Mecanismos cerebrales para la percepci

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Mecanismos cerebrales para la percepción del
movimiento una mirada desde las ilusiones
visuales
Dr. Alejandro Maiche amaiche_at_psico.edu.uy
Centro de Investigación Básica en
Psicología http//blog.psico.edu.uy/cibpsi
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Plan de la charla
Presentación Por qué un psicólogo habla de
estos temas? La Percepción como puente de unión
entre la fisiología y los correlatos mentales
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 ilusión Percibimos
movimiento directamente (sin necesidad de
desplazamiento)
Tiempos en la percepción del movimiento Ilusión
de Flash-Lag nuestros experimentos.
La hipótesis de pre-activación (experimentos con
L. Gómez y R. Budelli) Experimentos de duración
temporal (experimentos con Ana Pires y Leonel
Gómez)
Conclusiones
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A modo de presentación Motivos para la elección
del tema...OPor qué un psicólogo habla de
estos temas?
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 un campo tremendamente
interdisciplinar. Wikipedia ... Motion
perception is studied by many disciplines,
including psychology (i.e. visual perception),
neurology, neurophysiology, engineering, and
computer science.
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Percepción del movimientoun tema clave para los
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
Y tenia razón El movimiento visual es
fundamental para los seres humanos
Cómo veríamos el mundo si no viéramos movimiento?
Gisela Leibold (LM) Ingresa al hospital en 1978
con dolor de cabeza y vértigo. Médico Josef Zil
Motion blindness (la paciente de Munich, 1980)
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Akinetopsia
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.
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.
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Movimiento fuente de información.

• Estimación de distancias (paralaje de
  movimiento)
• Discriminación figura-fondo
• Identificación de objetos (y no sólo objetos!)

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

• Paralaje de movimiento
• Una ilusión de cada día un avión que se mueve
  mas lentamente que un coche
• 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
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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
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Discriminación figura-fondo sólo lo veo cuando
se mueve
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Reconocimientos de objetos... (y no sólo objetos)
Sólo sé lo que es, cuando se mueve.

• Qué objeto podría ser este?
• y si comenzara a moverse?
• Qué características somos capaces de extraer del
  movimiento de 14 puntos?

... Motion perception is studied by many
disciplines, including psychology (i.e. visual
perception), neurology, neurophysiology,
engineering, and computer science.
Johansson G (1973) Visual perception of
biological motion and a model for its analysis.
Perception and Psychophysics 14 201211
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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.
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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!
Qué nos dice el recorrido de los ojos cuando
buscamos un objeto de cómo percibimos ?
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Los movimientos oculares y la percepción
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
Yarbus, IA (1967). Eye movements and vision. New
York, Plenum Press.

• Actualmente, es uno de los temas de investigación
  con más preguntas abiertasa 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?

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Movimientos Oculares y Atención Visual una
combinación que produce efectos impactantes
Intenta ver que es lo que está cambiando en esta
película
Es esto una ilusión?
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Ceguera a los cambios o la ilusión de no ver lo
que cambia(Change Blindness)

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

Ej 1
Ej 2
Mas ejemplos aquí.
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Qué percibimos cuando percibimos movimiento?
Vamos a comprobar El poder de la
mente. Piensa en que se mueve hacia la
derecha. CONCENTRATE!

• Esta rueda
• Se está moviendo en sentido horario o en sentido
  anti-horario?

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.
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El movimiento es una ilusión
Objetos estáticos que se mueven Los
post-efectos de movimiento

• La ilusión de la catarata
• La ilusión del espiral
• La motocicleta que siempre avanza

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Qué nos dicen estas ilusiones sobre la
percepción del movimiento en el sistema visual
humano?
El sistema está capacitado para codificar
directamente el movimiento, sin pasar previamente
por el cómputo de la distancia.
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)
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.
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El factor tiempo en la percepción del movimiento
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).
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?
Hursh, J. B. (1939). Conduction velocity and
diameter of nerve fibers. American Journal of
Physiology, 127, 13139.
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La Ilusión de Flash-Lag y el problema de las
demoras neurales
En qué mitad del círculo aparece la línea
roja? mitad izquierda o derecha?

• X

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Veamos paso a paso lo que verdaderamente sucedió

• X

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• 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.

Realidad
Percepción
Objeto en movimiento

• 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?

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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.
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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

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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.

• La idea esta inspirada en trabajos que vienen de
  la Fisiología animal
• Berry et al Anticipation of moving stimuli by
  the retina. Nature 398 291292, 1999

Berry MJ, Brivanlou IH, Jordan TA, Meister M.
Anticipation of moving stimuli by the retina.
Nature 398 291292, 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
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Shorter latencies for motion trajectories than
for flashes in population responses of cat
primary visual cortex (Jancke et al. 2004).
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.
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 971982,
2004
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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.

Doble pre-activació Facilitated Spot
Entonces, podemos esperar incluso una menor
latencia para el movimeinto en esta zona.
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Nuestro razonamiento (Maiche, Budelli y
Gomez2007) Spatial facilitation is involved in
flash-lag effect

• 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.

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Qué hacemos concretamente?Experimentos
Psicofísicos
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.

• X

Medimos la magnitud del FLE con y sin la
presencia del segundo objeto 2 condiciones
experimentales
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Cómo medimos la magnitud del FLE?

• 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
  condición
• TOTAL 280 ensayos por sujeto.
• Se grafica la Probabilidad de respuestas
  adelantado con respecto al nivel de
  adelantamiento físico de la línea (flash).

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Delta PSE
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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.

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Which one appears first? Or Which is the
direction of apparent motion described by the
Gaussians
X
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And now?
X
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No one was firstand there is no apparent motion
between the Gaussians since they are simultaneous
X
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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
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Resultados se mueve hacia la derecha?
Movement to the right?
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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.

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Experimentos actualesTAREA el segundo dura
mas que el primero?
Cond. Preactivacion!
No Preactivacion!
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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

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Resultados preliminares

• PIS (pre-activado) 675 ms
• PIS (sin pre-activación) 582 ms

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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.

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Gracias
En este trabajo colaboraron
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)
Dr. Alejandro Maiche amaiche_at_psico.edu.uy
Centro de Investigación Básica en
Psicología http//blog.psico.edu.uy/cibpsi