Когда мы говорим о технологиях по распознаванию эмоций, мы по умолчанию имеем в виду человека, то есть весь тот массив данных — вербальных и невербальных, — который им генерируется и используется для комплексной оценки его состояния. Однако чем дальше, тем большее внимание уделяется и животным: в последние годы регулярно проводятся исследования «эмоционального» мира лошадей или собак, например. В нашей статье мы обсудим один из разворотов этой темы: то, как айтрекинговые технологии применяются для изучения особенностей некоторых представителей фауны, обитающих бок о бок с нами. Так как же посмотреть вокруг глазами собаки, павлина или даже мыши?

Собаки

Наверное, каждому любителю собак хочется узнать, как воспринимают нас и своих сородичей друзья человека. Поэтому данное направление регистрации движений глаз животных лидирует по части разнообразия экспериментальных неинвазивных методик.

Для собак, как и для прочих социальных животных, взгляд является важным социальным сигналом. Преимущественная функция направленного в глаза взгляда у собак – сигнал доминирования или ритуализированной агрессии (Schenkel, 1967). Однако такое глазодвигательное поведение, демонстрируемое собакой по отношению к хозяевам, интерпретируется как инициализация коммуникации (Kis, Hernadi, Miklosi, Kanizsar, & Topal, 2017). Также анализ глазодвигательной активности собак – перспективное направление изучения не только коммуникации, но и распознавания лиц и эмоциональных лицевых экспрессий людей.

В ходе исследований с применением методики айтрекинга на собаках было показано, что последние умеют не только узнавать людей по лицам, но и различать отдельные эмоции человека: радость, грусть, гнев. При просмотре изображений лиц людей собаки отдают предпочтение области глаз, независимо от лицевой экспрессии стимула (Kis et al., 2017).
Tornqvist и соавторы (Tornqvist et al., 2015) провели любопытное сравнительное исследование просмотра изображений собаками и людьми. В качестве стимульного материала были выбраны фотографии, изображающие социальное взаимодействие или избегание социального взаимодействия между двумя людьми или двумя собаками. Так, и люди, и собаки, продемонстрировали более длительное время просмотра объектов на изображениях с социальным взаимодействием. Отметим, что люди больше времени смотрели на картинки с социальным взаимодействием собак, чем людей, тогда как собаки — наоборот.

Как и для изучения движений глаз человека, для собак существуют два основных типа экспериментальных установок: стационарные и носимые айтрекеры.

Стационарные установки представляют собой трекер, монтируемый под монитор или проектор, на котором предъявляются стимулы. В подобных установках собаку либо предварительно обучают находиться длительное время (например, такой вариант постановки эксперимента применили Tornqvist с соавт. (Tornqvist et al., 2015), также его используют в Clever Dog Lab – про ход экспериментов с использованием методики видеоокулографии в этой лаборатории можно почитать здесь), либо ее в нужном положении фиксирует хозяин, как это было сделано в исследовании Kis с соавт. (Kis et al., 2017). Что касается предварительного тренинга собак по пребыванию в экспериментальной установке, существует мнение, что тренинг сам по себе создает для собаки дополнительную когнитивную задачу, что искажает распределение зрительного внимания (Kis et al., 2017). Кроме того, логично предположить, что удержание в установке хозяином тоже может вносить те или иные искажения в полученные результаты, а они принципиально важны при изучении психофизиологического состояния животных.

Поэтому наиболее перспективной методикой для изучения движений глаз собак в более естественных условиях являются системы очков-айтрекеров. Так, в Университете Линкольна (UK) Williams и коллеги (Williams, Mills, & Guo, 2011) разработали на базе айтрекера VisionTrak (60 Гц) – трекер-очки для собак, работающие с точностью 2.25-2.71°. Вся конструкция закрепляется на намордник: между ушами располагается камера сцены, перед левым глазом – дихроическое зеркало, над левым глазом – камера для регистрации движений глаза и инфракрасная подсветка. Во время калибровки к центру намордника (в область носа) прикрепляется калибровочная конструкция, представляющая собой две скрещенные оси, концы которых соответствуют границам кадра камеры сцены. На конце каждой калибровочной оси – есть область, где во время калибровки закрепляется что-то вкусное – задача собаки смотреть на желаемый кусочек еды, при успешной калибровке она получает его в качестве награды. Таким образом данный трекер не требует специальной тренировки поведения собаки во время эксперимента, а предполагает только краткий тренинг для проведения калибровки.

Еще один проект по созданию трекера-очков для собак — DogCam (Rossi, Parada, & Allen, 2010).
Немало поразительных фактов об изучении поведения собак можно прочитать на странице CleverDogLab.

Птицы

Птицы обладают чрезвычайно острым зрением и среди них нет видов, у которых бы зрение отсутствовало бы как таковое, поэтому изучение их зрительного восприятия представляет отдельный интерес. Особенностью фокусировки взора на объекте у птиц является то, что у них практически отсутствует вестибулоокулярный рефлекс, то есть голова может двигаться быстрее, чем глаза. Например, у голубей движения глаз обуславливают только 10-20% перемещения взора (Yorzinski, Patricelli, Platt, & Land, 2015).

Сегодня существуют айтрекинговые системы для регистрации движений глаз только крупных птиц. Такой айтрекер состоит из шлема, на который крепится камера для регистрации движений глаза (30 Гц) с инфракрасной подсветкой и камера сцены, и рюкзачка с батарейкой и трансмиттером. Схожие трекеры производят только монокулярную регистрацию (при этом второй глаз птицы закрывают), так как конструкция с двумя камерами для записи глаз была бы слишком тяжелой.

Например, в ходе использования описанной системы в исследовании зрительного внимания самок павлина были получены значимые результаты: когда самки видят самца-павлина с близкого расстояния, то их зрительное внимания направлено на нижнюю половину хвоста, когда же павлин-самец распускает хвост, находясь далеко от самки, – ее внимание оказывается направлено на верхнюю половину хвоста (Yorzinski, Patricelli, Babcock, Pearson, & Platt, 2013).

В настоящее время для изучения движений глаз птиц маленького размера (таких как скворцы) не существует адекватного оборудования, поэтому проблематика зрительного внимания мелких птиц пока сводится к отслеживанию движений головы. Так, в исследовании Butler и Fernandez-Juricic (Butler & Fernandez-Juricic, 2018) было показано, что скворцы (обыкновенный или европейский скворец) используют фовеальное зрение при рассматривании хищника (авторы предполагают, что в это время птица получает детальную информацию, которая может потребоваться для успешного избегания врага).

Мыши

H. Payne и J.L. Raymond (Payne & Raymond, 2017) разработали метод регистрации движений глаз на свободно передвигающейся мыши с очень высоким разрешением – 0,1°. Для этого они применили методику магнитного айтрекинга. Мышам имплантируется цилиндрический магнит (размером 0,75 х 1 мм, весом 6,8 мг) в оболочке из биосовместимого полимера с височной стороны под конъюнктиву, разрез в которой заживляется при помощи тканевого адгезива. Магнит располагается перпендикулярно оси горизонтальных саккад. Над вживленным магнитом на череп сверху прикрепляется маленький угловой магнитный датчик (размером 4,8 х 5,8 мм, весом 76 мг). Авторы также провели пилотные эксперименты с дисковыми имплантируемыми магнитами меньшего размера (1,5 х 0,5 мм), но они давали слишком слабый сигнал.

Калибровка данной системы представляет собой синхронную запись сигнала магнитного трекера и видео по методу dual-angle video-oculography на мыши, голова которой зафиксирована. Суть dual-angle video-oculografy заключается в видеорегистрации движений глаз двумя неподвижными камерами с инфракрасной подсветкой, расположенными под углом 40° друг от друга и на равном расстоянии от центра зрачка (5 см). Положение глаза вычисляется для каждого кадра сравнением изображений с обеих камер, к сигналу с магнитного трекера привязывается положение глаза. Калибровка проводится только один раз и в дальнейшем магнитный трекер может использоваться на свободно передвигающейся мыши в полной темноте. Оригинальная статья доступна онлайн, прочитать ее можно здесь.

Приматы

В нашей статье, конечно же, нельзя обойти стороной наиболее близких родственников человека из царства животных – приматов. Успешных айтрекинговых исследований на приматах проведено намного больше, чем на других животных, поскольку обезьяны являются классическим модельным объектом для изучения нейрофизиологии зрительной системы. Чаще всего для регистрации движений глаз приматов применяют метод электромагнитного айтрекинга (о применении указанного метода регистрации движений глаз на человеке мы писали в нашей предыдущей статье), однако в случае обезьян подвижный элемент закрепляется не на линзу, а вживляется. Нередко данный метод применяется в сочетании с инвазивными нейрофизиологическими методиками, позволяющими детально анализировать особенности работы мозга и зрительного внимания.
Про изучение движений глаз обезьян в России можно почитать тут.

Литература

Автор материала:
Мария Константинова, научный сотрудник в Neurodata Lab, биолог, физиолог, специалист по зрительной сенсорной системе, окулографии и окуломоторике.