Нарушения зрительного поиска при церебральных нарушениях зрения: роль визуальной значимости и семантики

Введение в исследование визуального поиска

Зрительная система человека получает изображения наивысшего разрешения в области фовеа (центральной ямки сетчатки), поэтому визуальная информация собирается за множество фиксаций, когда центр взгляда фокусируется на последовательности отдельных точек. Хотя мы сохраняем способность видеть во время быстрых движений глаз (саккад), чувствительность значительно снижается, поскольку фовеа перемещается между точками с высокой скоростью. По этой причине мы двигаем глазами часто (от 2 до 4 раз в секунду), чтобы фиксироваться на новых локациях и синтезировать целостное представление об изображении или сцене, которую мы исследуем.

Обширные исследования направлены на выявление факторов, которые направляют поведение взгляда, и того, какие особенности изображения влияют на переход от одной фиксации к другой, особенно при просмотре натуралистических сцен. Хотя точные паттерны визуального поиска certainly могут различаться у разных людей, возможно проанализировать поведение взгляда, чтобы идентифицировать стратегии обработки, которые помогают объяснить, почему фиксации происходят там и тогда, где и когда они происходят. С этой целью были идентифицированы два основных класса информации, объясняющих, какие особенности изображения направляют поведение взгляда.

Визуальная значимость изображений

Первый класс — визуальная значимость изображения (image salience) — преимущественно связан с восходящей (bottom-up) визуальной обработкой и управляется низкоуровневыми особенностями изображения. Визуальная значимость вычисляется на основе локальной заметности особенностей изображения (например, локальное изменение яркости, цвета, контраста, ориентации краёв) таким образом, что взгляд направляется к наиболее значимым особенностям визуальной сцены. Ряд исследований предоставил экспериментальное подтверждение этой концепции, демонстрируя, что взгляд направляется в области с высоким variation особенностей изображения, которые визуально выделяются или "выпрыгивают" из фона.

Семантика изображений

Второй класс — семантика изображения (image semantics) — связан с нисходящей (top-down) обработкой и сильно influenced предшествующими знаниями и опытом. Здесь значение объектов, контекст и отношения внутри сцены влияют на поведение взгляда. Например, печь часто можно найти на кухне, но редко в офисе. Таким образом, основываясь на prior knowledge, печь на кухне будет иметь высокую семантическую значимость и, соответственно, низкую семантическую значимость в офисе, независимо от её физических (т.е., визуальной значимости) свойств.

Церебральные нарушения зрения (ЦНЗ)

Раннее неврологическое повреждение областей мозга, связанных с зрительной обработкой, может lead to изменениям в поведении взгляда. Одно конкретное состояние, называемое церебральным нарушением зрения (ЦНЗ), является наиболее распространённой причиной нарушений зрения у детей в развитых странах. ЦНЗ определяется как связанное с мозгом зрительное расстройство, ассоциированное с повреждением и/или нарушением развития ретрохиазмальных (расположенных за зрительным перекрестом) областей зрительной обработки при отсутствии major глазных заболеваний.

Неправильное функционирование ключевых путей зрительной обработки обычно связано с перинатальным неврологическим повреждением и нарушением развития. Примеры включают гипоксически-ишемическое повреждение, травму и инфекцию, а также генетические и метаболические расстройства. В то время как профиль зрительных нарушений при ЦНЗ широк и complex (такие как снижение остроты зрения и контрастной чувствительности, нарушение функций поля зрения и аномалии глазодвигательной системы), deficits высшего порядка, связанные с нарушением зрительно-пространственной обработки и внимания, также являются распространёнными.

Цель настоящего исследования

В этом исследовании мы сравнили относительный вклад визуальной значимости и семантики изображения на визуальное guidance в relation к исследованию натуралистических сцен у individuals с ЦНЗ по сравнению с контрольной группой с нейротипичным развитием. Учитывая, что deficits высшего порядка в зрительном восприятии обычно observed при ЦНЗ, мы expected, что individuals с этим состоянием покажут greater impairment (по сравнению с контрольной группой) в поиске targets, встроенных в натуралистические сцены, и, в частности, в отношении поведения взгляда, predicted семантикой изображения.

Методология исследования

Участники искали predetermined target, встроенный в натуралистическую сцену, после prompt в виде либо изображения объекта-мишени, представленного изолированно, либо текстовой подсказки, идентифицирующей объект-мишень. Для записи поведения взгляда использовался айтрекер (eye tracker). Первичный анализ был сфокусирован на performance задачи на основе success rate (процент успешных попыток) и reaction time (время реакции). Вторичные анализы исследовали extent области визуального поиска и number of fixations (количество фиксаций).

Анализ визуальной значимости и семантики

Для оценки predictive value моделей визуальной значимости и семантики изображения мы использовали модель визуальной значимости на основе графов (Graph-Based Visual Saliency, GBVS) и модель семантической значимости, incorporating Global Vectors for Word Representations (GloVe) в conjunction с Linguistic Analysis of Semantic Salience (LASS).

Полученные predictions были основаны на distribution индивидуальных landing точек взгляда, captured для каждой визуальной сцены. Был проведён анализ рабочих характеристик приёмника (Receiver Operating Characteristic, ROC анализ) для сравнения степени correspondence между distribution индивидуальных landing точек взгляда и features изображения, predicted моделями визуальной значимости и семантики изображения.

Результаты исследования

Участники с ЦНЗ были less likely и были slower в нахождении мишени по сравнению с контрольной группой. Их поведение визуального поиска также было associated с larger областью визуального поиска и greater number of fixations.

Сравнение ROC scores

ROC scores были также lower в группе ЦНЗ по сравнению с контрольной группой для обоих model predictions. Кроме того, search strategies в группе ЦНЗ не были affected типом подсказки, хотя search times и accuracy показали significant correlation с scores вербального IQ для поисков, cued текстом.

Контрольная группа имела higher ROC scores по сравнению с группой ЦНЗ для обоих predictions — и визуальной значимости, и семантики. Crucially, однако, discrepancy была greater для prediction семантики. Это демонстрирует, что группа ЦНЗ меньше полагалась на guidance семантики изображения, чем participants контрольной группы, что согласуется с возможными deficits, связанными с higher-order зрительной обработкой.

Обсуждение результатов

Наблюдение impaired производительности визуального поиска при ЦНЗ согласуется с предыдущей работой нашей группы, а также с клинической литературой. Таким образом, наши результаты предоставляют further объективное evidence, supporting клинические observations, что individuals с ЦНЗ часто испытывают difficulties с поиском и нахождением объекта, особенно в сложных и загромождённых визуальных сценах.

Наши findings также демонстрируют, что participants с ЦНЗ не только тратили примерно на 50% больше времени на поиск мишени, но также исследовали greater proportion изображения и needed больше фиксаций для этого.

Влияние типа подсказки

Мы также hypothesized, что в целом, prediction визуальной значимости (GBVS-based) будет выше, когда participants искали following image cue, учитывая affordance цветовых, ориентационных и luminance свойств мишени. In contrast, semantic prediction (GloVe-based) будет выше для text-based cues, учитывая, что эти cues не specify свойства изображения мишени, а rather, будут более strongly influenced prior knowledge.

Интересно, что мы found no significant effect типа подсказки для prediction визуальной значимости и significantly higher ROC score для image cue в semantic prediction для контрольной группы. Это означало, что для контрольной группы визуальная значимость была stronger predictor поведения взгляда при поиске мишени, идентифицированной текстовой подсказкой.

Неврологические основы и ограничения

Нейрофизиологические substrates, лежащие в основе этих observed различий в поведении взгляда при ЦНЗ, остаются предметом ongoing investigation. Используя semi-quantitative MRI-based шкалу оценки, работа Tinelli и colleagues (2020) пролила свет на потенциально important ассоциации между severity повреждения мозга и зрительными расстройствами в specific случае ЦНЗ, ассоциированного с ДЦП due to PVL (перивентрикулярной лейкомаляции).

Следует considerar ряд возможных ограничений. Наиболее notable relates к критериям включения/исключения этого исследования, которые likely limited клинический profile participants с ЦНЗ, enrolled в исследование. Соответственно, эти факторы могли lead к potential selection bias, который limits общую generalizability наших результатов.

Заключение и будущие направления

Эти результаты suggest, что паттерны визуального поиска при ЦНЗ управляются mainly визуальной значимостью и provide further characterization deficits высшего порядка processing, observed в этой population. Future исследования должны incorporate модификации дизайна задач, которые могут accommodate более широкий диапазон зрительного функционирования, а также когнитивных abilities.

В то же время важно recognize, что individuals с ЦНЗ часто present с другими неврологическими и neurodevelopmental коморбидностями, такими как детский церебральный паралич (ДЦП), синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), дислексия и расстройство аутистического спектра (РАС). Future исследования должны также considerar сравнение производительности в этих группах (не диагностированных с ЦНЗ), чтобы help disentangle природу abilities зрительной обработки в отношении neurodevelopment.