A strong gravity prior for perception and action

Resumen

La literatura científica nos muestra que los humanos representan y utilizan un modelo interno de la gravedad terrestre. Esta tesis doctoral trata de situar estos resultados previos en el contexto del procesamiento cognitivo y explorar aquellas áreas que aún están por investigar. Pretende responder a cuatro preguntas fundamentales, que exponemos en el Capítulo 1: ¿La representación interna de la gravedad de la Tierra se puede entender como un strong prior en un contexto Bayesiano? ¿La evidencia existente apoya la interpretación de esta representación como un Prior fuerte o como un modelo interno? ¿Cuál es la relación entre aceleraciones arbitrarias, gravedades arbitrarias y la gravedad de la tierra en el control de los movimientos oculares? En el Capítulo 2 se revisa la evidencia presente sobre la existencia de un modelo interno de la gravedad terrestre. En él se pretende realizar una extensa revisión en tareas como la interceptación, percepción del tiempo, manipulación de objetos e incluso tareas cognitivas como la rotación de objetos. Éstos demuestran que los seres humanos tienen la expectativa de que la gravedad terrestre actúe tanto sobre sus propios cuerpos como sobre objetos externos. Asimismo, presentamos estudios haciendo referencia a la adaptabilidad de este modelo interno de la gravedad terrestre mostrando que una adaptación completa a aceleraciones no congruentes con la gravedad terrestre es imposible o muy lenta en el caso especial del espacio, donde no sólo la visión indica una gravedad no-terrestre, si no también vestibulares y corporales. Posteriormente, se discute cómo la evidencia existente apoya la interpretación como strong prior en el margen del Procesamiento Predictivo. Además, se realizan simulaciones que muestran cómo asumiendo un strong prior de la gravedad terrestre puede ayudar a recuperar la velocidad horizontal de un movimiento parabólico en base a sus variables ópticas. En el Capítulo 3, se investigó la sensibilidad humana a distintas gravedades presentadas visualmente en dos experimentos psicofísicos. En el primer estudio, presentamos a las participantes pelotas volando en un movimiento parabólico en colisión con el observador. Cada repetición consistió en dos trayectorias sucesivas. La tarea de los participantes era indicar cuál de los dos movimientos está gobernado por una gravedad mayor. Encontramos que la sensibilidad a las distintas gravedades es semejante a la sensibilidad a aceleraciones arbitrarias. En un análisis más profundo identificamos dos variables ópticas con relevancia para este tipo de juicios: el ángulo visual y la derivada del ángulo de elevación al final del trayecto. En el segundo experimento, manipulamos la certeza que los participantes tienen en la información proveniente del ángulo visual, variando el tamaño de la pelota en cada repetición del evento utilizando una desviación estándar grande o mediana. Se observó que, bajo estas condiciones, los participantes confían menos en la información del ángulo visual y más en la información del ángulo de elevación cuando la variabilidad es alta y viceversa. También, observamos que los participantes juzgan los movimientos de las pelotas de mayor tamaño como afectados por una mayor gravedad. La razón más probable es que interpretan estos movimientos como más cercanos, con lo que la misma velocidad retiniana daría lugar a una mayor velocidad física. En el Capítulo 4 investigamos el rol del modelo interno, o el strong prior de la gravedad de la Tierra en relación a los movimientos oculares. Además, investigamos si el modelo interno es cualitativo (los seres humanos tienen la expectativa de que los objetos que se mueven hacia abajo se aceleran) o cuantitativo (los humanos esperan que los objetos que se mueven hacia abajo se aceleren de acuerdo con la gravedad de la Tierra). Para probar estas hipótesis, simulamos pelotas de tenis moviéndose en trayectorias parabólicas en el plano fronto-paralelo, dentro de un entorno 3D rico en información sobre profundidad de los targets. La selección de la trayectoria de la pelota venía dada de manera aleatoria por una de dos posibles velocidades iniciales tanto en la dirección vertical como en la horizontal y seis posibles valores para la gravedad (0.7g, 0.85g, 1g, 1.15g, 1.3g y -1g). En un momento dado de la segunda parte de la trayectoria, la pelota desaparecía y los participantes debían indicar, haciendo “click” en un ratón que sostenían en su mano, el momento en el que creían que la pelota volvía a alcanzar la altura inicial. También les dimos indicaciones de que debían seguir la pelota detenidamente con la mirada. Registramos los movimientos oculares con un eye tracker de Pupil Labs. Para evaluar cómo de bien los participantes seguían la pelota con la mirada, calculamos el pursuit gain, que se define como la velocidad del target dividida por la velocidad de los ojos en cada momento; por lo tanto, cuanto mayor es el gain, mejor es el seguimiento ocular. El experimento aportó evidencia en favor de nuestras hipótesis: los participantes mostraron un pursuit gain mayor para parábolas gobernadas por 1g que para parábolas gobernadas por -1g, dejando en evidencia que movimientos conformes con la gravedad de la Tierra favorecen una mejora en el seguimiento ocular. En un análisis exploratorio encontramos cierta evidencia de que el cerebro usa el modelo interno de la gravedad terrestre para también controlar las sácadas. En la tarea de timing, el comportamiento de los sujetos para las distintas gravedades (0.7g, 0.85g, 1g, 1.15g y 1.3g) era muy similar a las predicciones de un modelo simple que predecía el error temporal en base a la distancia vertical por recorrer, la última velocidad vertical y la gravedad terrestre. Con lo cual concluimos que el modelo interno de la gravedad es cuantitativo. El experimento realizado para este estudio se puede encontrar pre-registrado online (https://osf.io/8vg95/). Estos tres capítulos fortalecen la evidencia en cuanto a las cuatro preguntas fundamentales propuestas en el Capítulo 1; el Capítulo 5 ofrece una discusión mas extensa. (1) En el Capítulo 2 demostramos mediante una revisión de la literatura científica y simulaciones, que la evidencia apoya una interpretación de la representación de la gravedad terrestre y un strong prior de la gravedad de la Tierra y que puede ser útil en la percepción. (2) Concluimos que la interpretación como prior es más específica que la interpretación como modelo interno, y por lo tanto preferible si la evidencia apoya ambas interpretaciones. Asimismo, la interpretación como prior genera predicciones cuantitativas. En el Capítulo 4 demostramos que el comportamiento humano se asimila en alto grado a las predicciones cuantitativas de nuestro modelo simple. (3) En el Capítulo 3 demostramos que la sensibilidad de los seres humanos para gravedades diferentes a la terrestre es semejante a la sensibilidad a distintas aceleraciones arbitrarias. En el Capítulo 4, no obstante, fortalecemos la evidencia de que los movimientos oculares son más exitosos si la trayectoria de un objeto obedece la gravedad de la Tierra y no cuando obedece una gravedad arbitraria. (4) En el Capítulo 4, finalmente, demostramos que el smooth pursuit, y probablemente también las sácadas, se controlan, por lo menos parcialmente, por la expectativa de que un movimiento se efectúe bajo la gravedad de la Tierra.