Uso de movimientos oculares para evaluar los procesos cognitivos involucrados en la comprensión de texto

1. Propiedades del equipo de seguimiento ocular Los rastreadores oculares varían con respecto a cómo se miden los movimientos oculares, la frecuencia con la que se mide la posición del ojo (tasa de muestreo), la precisión de la determinación de la posición del ojo, la cantidad de movimiento de la cabeza permitida y la facilidad de uso. La importancia de estos factores varía dependiendo del tipo de investigación que se realiza y de los participantes que se están probando. Por ejemplo, en la mayoría de los estudios de lectura, se necesita una alta precisión para determinar qué palabra se está fijando. Como segundo ejemplo, la tolerancia de los movimientos de la cabeza y la facilidad de uso es crucial cuando se utiliza a los niños como participantes. La investigación descrita aquí se llevó a cabo utilizando un rastreador ocular SR Research EyeLink 1000 (SR Research Ltd). Una imagen del sistema de seguimiento ocular se presenta en la Figura 1. El sistema EyeLink realiza un seguimiento de los movimientos oculares midiendo los cambios en la posición de la pupila en una imagen de vídeo. Esto se hace iluminando una luz infrarroja dispersa (que no es visible para los participantes) en los ojos de los sujetos y registrando la reflexión infrarroja (imagen) de un ojo (o ambos ojos) con una cámara de video de detección infrarroja de alta resolución. La fuente de luz infrarroja y la cámara de vídeo se colocan debajo del monitor que se utiliza para mostrar los estímulos. La luz infrarroja se utiliza para evitar reflejos espurios de las luces del espectro normal. La luz infrarroja produce un punto brillante donde se encuentra la pupila (las luces entran en la pupila y se reflejan en la retina para iluminar la pupila) y un reflejo preciso en la superficie del ojo llamado reflexión corneal. La imagen de vídeo se digitaliza para que se puedan medir los movimientos horizontales y verticales de la pupila (el punto brillante) en el fotograma de vídeo. El reflejo corneal es un reflejo estacionario que no se mueve a menos que se mueva la cabeza (porque es un reflejo de la superficie del ojo, no se mueve cuando los ojos se mueven). La medición de la reflexión corneal proporciona un medio para distinguir los pequeños movimientos de la cabeza, que conducen al movimiento de la reflexión corneal, de los movimientos oculares solos, que no conducen al movimiento de la reflexión corneal. Para minimizar los movimientos de la cabeza y mantener al participante en el rango focal de la cámara de video, los participantes colocan sus cabezas en una frente y mentón mientras leen el texto presentado en un monitor de computadora. A continuación se describen varias características críticas de los sistemas de seguimiento ocular. Frecuencia de muestreo. La frecuencia de muestreo se refiere a cuántas veces se mide la posición del ojo por segundo. La frecuencia de muestreo para el sistema EyeLink 1000 es de 1.000 Hz, lo que significa que la posición del ojo se mide 1.000 veces por segundo. Las velocidades de muestreo comunes son 1.000 Hz, 500 Hz, 250 Hz y 60 Hz (la frecuencia/frecuencia de actualización de vídeo de muchos monitores de ordenador).Nota: Al estudiar la lectura, el objetivo es medir con precisión la ubicación y la duración de las fijaciones y saccades. Durante la lectura normal de los adultos, las duraciones de fijación varían típicamente de aproximadamente 100-800 milisegundos, con el promedio de aproximadamente 250 milisegundos (para los lectores en edad universitaria). Los saccades típicamente varían en duración de aproximadamente 10-20 milisegundos cuando los lectores mueven sus ojos de una palabra a la siguiente. Los saccades muy grandes, como moverse del final de una línea al principio de la siguiente línea, pueden ser tan largos como 60-80 milisegundos de duración. Las tasas de muestreo más altas producen una mejor precisión temporal (también llamada resolución temporal) al medir la duración de las fijaciones y saccades. En concreto, el error temporal medio será aproximadamente la mitad de la duración del tiempo entre muestras. Por ejemplo, una velocidad de muestreo de 1.000 Hz (posición del ojo de muestreo cada 1 milisegundo) dará lugar a un error medio de 0,5 milisegundos y una velocidad de muestreo de 60 Hz (posición del ojo de muestreo cada 16,7 milisegundos) dará lugar a un error medio de aproximadamente 8 milisegundos. Un error de 8 milisegundos podría considerarse demasiado grande para estudiar la duración de las saccades, pero no demasiado grande para estudiar la duración de las fijaciones. Hace treinta años, la mayoría de las investigaciones de lectura se llevaban a cabo utilizando rastreadores oculares con tasas de muestreo de 60 Hz. La mayoría de las investigaciones sobre la lectura se realizan ahora utilizando rastreadores oculares capaces de tomar muestras a 500 Hz o 1.000 Hz.Durante la lectura, el objetivo es enfocar ambos ojos en la misma ubicación; por lo tanto, la práctica común es registrar los movimientos oculares de un ojo. Algunos sistemas de seguimiento ocular permiten el seguimiento de ambos ojos simultáneamente. La ventaja de rastrear ambos ojos es que el ojo con la mejor precisión de seguimiento se puede seleccionar para el análisis final. La desventaja de rastrear ambos ojos es que la velocidad de muestreo generalmente se reduce en un factor de dos (esdecir, una tasa de muestreo de 1,000 Hz para un ojo se reduce a 500 Hz cuando se graba desde ambos ojos). Precisión. La precisión se refiere a la medida en que la ubicación de fijación calculada coincide con la ubicación de fijación real. Esto se expresa en grados de ángulo visual (un semicírculo tiene 180º de ángulo visual). La precisión media del sistema EyeLink 1000 es de 0,25-0,5º de ángulo visual. Para poner esto en perspectiva, al mirar un monitor de computadora de 17-20 pulgadas a una distancia de visualización normal, el ancho del monitor cubre 20-30º de ángulo visual.Nota: El grado de precisión necesario depende de los objetivos de la investigación. Si el objetivo es medir qué carácter de una línea está fijado, entonces se necesita precisión en la posición del carácter. Si el objetivo es medir qué palabra de una línea está obsesionada, entonces se necesita precisión en la posición de la palabra. En la investigación descrita aquí, el texto se mostró de modo que 3 caracteres equivalían aproximadamente a 1° de ángulo visual. La medida es de aproximadamente 3 caracteres porque el texto se mostró en fuente proporcional(es decir, los caracteres diferían en ancho, como que el carácter i fuera más estrecho que el w). Para obtener la precisión de la posición del carácter, el rastreador ocular debe determinar la ubicación de fijación a 1/3° (el ancho de aproximadamente un carácter) a través de un rango horizontal de 30° (el ancho de la pantalla de la computadora). Para obtener la precisión de la posición de la palabra, el rastreador ocular debe determinar la ubicación de fijación dentro de un rango de 1 ° para palabras de 3 caracteres de longitud. Los rastreadores oculares tienden a ser ligeramente menos precisos para medir los grandes movimientos verticales de los ojos(por ejemplo, moverse de la parte inferior de la pantalla a la parte superior) porque la pupila puede estar parcialmente ocluida por los párpados y las pestañas de los ojos. Este problema se puede reducir o eliminar sustancialmente mediante el doble espaciado de los textos, lo que facilita discernir qué línea de texto se está leyendo. Para 17-20 en monitores de computadora, el doble espaciado produce aproximadamente 2.5° de separación vertical entre líneas, dentro del rango de precisión del EyeLink 1000 y la mayoría de los rastreadores oculares de la generación actual. Movimiento de la cabeza. El movimiento de cabeza permitido para el sistema EyeLink 1000 es de 25 mm x 25 mm x 10 mm (horizontal x vertical x profundidad). Es decir, los participantes pueden hacer movimientos de la cabeza de ±12,5 mm izquierda/derecha, ±12,5 mm arriba/abajo y ±5 mm de pulgada/salida desde la posición de la cabeza en la que se realizó la calibración inicial (explicada a continuación) sin comprometer la precisión. Las restricciones izquierda/derecha y arriba/abajo son necesarias para mantener el ojo dentro del campo de visión de la cámara de vídeo. La restricción de in/out es necesaria para mantener el ojo en el rango focal de la cámara de video. El uso de una combinación de frente / mentón resto fácilmente mantiene los movimientos dentro de este rango.Nota: Si se necesitan movimientos de cabeza más grandes, como si la pantalla consistiera en tres monitores uno al lado del otro que requirieran movimientos de la cabeza para mirar cada monitor (como en un simulador de conducción), está disponible una versión “montada en la cabeza” del rastreador ocular que no requiere un descanso de la frente / barbilla. Para el sistema montado en la cabeza, las cámaras utilizadas para rastrear la posición de los ojos están montadas en una diadema ajustable para que los participantes puedan mover libremente sus cabezas. Una cámara independiente que apunta hacia adelante graba la escena que se está viendo. Los movimientos oculares se determinan en relación con la escena que se está viendo. El inconveniente del sistema montado en la cabeza es que la velocidad de muestreo se reduce a 500 Hz (máximo) o menos, la precisión tiende a ser ligeramente menor porque los movimientos grandes de la cabeza pueden introducir errores, y los tiempos de configuración tienden a ser ligeramente más largos porque la posición de las cámaras de movimiento ocular debe ajustarse para cada participante. El software para operar el rastreador ocular montado en la cabeza es esencialmente idéntico al EyeLink 1000. Tiempo de configuración del sistema. El EyeLink 1000 normalmente se puede configurar y calibrar en 5 minutos o menos, lo que es típico de los rastreadores oculares basados en video. Este proceso se define con más de fondo en la siguiente sección de procedimientos. 2. Preparación de estímulos Al comparar los movimientos oculares para los estímulos tomados de dos o más condiciones, los estímulos deben coincidir con las características que se sabe que influyen en los movimientos oculares. Los textos de metáfora utilizados aquí ilustran varias propiedades importantes que deben controlarse al comparar cómo se leen dos estímulos. Las palabras clave deben coincidir en la longitud media de las palabras (en número de caracteres) y la frecuencia de las palabras (normalmente expresada como apariciones/millón de palabras) en todas las condiciones. Esto es crítico porque la duración de la fijación aumenta a medida que disminuye la frecuencia de las palabras y la probabilidad de fijar una palabra aumenta a medida que aumenta la longitud de la palabra10,13. En los pasajes de la metáfora, las palabras de contenido en metáforas familiares y desconocidas se emparejaron en la longitud promedio de las palabras y la frecuencia de las palabras. Las palabras clave deben presentarse en posiciones similares dentro de los textos y las oraciones. Esto es importante porque las palabras al final de las oraciones se leen típicamente más lentamente que las palabras anteriores en las oraciones y los lectores tienden a leer más rápido a medida que avanzan a través de un pasaje y luego ralentizan la última oración11,12. En los pasajes de metáforas, todas las metáforas se presentaron al final de la tercera oración. Presentar algunas metáforas al principio de las oraciones y otras al final de las oraciones conduciría a una variación en los tiempos de lectura no asociados con las metáforas en sí mismas. Las frases clave deben coincidir aproximadamente en la longitud y la estructura de las palabras. Esto es importante porque la longitud de la oración y la estructura sintáctica influyen en el tiempo de lectura, el número de fijaciones y la probabilidad de regresiones13. En los pasajes de metáforas, las metáforas familiares y desconocidas tenían el mismo número de palabras y estructura (X es una Y). El contexto inmediatamente anterior a las palabras clave debe equipararse aproximadamente en el número de palabras, el formato y la dificultad de procesamiento. La equiparación de contextos entre condiciones es necesaria porque la restricción contextual influye en las duraciones de fijación para las palabras subsiguientes1,14. En los pasajes de metáfora, la primera oración de contexto siempre se relaciona con la primera palabra clave en las metáforas(amor y pescador)y la segunda oración de contexto siempre relacionada con la segunda palabra clave en las metáforas(flor y araña). Las palabras o frases clave no deben ser la última palabra o frase de un pasaje. Esto es importante porque los lectores leen el final de un texto más lentamente que las partes anteriores del texto, lo que se denomina efecto de conclusión del pasaje12. La adición de una oración final también permite medir el derrame de procesamiento. El derrame se refiere a la dificultad de procesamiento que se traslada de una oración a la oración subsiguiente. En los pasajes de la metáfora, una oración neutral de la conclusión siguió a las metáforas. Si los lectores no entendían el significado de una metáfora, podrían pasar a la siguiente oración con la esperanza de obtener señales sobre el significado de la metáfora. Como tal, la oración de conclusión fue intencionalmente neutral para eliminar las señales de significado.Aunque las propiedades de control de estímulos se describieron aquí en términos de metáforas, se aplican a la mayoría de los estudios de comprensión de textos o cualquier estudio que manipule estímulos lingüísticos. Considere nuestro ejemplo anterior en el que los lectores resuelven problemas matemáticos basados en palabras que varían en complejidad(por ejemplo, alta frente a baja complejidad). Uno no querría que los problemas de alta complejidad incluyeran palabras más infrecuentes (muy baja frecuencia) que los problemas de baja complejidad porque la complejidad matemática se confundiría con la frecuencia de las palabras. Por supuesto, el objetivo del experimento dicta qué características deben controlarse. Por ejemplo, si el objetivo del experimento es examinar cómo la estructura de la oración influye en el procesamiento, entonces la estructura de la oración debe ser manipulada. Para volver a nuestro experimento de problemas matemáticos, uno podría querer explorar cómo las diferentes estructuras gramaticales influyen en la dificultad de resolver los problemas. Por ejemplo, las oraciones que contienen detalles clave de los problemas podrían escribirse en voz activa o pasiva. El patrón de movimientos oculares en estas oraciones clave podría medirse, así como la influencia en la determinación de las soluciones correctas. 3. Ejecutar el experimento Los participantes deben comenzar por completar un consentimiento informado que describa el procedimiento general. La investigación del comportamiento, como el experimento descrito aquí, es comúnmente aprobada por el IRB (Junta de Investigación Institucional) del comportamiento de una institución en lugar de un IRB médico porque el equipo de seguimiento ocular basado en video no hace contacto con el ojo y está aprobado como un dispositivo LED de Clase 1 que es seguro bajo todas las condiciones. Si los procedimientos de seguimiento ocular se combinan con procedimientos médicos, como el registro de los movimientos oculares mientras se somete a una fMRI, será necesario el IRB médico. Los participantes deben apagar o silenciar todos los dispositivos electrónicos que distraigan. La altura del barbijo debe ajustarse de modo que el ojo que se está monitoreando esté más o menos centrado en la pantalla de video. Los participantes deben ajustar la altura del asiento para que puedan apoyar cómodamente su barbilla en el reposacabezas y su frente contra el resto de la frente. Los participantes tienden a agacharse en la silla mientras se relajan, lo que tiende a alejar su frente del resto de la frente. Esto puede aumentar el error vertical en el registro de seguimiento ocular. Este problema se puede minimizar asegurándose de que los participantes comiencen con sus barbillas ligeramente por encima de la altura del resto de la barbilla para que puedan descansar su barbilla en el resto de la barbilla. Se debe decir a los participantes cómo se ajusta y configura el rastreador ocular antes de comenzar el experimento. Mostrar instrucciones en el monitor les da a los participantes la oportunidad de ver cómo se ve la pantalla antes de comenzar el experimento y ajustar aún más su posición en el descanso de la frente / barbilla si es necesario. Asegúrese de que solo ese ojo que se está grabando sea visible en la pantalla de la cámara. Esto evitará que el rastreador se “desplace” hacia el otro ojo en caso de que los participantes hagan un gran movimiento de la cabeza. Si ambos ojos están en el campo de visión de la cámara, puede ocurrir un cambio si los participantes mueven sus cabezas lo suficientemente lejos como para que la imagen del ojo que se está grabando se mueva fuera del campo de visión de la cámara y el otro ojo se mueva a la vista de la cámara. El rastreador ocular luego “buscará” un nuevo reflejo de la pupila. El rastreador volverá al ojo original cuando la cabeza vuelva a la posición inicial, pero el cambio causa una pérdida temporal de la posición del ojo. Enfoque la cámara (la imagen se mostrará en la pantalla del experimentador). El enfoque adecuado aumenta la capacidad de detectar y rastrear la pupila y el reflejo corneal. Ajuste el umbral de sensibilidad infrarroja de la cámara de vídeo. El sistema EyeLink tiene una función de “umbral automático” que establece correctamente el umbral para la gran mayoría de los participantes. Si grandes áreas de reflexión infrarroja son visibles cerca del ojo, el umbral se puede reducir manualmente. En este punto, el rastreador ocular debe detectar la reflexión de la pupila y la córnea y comenzar a rastrear la posición del ojo (indicada por cruces sobre la pupila y la reflexión corneal). Asegúrese de que la pupila y el reflejo de la córnea se están rastreando en toda la superficie de la pantalla haciendo que los participantes miren cada esquina del monitor de la computadora. Si la pupila o el reflejo corneal se pierde en los bordes de la pantalla, inclinar la cabeza del participante moviendo la base de reposo de la barbilla hacia adelante o hacia atrás generalmente resuelve el problema. Para los participantes que usan gafas, los marcos a veces ocluyen parte de la imagen de video de los ojos cuando se observan ángulos horizontales o verticales extremos. Esto es sólo un problema si la pupila y la reflexión corneal no se pueden rastrear a través de toda el área en la que se mostrarán los estímulos. El rastreador ocular se puede calibrar (describir a continuación) en un rango más pequeño si es necesario para compensar este problema. La calibración es el proceso utilizado para configurar el software de seguimiento ocular para rastrear con precisión los movimientos oculares. Esto se hace mediante la grabación de la posición del ojo mientras los participantes fijan un conjunto de nueve puntos de fijación (puntos negros) que se muestran en el monitor en lugares conocidos. Los puntos de fijación se presentan en un orden aleatorio. El número de puntos de fijación se puede variar dependiendo de la cantidad de la pantalla que ocuparán los estímulos. Si los pasajes llenan la mayor parte de la pantalla, la calibración debe usar una formación de 9 puntos (arriba a la izquierda, arriba al centro, arriba a la derecha, centro medio, centro medio, derecha, abajo a la izquierda, abajo centro, abajo a la derecha). Si sólo se presenta una línea de texto en el centro vertical de la pantalla, el rango de calibración puede reducirse a la región central de la pantalla. Durante la calibración, instruya a los participantes a fijar cada punto hasta que desaparezca y trate de no predecir los movimientos del punto. Si los participantes mueven sus ojos en un intento de predecir la siguiente ubicación del punto, el movimiento del punto se puede controlar manualmente para asegurarse de que los participantes estén fijando cada punto antes de que se muestre el siguiente punto. Valide la calibración. Durante la validación, los participantes fijan los mismos nueve puntos que durante la calibración. A continuación, las ubicaciones de fijación calculadas se comparan con las ubicaciones de fijación conocidas para determinar el grado de error visual en las ubicaciones de fijación calculadas. En este punto, el software muestra información sobre el grado de error visual para cada punto de fijación, el error promedio en todos los puntos y el error máximo en todos los puntos. Si el error medio supera los 0,5º de ángulo visual, se debe comprobar la configuración del eye tracker y repetir el proceso de calibración. El error promedio combina errores verticales y horizontales; por lo tanto, un error medio aceptable de 0,3º podría, por ejemplo, reflejar una combinación de pequeños errores horizontales y verticales, una combinación de pequeños errores horizontales(por ejemplo, 0,1º) y grandes errores verticales(por ejemplo, 0,6º), o un patrón variable de errores. En consecuencia, los investigadores deben examinar el desplazamiento horizontal y vertical de cada punto de calibración y establecer un umbral de error aceptable basado en el experimento que se está realizando. Por ejemplo, si los estímulos son oraciones de una sola línea que aparecerán en el centro de la pantalla, la precisión vertical es menos importante porque solo hay una línea de texto. El ejemplo anterior de errores horizontales de 0,1º y 0,6º de errores verticales podría ser aceptable para pantallas de una sola línea. Cuando se utilizan pasajes multilín, la precisión vertical y horizontal son críticas. Comience el experimento después de obtener una calibración aceptable. Instruya a los participantes a no hablar cuando se muestren estímulos. Hablar hace que la cabeza se mueva hacia arriba y hacia abajo cuando descansa sobre el resto de la barbilla y esto disminuye la precisión del seguimiento ocular. Comience presentando un pequeño número de ensayos de práctica para que los participantes se sientan cómodos con el rastreador ocular, el controlador de respuesta (si se usa) y el formato de los estímulos. Antes de cada ensayo, se muestra un punto de fijación (a menudo denominado punto de corrección de deriva) donde se ubicará la primera palabra del texto. Instruya a los participantes a fijar el punto de corrección de deriva antes de cada ensayo. Si el error visual al fijar el punto de corrección de deriva supera el error máximo permitido (0,5º), el sistema no permitirá que comience la prueba. En este punto es necesaria la recalibración. Esto garantiza una pista consistentemente precisa a lo largo del experimento. La recalibración suele tardar menos de un minuto porque el sistema ya está configurado para rastrear los ojos de los participantes. Pregunte a los participantes si tienen alguna pregunta después de completar los ensayos de práctica. Los participantes deben quitarse la cabeza del resto de la frente/barbilla para hacer preguntas. La precisión del seguimiento debe volver a verificarse después de que los participantes regresen al descanso de la frente / barbilla porque sus cabezas no estarán exactamente en la misma posición. Esto se puede hacer haciendo que los participantes miren el punto de corrección de deriva y comparen la posición calculada con la posición real, que se muestra en el monitor del experimentador. Para la mayoría de los participantes, la recalibración generalmente no es necesaria después de salir y luego regresar al descanso de la frente / barbilla. Si en algún momento los participantes necesitan tomar un descanso o la calidad de la pista se ha degradado (generalmente debido a que los participantes se reposicionan en su silla), se debe verificar la calibración y realizar la recalibración según sea necesario. Los participantes tienden a relajar sus posiciones de asiento (slouch) durante un experimento, lo que puede cambiar el ángulo de la cabeza. Esto puede reducir la precisión del seguimiento y conducir a la necesidad de recalibrar. Incluir descansos cortos cada 15-20 minutos en experimentos más largos minimiza este problema. Los participantes deben ser interrogados después de completar el experimento.