Un framework di visualizzazione contingente allo sguardo per la ricerca sull'apprendimento percettivo con perdita simulata della visione centrale

Presentiamo lo sviluppo di un framework di visualizzazione contingente allo sguardo progettato per la ricerca percettiva e oculomotoria che simula la perdita della visione centrale. Questo quadro è particolarmente adattabile per lo studio di strategie comportamentali e oculomotorie compensatorie in individui che sperimentano una perdita della visione centrale sia simulata che patologica.

La degenerazione maculare (MD) è una delle principali cause di compromissione della vista nel mondo occidentale. I pazienti con MD tendono a sviluppare strategie di movimento oculare spontaneo per compensare la perdita della vista, inclusa l'adozione di un locus retinico preferito, o PRL, una regione periferica risparmiata che usano più frequentemente per sostituire la fovea danneggiata. Tuttavia, non tutti i pazienti riescono a sviluppare una PRL e, anche quando lo fanno, potrebbero volerci mesi. Attualmente, non esiste una terapia riabilitativa gold standard e la ricerca sulla medicina è ulteriormente ostacolata da problemi di reclutamento, compliance e comorbilità. Per aiutare ad affrontare questi problemi, un numero crescente di ricerche ha utilizzato display guidati dall'eye tracking e contingenti allo sguardo in un paradigma di perdita della visione centrale simulata in individui con vista intatta. Sebbene la perdita della vista simulata sia qualitativamente diversa dalla perdita patologica della visione centrale, il nostro framework fornisce un modello altamente controllato attraverso il quale studiare i movimenti oculari compensatori e testare possibili interventi di riabilitazione nell'ipovisione. Sviluppando un quadro completo, piuttosto che fare affidamento su compiti isolati e scollegati, creiamo un ambiente coeso in cui possiamo testare ipotesi su larga scala, consentendoci di esaminare le interazioni tra i compiti, valutare gli effetti dell'addestramento in più misure e stabilire una metodologia coerente per la ricerca futura. Inoltre, i partecipanti a studi simulati sulla perdita della visione centrale mostrano somiglianze nei loro comportamenti compensatori oculomotori rispetto ai pazienti con MD. Qui, presentiamo un quadro per condurre studi contingenti allo sguardo relativi alla perdita simulata della visione centrale. Sottolineiamo l'utilizzo del framework per testare le prestazioni comportamentali e oculomotorie di individui sani su un'ampia gamma di compiti percettivi che comprendono diversi livelli di elaborazione visiva. Discutiamo anche di come questo quadro possa essere adattato per la formazione dei pazienti con MD.

La degenerazione maculare (MD) è la principale causa di compromissione della vista a livello globale e si prevede che colpirà 248 milioni di persone in tutto il mondo entro il 2040¹. La MD in stadio avanzato è caratterizzata da un danno ai fotorecettori al centro del campo visivo (fovea). La perdita della visione centrale ha gravi effetti sulle attività quotidiane che si basano sulla visione centrale, come la navigazione², la lettura³ e il riconoscimento dei volti⁴. Le conseguenze della MD hanno un grande impatto sulla qualità della vita di questi individui⁵ e portano a conseguenze psicologiche negative⁶. I pazienti con MD, privati della loro visione centrale, possono sviluppare spontaneamente strategie oculomotorie compensatorie che prevedono l'uso di una regione retinica periferica per sostituire la fovea (Figura 1). Questa regione, indicata come locus retinico preferito (PRL)⁷, è spesso adottata dai pazienti in attività che coinvolgono la fissazione, la lettura e il riconoscimento facciale. Ci sono prove che la PRL, nei pazienti con MD, assume i compiti di riferimento oculomotorio della fovea ^8,9. Inoltre, si osservano cambiamenti nell'attenzione e nel controllo cognitivo nei pazienti con perdita della vista centrale, suggerendo una relazione tra perdita della vista e funzioni cognitive¹⁰.

Figura 1. Illustrazione dell'esperienza percettiva di individui con vista sana e pazienti con degenerazione maculare con scotoma foveale. Lo scotoma foveale porta alla perdita della vista centrale nei pazienti con degenerazione maculare. Alcuni individui possono compensare parzialmente la perdita di input visivo nella fovea utilizzando una posizione retinica periferica, definita come locus retinico preferito (PRL). Nei pazienti che hanno sviluppato una PRL, questo è spesso usato per la fissazione eccentrica e durante le attività quotidiane. La posizione, la forma e le dimensioni della retina possono variare da persona a persona. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Sebbene non esista un intervento gold standard per recuperare la perdita della vista o per compensare la perdita della visione centrale, sono in fase di test approcci sperimentali di optometria, terapia occupazionale e scienza della vista per migliorare la compensazione attraverso la visione periferica^11,12. Gli approcci oculomotori si concentrano sull'insegnare ai pazienti a migliorare il controllo dei movimenti oculari e la coordinazione, incluso l'insegnamento a utilizzare un PRL più adeguato 11,12,13,14,15 mentre gli interventi percettivi si concentrano sul miglioramento delle capacità visive periferiche generali o della visione all'interno del PRL, superando parzialmente la limitazione della visione periferica 16,17,18,^19,20. Studi recenti hanno utilizzato un display contingente allo sguardo basato sull'eye-tracking come paradigma per lo studio dei movimenti oculari nella perdita della visione centrale 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Questo approccio, che utilizza uno scotoma simulato (cioè un occlusore per ostruire la regione centrale del campo visivo) in individui sani (Figura 1), mitiga i problemi di reclutamento e compliance, fornendo al contempo un elevato controllo su diversi parametri, come le dimensioni e la forma dello scotoma, offrendo così un'alternativa promettente al coinvolgimento diretto dei pazienti con MD. Sebbene esistano diverse differenze tra la perdita della vista centrale e lo scotoma simulato^30,31, alcuni dei comportamenti oculomotori osservati nel primo, come lo sviluppo di un PRL, possono essere visti nel secondo 27,30,32, suggerendo che alcuni aspetti delle strategie oculomotorie compensatorie possono essere suscitati da questo paradigma contingente dello sguardo. È importante sottolineare che la perdita simulata della visione centrale fornisce un ampio quadro per lo studio della plasticità sia nel sistema visivo sano che nella successiva perdita della vista centrale.

Qui, presentiamo la progettazione, lo sviluppo e l'uso di un quadro contingente allo sguardo che può essere utilizzato per testare le prestazioni percettive, oculomotorie e attentive in individui sani e, con alcune modifiche, in pazienti con MD (Figura 2). Descriviamo anche in dettaglio le considerazioni tecniche e psicofisiche che accompagnano l'allenamento periferico contingente allo sguardo. Una sfida tecnica chiave consiste nel creare la percezione di un movimento fluido e a breve latenza dello scotoma³³. Questa breve latenza si ottiene selezionando dispositivi di visualizzazione, eye tracker e sistemi operativi appropriati 34,35,36. Lavori precedenti hanno documentato come ogni componente hardware aggiunga latenza³⁷ e strategie per ridurre la latenza complessiva, adattarsi alle palpebre e rallentare i movimenti oculari³³. Un aspetto nuovo del nostro paradigma è l'insieme diversificato di compiti di formazione e valutazione all'interno di un unico quadro per la ricerca percettiva sia in popolazioni sane che in pazienti. Il quadro caratterizza più livelli di elaborazione visiva influenzati dalla perdita della visione centrale, in particolare la visione di basso livello, la visione di livello superiore, l'attenzione, il controllo oculomotorio e il controllo cognitivo. I test preliminari condotti utilizzando una versione modificata di questo approccio hanno mostrato evidenza di miglioramento dell'acuità visiva sia nei controlli sani che nella popolazione di pazienti³².

Figura 2. Approccio multidimensionale allo studio della plasticità nel sistema visivo e alla riabilitazione visiva nella Degenerazione Maculare. Illustrazione di dimensioni interconnesse come la percezione visiva, il controllo oculomotorio e cognitivo che contribuiscono all'elaborazione visiva e sono influenzate dalla perdita della visione centrale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tutti i partecipanti erano individui sani con acuità visiva di 20/40 o superiore e senza problemi di vista noti. Entrambi i partecipanti rappresentativi sono donne e hanno un'età compresa tra i 27 e i 24 anni. Tutti i partecipanti hanno fornito il consenso informato e lo studio ha ricevuto l'approvazione dall'Institutional Review Board (IRB) dell'Università dell'Alabama a Birmingham.

1. Identificazione di un sistema ideale per la ricerca simulata sulla perdita della visione centrale

1. Identificare un sistema che trasmetta in modo efficiente le informazioni dall'eye tracker al software di generazione dello stimolo in un ciclo continuo. Utilizzare i metodi descritti in³⁷ per misurare la latenza di diverse combinazioni di sistemi per identificare quello con la latenza più bassa.
   NOTA: Nella Figura 3 viene mostrato un confronto della latenza combinata di quattro diverse combinazioni di sistemi comprendenti due eye tracker (EyeLink 1000 Plus Tower Mount e TRACKPixx3), due dispositivi di visualizzazione (CRT Monitor (frequenza di aggiornamento = 100 Hz) e Display++ (frequenza di aggiornamento = 120 Hz)) insieme a due sistemi operativi (Windows 10 e Mac iOS). Ogni combinazione è stata misurata 20 volte. I risultati hanno mostrato che la latenza del sistema era la più bassa quando l'eye tracker Vpixx TrackPixx3 è stato utilizzato in combinazione con il sistema operativo Windows 10.

Figura 3: Confronto della latenza tra diverse combinazioni di monitor, dispositivi di tracciamento oculare e sistemi operativi. Le barre rappresentano la deviazione standard ± 1 nelle 20 ripetizioni per combinazione. Le misure sono state prese con un telefono con sistema operativo Mac in modalità slow motion, raggiungendo una frequenza di aggiornamento di 240Hz. TP/CRS/Win è statisticamente diverso da E1000/CRT/Mac (t(38)=9.53, p<0.001), E1000/CRS/Mac (t(38)=16.24, p<0.001) e E1000/CRS/Win (t(38)=3.94, p<0.001). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Familiarizzazione dei partecipanti con la perdita simulata della visione centrale attraverso la visualizzazione contingente dello sguardo

NOTA: Una componente fondamentale nella simulazione della perdita della visione centrale è familiarizzare i partecipanti con la visualizzazione contingente dello sguardo. Senza un'adeguata familiarizzazione, le misure delle abilità possono essere confuse dallo sforzo dei partecipanti di navigare nell'esibizione contingente dello sguardo. Diversi passaggi chiave del protocollo garantiscono una sufficiente familiarizzazione con il display contingente allo sguardo per essere in grado di misurare le prestazioni visive in modo affidabile.

1. Fornire ai partecipanti istruzioni audiovisive sul compito che svolgeranno durante una particolare sessione. Per ogni attività, disponi di istruzioni video dedicate con schermate dell'attività effettiva. Quindi, spiega le istruzioni verbalmente per assicurarti che il partecipante abbia una buona comprensione di cosa aspettarsi in un determinato compito.
2. Fornire ai partecipanti prove pratiche prima di iniziare ciascuna delle attività principali. Ciò offre l'opportunità di chiarire eventuali domande relative all'attività.
3. Durante la visita iniziale, prima di svolgere compiti contingenti allo sguardo, eseguire un allenamento di fissazione sui partecipanti, in cui imparano a posizionare il loro scotoma simulato all'interno di una casella centrale bianca sullo schermo per periodi variabili con tolleranza spaziale che aumenta tra le prove, mentre ignorano i distrattori che possono apparire sullo schermo.
4. Inoltre, esegui un compito di induzione PRL sui partecipanti, che è progettato per promuovere lo sviluppo di comportamenti simili a PRL. In questa attività, chiedi ai partecipanti di visualizzare un disco opaco posizionato in modo casuale sullo schermo che copre un bersaglio (ad esempio, un Landolt C) e sposta lo scotoma vicino al disco opaco per rivelare il bersaglio.
   NOTA: L'analisi oculomotoria di questo compito può indicare una posizione precoce simile a PRL che può essere successivamente utilizzata come locus di allenamento. In questo paradigma sperimentale, lo scotoma centrale circolare sottese un angolo visivo di 10°. Questi passaggi consentono ai partecipanti di familiarizzare con la visualizzazione contingente dello sguardo e li preparano a eseguire un'ampia gamma di valutazioni percettive e compiti di allenamento utilizzando la loro visione periferica.

3. Sviluppo di istruzioni efficaci

NOTA: Le istruzioni svolgono un ruolo cruciale nel guidare i partecipanti su come rispondere agli stimoli e gestire il loro scotoma simulato durante le diverse attività. Le istruzioni appropriate devono essere complete e chiare per evitare qualsiasi confusione. Le istruzioni devono essere ripetute secondo necessità per garantire la comprensione.

1. Video didattici
   1. Dimostrazione visiva: fornisci video che dimostrino visivamente ogni passaggio dell'attività. I video dovrebbero illustrare chiaramente come gestire lo scotoma simulato in modo appropriato durante l'attività e come rispondere agli stimoli.
   2. Narrazione: Consegna una sceneggiatura concisa sviluppata per accompagnare la dimostrazione visiva che spiega il processo in termini semplici. Assicurati che il linguaggio sia facile da capire ed evita la terminologia tecnica.
2. Istruzioni verbali scritte
   1. Coerenza: utilizza uno script standardizzato per le istruzioni verbali per garantire la coerenza tra le diverse sessioni e partecipanti. Esempio: durante l'attività, ci saranno più pause per riposare gli occhi. Durante queste pause, assicurati di tenere la testa sul poggiamento. Quando sei pronto per continuare l'attività, premi la barra spaziatrice e l'attività ricomincerà.
   2. Chiarezza: parla lentamente e chiaramente: assicurati di enfatizzare tutti gli aspetti importanti del compito.
3. Istruzioni visive
   1. Istruzioni sullo schermo: fornire una guida scritta sullo schermo che i partecipanti possano leggere prima e durante il completamento delle attività. Usa frasi brevi per chiarezza con ausili visivi per dimostrare gli stimoli che il partecipante può incontrare durante ogni compito.

4. Progettazione e attuazione delle attività di valutazione

NOTA: Le attività progettate all'interno di questo quadro sono ampiamente suddivise in due categorie principali: (1) attività di movimento oculare libero e (2) attività con vincoli di fissazione. Nelle attività con movimento degli occhi liberi, consenti ai partecipanti di eseguire movimenti oculari sullo schermo per identificare i bersagli che appaiono in posizioni casuali sullo schermo (o per leggere il testo), mentre, nelle attività con vincoli di fissazione, chiedi ai partecipanti di mantenere la fissazione all'interno di una scatola bianca centrale per tutta la durata dell'attività e di utilizzare la loro visione periferica per esprimere giudizi. Nella Figura 4 vengono illustrate le attività di esempio e le descrizioni per ogni categoria. Informazioni più dettagliate sui compiti sono disponibili in³⁸.

Figura 4: Una rappresentazione visiva di diversi compiti di valutazione progettati utilizzando il framework. Le attività sono ampiamente classificate in attività di movimento oculare libero, in cui lo scotoma segue i movimenti oculari dei partecipanti per visualizzare liberamente i bersagli (pannello superiore) e attività con vincoli di fissazione, in cui lo scotoma deve essere posizionato all'interno di una casella bianca centrale durante l'attività (pannello inferiore). Questa cifra è stata modificata da³⁸. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

1. Attività di movimento degli occhi gratuite
   NOTA: Le attività di movimento oculare libero misurano il comportamento dei movimenti oculari dei partecipanti durante l'esecuzione delle attività. Questi promuovono la comprensione dei movimenti dell'occhio nel contesto di compiti naturalistici come la lettura e la ricerca visiva.
   1. Video didattico/istruzioni verbali
      1. Presentare un video didattico e istruzioni verbali scritte al partecipante prima della calibrazione.
   2. Taratura
      1. Esegui convalide delle calibrazioni precedenti tra le attività e le calibrazioni aggiuntive quando le convalide sono scarse o quando i partecipanti fanno delle pause tra le attività.
   3. Visualizzazione gratuita di metodi specifici per attività
      1. Esegui attività di visualizzazione libera che istruiscono i partecipanti a eseguire una serie di azioni usando lo sguardo piuttosto che fissarsi su un'area. Scegliere di eseguire l'attività con una delle seguenti varianti.
      2. Porta lo scotoma vicino a una stecca, provocando la comparsa di uno stimolo. Mantieni la fissazione su una posizione specifica dello schermo per un periodo di tempo. Eseguire un'attività standard, come la lettura o la ricerca visiva, con la visione centrale occlusa dallo scotoma.
      3. All'inizio delle attività, fornisci ai partecipanti istruzioni sullo schermo seguite da una serie di prove pratiche. Dopo il completamento delle prove pratiche, fornire istruzioni di promemoria prima di passare all'attività. Assicurarsi che i partecipanti comprendano e abbiano dimostrato competenza nell'uso dei layout visivi, delle azioni oculomotorie richieste e delle caratteristiche di risposta di ogni compito prima di misurare le prestazioni.
      4. Fornire ai partecipanti un feedback uditivo che indichi l'accuratezza delle loro risposte mentre completano ogni compito, poiché il feedback visivo può essere perso a causa dell'uso di uno scotoma.
      5. Incorpora pause fino a 1 minuto in ogni attività per ridurre la possibilità di testare l'affaticamento. Incorpora pause di 3 minuti o più per i giorni che includono sessioni di valutazione più lunghe per ridurre le possibilità di affaticamento da test.
2. Attività vincolate al fissaggio
   NOTA: Le attività vincolate alla fissazione sono utili per testare o allenare la visione periferica in specifiche posizioni del campo visivo. Queste attività sono adatte per testare sia l'elaborazione visiva di livello precoce che medio, tra cui l'acuità visiva, la sensibilità al contrasto, l'affollamento, ecc., nonché l'elaborazione visiva di alto livello, inclusa l'attenzione esogena ed endogena. Per questi compiti, è importante che i partecipanti imparino a mantenere una fissazione costante per evitare che le prestazioni del compito vengano confuse dalle risorse attentive dedicate alla fissazione costante. Durante questi compiti, ai partecipanti viene chiesto di mantenere la visione centrale focalizzata sul centro dello schermo con l'aiuto di ausili per la fissazione (Figura 5B) mentre rispondono agli stimoli che appaiono nella loro visione periferica.
   1. Video didattico/istruzioni verbali
      1. Presentare un video didattico e istruzioni verbali scritte al partecipante prima della calibrazione.
   2. Taratura
      1. Esegui convalide delle calibrazioni precedenti tra le attività e le calibrazioni aggiuntive quando le convalide sono scarse o quando i partecipanti fanno delle pause tra le attività.
   3. Metodi specifici per attività vincolati alla fissazione
      1. Durante le attività vincolate alla fissazione, chiedi ai partecipanti di mantenere la posizione della testa nella mentoniera per tutta la durata dell'attività, assicurandoti che la calibrazione rimanga il più accurata possibile alla posizione originale durante tutto il processo.
      2. Fornisci ai partecipanti istruzioni sullo schermo seguite da una serie di prove pratiche. Dopo il completamento delle prove pratiche, fornisci una serie di istruzioni sullo schermo prima di passare all'attività.
      3. Durante queste attività, chiedi ai partecipanti di mantenere la loro visione centrale focalizzata sul centro dello schermo con l'aiuto di ausili di fissazione (scatola di fissazione rettangolare bianca) mentre rispondono agli stimoli che appaiono nella loro visione periferica su entrambi i lati della scatola di fissaggio.
      4. Chiedi ai partecipanti di rispondere usando il dito indice destro su una casella di risposta a cinque pulsanti situata alla loro destra durante la valutazione. Se la fissazione non viene mantenuta, lo stimolo non verrà presentato e scadrà a meno che la fissazione non venga ripresa.
      5. Fornire ai partecipanti un feedback uditivo che indichi l'accuratezza delle loro risposte mentre completano ogni compito, poiché, ancora una volta, il feedback visivo può essere perso a causa dell'uso di uno scotoma.
      6. Incorpora pause fino a 1 minuto in ogni attività per ridurre la possibilità di testare l'affaticamento. Incorpora pause di 3 minuti o più per i giorni che includono sessioni di valutazione più lunghe per ridurre le possibilità di affaticamento da test.
3. Sviluppo di display di fissaggio appropriati
   NOTA: Le attività che coinvolgono bersagli presentati perifericamente e scotoma simulato che ostruisce la visione centrale presentano sfide quando si cerca di stimare le prestazioni in una posizione definita retinotopicamente. Infatti, anche nei compiti foveali, gli occhi compiono piccoli movimenti involontari sotto forma di deriva e microsaccadi). Pertanto, al fine di ottimizzare la stabilità della fissazione, è necessario riflettere attentamente sulla progettazione di ausili per la fissazione.
   1. Sviluppare un design di ausilio di fissaggio che incorpori sia una croce di fissaggio grande che una scatola di fissaggio (Figura 5). Istruire i partecipanti a mantenere l'occlusore opaco all'interno della scatola di fissazione e a utilizzare i lunghi bracci della croce di fissazione come riferimento per il centro dello schermo.
      NOTA: Questo design combina entrambi i tipi di ausili visivi a bersaglio e a mirino, che hanno dimostrato di portare alla migliore stabilità di fissazione³⁹. Inoltre, avendo sia una scatola di fissazione che una croce di fissaggio, questo design può essere facilmente utilizzato in contesti traslazionali per testare i pazienti con perdita della vista centrale, come nel caso dei pazienti con MD.
4. Ottimizzazione delle procedure adattive per misurare con precisione le prestazioni
   NOTA: Un aspetto critico dell'implementazione di diverse valutazioni è la capacità di stimare rapidamente e con successo le soglie di prestazione in un sottoinsieme di queste attività (in particolare acuità visiva, sensibilità al contrasto, affollamento e integrazione dei contorni). Una sfida è che le scale convenzionali possono essere lente a convergere e mirare alle prestazioni vicino alla soglia, causando frustrazione e affaticamento. Per aggirare questo problema, abbiamo implementato una procedura in tre fasi per stimare le prestazioni dei partecipanti a questi compiti.
   1. Nella prima fase, chiedi ai partecipanti di eseguire 12 prove pratiche prima dell'esperimento vero e proprio. Durante la seconda fase, utilizzare una scala 2-down 1-up che termina dopo 3 inversioni verso il basso (cioè, la direzione del cambiamento dello stimolo, da giù (difficile) a su (facile), fare riferimento anche alla sezione dei risultati rappresentativi), seguita dalla terza fase che consiste in una scala convenzionale 3-down 1-up che termina dopo 60 prove.
      NOTA: Studi pilota hanno indicato che questa procedura raggiunge soglie affidabili per la maggior parte delle attività (acuità visiva, affollamento e attività di sensibilità al contrasto). Tuttavia, alcune attività possono richiedere altri metodi, soprattutto quando le prestazioni possono differire notevolmente tra i partecipanti. Ad esempio, nell'attività di integrazione del contorno, dopo la prima fase della procedura (pratica), è stata implementata una procedura aggiuntiva. La difficoltà del compito è stata manipolata utilizzando un metodo a scala progressiva in cui il jitter di orientamento (0°, 1°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°, 12°) aumentava ogni tre prove per un totale di 24 prove. Quindi, la seconda e la terza fase della procedura (scala adattiva) sono continuate normalmente. In generale, compiti diversi possono richiedere procedure adattive leggermente diverse. Tuttavia, l'approccio a 3 fasi consente ai partecipanti di esercitarsi e di entrare rapidamente nell'intervallo della loro soglia e fornisce una misurazione dettagliata all'interno di tale intervallo.

Figura 5: Ausili di fissazione utilizzati per promuovere la stabilità della fissazione nei partecipanti. (A) La croce di fissazione e la scatola di fissazione sono state utilizzate per compiti di stabilità della fissazione. (B) La croce di fissaggio, la scatola di fissazione e la croce nera al centro sono state utilizzate in compiti di visione a basso livello. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

In questa sezione, presentiamo dati illustrativi sia dal movimento libero degli occhi che dalle attività vincolate alla fissazione. L'obiettivo di questa sezione è illustrare i dati ottenuti utilizzando il framework e la sua capacità di misurare le funzioni visive periferiche. La sezione è organizzata in quattro categorie distinte, ognuna delle quali evidenzia gli elementi critici necessari per una stima accurata delle prestazioni visive in caso di perdita simulata della visione centrale. Queste categorie includono le prestazioni su (1) compiti di visione di basso e medio livello, (2) misure di attenzione in compiti di visione di alto livello, (3) compiti ecologicamente validi e (4) metriche oculomotorie che catturano le strategie di movimento adattivo degli occhi quando la fissazione della visione centrale è ostruita. Tutti i partecipanti erano individui sani con acuità visiva di 20/40 o superiore e nessun problema visivo noto. Entrambi i nostri partecipanti rappresentativi erano donne e avevano 27 e 24 anni. Tutti i partecipanti hanno fornito il consenso informato e lo studio ha ricevuto l'approvazione dall'Institutional Review Board (IRB) dell'Università dell'Alabama a Birmingham.

Prestazioni in attività di visione a basso e medio livello con scale adattive

Le figure 6 e 7 illustrano la progressione delle prestazioni di due partecipanti in quattro compiti visivi specifici: acuità visiva (pannello A), sensibilità al contrasto (pannello B), integrazione dei contorni (pannello C) e affollamento (pannello D). Le traiettorie delle prestazioni sono rappresentate utilizzando scale codificate a colori, dove il verde indica la posizione sinistra del bersaglio e il viola indica la posizione corretta. Per ogni compito, le soglie sono state calcolate calcolando la media delle ultime sei inversioni per ogni posizione (e per ogni forma o orientamento nelle attività di integrazione del contorno e di affollamento, rispettivamente). Queste soglie sono contrassegnate da una linea tratteggiata perpendicolare all'asse y. È importante notare che per le attività di acuità visiva, sensibilità al contrasto e affollamento, valori più bassi sull'asse y corrispondono a prestazioni migliori, mentre per l'attività di integrazione del contorno, valori più alti indicano prestazioni superiori.

Figura 6. Prestazioni del Partecipante 1 in tutte le attività che utilizzano scale adattive: I pannelli A, B, C e D corrispondono alle prestazioni del partecipante rispettivamente nelle attività di acuità visiva, sensibilità al contrasto, integrazione dei contorni e affollamento. Le prestazioni nella posizione a sinistra sono contrassegnate da punti rossi, mentre le prestazioni nella posizione a destra sono indicate da punti neri. Le soglie per ogni attività sono rappresentate da linee tratteggiate perpendicolari all'asse y. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7. Prestazioni del Partecipante 2 in tutte le attività che utilizzano scale adattive: I pannelli A, B, C e D corrispondono alle prestazioni del partecipante rispettivamente nelle attività di acuità visiva, sensibilità al contrasto, integrazione dei contorni e affollamento. Le prestazioni nella posizione a sinistra sono contrassegnate da punti rossi, mentre le prestazioni nella posizione a destra sono indicate da punti neri. Le soglie per ogni attività sono rappresentate da linee tratteggiate perpendicolari all'asse y. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

I partecipanti hanno mostrato prestazioni affidabili nell'acuità visiva, nella sensibilità al contrasto, nell'integrazione dei contorni e nelle attività di affollamento durante l'esperimento (Figure 6 e 7).

Misure di attenzione

La Figura 8 illustra le prestazioni dei partecipanti al compito di attenzione esogena, in cui i tempi di reazione sono misurati per prove congruenti (segnale valido) e incongruenti (segnale non valido), classificate in base alla posizione (sinistra/destra). Per il Partecipante 1, è stato osservato un effetto significativo del tipo di segnale nella posizione sinistra (test t di Welch: t(111,5) = -2,6, p < 0,05), indicando una notevole differenza nei tempi di reazione in base alla congruenza del segnale (Figura 8). Tuttavia, non è stato riscontrato alcun effetto significativo nella posizione corretta. Per il Partecipante 2, non è stato osservato alcun effetto significativo del cueing in nessuna delle due posizioni. La Figura 8 mostra l'effetto cueing coerente, come previsto in un compito di attenzione esogena.

Figura 8. Analisi del compito di attenzione esogena: la figura presenta i tempi di reazione (misurati in secondi) di due partecipanti, con dati raggruppati in base alla posizione della presentazione del bersaglio. In questa visualizzazione, le barre blu rappresentano i tempi di reazione e l'accuratezza percentuale per prove congruenti e incongruenti. Le barre di errore sono incluse per indicare la deviazione standard per ogni condizione. I grafici superiori mostrano i tempi di reazione e il tasso di precisione sul lato sinistro, i grafici inferiori mostrano i tempi di reazione e il tasso di precisione sul lato destro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Prestazioni nelle attività di movimento oculare libero

Le prestazioni nel compito MNRead sono misurate dal tempo impiegato per leggere ogni frase, con il compito che si conclude quando il partecipante non è più in grado di leggere la frase. Le figure 9A e B mostrano le prestazioni dell'attività MNRead per entrambi i partecipanti. Come anticipato, il tempo necessario per leggere ogni frase aumenta al diminuire della dimensione del carattere. Da questi risultati, possiamo stimare metriche chiave come l'acuità di lettura (la dimensione del carattere più piccola letta correttamente), la velocità massima di lettura e la dimensione di stampa critica (la dimensione di stampa più piccola alla quale i partecipanti possono leggere alla massima velocità). Queste metriche possono essere confrontate sia all'interno che tra i partecipanti. La Figura 9C illustra le prestazioni dell'attività di creazione di sentieri, con il tempo totale di completamento registrato sia per la Parte A (collegamento di numeri in ordine crescente) che per la Parte B (collegamento di numeri e lettere alternati in ordine sequenziale). Pur avendo lo stesso numero di elementi, i partecipanti generalmente impiegano più tempo per completare la Parte B, un risultato coerente con la ricerca precedente⁴³.

Figura 9. Analisi di compiti di valutazione ecologicamente validi: Il tempo di risposta (misurato in secondi) in funzione della dimensione del carattere della frase è presentato per il Partecipante 1 nel Pannello A e per il Partecipante 2 nel Pannello B. Il Pannello C illustra il tempo di completamento (in secondi) sia per la Parte A che per la Parte B dell'attività di creazione del percorso. In questa figura, le barre blu rappresentano le prestazioni del Partecipante 1, mentre le barre rosse corrispondono alle prestazioni del Partecipante 2. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Analisi dei movimenti oculari

Per comprendere le strategie di visione periferica dopo l'allenamento visivo, analizziamo le distribuzioni di fissazione per stimare la stabilità della fissazione e la posizione del PRL^44,45. La dispersione delle posizioni degli occhi all'interno di uno studio viene analizzata controllando le diverse posizioni di fissazione tra i diversi studi. Questo approccio consente di calcolare la dispersione media delle posizioni oculari all'interno di ogni prova. Questa metrica è una misura all'interno dello studio della dispersione delle posizioni degli occhi dopo la prima fissazione dello studio, coerente con studi precedenti ^27,28. Inoltre, l'allenamento percettivo di individui con vista sana utilizzando la visualizzazione contingente dello sguardo porta a una latenza saccadicica più breve⁴⁶. Analizziamo il comportamento di fissazione periferica calcolando la dispersione attraverso la determinazione dell'area dell'ellisse del contorno bivariato (BCEA), che comprende una percentuale specificata di fissazioni, tipicamente il 68%, in un certo periodo di tempo (ad esempio, 15-30 secondi). A differenza degli studi precedenti, abbiamo normalizzato la dispersione delle fissazioni per ogni durata di prova per prova e poi ne abbiamo fatto la media in tutte le prove (come mostrato nella Figura 10, colonna 2). Questa normalizzazione garantisce che, anche se le fissazioni sono centrate in posizioni diverse tra le prove, il metodo traccia tutte le distribuzioni in un punto di riferimento comune. Inoltre, abbiamo impiegato un'analisi della densità di probabilità utilizzando la stima della densità del kernel (KDE) per rappresentare visivamente le aree con un'alta densità di fissazioni (Figura 10, colonna 3). Questa tecnica ci permette di definire PRL come la regione corrispondente al picco della funzione KDE. È importante notare che queste analisi offrono una panoramica generale dei modelli di sguardo dei partecipanti nel tempo, ma non distinguono tra i modi in cui i modelli di sguardo variano da prova a prova.

Figura 10. Analisi della stabilità della fissazione: La figura mostra i grafici BCEA e KDE delle distribuzioni di fissazione per i due partecipanti. Nei grafici BCEA, un'ellisse blu racchiude il 68% delle fissazioni totali. Nei grafici di KDE, l'area giallo brillante indica la regione con la più alta densità di fissazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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In questo articolo metodologico, presentiamo un quadro di riferimento per condurre ricerche percettive nella perdita simulata della visione centrale che enfatizza l'hardware, il design e le considerazioni metodologiche necessarie per (1) scegliere la latenza di sistema più breve per la visualizzazione contingente dello sguardo, (2) somministrare un'ampia gamma di compiti di percezione visiva e (3) misurare le prestazioni oculomotorie e percettive dei partecipanti all'interno di questo paradigma. Per quanto riguarda il punto (1), sottolineiamo la necessità di testare l'affidabilità dell'hardware e del software nel mantenere la percezione della contingenza dello sguardo. Combinazioni specifiche di apparecchiature di tracciamento oculare e software e hardware per computer, idealmente più di una, dovrebbero essere testate per garantire che la latenza sia sufficientemente bassa da non interrompere la percezione della contingenza e, soprattutto, per non consentire ai partecipanti di sfruttare il ritardo del sistema per eseguire compiti con la loro fovea. Per quanto riguarda il punto (2), abbiamo implementato diversi controlli durante la progettazione delle attività (e la successiva raccolta dei dati) utilizzando visualizzazioni contingenti allo sguardo. Un aspetto chiave è garantire che i partecipanti acquisiscano familiarità con le condizioni di visione modificate introdotte dallo scotoma. Ciò comporta l'addestramento a mantenere fissazioni stabili, che è essenziale per i compiti dipendenti dalla fissazione, e l'avvio di un comportamento oculomotorio appropriato, entrambi cruciali per completare con successo i compiti percettivi. Raggiungiamo questo obiettivo addestrando i partecipanti a fissarsi con lo scotoma e utilizzando un compito di induzione PRL prima dell'uso dei compiti percettivi. Per quanto riguarda il punto (3), abbiamo un quadro dettagliato per ogni compito che include l'impostazione, le istruzioni, la pratica e i metodi adattivi che affrontano sia i compiti di visualizzazione libera che quelli controllati dalla fissazione. Una caratteristica distintiva del nostro framework è la sua capacità di ospitare un ampio spettro di compiti percettivi, progettati per valutare le prestazioni a vari livelli di elaborazione visiva, inclusi compiti di basso, medio e alto livello. Per misurare con precisione le prestazioni, è essenziale incorporare pause adeguate sia all'interno che tra le attività e strutturare le esigenze psicofisiche in modo che le prestazioni possano essere valutate in modo efficiente e affidabile. Questo approccio riduce al minimo l'affaticamento, in particolare nei partecipanti con visione centrale intatta, che altrimenti potrebbero subire affaticamento a causa dell'uso prolungato della periferia visiva. Infine, introduciamo metodi per analizzare i movimenti oculari all'interno delle prove calcolando il BCEA che comprende una data percentuale di fissazioni in un certo periodo per quantificare il comportamento oculomotorio rappresentativo delle diverse strategie di aspetto periferico dei partecipanti.

Utilizzo della perdita della visione centrale simulata come modello per testare la specificità e la generalizzazione dell'apprendimento percettivo

La logica per l'utilizzo della perdita della visione centrale simulata è duplice: (1) fornisce un ambiente controllato per testare le strategie di formazione e valutare come l'apprendimento si trasferisce ad altre attività e luoghi non addestrati e (2) l'uso efficace della visione periferica richiede un miglioramento su più livelli di elaborazione visiva, tra cui la visione di basso, medio e alto livello. Il nostro obiettivo è quello di indagare su come questi diversi domini visivi si evolvono insieme attraverso l'apprendimento percettivo in seguito alla perdita della visione centrale. Misurando una serie di risultati di apprendimento, miriamo a caratterizzare profili di apprendimento distinti e modelli di generalizzazione attraverso varie misure di risultato.

Sebbene non esaustive, le strategie di formazione proposte comprendono tutti e tre i domini dell'elaborazione visiva, affrontando aspetti fondamentali della visione che sono noti per essere, almeno parzialmente, separabili sia dal punto di vista delle prestazioni visive che da quello delle neuroscienze. In questo studio, i partecipanti si sottopongono a 20 sessioni di allenamento, ciascuna della durata di circa 45 minuti, su una delle quattro attività di allenamento assegnate in modo casuale. Prima dell'inizio dell'allenamento, lo specifico locus retinico preferito (PRL) di ciascun partecipante viene identificato attraverso l'attività di induzione PRL e questo locus viene quindi utilizzato come locus retinico addestrato (TRL) durante l'allenamento. Le prestazioni di base e post-formazione su vari compiti di valutazione sono misurate per osservare se l'apprendimento si trasferisce ad altri compiti e luoghi non addestrati (ad esempio, luoghi diversi dal TRL). Inoltre, esaminiamo i cambiamenti pre e post allenamento nelle metriche dei movimenti oculari in queste attività.

Limitazioni

Sebbene questo quadro sia attualmente utilizzato per allenare e valutare le prestazioni sia in individui con vista sana (utilizzando scotomi simulati) che in pazienti con degenerazione maculare (MD), ci sono diverse limitazioni che meritano di essere prese in considerazione. Nel nostro studio, impieghiamo uno scotoma visibile, che può portare a movimenti oculari compensatori o altre strategie che potrebbero non verificarsi con uno scotoma invisibile nel mondo reale. Inoltre, l'uso di uno scotoma statico, al contrario degli scotomi dinamici che possono cambiare e crescere in forma e dimensioni (come si vede nei pazienti), limita la nostra capacità di studiare gli effetti longitudinali della perdita della visione centrale. Tuttavia, è possibile monitorare le proprietà fisiche di uno scotoma nei pazienti, come le dimensioni e la forma, utilizzando la microperimetria. Inoltre, è possibile che il fondo uniforme dello scotoma porti a effetti di adattamento e la ricerca futura dovrebbe esaminare l'uso di fondi non uniformi. Inoltre, mentre simuliamo la perdita della visione centrale utilizzando i display dei computer, è anche fondamentale esaminarne gli effetti in contesti più naturalistici. I sistemi di realtà estesa (XR) offrono il potenziale per fornire un'esperienza più coinvolgente e soggettiva di perdita simulata della visione centrale per le persone con vista sana, ma è essenziale considerare attentamente la latenza di tali sistemi per garantire una percezione fluida e realistica dello scotoma. È importante sottolineare che l'uso della XR potrebbe anche facilitare l'uso di attività più naturalistiche che potrebbero imitare meglio le attività del mondo reale che le persone con perdita della vista centrale devono affrontare.

Conclusione

Il quadro proposto per l'utilizzo di display contingenti allo sguardo per testare la visione nel contesto della perdita simulata della visione centrale ha un'ampia applicabilità sia per comprendere l'uso della visione periferica dopo la perdita della visione centrale sia per lo sviluppo di nuovi interventi di allenamento della vista. Il nuovo quadro multidimensionale integra molteplici approcci per testare la vista sia in condizioni di fissazione controllata che di visione libera e può supportare interventi di allenamento contingenti allo sguardo. Ulteriori aspetti del quadro possono essere estesi per affrontare altre condizioni di perdita del campo visivo su base retinica o corticale che si basano anche sulla misurazione e/o sull'allenamento che si rivolge a specifiche posizioni del campo visivo nel contesto della perdita della vista. Può anche essere tradotto in sistemi tecnologici, come i moderni sistemi di realtà estesa, per fornire una maggiore accessibilità alla ricerca e alla pratica per l'ipovisione.

Gli autori dichiarano che non vi è alcun conflitto di interessi in merito alla pubblicazione di questo articolo.

Questo lavoro è supportato da NIH NEI 1 U01 R01EY031589 e 1R21EY033623-01.