Hesaplamalı araştırma makalesi incelemesi
DOI: 10.7554/elife.76635Sürekli Psikofizik İçin Ters Optimal Kontrol Yöntemiyle Algının Eyleme Dönüştürülmesi
Psikofiziksel yöntemler, dış uyaranlar ile içsel duyumlar arasındaki nicel ilişkileri ölçerek psikoloji, bilişsel bilim ve sınırbilimde temel bir rol oynamaktadır. Geleneksel iki seçenekli zorunlu tercih gibi deneme bazlı yöntemler yüksek ölçüm hassasiyeti sunsa da yüzlerce tekrarlı deneme gerektirmekte ve katılımcı motivasyonunun düşmesine yol açmaktadır.
Makalenin anahtar kelimeleri
- Yazar
- Dominik Straub & Constantin A Rothkopf
- Yayın
- Tarih
- 2022
Makalenin Kapsamı ve Akademik İçeriği
Psikofiziksel ölçümler, dışsal uyaranlar ile içsel algısal duyumlar arasındaki nicel ilişkiyi belirlemek amacıyla psikoloji, bilişsel bilimler ve sınırbilim araştırmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Geleneksel sinyal algılama kuramına dayalı deneysel tasarımlar yüksek hassasiyet sağlasa da, katılımcıların yüzlerce bağımsız denemeye katılmasını gerektirmekte ve bu durum dikkat kaybı ile motivasyon düşüşüne yol açmaktadır. Bu kısıtlılığı aşmak amacıyla geliştirilen sürekli psikofizik yaklaşımı, kesintisiz motor ayarlamalara dayalı dinamik ölçümler sunarak veri toplama süresini önemli ölçüde kısaltmıştır. Ancak mevcut analiz yöntemlerinin davranıştaki motor değişkenliği ve içsel eylem maliyetlerini göz ardı etmesi, kestirilen algısal belirsizlik parametrelerinin yapay şekilde yüksek çıkmasına neden olmaktadır.
Bu çalışmada, söz konusu metodolojik sorunu çözmek amacıyla Bayesian ters optimal kontrol ilkelerine dayalı Doğrusal Karesel Gauss (LQG) hesaplama çerçevesi geliştirilmiştir. Önerilen model; algısal kestirim için Kalman Filtresi ile motor eylem planlaması için Doğrusal Karesel Düzenleyiciyi birleştirerek motor gürültüsünü, eylem eforuna ilişkin içsel maliyetleri ve katılımcıların uyaran dinamiğine dair öznel inançlarını eş zamanlı olarak tahmin etmektedir. Modelin geçerliliği hem sentetik veri simülasyonları ile hem de bilgisayar faresi, el takibi ve göz takibi içeren önceden yayınlanmış üç farklı sürekli izleme deneyinin verileri yeniden analiz edilerek sınanmıştır. Araştırmada ideal gözlemci, optimal aktör, kısıtlı aktör ve öznel aktör olmak üzere dört aşamalı bir model hiyerarşisi karşılaştırılmıştır.
Simülasyon analizleri, motor değişkenlik ve eylem maliyetini hesaba katmayan modellerin algısal belirsizliği sistematik olarak aşırı tahmin ettiğini ve önerilen yöntemin sadece iki dakikalık sürekli izleme verisinden dahi güvenilir parametre kestirimi yapabildiğini göstermiştir. Deneysel verilerin analizinde, öznel aktör modelinden elde edilen algısal belirsizlik değerlerinin, geleneksel iki seçenekli zorunlu tercih (2IFC) görevlerinden elde edilen ölçümlerle Kalman Filtresi modeline kıyasla belirgin şekilde daha yüksek uyum gösterdiği saptanmıştır. Ayrıca Genişletilmiş Uygulanabilir Bilgi Kriteri (WAIC) model karşılaştırmalarında, eylem maliyetlerini ve öznel uyaran inançlarını içeren modellerin tüm katılımcılarda veri olasılığını ezici bir üstünlükle en iyi açıklayan yapı olduğu doğrulanmıştır.
Elde edilen bulgular, sürekli psikofizik deneylerinde yalnız algısal süreçlerin değil, duyusal-motor kontrolün ve içsel eylem maliyetlerinin de modellenmesinin zorunlu olduğunu ortaya koymaktadır. Yazar, geliştirilen ters optimal kontrol çerçevesinin geleneksel psikofizik deneylerindeki uzun deneme süreçlerini ortadan kaldırarak klinik popülasyonlar, çocuklar ve hayvan denekler için erişilebilir bir deneysel altyapı sunduğunu tartışmaktadır. Bu çalışma, literatür taraması yapan araştırmacılar için algı ve eylemin ayrılmaz bütünlüğünü teorik düzeyde kanıtlamakta ve sürekli davranışsal verilerden psikometrik ve nöromotor parametrelerin eş zamanlı çıkarılmasına imkân veren güçlü bir metodolojik araç sunmaktadır.
Araştırmanın amacı
Bu çalışmanın amacı, sürekli psikofizik deneylerinde motor değişkenliği, içsel eylem maliyetlerini ve katılımcıların uyaran dinamiğine ilişkin öznel inançlarını hesaba katan Bayesian ters optimal kontrol tabanlı bir hesaplama ve analiz çerçevesi sunmaktır(Straub & Rothkopf, 2022).
İnceleme ve modelleme yöntemi
Çalışma, sürekli izleme görevlerinden elde edilen verileri çözümlemek amacıyla Bayesyen ters optimal kontrol ve Doğrusal Karesel Gauss (LQG) denetim kuramına dayanan hesaplamalı bir analiz çerçevesi geliştirmekte ve bunu önceden yayınlanmış deneysel veri kümeleri ile sentetik simülasyonlar üzerinde test etmektedir(Straub & Rothkopf, 2022).
Kuramsal ve kavramsal çerçeve
Çalışma, Sinyal Algılama Kuramı (SDT) ile Kısmi Gözlemlenebilir Markov Karar Süreçleri (POMDP) ve Doğrusal Karesel Gauss (LQG) kontrol kuramını birleştiren teorik bir altyapıya dayanmaktadır. Algısal kestirim için Kalman Filtresi (KF) ve eylem planlaması için Doğrusal Karesel Düzenleyici (LQR) kullanılarak algı ile motor kontrolün ayrışabilirlik ilkesi çerçevesinde modellenmesi sağlanmıştır.
Makalenin ele aldığı literatür
Çalışma, Green ve Swets tarafından geliştirilen geleneksel Sinyal Algılama Kuramı ile Bonnen ve arkadaşlarının öncülük ettiği sürekli psikofizik literatürünü ele almaktadır. Ayrıca Wolpert, Todorov ve Jordan'ın duyusal-motor kontrol kuramları ile Simon'ın kısıtlı rasyonellik ve Gershman'ın hesaplamalı rasyonellik yaklaşımları bütünleştirilerek ters optimal kontrol literatüründeki modeller geliştirilmiştir.
Araştırma Tasarımı
- Evren veya inceleme alanı
- İnsan katılımcılar (3 kişi fare izleme verisi, 3 kişi el takip cihazı verisi, 1 kişi göz izleme verisi) ile insan dışı primat denekler (2 makak ve 1 marmoset göz izleme verisi).
- Örneklem veya araştırma materyali
- Önceki sürekli psikofizik yayınlarından derlenen fare imleci izleme, Leap Motion el takip cihazı konum verileri, göz izleyici zaman serisi kayıtları ve 2IFC psikofizik testi yanıtları.
- Veri toplama süreci
- Daha önce yürütülen üç ayrı deneysel çalışmanın açık veri tabanlarından ikincil veri olarak elde edilen sürekli hedef izleme, el hareketiyle konum takip etme ve optik akış uyaranlarına verilen göz hareketi zaman serisi kayıtları.
- Veri analiz yöntemi
- JAX kütüphanesi kullanılarak durum-uzay olasılık hesaplamaları, No-U-Turn Sampler (NUTS) algoritması ile Bayesyen parametre kestirimi ve Geniş Uygulanabilir Bilgi Kriteri (WAIC) ile model karşılaştırmaları.
Araştırmanın Bulguları
Ters optimal kontrol çerçevesi, sürekli izleme görevlerinde algısal belirsizlik parametrelerini Kalman filtresine göre geleneksel 2IFC psikofizik ölçümlerine çok daha yakın seviyelerde kestirmektedir(Straub & Rothkopf, 2022).
Geniş Uygulanabilir Bilgi Kriteri (WAIC) ve Akaike ağırlıkları üzerinden yapılan model karşılaştırmaları, öznel aktör modelinin tüm katılımcılarda veriyi ezici bir üstünlükle açıkladığını göstermektedir(Straub & Rothkopf, 2022).
Hem Kalman filtresi hem de ters optimal kontrol modelleriyle kestirilen algısal belirsizlik parametreleri, geleneksel 2IFC psikofiziksel ölçümleriyle yüksek korelasyon göstermektedir(Straub & Rothkopf, 2022).
Katılımcıların sürekli izleme performansları, sadece duyusal belirsizlikle değil, motor eylem değişkenliği, içsel eylem maliyetleri ve hedefin dinamiğine dair öznel inançlarıyla şekillenmektedir(Straub & Rothkopf, 2022).
Bulguların Tartışılması ve Araştırmanın Sonucu
Bulguların Yazarlar Tarafından Yorumlanışı
Elde edilen bulgular, sürekli izleme görevlerinde Bayesyen ters optimal kontrol çerçevesinin kullanılmasıyla motor eylem değişkenliği ve içsel eylem maliyetlerinin algısal belirsizlikten ayrıştırılabildiğini göstermektedir. Geleneksel psikofizik analiz yöntemleri tüm davranışsal değişkenliği duyusal süreçlere yüklediği için kestirilen eşikler yüksek çıkmaktadır. Ters optimal kontrol modeli ise bu ek varyans kaynaklarını modele dahil ederek algısal belirsizlik parametrelerini düşürmekte ve geleneksel 2IFC ölçümlerine belirgin şekilde yaklaştırmaktadır.
Yazarlar, kestirilen algısal eşiklerin 2IFC testleriyle mükemmel çakışmamasının altında, çok düşük kontrast koşullarında katılımcıların pes etme eğilimi göstermesi veya görsel sistemin zaman içinde doğrusal olmayan entegrasyon yapması gibi ek hesaplamalı maliyetlerin yatabileceğini açıklamaktadır. Katılımcıların uyaranın hareket dinamiğine ilişkin öznel varsayımlara sahip olması ve ivme veya hız bileşenlerini modele dahil etmesi, sürekli izleme verilerindeki otokorelasyon yapısını ve cross-correlogram örüntülerini tam olarak yakalamalarını sağlamaktadır.
Tartışma bölümünde, Bonnen ve arkadaşlarının yaptıkları öncü çalışmalardaki Kalman filtresi analizlerinin motor maliyetleri ihmal ettiği için algısal belirsizliği aşırı kestirdiği vurgulanmakta ve Yeshurun ve arkadaşlarının psikofiziksel yöntemler arasındaki sapmalara dair literatür bulgularıyla paralellik kurulmaktadır. Algı ile eylemin ayrılmaz bir şekilde bütünleştiği deneysel kurumlarda, Bayesyen model karşılaştırmaları üzerinden yapılan değerlendirmeler öznel aktör modelinin veriyi ezici bir üstünlükle açıkladığını kanıtlamaktadır.
Sonuç olarak, önerilen ters optimal kontrol çerçevesi sürekli psikofizik paradigmalarının bilişsel bilim, nörobilim ve psikolojide yaygınlaşmasının önündeki en büyük engeli kaldırmaktadır. Katılımcıların uzun ve yorucu yüzlerce denemeye tabi tutulması yerine 2 dakika gibi kısa sürelerde kararlı ve güvenilir algısal belirsizlik, motor değişkenlik ve eylem maliyeti parametrelerinin kestirilmesini mümkün kılarak çocuklarda ve özel popülasyonlarda algı araştırmalarının önünü açmaktadır.
Bulguların Önceki Araştırmalarla Karşılaştırılması
Söz konusu çalışma, sürekli psikofizik verilerini Kalman filtresi ile analiz ederek algısal eşikleri kestirmiş ancak motor bileşenleri hesaba katmadığı için geleneksel 2IFC testlerine kıyasla belirsizliği aşırı yüksek bulmuştur. Sunulan ters optimal kontrol modeli ise eylem maliyeti ve motor değişkenliği modele ekleyerek 2IFC ölçümlerine belirgin şekilde daha yakın algısal belirsizlik değerleri elde etmiştir(Straub & Rothkopf, 2022).
Literatürde farklı geleneksel psikofiziksel yöntemler (örneğin Evet/Hayır ve 2IFC görevleri) arasında ölçülen duyusal eşik farkları ele alınırken, bu çalışmada geliştirilen Bayesyen ters optimal kontrol yaklaşımı, sürekli görevlerde algısal ve motor/bilişsel bileşenleri birbirinden ayırarak metotlar arası sapmaların altındaki mekanizmaları açıklama imkânı vermektedir(Straub & Rothkopf, 2022).
Sonuç Bölümünün Sunduğu Çıkarımlar
Yazarlar, sürekli psikofizik deneylerinde insan ve insan dışı primat davranışlarının yalnızca algısal belirsizlikle açıklanamayacağını; motor eylem değişkenliği, eylemin içsel çaba maliyetleri ve uyaran dinamiğine ilişkin öznel inançları içeren Bayesyen ters optimal kontrol modellerinin deneysel verileri belirgin şekilde daha yüksek doğrulukla öngördüğünü ve algısal eşik kestirimlerini geleneksel yöntemlerle uyumlu hale getirdiğini sonuçlandırmaktadır(Straub & Rothkopf, 2022).
Literatür Taraması İçin Sunduğu Çerçeve
Geleneksel psikofizik yöntemlerinin kısıtlamalarını aşmak amacıyla son yıllarda geliştirilen sürekli psikofizik paradigmalarını matematiksel açıdan dönüştürücü bir yaklaşımla ele almaktadır. Çalışma, algısal belirsizliklerin hesaplanmasında karşılaşılan motor gürültü ve içsel eylem maliyeti sorunlarını, Bayesyen ters optimal kontrol kuramsal çerçevesiyle çözüme kavuşturarak literatürdeki metodolojik tıkanıklığı açmaktadır. Algısal süreçlerin eylemsel dinamiklerle entegre bir biçimde modellenmesi gerektiğini gösteren kuramsal bir köprü işlevi görmektedir. Bu yönüyle bilişsel süreçleri eylem dinamikleriyle birleştirmektedir.
Çalışma, Bonnen ve arkadaşlarının (2015, 2017) başlattığı sürekli izleme görevlerine dayalı sürekli psikofizik yaklaşımını doğrudan devralmakta ve bu çalışmalardaki Kalman Filtresi analizinin eksikliklerini tamamlamaktadır. Önceki modellerin tüm varyansı duyusal belirsizliğe atfetmesi nedeniyle algı eşiklerini aşırı kestirmesini eleştiren yazarlar, optimal kontrol kuramı ve Sinyal Algılama Kuramı (SDT) ilkelerini birleştirerek literatürü daha kapsamlı bir düzeye taşımaktadır. Ayrıca, motor eylem maliyetlerini ve öznel inanç yapılarını modele katarak Simon'ın sınırlı rasyonellik kuramı ve Bayesyen karar kuramıyla entegre etmektedir.
Bu yayın, literatür taraması yapacak Türk araştırmacılar için psikofiziksel ölçümlerin metodolojik sınırlarını aşma konusunda zengin bir sentez sunmaktadır. Geleneksel ve sürekli yaklaşımları karşılaştırmalı bir biçimde inceleyerek, her iki ekolün kuramsal temellerini ve hesaplamalı sınırlarını berraklaştırmaktadır. Özellikle motor değişkenliklerin ve bilişsel çaba maliyetlerinin deneysel sonuçlar üzerindeki bozucu etkilerini teorik ve ampirik olarak ortaya koyması, araştırmacıların algı ve eylemi bütünsel bir yapay zeka ve bilişsel modelleme çerçevesinde birleştirmelerine katkı sağlamaktadır.
Kaynakça
- Bonnen, K., Burge, J., Yates, J., Pillow, J., Cormack, L. K. (2015). Continuous psychophysics: target-tracking to measure visual sensitivity. Journal of Vision, 15(3), 14. https://doi.org/10.1167/15.3.14
- Yeshurun, Y., Carrasco, M., Maloney, L. T. (2008). Bias and sensitivity in two-interval forced choice procedures: tests of the difference model. Vision Research, 48(17), 1837-1851. https://doi.org/10.1016/j.visres.2008.05.008
Tez ve Makale Araştırmalarında Kullanım
Makalenin doğrulanmış yöntemi, bulguları ve kuramsal çerçevesi; tez ve makale çalışmalarında kullanılacağı bölümle birlikte aşağıdaki üç araştırma taslağına dönüştürülmüştür.
Tez veya makalede kullanım · literatüre-review
Sürekli psikofizik testleri geleneksel psikofizik deneylerine göre zaman tasarrufu açısından en az on kat daha verimlidir.
Sürekli izleme görevlerinin 2 dakikalık veri toplama süresinde sağladığı parametre kararlılığı, geleneksel 2IFC testlerinin 20 dakikalık süresine eşdeğer hassasiyet sunarak zamansal etkinliği kanıtlamada kullanılır(Straub & Rothkopf, 2022).
Bebeklerde ve Çocuklarda Sürekli İzleme Görevleriyle Görsel Kontrast Duyarlılığının Kestirilmesi
- Araştırma sorusu
- Bebeklerin sürekli hedef izleme görevlerindeki görsel kontrast duyarlılık eşikleri, ters optimal kontrol modelleri altında yaş gelişimine bağlı olarak nasıl değişmektedir?
- Yöntem taslağı
- Farklı yaş gruplarından bebek katılımcılarla göz izleme (eye-tracking) tabanlı sürekli hedef takip görevi tasarlanacaktır. Örneklem büyüklüğü güç analizi kullanılarak belirlenecek ve veri doygunluğuna ulaşılacaktır. Bebeklerin göz hareketleri 60 Hz hızında kaydedilecek ve ters optimal kontrol algoritmasıyla algısal belirsizlik ve motor gürültü parametreleri kestirilecektir.
Makaleyle bağlantısı: Yazarlar, sürekli psikofizik yöntemlerinin yorucu denemeler içermemesi sayesinde bebek ve çocuklarda algı araştırmalarını kolaylaştıracağını öngörmektedir. Bu öneri, çalışmada sunulan metodolojiyi gelişimsel bir bağlama taşımaktadır(Straub & Rothkopf, 2022).
Tez veya makalede kullanım · Kavramsal çerçeve
İnsanların sürekli izleme performansı yalnızca duyusal girdilerle değil, motor çaba maliyetleriyle de sınırlandırılmaktadır.
Eylem değişkenliği ve çaba maliyetlerinin algısal süreçlerden bağımsız bir varyans kaynağı olduğunu ve bilişsel modellerde mutlaka temsil edilmesi gerektiğini kuramsal düzlemde desteklemek için kullanılır(Straub & Rothkopf, 2022).
Çok Düşük Kontrast Koşullarında Sürekli İzleme ve Karar Verme Stratejilerinin İncelenmesi
- Araştırma sorusu
- Çok düşük kontrastlı görsel uyaranlar altında katılımcıların izlemeyi bırakma (pes etme) eğilimi, zamanla değişen içsel eylem maliyeti fonksiyonlarıyla nasıl modellenebilir?
- Yöntem taslağı
- Yetişkin katılımcılara altı farklı kontrast seviyesinde rastgele hareket eden hedef izletilecektir. Güç analiziyle belirlenen katılımcı grubuyla el-göz koordinasyonu verileri mouse vasıtasıyla toplanacaktır. Veriler, kontrast seviyesine bağlı olarak değişen dinamik kontrol maliyeti parametreleriyle genişletilmiş LQG çerçevesinde analiz edilecektir.
Makaleyle bağlantısı: Yazarlar, çok düşük kontrastlarda modellerinin 2IFC ile sapma gösterdiğini belirtmekte ve bunu katılımcıların pes etme eğilimi veya doğrusal olmayan entegrasyon süreçleriyle ilişkilendirmektedir. Bu çalışma doğrudan bu sınırlılığı test etmeye yöneliktir(Straub & Rothkopf, 2022).
Tez veya makalede kullanım · Tartışma
Katılımcıların hareketli hedeflere ilişkin zihinsel modelleri, nesnelerin gerçek fiziksel dinamiklerinden farklılıklar göstermektedir.
Öznel inançların ve hedef hızına dair varsayımların, insanların sürekli izleme görevlerindeki aşma (overshoot) ve düzeltme eylemlerini nasıl tetiklediğini tartışırken kaynak gösterilir(Straub & Rothkopf, 2022).
Sinyale Bağlı Motor Gürültü Altında Sürekli Psikofizik Modellerinin Tutarlılığı
- Araştırma sorusu
- Sinyale bağlı gürültünün (signal-dependent noise) varlığında, ters optimal kontrol modelinin kestirdiği algısal eşiklerin kararlılığı geleneksel modellerle nasıl karşılaştırılır?
- Yöntem taslağı
- Katılımcılara farklı hız ve ivme bileşenlerine sahip izleme görevleri yaptırılacaktır. Güç analiziyle belirlenen örneklemin motor tepkileri hareket izleme sistemleriyle kaydedilecektir. Analiz aşamasında standart LQG modeli ile sinyale bağlı gürültüyü entegre eden genişletilmiş ters optimal kontrol modellerinin parametre tutarlılıkları karşılaştırılacaktır.
Makaleyle bağlantısı: Yazarlar, makalenin kısıtlamaları kısmında mevcut LQG modelinin sabit gürültü varsayımına dayandığını ve Weber kanununa uyan sinyale bağlı gürültü durumlarında modelin genişletilmesi gerektiğini belirtmiştir(Straub & Rothkopf, 2022).