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Why you should look where you are going

是否需要頭部和眼睛運動資訊來辨別從視覺運動資訊出發的運動方向是有爭議的。 我們提出了一種基於主動凝視和視網膜流動的新的轉向理論,它表明未來的路徑可以使用視覺皮層神經元的已知特性進行判斷,而無需恢復當前的航向或整合視網膜外訊號。 該理論與先進駕駛教學中提出的凝視取樣行為一致。

在具有穩定凝視的地平面上的運動產生可以指示航向的徑向流動模式(圖1a,黑色向量)。 如果觀察者在地平面上掃過凝視,那麼眼睛相對於身體的旋轉會產生與整個身體圍繞彎曲路徑旋轉所產生的相同的視網膜流動(圖1a,藍色)。 有強有力的證據表明視網膜外資訊對於在這樣的凝視掃描期間辨別航向是必要的。然而,持續的凝視掃描並不常見,並且在運動期間更一般的凝視行為是固定前方道路上的點。 高階駕駛手冊推薦將彎道周圍的注視引導到預定路徑上的點的策略,並建議轉向然後自然地朝著注視點前進。

如果觀察者固定基準特徵,則該物件保持在中央凹上,並且流動以該特徵為中心(圖1c)。在固定被控制的實驗室任務中,觀察者可能會將這種模式誤認為彎曲的軌跡,但是固定的定心效果使其與圖1a(藍色)不同,並且在自然環境中不應出現混淆。任何運動常規地固定其環境特徵的動物應該認識到,只有當動物不在朝向標誌的路徑上時才會出現這種彎曲的流場(圖1c),並且流動曲率的程度表示路徑偏心。如果觀察者將轉向調整到將通過門的彎曲路徑,但固定兩極之間的地面,則流線是直的,並且從觀察者的未來路徑不對稱地向外移動(圖1b)。如果觀察者過度轉向使得所產生的路徑將通過門前,那麼這反映在流動曲率的變化中(圖1d)。因此,有一種簡單的啟發式方法可以避免先前爭論的問題,並允許動物與移動凝視僅使用視網膜血流引導至目標。 (i)在預期路徑附近的環境中修復特徵。 (ii)如果偏心到固定點,則地面元素的視覺軌跡將是彎曲的,並且曲率方向與轉向誤差的方向相反。 (iii)如果可以將軌跡直接重新定向到目標,則具有直線流動線的徑向模式(圖1a,黑色)將指示當前路徑何時通向固定特徵。 (iv)在更一般的情況下,如果對轉彎有限制,那麼將擷取固定特徵的恆定曲率路徑將導致具有直線流動線的不對稱圖案(圖1band2)。 (v)一旦滿足(iii)或(iv),未來路徑由在視網膜影象內以零梯度(純垂直)流動移動的點指示

使用凝視引導轉向並不排除瞥到其他路邊特徵,但建議駕駛員應該反覆凝視回到預定路徑以檢查轉向線,而不是試圖在凝視偏離路徑時判斷航向。在具有變化曲率的道路上,可以通過在道路曲率改變時向前移動凝視來實現有效轉向,從而劃分不同的路徑段。監測(ii)檢測轉向不足和過度轉向不需要精確估計流場的加速度分量。視覺系統僅需要檢測靠近路徑的顯著元件和該變化的標稱方向的運動方向是否有任何變化。外部區域MT中的細胞對視覺方向10敏感,並且可以在區域MST中組合以對不同的流動模式11具有選擇性。可以通過定向調諧的MT神經元的相對激發速率的變化,或通過MT輸出的彙集來檢測流動方向的變化,以評估從路徑突出的深度有序點是否表現出共線運動。無論檢測手段如何,注意到運動方向的變化對於許多工中的有效視覺控制至關重要。有補充的證據表明瞬時航向可以從一階速度流場12判斷,但精確的轉向需要有關速度流向量的變化率。

在(iii)和(iv)中,流線是直的並且從垂直投影的未來路徑向外移動。 點(v)意味著,當調整轉向以匹配彎曲的曲率時,從駕駛員車輛下方到彎曲消失點的恆定曲率線將不會在視網膜影象上產生橫向運動。 因此,“讀取線”的感知可能等同於整個軌跡中由道路上的相同點刺激的垂直調諧的MT神經元,而對於轉向誤差,垂直流線在地面上斷開,表明轉向不足或轉向過度。

J·J吉布森的開創性論文強調了諸如轉向和瞄準等任務。最近,觀察者需要通過限制固定來判斷線性航向的任務占主導地位,這可能導致研究人員誤入歧途,研究人類或動物如何判斷運動方向。強調判斷路徑而不是判斷航向簡化了運動動物的問題,並返回到Gibson的原始主題,即光流提供足夠的資訊來指導運動。在自然環境中不應出現航向,凝視運動和彎曲軌跡9之間的混淆。針對轉向目標的凝視可以產生足夠的資訊來判斷當前路徑,而不會分解視網膜流以恢復切向前導或整合視網膜外資訊。視網膜外視線資訊可以偏向運動方向(B.J.Rogers&C.Dolton,Invest.Ophthal.Vis.Sci.40,S764,1999),並且高速有效轉向可以使用兩種型別的資訊。然而,我們的模型表明,不需要有關凝視方向的資訊來預測判斷轉向路徑。這種方法與推薦和觀察到的凝視模式一致,並且在某種程度上解釋了為什麼我們看起來在哪裡轉向以及為什麼我們轉向我們所看到的位置。