Восприятие мира: скачками и точками

Движение глаз может рассказать ученым о неврологических заболеваниях человека, механизмах абстрактного мышления и даже может помочь констатировать смерть. Методика изучения того, как двигаются глаза, называется айтрекингом. О ней в рамках проекта «Университет, открытый городу: лекции молодых ученых Вышки в Культурном центре ЗИЛ» рассказал стажер-исследователь Центра нейроэкономики и когнитивных исследований НИУ ВШЭ Михаил Походай.

Айтрекинг от Аристотеля до наших дней

Люди всегда стремились изучать глаза как один из самых важных органов системы человеческого восприятия: еще Аристотель в своих трудах описывал механизм их движения. Однако вплоть до XIX века глаза в основном рассматривали с физиологической точки зрения, пытаясь понять, как лечить глазные болезни, вернуть остроту зрения и так далее. Методика айтрекинга (или окулография), зародившаяся в конце XIX века, ставит перед собой задачи сбора и анализа данных о том, как двигаются глаза. Иными словами, айтрекинг пытается изучить, как, например, двигаются глаза во время чтения, или при просмотре визуально воспринимаемых стимулов. Изучение движения глаз также необходимо при диагностировании неврологических заболеваний, исследовании абстрактного мышления человека, в юзабилити-исследованиях в области маркетинга, для понимания фундаментальных основ процессов восприятия, механизмов внимания и порождения языка.

В 1879 году французский врач и политический деятель Луи Эмиль Жаваль, изучавший движения глаз человека во время чтения, обнаружил, что глазные яблоки не движутся плавно, как предполагалось ранее. При помощи стетоскопа, который прикладывался к глазу испытуемого во время чтения напечатанного текста, Жаваль услышал движение глаз. Оказалось, что они никогда не движутся равномерно по тексту, а совершают короткие остановки (фиксации), и резкие передвижения — саккады.

Основные точки интереса человека при изучении другого лица — нос, рот и глаза

В начале XX века американские экспериментальные психологи Реймонд Додж и Томас Спаркс Кляйн построили относительно точный неинвазивный (нет прямого контакта с глазным яблоком) айтрекер. Он представлял собой громоздкий фотоаппарат с большой выдержкой. Глаза участника снимались в одной плоскости (по горизонтали), далее на фотопластине можно было увидеть положение глазного яблока в пространстве.

В дальнейшем ученые Джудд, Макалистер и Стил усовершенствовали айтрекер, добавив в него возможность видеозаписи. Это позволило записывать глаза не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной.

В 1935 году американский психолог Гай Томас Бусвелл пошел еще дальше, доказав, что каждый конкретный человек воспринимает одинаковый визуальный стимул по-своему. Ученый вывел такое понятие, как «зона интереса». Это значит, что при изучении, например, картины с замком разные люди (в зависимости от своего интереса) последовательно обращают внимания на конкретные области. Кто-то вначале посмотрит на окошки замка, кто-то сперва обратит внимания на деревья вокруг замка и так далее. Позже советский ученый-физиолог Альфред Ярбус, собирая и анализируя глазодвигательные данные людей, увидел, что в зависимости от поставленной участнику эксперимента задачи движения его глаз кардинально меняются. Кроме того, показывая испытуемым изображения человеческих лиц, он вывел каноническое восприятие лица — взгляд фиксируется в основном на глазах и области между носом и ртом. Иными словами, основные точки интереса человека при изучении другого лица — нос, рот и глаза.

С появлением первых персональных компьютеров работа исследователей сильно упростилась. Развитие технологий позволило использовать высокоскоростные видеокамеры. За каждую секунду съемки глаза ученые сегодня получают до 2000 кадров для дальнейшего анализа. Это позволяет изучать движения глаз на микроуровне, так как каждую секунду человеческий глаз совершает порядка 3-4 фиксаций, соединенных саккадами. Для сравнения — во времена Бусвелла ученым приходилось обрабатывать весь этот огромный массив информации вручную, переносить для дальнейшего анализа данные с видеозаписи на бумагу.

Глаз находится в постоянном движении

Движение глаз можно разделить на три типа. Первый из которых — фиксационные движения глаз, которые в свою очередь подразделяются на тремор — маленькие физиологические подергивания глаза, происходящие во время фиксаций, и дрифт. Глаза здорового человека постоянно находятся в движении, даже когда он смотрит в одну точку. Подергивания глаза (тремор) происходят за счет легкой стимуляции глазных мышц, и без специальной аппаратуры дрожание глаза заметить невозможно. Но при помощи айтрекера исследователи определяют колебания глаза, и могут, например, диагностировать смерть мозга. Когда мозг человека умирает, глаза перестают колебаться. Также анализ тремора позволяет контролировать состояние пациента, находящегося под анестезией или в коме. Некоторые неврологические расстройства сопровождаются аномальным тремором (Паркинсон, рассеянный склероз).

На протяжении примерно 150 милисекунд человеческий глаз ничего не видит. Это время необходимо для обработки мозгом информации

Периодически глаз «уплывает» от точки фиксации (точки, на которой он фокусируется) в различных направлениях — это явление называется глазным, или окулярным, дрифтом. При некоторых невралгических расстройствах дрифт становится аномальным.

Дрифт также информирует ученых об абстрактных мыслительных процессах человека. Например, при чтении испытуемым позитивных слов окулярный дрифт уходил вправо и вверх, а при чтении негативных — влево и вниз. Когда участники эксперимента видели цифры от 1 до 4, их глаза дрифтовали в левую сторону, а от 6 и выше — в правую.

Второй тип движения глаз – это стационарные движения глаз. К этим движениям относятся взгляд — соединяют несколько фиксаций и саккад, и фиксации — остановка глаз на одной точке. Саккады — быстрые движения двух глаз в одном направлении — соединяют между собой фиксации. Скорость саккады измеряется в градусах визуального угла в секунду и достигает колоссальных значений. Максимальная скорость саккад — до 600 (а по некоторым данным 900) угловых градусов в секунду. Это показатель того, насколько быстро человек способен переключаться с одного объекта на другой. Во время инициации саккады человек не может повлиять на траекторию движения глаза и его конечную остановку (фиксацию).

Визуальная информация (то, что человек видит в конкретную секунду) — результат последних 3-4 фиксаций, проанализированных мозгом. Любопытная особенность саккад заключается в том, что за 50 милисекунд до ее старта и непосредственно во время инициирования (движения — оно длится от 40 до 120 милисекунд) визуальное восприятие человека полностью отключается, то есть на протяжении примерно 150 милисекунд человеческий глаз ничего не видит. Это время необходимо для обработки мозгом информации. Во время саккады зрение подавляется, а новая информация поступает только со следующей фиксацией. Однако этот сложный механизм и временную слепоту из-за огромных скоростей человек не способен заметить.

Третий тип движения глаз — взглядосмещающие — отвечает за быстрые передвижения взора в пределах от 1 до 50 угловых градусов, возникающие при зрительной фиксации объекта (стимула).

Также к движениям глаз исследователи относят расширение зрачков. Методика измерения диаметра зрачка называется пупиллометрия, она используется в некоторых айтрекерах в качестве точки отсчета положения глаза. Расширение зрачка коррелируется с увеличением трудности задачи, он хорошо реагирует на интерес, волнение, возбуждение. Зрачок реагирует с рождения и его расширение является неконтролируемой активностью человека.

Взгляд профессиональных футболистов по сравнению с новичками более четко фокусируется на необходимых деталях (таких как положение игрока), в то время как взгляд новичка фиксируется на деталях, порой не несущих никакой полезной информации об игре

В отдельный тип движения глаз ученые относят прослеживающие движения глаз (ПДГ) — умение глаз двигаться не скачками и точками, а, как предполагалось в XIX веке, плавно, словно следя за объектом. Прослеживающие движения важны для поддержания внимания. Если у человека возникает необходимость проследить цель, гораздо проще это сделать при помощи плавных движений, нежели постоянно фиксироваться и анализировать новую информацию. ПДГ вступает в работу только при наличии движущегося объекта.

Плавные движения глаз реализуются при помощи совсем других механизмов, саккады и фиксации уже не играют роли. Ученые склоны считать, что это умение человек приобрел вследствие эволюции, когда появилась необходимость охотиться на дичь. Возможно, поэтому у людей сильнее развиты горизонтальные, нежели вертикальные прослеживающие движения глаз (ПДГ), а также нисходящие ПДГ у человека развиты лучше, чем восходящие.

Такие заболевания как аутизм, шизофрения, состояние алкогольного и наркотического опьянения связаны с нарушением ПДГ.

Чем глаза исследуют сейчас

Современные окулографы (айтрекеры) бывают бинокулярными (записывают оба глаза) и монокулярными (записывают один глаз). Но чаще всего они могут работать в двух режимах. Кроме того, окулографы делятся на инвазивные (имеющие контакт с глазом) и неинвазивные. При использовании некоторых типов инвазивного окулографа на глаз накладывается металлическая линза, соединенная либо с электродами, либо непосредственно с самим записывающим устройством. Показатели инвазивных айтрекеров очень точны, но для испытуемого процедура очень болезненная. Поэтому гораздо чаще современные лаборатории оснащаются электроокулографами и оптическими окулографами.

Электроокулографы в основном используются в медицине для диагностирования различных заболеваний. Они собирают глазодвигательные данные о соотношении электрических потенциалов с электродов, которые размещаются на коже вокруг глаз. Диапазон применения очень широкий, но точность плохая, так как сложно определить направления взгляда испытуемого во время демонстрации стимула. 

Оптические окулографы записывают движения глаз на камеру различными методами. Какие-то окулографы записывают положения зрачка, какие-то — положение центра и отражение Пуркинье — отражение инфракрасного света от роговицы. Современный оптический айтрекер представляет собой два компьютера, один из которых отвечает за высокочувствительную камеру, другой — за презентацию стимулов. Также существуют различные варианты головных айтрекеров (крепятся на голове), которые можно использовать, например, изучая движения глаз профессиональных футболистов во время их игры на поле.

Подобное исследование было проведено пару лет назад с участием знаменитого футболиста Кристиано Роналду. Результатом исследования стал вывод, что взгляд профессиональных футболистов по сравнению с новичками более четко фокусируется на необходимых деталях (таких как положение игрока), в то время как взгляд новичка фиксируется на деталях, порой не несущих никакой полезной информации об игре. Исследователи сделали вывод, что профессионал, в отличие от новичка, не реагирует на произошедшее во время игры, а старается предугадать дальнейшие действия и действовать соответственно.