¿Qué puede revelar el eye tracking sobre los procesos cognitivos?

Cada día, las personas navegan por entornos visuales complejos en los que sus retinas son bombardeadas con una inmensa cantidad de estímulos visuales. Sin embargo, en este proceso altamente dinámico, las personas pueden seleccionar a qué estímulos prestar atención y cuáles ignorar.

Los seres humanos logran esta percepción selectiva dirigiendo la mirada hacia una región específica de la escena visual. Los movimientos oculares no sólo revelan la información visual que se recoge de forma selectiva en cada momento, sino que están estrechamente relacionados con procesos cognitivos como la memoria, la toma de decisiones y el aprendizaje asociativo. Entender qué miran los humanos y cómo influye eso en la cognición y el comportamiento es una de las cuestiones más fundamentales de la psicología y la neurociencia, por lo que el eye tracking es una tecnología muy adecuada para abordarla.

En este Artículo de aprendizaje, presentaremos cómo se ha utilizado la tecnología eye tracking para estudiar los procesos cognitivos y los conocimientos que han generado estos estudios. Hablaremos de la memoria, la toma de decisiones y la resolución de problemas.

¿Por qué utilizar la tecnología Eye tracking para estudiar los procesos cognitivos?

Eye tracking: acceso continuo a los procesos cognitivos

Los procesos cognitivos están interconectados y son multicapa, ya que cada uno pasa por distintas fases operativas a lo largo del tiempo. Por ejemplo, consideremos la secuencia de procesos cognitivos que se desarrollan durante la toma de decisiones: exploración de la escena, detección del objetivo, consideración y decisión sobre la respuesta. Si, en una tarea de este tipo, contamos con una respuesta conductual manifiesta (por ejemplo, pulsación de una tecla, texto escrito o vocalización), no se captan los procesos que contribuyeron a la decisión. Los datos de eye tracking pueden proporcionar los productos finales conductuales de los procesos cognitivos (por ejemplo, las decisiones) y aislar las diferentes capas de procesos relacionados que se producen durante un experimento.

Los movimientos oculares permiten comprender el funcionamiento del cerebro

Los circuitos cerebrales que soportan la generación de movimientos oculares se han estudiado durante las últimas décadas y han dado lugar a una profunda comprensión de las relaciones entre la cognición, los movimientos oculares y la fisiología cerebral (Hannula et al., 2010; Knudsen, 2018). El rico conocimiento de los circuitos oculomotores hace del eye tracking un método excelente para sondear una diversa gama de procesos cognitivos en estados cerebrales tanto sanos como patológicos, a lo largo de la vida de una persona.

Eye tracking es compatible con otras mediciones biométricas

Las mediciones de los movimientos oculares pueden combinarse con mediciones de la actividad cerebral y biosensores (por ejemplo, electroencefalografía (EEG), electrocardiografía (ECG), EEG intracraneal (iEEG), respuesta galvánica de la piel (GSR)), lo que permite comprender en profundidad cómo interactúan los movimientos oculares, la actividad cortical y otras variables fisiológicas para contribuir a diversos comportamientos.

Eye tracking permite la comparación entre especies y favorece los estudios traslacionales

Eye tracking y pruebas de comportamiento similares o incluso idénticas pueden realizarse en diferentes especies, lo que permite la comparación entre especies y descubrir relaciones causales entre el comportamiento y la fisiología cerebral. Hasta la fecha, se han realizado mediciones de los movimientos oculares en primates no humanos (A. M. Ryan et al., 2019), perros (Karl et al., 2020), ratones (van Beest et al., 2021), ratas (Wallace et al., 2013), palomas (Kano et al., 2018), pez cebra (Dehmelt et al., 2018).

Memoria

Algunos factores clave guían los movimientos oculares en el entorno visual: las características físicas de un estímulo (por ejemplo, el color y la luminancia), nuestros estados internos y los conocimientos previos relacionados con los estímulos visuales (por ejemplo, los recuerdos episódicos o semánticos). Miramos objetos que son el objetivo de nuestra búsqueda voluntaria, pero también nos detenemos en objetos que son algo novedosos o contradictorios con nuestros conocimientos y expectativas. Los hallazgos de los estudios de eye tracking muestran que se pueden recuperar múltiples representaciones de memoria distintas al escanear la escena visual y que compiten por la orientación oculomotora preferente (Wynn, Ryan y Moscovitch, 2020). Los vínculos anatómicos y funcionales entre los sistemas oculomotor y de memoria (por ejemplo, el hipocampo, los campos oculares frontales, la corteza prefrontal dorsolateral) (Shen et al., 2016) respaldan aún más la importancia de los movimientos oculares en los procesos de memoria. Como ilustraremos más adelante, los movimientos oculares son funcionalmente relevantes para la codificación y recuperación de la memoria.

Durante la fase de codificación, el comportamiento de visión libre predice la calidad de un recuerdo posterior (Bylinskii et al., 2015; Damiano y Walther, 2019). Por ejemplo, la memoria incidental es mejor para un objeto que se ve durante más tiempo y con múltiples fijaciones, en comparación con un objeto de la misma escena que se ve brevemente y con menos fijaciones (Bylinskii et al., 2015; Olejarczyk et al., 2014). Los movimientos oculares suministran información visual a la memoria y organizan la información visual en el tiempo y el espacio, actuando como mecanismo de unión de la memoria (Nikolaev et al., 2022; J. D. Ryan & Shen, 2020). Tras el muestreo de la información visual, se almacena una secuencia de recorrido de exploración junto con esa entrada visual para facilitar la recuperación de la memoria mediante la comparación de la nueva entrada con los rastros de memoria almacenados (Johansson et al., 2022; Wynn et al., 2019).

Durante la recuperación de información visual, las personas tienden a mirar a lugares previamente asociados pero vacíos, el llamado efecto "Mirar a la nada". La fijación de la mirada hacia la nada (es decir, espacios en blanco) refleja el cambio de la atención orientada externamente a la orientada internamente para recuperar las representaciones de memoria almacenadas (Scholz et al., 2018). Durante la "mirada hacia la nada", los patrones de mirada previamente codificados de un estímulo visual se recapitulan de nuevo al recuperar los recuerdos almacenados, lo que se conoce como reinstalación de la mirada. La calidad de la memoria recuperada se predice por el grado de similitud de la ruta de exploración de la mirada durante la codificación y recuperación de la memoria: cuanto más se superpongan las rutas de exploración de codificación y recuperación, mejor será la calidad de la memoria recuperada (Johansson et al., 2022).

Toma de decisiones

Los movimientos oculares proporcionan un amplio espectro de información sobre los procesos de toma de decisiones con una fina resolución temporal sobre cómo se desarrollan estos procesos. Las mediciones de los movimientos oculares pueden ayudar a indicar el tiempo que se tarda en tomar una decisión, la influencia de la recompensa esperada en la decisión o la confianza en el resultado de la decisión (Spering, 2022). Algunas características espaciotemporales específicas del comportamiento de la mirada pueden informar sobre el proceso de toma de decisiones durante todas las etapas distintas: antes, durante e inmediatamente después de la decisión.

Antes de tomar una decisión, los movimientos oculares facilitan la acumulación de información sensorial del entorno visual, el proceso que definirá qué información será accesible o incluso dominará la memoria de trabajo cuando se inicie el proceso de toma de decisiones. El comportamiento de la mirada reflejará el orden en que se recoge la información sensorial y cómo se ponderan y asimilan las pruebas relacionadas con la decisión con el conocimiento previo (Gottlieb y Oudeyer, 2018; Spering, 2022).

Algunos índices específicos de los movimientos oculares predicen el momento y la precisión de la decisión durante el proceso de toma de decisiones. Las métricas sacádicas (por ejemplo, velocidad máxima, amplitud, vigor y dispersión del punto final) pueden proporcionar información valiosa sobre el momento de las decisiones perceptivas (Spering, 2022). La fijación ocular en un objetivo en movimiento -seguimiento suave- puede indicar el proceso de formación de la decisión e incluso predecir su resultado. En paradigmas de toma de decisiones sensoriomotoras de béisbol o go/no-go (Fooken y Spering, 2019), una alta velocidad de seguimiento suave se correlaciona con una toma de decisiones rápida. El punto final de la decisión puede inferirse a partir de una supresión de sacadas y microsacadas relacionada con la respuesta, la llamada congelación oculomotora, que indica la preparación de la respuesta y proporciona un marcador de una expectativa temporal de la decisión (Abeles et al., 2020).

Al tomar una decisión, los movimientos oculares pueden indicar la sensación subjetiva de confianza.Por ejemplo, la velocidad máxima de la sacada refleja el grado de certeza con el que se toma una decisión, y se ha demostrado que aumenta con la evidencia acumulada (es decir, ganando más certeza) (Seideman et al., 2018).Además, la sacada, la métrica de persecución, los parpadeos y la dilatación de la pupila están íntimamente relacionados con la actividad de la dopamina, por lo que están implicados en el procesamiento de la recompensa (Hikosaka et al., 2014). Por ejemplo, un aumento de la velocidad de los movimientos oculares sacádicos refleja la expectativa de recompensa, mientras que la anticipación del esfuerzo la disminuye (Shadmehr et al., 2019).

Resolución de problemas y creatividad

La resolución de problemas implica construir modelos mentales que representen la información relevante y encontrar la solución más adecuada a un problema. Se trata de un proceso cognitivo multicapa que requiere el trabajo simultáneo de varias funciones cognitivas, como la atención, la memoria y la creatividad (es decir, el pensamiento divergente).

Los movimientos oculares pueden revelar las representaciones cognitivas activas y cómo se manipulan en la mente cuando se participa en la resolución de problemas. Al resolver problemas o pensar de forma creativa, las personas tienden a apartar la mirada de un estímulo relevante y a centrarse en un espacio en blanco. El tiempo dedicado a apartar la mirada de un estímulo aumenta con la dificultad de un problema, ya que la atención tiende a desplazarse internamente, y se observa el fenómeno de mirar a la nada (Ferreira et al., 2008). Cuando se observan espacios en blanco, los patrones de movimiento ocular reflejan las imágenes mentales utilizadas para resolver problemas internamente (Spivey y Geng, 2001). Incluso durante actividades de razonamiento sencillas, como distinguir entre izquierda y derecha o arriba y abajo, las personas mueven los ojos en las direcciones respectivas (Demarais y Cohen, 1998).Obsérvese cómo el mismo fenómeno de mirar a la nada y los movimientos oculares relacionados pueden inferir distintos procesos cognitivos (recuperación de la memoria, resolución de problemas o pensamiento creativo) en función de la tarea que se esté realizando.

El éxito en la resolución de problemas puede identificarse únicamente a partir de los movimientos oculares. Knoblich y sus colegas (Knoblich et al., 2001) demostraron que la fijación en el objeto relevante para resolver el problema aumenta con el tiempo, especialmente inmediatamente antes de llegar a la solución. El estudio demostró la utilidad única del eye tracking durante una tarea de resolución de problemas, que anteriormente contaba con medidas de rendimiento tradicionales, como el tiempo de solución y la velocidad medida por la pulsación de una tecla o el seguimiento del ratón (Knoblich et al., 2001).

Conclusión

Los movimientos oculares están estrechamente ligados a procesos cognitivos como la memoria, la toma de decisiones o la resolución de problemas. Como se ilustra en este Artículo de aprendizaje, la tecnología eye tracking puede contribuir a entender qué miran los seres humanos y cómo influye eso en su cognición y comportamiento.

Si desea saber más sobre cómo las mediciones de los movimientos oculares pueden aportar información sobre las funciones cognitivas y cuáles son los paradigmas más utilizados para estudiarlas, consulte nuestro libro blanco
" Eye tracking - a window to cognitive processes " ( Eye tracking: una ventana a los procesos cognitivos ).

Publicaciones citadas

Abeles, D., Amit, R., Tal-Perry, N., Carrasco, M., & Yuval-Greenberg, S. (2020). La inhibición oculomotora precede a objetivos auditivos temporalmente esperados . Nature Communications , 11 (1), Artículo 1.

Bekkering, H., Adam, J. J., Kingma, H., Huson, A., & Whiting, H. T. A. (1994). Reaction time latencies of eye and hand movements in single- and dual-task conditions. Experimental Brain Research , 97 (3), 471-476.

Bylinskii, Z., Isola, P., Bainbridge, C., Torralba, A., & Oliva, A. (2015). Efectos intrínsecos y extrínsecos en la memorabilidad de imágenes . Vision Research , 116 , 165-178.

Damiano, C., & Walther, D. B. (2019). Funciones distintas de los movimientos oculares durante la codificación y recuperación de la memoria . Cognition , 184 , 119-129.

Dehmelt, F. A., von Daranyi, A., Leyden, C., & Arrenberg, A. B. (2018). Evocación y seguimiento del movimiento ocular del pez cebra en larvas múltiples con ZebEyeTrack . Nature Protocols , 13 (7), artículo 7.

Demarais, A. M., & Cohen, B. H. (1998). Evidence for image-scanning eye movements during transitive inference . Biological Psychology , 49 , 229-247.

Ferreira, F., Apel, J., & Henderson, J. M. (2008).
Taking a new look at looking at nothing . Trends in Cognitive Sciences , 12 (11), 405-410.

Fooken, J., & Spering, M. (2019). Decodificación de decisiones de ir/no ir a partir de movimientos oculares . Journal of Vision , 19 (2), 5.

Gellman, R. S., Carl, J. R., & Miles, F. A. (1990). Short latency ocular-following responses in man . Visual Neuroscience , 5 (2), 107-122.

Gottlieb, J., & Oudeyer, P.-Y. (2018). Hacia una neurociencia del muestreo activo y la curiosidad . Nature Reviews Neuroscience , 19 (12), artículo 12.

Hannula, D., Althoff, R., Warren, D., Riggs, L., Cohen, N. y Ryan, J. (2010). Worth a Glance: Using Eye Movements to Investigate the Cognitive Neuroscience of Memory . Fronteras de la Neurociencia Humana , 4 .

Hikosaka, O., Kim, H. F., Yasuda, M., & Yamamoto, S. (2014). Basal ganglia circuits for reward value-guided behavior. Annual Review of Neuroscience , 37 , 289-306.

Johansson, R., Nyström, M., Dewhurst, R., & Johansson, M. (2022). Eye-movement replay supports episodic remembering . Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences , 289 (1977), 20220964.

Kano, F., Walker, J., Sasaki, T., & Biro, D. (2018). Los sensores montados en la cabeza revelan la atención visual de las palomas mensajeras en vuelo libre . Revista de Biología Experimental , 221 (17), jeb183475.

Karl, S., Boch, M., Zamansky, A., van der Linden, D., Wagner, I. C., Völter, C. J., Lamm, C., & Huber, L. (2020). Exploring the dog-human relationship by combining fMRI, eye tracking and behavioural measures. Scientific Reports , 10 (1), Artículo 1.

Knoblich, G., Ohlsson, S., & Raney, G. E. (2001). An eye movement study of insight problem solving . Memory & Cognition , 29 , 1000-1009.

Knudsen, E. I. (2018). Circuitos neuronales que median la atención selectiva: A Comparative Perspective . Trends in Neurosciences , 41 (11), 789-805.

Nikolaev, A. R., Bramão, I., Johansson, R., & Johansson, M. (2022). Episodic memory formation in naturalistic viewing [Preprint]. Neuroscience.

Olejarczyk, J. H., Luke, S. G., & Henderson, J. M. (2014). Incidental memory for parts of scenes from eye movements . Visual Cognition , 22 (7), 975-995.

Ryan, A. M., Freeman, S. M., Murai, T., Lau, A. R., Palumbo, M. C., Hogrefe, C. E., Bales, K. L., & Bauman, M. D. (2019). Métodos de Eye tracking no invasivos para monos del Nuevo Mundo y del Viejo Mundo . Fronteras en la neurociencia del comportamiento , 13 .

Ryan, J. D., y Shen, K. (2020). Los ojos son una ventana a la memoria . Current Opinion in Behavioral Sciences , 32 , 1-6.

Scholz, A., Klichowicz, A., & Krems, J. F. (2018). Los cambios encubiertos de atención pueden explicar el papel funcional de los "movimientos oculares a la nada ". Memory & Cognition , 46 (2), 230-243.

Seideman, J. A., Stanford, T. R., & Salinas, E. (2018). Las métricas sacádicas reflejan la dinámica de toma de decisiones durante las elecciones urgentes . Nature Communications , 9 , 2907.

Shadmehr, R., Reppert, T. R., Summerside, E. M., Yoon, T., & Ahmed, A. A. (2019). El vigor del movimiento como reflejo de la utilidad económica subjetiva . Trends in Neurosciences , 42 (5), 323-336.

Shen, K., Bezgin, G., Selvam, R., McIntosh, A. R. y Ryan, J. D. (2016). Una interfaz anatómica entre la memoria y los sistemas oculomotores . Revista de Neurociencia Cognitiva , 28 (11), 1772-1783.

Spering, M. (2022). Eye Movements as a Window into Decision-Making . Annual Review of Vision Science .

Spivey, M. J., y Geng, J. J. (2001). Oculomotor mechanisms activated by imagery and memory: Eye movements to absent objects. Psychological Research , 65 (4), 235-241.

van Beest, E. H., Mukherjee, S., Kirchberger, L., Schnabel, U. H., van der Togt, C., Teeuwen, R. R. M., Barsegyan, A., Meyer, A. F., Poort, J., Roelfsema, P. R., & Self, M. W. (2021). Mouse visual cortex contains a region of enhanced spatial resolution . Nature Communications , 12 (1), Artículo 1.

Wallace, D. J., Greenberg, D. S., Sawinski, J., Rulla, S., Notaro, G., & Kerr, J. N. D. (2013). Las ratas mantienen un campo binocular superior a expensas de una fusión constante . Nature , 498 (7452), Artículo 7452.

Wynn, J. S., Ryan, J. D., & Moscovitch, M. (2020). Efectos del conocimiento previo sobre la visión activa y la memoria en adultos jóvenes y mayores . Journal of Experimental Psychology: General , 149 , 518-529.

Wynn, J. S., Shen, K., & Ryan, J. D. (2019). Eye Movements Actively Reinstate Spatiotemporal Mnemonic Content. Vision , 3 (2), artículo 2.