Mecanismos cerebrales para la percepción del movimiento:

una mirada desde las ilusiones visuales

Dr. Alejandro Maiche

amaiche@psico.edu.uy

Centro de Investigación Básica en Psicología

http://blog.psico.edu.uy/cibpsi

Plan de la charla

Percepción del movimiento: ¿para qué?¿Qué pasa si no vemos movimiento?

Movimiento y Visión: si está quieto, no lo veo.Vemos porque algo se mueve….

Movimientos oculares: fenómenos interesantes (change blindness)

El movimiento como una ilusiónPercibimos movimiento directamente (sin necesidad de desplazamiento)

La hipótesis de pre-activación (experimentos con L. Gómez y R. Budelli)

Experimentos de duración temporal (experimentos con Ana Pires y Leonel Gómez)

Presentación: ¿Por qué un psicólogo habla de estos temas?

La Percepción como puente de unión entre la fisiología y los correlatos mentales

Tiempos en la percepción del movimiento:Ilusión de Flash-Lag: nuestros experimentos.

Conclusiones

A modo de presentación: A modo de presentación: Motivos para la elección del tema...Motivos para la elección del tema...

OO¿Por qué un psicólogo habla de estos temas?¿Por qué un psicólogo habla de estos temas?

Percepción del movimiento: un campo tremendamente interdisciplinar.

Wikipedia: ... Motion perception is studied by many disciplines, including psychology (i.e. visual perception), neurology, neurophysiology, engineering, and computer science.

La psicofísica es el “bisturí del psicólogo”: buscamos identificar, delimitar y caracterizar fenómenos (perceptivos, en mi caso) que puedan guiar al fisiólogo en relación a la estructura en la que se implementa el fenómeno.

La percepción del movimiento es uno de esos temas privilegiados en cuanto al vínculo entre psicofísica y fisiología.

Percepción del movimiento:Percepción del movimiento:un tema clave para los humanosun tema clave para los humanos

Y tenia razón:

El movimiento visual es fundamental para los seres humanos…

Gordon Lynn Walls (que era anatomista) decía:

“If asked what aspect of vision means the most to them, a watchmaker may answer ‘acuity,’ a night flier ‘sensitivity’, and an artist ‘color.’ But to animals which invented the vertebrate eye and hold the patents on most features of the human model, the visual registration of motion was of the greatest importance”

¿Cómo veríamos el mundo si no viéramos movimiento?

Motion blindness

(la paciente de Munich, 1980)

Gisela Leibold (LM): Ingresa al hospital en 1978 con dolor de cabeza y vértigo.

Médico: Josef Zil

Síndrome neuropsicológico que se produce a partir de un daño en la corteza cerebral (presumiblemente en el Area V5 o MT) que resulta en una imposibilidad para percibir objetos en movimiento.

Akinetopsia

El sujeto percibe una serie de imágenes estáticas (como si la luz fueran flashes).

Las personas aparecen “de repente”.Diagnóstico inicial: agorofobia.

... Motion perception is studied by many disciplines, including psychology (i.e. visual perception), neurology, neurophysiology, engineering, and computer science.

El principal objetivo del movimiento es crear una representación útil para guiarnos en el entorno y relacionarnos con otros organismos y objetos

• Estimación de distancias (paralaje de

movimiento)

• Discriminación figura-fondo

• Identificación de objetos (y no sólo

objetos!)

Movimiento: fuente de información.

Paralaje de movimiento:Paralaje de movimiento:

Una ilusión de cada día:Una ilusión de cada día: un avión que se mueve mas lentamente que un coche… un avión que se mueve mas lentamente que un coche…

Percibimos mas lento un avión que un coche?. ¿POR QUÉ?Percibimos mas lento un avión que un coche?. ¿POR QUÉ?

Entonces; dos objetos que recorren la misma distancia en el espacio en el mismo tiempo (igual velocidad física) recorrerán diferentes distancias en la retina, dando lugar a diferentes velocidades.Los objetos cercanos se mueven más rápido en la retina que los objetos lejanos: Ej: avión; “Saltamontes”

Estimación de distancias

El paralaje de movimiento permite estimar la distancia(a los saltamontes!)

- ¿Por qué los saltamontes mueven la cabeza antes de saltar? (Wallace, 1959)

- Las líneas discontinuas de la autopista nos pasan más rápido cuando se nos acercan.

Wallace, G.K (1959) Visual scanning in the desert locust Schistoreca gregaria. Journal of experimental Biology, 36, 512-525

Discriminación figura-fondo: sólo lo veo cuando se mueve

Johansson G (1973) Visual perception of biological motion and a model for its analysis. Perception and Psychophysics 14; 201–211

Reconocimientos de objetos... (y no sólo objetos)

- ¿Qué objeto podría ser este?

… ¿y si comenzara a moverse?

- ¿Qué características somos capaces de extraer del movimiento de 14 puntos?

Sólo sé lo que es, cuando se mueve.

... Motion perception is studied by many disciplines, including psychology (i.e. visual perception), neurology, neurophysiology, engineering, and computer science.

Movimiento y Visión: Vemos porque algo se mueve….

Si está quieto, no lo veo.

+

Mantenga los ojos bien quietos mirando a la cruz del centro.

Luego de unos 30 segundos los elementos estáticos de la imagen desaparecerán

NO SE ASUSTE!!

Con un simple parpadeo o movimiento de los ojos todo el mundo re-aparecerá nuevamente.

¿Qué nos dice el recorrido de los ojos cuando buscamos un objeto de cómo percibimos ?

Siempre se mueve algo en el sistema visual

Movemos los ojos voluntariamente (sácadas) una media de 2 veces por segundo. Casi 100.000 veces al día… (tantas veces como nuestro corazón late (Koch, 2006).

Los psicólogos experimentales medimos los movimientos oculares Eye tracker!

Yarbus, IA (1967). Eye movements and vision. New York, Plenum Press.

Los psicólogos medimos los movimientos oculares ya que pensamos que están muy relacionados con lo que percibimos. De hecho, uno de los pioneros en este sentido…

Los movimientos oculares y la percepción

Actualmente, es uno de los temas de investigación con más preguntas abiertas…a modo de ejemplo:

- ¿Por qué no vemos el mundo borroso o en continuo movimiento?- ¿Qué imagen vemos mientras los ojos están “viajando”?-- mov de los ojos en el espejo.- ¿Qué relación tiene esto con la percepción del tiempo?

Movimientos Oculares y Atención Visual: Movimientos Oculares y Atención Visual: una combinación que produce efectos impactantes…una combinación que produce efectos impactantes…

Intenta ver que es lo que está cambiando en esta película

¿Es esto una ilusión?

Ceguera a los cambios o la ilusión de no ver lo que cambiaCeguera a los cambios o la ilusión de no ver lo que cambia

(Change Blindness)(Change Blindness)

Los seres humanos usualmente no detectamos grandes cambios en Los seres humanos usualmente no detectamos grandes cambios en la escena cuando la señal del cambio es brevemente interrumpida la escena cuando la señal del cambio es brevemente interrumpida (disrupción visual)(disrupción visual)

Mas ejemplos aquí.

Ej 1 Ej 2

¿Qué percibimos cuando percibimos movimiento?¿Qué percibimos cuando percibimos movimiento?

Esta rueda…Esta rueda…

¿Se está moviendo en sentido ¿Se está moviendo en sentido horario o en sentido anti-horario?horario o en sentido anti-horario?

Vamos a comprobar “El poder de la mente”….

Piensa en que se mueve hacia la derecha…. CONCENTRATE!

Ahora, piensa que se está moviendo hacia la izquierda…

Los seres humanos “integramos” el movimiento visual a partir de una secuencia de imágenes estáticas: en la simulación sólo hay algunas imágenes estáticas: el resto, “lo pone el cerebro”.

El movimiento es una ilusiónEl movimiento es una ilusión

La ilusión de la catarata

La ilusión del espiral

La motocicleta que siempre avanza

Objetos estáticos que “se mueven”: Los post-efectos de movimiento

¿Qué nos dicen estas ilusiones sobre la percepción del movimiento en el sistema visual humano?

El movimiento es una dimensión fundamental de la visión y no representa un proceso cognitivo, sino que es una dimensión sensorial primaria

irreducible. Nakayama (1985)

El sistema está capacitado para codificar directamente el movimiento, sin pasar previamente por el cómputo de la distancia.

Esto es lo que posibilita la ejecución de ciertas tareas (grasping, catching, deportes de precisión, conducir, etc.) en los tiempos adecuados para

garantizar nuestra supervivencia.

¿Percibimos la realidad en el momento que ocurre?

Percibir implica procesar información

y el cerebro –como cualquier máquina

de cómputo- consume TIEMPO en

dicho proceso.

Von Helmholtz (1850); Hursh (1939): la velocidad del estimulo nervioso es muy variable, pero indefectiblemente lenta como para vivir “online” con la realidad física.

El PROBLEMA DE LAS DEMORAS NEURALES: tema de los mas controvertidos en la literatura científica de los últimos 15 años (aproximadamente han aparecido unos 200 papers en los últimos 15 años que sugieren diferentes hipótesis).

El factor tiempo en la percepción del movimiento

Hursh, J. B. (1939). Conduction velocity and diameter of nerve fibers. American Journal of Physiology, 127, 131–39.

Simon Thorpe and Michèle Fabre-Thorpe: Fast Visual Processing and its implications in The Handbook of Brain Theory and Neural Networks (2nd ed.), M. A. Arbib, ed., MIT Press, 2002.

A 120km/h en una autopista aquellos objetos que están a 5 metros por delante colisionarán conmigo en poco más de 100 milisegundos…. Pero en ese tiempo, recién se detecta una señal clara en la corteza visual primaria (V1). ¿Cómo lo hacemos?

La Ilusión de Flash-Lag y el problema de las demoras neurales

XX

¿En qué mitad del círculo aparece la línea roja?¿mitad izquierda o derecha?

XX

Veamos paso a paso lo que verdaderamente sucedió…

•¿Qué análisis de la información visual debe estar haciendo nuestro cerebro para que percibamos el objeto en movimiento como “adelantado” con respecto al objeto estático?

•¿Qué mecanismos (fisiológicos) podrían ser buenos candidatos para implementar este tipo de solución?

La Ilusión de Flash-Lag: es el fenómeno perceptivo por el cual un flash es percibido retrasado en relación a un objeto móvil cuando físicamente están co-localizados.

Objeto en movimiento Realidad Percepción

Primera hipótesis: EXTRAPOLATION (Nijhawan, 1994)

Motion Extrapolation El SV extrapola la trayectoria de los objetos en movimiento a fin de compensar el tiempo que supone el procesamiento de la información; que en el caso del movimiento es fundamental para garantizar la supervivencia.

Not spatial extrapolation, Differential latencies

(Whitney, D., & Murakami, I. (1998). Nature Reviews Neuroscience; Purushothaman et al (1998). Nature.

The differential latencies hypothesis proposes that the flash-lag effect occurs simply because the visual system responds with a shorter latency to moving stimuli than to flashed stimuli.

Thus, temporal coincidence of the neural representation of the two stimuli occurs when the moving stimulus is farther along its path rather than when both stimuli coincide physically

Ok: Diferencias de latencias, pero… ¿CÓMO se hace?

Nosotros (Maiche; Budelli y Gómez; 2007) mostramos experimentalmente la existencia de un mecanismo implementado a nivel de las conexiones horizontales de la corteza visual que permite la pre-activación de aquellas zonas hacia dónde el objeto en movimiento se dirige.

Esto determina una ventaja en las latencias de procesamiento de los objetos en movimiento con respecto a los objetos estáticos.

Berry MJ, Brivanlou IH, Jordan TA, Meister M. Anticipation of moving stimuli by the retina. Nature 398: 291–292, 1999

Maiche, A., Budelli, R., & Gómez-Sena, L. (2007). Spatial facilitation is involved in flash-lag effect. Vision Research, 47(12), 1655-1661. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17445857

La idea esta inspirada en trabajos que vienen de la Fisiología animal:

• Berry et al: Anticipation of moving stimuli by the retina. Nature 398: 291–

292, 1999

Las respuestas de células en el área V1 (registrando in vivo en gatos) tienen latencias más cortas para los objetos móviles que para los objetos que aparecen bruscamente (destellan).

Jancke et al. (2004) postulan una pre-activación de las áreas que serían activadas si el objeto móvil continuara en la misma dirección.

Shorter latencies for motion trajectories than for flashes in population responses of cat primary visual cortex (Jancke et al. 2004).

Jancke D, Erlhagen W, Schoner G, Dinse HR. Shorter latencies for motion trajectories than for flashes in population responses of cat primary visual cortex. J Physiol 556: 971–982, 2004

A partir de estas ideas…A partir de estas ideas…

Pensamos que si sincronizábamos adecuadamente 2 estímulos en movimiento para que las pre-activaciones de cada uno de ellos se “sumaran”, entonces tendríamos que obtener una zona (la de intersección) que estuviera “doblemente” activada (facilitated spot) y alli el FLE, debería ser mayor.

Entonces, podemos esperar incluso una menor latencia para el movimeinto Entonces, podemos esperar incluso una menor latencia para el movimeinto en esta zona.en esta zona.

“Doble” pre-activació

Facilitated Spot

Si el movimiento pre-activa las neuronas de la posición futura, entonces…

Potenciando posiciones avanzadas del objeto en movimiento, el efecto Flash-Lag será mayor.

Nuestro razonamiento (Maiche, Budelli y Gomez;2007)Spatial facilitation is involved in flash-lag effect

XX

En algunos ensayos se presenta un segundo objeto en movimiento que mueve en dirección hacia la posición siguiente que tendrá el aro después del flash y en otros ensayos permanece quieto en su posición inicial.

¿Qué hacemos concretamente?Experimentos Psicofísicos

Medimos la magnitud del FLE con y sin la presencia del segundo objeto: 2 condiciones experimentales

Mediante la utilización del método psicofísico de los estímulos constantes:

METODO:

-6 sujetos entrenados.

- 2 condiciones experimentales: con movimiento en el segundo objeto y sin movimiento-7 niveles de adelantamiento físico de la línea con respecto al centro del aro.-20 ensayos por nivel de adelantamiento y condiciónTOTAL: 280 ensayos por sujeto.

Se grafica la Probabilidad de respuestas “adelantado” con respecto al nivel de adelantamiento físico de la línea (flash).

¿Cómo medimos la magnitud del FLE?

Delta PSE

Nuevos experimentos con pre-activaciónAsincronia Inducida

Si efectivamente la pre-activación reduce la latencia perceptiva, deberiamos poder provocar una asincronia perceptual en dos objetos que aparecen simultaneamente en una pantalla.

Para ello, necesitamos pre-activar una zona (primer) mediante movimiento y comparar con el objeto que aparece en la zona no pre-activada.

Si estas ideas funcionan, estariamos creando una nueva ilusion de movimiento aparente a partir de la presentación de dos objetos simultaneos.

X

Which one appears first?

Or

Which is the direction of apparent motion described by the Gaussians

X

And now?

X

No one was first…and there is no apparent motion between the Gaussians since they are simultaneous

Diseño experimental

4 sujetos. Tarea de discriminación donde tenian que indicar la dirección percibida del movimiento aparente configurado por la aparición de dos Gaussianas simultaneas.

3 condiciones experimentales:

Resultados: ¿se mueve hacia la derecha?

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Movem

en

t to

the r

ight?

Experimentos actualesla pre-activación modula la duración percibida de los objetos

Si efectivamente la pre-activación reduce la latencia perceptiva, entonces sería lógico pensar que aquellos objetos que se vean afectados por la pre-activacion duraran más perceptivamente que los objetos no pre-activados.

Para verificar esta idea tenemso que comparar la duración percibida de objetos pre-activados con objetos sin pre-activación.

Cond. Preactivacion!

No Preactivacion!

Experimentos actuales:TAREA: ¿el segundo dura mas que el primero?

Diseño experimental

•Metodo psicofisico de los estímulos constantes.

•9 sujetos

•2 condiciones experimentales: la primera gaussiana está pre-activada (SI/NO).

•6 duraciones del objeto de comparación (ms): 350, 450, 550, 650, 750, 850

•Duración objeto standard (ms): 500

Resultados preliminares

no PREACT PREACT

520540560580600620640660680700

PIS

Punto de igualacion subjetiva

PIS

Preactivacion

PIS (pre-activado) =675 msPIS (sin pre-activación) =582 ms

Concluyendo…Concluyendo…

La percepción del movimiento es uno de esos temas intrigantes que necesita del aporte de múltiples áreas para que podamos entender cabalmente cómo funciona.

La psicología, fundamentalmente a través de la psicofísica, puede aportar cierta luz en cuanto a la complejidad del fenómeno ya que de alguna manera está preparada para “hacer ver” los mecanismos que pueden estar en la base del fenómeno perceptivo.

Las ilusiones de movimiento deben ser consideradas como ventanas que nos permiten ver algunas de las características que el diseño evolutivo ha seleccionado como las más eficientes.

La psicofísica y la fisioilogía no pueden caminar separadas en esta tarea de entender el funcionamiento del cerebro humano, pero menos aún cuanod intentamos conocer el fascinante mundo de nuestra percepción.

Dr. Alejandro Maiche

amaiche@psico.edu.uy

Centro de Investigación Básica en Centro de Investigación Básica en PsicologíaPsicología

http://blog.psico.edu.uy/cibpsihttp://blog.psico.edu.uy/cibpsi

Gracias…Gracias…

Ana Pires (CIBPsi, UdelaR)

Ignacio Rebollo (CIBPsi, UdelaR)

Fernando Gonzales (CIBPsi, UdelaR)

Ruben Budelli (seccion Biomatemática, Ciencias-UdelaR)

Leonel Gomez (Lab de Neurociencias, Ciencias-UdelaR)

En este trabajo colaboraron: