Attenzione nello spazio 3D

The attentive selection of a portion of the visual field has been extensively studied in two-dimensional space, that is, with stimuli presented on a frontal plane located at a certain distance from the observer. From a neural point of view, a notable overlap between selective attention and saccadic programming system was widely found, in accordance with a hypothesis of two-dimensionality of the attentional space. However, we interact with objects and process sensory information located in three-dimensional space. The question therefore arises as to whether it is possible to shift attention between points in space at different depths. The data in the literature in this regard are strongly contrasting, as according to the studies it has been concluded that the spatial attention is "depth-blind" or "depth-aware". Although some works have found that attention can be directed in 3D space, generally significant functional limitations have been described with respect to attentional shifts performed on a front planar 2D surface: the selection of objects located at different depths would only occur in situations of high perceptive load, the redirection of attention would be facilitated in the case of an approach rather than a removal of the attentional focus, according to some, the shift of attention in depth would only occur in the case of a transition from the peri-personal to the extra-personal space. The aim of the thesis is to try to resolve the significant discrepancies present in the literature regarding the three-dimensionality of the attentional space. It is reasonable to assume that the modality of presentation of visual stimuli in 3D space is a fundamental factor in determining the experimental results, both for the technical difficulties that must be overcome, and for the complexity that characterizes stereoptic perception at the psychophysical level. It is likely that these factors are largely responsible for the discordant data in the literature on the subject. The study was therefore conducted trying to create a virtual reality environment as vivid and engaging as possible, using a latest generation 3D display with "full HD" resolution, emitting alternating lines of light with left and right circular polarization. Using passive filters for polarized light it was possible to send separate images to the two eyes in order to create a virtual 3D environment with high resolution and high contrast. In this virtual reality environment, visual stimuli were presented according to a classic covert-type attention orientation paradigm (i.e. in the absence of eye movements), modified to induce attention shifts between different depth levels. The task consisted in responding as quickly and accurately as possible, by pressing two buttons of a "response box", depending on the orientation of a target stimulus, after having attracted attention to a cue stimulus, presented with spatial relationships. 3D variables with respect to the target. Reaction times and accuracy indices made it possible to measure costs and benefits deriving from the previous shift of the attention in the same (valid cue) or different (invalid cue) 3D spatial position of the target. In addition to the technique used for the creation of the 3D stimuli, the present study differs from those published in the literature for the particular care aimed at respecting the perceptive properties of the 3D visual space, determined with psychophysical methods. First of all, all the stimuli were made to fall within the Panum area, that is, that portion of space in which the retinal disparity does not generate diplopia, but a three-dimensional stereoscopic vision of the objects. Second, and most important, feature of the presentation of stimuli involved the way in which depth ratios with respect to the fixation point were determined. The 3D spatial relationships between the visual stimuli were calculated not in absolute spatial coordinates, but with respect to the empirical oroptere, that is the surface around which the difference in depth between two visual objects is estimated, on a psychophysical level, with maximum precision on the basis of retinal disparity information. Mainly the results confirm the data present in the literature regarding the shifting of attention in the two dimensions of space, but above all they indicate that attentional selection also occurs on the basis of spatial depth. Furthermore, the results highlighted some peculiarities of this selection: 1) in optimal conditions of representation of 3D space, a high perceptual load is not a determining factor in making spatial attention "depth-aware", as reported by various authors; 2) its orientation would differ on the basis of spatial coordinates: it is easier to shift the attention in depth than orientations within the same plane. The data of this research show that the spatial visual attention moves in depth, thus suggesting a three-dimensionality of the attentional space.

La selezione attentiva di una porzione del campo visivo è stata ampiamente studiata nello spazio bidimensionale, cioè con stimoli presentati su un piano frontale situato ad una determinata distanza dall'osservatore. Da un punto di vista neurale è stata ampiamente riscontrata una notevole sovrapposizione tra attenzione selettiva e sistema di programmazione saccadico, in accordo con un'ipotesi di bidimensionalità dello spazio attentivo. Tuttavia noi interagiamo con oggetti ed elaboriamo informazioni sensoriali situate in uno spazio tridimensionale. Si pone pertanto il problema se sia possibile spostare l'attenzione tra punti dello spazio posti a profondità diverse. I dati in letteratura a questo riguardo sono fortemente contrastanti, in quanto a seconda degli studi è stato concluso che l'attenzione spaziale è "depth-blind" oppure "depth-aware". Sebbene alcuni lavori abbiano rilevato che l'attenzione possa essere indirizzata nello spazio 3D, in genere sono state descritte notevoli limitazioni funzionali rispetto agli spostamenti attentivi eseguiti su una superficie 2D planare frontale: la selezione di oggetti situati a diverse profondità avverrebbe solo in situazioni di elevato carico percettivo, il reindirizzamento dell'attenzione sarebbe facilitato nel caso di un avvicinamento rispetto ad un allontanamento del focus attentivo, secondo alcuni lo spostamento dell'attenzione in profondità avverrebbe soltanto nel caso di un passaggio dallo spazio peri-personale a quello extra-personale. Scopo della tesi è quello di cercare di risolvere le notevoli discrepanze presenti in letteratura riguardo la tridimensionalità dello spazio attentivo. È lecito supporre che la modalità di presentazione degli stimoli visivi nello spazio 3D sia un fattore fondamentale nel determinare i risultati sperimentali, sia per le difficoltà tecniche che devono essere superate, sia per la complessità che caratterizza la percezione stereoptica a livello psicofisico. È probabile che questi fattori siano in larga parte responsabili dei dati discordanti in letteratura sull'argomento. Lo studio è stato pertanto condotto cercando di creare un ambiente di realtà virtuale il più possibile vivido e coinvolgente, mediante un diplay 3D di ultima generazione con risoluzione "full HD", emettente a righe alterne luce con polarizzazione circolare destra e sinistra. Utilizzando filtri passivi per luce polarizzata è stato possibile inviare immagini separate ai due occhi in modo da creare un ambiente 3D virtuale ad alta risoluzione ed elevato contrasto. In questo ambiente di realtà virtuale sono stati presentati gli stimoli visivi secondo un classico paradigma di orientamento dell'attenzione di tipo covert (cioè in assenza di movimenti oculari), modificato per indurre spostamenti dell'attenzione tra diversi livelli di profondità. Il compito consisteva nel rispondere il più rapidamente ed accuratamente possibile, mediante la pressione di due tasti di una "response box", a seconda dell'orientamento di uno stimolo target, dopo aver attratto l'attenzione su uno stimolo cue, presentato con rapporti spaziali 3D variabili rispetto al target. Tempi di reazione e indici di accuratezza hanno permesso di misurare costi e benefici derivanti dal precedente spostamento dell'attenzione nella stessa (cue valida) o diversa (cue invalida) posizione spaziale 3D del target. Oltre che per la tecnica utilizzata per la creazione degli stimoli 3D, il presente studio si differenzia da quelli pubblicati in letteratura per la particolare cura rivolta a rispettare le proprietà percettive dello spazio visivo 3D, determinate con metodi psicofisici. Innanzitutto si è fatto in modo che tutti gli stimoli cadessero all'interno dell'area di Panum, cioè di quella porzione di spazio in cui la disparità retinica non genera diplopia, ma una visione stereoscopica tridimensionale degli oggetti. Seconda, e più importante, caratteristica della presentazione degli stimoli ha riguardato il modo con cui sono stati determinati i rapporti di profondità rispetto al punto di fissazione. I rapporti spaziali 3D tra gli stimoli visivi sono stati calcolati non in coordinate spaziali assolute, ma rispetto all'oroptere empirico, cioè quella superficie intorno alla quale la differenza di profondità tra due oggetti visivi viene stimata, a livello psicofisico, con precisione massima sulla base di informazioni di disparità retinica. Principalmente i risultati confermano i dati presenti in letteratura riguardanti lo spostamento dell'attenzione nelle due dimensioni dello spazio, ma soprattutto indicano che la selezione attentiva avviene anche in base alla profondità spaziale. Inoltre i risultati hanno evidenziato alcune peculiarità di tale selezione: 1) in condizioni ottimali di rappresentazione dello spazio 3D, un elevato carico percettivo non è un fattore determinante per rendere "depth-aware" l’attenzione spaziale, come riportato da vari autori; 2) il suo orientamento si differenzierebbe in base alle coordinate spaziali: risulta più facile spostare l'attenzione in profondità rispetto a orientamenti all'interno del medesimo piano. I dati di questa ricerca evidenziano che l'attenzione visiva spaziale si sposta in profondità suggerendo quindi una tridimensionalità dello spazio attentivo.