INTRODUZIONE ALLA PERCEZIONE APTICA UMANA

1. INTRODUZIONE ALLA PERCEZIONE APTICA UMANA Presentazione di Elena Pasquinelli nell’ambito delle ricerche per una tesi di dottorato dal titolo LE ILLUSIONI DELLA PERCEZIONE APTICA. ASPETTI EPISTEMOLOGICI E APPLICAZIONI

2. Oggetto A partire dallo studio del sistema aptico umano apertura di alcune prospettive epistemologiche sulla percezione che si collocano all’interno del dibattito sulla cognizione situata e incarnata

3. Strategie • Analisi di dati empirici, in particolare in relazione a studi diretti alle illusioni della percezione aptica: • Illusione della dimensione–peso • Alcune illusioni propriocettive, esterocettive, expropriocettive legate al tatto dinamico • Alcune illusioni multimodali e intermodali

4. effetti del movimento sulla percezione ruolo della cognizione nella percezione Percezione aptica èattiva e intelligente Riassunto e risultati a) Illusione dimensione-peso (swi):

5. ruolo dei recettori muscolari nella propriocezione ruolo dei recettori della percezione della posizione e movimento del corpo nella estero e expropriocezione Percezione aptica è incarnata b) Illusioni della proprio, estero eexpropriocezione:

6. Esistenza interazione tra modalità No dominanza assoluta Dominanza determinata da compiti funzionali c) Illusioni plurimodali e intermodali (percezione visiva e aptica): Integrazione tra percezione aptica e altre modalità sensoriali sulla base di scopi, contesti e funzioni

7. Movimento, cognizione, corpo e altre modalità sensoriali entrano nel conto dei risultati percettivi apticiNecessità di una riconcettualizzazione delle modalità sensoriali

8. Obiettivi polemici • Interpretazione modulare rigida della percezione • Classificazioni dei 5 sensi

10. Definizioni della percezione aptica Revesz(1950): la percezione aptica incorpora insieme informazioni cutanee e informazioni cinestetiche Gibson(1966): “The sensibility of the individual to the world adjacent to his body by the use of his body will here be called the haptic system. The word haptic comes from a Greek term meaning "able to lay hold of." It operates when a man or an animal feels things with his body or its extremities. It is not just the sense of skin pressure. It is not even the sense of pressure plus the sense of kinesthesis. […] The haptic system, then, is an apparatus by which the individual gets information about both the environment and his body. He feels an object relative to his body and the body relative to an object.”

11. Turvey (1996): “The perception of object properties by wielding is a prominent example of dynamic touch.” Turvey(1993): “What sets kinesthetic touch apart from other forms of touch is the prominent contribution of muscular effort and its sensory consequences. As a grasped object is wielded, the receptors that interpenetrate muscular and tendinous tissues are mechanically stimulated. These mechanoreceptors, as they are called, respond to the stretching, twisting, and bending of muscles and tendons. Their collective response to the changing flux of mechanical energy is the primary (although not the exclusive) neural basis of dynamic touch.”

12. Srinivasan, Basdogan(1999): «Haptics is concerned with information acquisition and object manipulation through touch. Haptics is used as an umbrella term covering all aspects of manual exploration and manipulation by humans and machines, as well as interactions between the two, performed in real, virtual or teleoperated environments. Haptic interfaces allow users to touch, feel and manipulate objects simulated by virtual environments (Ves) and teleoperator systems ».

13. La percezione aptica è un apparato che estrae informazioni sul sistema costituito dalla mano (naturale o “artificiale”) e dall’oggetto (reale o “virtuale”) in virtù dell’azione insieme esplorativa e percettiva degli organi di movimento

14. Interesse delle ricerche sul sistema aptico • Ricerche sul sistema aptico aprono una prospettiva epistemica su: • Relazione percezione-movimento-cognizione • Relazione percezione oggetti-corpo proprio • Relazione tra modalità sensoriali • Ricerche su sistema aptico umano permettono di individuare applicazioni utili rispetto all’aptica umana e a quella “artificiale” (interazione uomo-macchina)

15. Illusioni = errori commessi dai sistemi percettivi nel misurare i fatti esterni Gregory: Le illusioni percettive sono il risultato di un funzionamento inadeguato a livello dei recettori (strumenti dello scienziato) o delle strategie cognitive (ipotesi dello scienziato), poiché la percezione funziona come un’ipotesi scientifica (modello costruttivista o “cognitivo” della percezione) “Illusioni” = fenomeni percettivi in continuità con la percezione “normale” Turvey:Le illusioni dipendono dagli stessi principi della percezione "normale". Il fatto di essere considerate "errori" non dipende da un disaccordo tra attività percettiva e realtà esterna, ma da un disaccordo tra quello che il soggetto misura con la sua percezione e quello che lo sperimentatore misura della percezione del soggetto. Definizioni delle illusioni

16. Valore pratico e epistemico delle illusioni • Le illusioni si prestano allo studio attraverso test: • sono fenomeni individuabili e circoscrivibili • sono fenomeni sistematici • sono fenomeni riproducibili (con variazioni parametri) • sono fenomeni quantitativi (forza dell’illusione, misura dei parametri fatti variare) • Le illusioni mettono in evidenza i meccanismi della percezione: • quali stimolisono significativi • quali interazioni influiscono sulla percezione

17. Illusioni del sistema somatosensoriale Illusioni del Tatto dinamico: • Illusioniaptiche dellapropriocezione, esterocezione eexpropriocezione Illusioni del Tatto passivo: epicritico: • Illusioni cinestetiche e propriocettive (vibrazione, pressione dei meccanocettori dei muscoli, tendini, articolazioni) • Illusioni esterocettive senza tatto dinamico (vibrazione, pressione dei meccanocettori della pelle) protopatico: • Illusioni termiche • Illusioni dolorifiche Illusioni multimodali: • Intersensoriali, intrasensoriali, plurimodali, sostituzione sensoriale

18. I GRUPPO DI ILLUSIONI : ILLUSIONI DEL PESO effetti del movimento della mano e del braccio e ruolo della cognizione nella percezione aptica del peso

19. Illusioni della percezione del peso Size-weight illusion (swi) • Charpentier (1891): effetto del volume sulla percezione del peso: per due sfere di eguale massa ma diametro diverso, sollevate nel palmo della mano, la più grande è percepita come più leggera. Le spiegazioni della swi si sono concentrate sull'influenza del movimento sulla percezione del peso • Due versioni del ruolo del movimento nell’illusione del peso: • Spiegazioni “centrali” e “cognitive”: programmazione centrale del movimento rispetto all'oggetto • Spiegazioni“periferiche” o “puramente sensoriali”: modello del tensore inerziale

20. Modelli “centrali” o “cognitivi” • Conoscenze ed esperienze passate del soggetto: • Il soggetto sa, in base alla propria esperienza precedente, che un oggetto grande pesa tipicamente di più di un oggetto piccolo • Comando motorio centrale: • Il programma di movimento impiega un comando motorio più grande per sollevare l’oggetto più grande • Contrasto: • La velocità inattesa del sollevamento o comunque l'eccesso di forza impiegato si traduce nella percezione di una minore pesantezza rispetto ad oggetti più piccoli ma di massa identica

21. L'illusione deriva dal confronto tra l’informazione sensoriale periferica successiva al movimento e dalla programmazione centrale del movimento L’illusione deriva dall’esperienza precedente con l’oggetto, le cui informazioni vengono integrate con quelle attuali sul peso Il confronto può prendere varie forme: Scariche corollarie confronto centrale Preparazione dei muscoli per l’azione  confronto periferico Senza confronto c’è: Integrazione dell’informazione

22. Obiezioni alle spiegazioni “dall’alto” • Ruolo della cognizione: problema delle impermeabilità dell’illusione del peso alla conoscenza (Flournoy, 1894) • Ruolo delle esperienze passate: l'illusione si presenta solo se le rappresentazioni visive dell’oggetto sono acquisite contemporaneamente al suo sollevamento (percezione aptica) (Masin e Crestoni,1988) • Confronto sensorio-motorio: la forza dell’illusione rimane costante nel corso di una serie di sollevamenti, quindi anche al migliorare delle predizioni motorie (della programmazione) e dell'aspettativa cognitiva: l’illusione non varia in caso di presenza o assenza di errori sensorio-motori (Flanagan, Bletzner, 2000)

23. Modello del tensore inerziale (Iij) • Percezione aptica è dinamica: sempre accompagnata da movimenti, come il sollevare o il manipolare • Una teoria adeguata della percezione del peso deve tenere conto del ruolo del movimento • Rifiuto di interventi cognitivi o “dall'alto”: • L’esperienza passata o i comandi motori non contano per la percezione in corso • Descrizione puramente meccanica del sistema aptico in movimento e delle sue conseguenze sull’ambiente percettivo: • Necessità di riconcettualizzare il ruolo dell’attività muscolare

24. Biomeccanica dei movimenti degli arti • La meccanica del movimento dell’oggetto è di tipo rotazionale: Oggetto soppesato, manipolato, ecc. è sottoposto a movimenti rotazionali degli arti centrati sulle articolazioni L’oggetto oppone una resistenza all’accelerazione rotazionale, quantificata da un ipernumero: Tensore dell’inerzia L’inerzia rotazionale è funzione della massa e della distribuzione di questa massa rispetto al punto di rotazione

25. Peso e distribuzione della massa • Swi indica che nella percezione del peso sono rilevanti la massa e la dimensione: Dresslar (1894): l’illusione persiste per oggetti costanti in dimensione e massa, ma che variano per compattezza E’ possibile riconcettualizzare la “compattezza” come distribuzione della massa Swi è funzione della maniera in cui la massa è distribuita, e quindi è in rapporto con l’inerzia rotazionale

26. Effetti della variazione di Iij sulla percezione del peso (Amazeen, Turvey, 1996) Ipotesi: gli effetti complessi della massa e del volume sulla percezione del peso (swi) seguono semplicemente dalle invarianti della dinamica rotazionale, non da inferenze Esperimenti: • Variazioni dell’inerzia rotazionale di oggetti tenuti in mano, a massa e volume costanti vengono ottenute mediante variazioni nella distribuzione della massa • Variazioni dell’inerzia rotazionale che “imitano” variazioni di volume a massa costante (con massa e volume costante) • Variazioni dell’inerzia rotazionale che “imitano” variazioni di massa a volume costante (con massa e volume costante) • Occlusione degli oggetti alla vista • Risultati: • Il peso percepito dipende solo dall’inerzia rotazionale, e la swi è puramente aptica

27. Considerazioni sul modello del tensore inerziale • Il movimento entra nei risultati della percezione aptica del peso • Modello in cui l’analisi dell’inputdipende dai risultati dell’output • L’influenza dei risultati del movimento sui risultati della percezione non dipende dall’intervento di processi cognitivi, ma dalla biomeccanica del movimento del sistema aptico e dalle sue conseguenze sul sistema mano-oggetto • Circuito diretto percezione-movimento • Spiegazione non cognitiva del ruolo degli effetti del movimento sulla percezione

28. Obiezioni al modello del tensore inerziale • Illusione della palla da golf • Ellis, Lederman, 1988: effetto dell’esperienza passata sulla percezione del peso: per due palline da golf di uguale peso, ma aspetto diverso (palla da gioco, palla da allenamento), solo i golfisti sperimentano l’illusione che la palla da gioco sia più leggera Alcuni tipi di conoscenza influenzano i risultati dei processi percettivi e generano illusioni aptiche, anche se la swi sembra essere impermeabile ad altri tipi di cognizione

29. La percezione aptica non è ricezione passiva di stimoli:il movimento esplorativo entra nel conto dei risultati percettivi - con le sue caratteristiche biomeccaniche - con le sue capacità anticipatorie La percezione aptica è ATTIVA

30. La percezione aptica è INTELLIGENTE L’input aptico è costituito dalle conseguenze dell’atto motorio esplorativo: - la percezione delle caratteristiche dell’oggetto è mediata dall’atto motorio, ma non da inferenze cognitive slegate dal movimento- l’input percettivo non è un dato bruto che attende elaborazioni cognitive

31. II GRUPPO DI ILLUSIONI : ILLUSIONI INDOTTE DA VARIAZIONI DI Iij Ruolo della percezione del corpo in movimento in tutti i tipi di percezione aptica

32. Illusioni esterocettive, expropriocettive, propriocettive prodotte da manipolazioni dell’inerzia rotazionale del sistema Turvey e coll.: esterocezione, propriocezione, expropriocezione sono in relazione con i movimenti rotazionali degli arti e quindi con l’inerzia rotazionale La manipolazione di specifiche caratteristiche dell’inerzia rotazionale del sistema provoca illusioni aptiche

33. Illusioni esterocettive(manipolazione di Iij) La manipolazione degli autovalori del tensore inerziale influenza la percezione dell’estensione di un oggetto e provoca “illusioni” analoghe alla swi • Esperimenti: ai soggetti è richiesto di indicare la fine di un bastone che tengono in mano per l’estremo opposto, senza poterlo vedere • Viene variata la distribuzione della massa del bastone, aggiungendo dei pesi in punti diversi della sua lunghezza, per un punto di rotazione fisso • Viene variato il punto di rotazione, facendo impugnare il bastone in punti diversi, per una distribuzione fissa della massa (il momento dell’inerzia diminuisce quando il centro di rotazione si avvicina al centro di massa) • Risultati: Dipendenza lineare della lunghezza percepita dalla lunghezza attuale e dalla distribuzione della massa (momento dell’inerzia) dell’oggetto • Lunghezza percepita cambia al variare dei momenti principali dell’inerzia del sistema mano-oggetto. Aumenta quanto più la massa aggiunta è distale e quando l’asse di rotazione è lontano dal centro del bastone

34. Azioni di Iij sulla percezione dell’estensione • Lunghezza percepita • effetti illusori del diametro sulla lunghezza percepita • aumenta all'aumentare del maggiore dei momenti principali • diminuisce all'aumentare del minore (effetti illusori del diametro sulla lunghezza percepita) • Larghezza percepita • aumenta col minore degli autovalori • diminuisce con l'aumentare del maggiore • Forma percepita • L’ellissoide dell’inerzia (la rappresentazione geometrica del tensore dell’inerzia) può somigliare alla forma dell’oggetto • correlazione con l’indice inerziale dell’oggetto (quoziente del più grande e del più piccolo dei momenti principali dell’inerzia)

35. Illusioni expropriocettive(manipolazione di Iij) La percezione della posizione mano rispetto al bastone che tiene dipende dalla distanza tra centro di massa CM dell’asta e centro di rotazione CR (polso) che induce variazioni in Iij : Esperimenti: la distribuzione della massa di un bastone impugnato al centro è modificata aggiungendo una massa ad un estremo dell’asta • questo provoca uno spostamento del CM rispetto al CR: il CM “sale” quando il peso è aggiunto nella parte di asta sopra la mano; in corrispondenza, Iij varia rispetto alla condizione senza masse aggiunte o con masse aggiunte simmetricamente Risultati: la percezione della posizione della mano rispetto all’oggetto mostra una dipendenza da Iij (in particolare da uno dei prodotti dell’inerzia, quello proporzionale alla distanza tra CM e CR): • I soggetti valutano la posizione della presa più in basso rispetto a quella attuale, quando la massa è aggiunta sopra la mano, rispetto alla condizione simmetrica

36. Illusioni propriocettive(manipolazione di Iij) La manipolazione degli autovettori del braccio influenza la percezione dell’orientamento dell’arto nello spazio • Esperimenti: manipolazioni degli autovettori del tensore inerziale del braccio ottenute modificando la distribuzione della massa di un oggetto tenuto in mano, grazie all’aggiunta di masse in posizione asimmetrica • Risultati: Rispetto alla condizione in cui i pesi sono posti in maniera simmetrica, i soggetti puntano più a sinistra quando la massa è aggiunta a destra, e più a destra quando la massa è aggiunta a sinistra (“illusione di posizione”)

37. Considerazioni sul modello Iij • Il modello del tensore inerziale fornisce un modello unico per la percezione aptica • La resistenza alla rotazione costituisce lo stimolo significativo per la percezione attraverso il tatto dinamico, sia che esso riguardi le proprietà dell’oggetto tenuto in mano, che del braccio che si muove o tiene l’oggetto: • Le grandezze degli oggetti (estensione, peso) sono in relazione con i momenti del tensore dell’inerzia • L’orientamento degli oggetti e degli arti è in relazione con gli autovettori del tensore dell’inerzia dell’oggetto o dell’arto • La lunghezza parziale di un oggetto rispetto alla mano che lo tiene = posizione della presa è in relazione con prodotti e momenti dell’inerzia insieme

38. Nel modello del tensore inerziale tutte le forme di percezione aptica sono ricondotte alla percezione del proprio corpo in movimento • Muovere un arto può essere considerato un caso di tatto dinamico, come muovere un oggetto per percepirne il peso • Il sostrato neurale è rappresentato dalla deformazione dei recettori muscolari e tendinei (senso muscolare), sia per la percezione dell’oggetto che del proprio corpo

39. Conferma del ruolo propriocettivo del “senso muscolare” Illusioni propriocettive (vibrazione muscoli) • La vibrazione passiva dei muscoli (anche con anestesia dei recettori della cute e delle articolazioni) provoca: • illusioni di movimento • illusioni di posizione, fino a posizioni anatomicamente “impossibili” I fusi neuromuscolari non sono addetti solo al controllo automatico del movimento, ma anche alla sua percezione cosciente

40. L’attività percettiva del sistema aptico è fondata sul “senso muscolare” ovvero sulla percezione delle condizioni di movimento del corpo proprio attraverso l’azione dei recettori muscolari La percezione aptica è INCARNATA

41. III GRUPPO DI ILLUSIONI : ILLUSIONI CHE RIGUARDANO PERCEZIONE APTICA E VISIVA Rapporto della percezione aptica con le altre modalità sensoriali

42. Illusioni plurimodali (illusioni geometriche) Alcune illusioni ottiche (Muller-Lyer, orizzontale-verticale, ..) hanno un corrispettivo tattile Modelli esplicativi: • Meccanismi puramente visivi, transfert intermodale • Spiegazioni motorie

43. Obiezioni alla dominanza visiva sulla percezione aptica • Illusioni aptiche geometriche esistono anche in soggetti ciechi dalla nascita • Illusioni geometriche possono presentare differenze nella modalità visiva e in quella aptica • Visione e tatto nell’illusionedella dimensione-peso: • L’illusione della dimensione-peso può essere generata da uno stimolo visivo (visione dimensioni) che precede quello tattile (apprezzamento del peso), ma l’illusione esiste anche nella sola modalità aptica • L’illusione della dimensione-peso suscitata da uno stimolo visivo è meno forte di quella puramente aptica

44. La percezione aptica è AUTONOMA La mediazione visiva non è necessaria né sufficiente a spiegare le illusioni aptiche

45. Conflitto intersensoriale In caso di conflitto tra stimoli visivi e stimoli tattili la dominanza varia a seconda delle condizioni contestuali e del compito (Heller, Calcaterra, Green, Brown, 1999) Esperimenti: I soggetti devono valutare visivamente e apticamente la dimensione di alcuni oggetti • L’informazione visiva è deformata rispetto a quella tattile attraverso l’uso di lenti che rendono “l’oggetto visivo” apparentemente più piccolo “dell’oggetto aptico” Risultati: Contrariamente ai modelli correnti (Rock, Victor, 1964), non c’è dominanza di una modalità sull’altra in situazioni conflittuali: • I risultati sono una media tra l’informazione visiva e quella tattile • I soggetti spostano la loro "fiducia" verso la vista o verso il tatto (dominanza) in relazione alla precisione richiesta nella valutazione

46. Considerazioni sul conflitto visivo-aptico • Il rapporto tra sistemi sensoriali che agisconocontemporaneamente su un oggetto è gestito caso per caso in ragione del contesto e dello scopo dell’attività percettiva in corso • In generale, la norma è quella di una collaborazione tra sensi: la dominanza visiva non è la norma, neanche in caso di discrepanza • Le assunzioni sulla dominanza sensoriale sono spesso delle semplificazioni di processi molto complicati, in cui entrano in gioco la capacità di un senso di attrarre maggiormente l'attenzione, ma anche fattori affettivi, spaziali, cognitivi, legati al compito in corso.

47. La percezione aptica èin un rapporto di COLLABORAZIONE con le altre “modalità sensoriali”e questo rapporto si organizzasulla base dei COMPITI percettivi e del CONTESTOdell’attività percettiva

48. Illusioni intersensoriali(Illusione “di Ramachandran”) In pazienti che sperimentano un arto fantasma, stimoli visivi possono indurre illusioni propriocettive riguardo alla posizione e movimento dell’arto fantasma stesso Esperimenti: viene costruita una scatola (“virtual reality box)caratterizzata da due buchi per le mani e uno specchio posto al centro: • Il paziente inserisce la mano “sana” in un buco e la mano “fantasma” nell’altro. Lo specchio dà l’impressione che la “mano fantasma” sia diventata improvvisamente visibile • La mano “sana” del paziente viene sostituita con la mano guantata dello sperimentatore Risultati: Grazie al controllo visivo, il paziente ha la sensazione (illusione) che la mano fantasma si apra, e si libera dalla paralisi dolorosa • La sostituzione della “mano fantasma” del paziente con la mano guantata di un terzo induce la stessa illusione, fino a produrre la sensazione di posizioni anatomicamente “impossibili”, quindi non immagazzinate in memoria

49. Considerazioni sulla virtual-reality box • La scatola della realtà virtuale di Ramachandran è un caso di illusione (percezione) propriocettiva prodotta da uno stimolo visivo • Lo stimolo visivo non si limita a riattivare memorie propriocettive immagazzinate, ma provoca direttamente sensazioni propriocettive nuove e attuali • Visione e propriocezione possono interagire ad un livello inferiore a quello delle rappresentazioni

50. Anche se in un certo senso è autonomaLa percezione aptica non èuna “modalità sensoriale” IMPERMEABILE I processi visivi possono entrare nel conto dei risultati propriocettivi