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La cinemática ocular y sus vínculos con los límites de la percepción de alta velocidad

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Lawful kinematics link eye movements to the limits of high-speed perception

Exploramos cómo los movimientos oculares, específicamente los sacádicos, están profundamente relacionados con los límites de nuestra percepción visual a alta velocidad, revelando una ley cinemática que conecta la acción y la percepción visual humana.

La percepción visual humana es un proceso activo y dinámico que depende estrechamente de los movimientos oculares, en particular de los sacádicos, que son las rápidas y frecuentes posiciones que nuestros ojos adoptan para explorar el mundo que nos rodea. Estos movimientos no solo permiten que enfoquemos distintos puntos del entorno, sino que también imponen límites fundamentales a lo que podemos percibir, especialmente cuando se trata de estímulos que se mueven a alta velocidad. Durante décadas, la comunidad científica ha reconocido que la percepción activos está acoplada a las acciones motoras que ejecutamos, y que el sistema sensorial no funciona aisladamente, sino en estrecho conjunto con los sistemas que controlan el movimiento. El análisis de la cinemática ocular ha revelado que el comportamiento de los sacádicos sigue relaciones matemáticas muy estables, conocidas como la "secuencia principal" o "main sequence", que conectan la amplitud del movimiento ocular con su velocidad máxima y duración. Estas relaciones han sido observadas no solo en humanos sino también en otras especies, desde primates hasta insectos.

El interés por entender cómo estas leyes cinemáticas se relacionan con la percepción visual a alta velocidad surge de preguntas básicas: ¿Hasta qué velocidad puede el sistema visual detectar el movimiento? ¿Cómo afecta la naturaleza y las características de nuestros movimientos oculares a estos límites? Y, ¿de qué manera el sistema visual logra ignorar o suprimir los estímulos que se provocan accidentalmente por el movimiento de los ojos mismos durante las sacádicas? Investigaciones recientes, basadas en experimentos cuidadosamente diseñados, han puesto en evidencia que la visibilidad de un objeto que se mueve rápidamente por el campo visual durante la fijación está estrechamente ligada a la misma ley cinemática que regula los movimientos sacádicos. En otras palabras, los límites de nuestra sensibilidad al movimiento rápido no son solo un producto de la fisiología sensorial, sino que están adaptados y restringidos por la forma en que nuestros ojos se mueven. Para llegar a estas conclusiones, los investigadores utilizaron proyecciones de vídeo a alta velocidad para simular estímulos que se movían siguiendo la función matemática de la secuencia principal de los sacádicos. De esta manera, lograron presentar movimientos visuales que reprodujeran o desviaran la relación tradicional entre velocidad máxima, duración y amplitud observada en el movimiento ocular. Los experimentos involucraron tareas perceptuales en las que los participantes debían identificar la trayectoria del movimiento del estímulo, por ejemplo, su curvatura hacia arriba o hacia abajo.

Mediante un diseño riguroso y con la supervisión del control del movimiento ocular para asegurar que los sujetos mantenían la fijación, se evaluó en qué condiciones el movimiento era consciente y en cuáles la percepción se degradaba hasta el punto de desaparecer, fenomenológicamente percibida como un simple salto o desplazamiento sin movimiento continuo. Los hallazgos indicaron que la capacidad para percibir el movimiento rápido dependía de una combinación específica de velocidad, duración y amplitud, siguiendo las leyes que describen los sacádicos. Cuando la velocidad se normalizaba en función de la velocidad pico esperada para una sacádica del mismo tamaño, los umbrales de percepción colapsaban en una única curva, independiente de la amplitud del movimiento examinado. Esta conexión sugiere que el sistema visual interno está calibrado para interpretar el movimiento eficiente dentro del rango impuesto por los movimientos oculares naturales. Una explicación es que, debido a que los sacádicos son movimientos comunes y los más rápidos que realiza el ojo, la percepción evoluciona para suprimir o ignorar los efectos sensoriales accidentales de estos movimientos, evitando la saturación del procesamiento visual con información no relevante o confusa.

Además, los patrones temporales de aceleración y desaceleración del movimiento visual también influyen en la percepción, y reproducen las fases rápidas y lentas observadas en los sacádicos reales. La repetición de los experimentos usando trayectorias con velocidades constantes o con perfil temporal variable reafirmó la solidez de la conexión entre la cinemática del movimiento ocular y los límites de percepción. Más allá de la relación entre velocidad y amplitud, la duración del movimiento visual también es un factor crítico. El sistema visual parece necesitar integraciones temporales más largas para percibir movimientos de mayor amplitud a altas velocidades, siguiendo el patrón de duración que caracteriza a los sacádicos. Así, no solo la velocidad ni solamente la duración, sino su combinación siguiendo la secuencia principal determina la sensibilidad a movimientos rápidos.

Importante para un entendimiento más completo es que esta relación no solo se observa en promedios generales, sino que también varía individualmente y según la dirección del movimiento, lo cual está ligado directamente a las características específicas de los sacádicos propios de cada individuo. Es decir, la sensibilidad a los estímulos de alta velocidad está moldeada por la experiencia y la fisiología particular de cada sistema visual y oculomotor. Un elemento crucial para que esta ley cinemática se manifieste es la presencia de puntos de parada o endpoints estáticos antes y después del movimiento del estímulo. Estos puntos fijos en la escena permiten que el sistema visual construya una representación coherente del movimiento y suprime las ilusiones o percepciones erróneas de trayectorias discontinuas. Cuando estos endpoints se eliminan o permanecen estáticos por un tiempo muy breve, la conducta perceptual cambia, y la percepción de movimiento se vuelve principalmente una función de la velocidad absoluta, independientemente de la amplitud.

Para explicar cómo el cerebro puede integrar y filtrar esta información tan compleja, los científicos desarrollaron un modelo parsimonioso basado en funciones de respuesta espacial y temporal típicas del procesamiento visual temprano. Este modelo simula la actividad neuronal en un mapa retinotópico que codifica la presencia y trayectoria del estímulo. Aunque simplificado, el modelo reproduce con notable fidelidad los patrones observados experimentalmente, incluyendo la transición de la percepción de movimiento continuo a la percepción de un desplazamiento abrupto cuando el estímulo excede ciertos umbrales de velocidad y cuando no hay endpoints visibles. Esta modelación considera que la activación en el sistema visual es prolongada por las respuestas a los puntos estáticos de inicio y final del movimiento, lo que 'enmascara' las señales visuales provenientes del movimiento rápido en sí mismo. Así, el sistema visual está optimizado para omitir los estímulos que corresponderían a la visión durante las propias sacádicas, evitando la saturación por los movimientos autoinducidos y manteniendo, al mismo tiempo, sensibilidad para el movimiento relevante de objetos externos.

Los descubrimientos abren interrogantes fundamentales para la comprensión de la relación entre acción y percepción. El hecho de que la percepción visual esté ajustada a la cinemática de los movimientos oculares sugiere que la experiencia visual está íntimamente entrelazada con el control motor y, más específicamente, con la estadística natural de nuestras acciones físicas sobre el entorno. Además, estos hallazgos desafían algunas de las explicaciones clásicas sobre la supresión perceptual durante los sacádicos que se basan en señales de copias corolarias o mecanismos extra-retinales complejos y de elevado procesamiento neuronal. En cambio, la ley cinemática aplicada a los estímulos visuales sugiere un mecanismo más básico y parsimonioso basado en la propiedad inherente de las señales visuales reafirmentales y en la supresión originada en la dinámica del procesamiento temprano. Este enfoque también tiene implicaciones para la investigación clínica y aplicada.

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