Vestibulaire basis van visuele stabiliteit

Presentatie over: "Vestibulaire basis van visuele stabiliteit"— Transcript van de presentatie:

1 Vestibulaire basis van visuele stabiliteit
Jan van Gisbergen Biofysica Symposium Marie Curie

2 Overzicht ACHTERGROND onderzoek van spatiële perceptie
vestibulaire sensoren modellen vestibulaire signaalverwerking spatiële oriëntatie illusies EXPERIMENTEN percepten tijdens rotatie om gekantelde as perceptie van verticaliteit tijdens kanteling MODEL ACHTERGROND theorie van de optimale waarnemer CONCLUSIES

3 onderzoek van spatiële perceptie

4 Wat is verticaal? hoe meten we de stand van het lichaam?
hoe bepalen we de oriëntatie van visuele objecten t.o.v. de richting van de zwaartekracht als we gekanteld zijn? wat is de rol van het vestibulaire systeem?

5 Handhaving visuele stabiliteit
hersenen combineren visuele en vestibulaire informatie om, ondanks hoofdbewegingen, een stabiel percept van de wereld te garanderen

6 Meting hoofdkanteling
Visueel systeem (panorama) Tast systeem (druk cues) Spiersensoren Vestibulair systeem: - halfcirkelvormige kanalen - otolieten

7 vestibulaire sensoren en hun beperkingen

8 Vestibulaire kanalen drie onderling loodrechte kanalen meten rotaties in 3 dimensies

9 Kanalen meten rotatie ongevoelig voor:
constante snelheid & laag-frequente rotaties (hoog-doorlaat filter)

10 Functie van de otolieten
gevoelig voor kanteling & translatie zenuwvezels vuren evenredig met afbuiging van de haartjes

11 Ambiguïteitsprobleem van de otolieten
kanteling translatie meten gravito-inertial force (GIF) geen onderscheid tussen kanteling en translatie

12 modellen vestibulaire signaalverwerking

13 Oplossing ambiguïteitsprobleem: twee mogelijke strategieën
invers probleem Twee mogelijke neurale strategieën voor ontbinding otolietsignaal: frequentie-filtering model kanaal-otoliet interactie model

14 1. Frequentie-filtering
BASISPRINCIPE: effect zwaartekracht meestal stabiel en langdurig effect van translatie typisch kortdurend

15 2. Kanaal-otoliet interactie
BASISPRINCIPE: kanteling stimuleert otolieten én kanalen - translatie stimuleert alleen de otolieten

16 spatiële oriëntatie illusies

17 Rotatie in donker rotatie wordt na enige tijd niet meer gevoeld, na stoppen percept van rotatie in andere richting afspiegeling van mechanica van de cupula in de kanalen

18 Piloot op vliegdekschip
piloot die in het donker met hoge acceleratie wordt gelanceerd zit verticaal, maar voelt zich achterover gekanteld

19 Percepten tijdens rotatie om een gekantelde as
Vingerhoets et al. (2006) J. Neurophysiol. Vingerhoets et al. (2007) J. Neurophysiol.

20 De werkelijke beweging
- rotatie om gekantelde as - in het donker - constante snelheid

21 resultaten steunen kanaal-otoliet interactie model
De gevoelde beweging rotatie percept translatie percept resultaten steunen kanaal-otoliet interactie model

22 Translatie en rotatie percept
translatie percept

23 Verklaring door model Otolietsignaal, feitelijk veroorzaakt door kanteling, wordt deels toegeschreven aan translatie, zodra kanaalsignaal verdwijnt

24 Perceptie van verticaliteit
Hoe goed kan een gekantelde proefpersoon een lijn parallel zetten met de richting van de zwaartekracht? Van Beuzekom & Van Gisbergen (2000) J. Neurophysiol. Kaptein & Van Gisbergen (2004) J. Neurophysiol.

25 Passieve kanteling in vestibulaire stoel

26 Resultaten lijn taak zet de lijn evenwijdig aan de richting van de zwaartekracht de Vrijer et al. (2007)

27 Systematische fouten lijntaak
wordt kantelhoek onderschat?

28 Actieve kanteling geeft geen verbetering
lijn taak kantelhoek taak kantelhoek wordt goed geschat toch grote fouten bij instellen lijn

29 Model achtergrond PARADOX: proefpersonen weten hoe ze gekanteld zijn
toch wordt de lijn bij grote kanteling systematisch verkeerd ingesteld

30 Theorie van de optimale waarnemer
ruizig otoliet signaal maakt schatting van de kantelhoek onzeker ervaring leert dat de rechtop stand het meest voorkomt brein neemt dit mee in de berekening de Vrijer et al. (2007)

31 Bayes model van optimale waarnemer
het gemeten otolietsignaal correspondeert met een verdeling van mogelijke kantelhoeken (likelihood functie) op a priori gronden zijn niet alle kantelhoeken even waarschijnlijk: meestal staat het hoofd ongeveer rechtop (prior) meest waarschijnlijke tilthoek is product van likelihood en prior (posterior)

32 Bayes model ruizig tiltsignaal geeft onzekerheid over de werkelijke kantelhoek (likelihood) brein past correctie toe, uitgaande van ervaring over wat het meest voorkomt (prior) resultaat is een gewogen compromis (posterior)

33 Bayes model fits de Vrijer et al. (2007)

34 Aanname Bayes model Prior heeft vaste breedte, onafhankelijk van kantelhoek Ruis in tiltsignaal neemt toe met kantelhoek: klopt dat?

35 Psychofysische metingen aan perceptie van verticaliteit
de Vrijer & Van Wamel (2007)

36 psychometrische curve van 0o tilt percept
proefpersoon wordt vaak in allerlei standen rond 0o gekanteld beoordeelt elke stand als links of rechts geen scherpe drempel door ruis in tiltsignaal

37 Ruis tiltsignaal bij 00 psychometrische kromme ruis in tiltsignaal

38 Ruis tiltsignaal bij 0 en 90o
meer ruis bij 90o

39 Ruis tiltsignaal bij 0 en 90o
resultaten 5 proefpersonen meer ruis bij 90o

40 Visuele verticaal en tiltsignaal bij 90o
grotere systematische fout maar minder ruis in visuele verticaal

41 model kan visuele verticaal fitten met prior op 0o
Fit Bayes model model kan visuele verticaal fitten met prior op 0o

42 CONCLUSIES proefpersoon maakt grote fouten bij lijninstelling, maar schat kanteling van zijn lichaam goed Bayesiaanse strategie, gebaseerd op prior, reduceert ruis bij de vaak voorkomende kleine kantelhoeken gaat ten koste van grote fouten bij zeldzaam voorkomende grote kantelhoeken voorspelling dat tiltruis toeneemt met kantelhoek werd bevestigd

43 Medewerkers Anton Van Beuzekom Ronald Kaptein Rens Vingerhoets
Maaike de Vrijer Pieter Medendorp

44 Vragen?

45 Oculomotor verticaal fouten in visuele en oculomotor verticaal zijn vergelijkbaar Van Beuzekom & Van Gisbergen (2000)

46 Rechtop is de perceptie van lijnoriëntatie bijna foutloos
klokschaal methode gekantelde proefpersoon ziet de visuele wereld geroteerd

47 Effect van sensor ruis prior heeft des te meer effect op het percept naarmate de sensorische meting ruiziger is

48 Bayes model visuele verticaal
de Vrijer et al. (2007)