Design kognitivně-psychologického experimentu: Posnerova úloha

Posledně jsem napsal něco o tom, jakými behaviorálními a neurovědnými metodami se dá podívat pod pokličku fenoménu zvaného skrytá zraková pozornost. Tohle téma bych teď rád rozvedl ve větším detailu. Na příkladu jednoho z nejslavnějších experimentů kognitivní psychologie si ukážeme, jak se navrhuje (a implementuje) takový experiment. To třeba kdybyste si chtěli nějaký sami provést nebo alespoň získat vhled nejen do teorií, ale i do praxe experimentální psychologie.

 Úvod

Ke konci 70. let 20. století provedl slavný kognitivní psycholog a neurovědec Michael Posner (a samozřejmě množství dalších výzkumníků) sérii experimentů, ve kterých si pokládal několik otázek mj. ohledně zaměřené pozornosti – a výzkumná otázka je přesně to, co by mělo stát na začátku návrhu jakéhokoli experimentu. Otázka by se měla vztahovat k aktuálním teoriím a publikovanému výzkumu. Jaké výsledky kdo získal, jak se to kdo snažil systematizovat ve formě teorie, jaké jsou v tom nedostatky a podobně. My to zde vezmeme méně formálně, jen s troškou teorie na ukázku, můžete zde jasně vidět přístup kognitivismu:

Michael Posner

Michael Posner (Zdroj)

Jednou z otázek bylo, jak lze rozlišit mezi automatickými a vědomými procesy. Spekulovalo se, že automatické procesy se “snaží” zlepšit zpracování informací. Vědomé procesy dělají to samé, ale (psali Posner et al.1978) zároveň přináší náklady při potřebě zpracování informací, se kterými se nepočítá (co je mimo tzv. “set”): například, když na něco vědomě zaměříme pozornost, ale najednou ji musíme přesunout k něčemu jinému. Automatické procesy (např. tzv. priming) naproti tomu poskytují (dle nich) přínosy bez nákladů, takže bychom mohli najít možnost, jak pomocí zkoumání těchto přínosů a nákladů automatické a vědomé procesy experimentálně rozlišit, třeba pomocí tzv. mentální chronometrie: Například zkoumáme, jaký reakční čas je spojen s úlohou A, jaký čas trvá úloha A okořeněná o manipulaci B, a z rozdílu časů zjistíme délku zpracování B. Tato metoda je poměrně mocná. Do dnešní doby se tyto teorie i metody samozřejmě značně vyvinuly.

Takže nějak ve zkratce a méně formálně: Zajímala je chronometrie automatických a záměrných pozornostních procesů a to nejen jak jsou velké (jak dlouho trvají), ale i jak se vyvíjí v čase. Další zajímavé otázky jsou, zda musí být pozornost spojená s pohyby očí, či zda je možné zaměřit pozornost i mimo střed našeho pohledu. To by znamenalo, že existuje něco jako skrytá pozornost, spojená se změnami někde v mozku ve fázi zrakového zpracování a ne jen v pohybovém aparátu (očích). A spojená otázka je, zda a jak se skrytá pozornost zaměřuje záměrně a jak automaticky – k externímu podnětu.

 Metoda

Jak na tyto otázky najdeme odpověď?

Návrh experimentálního paradigmatu

Potřebujeme vymyslet vhodnou úlohu, což dá často celkem zabrat. Musí dobře operacionalizovat naše koncepty a musí být co nejjednodušší. Velmi jednoduchá obecná úloha je odpovídání tlačítky na stimuly zobrazené na obrazovce. Protože nechceme, aby lidé hýbali očima, dáme instrukci dívat se na fixační křížek ve středu obrazovky. Pokud chceme mít jistotu, sledujeme participantům případné oční pohyby tzv. eye-trackerem. Úkolem účastníka výzkumu je co nejrychleji stisknout levé tlačítko, když se stimulus zobrazí na levé straně obrazovky, a pravé tlačítko, když na pravé. Automatický proces zde operacionalizujeme tak, že nějaký čas před zobrazením cílového stimulu (target) zobrazíme nápověď (cue), která jim neřekne, na které straně stimul bude, ale jen, že brzy přijde. Automatický proces by zde šel pojmenovat jako upozornění či nabuzení (alerting). Dobu mezi zobrazením nápovědi a cílového stimulu (tzv. SOA, stimulus onset asynchrony) můžeme proměnlivě upravovat a zkoumat, jak rychle se nabuzení projeví, jaká je maximální velikost jeho vlivu a jak dlouho trvá. Vědomé zaměření pozornosti operacionalizujeme tak, že v části případů místo neutrální nápovědi zobrazíme informativní nápověď, říkající účastníkům, že cílový stimul se zobrazí na té či oné straně. Ve většině těchto případů necháme stimul skutečně zobrazit na té straně, kterou nápověď indikuje. Nápověd v tom případě označujeme jako validní a tato experimentální manipulace by měla odhalit přínos procesu záměrného zaměření pozornosti. V nějaké malé části případů (např. 20 %) ale zobrazíme cílový stimul na opačné straně, čímž odhalíme náklady nutnosti přesunout pozornost. A můžeme také měnit typ nápovědi: Může být centrální, tzv. endogenní, což by mělo operacionalizovat záměrné zaměření pozornosti. Může ale být i periferní, tzv. exogenní, jako např. rozsvícení boxu kolem budoucího cílového stimulu, což zachycuje vliv automatického zaměření pozornosti. A to je vlastně vše, jen to uděláme mnohokrát s mnoha účastníky.

V souhrnu: máme úlohu s tzv. plným faktoriálním designem, protože manipulujeme všechny kombinace těchto faktorů: Validita nápovědi (úrovně faktoru: validní, neutrální, nevalidní), Typ nápovědi (úrovně: Endogenní, Exogenní) a SOA (např. 0, 50, 150, 500 a 1000 ms). Všechny faktory jsou tzv. within-subject, každý účastník je vystaven všem variacím všech faktorů. Faktorům se také může říkat experimentální podmínky (conditions).

Účastník výzkumu

Účastník výzkumu před počítačem, hlava stabilizovaná podpěrkou, oči sledované kamerou (Zdroj)

Participanti

Velmi důležité je správně zvolit počet participantů. Zatímco dříve bylo ok i méně než deset (dokonce 6 v Posner et al. 1978), dnes by to již v publikaci nejspíše neprošlo. Počet závisí především na očekávané velikosti zkoumaného efektu (o tom snad někdy více). Jde o to, aby měla studie dobrou šanci efekt vůbec objevit, a aby případně nalezený efekt byl věrohodný a generalizovatelný na širší populaci. Středně velký efekt vyžaduje přibližně 30 účastníků. Poznámka k věku a pohlaví: V praxi se často stanovuje věkový limit, zvlášť na náročné experimenty, mezi které experimenty na zrakovou pozornost často patří, např. 18-35 let. A alespoň v mém prostředí fakulty psychologie je většina účastníků ženského pohlaví. To ovlivňuje právě možnost generalizovat na celkovou populaci, ale minimálně nám to říká, jak funguje mladý ženský vzdělaný západní atd.. mozek 🙂

Může být zajímavé zmínit i pár etických a legálních záležitostí: Participanty je potřeba informovat o daném výzkumu, musí podepsat informovaný souhlas, schválený příslušnou etickou komisí. Na konci je vhodné provést debriefing, vysvětlit, o co v experimentu šlo, zda byli nějak klamáni atd. Data je třeba uchovávat v anonymizované formě, odděleně od osobních údajů, po několik let. Účastníkům se u nás platí 8 € za hodinu, případně se jim místo toho započítávají experimentální hodiny, kterých musí mít za bakalářské studium určité množství. Oni si vyzkouší, jak probíhá reálný výzkum, a daňoví poplatníci ušetří:-)

 Experimentální setup a stimuly

Experiment nesmí nic rušit, ideální jsou na to určené experimentální kabiny. U méně náročných experimentů je možné testovat i více osob zároveň. Pokud jde o kognitivně psychologický výzkum, tak používáme temnou (lehce podsvětlenou) tichou místnost, počítače jsou od sebe oddělené černou plentou a subjekti mají sluchátka. Je potřeba, aby lidé měli stejné podmínky, protože i např. o trochu jinak jasný stimul na obrazovce (v důsledku např. jiného osvětlení) může ovlivnit reakční časy o desítky milisekund. (Teoreticky nevadí, když má každý člověk trochu jiné podmínky, ale ten samý člověk je musí mít po celou dobu stejné.) V našem případě potřebujeme podpěrku brady (chin rest) a hlavně eye-tracker (přístroj na sledování očních pohybů), takže je nutné testovat lidi jednotlivě, což může zabrat týdny.

Je vhodné použít dobrý monitor s velkou obnovovací frekvencí, např. 100 Hz. Tím se umožní časovat zobrazení stimulů s časovým rozlišením 10 ms. Je dobré mít i speciální zařízení s tlačítky (připojené např. přes LPT port), které má minimální prodlevu mezi stiskem a zaregistrováním stisku v počítači, taková zařízení jsou ale často drahá. USB klávesnice má tuto prodlevu poměrně dlouhou, ale pokud je prodleva systematická, tzn. nemění se chvíli od chvíle, obvykle nevadí.

Zvukotěsná kabina

Zvukotěsná kabina na LMU v Mnichově

Procedura

Výše obecně popsaná metoda musí být specifikována do takového detailu, aby ji mohl jiný tým replikovat. Vysvětlíme si několik důležitých termínů: Základní jednotka experimentu se nazývá trial (dobrý český název bohužel neznám). Je to jedna základní posloupnost událostí, která se měří a vícekrát opakuje. Tato posloupnost (trial sequence) u nás může vypadat takto: Na šedém pozadí je zobrazen černý fixační bod a po jeho stranách dva boxy, po dobu třeba 1000 ms. Poté se zobrazí nápověď, která bude náhodně např. v  75 % trialů validní, 12.5 % nevalidní a 12.5 % neutrální. Tato nápověď může být endogenní nebo exogenní. Za nějakou dobu po zobrazení nápovědi (náhodné SOA) se zobrazí v jednom z boxů cílový stimul. Účastník může mít stanoven časový limit na odpověď, např. 2000 ms. Po odpovědi (stisku tlačítka) následuje krátká pauza (tzv. inter-trial interval, ITI) s prázdnou šedou obrazovkou. Často se používá náhodný interval v nějakém rozmezí, např. 1500-3000 ms.

Trialy se sdružují do bloků (block), např. 32 trialů po sobě v jednom bloku. Na konci bloku může participant dostat feedback o svém výkonu (rychlost, přesnost) a hlavně si může chvilku odpočinout. Nějaké experimentální faktory je možné blokovat, tedy nestanovovat je náhodně v každém trialu, ale nechat je po celý blok stejné. Např. můžeme mít blokován faktor Typ nápovědi. V půlce bloků bude endogenní nápověď a v půlce exogenní. Je možné blokovat i validitu: V půlce bloků bude nápověď neutrální a v půlce směrová, přičemž v té bude 80 % trialů validních a 20 % nevalidních. Samozřejmě je pak dobré zahrnout všechny kombinace bloků a jejich pořadí náhodně vybalancovat mezi účastníky. Souhrn všech bloků se nazývá experimentální session (česky možná sezení). V některých případech je potřeba, aby účastník přišel na více sessions v různých dnech. I sessions se samozřejmě mohou lišit v nějakých faktorech.

Struktura experimentální úlohy (trial sequence) v různých experimentálních podmínkách (conditions)

Struktura (trial sequence) experimentální úlohy v různých experimentálních podmínkách (conditions). Zdroj: Wikipedia

 Implementace

Takto navržený experiment je nakonec potřeba naprogramovat. K tomu je možné využít množství nástrojů, které se liší cenou, jednoduchostí, možnostmi, přesností časování atd. Mezi nejpoužívanější patří Psychophysics Toolbox (PTB), který je sám o sobě zadarmo, ale je k němu potřeba poměrně drahý Matlab, nebo open source klon Octave. PTB je mocný nástroj, ale programování není nejpohodlnější. Já nejčastěji používám E-Prime, kde se dá zde popsaný experiment velmi rychle vytvořit bez nutnosti napsat jedinou řádku kódu, ale bohužel je dosti drahý. Je samozřejmě mnoho dalších možností.

Protože nám jde o přesné časování jak zobrazení, tak odpovědi, není vhodné tento experiment implementovat jako online webovou aplikaci. Pro demonstrační účely, abyste si to dokázali lépe představit a vyzkoušet různé variace experimentu, napsal jsem verzi Posnerovy úlohy v NetLogu, které umožňuje vyexportovat ji jako Java applet. Je možné v ní nastavovat poměr validity nápovědi v rámci trialů, a v rámci bloků SOA a typ nápovědi. Experiment zobrazíte na samostatné stránce:

posner-online-preview

Klikněte pro online demonstraci Posnerovy úlohy!

Možná dostanete bezpečnostní varování, protože aplikace nemá digitální podpis. Ale můžete mi věřit, že vám to s počítačem nic zlého neprovede:-) Takže vše potvrďte a mělo by to běžet v pohodě. Některé prohlížeče to odmítnou spustit pokud nemáte aktuální verzi Javy. Tu najdete zde. (Nezapomeňte, že i když máte 64bitový systém, webový prohlížeč může být 32bitová aplikace, takže si raději nainstalujte obě verze Javy.) Některé prohlížeče, jako můj Firefox, mohou i tak experiment odmítnout zobrazit. V tom případě je třeba přidat vyjímku pro tyhle stránky, je to jednoduchá záležitost na dvě minutky: Ve Windows, otevřete ze Start menu Ovládací panely, tam poklepejte na ikonu Java. Na kartě Security (Zabezpečení v české verzi?) klikněte na tlačítko “Edit site list” (Upravte seznam stránek?), poté tlačítko “Add” (Přidat) a zadejte “http://www.ondrejhavlicek.com”. Vše potvrďte tlačítky Ok.U experimentu jsou detailní instrukce, jak se s tím zachází. Sice jen v angličtině, ale mělo by to být intuitivní. Hlavně musíte nejdřív nastavit posuvníkem nad okýnkem experimentu rychlost, aby 1000 ticks byla přibližně 1 vteřina reálného času.Přeji příjemné experimentování, příště se podíváme na výsledky původního experimentu i nových replikací a na aplikovaný význam tohoto výzkumu.

Příště si prakticky ukážeme, jak zanalyzovat data z experimentu, abychom dostali odpovědi na naše výzkumné otázky. Článek vám může posloužit i jako úvod do základní, asi nejčastěji užívané statistiky v kognitivně-psychologické vědě, i jako praktický úvod do práce s asi nejrozšířenějším free nástrojem, eRkem.

Reference

Posner, M. I. (1980). Orienting of attention. The Quarterly Journal of Experimental Psychology, 32(1), 3–25.

Posner, M. I., Nissen, M. J., and Ogden, W. C. (1978). “Attended and unattended processing modes: the role of set for spatial location,” in Modes of Perceiving and Processing Information, eds H. L. Pick and N. J. Saltzman (Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates).

2 thoughts on “Design kognitivně-psychologického experimentu: Posnerova úloha

  1. Pingback: Odkrývání skryté pozornosti | Ondřej Havlíček

  2. Pingback: Analýza dat kognitivně-psychologického experimentu: Posnerova úloha | Ondřej Havlíček

Leave a Reply