Saccadische oogbewegingen 1) De techniek Hoe meet je oogbewegingen? 2) Het waarom Waarom maakt een mens oogbewegingen? 3) Het brein Hoe genereert het brein saccades? 4) Gedrag Saccade parameters 5) De toekomst: Saccades om computers te besturen

De techniek Hoe meet je oogbewegingen?

As early as 1878, the French physiologist Emile Javal had become interested in the question of eye movements during reading. Using direct observation of the eyes, Javal reported the existence of saccadic movements and recognized that the eye's trajectory rarely strays above or below a line of text as it is read. Direct observation, however, could provide only vague estimates of the speed and number of a reader's eye movements or of the length and variability of pauses between such movements.

2.Electro-oculography Permanent potential difference between the cornea and the fundus of approximately 1mV small voltages can be recorded from the region around the eyes which vary as the eye orientation varies. By carefully placing electrodes it is possible to separately record horizontal and vertical movements.

Yarbus, A.L. 1967. Eye movements and vision. New York: Plenum Press.

Het gedrag Waarom maakt een mens oogbewegingen?

Waarom maakt een mens oogbewegingen? Optical axis Fovea

Oogbewegingen snel saccades langzaam pursuit vergentie

Oogbewegingen vrijwillig saccades pursuit reflexmatig OKN VOR

Het brein Hoe genereert het brein saccades?

PLANT Het oculomotorsysteem en eenvoudige systeemtheorie Lineaire

Wat is een systeem? Systeem input output Voorbeelden van systemen: De Bloedsomloop, De Rijn, Een cassetterecorder, Het doelzoeksysteem van een kruisraket, Een Thermostaat en een televisie

Lineaire systemen Systeem a 1) S(a) = a, ook moet gelden dat S(ap) = ap 2) wanneer S(a) = a en S(b) = , er moet gelden dat S(a+b) = a + . Deze tweede eis heet superpositie en zal belangrijk blijken bij het begrijpen van de relatie tussen bijvoorbeeld neurale signalen een oogbewegingen

Lineaire systemen Zijn de volgende systemen lineair? y (m) y (m) x (m) x (m)

Lineaire systemen Is het volgende systeem lineair? x (m) y (m) y = 2x + 100 1) S(x) = y, ook moet gelden dat S(ax) = ay

Voorbeelden: y = x + 3 y = 2x y = x2 y = dx/dt y = ∫xdt

Systeem waarin een viskeus element en een veer parallel aan elkaar staan. De relatie tussen de kracht en de lengte wordt beschreven door de volgende 1ste orde differentiaal vergelijking: F = kL + r dL/dt Is deze vgl lineair?

We doen de volgende drie experimenten: De aap moet recht vooruit kijken (E = 0°) en blijven fixeren (dE/dt = 0°/s). We meten dan Rm = R0. De spontane activiteit R0 bij deze aap is 100 spikes/s. R0 = 100 Hz

Experiment 2 We laten de aap naar verschillende doelen kijken. Elk van die doelen wordt onder een andere hoek aangeboden. Er volgt: Rm = R0 + kE. De waarde van k bedraagt ongeveer 4 spikes per seconde per graad. k = 4 Hz/°

Experiment 3 We laten de aap bewegende puntjes volgen. We varieren de snelheid van de bewegende puntjes. We meten Rm wanneer E = 0°. De waarde van r bedraagt ongeveer 1 spike/°. Controleer zelf dat de dimensie van r klopt. r = 1 spike/° spike /s /(°/s) = spike/°

DR(t) = kE + rdE/dt DR(t) = 4E + dE/dt F = kL + r dL/dt Experiment 3 De resultaten van de drie experimenten kunnen samengevat worden in de volgende eerste orde differentiaalvergelijking: Rm(t) = R0 + kE + rdE/dt Is deze vgl lineair? NEE!!! als we stellen DR(t) = Rm(t) - R0 volgt: DR(t) = kE + rdE/dt DR(t) = 4E + dE/dt F = kL + r dL/dt

Dit blijkt te gaan als een e-macht. Controle experiment 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 4 6 8 10 Uitwijking (°) Tijd (s) Dit blijkt te gaan als een e-macht. . Met een zuigertje brengen we het oog van de aap uit de evenwichtsstand. Wat gebeurt er?

Het terugdrijven blijkt te beschrijven zijn als: 10 Het terugdrijven blijkt te beschrijven zijn als: E(t) = E0 e-t/T 8 6 uitwijking (°) met E0 de beginuitwijking en T de tijdsconstante (T = r/k). We meten T = 0.25s (E0 x 1/e, T) 4 2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Tijd (s) T = r/k. Uit experiment 3 volgde r = 1 en uit experiment 2 volgde k = 4, dus T = 0.25s

De saccade

DR(t) = kE + rdE/dt E(t) = E0 e-t/T DR (spikes/s) E (°) Time (s) . . 0.2 0.4 20 40 60 80 Time (s) DR (spikes/s) 0.2 0.4 5 10 15 20 E (°) Time (s)

. E(t) (°) Tijd (s)

Hoe produceren de hersenen een puls-stap? . Hoe produceren de hersenen een puls-stap?

Plant + *C dt

Gedrag: Waarom maak je saccades?

Saccadic search: The relation between fixation duration and saccade amplitude Ignace Hooge1, Björn Vlaskamp1 and Eelco Over2 1Psychonomics, 1Physics of Man Utrecht University, The Netherlands eerst titel uitleggen. Fixation duration and saccade amplitude

What is Saccadic search? Introduction Hooge, Vlaskamp & Over What is Saccadic search? (extreme serial search) (can be parallel or serial) Saccadic search (search for which a saccade is required) Search for which no saccades are required

Introduction: Question Hooge, Vlaskamp & Over What is the relation between fixation duration and saccade amplitude? 1) Time course of visual processing 2) Motor control

Time course of visual processing Introduction Hooge, Vlaskamp & Over Time course of visual processing Visual lobe (Widdel, 1983) Visual span (Jacobs, 1986) Conspicuity area (Engel, 1977) Speed of increase depends on difficulty of the search task, easy task higher speed Maximum size depends on the difficulty of the search task, easy task larger maximum size The area from which information can be extracted grows with time (Geisler & Chou, 1995)

Motor Control Introduction Hooge, Vlaskamp & Over Motor Control Subjects may adopt different strategies in dense displays (Moffit, 1980) Long-lasting Fixation large area analyzed large saccade Short Fixation small area analyzed small saccade

Introduction Simple model Harder Search task Fixation time (ms) Easier Hooge, Vlaskamp & Over Simple model Harder Search task Saccade amplitude (°) Fixation time (ms) Easier Search task What is the relation between fixation duration and saccade amplitude?

Experiment 1 Hooge, Vlaskamp & Over Target

Experiment 1 Hooge, Vlaskamp & Over

Results exp1 Objects distance mainly determines saccade amplitude Hooge, Vlaskamp & Over 0.27° 0.18° 0.09° Gap size 4 6 8 10 eo bv ih Amplitude (°) 36 64 81 144 inter-object distance(°) Objects distance mainly determines saccade amplitude Varying Gap-size has a small effect

Results exp1 Hooge, Vlaskamp & Over 4 6 8 140 160 180 200 ih 144 81 64 36 eo bv Fixation time (ms) 0.27° 0.18° 0.09° Gap size inter-object distance(°) Gap-size and inter-object distance determine fixation duration

Experiment 2 Hooge, Vlaskamp & Over

Results exp1 + 2 + 3 Fixation time (ms) Saccade amplitude (°) Hooge, Vlaskamp & Over Number of saccades = 225624 Number of subjects 4-7 per condition Number of different conditions = 21 350 Experiment 3 Experiment 2 300 Experiment 1 250 Fixation time (ms) 200 Experiment 1 2 en 3 zijn geen goede namen 150 100 5 10 15 Saccade amplitude (°)

Discussion Hooge, Vlaskamp & Over What is the relation between fixation duration and saccade amplitude? Over a large range of densities (object dist. 0.75°- 7.1°) We found short fixation durations with large saccades and longlasting fixations with small saccades. Saccade amplitude (°) Fixation time (ms) Subjects used only one strategy to adjust saccade parameters Saccade amplitude (°) Fixation time (ms)

Why do amplitudes become small in dense displays? Hooge, Vlaskamp & Over Discussion Why do amplitudes become small in dense displays? 1) Tendency to make smaller saccades then expected on the basis of psychophysical experiments (Engel, 1975; Findlay and Gilchrist, 1998). Single fixation experiments do not necessarily predict eye movement behavior Leg search performance uit 2) Crowding

Omgeving heeft invloed Opvallendheid R R P XPX XPX XPX Omgeving heeft invloed

De Toekomst: Bijvoorbeeld: Saccades om computers te besturen

http://www.research.linst.ac.uk/drawing_cognition/portrait.htm

Heo, Sundar & Chaturvedi (2001, August). Wait! Why is it not moving? Attractive and distractive ocular responses to Web ads. Paper presented to the Advertising Division at the annual conference of the Association for Education in Journalism and Mass Communication (AEJMC) Washington, DC

Waarom oogbewegingen gebruiken in een virtual reality omgeving?

Oogbewegingen en wapens? Mogelijke problemen? Waarom bijna niets op het internet?

The application of eye movement activated controls in aircraft is still very much in a laboratory stage because of robustness and accuracy considerations.

http://www.beyond2000.com/news/Apr_01/story_1104.html The U.S. Navy recently began F/A-18E/F Super Hornet flight testing of the Joint Helmet-Mounted Cueing System (JHMCS), technology that allows airplane crews to aim weapons and sensors by simply looking at a potential target. Yes, the days where a pilot would have to even roughly line up his aircraft to get a missile lock will soon be over. The system will also become standard equipment on U.S. Air Force F-15, F-16 and F-22 fighters as well.