stanners, coulter, sweet, murphy: the pupillary response an indicator of cognition and arousal

Stanners, Coulter, Sweet, Murphy: The Pupillary Response an Indicator of Cognition and Arousal

Timo Partala

14.11.2000

TampereUniversityComputerHumanInteractionGroup

14.11.2000

The Pupillary Response as an Indicator of Arousal and Cognition

Esityksen sisältö

• Johdanto (7 kalvoa)

• Koe 1 (9 kalvoa)

• Koe 2 (10 kalvoa)

• Keskustelu (1 kalvo)

• Oma arvio (3 kalvoa)

1

14.11.2000


Johdanto

• Artikkeli käsittelee kysymystä, kuvastavatko muutokset pupillin koossa kognitiivista kuormaa vai vireystilan muutoksia

• Artikkelissa kuvataan kaksi laajamittaista koetta aiheesta

2

14.11.2000


Johdanto

• Artikkeli sisältää johdannon, joka esittelee edeltävän tutkimuksen aihepiiristä

• Vaikka artikkeli on tehty vuonna 1979, johdanto on silti pätevä nykypäivänäkin, sillä suurin osa tutkimuksesta on 1960 tai 1970-luvuilta

3

14.11.2000


Johdanto

• Pupillin vasteita on alettu systemaattisesti tutkia 1960-luvulla

• Siitä lähtien on ollut kaksi kilpailevaa tulkintaa siitä, mikä aiheuttaa muutokset pupillin koossa

• Toinen tulkinta katsoo pupillin koon muutosten johtuvan vireystilan muutoksista ja toinen tulkinta pupillin koko kuvastaa kognitiivisen aktiviteetin tasoa

4

14.11.2000


Johdanto

• Määritelmä (Kahneman & Peavler, 1969):

”Vireystilaa pidetään usein automaattisena reaktiona merkityksellisiin tai läpitunkeviin ärsykkeisiin, kun taas (kognitiivinen) prosessointikuorma viittaa sellaisten aktiviteettien vaatimuksiin, joihin henkilö usein vapaaehtoisesti osallistuu.”

5

14.11.2000


Johdanto

• Molempien tulkintojen tukena on olemassa fysiologisia todisteita

• Hypothalamuksen tuhoaminen vähensi pupillin laajenemista, mikä tukee vireystilatulkintaa

• Toisaalta aivokuoren poistaminen eläimiltä saa aikaan poikkeuksellisen laajenneet pupillit, mikä tukee kognitiivista tulkintaa

6

14.11.2000


Johdanto

• Kirjoittajien mukaan suuressa osassa olemassa olevasta tutkimuksesta voidaan tulkita pupillin koon muutosten aiheutuneen sekä kognitiivisen kuorman että vireystilan muutoksista

• Esim. Hessin & Poltin (1964) kokeissa pupillin koko suureni kertolaskutehtävien jälkeen

7

14.11.2000


Johdanto

• On kuitenkin olemassa kokeita, jotka ovat yksiselitteisemmin tulkittavissa

• Esim. Kahneman ja Beatty (1966) näyttivät koehenkilöille numeroja tai sanoja sarjoissa sekunnin välein, joita koehenkilöt sitten muistelivat. Tälloin tehtävän vaikeustaso oli muistamisvaiheessa jo selvillä

• Koe tuki kognitiivista tulkintaa

8

14.11.2000


Koe 1

• Edeltävän tutkimuksen perusteella kirjoittajat olettivat että pupillin kokoon vaikuttavat sekä kognitiiviset tekijät että vireystila

• Kokeessa 1 yritettiin pitää kognitiivinen prosessointi vakiona, kun taas vireystilaan liittyviä tekijöitä vaihdeltiin

9

14.11.2000


Koe 1

• Ensimmäinen muuttuja oli koehenkilöiden käärmeiden pelko

• Toinen muuttuja oli koetilanteessa aiheutettavan pelon aste

• Kolmantena oli olemassa myös kontrollikonditio, jossa sana käärme oli korvattu neutraalilla sanalla

10

14.11.2000


Koe 1: Menetelmä

• Koehenkilöitä oli aluksi 57 (kaikki naisia)

• Koehenkilöt jaettiin Wolpe Discomfort Indexiä käyttäen kolmeen kahdeksan hengen ryhmään (korkea käärmeenpelko, keskimääräinen käärmeenpelko ja matala käärmeenpelko).

11

14.11.2000


Koe 1: Menetelmä

• Koehenkilöt kuulivat kuulokkeista kuvailun kohtaamisesta käärmeen kanssa eri etäisyyksillä (esim. tien toisella puolella, vatsan päällä)

• Kun kuvailu loppui, koehenkilöille annettiin käsky kuvitella kohtaus niin elävästi kuin mahdollista

• Kuvittelun jälkeen koehenkilöt arvioivat 7 pisteen skaalalla, kuinka suurta pelkoa kuvittelu oli aiheuttanut, ja kuinka elävästi he olivat pystyneet kuvittelemaan kohtauksen

• Behavioraalinen testaus

12

14.11.2000


Koe 1: Menetelmä

• Pupillin mittamiseen käytetty järjestelmä oli sama kuin Hessillä (1965)

• Pupillin koosta otettiin kaksi valokuvaa sekunnissa infrapunafilmille

• Järjestelmällä päästiin 0.1 mm tarkkuuteen pupillin koon mittaamisessa

13

14.11.2000


Koe 1: Data-analyysi

• Datalle tehtiin viisisuuntainen varianssianalyysi, jossa mukana olivat seuraavat muuttujat:

• pelkoryhmä

• käärmeen läheisyys kertomuksessa

• kontrollikohtaus / vastenmielinen kohtaus

• aika

• jakso (kuvailu / kuvittelu)

14

14.11.2000


Koe 1: Tulokset

• Merkittävästi pupillin kokoon vaikuttivat aika (p<0.001) ja jakso (p<0.05) sekä niiden yhteisvaikutus (p<0.05)

• Kun kumpaakin jaksoa tarkasteltiin erikseen, aika oli ainoa pupillin kokoon vaikuttava muuttuja

• Mikään vireystilaan oletettavasti vaikuttavista muuttujista ei saanut aikaan merkitseviä muutoksia pupillin koossa

15

14.11.2000


Koe 1: Tulokset

• Koehenkilöiden subjektiivisen pelon arviot erosivat toisistaan merkitsevästi pelkoryhmän (p<0.05), kohtauksen pelkotason (p<0.001) ja kohtaustyypin (p<0.001) välillä.

• Behavioraalinen testaus: korkeapelkoiset eivät uskaltaneet koskea käärmettä, keskimääräisen pelokkaista kolme koski ja matalapelkoisista kuusi koski käärmettä

16

14.11.2000


Koe 1: Keskustelu

• Kokeen tulokset tukevat kognitiivista tulkintaa, sillä vireystilaan oletettavasti vaikuttaneet tekijät eivät vaikuttaneet pupillin kokoon

• Päätelmä: Pupillin kokoa säätelevät ensisijaisesti kognitiiviset tekijät, ja vireystilan muutokset vaikuttavat pupillin kokoon vain jos kognitiiviset tekijät ovat minimaalisia

17

14.11.2000


Koe 2

• Myös koe 2 sisälsi sekä kognitiivisia että vireystilaan liittyviä muuttujia, mutta myös pelkän vireystilan vaihteluosuuden

• Pupillin mittaamisen rinnalle otettiin myös sydämen syke, ihon sähkönjohtavuus ja EMG

18

14.11.2000


Koe 2

• 30 koehenkilöä (kaikki miehiä) jaettiin 10 hengen ryhmiin sen mukaan oliko heillä ulkoisia oireita (esim. ihotauti), sisäisiä oireita (esim. päänsärkyä) vai ei minkäänlaisia oireita

• Koehenkilöt saivat viiden centin (USD 0.05) palkkion oikeasta vastauksesta ja heille kerrottiin että he saavat lievän sähköshokin niskaan väärästä vastauksesta

19

14.11.2000


Koe 2: Menetelmä

• Koehenkilön piti lisätä ensimmäinen esitetty luku 2-3 päässä seuraavaan neljän luvun sarjaan

• Lisättävä luku oli joko 0, 1 tai 3, jotka muodostivat siten kolme vaikeusastetta

20

14.11.2000


Koe 2: Menetelmä

• Pupillin koko mitatiin kokeen 1 tapaan

• EMG mitatiin kyynärvarren koukistajalihaksesta

• Ihon sähkönjohtavuus mitattiin kämmenestä ja ranteen sisäpuolelta

• Sydämen syke mitattiin rinnasta pintaelektrodeilla

21

14.11.2000


Koe 2: Menetelmä

• Lopuksi oli vielä vaihe, jossa koehenkilöt kuulivat luvut 1-10 kahden sekunnin välein, ja saivat luvulla 10 lievän sähköshokin niskaan 0.5:n todennäköisyydellä

• Tarkoituksena oli tutkia shokin uhkaa kokonaan kognitiivisista tekijöistä irrallaan

22

14.11.2000


Koe 2: Data-analyysi

• Nelisuuntainen varianssianalyysi:

• oireryhmä

• vaikeustaso

• kannustin

• aika (24 s)

23

14.11.2000


Koe 2: Tulokset

• Pupilliin kokoon vaikuttivat vaikeustaso (p<0.001), aika (p<0.001) ja niiden yhteisvaikutus (p<0.001)

• Pupillin koossa lisäksi oli ’aavisteluefekti’ ensimmäisen luvun esittämisen jälkeen

• Ihon sähkönjohtavuuteen vaikuttivat vaikeustaso (p<0.01), aika (p<0.005) ja niiden yhteisvaikutus (p<0.05)

24

14.11.2000


Koe 2: Tulokset

• Sydämen sykkeeseen vaikuttivat vaikeustaso (p<0.01), aika (p<0.001) ja kannustin (p<0.025)

• EMG:hen vaikutti merkitsevästi vain oireryhmä (p<0.001)

25

14.11.2000


Koe 2: Tulokset

• Viimeisessä vaiheessa (sähköshokki luvulla 10) pupillin koko varioi merkitsevästi ajan funktiona (p<0.001)

• Koska kognitiivista kuormitusta ei ollut, voidaan päätellä että vaihtelu johtui vireystilan muutoksesta shokin uhkaan liittyen

26

14.11.2000


Koe 2: Keskustelu

• Kannustin ei vaikuttanut pupillin kokoon kirjoittajien odottamalla tavalla, sen sijaan aika ja vaikeustaso vaikuttivat pupillin kokoon

• Kirjoittajien mukaan vireystilan muutokset vaikuttivat aavisteluefektiin

27

14.11.2000


Keskustelu

• Vireystilaan liittyvä vaikutus pupillin koossa näkyi vain toisen kokeen viimeisessä vaiheessa

• Tekemistään kokeista kirjoittajat päättelivät, että pupillin kontrollijärjestelmä on hierarkinen siten, että jos tilanteeseen liittyy huomattava määrä kognitiivista aktiviteettia, se yksin saa aikaan pupillin koon vaihtelun

28

14.11.2000


Oma arvio

• Tutkimus pohjautuu hyvin edeltävään tutkimukseen, joiden heikkoja kohtia pyritään paikkaamaan

• Onnistuttiinko koeasetelmissa todella vaikuttamaan koehenkilön vireystilaan (kuvailut, kannustin (5 c), shokin uhka)?

• Koeasetelmissa kognitio oli vahvasti painottunut

29

14.11.2000


Oma arvio

• Aavisteluefektin voi tulkita myös kognition aiheuttamaksi

• Mittaustekniikka vanhanaikaista

• Kokeessa 1 koehenkilöt joutuivat pidättelemään silmänräpäyksiä

• Omassa tutkimuksessa (Partala et.al., 2000) on onnistuttu saamaan systemaattisia eroja vireystilaan liittyen, koeasetelmassa, johon liittyi jonkin verran kognitiivista aktiviteettia

30

stanners, coulter, sweet, murphy: the pupillary response an indicator of cognition and arousal

Documents

kalvoa1the pupillary

tulkinta pupillin

muutokset pupillin

pupillin kokoon

kokeissa pupillin

kognitiivista kuormaa

vireystilan muutoksistaesim

sek kognitiivisen kuorman