Que peut révéler l'eye tracking sur les processus cognitifs ?

Chaque jour, les gens naviguent dans des environnements visuels complexes où leurs rétines sont bombardées d'une immense quantité de stimuli visuels. Néanmoins, les gens peuvent choisir les stimuli auxquels ils veulent prêter attention et ceux qu'ils veulent ignorer dans ce processus hautement dynamique.

Les humains parviennent à cette perception sélective en dirigeant leur regard vers une région spécifique de la scène visuelle. Les mouvements oculaires ne révèlent pas seulement les informations visuelles récoltées de manière sélective à chaque instant ; ils sont étroitement liés à des processus cognitifs tels que la mémoire, la prise de décision et l'apprentissage associatif. Comprendre ce que les humains regardent et comment cela influence la cognition et le comportement est l'une des questions les plus fondamentales de la psychologie et des neurosciences, ce qui fait de l'eye tracking une technologie tout à fait appropriée pour y répondre.

Dans cet article d'apprentissage, nous présenterons comment la technologie de l'eye tracking a été utilisée pour étudier les processus cognitifs et les enseignements que ces études ont permis de dégager. Nous parlerons de la mémoire, de la prise de décision et de la résolution de problèmes.

Pourquoi utiliser la technologie de l'eye tracking pour étudier les processus cognitifs ?

L'Eye tracking permet un accès continu aux processus cognitifs

Les processus cognitifs sont interconnectés et multicouches, chacun d'entre eux passant par différentes étapes opérationnelles au fil du temps. Prenons par exemple la séquence des processus cognitifs qui se déroulent pendant la prise de décision : exploration de la scène, détection de la cible, examen et décision concernant la réponse. Si, dans une telle tâche, nous comptons sur une réponse comportementale manifeste (par exemple, une pression sur une touche, un texte écrit ou une voix), les processus contributifs qui ont conduit à la décision ne sont pas pris en compte. Les données d'Eye tracking peuvent fournir les produits finaux comportementaux des processus cognitifs (par exemple, les décisions) et isoler les différentes couches de processus connexes qui se produisent au cours d'une expérience.

Les mouvements oculaires permettent de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau

Les circuits cérébraux qui soutiennent la génération des mouvements oculaires ont été étudiés au cours des dernières décennies et ont permis de mieux comprendre les relations entre la cognition, les mouvements oculaires et la physiologie du cerveau (Hannula et al., 2010 ; Knudsen, 2018). La riche connaissance des circuits oculomoteurs fait de l'eye tracking une excellente méthode pour sonder une gamme variée de processus cognitifs dans des états cérébraux sains comme pathologiques, tout au long de la vie d'une personne.

L'Eye tracking est compatible avec d'autres mesures biométriques

Les mesures des mouvements oculaires peuvent être associées à des mesures de l'activité cérébrale et à des biocapteurs (par exemple, électroencéphalographie (EEG), électrocardiographie (ECG), EEG intracrânien (iEEG), réponse galvanique de la peau (GSR+)), ce qui permet de mieux comprendre comment les mouvements oculaires, l'activité corticale et d'autres variables physiologiques interagissent pour contribuer à divers comportements.

L'eye tracking permet des comparaisons entre espèces et favorise les études translationnelles.

L'eye tracking et des tests comportementaux similaires, voire identiques, peuvent être réalisés sur différentes espèces, ce qui permet d'effectuer des comparaisons inter-espèces et de découvrir des relations de cause à effet entre le comportement et la physiologie du cerveau. À ce jour, des mesures des mouvements oculaires ont été réalisées sur des primates non-humains (A. M. Ryan et al., 2019), des chiens (Karl et al., 2020), des souris (van Beest et al., 2021), des rats (Wallace et al., 2013), des pigeons (Kano et al., 2018), des poissons zèbres (Dehmelt et al., 2018).

Mémoire

Quelques facteurs clés guident les mouvements des yeux dans l'environnement visuel : les caractéristiques physiques d'un stimulus (par exemple, la couleur et la luminance), nos états internes et les connaissances antérieures liées aux stimuli visuels (par exemple, les souvenirs épisodiques ou sémantiques). Nous regardons les objets qui sont les cibles de notre recherche volontaire, mais nous nous attardons également sur les objets qui sont quelque peu nouveaux ou qui contredisent nos connaissances et nos attentes. Les résultats des études d'eye tracking montrent que de multiples représentations mémorielles distinctes peuvent être récupérées lors du balayage d'une scène visuelle et qu'elles sont en concurrence pour le guidage oculomoteur préférentiel (Wynn, Ryan et Moscovitch, 2020). Les liens anatomiques et fonctionnels entre les systèmes oculomoteurs et de mémoire (par exemple, l'hippocampe, les champs oculaires frontaux, le cortex préfrontal dorsolatéral) (Shen et al., 2016) confirment l'importance des mouvements oculaires dans les processus de mémoire. Comme nous l'illustrerons plus loin, les mouvements oculaires sont fonctionnellement pertinents pour l'encodage et la récupération de la mémoire.

Pendant la phase d'encodage, le comportement d'observation libre prédit la qualité d'un souvenir ultérieur (Bylinskii et al., 2015 ; Damiano et Walther, 2019). Par exemple, la mémoire incidente est meilleure pour un objet qui est regardé plus longtemps et avec plusieurs fixations, par rapport à un objet de la même scène qui est regardé brièvement et avec moins de fixations (Bylinskii et al., 2015 ; Olejarczyk et al., 2014). Les mouvements oculaires alimentent la mémoire en données visuelles et organisent les données visuelles dans le temps et l'espace, agissant comme un mécanisme de liaison de la mémoire (Nikolaev et al., 2022 ; J. D. Ryan & Shen, 2020). Lors de l'échantillonnage d'informations visuelles, une séquence de parcours de balayage est stockée avec cette entrée visuelle pour faciliter la récupération de la mémoire en comparant la nouvelle entrée avec les traces de mémoire stockées (Johansson et al., 2022 ; Wynn et al., 2019).

Pendant la récupération d'informations visuelles, les gens ont tendance à regarder des endroits précédemment associés mais vides, ce que l'on appelle l'effet "Regarder rien". La fixation du regard sur le vide (c'est-à-dire les espaces vides) reflète le passage d'une attention orientée vers l'extérieur à une attention orientée vers l'intérieur pour récupérer les représentations mémorielles stockées (Scholz et al., 2018). Pendant le "regard vers le néant", les modèles de regard précédemment encodés d'un stimulus visuel sont récapitulés à nouveau lors de la récupération des souvenirs stockés, ce qui est appelé réintégration du regard. La qualité du souvenir rappelé est prédite par le degré de similarité de la trajectoire de balayage du regard pendant l'encodage et la récupération du souvenir - plus les trajectoires d'encodage et de récupération se chevauchent, meilleure est la qualité du souvenir rappelé (Johansson et al., 2022).

Prise de décision

Les mouvements oculaires fournissent un large éventail d'informations sur les processus de prise de décision avec une résolution temporelle fine sur la façon dont ces processus se déroulent. Les mesures des mouvements oculaires peuvent aider à indiquer le temps nécessaire pour prendre une décision, l'influence de la récompense attendue sur une décision ou la confiance en soi quant au résultat de la décision (Spering, 2022). Certaines caractéristiques spatiotemporelles spécifiques du comportement du regard peuvent renseigner sur le processus de prise de décision à tous les stades distincts - avant, pendant et immédiatement après la décision.

Avant de prendre une décision, les mouvements oculaires facilitent l'accumulation d'informations sensorielles à partir de l'environnement visuel - le processus qui définira quelles informations seront accessibles ou même domineront la mémoire de travail lorsque le processus de prise de décision commencera. Le comportement du regard reflète l'ordre dans lequel les informations sensorielles sont collectées et la manière dont les preuves liées à la décision sont pondérées et assimilées aux connaissances antérieures (Gottlieb et Oudeyer, 2018 ; Spering, 2022).

Certains indices spécifiques des mouvements oculaires permettent de prédire le moment et la précision de la décision au cours du processus de prise de décision. Les mesures des saccades (par exemple, la vitesse maximale, l'amplitude, la vigueur et la dispersion du point final) peuvent fournir des informations précieuses sur le moment des décisions perceptives (Spering, 2022). La fixation de l'œil sur une cible en mouvement - poursuite fluide - peut indiquer le processus de formation de la décision et même prédire son résultat. Dans les paradigmes de prise de décision sensorimotrice de type baseball ou go/no-go (Fooken et Spering, 2019), une vitesse élevée de poursuite lisse est en corrélation avec une prise de décision rapide. Le point final de la décision peut être déduit d'une suppression des saccades et des microsaccades liée à la réponse, appelée gel oculomoteur, qui indique la préparation de la réponse et fournit un marqueur d'une attente temporelle de la décision (Abeles et al., 2020).

Lors de la prise de décision, les mouvements oculaires peuvent indiquer le sentiment subjectif de confiance.Par exemple, la vitesse de pointe des saccades reflète le degré de certitude avec lequel une décision est prise, et il a été démontré qu'elle augmentait avec l'accumulation de preuves (c.-à-d. plus de certitude) (Seideman et al., 2018).En outre, les saccades, les mesures de poursuite, les clignements d'yeux et la dilatation de la pupille sont tous intimement liés à l'activité de la dopamine et sont donc impliqués dans le traitement de la récompense (Hikosaka et al., 2014). Par exemple, une augmentation de la vitesse des mouvements oculaires saccadés reflète l'attente d'une récompense, tandis que l'anticipation d'un effort la diminue (Shadmehr et al., 2019).

Résolution de problèmes et créativité

La résolution de problèmes consiste à construire des modèles mentaux qui décrivent les informations pertinentes et à trouver la solution la plus appropriée à un problème. Il s'agit d'un processus cognitif à plusieurs niveaux qui nécessite l'intervention simultanée de plusieurs fonctions cognitives, telles que l'attention, la mémoire et la créativité (c'est-à-dire la pensée divergente).

Les mouvements oculaires peuvent révéler les représentations cognitives actives et la manière dont elles sont manipulées dans l'esprit lors de la résolution d'un problème. Lorsqu'ils résolvent des problèmes ou réfléchissent de manière créative, les gens ont tendance à détourner leur regard d'un stimulus pertinent et à se concentrer sur un espace vide. Le temps passé à détourner le regard d'un stimulus augmente avec la difficulté du problème, car l'attention a tendance à se déplacer vers l'intérieur, et on observe le phénomène du regard sur rien (Ferreira et al., 2008). Lorsque l'on regarde des espaces vides, les mouvements oculaires reflètent les images mentales utilisées pour résoudre les problèmes en interne (Spivey et Geng, 2001). Même lors d'une activité de raisonnement simple, telle que la distinction entre la gauche et la droite ou entre le haut et le bas, les personnes déplacent leurs yeux dans les directions respectives (Demarais et Cohen, 1998).Il convient de noter que le même phénomène de regard vers le néant et les mouvements oculaires qui y sont associés peuvent permettre de déduire différents processus cognitifs (récupération de la mémoire, résolution de problèmes ou pensée créative) en fonction de la tâche à accomplir.

La réussite de la résolution d'un problème peut être identifiée uniquement à partir des mouvements oculaires. Knoblich et ses collègues (Knoblich et al., 2001) ont démontré que la fixation sur l'objet pertinent pour la résolution du problème augmente avec le temps, en particulier juste avant d'atteindre la solution. L'étude a démontré l'utilité unique de l'eye tracking au cours d'une tâche de résolution de problèmes, qui s'appuyait auparavant sur des mesures de performance traditionnelles, telles que le temps et la vitesse de résolution mesurés par la pression d'une touche ou le suivi de la souris (Knoblich et al., 2001).

Conclusion

Les mouvements oculaires sont étroitement liés aux processus cognitifs, tels que la mémoire, la prise de décision et la résolution de problèmes. Comme l'illustre cet article, la technologie de l'eye tracking peut contribuer à comprendre ce que les humains regardent et comment cela influence leur cognition et leur comportement.

Si vous souhaitez en savoir plus sur la manière dont les mesures des mouvements oculaires peuvent fournir des informations sur les fonctions cognitives et sur les paradigmes couramment utilisés pour étudier ces fonctions, consultez notre livre blanc
" Eye tracking - une fenêtre sur les processus cognitifs ".

Publications citées

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