ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ : ΨΗΦΙΑΚΑ ΜΕΣΑ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ : ΨΗΦΙΑΚΑ ΜΕΣΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Εξόρυξη γνώσης από μαγνητοεγκεφαλογραφικά δεδομένα μελέτης του οφθαλμοκινητικού συστήματος Νοέμβριος 2007 Επιβλέπων καθηγητής: Ν. Λάσκαρης ΑΝΘΗ ΤΣΙΡΟΥΚΗ Α.Ε.Μ. 134

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Πριν από όλα θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες σε όλους όσους συνέβαλλαν, ο καθένας με τον δικό του τρόπο, στην ολοκλήρωση της μεταπτυχιακής μου διατριβής. Κατ αρχήν ένα μεγάλο ευχαριστώ στον επιβλέποντα της εργασίας μου, Λέκτορα του τμήματος Πληροφορικής του Α.Π.Θ. κ. Νικόλαο Λάσκαρη για τη πολύτιμη καθοδήγηση και βοήθειά του. Δε θα ήταν σωστό να παραβλέψω την καθοριστική βοήθεια της διδάκτωρ Αρετής Τζελέπη που με τις πληροφορίες που μας προσέφερε οδήγησε στην υλοποίηση και στη περάτωση αυτής της διατριβής. 2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ.....6 ABSTRACT.....7 ΜΕΡΟΣ Α....9 1. ΟΦΘΑΛΜΟΚΙΝΗΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ....10 1.1 Οπτικό Σύστημα. 10 1.1.1 Η δομή του αμφιβληστροειδούς χιτώνα.11 1.1.2 Η λειτουργία του αμφιβληστροειδούς χιτώνα...12 1.2 Οφθαλμικοί μύες.. 14 1.3 Σύστημα προσήλωσης (gaze system)... 16 1.3.1 Το οφθαλμοκινητικό σύστημα.. 16 1.3.2 Το σύστημα σταθεροποίησης 18 1.3.3 Το σύστημα κίνησης του κεφαλιού... 21 1.4 Οι Μηχανισμοί προσήλωσης και προσοχής των ματιών μέσα από τις οφθαλμικές κινήσεις.. 23 1.4.1 Ο ρόλος των οφθαλμικών κινήσεων προσήλωσης 23 1.4.2 Γρήγορες σακκαδικές 25 1.4.3 Αναστολή των express σακκαδικών με οπτικά κατευθυνόμενη προσοχή. 28 1.4.4 Εκπαίδευση για τις express σακκαδικές 31 1.4.5 Συντονισμός της κίνησης των ματιών από την προσοχή... 33 1.5 Έλεγχος των οπτικών κινήσεων από τον εγκεφαλικό φλοιό 34 1.5.1 Frontal lobe 34 1.5.2 Parietal lobe... 41 1.5.3 Cingulate cortex. 43 2. ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΟΦΘΑΛΜΙΚΩΝ ΚΙΝΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΓΚΕΦΑΛΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ.44 2.1 Τεχνικές καταγραφής οφθαλμικών κινήσεων.. 44 2.1.1 Απαιτήσεις για ένα ιδανικό σύστημα καταγραφής οφθαλμικών κινήσεων... 44 2.1.2 Τεχνικές που βασίζονται σε ανακλώμενες ακτίνες 45 3

2.1.3 Τεχνικές που βασίζονται σε χρήση φακών επαφής... 47 2.1.4 Τεχνική που βασίζεται στην καταγραφή του ηλεκτρικού δυναμικού του δέρματος / ElectroOculoGraphy. 49 2.2 Τεχνικές καταγραφής εγκεφαλικών σημάτων.. 50 2.2.1 Μαγνητοεγκεφαλογράφημα... 50 ΜΕΡΟΣ Β 52 3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ...53 3.1 Πειραματική διαδικασία 53 3.2 Οργάνωση του πειράματος... 55 4. ΑΡΧΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ...57 4.1 Οι συνθήκες που προέκυψαν από το πείραμα... 57 4.2 Εντοπισμός των παρασιτικών σημάτων 58 4.3 Latency of Interest.60 4.4 Οι 46 περιοχές που μελετήθηκαν.. 60 5. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 63 5.1 Neural Gas 63 5.2 Mountain clustering.. 64 5.3 Δείκτης Διαχωρισιμότητας 66 6. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 71 6.1 Σύγκριση Up - Down σακκαδικών... 71 6.2 Σύγκριση Far - Close δοκιμασίας. 73 6.3 Σύγκριση με χρήση του δείκτη διαχωρισιμότητας J. 76 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 78 8. ΑΝΑΦΟΡΕΣ...82 9. A ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 84 9.1 Passive κατάσταση 84 9.2 Κατάσταση SMA 88 9.2.1 UP.. 88 9.2.2 Down.. 90 9.2.3 Left. 92 9.2.4 Right... 94 4

9.3 Κατάσταση SPA... 96 9.3.1 Up... 96 9.3.2 Down.. 98 9.3.3 Left... 102 9.3.4 Right.Error! Bookmark not defined. 10. Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ.108 5

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Έχουνε γίνει πολλές έρευνες με αντικείμενο τη συσχέτιση της εγκεφαλικής λειτουργίας με το οφθαλμοκινητικό σύστημα. Στη συγκεκριμένη έρευνα μελετήθηκε ο ακριβής ρόλος των περιοχών που βρίσκονται στο posterior parietal cortex (PPC) στην κίνηση των ματιών και συγκεκριμένα στις σακκαδικές κινήσεις. Ένα από τα βασικότερα θέματα που μελετήθηκε αφορά στην εγκεφαλική δραστηριότητα όταν στις διαδικασίες κίνησης των ματιών εμπλέκεται και η μετατόπισης των αντικειμένων εστίασης στο χώρο. Το πρόβλημα γίνεται μεγαλύτερο αν λάβουμε υπ όψιν μας ότι υπάρχουν δύο ειδών σακκαδικές, οι εκούσιες και οι αντανακλαστικές. Στο πείραμά μας ερευνήθηκαν οι εκούσιες σακκαδικές. Για να γίνει αυτό 10 δεξιόχειρες υγιείς εθελοντές, εγκεκριμένοι από τη Γαλλική εθνική επιτροπή για την ανθρώπινη έρευνα (CCPPRB, Pitié-Salpêtrière Hospital), πέρασαν από μία τροποποιημένη δοκιμασία καθυστέρησης απομνημόνευσης. Όλη η πειραματική δοκιμασία εκτελέστηκε δύο φορές. Στην πρώτη δοκιμασία οι εξεταζόμενοι ήταν κοντά στην οθόνη, ενώ στην δεύτερη μακριά. Οι κινήσεις των ματιών καταγράφηκαν με ηλεκτροοφθαλμογράφο αμφοτερόφθαλμα. Οι καταγραφές της μαγνητικής δραστηριότητας στον εγκέφαλο έγιναν με ΜΕΓ πλήρους κάλυψης (151 SQUID αισθητήρες, CTF Canada). Για κάθε εξεταζόμενο καταγράφηκε και η ανατομική μαγνητική αξονική τομογραφία. Μελετήθηκαν στατιστικά τα δεδομένα από τις τρεις βασικές περιόδους της δοκιμασίας : α) μετατόπιση της προσοχής στον στόχο, β) απομνημόνευση του στόχου, γ) έναρξη της σακκαδικής κίνησης στον στόχο. Για να φτάσουμε σε κάποια σημαντικά συμπεράσματα τα εγκεφαλικά σήματα που λάβαμε πέρασαν από μαθηματική επεξεργασία. Αρχικά τα σήματα που παρήγαγε κάθε εξεταζόμενος ομαδοποιούνται με neural gas clustering, ώστε να βρεθεί ο βαθμός ενεργοποίησης για όλες τις περιοχές του εγκεφαλικού φλοιού που μελετήθηκαν. Με τον αλγόριθμο mountain clustering διαχωρίστηκαν οι αποκλίσεις που βρίσκονται σε συμφωνία μεταξύ των εξεταζόμενων, ώστε τυχόν παρασιτικές να απομονωθούν. Τέλος δημιουργήθηκε μία καμπύλη διαφορών και ομοιοτήτων με βάση έναν δείκτη 6

διαχωρισιμότητας, ώστε η σύγκριση των σημάτων να γίνεται σωστά και οπτικά εύληπτα. Ο δείκτης διαχωρισιμότητας που χρησιμοποιήθηκε, μεταξύ των συνόλων, είναι η διαφορά των μέσων τιμών των δειγμάτων που ανήκουν σε αυτά τα σύνολα. Τα αποτελέσματα της παραπάνω δουλειάς είναι κυματομορφές διαφορών για τις 46 περιοχές του εγκεφαλικού φλοιού που μελετήθηκαν, για κάθε στάδιο της δοκιμασίας. Σύμφωνα με τους τελικούς πίνακες συμπερασμάτων παρατηρήσαμε ότι τα σήματα είναι διαφορετικά αλλά δεν είναι δεδομένο ποια από τις δύο αποστάσεις, κοντά στην οθόνη ή μακριά από την οθόνη, παρήγαγε μεγαλύτερο σήμα. Τα συμπεράσματα που εξάγονται από την έρευνα που πραγματοποιήθηκε μπορούν να μελετηθούν καλύτερα από ειδικούς επιστήμονες που ασχολούνται από τα εγκεφαλικά σήματα μέχρι την ανάλογη ανθρώπινη συμπεριφορά ABSTRACT A lot of studies have been developed that concern the relation between cerebral activity and the oculomotor system. In the present research the exact role of cortical areas in the posterior parietal cortex (PPC) in the eye movement and specifically in the saccadic movements is analyzed. A main issue that was studied, above many other, and concerns the cortical activation is that the eye movement processes involves the distance of the fixation target. The problem outgrows if we regard that there are two types of saccades, voluntary and reflexive. In our experiment voluntary saccadic movements were studied. In order to accomplice this 10 right - handed healthy volunteers, approved from the French national committee for human research (CCPPRB, Pitié-Salpêtrière Hospital), perform a modified memory-delay task. The experimental task was executed two times. In the first task participants were near the screen, while in second far. Eye movements were recorded binocularly with EOG. MEG activity was recorded with a whole head MEG system (151 sensors, CTF Canada). The anatomical MRI scan was acquired for each subject in the study. Data from the three 7

basic periods of task were statistically studied: a) shift of attention to the target, b) target memorization, c) saccade initiation to the target. To reach to useful conclusions the multitude of cortical signals underwent sophisticated signal analysis that aimed at organizing the information in a compact form and presenting it in a directly interpretable way. Every subject s signals were clustered using the prototyping method of Neural Gas network. In this way the different activation waveforms were compared across all cortical areas. Using Mountain-clustering algorithm the responses from different subjects were checked for consistencies and possible outliers. Finally, a differential curve was created, for each brain region, based on a classdiscriminability index that helped us to compare brain responses from different recording conditions. From analyzing the whole set of available data (different conditions/tasks/subjects), we mined the useful information and presented in a table that can help the neuroscientist to scan the differentially activated brain regions, at specific response latencies, and hopefully will assist him in understanding the dynamics of occulomotor system. 8

ΜΕΡΟΣ Α ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΒΑΣΗ 9

1. ΟΦΘΑΛΜΟΚΙΝΗΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 1.1 Οπτικό Σύστημα Για να λειτουργήσει φυσιολογικά η ανθρώπινη όραση πρέπει να προηγηθεί η δημιουργία ενός ευκρινούς ειδώλου στον αμφιβληστροειδή. Αυτό το είδωλο δημιουργείται από το οπτικό σύστημα. Το ανθρώπινο σύστημα όρασης αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη: 1.Το μάτι (οπτικός αισθητήρας) που χρησιμεύει στη δημιουργία του ειδώλου. 2.Το οπτικό νεύρο που μεταδίδει το ερέθισμα στον εγκέφαλο. 3.Το τμήμα του εγκεφάλου που εκτελεί την επεξεργασία και την τελική κατανόηση της πληροφορίας. Εικόνα 1.Οπτικό σύστημα Στο εμπρός μέρος βρίσκεται το σύστημα συγκέντρωσης και εστίασης των εικόνων. Αυτό το σύστημα αποτελείται από την ίριδα και τον φακό. Στο πίσω μέρος του οφθαλμού υπάρχει ο αμφιβληστροειδής χιτώνας (retina). 10

1.1.1 Η δομή του αμφιβληστροειδούς χιτώνα Στον αμφιβληστροειδή χιτώνα γίνεται η αποτύπωση των χρωμάτων [8]. Είναι ουσιαστικά ένα λεπτό στρώμα κυττάρων που αποτελείται από: 1.Τα αισθητήρια κύτταρα φωτός (Φωτοϋποδοχείς). 2.Οριζόντια κύτταρα 3.Δίπολα κύτταρα 4.Άμακρα κύτταρα και 5.Γαγγλιακά κύτταρα Εικόνα 2. Η δομή του οφθαλμού Στο κέντρο του αμφιβληστροειδή υπάρχει μια μικρή περιοχή που ονομάζεται ωχρά κηλίδα. Στο κέντρο της ωχράς βρίσκεται το κεντρικό βοθρίο. Το κεντρικό βοθρίο συμβάλει στην ανίχνευση των λεπτομερειών της εικόνας. Τέλος στον αμφιβληστροειδή υπάρχει και το μελάχρον επιθήλιο που περιέχει μια μαύρη χρωστική, τη μελανίνη. Η μελανίνη ανακόπτει τη διάχυση του φωτός μέσα στο μάτι. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα πιο ευκρινή εικόνα. 11

Στο σημείο της εστίασης πάνω στον αμφιβληστροειδή χιτώνα υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση των φωτοαισθητήρων. Δίπλα ακριβώς ξεκινά το οπτικό νεύρο που μεταφέρει τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις των φωτοαισθητήρων στον εγκέφαλο. 1.1.2 Η λειτουργία του αμφιβληστροειδούς χιτώνα Το είδωλο της εικόνας ενός αντικειμένου σχηματίζεται στον αμφιβληστροειδή ανεστραμμένο και στις δύο διαστάσεις. Ο αμφιβληστροειδή χωρίζει το οπτικό πεδίο σε δεξιά και αριστερή περιοχή η οποία γίνεται αντιληπτή από διαφορετική ομάδα οπτικών νεύρων σε κάθε μάτι [9]. Τα οπτικά νεύρα διασταυρώνονται στο οπτικό χίασμα (πίσω από τη ρίζα της μύτης), και στέλνουν το σήμα στο αντίστοιχα δεξί και αριστερό έξω γονατώδες σώμα του εγκεφάλου. Από εκεί το σήμα μεταφέρεται στην αντίστοιχα δεξιά και αριστερή πλευρά του πρωτογενούς οπτικού φλοιού του ινιακού λοβού και στις ανώτερες περιοχές του εγκεφάλου για επεξεργασία. Αυτό το κύκλωμα επιτρέπει να βλέπουμε τα αντικείμενα και με το ένα μάτι. Εικόνα 3. Φωτοϋποδοχείς Λόγω της ανομοιόμορφης κατανομής των φωτοϋποδοχέων στον αμφιβληστροειδή διακρίνονται δύο περιοχές διαφορετικής λειτουργικότητας. Μία κεντρική περιοχή με μεγάλη διακριτική ικανότητα, λόγω της μεγάλης πυκνότητας κωνίων, υπεύθυνη για 12

πολύπλοκη και λεπτομερή οπτική επεξεργασία (φοβική όραση) και μία περιφερική περιοχή σημαντική για την ανίχνευση και την κατεύθυνση των ερεθισμάτων λόγω της μεγάλης πυκνότητας ραβδίων (περιφερική όραση). Τα κωνία, είναι υπεύθυνα για την όραση των χρωμάτων. Υπάρχουν τρεις τύποι κωνίων τα κόκκινα(l), τα πράσινα(m) και τα μπλε(s). Η άλλη κατηγορία φωτοϋποδοχέων, τα ραβδία, είναι υπεύθυνα για την όραση στο ημίφως. Τα οριζόντια κύτταρα ανάλογα με τα σήματα που θα πάρουν από τους φωτοϋποδοχείς διεγείρουν ή αναστέλλουν τους δενδρίτες των δίπολων κυττάρων. Αυτή η λειτουργία επιτρέπει ην πιστή μετάδοση των οπτικών σημάτων στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Όμοια λειτουργία με τα οριζόντια έχουν και τα άμακρα κύτταρα. Διεγείρουν ή αναστέλλουν την λειτουργία των γαγγλίων. Υπάρχουν τρεις ομάδες γαγγλιακών κυττάρων τα W, X και Y. Τα W γαγγλιακά κύτταρα είναι υπεύθυνα για την μετάδοση της όρασης από τα ραβδία. Τα X γαγγλιακά κύτταρα είναι υπεύθυνα για την μετάδοση της οπτικής εικόνας και των χρωμάτων. Τα Y γαγγλιακά κύτταρα είναι υπεύθυνα για την μετάδοση στιγμιαίων μεταβολών της οπτικής εικόνας. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω ο αμφιβληστροειδής συνδέεται με το οπτικό νεύρο από όπου περνούν τα οπτικά σήματα και μέσα από το οπτικό χίασμα φτάνουν στον οπτικό φλοιό. Ο οπτικός φλοιός αποτελείται από τον πρωτεύων οπτικό φλοιό (Primary visual cortex) και τις δευτερεύουσες οπτικές περιοχές (Extrastriate cortex). Στην περιοχή του primary οπτικού φλοιού καταλήγουν τα αμεσότερα οπτικά σήματα από τα μάτια. Η ωχρά κηλίδα εκπροσωπείται από αρκετές εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη έκταση εδώ από ότι στον αμφιβληστροειδή. Οι extrastriate οπτικές περιοχές αποκαλούνται συνειρμικές περιοχές για την όραση. Εδώ μεταδίδονται δευτερεύοντα σήματα του οπτικού μηνύματος. 13

1.2 Οφθαλμικοί μύες Η κίνηση των οφθαλμών ελέγχεται αποκλειστικά από ένα σύστημα τριών ανταγωνιστικών ζευγών εξοφθάλμιων μυών υπεύθυνων για κινήσεις κροταφικές, ρινικές, προς τα πάνω και κάτω αλλά και κυκλοστροφικές. Από τους έξι αυτούς μύες οι τέσσερις είναι ορθοί και οι άλλοι δύο λοξοί. Με εξαίρεση τον κάτω λοξό όλοι οι οφθαλμοκινητικοί μύες εκφύονται από την κορυφή του κόγχου. Τα ανταγωνιστικά ζεύγη οφθαλμικών μυών είναι : άνω ορθός και κάτω ορθός που βρίσκονται στο ίδιο κάθετο επίπεδο, έσω ορθός και έξω ορθός που βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο και οι άνω λοξός και κάτω λοξός. Και τα τρία εγκεφαλικά νεύρα που νευρώνουν τους μύες του οφθαλμού εισέρχονται στον οφθαλμικό κόγχο μέσα από το υπερκογχικό σχίσμα [21]. Τα εγκεφαλικά νεύρα είναι το κοινό κινητικό (Εγκεφαλική συζυγία Σ ΙΙΙ), το τροχιλιακό (ΕΣ ΙV) και το απαγωγό (ΕΣ VΙ). Τα νεύρα ΙV και VΙ νευρώνουν το καθένα από έναν μυ, ενώ η ΕΣ ΙΙΙ νευρώνει τους υπόλοιπους πέντε. Η ΕΣ VI νευρώνει τον έξω ορθό μυ και η ΕΣ ΙΙΙ νευρώνει τον ανελκτήρα μυ του άνω βλεφάρου, τον άνω ορθό, τον έσω ορθό, τον κάτω ορθό και τον κάτω λοξό μυ. Οι ίνες και των τριών νεύρων είναι κινητικές προς τους μυς του οφθαλμού. 14

Εικόνα 4. Οφθαλμικοί μύες Περιληπτικά, όλοι οι μύες του οφθαλμού νευρώνονται από την ΕΣ ΙΙΙ, εκτός από τον άνω λοξό και τον έξω ορθό μυ που νευρώνονται από την ΕΣ IV και την VI αντίστοιχα. Οι ενέργειες των μυών του οφθαλμού φαίνονται στον πίνακα 1. Οι έξι μυς στρέφουν τον οφθαλμικό βολβό μέσα στον κόγχο γύρω από τρεις άξονες (οβελιαίο, οριζόντιο και κάθετο). Οι τέσσερις ορθοί μυς διατάσσονται γύρω από τον κεντρικό άξονα του κόγχου, άρα οι έσω, άνω και κάτω ορθοί μυς είναι προσαγωγοί του οφθαλμού. 15

Μυς Δράση Νεύρωση Έσω ορθός Προσαγωγή (κίνηση ρινικά) ΕΣ ΙΙΙ Έξω ορθός Απαγωγή (κίνηση κροταφικά) ΕΣ VΙ Άνω ορθός Άνω στροφή, έσω κυκλοστροφή, προσαγωγή ΕΣ ΙΙΙ Κάτω ορθός Κάτω στροφή, έξω κυκλοστροφή, προσαγωγή ΕΣ ΙΙΙ Άνω λοξός Κάτω στροφή, έσω κυκλοστροφή, απαγωγή ΕΣ ΙV Κάτω λοξός Άνω στροφή, έξω κυκλοστροφή, απαγωγή ΕΣ ΙΙΙ 1.3 Σύστημα προσήλωσης (gaze system) Η διαδικασία της προσήλωσης σε ένα αντικείμενο ελέγχεται από ένα συνδυασμό τριών υποσυστημάτων οφθαλμοκινητικού ελέγχου τα οποία συνθέτουν ένα ολοκληρωμένο σύστημα παρατήρησης (gaze system) [18]. Οι βασικές λειτουργίες του είναι να συλλαμβάνει τις εικόνες και να τις κρατάει σταθερές στην περιοχή του κεντρικού βοθρίου, να εμποδίζει δηλαδή την απομάκρυνση τους από εκεί και να σταθεροποιεί την εικόνα ακόμα και όταν τα αντικείμένα κινούνται ή όταν το κεφάλι κινείται. Τα τρία υποσυστήματα οφθαλμοκινητικού ελέγχου είναι το οφθαλμοκινητικό σύστημα (oculomotor system), το σύστημα σταθεροποίησης (fixation system) και το σύστημα κίνησης του κεφαλιού (headmovement system). 1.3.1 Το οφθαλμοκινητικό σύστημα Το οφθαλμοκινητικό σύστημα υποστηρίζει την παρατήρηση ακίνητων και μη εικόνων. Είναι υπεύθυνο για την ύπαρξη τριών ειδών κινήσεων. Τις σακκαδικές (saccades), τις ομαλές κινήσεις παρακολούθησης (smooth pursuit movements) και τις κινήσεις σύγκλισης - απόκλισης (vergence movements). Οι Σακκαδικές κινήσεις είναι εκούσιες κινήσεις των ματιών (πάνω από 100.000 ημερησίως) με τις οποίες «σαρώνουμε» μία εικόνα. Είναι οι πιο γρήγορες κινήσεις από 16

όλες τις κινήσεις του ανθρωπίνου σώματος (~700ο/sec ) και είναι πολύ σύντομες (~ 50 msec). Το πλάτος και η κατεύθυνσή τους είναι εκούσια (1-20ο) ενώ η ταχύτητά τους είναι ακούσια και καθορίζεται από την εκκεντρότητα του στόχου. Επίσης η εκκεντρότητα και η προβλεψιμότητα του στόχου καθορίζει την καθυστέρησή τους. Τέλος, υφίστανται και χωρίς την απαραίτητη ύπαρξη στόχου ακόμα δηλαδή και σε σκοτοπικές συνθήκες. Στην εικόνα 5 βλέπουμε την τροχιά των σακκαδικών κινήσεων κατά την διάρκεια «σάρωσης» μίας εικόνας. Οι μαύρες κουκίδες ανάμεσα σε δυο σακκαδικές κινήσεις αντιπροσωπεύουν τα προσωρινά σημεία σταθεροποίησης Εικόνα 5. Τροχιά των σακκαδικών Οι ομαλές κινήσεις παρακολούθησης είναι κινήσεις με τις οποίες μπορούμε να παρακολουθήσουμε ένα κινούμενο αντικείμενο στο οπτικό μας πεδίο. Η μέγιστη ταχύτητά τους είναι ~100ο/sec (πολύ μικρότερη από αυτή των σακκαδικών) και ελέγχεται από την ταχύτητα του κινούμενου αντικειμένου. Η προβλεψιμότητα της κίνησης του αντικειμένου (κατεύθυνση και στιγμή έναρξης) καθορίζει και την ταχύτητα απόκρισής τους. Οι κινήσεις σύγκλισης - απόκλισης είναι «ασύζευκτες» οφθαλμικές κινήσεις κατά τις οποίες τα μάτια είτε συγκλίνουν (convergence), κατά την διάρκεια της προσαρμογής, είτε 17

απομακρύνονται (divergence) το ένα από το άλλο. Λαμβάνουν μέρος όταν ένα αντικείμενο πλησιάζει ή απομακρύνεται αντίστοιχα. Καθοδηγούνται από τον βαθμό ανομοιότητας του αμφιβληστροειδικού ειδώλου (το είδωλο του αντικειμένου προβάλλεται σε διαφορετικές περιοχές του αμφ/δή σε κάθε μάτι (retinal disparity). Η σχετική αυτή κίνηση των ματιών αποτελεί μια πολύπλοκη διαδικασία η οποία απαιτεί ανώτερη επεξεργασία στον φλοιό του εγκεφάλου κάτι το οποίο συνεπάγεται καθυστέρηση στην απόκριση της κίνησης. 1.3.2 Το σύστημα σταθεροποίησης Το σύστημα σταθεροποίησης προσδιορίζεται από τις οφθαλμικές κινήσεις που λαμβάνουν μέρος κατά την διάρκεια που προσηλώνουμε σε ένα σταθερό σημείο [17]. Είναι υπεύθυνο για την ύπαρξη τριών ειδών κινήσεων. Τις κινήσεις τρέμουλο (tremors) ή φυσιολογικός νυσταγμός, τις κινήσεις διολίσθησης (drifts) και τις μικροσακκαδικές κινήσεις (microsaccades). Οι κινήσεις τρέμουλο συχνά αποκαλούνται και φυσιολογικός νυσταγμός. Είναι ακούσιες ταλαντωτικές κινήσεις του ενός ή και των δύο ματιών ικανές για να διατηρήσουν τους νευρώνες σε συνεχή λειτουργία. Ουσιαστικά είναι απεριοδικές κυματοειδής κινήσεις των ματιών με συχνότητα ~90 Hz5,6. Αποτελούν τις μικρότερες οφθαλμικές κινήσεις, με πλάτος περίπου όσο η διάμετρος ενός κωνίου στην περιοχή του βοθρίου (~0.5arcmin)7,8. Είναι αρκετά δύσκολο να καταγραφούν με ακρίβεια καθώς τα πλάτη και οι συχνότητες τους είναι συνήθως στο εύρος του θορύβου του συστήματος καταγραφής. Η ακριβής συνεισφορά τους στην υποστήριξη της όρασης δεν έχει ακόμα ξεκαθαριστεί. Πολύ σημαντικό είναι το γεγονός ότι η συχνότητα τους είναι μεγαλύτερη από το όριο flicker fusion (ο ρυθμός ενός flicker πάνω από τον οποίο ένα ερέθισμα εμφανίζεται σταθερό 50-60 Hz για τον άνθρωπο) οπότε το τρέμουλο του ειδώλου μπορεί να είναι αναποτελεσματικό σαν ερέθισμα 9,10. 18

Τέλος έχουν καταγραφεί να είναι ανεξάρτητες στους δύο οφθαλμούς κάτι το οποίο σημαίνει ότι ίσως να περιορίζουν την ικανότητα του οπτικού μας συστήματος να συνδυάζει πληροφορίες από τους δύο αμφιβληστροειδείς, έχοντας άμεση επίπτωση στην στερεοσκοπική όραση. Οι κινήσεις διολίσθησης είναι αργές καμπυλοειδείς κινήσεις οι οποίες λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα με τις tremor κινήσεις στο χρονικό διάστημα μεταξύ των μικροσακκαδικών κινήσεων. Κατά την διάρκεια των κινήσεων διολίσθησης (drifts) το είδωλο του στόχου «γλιστράει» δια μέσου 5-15 φωτοϋποδοχέων. Έχουν καταγραφεί και σαν συζυγείς και σαν μη συζυγείς. Η ύπαρξη τους αρχικά πιστευόταν ότι οφείλεται στην αστάθεια των οφθαλμοκινητικών μυών και ότι αντισταθμίζουν την απομάκρυνση του ειδώλου από το βοθρίο λόγω των μικροσακκαδικών κινήσεων. Εντούτοις πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει πως έχουν αντισταθμιστικό ρόλο στην υποστήριξη της ακριβούς προσήλωσης ακόμα και κατά την απουσία των μικροσακκαδικών ή σε διαστήματα κατά τα οποία η αντιστάθμιση από τις μικροσακκαδικές είναι σχετικά ανεπαρκής. Τέλος όπως και οι τρέμουλο κινήσεις έτσι και οι κινήσεις διολίσθησης μπορεί να προέρχονται από τον θόρυβο και την μεταβλητότητα των νευρωνικών αποκρίσεων με άμεση επιρροή στους οφθαλμικούς μύες. Τέλος οι μικροσακκαδικές κινήσεις είναι μικρές, απότομες, ακούσιες κινήσεις οι οποίες παρουσιάζονται κατά την διάρκεια της προσήλωσης. Ουσιαστικά μεταφέρουν το αμφιβληστροειδικό είδωλο δια μέσου μερικών δεκάδων φωτοϋποδοχέων. Το πλάτος της κίνησης του κυμαίνεται μεταξύ 5-120 arcmin17 (δεν μπορούν όμως να προσδιορισθούν μόνο από το μέγεθός τους), η συχνότητα τους από 0,1-5 Hz18 και διαρκούν περίπου 25ms. Μικροσακκαδικές κινήσεις έχουν παρατηρηθεί και σε διάφορα άλλα είδη εκτός του ανθρώπου και κυρίως σε είδη με φοβική όραση (foveal vision). Ο πιθανότερος ρόλος των μικροσακκαδικών είναι να διορθώνουν μετατοπίσεις των ματιών οι οποίες παράγονται από τις κινήσεις διολίσθησης (drifts). Η πιθανότητα 19

ύπαρξης, κατευθυντικότητας και πλάτους των εξαρτάται από προηγούμενες μετατοπίσεις του αμφιβληστροειδικού ειδώλου. Για παράδειγμα αν οι κινήσεις διολίσθησης μεταφέρουν τον στόχο προσήλωσης μακριά από το κεντρικό βοθρίο, οι μικροσακκαδικές τείνουν να επαναφέρουν το είδωλο πίσω. Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι ίσως να αντιδρούν στην αδρανοποίηση και την προσαρμογή των φωτοϋποδοχέων σε μια μικρή κλίμακα χρόνου και στην διόρθωση σφαλμάτων προσήλωσης σε μια πιο ευρεία κλίμακα χρόνου. Πολύ σημαντική επίσης είναι και η γραμμική εξάρτηση της ταχύτητας τους με το πλάτος της κίνησής τους. Οι οφθαλμικές κινήσεις μπορεί να είναι συζυγείς (conjugate) και μη συζυγείς (non conjugate) [19]. Κατά τις συζυγείς κινήσεις οι δύο οφθαλμοί κινούνται στην ίδια κατεύθυνση και περίπου κατά το ίδιο πλάτος και την ίδια γωνιακή ταχύτητα, όπως π.χ. κατά την διάρκεια μιας σακκαδικής κίνησης προς τα αριστερά όπου ο δεξιός οφθαλμός κινείται ρινικά και ο αριστερός κροταφικά. Κατά τις μη συζυγείς κινήσεις οι δύο οφθαλμοί κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις όπως συμβαίνει στην σύγκλιση των οφθαλμών κατά την προσαρμογή. Εικόνα 6. Συζυγείς και μη συζυγείς οφθαλμικές κινήσεις Στη παρακάτω εικόνα φαίνεται ότι το πλάτος των τρέμουλο κινήσεων είναι περίπου όσο η διάμετρος ενός κωνίου του κεντρικού βοθρίου, δηλαδή της τάξης των 2.5μm ή 0.5arcmin (αντιστοιχία σε γωνία όρασης), όπου το 1arcmin είναι το 1/60 της μοίρας 20

(deg). Αντίστοιχα το πλάτος των μικροσακκαδικών κινήσεων κυμαίνεται μεταξύ 5-120 arcmin (25-100μm) και των κινήσεων διολίσθησης μεταξύ 2.5-7.5 arcmin (12.5-37.5μm). Το είδωλο οδηγείται προς το κέντρο της ωχράς μέσω των μικροσακκαδικών κινήσεων (ευθείες μαύρες γραμμές) μετά από την απομάκρυνσή του από αυτήν από τις κινήσεις διολίσθησης (καμπυλοειδής γραμμές). Οι μικρές ταλαντωτικές κινήσεις που λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα με τις κινήσεις διολίσθησης είναι οι τρέμουλο κινήσεις. Εικόνα 7. Οφθαλμικές μικροκινήσεις 1.3.3 Το σύστημα κίνησης του κεφαλιού Το οφθαλμοκινητικό σύστημα και το σύστημα σταθεροποίησης συνδέονται άμεσα με το σύστημα κίνησης του κεφαλιού. Εξαιτίας της συνεχούς ακούσιας και εκούσιας κίνησης του κεφαλιού, το πλάτος και η κατεύθυνση των οφθαλμικών κινήσεων επηρεάζεται από το μέγεθος της κίνησης του. Παλαιότερες έρευνες έχουν δείξει ότι η κίνηση του κεφαλιού έχει βοηθητικό ρόλο στην διαδικασία αποφυγής της οπτικής νευρωνικής προσαρμογής. Έτσι τα χαρακτηριστικά (μέγεθος, ταχύτητα, κατεύθυνση και συχνότητα) 21

των οφθαλμικών κινήσεων σε συνθήκες όπου το κεφάλι είναι σταθεροποιημένο διαφέρουν σε συνθήκες όπου το κεφάλι είναι ελεύθερο. Το σύστημα κίνησης του κεφαλιού ελέγχεται από δυο ειδών αντανακλαστικές κινήσεις (reflex). Το vestibular ocular reflex και το optokinetic reflex. Η vestibular οcular reflex είναι η πιο αρχέγονη αντανακλαστική κίνηση ελέγχου της προσήλωσης του βλέμματος. Καθοδηγείται από ένα μηχανισμό στο εσωτερικό του αυτιού (vestibular μηχανισμός) ο οποίος αποτελείται από τρεις ημικυκλικούς σωλήνες με υγρό οι οποίοι παρέχουν στον εγκέφαλο πληροφορίες για την θέση του σώματος και του κεφαλιού στο χώρο. Ο μηχανισμός αυτός λειτουργεί έτσι ώστε να διατηρούμε το είδωλο μιας εικόνας στη fovea ακόμα και όταν το κεφάλι ή το σώμα κινούνται. Ουσιαστικά τα μάτια στρέφονται σε αντίθετη κατεύθυνση σε σχέση με το κεφάλι ώστε να προσηλώνουν σε κάποιο σταθερό σημείο. Η οptokinetic reflex αποτελείται από εναλλακτικές σακκαδικές κινήσεις και ομαλές κινήσεις παρακολούθησης, αντίθετης κατεύθυνσης, οι οποίες λαμβάνουν χώρα όταν προσπαθούμε να προσηλώσουμε σε διαδοχικά περάσματα κινούμενων αντικειμένων (π.χ. όταν προσπαθούμε να παρακολουθήσουμε διαδοχικά περάσματα αυτοκινήτων που περνάνε από μπροστά μας). Οι εναλλακτικές αυτές smooth pursuit (slow phase) και σακκαδικές (fast phase) κινήσεις συνθέτουν τον λεγόμενο οπτοκινητικό νυσταγμό (ΟΚΝ). 22

1.4 Οι Μηχανισμοί προσήλωσης και προσοχής των ματιών μέσα από τις οφθαλμικές κινήσεις 1.4.1 Ο ρόλος των οφθαλμικών κινήσεων προσήλωσης Ο ρόλος των οφθαλμικών κινήσεων κατά την διάρκεια που προσηλώνουμε σε ένα στόχο (αλλά και κατά την διάρκεια που ανιχνεύουμε το οπτικό μας περιβάλλον) είναι πολύ σημαντικός για την λειτουργικότητα της όρασης [16]. Μέσω των οφθαλμικών κινήσεων τα είδωλα των αντικειμένων κατευθύνονται στην κεντρική περιοχή του αμφ/δή, στην οποία υπάρχει και μεγαλύτερη πυκνότητα κωνίων, από όπου ξεκινάει μία πολύπλοκη διαδικασία επεξεργασίας της πληροφορίας σε ανώτερες εγκεφαλικές οδούς. Λόγω του ότι το περιβάλλον μας είναι συνεχώς μεταβαλλόμενο το νευρικό μας σύστημα έχει εξελιχθεί έτσι ώστε να μπορούμε να ανιχνεύουμε «ξαφνικές» αλλαγές. Στάσιμες εικόνες προκαλούν «νευρωνική προσαρμογή» (αδρανοποίηση των οπτικών νευρώνων) με αποτέλεσμα την αποτυχία της οπτικής μας αντίληψης. Εικόνα 8. Troxler s effect 23

Στην εικόνα 8 προσηλώνοντας στην κόκκινη κηλίδα για λίγα δευτερόλεπτα ο κυκλικός δίσκος που την περιβάλλει εξαφανίζεται σταδιακά εξαιτίας της περιφερικής νευρωνικής προσαρμογής. Η απλούστερη εξήγηση αυτής της αποτυχίας της οπτικής μας αντίληψης είναι ότι το μέγεθος των μικροκινήσεων προσήλωσης είναι μικρότερο από το μέγεθος των υποδεκτικών πεδίων της περιφέρειας του αμφιβληστροειδή με αποτέλεσμα να μην είναι ικανές να αποτρέψουν την περιφερική οπτική εξαφάνιση ειδικά για ερέθισμα χαμηλής φωτεινής αντίθεσης. Κίνηση των ματιών κάνει άμεσα τον κυκλικό δίσκο οπτικά αντιληπτό. Στην πραγματικότητα η νευρωνική προσαρμογή αποφεύγεται λόγω του ότι η εικόνα που προβάλλεται στον αμφιβληστροειδή δεν είναι ποτέ σταθερή εξαιτίας της συνεχούς ακούσιας και εκούσιας κίνησης των ματιών μας ακόμα και όταν προσηλώνουμε το βλέμμα μας σε ένα ακίνητο στόχο. Στην εικόνα 9 εστιάζοντας στην μαύρη κηλίδα για περίπου ένα λεπτό και αμέσως μετά στην άσπρη, γίνονται αντιληπτές οι οφθαλμικές κινήσεις προσήλωσης (1961 Taylor & Francis). Εικόνα 9. Taylor & Francis effect 24

Η αλλαγή της κατεύθυνσης της προσήλωσης σχετίζονται στενά με την αλλαγή κατεύθυνσης της προσοχής. Μπορούμε να αλλάξουμε την κατεύθυνση προσοχής χωρίς να αλλάζουμε την κατεύθυνση προσήλωσης. Αλλά δεν είναι ξεκάθαρο αν μπορούμε να αλλάξουμε την κατεύθυνση προσήλωσης χωρίς να αλλάζουμε την κατεύθυνση προσοχής, τουλάχιστον όταν η αλλαγή της κατεύθυνσης προσήλωσης είναι οπτικά καθοδηγούμενη σακκαδική κίνηση. Μελέτες της προσοχής έχουν προσπαθήσει να αποφύγουν τις κινήσεις των ματιών για να μην μπερδέψουν τους μηχανισμούς των σακκαδικών με τους μηχανισμούς της προσοχής. Παρακάτω θα αναλυθεί το τι συμβαίνει στον χρόνο που προηγείται των οπτικά καθοδηγούμενων σακκαδικών κινήσεων, π.χ. ποιοι μηχανισμοί προσοχής ενεργοποιούνται στον χρόνο αντίδρασης των σακκαδικών (saccadic reaction time-srt). 1.4.2 Γρήγορες σακκαδικές Ο κλασσικός χρόνος αντίδρασης μιας σακκαδικής που πυροδοτείται από περιφερειακό φωτεινό στόχο είναι της τάξης των 200 msec [1]. Χρειάζεται μόνο ένα σχετικά μικρό κλάσμα αυτού του χρόνου μέχρι να μεταφερθεί το οπτικό σήμα (30 msec ) και να γίνει η κίνηση των ματιών (λιγότερο από 20 msec). Τι γίνεται όμως στον εγκεφαλο τον υπόλοιπο χρόνο; O Saslow το 1967 ανέφερε ότι η εισαγωγή ενός προσωρινού κενού ανάμεσα στο σβήσιμο του κεντρικού σταθερού σημείου και στο άναμμα περιφερειακού φωτεινού στόχου μειώνει τον χρόνο αντίδρασης των σακκαδικών γύρω στα 150 msec σε σχέση με τα 250 msec όταν το κεντρικό σταθερό σημείο παραμένει ορατό. Το 1983 οι Fisher και Boch, χρησιμοποιώντας το κενό που αναφέρθηκε παραπάνω για έρευνα σε πιθήκους, είχε ως αποτέλεσμα να σημειωθούν κατευθυνόμενες σακκαδικές κινήσεις ματιών με χαρακτηριστικά μικρό χρόνο αντίδρασης. Οι πίθηκοι έπρεπε να εστιάσουν σε έναν σταθερό σημείο που έσβηνε μετά από λίγα δευτερόλεπτα. Μετά από ένα προσωρινό κενό 200 msec εμφανιζόταν ένας περιφερειακός στόχος προς τον οποίο απαιτούνταν από τα ζώα να κάνουν μια σακκαδική, για να αντιληφθούν μία μικρή μείωση της έντασης του φωτεινού στόχου. Κατά τη διάρκεια του SRT εμφανίστηκε μια ξεχωριστή κορυφή 25

(μέγιστο) γύρω στα 70 msec και μία δεύτερη κορυφή γύρω στα 140 msec. Οι σακκαδικές που συμβάλλουν στην πρώτη κορυφή αποκαλούνται express saccades και αυτές που συμβάλλουν στην δεύτερη κορυφή regular saccades. Αργότερα ανακαλύφθηκε ότι το κενό μεταξύ του σβησίματος του σταθερού σημείου και το άναμμα του στόχου δεν ήταν απαραίτητη προϋπόθεση για να γίνει μία express σακκαδική. Ακόμα και αν το σταθερό σημείο παρέμενε ορατό τα ζώα μπορούσαν να κάνουν express σακκαδική μετά από λίγη εκπαίδευση. Οι Fisher και Ramsperger χρησιμοποιώντας πάλι το παράδειγμα του κενού έδειξαν ότι και οι άνθρωποι μπορούν να κάνουν express σακκαδικές []. Η αντίστοιχη κορυφή κατά τον SRT παρουσιάζεται γύρω στα 100 ή 120 msec. Εξαρτάται από το αν η θέση του στόχου είναι προβλέψιμη. Όπως και στα ζώα, έτσι και στους ανθρώπους δεν ήταν απαραίτητο το κενό για πραγματοποιηθούν express σακκαδικές. Συμβαίνουν και όταν το σταθερό σημείο παραμένει ορατό (overlap), μετά από λίγη εξάσκηση. Παρόλ αυτά, με την οδηγία να εστιάζουν στο σταθερό σημείο προσεκτικά, οι ανθρώπινοι παρατηρητές σπάνια κάνουν express σακκαδικές στο παράδειγμα overlap. Αντιθέτως πετυχαίνουν σχετικά μεγάλους χρόνους αντίδρασης (της τάξης των 220 msec ή περισσότερο) ( slow regular saccades ), σύμφωνα με τον Saslow. 26

Εικόνα 10. SRT από έναν άνθρωπο Στην εικόνα 10 φαίνονται τρία αποτελέσματα SRT που έγιναν από έναν άνθρωπο. Το Α έγινε με το παράδειγμα του κενού και το B με το overlap και την οδηγία να προσέχει στο σταθερό σημείο. Η πρώτη κορυφή στο Α που αναπαριστά την express σακκαδική είναι πολύ μεγαλύτερη από την πρώτη κορυφή στο Β. Πρέπει να σημειωθεί ότι η δεύτερη κορυφή του Α δεν αντιστοιχεί στην δεύτερη κορυφή του Β. Με άλλα λόγια το συνολικό φάσμα του SRT περιέχει τουλάχιστον τρεις διαχωρισμένες ομάδες χρόνου αντίδρασης. Αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η προπαρασκευαστική διαδικασία των σακκαδικών περιέχει τρεις διαδικασίες κατανάλωσης χρόνου, μια από τις οποίες έχει να κάνει με το μηχανισμό προσοχής. Ακόμα περισσότερες express σακκαδικές έγιναν κατά την overlap διαδικασία όταν ζητήθηκε από τα αντικείμενα να κρατάνε το βλέμμα τους στο σταθερό σημείο χωρίς να 27

προσπαθούν τα το προσέχουν. Η εικόνα 10 C δείχνει τα αποτελέσματα που παίρνουμε μετά από αυτή την απλή οδηγία. Η πρώτη κορυφή έφτασε την τιμή της δεύτερης. Μετά από τα παραπάνω γίνεται ξεκάθαρο ότι η παρουσία ή απουσία του σταθερού σημείου μπορεί να μη μετρήσει για την εμφάνιση express σακκαδικών. Πειράματα έχουν δείξει ότι αυτό το φαινόμενο δεν μπορεί να εξηγηθεί με ενέργειες πρόβλεψης ή προειδοποίησης γιατί οι express σακκαδικές πετυχαίνονται και χωρίς προειδοποιητικά σήματα ή υπό τυχαίες συνθήκες. Εντωμεταξύ οι ύπαρξη των express σακκαδικών επιβεβαιώθικε στος πίθηκους από τον Schiller και τους Rohrer με Sparks. O Schiller έδειξε ότι για να γίνουν οι express σακκαδικές (σε αντίθεση με τις regular σακκαδικές) πρέπει να παραμείνει ανέπαφο το superior colliculus και όχι το frontal eye field. Οι Rohrer και Sparks έδειξαν ότι οι express σακκαδικές, όπως και άλλες σακκαδικές, προηγούνται από νευρωνικές διεργασίες στο superior colliculus. 1.4.3 Αναστολή των express σακκαδικών με οπτικά κατευθυνόμενη προσοχή Αφού η εξαφάνιση του σταθερού σημείου (παράδειγμα του κενού) και η αγνόησή του (overlap παράδειγμα) φαίνονταν να διευκολύνει την εμφάνιση express σακκαδικών, διεξήχθησαν πολλά πειράματα στα οποία η κατεύθυνση του βλέμματος (προσήλωση) ήταν διαχωρισμένη στον χώρο από την κατεύθυνση της προσοχής. Τα αντικείμενα μάθαιναν να κατευθύνουν το βλέμμα τους ευθεία μπροστά στο κέντρο μίας οθόνης, χωρίς να τους δίνεται ένα σταθερό σημείο. Επίσης μάθαιναν να κατευθύνουν την προσοχή τους σε ένα μικρό φωτεινό σημείο τοποθετημένο περιφερειακά. Όταν εμφανιζόταν ο σακκαδικός στόχος 4 μοίρες δεξιά ή αριστερά, με τυχαία σειρά, έπρεπε να κινήσουν τα μάτια τους από το κέντρο της οθόνης στον στόχο. Χρησιμοποιήθηκαν πάλι δύο καταστάσεις 1) ο στόχος της προσοχής παρέμενε ορατός (overlap) όταν ο σακκαδικός στόχος εμφανιζόταν και 2) ο στόχος της προσοχής εξαφανίζονταν πριν την εμφάνιση του σακκαδικού στόχου. 28

Εικόνα 11.Express σακκαδικές στην περιφερειακή προσοχή Η εικόνα 11 Α δείχνει τη διεξαγωγή του SRT στην overlap κατάσταση με τον στόχο της προσοχής τοποθετημένο 5 μοίρες πάνω από το κέντρο της οθόνης. Οι express σακκαδικές είναι σχεδόν ανύπαρκτες. Στη 11 Β διεξαγωγή βλέπουμε ότι με τη δεύτερη κατάσταση (με το χρονικό κενό) υπάρχουν πολλές express σακκαδικές. Ένα συμπέρασμα από αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να είναι ότι η προσοχή που κατευθύνεται σε τμήματα του οπτικού πεδίου εκτός της θέσης του σακκαδικού στόχου, προλαμβάνει την εμφάνιση express σακκαδικών, αφού η αλλαγή της προσοχής μπορεί να είναι απαραίτητη πριν ξεκινήσει η σακκαδική. Στην overlap κατάσταση αυτή η αλλαγή της κατεύθυνσης της προσοχής απαιτεί επιπλέον χρόνο μαζί με τον χρόνο αντίδρασης των σακκαδικών (SRT), ενώ στην κατάσταση του χρονικού κενού αυτή η αλλαγή μπορεί να γίνει κατά τη διάρκεια του κενού, πρίν την πυροδότηση της σακκαδικής. 29

Με βάση τη παραπάνω εξήγηση, θα περίμενε κανείς πολλές express σακκαδικές στην overlap κατάσταση, όταν ο στόχος της προσοχής είναι στη θέση του σακκαδικού στόχου, αφού η προσοχή θα έχει ήδη αλλάξει προς αυτή τη θέση. Το αποτέλεσμα αυτού του πειράματος φαίνεται στην εικόνα 11 C. Όμως δε συμβαίνει σχεδόν καμία σακκαδική, παρόλο που η προσοχή των υποκειμένων προτρέπονταν συνεχώς προς τη θέση του σακκαδικού στόχου. Συμπεραίνουμε ότι η οπτικά κατευθυνόμενη προσοχή, όπου και να γίνει στο οπτικό πεδίο, αναστέλλει τις express σακκαδικές. Εικόνα 12. Περιφερειακή αντίληψη με κέντρο εστίασης Για να δείξουμε ότι η μεταφορά στον εγκέφαλο του σβησίματος του περιφερειακού στόχου δε μπορεί να εξηγήσει την εμφάνιση express σακκαδικών, διεξάχθηκε ένα άλλο ελεγχόμενο πείραμα. Τα υποκείμενα έπρεπε να διατηρούν το βλέμμα τους σε ένα κεντρικό σταθερό σημείο μαζί με τη παρουσία επιπρόσθετου περιφερειακού ερεθίσματος 4 μοίρες στα αριστερά. Το κεντρικό σταθερό σημείο παρέμενε ορατό όταν εμφανίζονταν ο σακκαδικός στόχος (overlap), ενώ το περιφερειακό ερέθισμα έσβηνε 200 msec 30

(χρονικό κενό) πριν την εμφάνιση του σακκαδικού στόχου 4 μοίρες δεξιά. Στη πρώτη αποστολή ζητήθηκε από τα υποκείμενα να προσέχουν το αριστερό ερέθισμα (χρονικό κενό). Στην εικόνα 12 Α φαίνονται τα αποτελέσματα από ένα υποκείμενο. Στη δεύτερη αποστολή ζητήθηκε από τα υποκείμενα να προσέχουν το δεξί ερέθισμα (overlap). Στην εικόνα 12 Β φαίνονται τα αποτελέσματα από το ίδιο υποκείμενο. Η σύγκριση του Α και Β δείχνει ότι παρόλο που και στις δύο αποστολές η φυσική κατάσταση ήταν η ίδια, τα αποτελέσματα είναι διαφορετικά. Όταν η προσοχή οδηγείται στα αριστερά γίνονται πολλές express σακκαδικές. Εδώ το σβήσιμο του στόχου προσοχής 200 msec πριν το άναμμα του σακκαδικού στόχου επιτρέπει την απεμπλοκή της προσοχής έτσι ώστε η αντίδραση στον σακκαδικό στόχο να είναι μία express σακκαδική. Ωστόσο, όταν το περιφερειακό (αριστερό) ερέθισμα παραμελήθηκε και η προσοχή οδηγήθηκε στο κεντρικό σταθερό σημείο (overlap), η απεμπλοκή της προσοχής έγινε δυνατή μόνο με τη πυροδότηση του σακκαδικού στόχου στα δεξιά. Και πάλι τα παραπάνω στηρίζουν την αντίληψη ότι όταν υπάρχει η προσοχή αναστέλλεται το σακκαδικό σύστημα. Το λογικό συμπέρασμα από αυτό το αποτέλεσμα είναι ότι το σύστημα προσοχής μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις : ενεργό, δηλαδή κατευθυνόμενο ή μη ενεργό. Με άλλα λόγια αν έχουμε απεμπλοκή της προσοχής επιτρέπονται οι express σακκαδικές. Αντιθέτως σε περιπτώσεις που δίνεται η εντολή να γίνει σακκαδική όταν είναι ενεργή η προσοχή, η αλλαγή από ενεργή σε μη ενεργή διαρκεί πολύ, συνεπώς προσθέτει σακκαδική καθυστέρηση. 1.4.4 Εκπαίδευση για τις express σακκαδικές Παρατηρήσαμε νωρίτερα ότι όταν έχουμε την κατάσταση overlap οι οδηγίες να μην υπάρχει προσοχή στο σταθερό σημείο οδηγεί σε μερικές αλά όχι πολλές express σακκαδικές. Θα μπορούσε κανείς να πει ότι η οδηγία μην προσέχεις το σταθερό σημείο μπορεί να δυσκολέψει τα υποκείμενα, γιατι δεν είναι φυσικό να μη προσέχει κανείς το μοναδικό φωτεινό σημείο στο οπτικό του πεδίο τη στιγμή που πρέπει να έχει το βλέμμα του σε αυτό. Ωστόσο υπάρχει μια λογική πιθανότητα μετά από εξάσκηση να μάθει κανείς 31

να αλλάζει την προσοχή του από το σταθερό σημείο, αυξάνοντας τις πιθανότητες να παράγει express σακκαδικές. Εικόνα 13. SRT ενός ανθρώπου μετά από εξάσκηση Η εικόνα 13 συνοψίζει τα αποτελέσματα ενός υποκειμένου πριν και μετά από 10 μέρες εξάσκησης με το overlap παράδειγμα. Τα Α και Β δείχνουν τα αποτελέσματα των σακκαδικών προς τα δεξιά και προς τα αριστερά αντίστοιχα πριν από την περίοδο εξάσκησης. Τα C και D δείχνουν τα αποτελέσματα των ίδιων σακκαδικών αφού ο άνθρωπος είχε εκπαιδευτεί μόνο σε σακκαδικές στα δεξιά. Η σύγκριση των εικόνων A και C δείχνει τα αποτελέσματα της εξάσκησης. Η σύγκριση των εικόνων B και D δείχνει ότι η εκπαίδευση στα δεξιά επηρέασε και τα αποτελέσματα των αριστερών σακκαδικών. Καθ όλη την εκπαίδευση η οδηγία ήταν να μην προσέχει το σταθερό σημείο. Τα συμπεράσματα που βγάζουμε από την παραπάνω εικόνα είναι ότι κάποιος μπορεί να μάθει όχι μόνο να μη προσέχει εθελοντικά αλλά και ότι το σύστημα προσοχής είναι 32

δομημένο με έναν τρόπο που σχετίζεται με τον αμφιβληστροειδή. Αυτό το συμπέρασμα μπορεί να διεξαχθεί και από τις έρευνες που είχαν γίνει στους πίθηκους (Fischer). Οι πίθηκοι έμαθαν να κάνουν express σακκαδικές σε μια συγκεκριμένη θέση. Μετά την εκπαίδευση τα ζώα κάνανε κυρίως ομαλές σακκαδικές σε μη εκπαιδευμένες θέσεις και express σακκαδικές στις εκπαιδευμένε θέσεις και στις γειτονικές τους, αν και οι θέσεις των στόχων ήταν μη προβλέψιμες σε όλο το οπτικό πεδίο. 1.4.5 Συντονισμός της κίνησης των ματιών από την προσοχή Τα δεδομένα που συνοψίζονται παραπάνω έδειξαν ότι : 1) Η οπτικά καθοδηγούμενη προσοχή μειώνει σημαντικά την εμφάνιση express σακκαδικών. 2) Το σύστημα προσοχής έχει δύο καταστάσεις α) ενεργή και β) μη ενεργή 3) Χρειάζεται χρόνος για να αλλάξει κανείς από τη μια κατάσταση στην άλλη. Το ερώτημα που γεννάται είναι πώς το οπτικό σύστημα (ως αισθητήριο σύστημα), το σακκαδικό σύστημα (ως κινητικό σύστημα) και το σύστημα προσοχής (ούτε αισθητήριο σύστημα, ούτε κινητικό σύστημα) λειτουργούν μαζί υπό κανονικές συνθήκες όρασης. Ας υποθέσουμε ότι οι express σακκαδικές είναι αντανακλαστικές κινήσεις ματιών για τις οποίες μεσολαβεί το superior colliculus και πιθανόν το striate cortex, αλλά όχι το frontal eye field. Τότε τα παραπάνω αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι αυτές οι αντανακλάσεις αναστέλλονται έμμεσα ή άμεσα από την οπτικά καθοδηγούμενη προσοχή. Αφού κατά τη σταθεροποίηση της προσοχής όλες οι σακκαδικές πρέπει εξ ορισμού να σταματήσουν, τότε θα υποθέσουμε ότι η οπτικά καθοδηγούμενη προσοχή γενικά αναστέλλει κάθε σακκαδική, όχι μόνο τις express. 33

1.5 Έλεγχος των οπτικών κινήσεων από τον εγκεφαλικό φλοιό Εικόνα. 14. Βασικές εγκεφαλικές περιοχές που συνδέονται με τις σακκαδικές κινήσεις 1.5.1 Frontal lobe Στον εμπρόσθιο λοβό εμπλέκονται τρεις βασικές περιοχές στον έλεγχο της κίνησης των ματιών [11]. Η μετωπική περιοχή των ματιών ( frontal eye field, FEF ), η συμπληρωματική περιοχή των ματιών ( supplementary eye field, SEF ) και νωτιαίος ( dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC). H μετωπική περιοχή των ματιών Η FEF εμπλέκεται στην προετοιμασία και στην πυροδότηση όλων των εκούσιων σακκαδικών κινήσεων που πυροδοτούνται εσωτερικά προς την κατεύθυνση του στόχου 34

που έχει ήδη παρουσιαστεί ( intentional visual guided saccade ), που δεν έχει παρουσιαστεί ακόμα ( predictive saccade ), που δεν είναι πλέον ορατά ( memory guided saccade ) ή τοποθετημένο σε αντίθετη κατεύθυνση ( antisaccade ). Αυτή η περιοχή εμπλέκεται λιγότερο σε πυροδοτούμενες ή ανακλαστικές οπτικά καθοδηγούμενες σακκαδικές (prosaccades) που πυροδοτούνται εξωτερικά από ξαφνικά εμφανιζόμενο περιφερειακό ερέθισμα και εξαρτώνται κυρίως από το PFΕ. Η FEF ελέγχει επίσης τις pursuit eye movements (PEMs) μαζί με τις posterior-parieto-temporal περιοχές. Πρόσφατες έρευνες στις FEF αφορούν τη θέση τους και τον ρόλο τους στον έλεγχο των PEMs. Η θέση του Μελέτες που χρησιμοποιούν fmri έχουν οριοθετημένη την περιοχή των FEF κυρίως στο ενδιάμεσο μεταξύ του precentral sulcus και του superior frontal sulcus. Χάρη σε πρόσφατη fmri έρευνα όπου χρησιμοποιήθηκαν 3 tesla, η περιοχή FEF που σχετίζεται με σακκαδικές έχει τοποθετηθεί στο άνω τμήμα του εμπρόσθιου τοίχους του precentral sulcus. Οι περιοχές που σχετίζονται με τις pursuit κινήσεις βρίσκονται σε μια βαθύτερη περιοχή κατά μήκος του εμπρόσθιου τοίχους, στο fundus και στο βαθύ τμήμα του οπίσθιου τοίχους. Αυτά τα ευρήματα δείχνουν μια μεγάλη ομοιομορφία στην οργάνωση των FEF στους ανθρώπους και τους πίθικους. Ακόμα χρησιμοποιώντας ομάδες ιστών με ετικέτες από ανθρώπινους εγκεφάλους ( από ανθρώπους που έχουν πεθάνει ) αποδείχθηκε ότι η περιοχή που ορίζεται από τις fmri μελέτες μέσα στο precentral sulcus μπορεί να ταξινομηθεί με χημικοαρχιτεκτονικά κριτήρια ως motor cortex, αποτέλεσμα που αναμένονταν αν λάβουμε υπ όψην μας τις λειτουργίες της FEFs με έλεγχο των PEM και πυροδότηση σακκαδικών. Στο precentral sulcus εκτός από η βασική θέση της FEF, που τοποθετείται στην ένωση με το superior frontal sulcus μια άλλη περιοχή που ενεργοποιείται συχνά παρατηρείται στις fmri μελέτες κατά μήκος του πλευρικού τμήματος του εγκεφαλικού φλοιού. Ο ακριβής ρόλος αυτής της πλευρικής περιοχής αναμένεται τα καθοριστεί, αφού ενεργοποιείται από συνδυασμό ή όχι κινήσεων ματιών και κεφαλιού. 35

Pursuit eye movments Σε δύο μελέτες ηλεκτρικών ερεθισμάτων στα ανθρώπινα FEFs, παρατηρήθηκαν αργές ταυτόχρονες προς αντίθετες μεριές αποκλίσεις των ματιών. Τέτοιες αργές αποκλίσεις θα μπορούσαν να αντιστοιχούν σε PEMs σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά ταχύτητάς τους. Οι περιοχές διέγερσης αυτών των αργών αποκλίσεων τοποθετήθηκαν στο precentral sulcus, πιο πίσω από τις περιοχές διέγερσης των σακκαδικών, κάτι που συμφωνεί με τα fmri δεδομένα. Ωστόσο πρέπει να σημειωθεί ότι το ημισφαίριο του ανθρώπινου εγκεφάλου, μαζί με την FEF ελέγχει κυρίως μονόπλευρες REMs, ακόμα και μέσω πειραματικών δεδομένων και οι έρευνες για τις ανθρώπινες περιοχές με βλάβες προτείνουν ότι κάποιος βαθμός του contralateral (ταυτόχρονος προς αντίθετες κατευθύνσεις) ελέγχου για κάθε περιοχή επίσης υπάρχει. Για να εξηγηθεί αυτή η φαινομενική ασυμφωνία μεταξύ του βασικού μονόπλευρου ελέγχου του ημισφαίριου στις PEMs και των αποτελεσμάτων από τις μελέτες ηλεκτρικών διεγέρσεων, μπορεί να υποτεθεί ότι η διέγερση, που ήταν επιφανειακή στην FEF σε αυτή τη μελέτη, στην ουσία εμπλέκει μόνο περιοχές που ελέγχουν contralateral PEMs. Πραγματικά τέτοιες περιοχές μπορούν να τοποθετηθούν πιο επιφανειακά απ ότι οι περιοχές των μονόπλευρων PEMs. Όπως οι μελέτες για τις περιοχές με βλάβες, οι fmri μελέτες προτείνουν ότι οι FEF ελέγχουν επίσης τον οπτικοκινητικό νυσταγμό, με την ενεργοποίηση σε αυτή τη περιοχή και σε άλλες posterior περιοχές του ημισφαιρίου που εμπλέκονται στις PEM, αλλά και με άλλες υποδεέστερες αποενεργοποιήσεις από διαφορετικές περιοχές του φλοιού που εμπλέκονται στον vestibular έλεγχο. Τέτοια αποτελέσματα μπορεί να οφείλονται σε αμοιβαία ανασταλτική visuo-vestibular αλληλεπιδραση που υπάρχει στο εγκεφαλικό επίπεδο για να διατηρεί την αντίληψη της self-motion. Τέλος έχει αποδειχθεί ότι στους πίθηκους η FEF νευρώνες που ελέγχουν τις PEMs εμπλέκονται και στις vergence, αποτέλεσμα που προτείνει ότι οι PEMs είναι κωδικοποιημένες σε τρισδιάστατο χώρο στον εμπρόσθιο φλοιό. 36

Σακκαδικές κινήσεις ματιών Οι αντισακκαδικές ( antisaccades ) είναι εκούσιες σακκαδικές κινήσεις που πρέπει να γίνουν σε αντίθετη κατεύθυνση από έναν ξαφνικά εμφανιζόμενο περιφερειακό οπτικό στόχο. Αυτές οι σακκαδικες αποτελούνται από δύο διαφορετικούς μηχανισμους. 1) Η αναστολή μιας μη αποδεκτής ανακλαστικής σακκαδικής προς λάθος κατεύθυνση, πυροδοτεί άμεσα τον οπτικό στόχο από την DEF όταν μια τέτοια αναστολή (υπό τον έλεγχο του DLPFC) δεν είναι πλέον αποδοτική. Το ποσοστό αυτών των λάθος κατευθυνόμενων σακκαδικών απεικονίζει την ανασταλτική λειτουργία. 2) Μία επόμενη υποδεέστερη πυροδότηση από μια εκούσια σωστή αντισακκαδική που γίνεται στην αντίθετη κατεύθυνση του στόχου από την FEF. Οι προσακκαδικές (ανακλαστικές οπτικά καθοδηγούμενες σακκαδικές ) και οι αντισακκαδικές μελετήθηκαν με τη χρήση του fmri σε δύο άρθρα. Και στα δύο άρθρα ενεργοποίηση παρατηρήθηκε ακριβώς πριν τις αντισακκαδικές στη FEF αλλά όχι στην PEF, επιβεβαιώνοντας ότι τέτοιες εκούσιες σακκαδικές χρειάζονται από νωρίς προετοιμασία. Ωστόσο αντίθετα από τη πρόταση που υπάρχει σε μια άλλη πρόσφατη fmri μελέτη, αυτό δε σημαίνει ότι η αναστολή λάθος κατευθυνόμενων ανακλαστικών προσακκαδικών οργανώνεται στη FEF. Στη πραγματικότητα μια ενεργοποίηση του δεξιού DLPFC είχε σημειωθεί ακριβώς πριν τις αντισακκαδικές σε μια από αυτές τις fmri μελέτες, σύμφωνα με τα αποτελέσματα προηγούμενων ερευνών με λειτουργικές εικόνες. Αν λάβουμε υπο όψην μας αυτές τις fmri έρευνες επιβεβαιώνονται τα αποτελέσματα από τις μελέτες αλλοίωσης με συγκεκριμένη βλάβη στο DLPFC ή στην FEF που προηγουμένως είχε δείξει καθαρά ότι η αναστολή των λάθος κατευθυνόμενων ανακλαστικών προσακκαδικων εξαρτάται από το προηγούμενο και η πυροδότηση σωστών σακκαδικών από το επόμενο. Η αναστολή των ανακλαστικών σακκαδικών από το DLPFC μπορεί να ασκηθεί απ ευθείας στο superior colliculus χωρίς να εμπλέκει άλλες περιοχές του φλοιού, μέσω μιας prefronto collicular περιοχής. Επίσης μπορεί να σημειωθεί ότι μια μονόπλευρη απόκλιση των δυο ματιών με μερική πάρεση (παράλυση) εκούσιου ταυτόχρονου προς 37

αντίθετες πλευρές βλέμματος παρατηρήθηκε σε ασθενή με σχετικά μικρή περιοχή νέκρωσης, από θρόμβο που επηρεάζει την FEF περιοχή. The supplementary eye field Η ανθρώπινη SEF τοποθετείται στην μεσαία επιφάνεια του superior frontal gyrus, στο άνω τμήμα του paracentral sulcus. Η SEF ενώνεται με όλες τις περιοχές που συμμετέχουν στον έλεγχο κίνησης των ματιών ( η FEF, ο DLPFC και το ανώτερο cingulate cortex ) και επίσης το posterior parietal cortex. Έρευνες πάνω στις αλλοιώσεις έχουν δείξει ότι η SEF συμμετέχει σε προγράμματα κίνησης περιέχοντας σακκαδικές συνδυασμένες με κινήσεις του σώματος ή μια σειρά από διαφορετικές διαδοχικές σακκαδικές. Στη περίπτωση της ακολουθίας σακκαδικών μελέτες TMS και fmri εχουν επίσης δείξει ότι περισσότερο η πρόσθια περιοχή (π.χ. pre-sef) συμμετέχει κατά τη διάρκεια της παρουσίασης της ακολουθίας των οπτικών ερεθισμάτων, ενώ η SEF συμμετέχει ακριβώς πριν την εκτέλεση της ακολουθίας των κινήσεων. Σε μια ηλεκτροφυσιολογική μελέτη πάνω στους πίθικους, όπου χρησιμοποιήθηκε ακολουθία σακκαδικών, επιβεβαιώθηκε ότι οι νευρώνες της SEF συμμετέχουν στην κωδικοποίηση προσωρινά ταξινομημένων σακκαδικών κινήσεων των ματιών. Σε μια πρόσφατη TSM μελέτη, η διέγερση που ασκήθηκε στην SEF είχε ως αποτέλεσμα τη διάσπαση της σειράς των σακκαδικών σε ένα παράδειγμα δύο βημάτων ( περιέχοντας την ακολουθία δύο επιτυχημένων σακκαδικών). Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί επομένως να οφείλεται επίσης στον έλεγχο της σακκαδικής ακολουθίας της SEF. Επιπλέον πρέπει να σημειωθεί ότι σε μια πρόσφατη πειραματική μελέτη στους πίθικους, όπου χρησιμοποιήθηκαν εκούσιες οπτικά καθοδηγούμενες σακκαδικές ασκήσεις στις οποίες έπρεπε να γίνει μία μόνο σακκαδική, αποδείχτηκε ότι ενεργοποιήθηκε μεγαλύτερος αριθμός νευρώνων της SEF παρά της FEF ή της PEF και αυτή η κινητικότητα παρατηρήθηκε νωρίτερα.. Γι αυτό η SEF μπορεί να προετοιμάσει όλα τα προγράμματα κίνησης νωρίς, ακόμα και όταν περιορίζονται σε μια μόνο σακκαδική. Αυτό επίσης μπορεί να εξηγήσει την ενεργοποίηση της SEF που παρατηρήθηκε στις fmri μελέτες σε όλα τα παραδείγματα ακολουθιών σακκαδικών και μιας μόνο σακκαδικής (οποιαδήποτε κι αν είναι η φύση της μιας μοναδικής σακκαδικής που πραγματοποιήθηκε). Συνεπώς αυτό το σημείο απεικονίζει πως μια περιοχή (π.χ. η SEF) μπορεί να είναι ενεργή με την χρήση fmri 38

χωρίς να είναι πραγματικά κρίσιμη στη σωστή εκτέλεση παραδείγματος (π.χ. μια μοναδική κατευθυνόμενη από τη μνήμη σακκαδική ) όπως προτάθηκε από τις TMS και τις μελέτες αλλοίωσης της SEF. The dorsolateral prefrontal cortex Ο DLPFC συμμετέχει στην αναστολή των σακκαδικών αλλά και σε βραχυπρόθεσμη μνήμη του χώρου και σε διαδικασίες απόφασης. Μνήμη του χώρου Ο έλεγχος της μνήμης του χώρου στον ανθρώπινο εγκεφαλικό φλοιό ερευνήθικε πρόσφατα. Τοπαράδειγμα κατευθυνόμενων από τη μνήμη σακκαδικών χρησιμοποιείται συχνά για να μελετηθεί αυτή η λειτουργία με τις κινήσεις των ματιών. Σε αυτό το παράδειγμα ο συμμετέχων πρέπει να θυμάται το μέρος όπου άναψε ο στόχος στο περιφερειακό οπτικό του πεδίο, ενώ εστιάζει σε ένα κεντρικό σημείο. Μετά αφού υπάρξει μια καθυστέρηση μερικών δευτερολέπτων η περισσότερο, κάνει μία σακκαδική καθοδηγούμενη από τη μνήμη στο σημείο που θυμάται να άναψε ο στόχος. Το πλάτος αυτής της σακκαδικής μπορεί να θεωρηθεί ως αντανάκλαση της μνήμης του χώρου. Μελέτες πάνω σε αλλοιώσεις προτείνουν ότι ο DLPFC και συγκεκριμένα η περιοχή 46 του Brodmann και η παρακείμενη περιοχή Brodmann 9, που βρίσκονται και οι δύο στη περιοχή middle frontal gyrus, συμμετέχουν στον έλεγχο των καθοδηγούμενων από την μνήμη σακκαδικών. Σε μια TMS μελέτη εκφράστικε ότι ο DLPFC έλεγχος των memory guided σακκαδικών ασκείται κατά τη διάρκεια της περιόδου καθυστέρησης, όταν συμμετέχει η μνήμη του χώρου. Οι fmri έρευνες έχουν επιβεβαιώσει την συμμετοχή της περιοχής Brodmann 46 στη χωρική μνήμη, με την ενεργητικότητα αυτής της περιοχής να διαρκεί τουλάχιστον 24 δευτερόλεπτα.. Σε ψυχοφυσιολογικές έρευνες σε φυσιολογικά αντικείμενα προτάθηκε ότι το σύστημα χωρικής μνήμης εκτός από το ότι ελέγχεται από τον DLPFC ευθύνεται για καθυστερήσεις πάνω από 20 με 25 δευτερόλεπτα. Μια έρευνα αλλοιώσεων μας οδήγησε στο να υποθέσουμε ότι αυτό το άλλο σύστημα που ελέγχει την μέση μνήμη του χώρου μπορεί να εμπλέκει τον παρά-ιπποκάμπιο φλοιό(phc). Ένα από τα ερωτήματα που γεννάται από την ύπαρξη αυτών των δύο επιτυχημένων συστημάτων που ελέγχουν την χωρική μνήμη είναι το αν οι έλεγχοι ασκούνται με την σειρά (π.χ. με 39