Электроокулография

ЭлектроокулографияЭлектроокулография - метод регистрации движения глаз, потенциала сетчатки и глазных мышц.

В основе этого метода лежит использование собственных электрических свойств глазного яблока. По своей физической природе оно является диполем, в котором роговица относительно сетчатки электроположительна. Электрическая ось глазного яблока примерно совпадает с оптической осью и, следовательно, может служить индикатором направления взора.

Изменение разности потенциалов между роговицей и сетчаткой (корнео-ретинальный потенциал), сопровождающее перемещение глаз, обнаруживается через изменение потенциала в тканях, прилегающих к глазнице.

Движения глаз регистрируются с помощью электродов, которые устанавливаются крестообразно вокруг глазной впадины

  • электроды, расположенные около височного и носового угла глазной щели, регистрируют горизонтальную составляющую;
  • электроды, расположенные около верхнего и нижнего края глазной впадины - вертикальную составляющую движений глаз.

Когда глаз находится в "позиции покоя", электроды расположены примерно одинаково как от положительного роговичного полюса, так и от отрицательного. При повороте глаза один из электродов оказывается ближе к переднему положительному полюсу, а другой - к заднему; соответственно, первый электрод становится электроположительным, а второй - электроотрицательным.

Знак потенциала отражает направление, величина изменения разности потенциалов - угол поворота глаз; при этом величина изменения корнео-ретинального потенциала и угол поворота глаз связаны прямопропорциональной (линейной) зависимостью. Согласно имеющимся данным, линейность сохраняется в диапазоне ±20°, причем существует некоторое рассогласование между значениями вертикальной и горизонтальной составляющих.

Электрический сигнал, возникающий в ходе поворота глаз, может быть усилен с помощью усилителей переменного или постоянного тока. Первые целесообразны при изучении скорости саккадических движений, вторые  при изучении паттернов глазодвигательных фиксаций, или маршрутов осмотра объектов. Обычно усиленный (и преобразованный) сигнал выводится либо на экран осциллоскопа (дисплея), либо на ленту самопишущего регистрирующего устройства (в том числе и на двух-координатный самописец).

Точность электроокулографии во многом зависит от времени регистрации. Чем дольше длится измерение, тем больше смещения нуля, связанные с использованием усилителей постоянного тока и наличием внешних биоэлектрических или фотоэлектрических влияний. При записях отдельных скачков глаз точность регистрации колеблется в пределах 1-1,5° Непрерывное время разового измерения - 5-7с; каждое последующее измерение предполагает корректировку дрейфа нуля. Как показывает практика, электроокулография эффективна при изучении маршрутов обзора объектов, имеющих большие угловые размеры (15-20°); точность дифференцировок мелких деталей - 3-5°.

Существенными факторами, влияющими на точность измерений, являются 

  • анатомия лица,
  • индивидуальные особенности окуломоторного аппарата,
  • время адаптации к условиям проведения эксперимента,
  • плохой контакт электродов с поверхностью кожи,
  • общее состояние человека (например, повышенная возбудимость),
  • повышенное потоотделение,
  • частота моргания и другие.

Необходимо отметить, однако, что совершенствование усилительной техники, разработка соответствующих способов выделения биоэлектрического сигнала из шума, применение аналоговых и дискретных преобразований биоэлектрических процессов на линии эксперимента позволяет преодолевать отрицательное влияние внешних факторов регистрации, повышать точность и надежность выполняемых измерений.

Несмотря на сравнительно невысокую точность, электроокулография обладает рядом существенных преимуществ:

  • она не требует прикосновений к глазному яблоку,
  • допускает незначительные движения головы,
  • проводится как на свету, так и в темноте,
  • может осуществляться дистанционно,
  • не нарушает естественных условий зрительной активности,
  • может продолжаться неограниченное время.

История развития метода

Разработка метода электроокулографии началась в 30-40-х годах в США и в странах Западной Европы. С середины 50-х годов он получил распространение в России.

Используя электроокулографию, Л. И. Леушина (1955, 1958) обнаружила связь амплитуды и латентного периода саккад со зрительной оценкой расстояния и дифференцированием форм. Систематический экспериментальный анализ этой связи позволил заключить, что в процессе восприятия движения глаз выполняют установочную, а не измерительную или построителькую функцию.

Б. X. Гуревич исследовал особенности саккадических движений глаз на свету в условиях зрительного восприятия объектов и в темноте. Он показал, что независимо от характера оптической афферентации фиксационные повороты глаз подчинены заданной цели, причем процесс целевого регулирования имеет иерархическую (двухуровневую) структуру. На основании полученных данных автор предложил принципы построения новой модели пространственного зрения.  

Метод электроокулографии был положен Ю. Б. Гиппенрейтер (1964) в основу исследования временных характеристик процессов обнаружения и идентификации объекта в зрительном поле. Эти исследования выявили связь латентного периода саккады с ее направлением, а также зависимость продолжительности фиксационной саккады от эксцентриситета вновь появляющегося объекта.

Маршруты движений глаз при выполнении различных классов познавательных задач изучались Р. Н. Лурье (1963, 1965), А. Д. Владимировым (1965), Э. С. Бобровой и Е. Д. Хомской (1968), А. И. Подольским (1978) и др.

В монографии А. А. Митькина (1974) показано влияние направленности саккад на утомляемость глазодвигательного аппарата и особенности биомеханики глаз при изменении маршрута движения взора.

Большой объем исследований движений глаз в норме и патологии (в частности, при офтальмоплегии) выполнен А. Р. Шахновичем (1964, 1965, 1974). По его мнению, собранный материал позволяет дифференцировать два механизма управления движениями:

  • один связан с формированием и реализацией жестких программ, которые не корректируются в ходе поворота (саккады),
  • другой - с функционированием непрерывной зрительной обратной связи, корректирующей выполняемое движение (дрейф, прослеживающие движения).

В этих исследованиях электроокулография сочеталась с использованием присосок и регистрацией электрической активности мышц глаза. Особый интерес представляет анализ механизмов экстраполяции в управлении следящими движениями глаз и их связи с высшими корковыми функциями.

Применяя электронистагмографию - одну из разновидностей электроокулографии, Н. С. Благовещенская (1968) исследовала параметры различных видов нистагма у здоровых людей и больных с поражениями отдельных областей мозга. Эта работа позволяет конкретизировать физиологические механизмы управления движениями глаз и связи глазодвигательной систумы со зрительной и вестибулярной системами.

Результаты направленного изучения вестибуло-окуломоторных взаимодействий, а также представления о роли вестибулярной системы в формировании зрительного образа пространства, описаны А. Е. Курашвили и В. И. Бабияком (1974).

Анализ движений глаз в процессе формирования перцептивных действий выполнен А. И. Подольским (1974; 1978). Он показал, что в основе симультанного (одномоментного) опознания лежит сукцессивно развернутое зрительное действие; выявлены закономерности становления симультанного опознания и условия планомерного перехода от сукцессивного восприятия к симультанному.

Достаточно эффективно метод электроокулографии применяется при изучении раннего (начиная с двухнедельного возраста) онтогенеза зрительных функций человека. Он позволяет

  • проследить становление окуломоторной системы в онтогенезе,
  • роль в этом процессе перемещения объектов и их антиципации,
  • особенности развития функциональной структуры поля зрения, бинокулярного восприятия,
  • закономерности зрительно-вестибулярных взаимодействий у младенцев.

Результаты этих исследований показывают, что в раннем онтогенезе зрительные функции проходят два этапа.

  • На первом (от рождения до 6 недель) - реализуются генетически заданные формы зрительной и окуломоторной активности, которые обеспечивают глобально адекватную оценку пространственных свойств и отношений среды; она осуществляется на субкортикальном уровне ЦНС.
  • На втором этапе (начиная с 3-4 месяцев) зрительные функции подстраиваются к условиям жизнедеятельности, а генетические программы "обрастают" вновь формируемыми связями; подключение кортикальных уровней обеспечивает детальную оценку зрительно воспринимаемой среды.

Регуляция саккадических и плавных прослеживающих движений глаз, взаимосвязь зрительного восприятия пространства и окуломоторной активности наблюдателя, структура зрительного поля, становление зрительных функций и действий, динамика обнаружения и идентификации объектов, вестибуло-окуломоторные отношения, эффекты саккадического и парасаккадического подавления, структура и динамика решения наглядно-действенных задач - основные предметные области, допускающие активное использование методов электроокулографии.

Электромагнитный метод

Основное назначение электромагнитного метода - лабораторный эксперимент. В основу метода положен принцип изменения напряженности электромагнитного поля при изменении расстояния между излучателем и приемником. Излучатель крепится на глазном яблоке (с помощью центральной присоски, контактной линзы или кольца), создавая переменное электромагнитное поле у приемных катушек, установленных неподвижно относительно головы. Сигнал, вызываемый перемещением излучателя, усиливается и передается на регистрирующее устройство (осциллограф, координатный самописец, регистратор данных и др.). Таким образом, любой поворот глаз преобразуется в эквивалентное напряжение в приемных катушках, становясь доступным для тонкого измерения, магнитной фиксации и преобразований.

Возможен и обратный вариант: приемная катушка индуктивности крепится к глазу, а горизонтальные и вертикальные пары излучающих катушек создают вокруг глазного яблока переменное магнитное поле. Ось приемной катушки совпадает со зрительной осью глаза, а магнитное поле ее ориентировано так, чтобы в "позиции покоя" электродвижущая сила (ЭДС), наводимая от излучающих катушек, равнялась нулю. При изменении направления взора в приемной катушке наводится ЭДС, величина н фаза которых связаны с углом поворота глаз.

В методике Н. Ю. Вергилеса (Зинченко, Вергилес, 1969) в качестве излучателя используется катушка диаметром 6 мм, состоящая из 5 витков тонкого привода; катушка крепится на присоске на расстоянии 10 мм от глаза, соединяясь тонким проводом с генератором низкой частоты (8 кГц). Приемные катушки (две горизонтальные и две вертикальные) располагаются на расстоянии 100 мм от излучателя перпендикулярно его плоскости. Для каждой пары катушек используются два несимметричных нерезонансных усилителя, настроенные на частоту излучения. Линейность системы - около ±25°, точность регистрации - 20-30°. Это дает возможность изучить не только макро-, но и микродвижения глаз (в ограниченном диапазоне).

Достоинства метода:

  • сравнительно простая калибровка, проводимая лишь в начале эксперимента,
  • исключение необходимости перманентной корректировки дрейфа нуля обеспечивает высокую точность дифференцировок мелких деталей воспринимаемого объекта,
  • напряжение, возникающее на выходе усилителей, может быть использовано для подключения вспомогательных устройств и их управления определенными положениями глаз. 
  • возможность электромагнитной записи полезного сигнала на ленту магнитофона и его последующего воспроизведения на пониженных скоростях создает условия для более детального и глубокого анализа быстротекущих окуломоторных процессов,
  • возможность быстрого переключения с одного масштаба регистрации к другому,
  • независимая запись движений правого и левого глаза в отдельности.

Недостатки метода:

  • использованием присосок
  • необходимость жесткой фиксации головы испытуемого,
  • в экспериментах не могут участвовать дети или пожилые люди, страдающие глаукомой.
  • некоторое расширение функциональных возможностей метода может быть достигнуто путем укрепления катушки излучателя не на присоску, а на контактную линзу. Однако в этом случае экспериментатор сталкивается с проблемой индивидуальной подгонки контактной линзы под характеристики склеры каждого испытуемого.

Как показали исследования, в этой необычной ситуации (в естественных условиях с каждым поворотом глаз происходит соответствующее перемещение ретинального образа) наблюдатели способны решать довольно широкий круг зрительных задач (рассматривание изображения, опознание, поиск, пересчет элементов и др,), хотя движения глаз значительно отличаются от нормальных (за счет преобладания ускоренного дрейфа глаз и уменьшения амплитуды саккад).

В другом исследовании было показано, что при значительном (до 2°) ограничении поля зрения, несмотря на точное соответствие движений глаз контуру предъявленной фигуры, ее опознание не происходит. Это означает, что проприоцепция глазных мышц не является источником информации о перемещениях глаз и/ или не включена в построение зрительного образа. Объясняя характер окуломоторной активности в условиях стабилизации изображения объектов на сетчатке и ограниченного поля зрения, исследователи выдвинули гипотезу, согласно которой глазодвигательная система человека работает по принципу следящего устройства, реагирующего преимущественно на параметры зрительного стимула.

Соответственно, в качестве главной функции движений выступает наведение глаз на элемент среды (стимул), значимый для наблюдателя в данный момент. Проявления "построительной" функции ни саккадических, ни плавных прослеживающих перемещений глаз не обнаружены. Более высокие уровни реализуют другой принцип - программирование движений; произвольная программа определяет, в частности, последовательность саккад и локализацию дрейфов. 

Общая характеристика исследований глазодвигательной активности человека

Окуломоторная активность является необходимым компонентом психических процессов, связанных с получением, преобразованием и использованием зрительной информации, а также состояний и деятельности человека. Поэтому, регистрируя и анализируя движения глаз, исследователь получает доступ к скрытым (внутренним) формам активности, которые обычно протекают в свернутой форме исключительно быстро и неосознанно.

Как показывают исследования, по характеру движений глаз можно определить:

  • направленность взора и динамику оперативного поля зрения;
  • стратегии прослеживания движущегося объекта и сканирования воспринимаемых сцен;
  • информационную сложность объекта и точность фиксации его элементов;
  • зоны поиска и "проигрывания" вариантов решения наглядно-действенных задач;
  • структурные единицы деятельности и уровень сформированности действия (прежде всего перцептивного);
  • состояния сознания;
  • уровень развития зрительных функций на разных стадиях онтогенеза;
  • эффективность решения оперативных задач и/или исполнения отдельных этапов практической деятельности;
  • деструкции познавательных процессов человека и другие.

В отличие от самоотчета или наблюдения за движениями глаз окулография дает не только непрерывную, достоверную, детализированную, но и качественно иную информацию об изучаемых явлениях. Это один из наиболее чувствительных индикаторов динамики познавательного процесса и форм взаимодействия человека с окружающим миром.

Несмотря на кажущуюся простоту и однозначность, связь познавательных процессов и деятельности с окуломоторной активностью является исключительно сложной, многократно опосредствованной и изменчивой. Ее содержание составляет самостоятельную проблему исследования, которая может быть сформулирована в виде трех вопросов:

  1. Каковы механизмы регуляции (построения) движений глаз в процессах познания и деятельности человека?
  2. Какую роль играет окуломоторная активность в этих процессах?
  3. Индикатором каких проявлений познания и деятельности человека (в норме и патологии) служат характеристики движений глаз?

Данная проблема выступает как комплексная, объединяющая представителей разных специальностей (психологов, физиологов, инженеров, программистов, оптиков, медиков и искусствоведов), а ее разработка поддерживается не только собственными потребностями науки, но и запросами практики: эргономики, офтальмологии, психиатрии, радиологии, инженерной психологии и др.

Большое внимание уделяется анализу движений глаз в процессах поиска, обнаружения, опознания и прослеживания значимого элемента среды, рассматривания сюжетных изображений, выполнения сложных зрительных и интеллектуальных задач. Наиболее частым предметом исследования оказываются окуломоторные структуры, включающие макросаккады и дрейф (либо прослеживающие движения); плохо изучены тремор, вергентные и торзионные движения. 

В качестве контролируемых параметров обычно выступают 

  • относительная позиция глаза в орбите,
  • последовательность (маршруты) и продолжительность зрительных фиксаций;
  • амплитуда и частота саккад;
  • векторная скорость и амплитуда дрейфа и плавных прослеживаний;
  • частота, амплитуда и направление различных форм нистагма (физиологического, оптокинетического, инверсионного и др.), причем в каждом отдельном исследовании оценивается не более двух-трех параметров.

Многомерное, или "объемное", описание окуломоторной активности, включающей все или большинство видов движений глаз, остается пока недостижимой мечтой.

Функциональная организация окуломоторной активности несет отпечаток многообразия связей и отношений движений глаз, и, в зависимости от контекста исследования, становится индикатором разных аспектов познавательного процесса или деятельности человека

  • в плане субъект-объектного взаимодействия - это, например, стратегия и тактика решения наглядно-действенных задач, выработка или восстановление перцептивного навыка;
  • в плане внутренних условий - структура взаимодействия мотивационного, диспозиционного, когнитивного и моторного (исполнительного) компонентов познавательного процесса;
  • в плане зрительного образа -динамика стадий и фаз его развертывания.

Соответственно эффективность метода регистрации движений глаз как индикатора психических процессов (состояний, деятельности) зависит от того, насколько полно в конкретном исследовании учитывается вся совокупность их связей и опосредствовании. Универсального метода окулографии, пригодного для решения любых задач, относящихся к проблеме движений глаз, не существует.

Каждый из рассмотренных методов обладает ограниченными возможностями (точностью и диапазоном линейности измерений, трудоемкостью регистрации и анализа данных, удобством для испытуемого и влиянием на выполняемую им деятельность, сочетаемостью с другими методами исследования, надежностью получаемых данных и др.), имеет как достоинства, так и недостатки и обеспечивает решение вполне определенного класса исследовательских и/или практических задач. За каждым из них стоят конкретные предметные представления и констелляции проблем, которые становятся источником специальных методов исследования окуломоторной активности, зрительного восприятия и деятельности (таких как, например, трансформация зрительной обратной связи или фиксационный оптокинетический нистагм).

Поскольку общая тенденция развития проблемы предполагает все более полную спецификацию связей и опосредствований моторики и соответствующих параметров перцепции, перспектива использования методов окулографии в психологии лежит на пути не столько повышения их точности, надежности и удобства, сколько модификации самого методического принципа: создание средств, учитывающих многозначность отношений позиции (направленности) или перемещений глаз с другими проявлениями познавательных процессов и деятельности человека.