Движение — это жизнь. Избитая фраза, которая тем не менее весьма прямо указывает на факт того, что человек постоянно куда-то или откуда-то идет. Несмотря на обыденность ходьбы с физиологической точки зрения, ее связь с перцептивными и когнитивными функциями остается малоизученной. Недавние исследования показали, что, хотя ходьба кажется плавной и непрерывной, внутри каждого шага существуют критические фазы для успешной координации перцептивных и двигательных функций. Ученые из Сиднейского университета (Австралия) провели исследование, в котором попытались понять связь между ходьбой и зрительной функцией человека. Что показали результаты исследования, и где они могут быть применены на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Мир, который окружает человека, не является статичным. Следовательно, для выживания в динамической среде человек должен правильно воспринимать ее изменения и соответствующим образом реагировать на них. При это человек также является динамичным: за один день мы можем сделать более 150000 саккад (быстрые движения глаз), 15000 поворотов головы и несколько тысяч шагов.
Несмотря на тысячи шагов, которые мы делаем каждый день, влияние передвижения на восприятие в значительной степени не изучено. Исследования, изучающие влияние ходьбы и физических упражнений на когнитивные функции, обычно фокусируются на изменениях производительности в течение длительного периода активности, а не на эффектах, возникающих в течение одного цикла шага. Эти исследования показали, что при сравнении легких упражнений и стационарного состояния человека периоды умеренных упражнений могут вызвать небольшое увеличение производительности при выполнении когнитивных задач и нейропластичности. Более поздние труды показали, что ходьба или легкие физические упражнения могут улучшить зрительную обработку по сравнению с неподвижным состоянием.
Существует множество исследований, которые позволяют предположить, что зрительные характеристики могут меняться в зависимости от цикла шага. Недавние исследования показали, что реакция на визуальную информацию зависит от фазы передвижения человека. Люди извлекают выгоду из маятникового импульса каждого шага при планировании последующих шагов, а визуальная информация о предстоящей области будущего шага должна быть получена в пределах критического окна до касания пятки и этой поверхности, чтобы произошло плавное передвижение. Кроме того, движения глаз и точность зрительно-моторной координации также демонстрируют связь с фазой локомоции. Вместе с каждым шагом возникает целый ряд динамических требований, которые могут привести к модуляции зрительной обработки во время ходьбы.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают метод, который позволяет точно оценить производительность в простой задаче визуального обнаружения во время ходьбы, чтобы проверить модуляции во времени цикла шага. Во время естественной ходьбы без препятствий было обнаружено, что средняя точность, время реакции и вероятность произвольных реакций на задачу визуального обнаружения колеблются в пределах цикла шага преимущественно в двух частотных диапазонах (~ 2 и 4 Гц). Эти результаты показывают, что постоянные нагрузки при ходьбе вызывают ритмические изменения как в сенсорной обработке, так и в мануальной реакции на каждый шаг.
Результаты исследования
Изображение №1
Во время опытов ученые проверяли производительность при выполнении простой задачи визуального обнаружения во время естественной ходьбы в среде виртуальной реальности. Участники опыта должны были реагировать как можно быстрее и точнее на метки, появляющиеся в белом кольце, которое медленно и хаотично дрейфовало по экрану.
На протяжении всего эксперимента применялась непрерывная адаптивная лестничная процедура, которая манипулировала целевым контрастом для поддержания точности участников примерно на уровне 75%. Подтверждая это, средняя точность была близка к 75% и незначительно отличалась между стационарным положением участника и ходьбой. Однако в стационарном состоянии участникам было явно легче, чем в состоянии ходьбы.
Изображение №2
При титровании контраста для поддержания общей точности на уровне 75 % целевой контраст в отдельных опытах был представлен на ±3 уровня интенсивности, отцентрированном на оценке, необходимой для 75 % эффективности, что позволяет подобрать психометрические функции по 7 уровням контраста. Психометрическая аппроксимация точности участников показала, что разница в точности между условиями неподвижности и ходьбы была обусловлена изменением порога. Интересно, что время реакции на цель было в среднем быстрее при ходьбе по сравнению с неподвижным состоянием. Также наблюдалась обратная зависимость между временем реакции и точностью на разных уровнях интенсивности. Это указывает на то, что участники были более точны при быстром реагировании.
Затем ученые объединили сотни точек данных обнаружения в один цикл шага, чтобы проверить временные модуляции зрительных функций. Для этого анализа ученые сначала разбили все опыты с ходьбой на циклы шагов (два последовательных шага), запустив алгоритм обнаружения пиков на временных рядах высоты головы, записанных в каждом опыте. Этот анализ показал, что продолжительность малого и большого шага различалась у разных участников.
Изображение №3
Затем ученые повторно выполнили выборку всех шагов до 1–100% завершения шага, чтобы облегчить усреднение среди участников для оценки основного интересующего эффекта — будет ли относительная фаза индивидуального цикла шагов модулировать эффективность визуального обнаружения. Таким образом, целевое начало, которое было представлено в случайное время, можно было отнести к положению относительно шага, в котором оно произошло (3a-3c). По сути, сотни точек данных объединяются в один шаг с плотной выборкой, который можно разделить на мелкие временные интервалы (например, ширина интервала 2.5% на графиках выше) и проанализировать на предмет временных модуляций.
Анализ цикла шага выявил явные колебания в выполнении задачи визуального обнаружения. На 3d-3f показаны средние результаты по группе (N = 36) при группировке в 40 линейно расположенных неперекрывающихся ячеек. Сплошные кривые отображают наиболее подходящую модель Фурье первого порядка. На 3g показано соответствие (R2) для всех частот Фурье в диапазоне от 0.2 до 10 циклов на шаг (cps от cycles per stride; с шагом 0.2 cps). С точки зрения точности, наилучшее соответствие производительности в течение цикла шага составило 1.93 cps (R2 = 0.48), а соответствие на уровне группы было выше 95-го процентиля распределения R2, полученного путем перестановки (n = 1000) для диапазона 1.80–2.20 cps. Для времени реакции наиболее подходящее колебание составляло 2.02 cps, а для вероятности реакции вручную наиболее подходящим колебанием было 1.90 cps.
Изображение №4
В дополнение к групповому тесту колебаний производительности на основе цикла шага ученые проверили распространенность колебаний цикла шага в выборке. Качественные оценки данных показали, что некоторые аппроксимации Фурье на уровне участников происходили за пределами наилучшей аппроксимации на уровне группы, составляющей примерно 2 cps. Поэтому ученые количественно оценили распространенность значительных колебаний в диапазоне 0.2-10 cps на каждого отдельного участника.
В соответствии с результатами на уровне группы было обнаружено, что в выборке наиболее распространены колебания с частотой 2 cps. Например, что касается колебаний точности, у 12 из 36 участников были сильные совпадения примерно на 2 cps. Аналогичные результаты были получены для времени реакции (1.5–2.5 cps) и вероятности реакции (1.5–2.5 cps).
Лишь немногие участники продемонстрировали значительные колебания в нескольких диапазонах частот по какому-либо одному показателю. Большинство из них продемонстрировали одинаковые индивидуальные колебания по всем трем показателям, при этом немногие имели разные колебания по показателям производительности (n = 3/36). На 4a-4f представлена сводка этих данных, показывающая силу преобразования Фурье отдельного участника на каждой частоте в циклах шага. Небольшая группа участников не продемонстрировала существенных колебаний по каждому показателю (4g-4i).
Дополнительно была проведена оценка возможности того, что индивидуальные частоты коррелируют с продолжительностью цикла шага. Одна из возможностей заключается в том, что эти колебания определяются не циклом шага, а более общим осциллятором, таким как время, которое при повторной выборке по разной длине шага может привести к наблюдаемой изменчивости пикового значения cps. В качестве примера, одиночный осциллятор с частотой 4 Гц можно зафиксировать как колебание с частотой 2 или 4 Гц у людей с длиной шага 500 мс и 1000 мс соответственно. Анализ показал, что именно фаза шага важна, а не его продолжительность. В соответствии с гипотезами ученых были обнаружены значительные отрицательные корреляции между частотой перцептивных колебаний (в Гц) и продолжительностью цикла шага.
В совокупности эти результаты показывают, что значительные колебания в выполнении задач визуального обнаружения происходят более чем у 80% выборки в зависимости от фазы цикла шага человека и со стабильными идиосинкразическими частотами производительности на каждого участника.
Изображение №5
Вышеописанный анализ показал, что колебания в эффективности визуального обнаружения широко распространены в выборке и происходят со стабильными идиосинкразическими частотами для каждого участника. Затем ученые проверили, будет ли фаза этих колебаний одинаковой у всех участников.
Для этого анализа ученые включили только подгруппу участников, у которых наблюдались значительные колебания, и сосредоточились на тех участниках, у которых колебания находились в диапазоне 1.5–2.5 cps. Для каждого участника рассчитывалась наиболее подходящая модель Фурье, а фаза сохранялась для последующих тестов на неоднородность. На графиках выше показаны результаты фазы и то, что отдельные данные тесно сгруппированы в фазе. Оптимальная точность (5a) и время реакции © возникают примерно в фазе качания цикла шага, тогда как вероятность реакции (E) связана со временем касания пятки к поверхности.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В ходе исследования ученые пытались установить связь между движением человека и его возможностью одновременного визуального обнаружения объектов. Во время опытов участники двигались по прямой в среде виртуальной реальности, а стимул появлялся перед ними с разной частотой. Участники должны были максимально быстро реагировать на появление стимула. Анализ данных о высоте головы использовался для определения начала и конца каждого цикла шага, а также для определения времени достижения цели относительно начала шага. Объединив множество испытаний и разделив данные на мелкие временные интервалы, ученые подтвердили, что целевые показатели достигались равномерно на протяжении всего цикла шага. Однако анализ точности, времени реакции и вероятности реакции выявил явные колебания во всех трех показателях производительности, которые систематически были связаны с фазой шага. Дальнейший анализ отдельных участников подтвердил, что эти колебания производительности на групповом уровне присутствовали у значительной части выборки, преимущественно при 2 или 4 циклах на шаг (cps от cycles per stride). В совокупности эти результаты показывают систематическую модуляцию зрительных характеристик в пределах цикла шага.
Важно отметить, что колебания — повсеместное явление в нейробиологии, как в мозге, так и в поведении. Предыдущие исследования показали, что эффективность выполнения задач визуального обнаружения со временем то возрастает, то снижается. Эти поведенческие колебания находятся в тета-диапазоне или низком альфа-диапазоне (4–10 Гц) и по-разному связаны с перераспределением внимания на восприятие или на процессы принятия решений. Часто в этих исследованиях поведенческих колебаний выраженный временный стимул используется для «сброса» фазы продолжающихся колебаний, чтобы их можно было исследовать из известной и повторяемой временной точки отсчета.
Одна из интерпретаций колебаний, наблюдаемых в восприятии и внимании, состоит в том, что они возникают естественным образом как своего рода частота реверберации. С этой точки зрения продолжительность периода отражает время, необходимое для того, чтобы сигналы перешли к областям более высокого уровня, а затем вернулись на сенсорные уровни. Аналогичная картина может возникнуть при передвижении с более низкой частотой, определяемой скоростью шагов. Очевидно, что передвижение включает в себя двигательные сигналы прямой связи, но контроль локомоции невозможен без нейронной и механической обратной связи. Имеются также многочисленные исследования на грызунах, показывающие, что локомоция повышает усиление сенсорных реакций коры в целом и зрительной активности коры в частности.
Таким образом, хотя все больше работ сравнивают стационарные условия с легкими упражнениями или непрерывной ходьбой, авторы исследования продемонстрировали, что надежные измерения могут быть выполнены в пределах цикла шага. В данном исследовании были выявлены явные изменения зрительных характеристик, связанные с фазой цикла шага. Эти результаты открывают множество возможностей для исследований, касающихся того, как и где распределяется внимание в течение цикла шага, происходят ли зрительные модуляции равномерно по всему полю зрения и будет ли выполнение слуховых или тактильных задач также модулироваться вместе с движением человека.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
