Utilisation des mouvements oculaires pour évaluer les processus cognitifs impliqués dans la compréhension de texte

1. Propriétés de l’équipement de suivi oculaire Les eye trackers varient en ce qui concerne la façon dont les mouvements oculaires sont mesurés, la fréquence à laquelle la position des yeux est mesurée (taux d’échantillonnage), la précision de la détermination de la position des yeux, la quantité de mouvement de la tête autorisée et la facilité d’utilisation. L’importance de ces facteurs varie selon le type de recherche effectuée et les participants testés. Par exemple, dans la plupart des études de lecture, une grande précision est nécessaire pour déterminer quel mot est fixé. Deuxième exemple, la tolérance aux mouvements de la tête et la facilité d’utilisation sont cruciales lors de l’utilisation d’enfants comme participants. La recherche décrite ici a été menée à l’aide d’un eye tracker SR Research EyeLink 1000 (SR Research Ltd). Une image du système de suivi oculaire est présentée à la figure 1. Le système EyeLink suit les mouvements oculaires en mesurant les changements de position de la pupille dans une image vidéo. Cela se fait en faisant briller une lumière infrarouge dispersée (qui n’est pas visible pour les participants) sur les yeux des sujets et en enregistrant la réflexion infrarouge (image) d’un œil (ou des deux yeux) avec une caméra vidéo de détection infrarouge haute résolution. La source de lumière infrarouge et la caméra vidéo sont positionnées sous le moniteur utilisé pour afficher les stimuli. La lumière infrarouge est utilisée pour éviter les fausses réflexions des lumières à spectre normales. La lumière infrarouge produit un point lumineux où se trouve la pupille (les lumières pénètrent dans la pupille et se reflètent sur la rétine pour éclaircir la pupille) et une réflexion ponctuelle sur la surface de l’œil appelée réflexion cornéenne. L’image vidéo est numérisée afin que les mouvements horizontaux et verticaux de la pupille (le point lumineux) dans l’image vidéo puissent être mesurés. La réflexion cornéenne est une réflexion stationnaire qui ne bouge pas à moins que la tête ne soit déplacée (parce que c’est une réflexion hors de la surface de l’œil, elle ne bouge pas lorsque les yeux bougent). La mesure de la réflexion cornéenne permet de distinguer les petits mouvements de la tête, qui conduisent au mouvement de la réflexion cornéenne, des seuls mouvements oculaires, qui ne conduisent pas au mouvement de la réflexion cornéenne. Pour minimiser les mouvements de la tête et maintenir le participant dans la plage focale de la caméra vidéo, les participants placent leur tête sur un front et un repose-menton tout en lisant le texte présenté sur un écran d’ordinateur. Plusieurs caractéristiques critiques des systèmes de suivi oculaire sont décrites ci-dessous. Taux d’échantillonnage. Le taux d’échantillonnage fait référence au nombre de fois par seconde que la position de l’œil est mesurée. Le taux d’échantillonnage pour le système EyeLink 1000 est de 1 000 Hz, ce qui signifie que la position des yeux est mesurée 1 000 fois/s. Les taux d’échantillonnage courants sont de 1 000 Hz, 500 Hz, 250 Hz et 60 Hz (le taux de rafraîchissement vidéo / fréquence de nombreux moniteurs d’ordinateur).Remarque: Lors de l’étude de la lecture, l’objectif est de mesurer avec précision l’emplacement et la durée des fixations et des saccades. Pendant la lecture adulte normale, les durées de fixation varient typiquement d’environ 100-800 millisecondes, avec la moyenne étant approximativement 250 millisecondes (pour des lecteurs collégiaux-âgés). Les saccades varient généralement en durée d’environ 10-20 millisecondes lorsque les lecteurs déplacent leurs yeux d’un mot à l’autre. Les très grandes saccades, telles que le déplacement de la fin d’une ligne au début de la ligne suivante, peuvent durer jusqu’à 60 à 80 millisecondes. Des taux d’échantillonnage plus élevés produisent une meilleure précision temporelle (également appelée résolution temporelle) lors de la mesure de la durée des fixations et des saccades. Plus précisément, l’erreur temporelle moyenne sera d’environ la moitié de la durée du temps entre les échantillons. Par exemple, un taux d’échantillonnage de 1 000 Hz (échantillonnage de la position des yeux toutes les 1 millisecondes) entraînera une erreur moyenne de 0,5 ms et un taux d’échantillonnage de 60 Hz (échantillonnage de la position des yeux tous les 16,7 ms) conduira à une erreur moyenne d’environ 8 ms. Une erreur de 8 millisecondes pourrait être considérée trop grande pour étudier la durée des saccades, mais pas trop grande pour étudier la durée des fixations. Il y a trente ans, la plupart des recherches en lecture ont été menées à l’aide de eye trackers avec des taux d’échantillonnage de 60 Hz. La plupart des recherches sur la lecture sont maintenant effectuées à l’aide de eye trackers capables d’échantillonner à 500 Hz ou 1 000 Hz.Pendant la lecture, l’objectif est de concentrer les deux yeux sur le même endroit; par conséquent, la pratique courante consiste à enregistrer les mouvements oculaires d’un œil. Certains systèmes de suivi oculaire permettent de suivre les deux yeux simultanément. L’avantage de suivre les deux yeux est que l’œil avec la meilleure précision de suivi peut être sélectionné pour l’analyse finale. L’inconvénient du suivi des deux yeux est que le taux d’échantillonnage est généralement réduit d’un facteur deux(c’est-à-dire qu’un taux d’échantillonnage de 1 000 Hz pour un œil est réduit à 500 Hz lors de l’enregistrement des deux yeux). Précision. La précision fait référence à la mesure dans laquelle l’emplacement de fixation calculé correspond à l’emplacement de fixation réel. Ceci est exprimé en degrés d’angle visuel (un demi-cercle a 180º d’angle visuel). La précision moyenne du système EyeLink 1000 est de 0,25 à 0,5º d’angle visuel. Pour mettre cela en perspective, lorsque vous regardez un écran d’ordinateur 17-20 à une distance de visualisation normale, la largeur du moniteur couvre 20-30º d’angle visuel.Remarque : Le degré d’exactitude requis dépend des objectifs de la recherche. Si l’objectif est de mesurer quel caractère d’une ligne est fixé, la précision de la position du caractère est nécessaire. Si l’objectif est de mesurer quel mot sur une ligne est fixé, la précision de la position des mots est nécessaire. Dans la recherche décrite ici, le texte a été affiché de sorte que 3 caractères équivalaient à environ 1° d’angle visuel. La mesure est d’environ 3 caractères car le texte a été affiché en police proportionnelle(c’est-à-dire que les caractères différaient en largeur, comme le caractère i étant plus étroit que le w). Pour obtenir la précision de la position des caractères, le dispositif de suivi oculaire doit déterminer l’emplacement de fixation à 1/3° (la largeur d’environ un caractère) sur une plage horizontale de 30° (la largeur de l’écran de l’ordinateur). Pour obtenir la précision de la position des mots, le eye tracker doit déterminer l’emplacement de fixation dans une plage de 1° pour les mots de 3 caractères. Les eye trackers ont tendance à être légèrement moins précis pour mesurer les grands mouvements oculaires verticaux(par exemple, se déplacer du bas de l’écran vers le haut) parce que la pupille peut être partiellement obstruée par les paupières et les cils. Ce problème peut être considérablement réduit ou éliminé en double espacement des textes, ce qui facilite le discernement de la ligne de texte lue. Pour 17-20 dans les écrans d’ordinateur, le double espacement produit environ 2,5 ° de séparation verticale entre les lignes, bien dans la plage de précision de l’EyeLink 1000 et de la plupart des eye trackers de la génération actuelle. Mouvement de la tête. Le mouvement de tête autorisé pour le système EyeLink 1000 est de 25 mm x 25 mm x 10 mm (horizontal x vertical x profondeur). C’est-à-dire que les participants peuvent effectuer des mouvements de la tête de ±12,5 mm à gauche/droite, ±12,5 mm vers le haut/bas et ±5 mm à l’avant/vers l’extérieur de la position de la tête dans laquelle l’étalonnage initial (expliqué ci-dessous) a été effectué sans compromettre la précision. Les restrictions gauche/droite et haut/bas sont nécessaires pour garder l’œil dans le champ de vision de la caméra vidéo. La restriction d’in/out est nécessaire pour garder l’œil dans la plage focale de la caméra vidéo. L’utilisation d’une combinaison de repos front /menton maintient facilement les mouvements dans cette plage.Remarque : Si des mouvements de tête plus importants sont nécessaires, par exemple si l’écran se composait de trois moniteurs côte à côte qui nécessitaient des mouvements de tête pour regarder chaque moniteur (comme dans un simulateur de conduite), une version « montée sur la tête » du dispositif de suivi oculaire est disponible qui ne nécessite pas de repose-front/menton. Pour le système monté sur la tête, les caméras utilisées pour suivre la position des yeux sont montées sur un bandeau réglable afin que les participants puissent bouger librement la tête. Une caméra distincte qui pointe vers l’avant enregistre la scène en cours de vision. Les mouvements oculaires sont déterminés par rapport à la scène vue. L’inconvénient du système monté sur la tête est que le taux d’échantillonnage est réduit à 500 Hz (maximum) ou moins, la précision a tendance à être légèrement inférieure car de grands mouvements de tête peuvent introduire des erreurs, et les temps de configuration ont tendance à être légèrement plus longs car la position des caméras de mouvement oculaire doit être ajustée pour chaque participant. Le logiciel de fonctionnement du eye tracker monté sur la tête est essentiellement identique à l’EyeLink 1000. Heure de configuration du système. L’EyeLink 1000 peut généralement être configuré et calibré en 5 min ou moins, ce qui est typique des eye trackers vidéo. Ce processus est défini plus en détail dans la section de procédure suivante. 2. Préparation du stimulus Lorsque vous comparez les mouvements oculaires pour les stimuli pris à partir de deux conditions ou plus, les stimuli doivent être appariés sur les caractéristiques qui sont connues pour influencer les mouvements oculaires. Les textes de métaphore utilisés ici illustrent plusieurs propriétés importantes qui doivent être contrôlées lors de la comparaison de la façon dont deux stimuli sont lus. Les mots clés doivent être appariés sur la longueur moyenne des mots (en nombre de caractères) et la fréquence des mots (généralement exprimée sous forme d’occurrences/millions de mots) dans toutes les conditions. Ceci est essentiel car la durée de fixation augmente à mesure que la fréquence des mots diminue et que la probabilité de fixer un mot augmente à mesure que la longueur des mots augmentede 10,13. Dans les passages de métaphore, les mots de contenu dans des métaphores familières et inconnues ont été appariés sur la longueur moyenne des mots et la fréquence des mots. Les mots clés doivent être présentés dans des positions similaires dans les textes et les phrases. Ceci est important car les mots à la fin des phrases sont généralement lus plus lentement que les mots précédents dans les phrases et les lecteurs ont tendance à lire plus rapidement à mesure qu’ils progressent dans un passage, puis à ralentir sur la dernière phrase11,12. Dans les passages de métaphore, toutes les métaphores ont été présentées à la fin de la troisième phrase. Présenter certaines métaphores au début des phrases et d’autres à la fin des phrases conduirait à des variations dans les temps de lecture non associés aux métaphores elles-mêmes. Les phrases clés doivent être à peu près mises en correspondance sur la longueur et la structure des mots. Ceci est important car la longueur de la phrase et la structure syntaxique influencent le temps de lecture, le nombre de fixations et la probabilité de régressions13. Dans les passages de métaphores, les métaphores familières et inconnues avaient le même nombre de mots et la même structure (X est un Y). Le contexte qui précède immédiatement les mots clés doit être à peu près égal au nombre de mots, au format et à la difficulté de traitement. L’équivalence des contextes entre les conditions est nécessaire car la contrainte contextuelle influence les durées de fixation pour les mots suivants1,14. Dans les passages de métaphore, la première phrase de contexte était toujours liée au premier mot clé des métaphores(amour et pêcheur)et la deuxième phrase de contexte toujours liée au deuxième mot clé des métaphores(fleur et araignée). Les mots clés ou les expressions ne doivent pas être le dernier mot ou la dernière phrase d’un passage. Ceci est important car les lecteurs lisent la fin d’un texte plus lentement que les parties précédentes du texte, ce qui est appelé l’effet de récapitulation de passage12. L’ajout d’une phrase finale permet également de mesurer les retombées du traitement. Le débordement fait référence à la difficulté de traitement qui se transmet d’une phrase à la phrase suivante. Dans les passages de métaphore, une phrase de conclusion neutre suivait les métaphores. Si les lecteurs ne comprenaient pas le sens d’une métaphore, ils pourraient passer à la phrase suivante en espérant des indices sur la signification de la métaphore. En tant que telle, la phrase de conclusion était intentionnellement neutre pour supprimer les indices de signification.Bien que les propriétés de contrôle des stimulus aient été décrites ici en termes de métaphores, elles s’appliquent à la plupart des études de compréhension de texte ou à toute étude qui manipule des stimuli linguistiques. Prenons notre exemple précédent dans lequel les lecteurs résolvent des problèmes mathématiques basés sur des mots dont la complexité varie(par exemple, une complexité élevée ou faible). On ne voudrait pas que les problèmes de complexité élevée incluent des mots plus rares (très basse fréquence) que les problèmes de faible complexité parce que la complexité mathématique serait confondue avec la fréquence des mots. Bien sûr, l’objectif de l’expérience dicte quelles fonctionnalités doivent être contrôlées. Par exemple, si l’objectif de l’expérience est d’examiner comment la structure de la phrase influence le traitement, la structure de la phrase doit être manipulée. Pour revenir à notre expérience de problème mathématique, on pourrait vouloir explorer comment différentes structures grammaticales influencent la difficulté de résoudre les problèmes. Par exemple, les phrases contenant des détails clés des problèmes peuvent être écrites en voix active ou passive. Le schéma des mouvements oculaires sur ces phrases clés pourrait être mesuré ainsi que l’influence sur la détermination des solutions correctes. 3. Exécution de l’expérience Les participants doivent commencer par remplir un consentement éclairé qui décrit la procédure générale. La recherche comportementale telle que l’expérience décrite ici est généralement approuvée par l’IRB comportemental (Institutional Research Board) d’un établissement par opposition à un IRB médical, car l’équipement de suivi oculaire vidéo n’entre pas en contact avec l’œil et est approuvé en tant que dispositif LED de classe 1 qui est sûr dans toutes les conditions. Si les procédures de suivi oculaire sont combinées à des procédures médicales, telles que l’enregistrement des mouvements oculaires pendant qu’ils subissent un IRMf, une CISR médicale sera nécessaire. Les participants doivent éteindre ou désactiver tous les appareils électroniques distrayants. La hauteur du menton doit être réglée de manière à ce que l’œil surveillé soit à peu près centré sur l’écran vidéo. Les participants doivent ajuster la hauteur du siège afin qu’ils puissent reposer confortablement leur menton sur le menton et leur front contre le repose-front. Les participants ont tendance à s’affaisser dans la chaise pendant qu’ils se détendent, ce qui a tendance à éloigner leur front du repos du front. Cela peut augmenter l’erreur verticale dans l’enregistrement de suivi oculaire. Ce problème peut être minimisé en s’assurant que les participants commencent avec leur menton légèrement au-dessus de la hauteur du repose-menton afin qu’ils puissent reposer leur menton sur le repose-menton. Les participants doivent être informés de la façon dont le eye tracker est ajusté et configuré avant de commencer l’expérience. L’affichage des instructions sur le moniteur donne aux participants l’occasion de voir à quoi ressemble l’écran avant de commencer l’expérience et d’ajuster davantage leur position sur le repose-front / menton si nécessaire. Assurez-vous que seul cet œil enregistré est visible dans l’écran de l’appareil photo. Cela empêchera le tracker de « passer » à l’autre œil si les participants font un grand mouvement de tête. Si les deux yeux sont dans le champ de vision de la caméra, un déplacement peut se produire si les participants déplacent leur tête assez loin pour que l’image de l’œil enregistré soit déplacée hors du champ de vision de la caméra et que l’autre œil soit déplacé dans la vue de la caméra. Le eye tracker va alors « rechercher » une nouvelle réflexion de pupille. Le tracker reviendra à l’œil d’origine lorsque la tête sera retournée à la position de départ, mais le décalage provoque une perte temporaire de la position des yeux. Concentrez la caméra (l’image sera affichée sur l’écran de l’expérimentateur). Une bonne mise au point augmente la capacité de détecter et de suivre la pupille et la réflexion cornéenne. Réglez le seuil de sensibilité infrarouge de la caméra vidéo. Le système EyeLink dispose d’une fonction de « seuil automatique » qui définit correctement le seuil pour la grande majorité des participants. Si de grandes zones de réflexion infrarouge sont visibles près de l’œil, le seuil peut être réduit manuellement. À ce stade, le eye tracker doit détecter la pupille et la réflexion cornéenne et commencer à suivre la position de l’œil (indiquée par des réticules sur la pupille et la réflexion cornéenne). Assurez-vous que la pupille et la réflexion cornéenne sont suivies sur toute la surface de l’écran en demandant aux participants de regarder chaque coin de l’écran d’ordinateur. Si la pupille ou la réflexion cornéenne est perdue sur les bords de l’écran, incliner la tête du participant en déplaçant la base de repos du menton vers l’avant ou vers l’arrière résout généralement le problème. Pour les participants qui portent des lunettes, les montures occluent parfois une partie de l’image vidéo des yeux lorsqu’ils regardent des angles horizontaux ou verticaux extrêmes. Ce n’est un problème que si la pupille et la réflexion cornéenne ne peuvent pas être suivies sur toute la zone dans laquelle les stimuli seront montrés. Le eye tracker peut être calibré (décrit ci-après) sur une plage plus petite si nécessaire pour compenser ce problème. L’étalonnage est le processus utilisé pour configurer le logiciel de suivi oculaire afin de suivre avec précision les mouvements oculaires. Cela se fait en enregistrant la position des yeux pendant que les participants fixent un ensemble de neuf points de fixation (points noirs) affichés sur le moniteur à des endroits connus. Les points de fixation sont présentés dans un ordre aléatoire. Le nombre de points de fixation peut varier en fonction de la quantité d’affichage que les stimuli occuperont. Si les passages remplissent la majeure partie de l’affichage, l’étalonnage doit utiliser une formation à 9 points (en haut à gauche, en haut au centre, en haut à droite, au milieu à gauche, au centre moyen à droite, en bas à gauche, en bas au centre, en bas à droite). Si une seule ligne de texte est présentée au centre vertical de l’affichage, la plage d’étalonnage peut être réduite à la région centrale de l’affichage. Pendant l’étalonnage, demandez aux participants de fixer chaque point jusqu’à ce qu’il disparaisse et essayez de ne pas prédire les mouvements du point. Si les participants déplacent leurs yeux pour tenter de prédire l’emplacement suivant du point, le mouvement du point peut être contrôlé manuellement pour s’assurer que les participants fixent chaque point avant que le point suivant ne soit affiché. Validez l’étalonnage. Lors de la validation, les participants fixent les mêmes neuf points que lors de l’étalonnage. Les emplacements de fixation calculés sont ensuite comparés aux emplacements de fixation connus pour déterminer le degré d’erreur visuelle dans les emplacements de fixation calculés. À ce stade, le logiciel affiche des informations sur le degré d’erreur visuelle pour chaque point de fixation, l’erreur moyenne sur tous les points et l’erreur maximale sur tous les points. Si l’erreur moyenne dépasse 0,5º d’angle visuel, la configuration du eye tracker doit être vérifiée et le processus d’étalonnage répété. L’erreur moyenne combine les erreurs verticales et horizontales; par conséquent, une erreur moyenne acceptable de 0,3º pourrait, par exemple, refléter une combinaison de petites erreurs horizontales et verticales, une combinaison de petites erreurs horizontales(par exemple 0,1º) et de grandes erreurs verticales(par exemple 0,6º), ou un schéma variable d’erreurs. Par conséquent, les chercheurs devraient examiner le déplacement horizontal et vertical pour chaque point d’étalonnage et établir un seuil d’erreur acceptable en fonction de l’expérience en cours. Par exemple, si les stimuli sont des phrases d’une seule ligne qui apparaîtront au centre de l’écran, la précision verticale est moins importante car il n’y a qu’une seule ligne de texte. L’exemple précédent d’erreurs horizontales de 0,1º et d’erreurs verticales de 0,6º peut être acceptable pour les affichages sur une seule ligne. Lors de l’utilisation de passages multilignes, la précision verticale et horizontale est essentielle. Commencez l’expérience après avoir obtenu un étalonnage acceptable. Demandez aux participants de ne pas parler lorsque des stimuli sont affichés. Parler provoque la tête à se déplacer de haut en bas lors du repos sur le menton et cela diminue la précision de suivi des yeux. Commencez par présenter un petit nombre d’essais pratiques afin que les participants se familiarisés avec le dispositif de suivi oculaire, le contrôleur de réponse (le cas échéant) et le format des stimuli. Avant chaque essai, un point de fixation (souvent appelé point de correction de dérive) est affiché à l’endroit où se trouve le premier mot du texte. Demandez aux participants de fixer le point de correction de la dérive avant chaque essai. Si l’erreur visuelle lors de la correction du point de correction de dérive dépasse l’erreur maximale autorisée (0,5º), le système ne permettra pas à l’essai de commencer. À ce stade, un recalibrage est nécessaire. Cela garantit une trace toujours précise tout au long de l’expérience. Le recalibrage prend généralement moins d’une minute, car le système est déjà configuré pour suivre les yeux des participants. Demandez aux participants s’ils ont des questions après avoir terminé les essais pratiques. Les participants doivent retirer leur tête du repose-front/menton pour poser des questions. L’exactitude du suivi doit être revérifiée après le retour des participants au repos du front ou du menton, car leur tête ne sera pas exactement dans la même position. Cela peut être fait en demandant aux participants de regarder le point de correction de dérive et de comparer la position calculée à la position réelle, qui est affichée sur le moniteur de l’expérimentateur. Pour la majorité des participants, le recalibrage n’est généralement pas nécessaire après le décollage, puis le retour au repos du front ou du menton. Si, à tout moment, les participants doivent faire une pause ou si la qualité de la piste s’est dégradée (généralement en raison du repositionnement des participants dans leur chaise), l’étalonnage doit être vérifié et un recalibrage doit être effectué au besoin. Les participants ont tendance à se détendre sur leur position assise (affaissement) pendant une expérience, ce qui peut modifier l’angle de la tête. Cela peut réduire la précision du suivi et entraîner la nécessité de recalibrer. Inclure de courtes pauses toutes les 15-20 minutes dans des expériences plus longues minimise ce problème. Les participants devraient être débriefés après avoir terminé l’expérience.