Usando movimentos oculares para avaliar os processos cognitivos envolvidos na compreensão de texto

1. Propriedades do Equipamento de Rastreamento de Olhos Os rastreadores oculares variam em relação à forma como os movimentos dos olhos são medidos, com que frequência a posição dos olhos é medida (taxa de amostragem), precisão de determinação da posição ocular, quanto movimento da cabeça é permitido e facilidade de uso. A importância desses fatores varia dependendo do tipo de pesquisa que está sendo realizada e dos participantes sendo testados. Por exemplo, na maioria dos estudos de leitura, é necessária alta precisão para determinar qual palavra está sendo fixada. Como segundo exemplo, a tolerância aos movimentos da cabeça e a facilidade de uso é crucial ao usar as crianças como participantes. A pesquisa descrita aqui foi realizada usando um rastreador de olhos SR Research EyeLink 1000 (SR Research Ltd). Uma imagem do sistema de rastreamento ocular é apresentada na Figura 1. O sistema EyeLink rastreia os movimentos dos olhos medindo mudanças na posição da pupila em uma imagem de vídeo. Isso é feito iluminando uma luz infravermelha dispersa (que não é visível aos participantes) nos olhos dos sujeitos e registrando o reflexo infravermelho (imagem) de um olho (ou ambos os olhos) com uma câmera de vídeo de sensoriamento infravermelho de alta resolução. A fonte de luz infravermelha e a câmera de vídeo estão posicionadas sob o monitor que é usado para exibir os estímulos. A luz infravermelha é usada para evitar reflexos espúrios de luzes de espectro normais. A luz infravermelha produz um ponto brilhante onde a pupila está localizada (as luzes entram na pupila e refletem a retina para iluminar a pupila) e um reflexo na superfície do olho chamado reflexo da córnea. A imagem de vídeo é digitalizada para que os movimentos horizontais e verticais da pupila (o ponto brilhante) no quadro de vídeo possam ser medidos. O reflexo da córnea é um reflexo estacionário que não se move a menos que a cabeça seja movida (por ser um reflexo da superfície do olho, não se move quando os olhos se movem). Medir a reflexão da córnea fornece um meio de distinguir pequenos movimentos da cabeça, que levam ao movimento da reflexão corneal, apenas dos movimentos oculares, que não levam ao movimento da reflexão córnea. Para minimizar os movimentos da cabeça e manter o participante na faixa focal da câmera de vídeo, os participantes colocam suas cabeças em uma testa e descanso no queixo durante a leitura do texto apresentado em um monitor de computador. Várias características críticas dos sistemas de rastreamento ocular são descritas abaixo. Taxa amostral. A taxa de amostragem refere-se a quantas vezes por segunda posição ocular é medida. A taxa de amostragem do sistema EyeLink 1000 é de 1.000 Hz, o que significa que a posição dos olhos é medida 1.000 vezes/seg. As taxas de amostragem comuns são de 1.000 Hz, 500 Hz, 250 Hz e 60 Hz (a taxa de atualização de vídeo/frequência de muitos monitores de computador).Nota: Ao estudar a leitura, o objetivo é medir com precisão a localização e a duração das fixações e saccades. Durante a leitura normal para adultos, as durações de fixação geralmente variam de cerca de 100-800 msec, com a média sendo aproximadamente 250 msec (para leitores em idade universitária). As saccades normalmente variam em duração de cerca de 10-20 msec quando os leitores movem os olhos de uma palavra para outra. Grandes saccades, como mover-se do final de uma linha para o início da próxima linha, podem ser de até 60-80 msec de duração. Taxas de amostragem mais elevadas produzem melhor precisão temporal (também chamada de resolução temporal) ao medir a duração das fixações e saccades. Especificamente, o erro temporal médio será aproximadamente metade da duração do tempo entre as amostras. Por exemplo, uma taxa amostral de 1.000 Hz (posição ocular amostral a cada 1 msec) levará a um erro médio de 0,5 mseg e uma taxa amostral de 60 Hz (posição ocular amostral a cada 16,7 msec) levará a um erro médio de aproximadamente 8 mseg. Um erro de 8 msec pode ser considerado muito grande para estudar a duração de saccades, mas não muito grande para estudar a duração das fixações. Trinta anos atrás, a maioria das pesquisas de leitura foi realizada utilizando rastreadores oculares com taxas de amostragem de 60 Hz. A maioria das pesquisas sobre leitura agora é realizada usando rastreadores oculares capazes de amostragem a 500 Hz ou 1.000 Hz.Durante a leitura, o objetivo é focar ambos os olhos no mesmo local; portanto, a prática comum é registrar movimentos oculares de um olho. Alguns sistemas de rastreamento ocular permitem o rastreamento de ambos os olhos simultaneamente. A vantagem de rastrear ambos os olhos é que o olho com a melhor precisão de rastreamento pode ser selecionado para a análise final. A desvantagem de rastrear ambos os olhos é que a taxa de amostragem é geralmente reduzida por um fator de dois (ou seja, uma taxa de amostragem de 1.000 Hz para um olho é reduzida para 500 Hz ao gravar de ambos os olhos). Precisão. A precisão refere-se ao quão bem o local de fixação calculado corresponde ao local de fixação real. Isso é expresso em graus de ângulo visual (um meio círculo tem 180º de ângulo visual). A precisão média do sistema EyeLink 1000 é de 0,25-0,5º de ângulo visual. Para colocar isso em perspectiva, quando se olha para um monitor de computador 17-20 a uma distância normal de visualização, a largura do monitor cobre 20-30º de ângulo visual.Nota: O grau de precisão necessário depende das metas de pesquisa. Se o objetivo é medir qual caractere em uma linha está fixado, então a precisão da posição do caractere é necessária. Se o objetivo é medir qual palavra em uma linha está fixada, então a precisão da posição da palavra é necessária. Na pesquisa aqui descrita, o texto foi exibido de modo que 3 caracteres equivaleram a aproximadamente 1° de ângulo visual. A medição é de aproximadamente 3 caracteres porque o texto foi exibido em fonte proporcional (ou seja, caracteres diferem em largura, como o caractere i sendo mais estreito que o w). Para obter a precisão da posição do caractere, o rastreador ocular deve determinar o local de fixação a 1/3° (a largura de aproximadamente um caractere) através de uma faixa horizontal de 30° (a largura do visor do computador). Para obter a precisão da posição da palavra, o rastreador de olhos deve determinar o local de fixação dentro de uma faixa de 1° para palavras de 3 caracteres de comprimento. Os rastreadores oculares tendem a ser ligeiramente menos precisos na medição de grandes movimentos verticais dos olhos (por exemplo, movendo-se da parte inferior do display para a parte superior) porque a pupila pode ser parcialmente ocluída pelas tampas dos olhos e cílios oculares. Esse problema pode ser substancialmente reduzido ou eliminado por um duplo espaçamento dos textos, o que torna mais fácil discernir qual linha de texto está sendo lida. Para 17-20 em monitores de computador, o espaçamento duplo produz aproximadamente 2,5° de separação vertical entre linhas, bem dentro da faixa de precisão do EyeLink 1000 e da maioria dos rastreadores oculares da geração atual. Movimento da cabeça. O movimento permitido da cabeça para o sistema EyeLink 1000 é de 25 mm x 25 mm x 10 mm (horizontal x vertical x profundidade). Ou seja, os participantes podem fazer movimentos na cabeça de ± 12,5 mm esquerda/direita, ±12,5 mm para cima/para baixo e ±5 mm dentro/fora da posição da cabeça na qual a calibração inicial (explicada abaixo) foi realizada sem comprometer a precisão. As restrições esquerda/direita e para cima/para baixo são necessárias para manter o olho dentro do campo de visão da câmera de vídeo. A restrição de dentro/para fora é necessária para manter o olho no alcance focal da câmera de vídeo. O uso de uma combinação de descanso entre testa e queixo mantém facilmente os movimentos dentro deste intervalo.Nota: Se forem necessários movimentos maiores da cabeça, como se o display constituísse três monitores lado a lado que exigiam movimentos da cabeça para olhar para cada monitor (como em um simulador de direção), uma versão “montada na cabeça” do rastreador de olhos está disponível que não requer um descanso na testa/queixo. Para o sistema montado na cabeça, as câmeras usadas para rastrear a posição dos olhos são montadas em uma faixa da cabeça ajustável para que os participantes possam mover livremente suas cabeças. Uma câmera separada que aponta para a frente registra a cena sendo vista. Os movimentos dos olhos são determinados em relação à cena que está sendo vista. A desvantagem do sistema montado na cabeça é que a taxa de amostragem é reduzida para 500 Hz (máximo) ou menos, a precisão tende a ser ligeiramente menor porque grandes movimentos da cabeça podem introduzir erro, e os tempos de configuração tendem a ser ligeiramente mais longos porque a posição das câmeras de movimento dos olhos deve ser ajustada para cada participante. O software para operar o rastreador de olhos montado na cabeça é essencialmente idêntico ao EyeLink 1000. Tempo de configuração do sistema. O EyeLink 1000 normalmente pode ser configurado e calibrado em 5 minutos ou menos, o que é típico de rastreadores oculares baseados em vídeo. Este processo é definido ainda na seção de procedimento a seguir. 2. Preparação de estímulos Ao comparar os movimentos oculares para estímulos retirados de duas ou mais condições, os estímulos precisam ser comparados com características que são conhecidas por influenciar os movimentos oculares. Os textos de metáfora usados aqui ilustram várias propriedades importantes que devem ser controladas ao comparar como dois estímulos são lidos. Palavras-chave devem ser combinadas em comprimento médio de palavras (em número de caracteres) e frequência de palavras (normalmente expressas como ocorrências/milhões de palavras) em todas as condições. Isso é fundamental porque a duração da fixação aumenta à medida que a frequência de palavras diminui e a probabilidade de fixar uma palavra aumenta à medida que o comprimento da palavra aumenta10,13. Nas passagens de metáfora, as palavras de conteúdo em metáforas familiares e desconhecidas eram combinadas em comprimento médio de palavras e frequência de palavras. Palavras-chave devem ser apresentadas em posições semelhantes dentro de textos e frases. Isso é importante porque as palavras no final das frases são tipicamente lidas mais devagar do que as palavras anteriores nas frases e os leitores tendem a ler mais rápido à medida que avançam através de uma passagem e, em seguida, desaceleram na última frase11,12. Nas passagens de metáforas, todas as metáforas foram apresentadas no final da terceira frase. Apresentar algumas metáforas no início das frases e outras no final das frases levaria a uma variação nos tempos de leitura não associados às metáforas em si. As frases-chave devem ser aproximadamente combinadas com o comprimento e a estrutura da palavra. Isso é importante porque o comprimento da sentença e a estrutura sintática influenciam o tempo de leitura, o número de fixações e a probabilidade de regressões13. Nas passagens de metáforas, metáforas familiares e desconhecidas tinham o mesmo número de palavras e estrutura (X é um Y). O contexto imediatamente anterior às palavras-chave deve ser aproximadamente equiparado ao número de palavras, formato e dificuldade de processamento. É necessário equiparar contextos entre as condições porque a restrição contextual influencia as durações de fixação das palavras subsequentes1,14. Nas passagens de metáfora, a primeira frase de contexto sempre relacionada à primeira palavra-chave nas metáforas (amor e pescador) e a segunda frase de contexto sempre relacionada à segunda palavra-chave nas metáforas (flor e aranha). Palavras-chave ou frases não devem ser a última palavra ou frase de uma passagem. Isso é importante porque os leitores leem o final de um texto mais lento do que as partes anteriores do texto, que é chamado de efeito de encerramento de passagem12. A adição de uma frase final também permite que o processamento da repercussão seja medido. Spillover refere-se à dificuldade de processamento que leva de uma frase à sentença subsequente. Nas passagens de metáfora, uma frase de conclusão neutra seguiu as metáforas. Se os leitores não entendessem o significado de uma metáfora, eles poderiam passar para a próxima frase esperando pistas sobre o significado da metáfora. Como tal, a sentença de conclusão foi intencionalmente neutra para remover pistas de significado.Embora as propriedades de controle de estímulo tenham sido descritas aqui em termos de metáforas, elas se aplicam à maioria de qualquer estudo de compreensão de texto ou qualquer estudo que manipule estímulos linguísticos. Considere nosso exemplo prévio em que os leitores resolvem problemas matemáticos baseados em palavras que variam em complexidade (por exemplo, alta versus baixa complexidade). Não se gostaria que os problemas de alta complexidade incluíssem palavras mais incomuns (de baixa frequência) do que os problemas de baixa complexidade, porque a complexidade matemática seria confundida com a frequência das palavras. Claro, o objetivo do experimento dita quais características precisam ser controladas. Por exemplo, se o objetivo do experimento é examinar como a estrutura da sentença influencia o processamento, então a estrutura da sentença deve ser manipulada. Para voltar ao nosso experimento de problemas matemáticos, pode-se querer explorar como diferentes estruturas gramaticais influenciam a dificuldade de resolver os problemas. Por exemplo, frases contendo detalhes-chave dos problemas podem ser escritas em voz ativa ou passiva. O padrão de movimentos oculares nessas frases-chave poderia ser medido, bem como a influência na determinação das soluções corretas. 3. Executando o experimento Os participantes devem começar por meio da conclusão de um consentimento informado que descreve o procedimento geral. Pesquisas comportamentais como o experimento descrito aqui são comumente aprovadas pelo IRB (Institutional Research Board) de uma instituição em oposição a um IRB médico, pois o equipamento de rastreamento ocular baseado em vídeo não faz contato com o olho e é aprovado como um dispositivo LED classe 1 que é seguro sob todas as condições. Se os procedimentos de rastreamento ocular forem combinados com procedimentos médicos, como o registro dos movimentos oculares durante a realização de um ressonância magnética, o IRB médico será necessário. Os participantes devem desligar ou silenciar todos os dispositivos eletrônicos que distraem. A altura do encosto do queixo deve ser definida para que o olho que está sendo monitorado esteja aproximadamente centrado no visor de vídeo. Os participantes devem ajustar a altura do assento para que eles sejam capazes de descansar confortavelmente o queixo no encosto do queixo e sua testa contra o descanso da testa. Os participantes tendem a deslizar na cadeira enquanto relaxam, o que tende a puxar a testa para longe do descanso da testa. Isso pode aumentar o erro vertical no registro de rastreamento ocular. Este problema pode ser minimizado certificando-se de que os participantes comecem com os queixos ligeiramente acima da altura do descanso do queixo para que possam descansar o queixo no descanso do queixo. Os participantes devem ser informados de como o rastreador de olhos é ajustado e configurado antes de iniciar o experimento. A exibição de instruções no monitor dá aos participantes a oportunidade de ver como o display se parece antes de iniciar o experimento e ajustar ainda mais sua posição no descanso da testa/queixo, se necessário. Certifique-se de que apenas o olho que está sendo gravado esteja visível no visor da câmera. Isso impedirá que o rastreador “mude” para o outro olho caso os participantes façam um grande movimento na cabeça. Se ambos os olhos estiverem no campo de visão da câmera, a mudança pode ocorrer se os participantes moverem suas cabeças o suficiente para que a imagem do olho que está sendo gravado seja movida para fora do campo de visão da câmera e o outro olho seja movido para a visão da câmera. O rastreador de olhos então “procurará” um novo reflexo pupilo. O rastreador mudará de volta para o olho original quando a cabeça for devolvida à posição inicial, mas a mudança causa uma perda temporária da posição dos olhos. Concentre a câmera (a imagem será mostrada no visor do experimentador). O foco adequado aumenta a capacidade de detectar e rastrear a pupila e a reflexão da córnea. Ajuste o limiar de sensibilidade infravermelha da câmera de vídeo. O sistema EyeLink tem uma função “limiar automático” que define corretamente o limite para a grande maioria dos participantes. Se grandes áreas de reflexão infravermelha forem visíveis perto do olho, o limiar pode ser reduzido manualmente. Neste ponto, o rastreador ocular deve detectar a pupila e a reflexão córnea e começar a rastrear a posição dos olhos (indicada por cruzes sobre a pupila e reflexão corneal). Certifique-se de que a pupila e a reflexão córnea estão sendo rastreadas por toda a superfície do display, fazendo com que os participantes olhem para cada canto do monitor do computador. Se o reflexo pupilo ou da córnea se perder nas bordas do display, inclinar a cabeça do participante movendo a base de descanso do queixo para frente ou para trás geralmente resolve o problema. Para os participantes que usam óculos, as molduras às vezes ocluem parte da imagem de vídeo dos olhos ao olhar para ângulos horizontais ou verticais extremos. Isso só é um problema se a pupila e a reflexão córnea não puderem ser rastreadas por toda a área em que os estímulos serão mostrados. O rastreador ocular pode ser calibrado (descrito a seguir) em uma faixa menor, se necessário, para compensar este problema. Calibração é o processo usado para definir o software de rastreamento ocular para rastrear com precisão os movimentos dos olhos. Isso é feito registrando a posição ocular enquanto os participantes fixam um conjunto de nove pontos de fixação (pontos pretos) exibidos no monitor em locais conhecidos. Os pontos de fixação são apresentados em uma ordem aleatória. O número de pontos de fixação pode ser variado dependendo da quantidade de exibição que os estímulos ocuparão. Se as passagens preencherem a maior parte do display, a calibração deve usar uma formação de 9 pontos (superior esquerdo, centro superior, superior direito, centro-esquerda, centro-direita, centro-esquerda, inferior esquerdo, centro inferior, inferior direito). Se apenas uma linha de texto for apresentada no centro vertical do display, a faixa de calibração poderá ser reduzida à região central do display. Durante a calibração, instrua os participantes a fixar cada ponto até desaparecer e tentar não prever os movimentos do ponto. Se os participantes moverem os olhos na tentativa de prever a próxima localização do ponto, o movimento do ponto pode ser controlado manualmente para garantir que os participantes estejam fixando cada ponto antes que o próximo ponto seja mostrado. Valide a calibração. Durante a validação, os participantes fixam os mesmos nove pontos da calibração. Os locais de fixação calculados são então comparados com os locais de fixação conhecidos para determinar o grau de erro visual nos locais de fixação calculados. Neste ponto, o software exibe informações sobre o grau de erro visual para cada ponto de fixação, o erro médio em todos os pontos e o erro máximo em todos os pontos. Se o erro médio exceder 0,5º do ângulo visual, a configuração do rastreador ocular deve ser verificada e repetido o processo de calibração. O erro médio combina erros verticais e horizontais; portanto, um erro médio aceitável de 0,3º poderia, por exemplo, refletir uma combinação de pequenos erros horizontais e verticais, uma combinação de pequenos erros horizontais (por exemplo, 0,1º) e grandes erros verticais(por exemplo, 0,6º), ou um padrão variado de erros. Consequentemente, os pesquisadores devem examinar o deslocamento horizontal e vertical para cada ponto de calibração e estabelecer um limiar de erro aceitável com base no experimento que está sendo realizado. Por exemplo, se os estímulos são frases de linha única que aparecerão no centro da tela, a precisão vertical é menos importante porque há apenas uma linha de texto. O exemplo anterior de erros horizontais de 0,1º e 0,6º de erros verticais pode ser aceitável para displays de linha única. Ao usar passagens multi-linhas, a precisão vertical e horizontal são críticas. Inicie o experimento após obter uma calibração aceitável. Instrua os participantes a não falar quando os estímulos forem exibidos. Falar faz com que a cabeça se mova para cima e para baixo quando descansa no descanso do queixo e isso diminui a precisão do rastreamento dos olhos. Comece apresentando um pequeno número de ensaios práticos para que os participantes se conscantem com o rastreador de olhos, controlador de resposta (se usado) e o formato dos estímulos. Antes de cada ensaio, um ponto de fixação (muitas vezes chamado de ponto de correção de deriva) é exibido onde a primeira palavra do texto será localizada. Instrua os participantes a fixar o ponto de correção de deriva antes de cada ensaio. Se o erro visual ao fixar o ponto de correção de deriva exceder o erro máximo permitido (0,5º), o sistema não permitirá que o ensaio comece. Neste ponto é necessária a recalibração. Isso garante uma trilha consistentemente precisa durante todo o experimento. A recalibração normalmente leva menos de um minuto porque o sistema já está definido para rastrear os olhos dos participantes. Pergunte aos participantes se eles têm alguma dúvida após a conclusão dos ensaios práticos. Os participantes precisam tirar a cabeça do descanso da testa/queixo para fazer perguntas. A precisão do rastreamento deve ser recheada após o retorno dos participantes à testa/queixo, pois suas cabeças não estarão exatamente na mesma posição. Isso pode ser feito fazendo com que os participantes olhem para o ponto de correção de deriva e comparando a posição calculada com a posição real, que é exibida no monitor do experimentador. Para a maioria dos participantes, a recalibração normalmente não é necessária depois de sair e, em seguida, retornar ao descanso da testa/queixo. Se em algum momento os participantes precisarem fazer uma pausa ou a qualidade da pista tiver se degradado (geralmente devido ao reposicionamento dos participantes em sua cadeira), a calibração deve ser verificada e a recalibração realizada conforme necessário. Os participantes tendem a relaxar suas posições de assento (desleixo) durante um experimento, que pode mudar o ângulo da cabeça. Isso pode reduzir a precisão de rastreamento e levar à necessidade de recalibrar. Incluir pausas curtas a cada 15-20 minutos em experimentos mais longos minimiza esse problema. Os participantes devem ser interrogados após a conclusão do experimento.