Специфическая координация движений глаз и головы улучшает зрение у тех, кто носит прогрессивные линзы

• Введение
• Методы
• Результаты
• Обсуждение
• Заключение

Введение

Современный мир ставит перед зрительной системой множество сложных задач. Особенно в динамичных и сложных ситуациях с высокой когнитивной нагрузкой качество визуальной информации является важным условием безопасного и целенаправленного поведения. В таких ситуациях направление взгляда является одним из ограничивающих факторов качества визуальной информации: только успешное фокусирование взгляда на цели обеспечивает визуальную информацию с высоким разрешением. Таким образом, направление взгляда является узким местом при выполнении высокодинамичных задач в естественной среде.

Привычные сценарии были проанализированы в основном с точки зрения стратегий фиксации. В различных исследованиях анализировалась статистика паттернов фиксации, движений глаз и сдвигов взгляда в различных контекстах, таких как повседневные задачи (Хейхо и Баллард, 2005; Пельц и Каноса, 2001; Пельц, Хейхо и Лёбер, 2001), ходьба (Фулшем, Уокер и Кингстоун, 2011), просмотр фильмов (Дорр, Мартинец, Гегенфуртнер и Барт, 2010), передвижение (Дрю, 1991; Турано, Герушат и Бейкер, 2003) и вождение (Лехтонен, Лаппи, Койрикиви и Суммала, 2014; Рекарте и Нуньес, 2000). Там же описаны изменения в статистике взгляда, зависящие от задачи. Сравнение регистрации взгляда без участия испытуемого c воспроизведением видео еще раз подчеркивает доминирующее влияние визуальной информации (‘т Харт и др., 2009).

При естественном свободном поведении оптическое качество визуального сигнала не зависит от движения головы, сопровождающего движение глаз, хотя движения головы, которые совершаются вместе с пристальным взглядом, следуют хорошо описанным законам естественного поведения со свободной (незафиксированной) головой (Эйнхойзер и др., 2009; Эйнхойзер и др., 2007; Фридман, 2001, 2008; Гуссенс и Ван Опстал, 1997; Гиттон и Волле, 1987; Холландс, Зиавра и Бронштейн, 2004 г.; Коулер и др., 1992; Лэнд, 1992; Лэнд и Хорвуд, 1996; Ооммен, Смит и Шталь, 2004 г.; Саглам, Глазауэр и Ленен, 2014; Шталь, 1999; Волле и Гиттон, 1993; Зангемайстер, Джонс и Старк, 1981; Зангемайстер и Старк, 1981). Таким образом, движения головы являются неотъемлемой частью поведения, связанного с фиксацией взгляда. Однако неизвестно, могут ли движения головы, несмотря на это обстоятельство, усиливать зрительное восприятие.

Прогрессивные линзы (ПЛ), назначаемые в качестве аккомодационной поддержки при пресбиопии, то есть при ослаблении аккомодации хрусталика в пожилом возрасте, служат наглядным примером того, как движения головы влияют на улучшение зрения. При пресбиопии ослабленный хрусталик не может менять свою форму, чтобы фокусироваться на объектах, расположенных близко. ПЛ заменяют функцию аккомодации оптическими свойствами линзы, зависящими от направления взгляда. В то время как у людей без пресбиопии нет необходимости в специальной модификации компонента движения головы при координации движений глаз и головы, у тех, кто носит очки с ПЛ, зрительный ввод сильно зависит от положения глаз. При взгляде через нижнюю часть очковых линз объекты, расположенные близко, кажутся четкими и в фокусе, а при взгляде через верхнюю часть линз в фокусе оказываются объекты, находящиеся далеко. Кроме того, из-за физических ограничений ПЛ при взгляде под углом их оптические свойства ухудшаются. Таким образом, для повышения качества визуальной информации необходимы серьезные изменения в координации движений глаз и головы. Следовательно, люди, использующие ПЛ, дают ценную информацию о роли координации движений глаз и головы в улучшении восприятия визуальной информации.

Координацию движений глаз и головы можно эффективно сравнить в условиях динамической задачи с высокой когнитивной нагрузкой, где поведение при фиксации взгляда является важным параметром эффективности (Лэнд, 1992). При вождении успешная фиксация взгляда и четкое зрение являются важными параметрами эффективности. Это постоянно усложняющаяся зрительная задача, которая случайным образом изменяется в зависимости от дорожной ситуации. Таким образом, координация движений глаз и головы у пользователей ПЛ в конкретной ситуации вождения показывает, какую роль играют движения головы в улучшении восприятия визуальной информации.

В ходе текущего исследования мы определили особенности координации движений глаз и головы у людей, использующих ПЛ, тем самым продемонстрировав возможности такой координации адаптироваться к визуально выраженным ограничениям.

Методы

Экспериментальная задача

Испытуемые выполняли реальную задачу по вождению, каждый из них проезжал по одной и той же заранее определенной городской кольцевой трассе в центре Штутгарта. Им заранее было предложено следовать указаниям экспериментатора и, естественно, соблюдать правила дорожного движения Германии, а также вести машину безопасно и осторожно, как в повседневной жизни. Каждый из испытуемых проходил трассу в сопровождении экспериментатора, который постоянно контролировал запись движений глаз и головы, занимая место рядом с водителем. Испытуемые следовали устным инструкциям экспериментатора.

Среднее время поездки составляло 46 мин, на трассе было много перекрестков и поворотов, а также светофоров, что создавало множество возможностей для движений глаз и головы. 

Участники

В исследовании приняли участие 44 человека. Все они дали информированное согласие на участие в исследовании. Все записи были сделаны в соответствии с Хельсинкской декларацией. Средний возраст участников составлял 50 лет; 29 участников были мужчинами, 15 – женщинами. Испытуемые были разделены на две группы: группу тех, кто постоянно носит ПЛ, – так называемую группу ПЛ [SD = (53 ± 7) лет], и контрольную группу [SD = (44 ± 14) лет]. У всех участников было нормальное зрение или зрение, скорригированное до нормального. Все испытуемые носили привычные для них линзы, к которым они хорошо адаптировались. Группа тех, кто постоянно носит ПЛ, состояла из 17 человек, которые во время поездки также были в привычных им очках с ПЛ. В контрольной группе было проведено измерение 27 испытуемых. Семь из них во время поездки пользовались очками с однофокальными линзами, трое – контактными линзами, а один – мультифокальными контактными линзами. Все испытуемые были опытными водителями и вполне могли справиться с заданием. 

Прогрессивная линза как модельная система для координации движений глаз и головы

ПЛ сочетают в себе коррекцию зрения и поддержку аккомодации для пациентов с пресбиопией, страдающих от возрастного снижения аккомодационных способностей. Таким образом, эти линзы  обеспечивают не только коррекцию аномалий рефракции, но и четкое зрение на любом расстоянии. Для этого две линзы пространственно совмещаются: в верхней части линзы находится область с корригирующей оптической силой вдаль, а в нижней – с корригирующей оптической силой в дополнение к имитируемой аккомодационной силе. Таким образом, пользователи ПЛ применяют поддержку аккомодации, направляя взгляд вниз на объекты, расположенные близко. Геометрия двух непрерывных поверхностей очковой линзы приводит к астигматическим ошибкам в периферийных областях линзы, что снижает оптическое качество и приводит к искажениям, особенно в нижних таких областях любой ПЛ. Это математическое следствие теоремы Минквица о двух непрерывных поверхностях (Минквиц, 1963). Точная геометрия ПЛ определяется с помощью итеративного математического алгоритма. Эти два свойства — увеличение качества зрения при взгляде прямо перед собой и уменьшение оптической четкости на периферии – действуют как сигналы вознаграждения для движений головы, зависящих от положения глаз. При прогрессирующей пресбиопии, когда аккомодация полностью нарушена, ПЛ обеспечивают четкое зрение на определенном расстоянии только при заданном наклоне головы относительно предполагаемого направления взгляда. Кроме того, периферийное размытие отмечается при направлении взгляда прямо перед собой, что способствует более активному движению головы в сторону периферии. Таким образом, ПЛ генерируют сложный сигнал обучения, зависящий от положения глаз, поощряя большие движения головы и ее определенное вертикальное положение для конкретного направления взгляда.

Сбор данных

На протяжении всего эксперимента бинокулярный взгляд (взгляд на окружающий мир обоими глазами) и движения головы фиксировались с частотой 60 Гц системой Smart Eye Pro (Smart Eye AB, Гётеборг, Швеция) с помощью четырех камер. Сообщается, что точность отслеживания системы составляет 0,5° при повороте головы и 0,5° при изменении направления взгляда в идеальных условиях съемки. На основе данных о бинокулярном взгляде был определен циклопический взгляд, который использовался во всех последующих анализах. Направление взгляда и движения головы определялись в системе координат, привязанной к автомобилю. Четыре камеры были установлены в разных местах на приборной панели и охватывали минимальный угол обзора примерно 160°. Каждый из испытуемых сидел на водительском сиденье, пристегнувшись ремнем безопасности. Испытуемых попросили ознакомиться с автомобилем и рассказали о системе отслеживания движения глаз. Движения головы и глаз были откалиброваны с помощью процедуры калибровки SmartEye. Испытуемому было предложено зафиксировать взгляд на четырех мишенях, расположенных в разных частях автомобиля и занимающих все поле зрения. Система SmartEye – это настольная система отслеживания взгляда и положения головы без использования головы испытуемого в качестве мишени. Таким образом, испытуемый не контактировал физически с системой отслеживания взгляда, а о ее присутствии ему напоминали только четыре маленькие камеры и две матрицы ИК-светодиодов, жестко закрепленные на приборной панели. Движения глаз и головы непрерывно фиксировались на протяжении всего эксперимента. 

Анализ данных

Система SmartEye определяет положение взгляда и головы в виде единичных векторов с горизонтальными (x), вертикальными (y) и глубинными (z) компонентами. Далее мы проанализируем движения головы и глаз в этом угловом пространстве, центрированном на голове. Для анализа будут учитываться только повороты глаз и головы. Все графики и цифры будут представлены в пространственных углах относительно центра этого пространства.

Перед анализом из всех наборов значений были удалены ошибочные данные, такие как моргание или ситуации, когда трекер не мог видеть ни глаза, ни голову. Поскольку эти точки данных были определены, либо данные не записывались, либо положение головы или направление взгляда фиксировалось на определенном значении в течение нескольких сотен миллисекунд, а это указывало на то, что трекер ошибочно идентифицировал объект, который не являлся зрачком, так как не двигался вместе со взглядом, как это обычно делает зрачок.

Координация движений глаз и головы у людей, использующих ПЛ, анализировалась по трем основным параметрам: усилению движений головы при координации движений глаз и головы, остаточной вариативности движений головы и временным характеристикам координации движений глаз и головы. Для этого положение головы каждого испытуемого сравнивалось с направлением его взгляда в каждый момент времени на протяжении всего экспериментального сеанса, независимо от направления взгляда и типа движения глаз, будь то фиксация или саккадическое движение. Сравнение этих пар данных проводилось путем линейного сопоставления функции взгляда и положения головы, что позволяло определить их ковариацию. Были включены все данные о движении глаз, доступные на приводе, и анализ проводился отдельно для каждого испытуемого, а также для горизонтальных и вертикальных компонентов движения. Таким образом, при данном подходе мы предполагаем, что свободное поведение при взгляде на объект можно аппроксимировать последовательностью статичных комбинаций положения глаз и головы, которые определяются коэффициентом усиления сигнала от головы (Волле и Гиттон, 1993). В этом описании изначально не учитывается динамическая фаза смещения взгляда, когда разные задержки и временные масштабы движений головы и глаз приводят к отклонениям от идеальной ковариации. Таким образом, на втором этапе анализ соответствия оценивает отклонения от линейности.

Наконец, в постанализе отдельно количественно оценивается причина любого отклонения от линейности, при этом различия в корреляции движений глаз и головы объясняются конкретными изменениями в координации этих движений между двумя группами – теми, кто носит ПЛ, и участниками контрольной группы. Для сравнения двух групп использовались непарные двусторонние t-критерии. Сравниваются различные характеристики данных: коэффициент усиления, корреляция (по критерию Фишера Z) и проводится дисперсионный анализ, разделенный на ошибки подбора и остаточные ошибки. Наконец, в анализе задержек сравниваются задержки движений головы относительно движения глаз.

Результаты

Мы измерили движения глаз (в пространстве) и головы у 17 участников, использующих ПЛ (группа ПЛ), и сравнили их с показателями контрольной группы (контрольная группа, n = 27). Все участники выполняли одно и то же задание в реальных условиях вождения: каждый из них ехал по заранее определенной городской кольцевой трассе в центре Штутгарта. Участники могли свободно двигать головой и глазами в зависимости от условий вождения.

Рис. 1 показывает примерный след положения взгляда и головы. Действительно, голова и пристальный взгляд заметно движутся параллельно, что указывает на высокую ковариацию взгляда и головы. Движения головы демонстрируют сглаженное поведение по сравнению с движением взгляда, подтверждая более медленную временную шкалу движений головы.

 
Рис. 1. Пример записи меняющегося направления взгляда (серый) и положения головы (черный) в течение 125 с, взятой у одного испытуемого

Оценка коэффициента усиления головного компонента

Одним из ключевых показателей движений головы при зрительно-моторной координации является коэффициент усиления движений головы. Он определяется линейной аппроксимацией положения головы относительно направления взгляда. На рис. 2 показаны значения горизонтальной и вертикальной составляющих аппроксимации движений головы для всех испытуемых наряду со стандартными ошибками. Особенно заметна сильная линейная зависимость между движением головы и направлением взгляда в горизонтальной плоскости. Движение головы в горизонтальной плоскости – поворот – намного больше в группе ПЛ (средний поворот 0,61° голова/взгляд в группе ПЛ, средний поворот 0,51° голова/взгляд в контрольной группе, p < 0,001, непарный двусторонний t-критерий). Но и по вертикали наклон линейной аппроксимации значительно увеличивается в группе ПЛ (среднее значение 0,10 в группе ПЛ, 0,02 в контрольной группе, p < 0,01, непарный двусторонний t-критерий). Таким образом, в группе ПЛ наблюдалась более выраженная реакция головы. Кроме того, обратите внимание: в контрольной группе наклон близок к нулю, что указывает на отсутствие согласованной координации между глазом и головой.

Рис. 2. Изменения коэффициента усиления головного компонента, оцененные с помощью процедуры линейной аппроксимации: 
A – средняя горизонтальная составляющая линейной аппроксимация (полосатый фон – группа ПЛ, серый фон – контрольная группа) со стандартными ошибками
Б – линейная аппроксимация движений головы по горизонтали относительно направления взгляда для группы ПЛ и контрольной группы
В – средняя вертикальная составляющая линейной аппроксимации (полосатый фон – группа ПЛ, серый фон – контрольная группа) со стандартными ошибками
Г – линейная аппроксимация движений головы по вертикали относительно направления взгляда для группы ПЛ и контрольной группы
Увеличенные значения видны в группе ПЛ как для горизонтальных, так и для вертикальных движений, что указывает на больший коэффициент усиления головного компонента в группе ПЛ

Анализ несоответствия

На рис. 3А и В в виде корреляционных контурных графиков показано направление движения головы и направление взгляда для двух испытуемых из каждой группы отдельно для горизонтальных (рис. 3A) и вертикальных (рис. 3В) компонентов, а также отмечена линейная аппроксимация данных черными или серыми линиями соответственно. На рис. 3A отражены направления взгляда и положения головы, между которыми существует тесная линейная взаимосвязь, выраженная в наклонной ориентации контурного графика, где отрицательный (то есть направленный влево) взгляд сочетается с отрицательным (то есть направленным влево) положением головы, а положительный (то есть направленный вправо) взгляд – с положительным (то есть направленным вправо) положением головы. На рис. 3В, где представлены аналогичные данные по вертикальному компоненту взгляда, линейная тенденция сильно размыта, но, в частности, у испытуемых из группы ПЛ распределение взгляда и положения головы также смещено описанным выше образом. Однако многие пары данных о взгляде и положении головы сильно отклоняются от линейной тенденции. Это выражается в снижении идеальной корреляции, показанной на рис. 3B и 3Г.

Рис. 3. Корреляция направления взгляда и движения головы:
A – контурный график корреляции поворота головы и направления взгляда для двух испытуемых (группа ПЛ – черный, контрольная группа – серый)
Б – групповые результаты коэффициента корреляции Пирсона r поворота головы и направления взгляда для группы ПЛ
В – контурный график корреляции наклона головы и направления взгляда для двух испытуемых (группа ПЛ – черный, контрольная группа – серый)
Г – групповые результаты коэффициента корреляции Пирсона r наклона головы и направления взгляда для группы ПЛ и контрольной группы 

Они могут быть обусловлены разными потенциальными факторами (например, нелинейной взаимосвязью между движением глаз и направлением взгляда при координации движений глаз и головы). Поэтому мы сравним качество линейного соответствия в двух группах, чтобы исключить потенциальное искажение, вызванное нелинейностью взаимосвязи между движением глаз и направлением взгляда.

Для этого систематические отклонения выделяются с помощью анализа несоответствия, характеризующегося ошибкой аппроксимации (т. е. разницей между значением аппроксимации и локальным средним значением данных). Локальное среднее значение данных было получено путем объединения данных в окне размером 0,5° для центральных 20° взгляда в соответствующем направлении, где взгляд находится большую часть времени (в среднем 53% времени взгляд направлен горизонтально, а 83% – вертикально). В качестве ошибки аппроксимации была определена сумма квадратов разностей между локальным средним значением и отдельными значениями данных. Ошибка аппроксимации существенно не различается между группой ПЛ и контрольной группой ни по горизонтали, ни по вертикали (непарный t-критерий, p_гор = 0,34, p_верт = 0,10). Таким образом, линейность усиления движения головы не различается между двумя группами. В группе ПЛ не наблюдалось значительных нелинейностей эксцентриситета положения головы относительно эксцентриситета взгляда.

Остаточная ошибка

На следующем этапе с помощью остаточной ошибки анализируются несистематические отклонения от линейности. Эти несистематические отклонения могут быть вызваны изменениями в задержке или синхронизации движений головы пользователей ПЛ. Кроме того, они могут зависеть от движений головы, не связанными с направлением взгляда. При горизонтальных движениях головы остаточная погрешность, определяемая разбросом значений, показывающих положение головы при заданном направлении взгляда, существенно не различается между двумя группами (непарный t-критерий для обратных остатков, p = 0,72, проверка на равенство дисперсии и нормальность распределения в центральных 20°). По вертикали средняя остаточная погрешность значительно выше в контрольной группе (непарный t-критерий для обратных остатков, p = 0,02, проверка на равенство дисперсии и нормальность распределения в центральных 20°). Таким образом, контрольная группа в среднем демонстрирует большую вариативность в вертикальном положении головы. 

Анализ временной задержки движений головы, сопровождающих взгляд

Далее мы определяем, связана ли большая вариативность движений головы в контрольной группе с потенциальными задержками между взглядом и движением головы. Временные различия между движениями головы и взгляда очевидны на рис. 1. Саккады совершаются примерно за 50 мс, в то время как движения глаз и головы в основном завершаются только через 500 мс после появления цели (например, Гуссенс и Ван Опстал, 1997; Саглам, Ленен и Глазауэр, 2011). Кроме того, движения головы могут начинаться с задержкой по сравнению с саккадой (например, Херст, Эпельбойм и Штайнман, 2001; Зангемайстер и Старк, 1982). Примечательно, что скорость движения головы, как и задержка, может варьировать. Таким образом, изменение задержки движения головы может повлиять на корреляцию движения головы и направления взгляда, что и будет проанализировано ниже.

На рис. 4 показана корреляция движений головы и направления пристального взгляда с искусственно включенной временной задержкой различной длительности между головой и пристальным взглядом для группы ПЛ (черный цвет) и контрольной группы (серый). По оси x обозначены различные искусственно вызванные задержки между взглядом и головой; кривая показывает корреляцию для каждой конкретной искусственно вызванной задержки. Эта кривая корреляции становится максимальной, когда искусственно вызванная временная задержка компенсирует любую существующую временную задержку между движением головы и глаз, и, следовательно, два движения происходят параллельно. Таким образом, пик корреляционной кривой указывает на продолжительность устойчивой временной задержки между взглядом и движением головы. Корреляция рассчитывается как Z Фишера для корреляции с интервалом 2 мин на протяжении всего эксперимента. В выборку были включены только те испытуемые, у которых корреляция была значительно отлична от нуля, что гарантирует стабильность наблюдаемой координации движений глаз и головы на протяжении всего эксперимента. Это справедливо для всей группы испытуемых при анализе горизонтальной корреляции, для 12 испытуемых из группы ПЛ и для 12 испытуемых из контрольной группы при анализе вертикальной корреляции. На рис. 4 показаны корреляции, основанные на среднем значении Z Фишера для каждого экспериментального сеанса. Корреляция между движением глаз и головы ослабевает с увеличением задержки. Положительная корреляция наблюдается как в контрольной группе, так и в группе ПЛ при выполнении горизонтальных движений (рис. 4Б). При выполнении вертикальных движений стабильно положительная корреляция наблюдается только в группе ПЛ (рис. 4A).

Рис. 4. Анализ задержки движений головы, сопровождающих взгляд:
A – корреляция вертикального направления взгляда и наклона головы при различном временном смещении для группы ПЛ (черная линия) и контрольной группы (серая линия)
Б – такая же корреляция горизонтального направления взгляда и поворота головы
В – пиковая задержка корреляции движения головы по вертикали для группы ПЛ
Г – пиковая задержка корреляции движения головы по горизонтали для группы ПЛ
Д – пиковая задержка корреляции движения головы по вертикали для контрольной группы
Е – пиковая задержка корреляции движения головы по горизонтали для контрольной группы

В нижних рядах рис. 4 (фрагменты В–Е) показана временная задержка, рассчитанная по пиковой корреляции, для группы ПЛ и контрольной группы. Разницы во временной задержке пиковой корреляции между группой ПЛ и контрольной группой нет ни при горизонтальном, ни при вертикальном движении головы, что указывает на отсутствие измеримых изменений в латентности (p_гор = 0,96, p_верт = 0,66). Таким образом, уменьшение общей задержки движения головы не может служить объяснением усиления корреляции в группе ПЛ.

В совокупности большая остаточная погрешность, наблюдаемая при вертикальных движениях головы в контрольной группе, указывает на менее слаженную координацию движений глаз и головы.

Краткое изложение результатов

Таким образом, больший прирост амплитуды движений головы наблюдался как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении (рис. 2Б, Г). Кроме того, у испытуемых с ПЛ наблюдалась согласованная вертикальная координация движений глаз и головы (рис. 3Г). 
Таким образом, мы приходим к выводу, что у людей, использующих ПЛ, координация движений глаз и головы улучшается за счет увеличения амплитуды движений головы, а также за счет развития более тесной координации вертикальных движений глаз и головы.

Обсуждение

Координация движений глаз и головы у пользователей ПЛ

Лишь в нескольких описаниях изменений в координации движений глаз и головы у здоровых людей, не зависящих от внешних обстоятельств, демонстрируется присущая системе координации движений глаз и головы саморегулирующаяся реакция на стимулы. Настоящее исследование демонстрирует изменение координации движений глаз и головы у здоровых людей, носящих очки с ПЛ, при одинаковых условиях стимуляции. До сих пор у этих лиц при имитации вождения были выявлены только изменения в движениях головы и саккадических движениях глаз, демонстрирующих изменение поведения исследовательского взгляда (Чу, Вуд и Коллинз, 2009). Измененная координация движений глаз и головы была продемонстрирована при чтении в очках с ПЛ, когда движения глаз, вероятно, можно считать стереотипными (Хан, Чуффреда, Селенов, Бауэр и др., 2003). Наблюдается увеличение количества горизонтальных движений головы на одну линию и усиление торсионного компонента при этих движениях (Хан, Чуффреда, Селенов, Бауэр и др., 2003; Хан, Чуффреда, Селенов и Али, 2003). В то время как чтение – это повторяющаяся задача, при выполнении которой движения головы от строки к строке совершаются схожим образом, в свободном поведении эти движения представляют собой сложную последовательность и обусловлены изменениями позы и направления взгляда, что требует комплексного изменения движений головы.

Стратегическое увеличение амплитуды движения головы при саккадическом движении назад в принципе могло бы вызвать наблюдаемое поведение. В нашем исследовании наблюдались движения головы любой амплитуды и в любом направлении, что делает применение такой простой стратегии невозможным.

Координация движений глаз и головы в лабораторных условиях и в естественной среде

Взаимодействие движений головы с глазодвигательным поведением интенсивно изучалось с точки зрения координации «глаза–голова» в лабораторных условиях (Фридман, 2001, 2008; Гуссенс и Ван Опстал, 1997; Гиттон и Волле, 1987; Земля, 1992; Ооммен, Смит и Шталь, 2004; Саглам и др., 2014; Шталь, 1999; Волле и Гиттон, 1993; Зангемейстер и др., 1981; Зангемайстер и Старк, 1981). Хорошо известно, что особенно крупные движения глаз обычно сопровождаются движениями головы (Коллевейн, Штайнман, Эркеленс, Коулер и Ван дер Стин, 1992; Коулер и др., 1992; Зангемайстер, Леман и Старк, 1981). Движения головы различаются в зависимости от задачи (Ооммен и др., 2004; Праудлок и Готтльбо, 2007). Кроме того, во время вождения поведение, связанное с направлением взгляда, а также движения головы меняются в зависимости от задачи (Рахими, Бриггс и Том, 1990). Было разработано множество моделей, описывающих взаимодействие взгляда и головы и контроль движений головы, сопровождающих взгляд (Буланже, Галиана и Гиттон, 2012; Дай, Оптикан, Блом и Лефевр, 2014; Хейнс и МакКоллум, 2006; Земля, 1992; Мендер и Стрингер, 2013; Саеб, Вебер и Триш, 2011 г.; Саглам, Ленен и Глазауэр, 2011; Зангемейстер, Леман и Старк, 1981). Экспериментально установлено, что в лабораторных условиях существует центральная зона взгляда, в которой движения головы совершаются редко. При более эксцентричном взгляде амплитуда движений головы увеличивается примерно линейно (Волле и Гиттон, 1993). Кусочно-линейная зависимость для компонента движения головы, зависящая от исходного положения головы относительно цели, хорошо описывает изолированные движения глаз и головы (Волле и Гиттон, 1993). Априори неясно, применима ли эта закономерность к естественному поведению. В нашем эксперименте с самомотивированным поведением без использования головы мы наблюдали непрерывные движения головы. В то же время в типичном лабораторном эксперименте следующее движение глаз и головы начиналось только после завершения предыдущего, что позволяло проводить независимый анализ. Непрерывные движения головы при самомотивированном поведении также наблюдались Тумсером, Оомменом, Кофманом и Шталем (2008), которые сравнили их с лабораторной парадигмой, основанной на стимулах. Однако они обнаружили много общего между лабораторными и естественными парадигмами. В естественной среде наблюдалось дополнительное влияние исследовательского диапазона движения глаз, который в лабораторных парадигмах фиксирован.

Кроме того, наиболее очевидным отличием между лабораторными условиями и нашим естественным поведением было то, что область, в которой двигались только глаза, была размыта. При линейной аппроксимации область, в которой двигались только глаза, привела бы к отклонению от линейности, но в центральной области не наблюдалось снижения амплитуды движений головы, что согласуется с размытостью этой области. Это наблюдение полностью согласуется с данными Тумсера и др. (2008). Она сочетается с описанием координации движений глаз и головы в зависимости от исходного положения головы, которое меняется в естественной среде (Гиттон и Волле, 1987).

Корректировка амплитуды движений головы

Наиболее очевидным изменением в поведении при движении головы, наблюдаемым в группе с периферическим зрением, было увеличение амплитуды горизонтальных движений головы. Первые свидетельства увеличения амплитуды в ответ на ограничение периферического зрения были получены в более экстремальном сценарии в исследовании Шталя, где движения головы испытуемых анализировались после надевания очков с точечным отверстием (Джейлан, Энрикес, Твид и Кроуфорд, 2000; Шталь, 2001). Сквозное отверстие позволяло получать визуальную информацию только при большом отклонении головы. В нашем исследовании визуальная информация не блокировалась, а лишь ухудшалась из-за оптического размытия. Тем не менее у тех, кто носил ПЛ, наблюдалось устойчивое увеличение отклонения головы по сравнению с участниками контрольной группы. Насколько нам известно, это первое свидетельство изменения отклонения головы для улучшения зрения при естественном поведении.

Координация вертикальных движений глаз и головы у пользователей ПЛ

В контрольной группе движения головы не были связаны с направлением взгляда и не были одинаковыми у всех испытуемых. Только ношение очков с ПЛ вызывало устойчивую корреляцию направления взгляда и положения головы. Эта корреляция обусловлена специфическими свойствами ПЛ. В этих линзах постепенное увеличение оптической силы при взгляде вниз способствует определенному положению головы при каждом расстоянии до объекта и его положении. Для оптимального зрительного восприятия существует уникальная взаимосвязь между положением глаз и расстоянием до объекта. Во время вождения водители большую часть времени смотрят прямо перед собой через лобовое стекло, наблюдая за дорожным движением, в основном фокусируясь на улице перед собой. Таким образом, расстояние до улицы и объектов на ней можно оценить в несколько метров. В этой конкретной ситуации водитель использует зону дальнего зрения ПЛ, глядя прямо перед собой (то есть при определенном положении глаз). Благодаря уникальной системе сопоставления положения глаз и расстояния до объекта любое изменение вертикального направления взгляда преобразуется непосредственно в изменение положения головы, что приводит к наблюдаемой линейной зависимости между вертикальным направлением взгляда и положением головы. Благодаря этому в наших данных можно наблюдать корректировку положения головы. Это первое явное доказательство того, что ПЛ обеспечивают соответствие между направлением взгляда и положением головы, изменяя координацию движений глаз и головы в сложной, зависящей от внешних факторов ситуации вождения.

Время движений головы, сопровождающих взгляд

В ходе настоящего исследования время движений головы изменилось. Известно, что задержка движений головы может быть разной (Зангемейстер и Старк, 1982). В ходе настоящего исследования движения головы в целом выполнялись с небольшой задержкой, вероятно, из-за того, что испытуемые были активны во время вождения. Только вертикальные антикоррелированные движения головы, которые наблюдались у некоторых испытуемых из контрольной группы, выполнялись с более длительной задержкой – до нескольких сотен миллисекунд. Однако в вертикальном направлении наблюдалась тенденция к более быстрому выполнению движений головы. Несмотря на то, что движения головы могут быть как быстрыми, так и медленными, в координации движений глаз и головы, а также в движениях головы можно выделить основную последовательность (Фридман и Спаркс, 2000). Однако нет подробных данных об усвоении навыка изменения скорости движений головы. Устойчивая корреляция вертикального направления взгляда и вертикальных движений головы в этом исследовании подчеркивает функциональную роль таких движений головы, развившихся в группе ПЛ.

Заключение

Настоящее исследование показывает, что движения головы участвуют в улучшении зрения у здоровых людей. При неограниченном естественном поведении амплитуда движений головы по горизонтали увеличивается. Кроме того, при необходимости развиваются движения головы, сопровождающие движения глаз по вертикали. Эти результаты позволяют лучше понять координацию движений.

Благодарности

Авторы благодарят Исследовательский институт автомобилестроения и автомобильных двигателей Штутгарта за поддержку в сборе данных и профессора д-ра Маркуса Лаппе за его полезные комментарии к этой рукописи.

Об авторах: Катарина Рифаи (Katharina Rifai),
физик и нейробиолог, исследователь в области зрительного восприятия, нейробиологии и оптометрии, старший научный сотрудник ZEISS Vision Science Lab Тюбингенского университета (Германия)
Зигфрид Валь (Siegfried Wahl),
исследователь в области зрительного восприятия, нейробиологии и оптометрии, руководитель ZEISS Vision Science Lab и почетный профессор Тюбингенского университета (Германия)
Перевод: А. Козловцев

© РА «Веко»

Печатная версия статьи опубликована в журнале «Современная оптометрия»  [2026. № 5 (182)].
Оформить подписку на бумажную версию – https://vekopress.ru/
Оформить подписку на электронную версию - https://magazine.ochki.com/

Наши страницы в соцсетях:

• vk.com/vekomagazine
• t.me/ochkinet