены в результате когнитивной обработки, вызванной явной сценарной паузой. При этом, даже если не рассматривать моргания, которые произошли в ответ на явные паузы между сценами, по-прежнему наблюдается много синхронных морганий, как и до того, как эти моргания были исключены после предположения, что моргание после явных смен сцен не является главным компонентом синхронизации моргания. Учитывая, что длину сцены при просмотре видео сложно предсказать, синхронизация моргания позволяет предположить, что мозг ищет неявные сроки в пределах одной и той же сцены. Этот результат позволяет предположить, что происходит активный поиск момента, подходящего для моргания, при просмотре видео. Кроме того, учитывая, что корковая активность во время просмотра фильма высоко синхронизируется между людьми [19], люди могут разделить сходство распознавания визуальной информации и оценки оптимальных пауз в ней. Несмотря на различия количества спонтанных морганий и паттернов моргания среди людей [26], группе исследователей под руководством Т. Nakano удалось выявить, что люди обладают механизмом контроля времени моргания, который определяет подходящий момент, чтобы избежать потери критически важной информации из потока визуальной информации. К подобным же выводам привёл и проведённый нами эксперимент, во время которого учащимся средней школы было предложено посмотреть обучающий видеоролик [4, 31]. Синхронность морганий оценивали с помощью оригинальной компьютерной программы, созданной в среде «LabView 7.0», отслеживающей движение век у захваченного видеоизображения лиц обучаемых при просмотре видеороликов. Отметим, что достоверных гендерных различий в частоте моргания не зарегистрировано. Подобный контроль сроков моргания может быть тесно связан с системой визуального внимания и способствовать устойчивости визуального восприятия и осознания через подавление моргания. Исходя из этого, нами было выдвинуто предположение, что, наблюдая за морганием человека при просмотре видео, можно сделать выводы о том, когда внимание активируется, то есть является представляемый видеоматериал интересным или нет. Группой исследователей под руководством J.D. Rodriguez был проведён схожий эксперимент [30]. Целью их исследования стало изучение момента наступления и продолжительности моргания длительностью ≥70 мс и связанных с ними промежутков между морганиями у здоровых испытуемых, пациентов с лёгким или умеренным синдромом сухого глаза. Схожесть экспериментов заключается в использовании видео в качестве стимула. Цифровая видеозапись каждого глаза участников исследования была зафиксирована во время просмотра исследуемыми 10-минутного документального фильма. После съёмки видеоматериалы были проанализированы на наличие продолжительных морганий. Длина интервала между морганиями до и после этих продолжительных морганий была подсчитана, так же как и различия в количестве соприкосновений век. Это исследование позволяет сделать три основных вывода: – продолжительность моргания, как правило, более выражено у пациентов с синдромом сухого глаза; – увеличение интервалов между морганиями после продолжительного моргания происходит у пациентов с синдромом сухого глаза; – большая продолжительность моргания связана со значительным увеличением интервалов между морганиями для всех респондентов. Третий вывод в рамках нашего исследования представляется наиболее интересным. Объединяя выводы приведённых исследований, можно предположить следующее: – существует необходимость «выбрать» подходящий момент для моргания так, чтобы не потерять важную визуальную информацию; – люди обладают механизмом контроля времени моргания, который определяет подходящий момент, чтобы избежать потери критичес­ки важной информации из потока визуальной информации; – продолжительная сцена видео, привлёкшая активное внимание, попадает в промежуток между морганиями; – следующая за ней сцена, вероятнее всего, придётся на продолжительное моргание, следовательно, информация, содержащаяся в ней, скорее всего, не будет полностью воспринята; – учитывая высокую степень синхронизации моргания в группе и тот факт, что гендерных различий в подобной синхронизации нет, информация после длительного промежутка между морганиями, то есть после сосредоточения внимания, либо во время восприятия информации, сопровождающейся неприятными образами, не будет полностью воспринята и группой людей тоже; – синхронизация моргательного рефлекса требует сюжета, но необходимость следовать сюжетной линии не является причиной синхронизации. Таким образом, анализ особенностей восприятия видеоинформации посредством исследования компонентов мигательного рефлекса предполагает междисциплинарный подход и должен быть ориентирован на получение результатов, которые могут быть использованы как для дальнейшего изучения психофизиологических особенностей и закономерностей зрительного восприятия человека, так и для целенаправленного конструирования максимально эффективно воспринимаемого видео.
×

About the authors

A R Shakurova

Kazan State Technical University named after A.N. Tupolev, Kazan, Russia

Email: veiy@mail.ru

References

  1. Авакян Г.Н., Абдухакимова У.Ф. Электрофизиологическая и клиническая значимость ранних и поздних компонентов мигательного рефлекса и их роль в диагностике // Ж. неврол. и психиат. — 1988. — №8. — С. 39–43.
  2. Зальцман А.Г. Особенности переработки зрительной информации в правом и левом полушариях головного мозга человека // Физиол. чел. — 1990. — Т. 16, №2. — С. 135–148.
  3. Мещеряков В.А., Казановская И.А. Временные ограничения переработки зрительной информации человеком-оператором // Физиол. чел. — 1978. — Т. 4, №2. — С. 238–244.
  4. Салихова М.А., Шакурова А.Р. Современные обучающие видеоуроки // Усп. совр. естеств. — 2013. — №10. — С. 99–100.
  5. Хакен Г., Хакен-Крель М. Тайны восприятия. — М.: Ин-т компьют. исслед., 2002. — 272 с.
  6. Andersen R.A., Snyder L.H., Bradley D.C., Xing J. Multimodal representation of space in the posterior parietal cortex and its use in planning movements // Annu. Rev. Neurosci. — 1997. — Vol. 20. — P. 303–330.
  7. Aramideh M., Ongerboer de Visser B.W. Brainstem reflexes: electrodiagnostic techniques, physiology, normative data, and clinical applications // Muscle Nerve — 2002. — Vol. 26. — P. 14–30.
  8. Basso M.A., Evinger C. An explanation for reflex blink hyperexcitability in Parkinson’s disease. II. Nucleus raphe magnus // J. Neurosci. — 1996. — Vol. 16. — P. 7318–7330.
  9. Bodis-Wollner I., Bucher S.F., Seelos K.C. Cortical activation patterns during voluntary blinks and voluntary saccades // Neurology. — 1999. — Vol. 53. — P. 1805.
  10. Bristow D., Frith C., Rees G. Two distinct neural effects of blinking on human visual processing // Neuroi­mage. — 2005. — Vol. 27. — P. 136–145.
  11. Burr D.C., Morrone M.C., Ross J. Selective suppression of the magnocellular visual pathway during saccadic eye movements // Nature. — 1994. — Vol. 371. — P. 511–513.
  12. Drew G. Variations in reflex blink-rate during visual-motor tasks // Q. J. Exp. Psychol. — 1951. — Vol. 3. — P. 73–88.
  13. Fogarty C., Stern J.A. Eye movements and blinks: their relationship to higher cognitive processes // Int. J. Psychophysiol. — 1989. — Vol. 8. — P. 35–42.
  14. Freeman J.H., Steinmetz A.B. Neural circuitry and plasticity mechanisms underlying delay eyeblink conditio­ning // Learn Mem. — 2011. — Vol. 18, N 10. — P. 666–677.
  15. Fukuda K. Analysis of eyeblink activity during discriminative tasks // Percept. Mot. Skills. — 1994. — Vol. 79. — P. 1599–1608.
  16. Fukuda K. Eye blinks: new indices for the detection of deception // Int. J. Psychophysiol. — 2001. — Vol. 40, iss. 3. — P. 239–245.
  17. Fukuda K., Stern J.A., Brown T.B., Russo M.B. Cognition, blinks, eye-movements, and pupillary movements du­ring performance of a running memory task // Aviat. Space Environ Med. — 2005. — Vol. 76. — P. 75–85.
  18. Hall A. The origin and purposes of blinking // Br. J. Opthalmol. — 1945. — Vol. 29. — P. 467.
  19. Hasson U., Nir Y., Levy I. et al. Intersubject synchronization of cortical activity during natural vision // Science. — 2004. — Vol. 303. — P. 1634–1640.
  20. Irwin D.E. Where does attention go when you blink? // Atten. Percep. & Psychophys. — 2011. — Vol. 73, N 5. — P. 1374–1384.
  21. Matiko J.W., Beeby S., Tudor J. Real time eye blink noise removal from EEG signals using morphological component analysis // Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. — 2013. — Vol. 13. — P. 6.
  22. Nakano T., Yamamoto Y., Kitajo K. et al. Synchronization of spontaneous eyeblinks while viewing video stories // Proceed. Royal Soc. — 2009. — Vol. 276. — P. 3635–3644.
  23. Nakano T., Kitazawa S. Eyeblink entrainment at breakpoints of speech // Exper. Br. Reser. — 2010. — Vol. 205, N 4. — P. 577–581.
  24. Nakano T., Kato M., Morito Y. et al. Blink-related momentary activation of the default mode network while viewing videos // Proc. Nat. Acad. Scienc. USA. — 2013. — Vol. 110, N 2. — Р. 702–706.
  25. Orchard L.N., Stern J.A. Blinks as an index of cognitive activity during reading // Integr. Physiol. Behav. — 1991. — Vol. 26. — P. 108–116.
  26. Ponder E., Kennedy W.P. On the act of blinking // Q. J. Exp. Physiol. — 1927. — Vol. 18. — P. 89–110.
  27. Ridder W.H.III, Tomlinson A. Suppression of contrast sensitivity during eyelid blinks // Vision Res. — 1993. — Vol. 33. — P. 1795–1802.
  28. Ridder W.H.III, Tomlinson A. Spectral characteristics of blink suppression in normal observers // Vision Res. — 1995. — Vol. 35. — P. 2569–2578
  29. Ridder W.H.III, Tomlinson A. A comparison of saccadic and blink suppression in normal observers // Vision Res. — 1997. — Vol. 37. — P. 3171–3179.
  30. Rodriguez J.D., Ousler G.W.III, Johnston P.R. et al. Investigation of extended blinks and interblink intervals in subjects with and without dry eye // Clin. Ophthalmol. — 2013. — Vol. 7. — Р. 337–342.
  31. Salihova M.A., Shakurova A.R., Galihanova A.A. et al. Cognitive assessment of new type of teaching video perception by secondary comprehensive school students // Intern. J. Multimed. Technol. — 2013. — Vol. 2. — P. 80–82.
  32. Salman M.S., Liu L. Spontaneous blink rates in children during different types of eye movements // Can. J. Neurol. Sci. — 2013. — Vol. 40, N 5. — Р. 717–721.
  33. Stern J.A., Walrath L.C., Goldstein R. The endogenous eyeblink // Psychophysiology. — 1984. — Vol. 21. — P. 22–33.
  34. Shultz S., Klin A., Jones W. Inhibition of eye blin­king reveals subjective perceptions of stimulus salience // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2011. — Vol. 108. — Р. 21 270–21 275.
  35. Syed N.A., Delgado A., Sandbrink F. et al. Blink reflex recovery in facial weakness: an electrophysiologic study of adaptive changes // Neurology. — 1999. — Vol. 52, N 4. — Р. 834–838.
  36. Toyama K., Kimura M., Tanaka K. Cross-correlation analysis of interneuronal connectivity in cat visual cortex // J. Neurophysiol. — 1981. — Vol. 46. — P. 191–201.
  37. Toyama K., Kimura M., Tanaka K. Organization of cat visual cortex as investigated by cross-correlation technique // J. Neurophysiol. — 1981. — Vol. 46. — P. 202–214.
  38. Vander W.F., Brassinga P., Reits D. et al. Eyelid movements: behavioral studies of blinking in humans under different stimulus conditions // J. Neurophysiol. — 2003. — Vol. 89. — P. 2784–2796.
  39. Volkmann F.C. Human visual suppression // Vision Res. — 1986. — Vol. 26. — P. 1401–1416.
  40. Volkmann F.C., Riggs L.A., Moore R.K. Eyeblinks and visual suppression // Science. — 1980. — Vol. 207. — P. 900–902.
  41. Yates S.K., Brown W.F. Light-stimulus-evoked blink reflex: methods, normal values, relation to other blink reflexes, and observations in multiple sclerosis // Neuro­logy. — 1981. — Vol. 31. — P. 272–281.

© 2014 Shakurova A.R.

Creative Commons License

This work is licensed
under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.





This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies