Determinants of stereotypic and variable eye-movement patterning: experimental analysis and clinical implications

Abstract

Differential positive reinforcement has been observed to alter eye movements, but the effects of punishment on eye movement-patterning have yet to be investigated. Moreover, mainstream theoretical formulations of punishment omit essential effects that may affect behaviors that are temporally distal from the punitive event. One of them is the power of punishment to establish the negative reinforcing potency of stimuli mechanically produced by the punished responses, from which relief may often be obtained in the emission and repetition of action patterns that have not been punished. Stereotypic replication of ‘safe’ action patterns becomes problematic when it is evoked in contexts that demand greater variability levels. In a series of two experiments, the power of punishment to evoke generalized stereotypic visual-motor fixation patterning was examined using eye tracking technology, when such patterning itself was neither punished nor reinforced by experimenter-controlled events. In Experiment 1, in a two-link chain, neurotypical adults initially fixated serially on each of four black dots in any order with no scheduled effect; then they searched for a small white dot that appeared momentarily on one of the four black dots. Correct detection and guesses of the location of the white dot were reinforced with points; errors received no consequences save the initiation of a new trial. In the second phase, second-link detection errors were either punished (experimental group) or not punished (control group) with point loss. While fixation patterning itself was never punished, second-link punishment evoked increased pattern repetition in the first link; baseline variability levels partially recovered with the termination of punishment in Phase 3. This generalized effect of punishment was not observed in Experiment 2, where in the first link, subjects had to produce eye fixation patterns that differed from the last-emitted pattern. Under these conditions, instead of stereotypy, punishment evoked even more variable visual-motor fixation patterning. A context of punishment tends to evoke generalized repetition of recently-emitted, unpunished fixation patterns in humans, even when such topographic stereotypy or variability is not itself functional; this effect may be blocked or reversed with the differential reinforcement of variability. These findings, along with their theoretical formulation of punishment effects, could prove to be helpful in clinical cases where atypical eye-movement patterning is observed, such as in autism spectrum disorder, attention-deficit/hyperactivity disorder and Alzheimer’s disease.

Ενώ η διαφορική θετική ενίσχυση έχει παρατηρηθεί πως μπορεί να αλλάζει τις κινήσεις των ματιών, οι επιδράσεις της τιμωρίας στα μοτίβα βλεμματικής συμπεριφοράς δεν έχουν ακόμα επαρκώς μελετηθεί. Επιπλέον, οι επικρατούσες θεωρήσεις της τιμωρίας παραβλέπουν ουσιώδεις επιδράσεις της, οι οποίες μπορεί να είναι χρονικά απομακρυσμένες από το τιμωρητικό γεγονός. Μία από αυτές είναι η θεμελίωση της αρνητικά ενισχυτικής δύναμης των ερεθισμάτων που παράγονται από τις τιμωρημένες δράσεις, από τις όποιες μπορεί να «αποκτηθεί» ανακούφιση και ασφάλεια μετά από εκδήλωση και επανάληψη μοτίβων συμπεριφοράς που δεν έχουν τιμωρηθεί. Η στερεοτυπική επανάληψη «ασφαλών» μοτίβων δράσης καθίσταται προβληματική όταν εκδηλώνεται σε πλαίσια, τα οποία απαιτούν συμπεριφορές με μεγαλύτερη μεταβλητότητα. Σε μια σειρά δύο πειραμάτων, μελετήθηκε με τη χρήση τεχνολογίας καταγραφής των οφθαλμοκινήσεων, η δυνατότητα της τιμωρίας να προξενεί γενικευμένη στερεοτυπική παραγωγή οπτικοκινητικών μοτίβων εστίασης, όταν η παραγωγή των μοτίβων αυτών δεν τιμωρούταν ούτε ενισχυόταν μέσω κάποιου πειραματικά ελεγχόμενου τρόπου. Στο πρώτο πείραμα, σε μια συντελεστική αλυσίδα δύο κρίκων, ενήλικες εστίαζαν αρχικά το βλέμμα τους σειριακά σε τέσσερεις μαύρες βούλες με οποιαδήποτε σειρά επιθυμούσαν χωρίς κάποια προγραμματισμένη συνέπεια· στη συνέχεια, έψαχναν μια μικρή άσπρη βούλα που εμφανιζόταν στιγμιαία εντός μιας από τις τέσσερεις μαύρες βούλες. Η σωστή ανίχνευση ή το μάντεμα της τοποθεσίας της άσπρης βούλας ενισχυόταν με πόντους· τα λάθη στην ανίχνευση δεν παρήγαγαν κάποια συνέπεια, εκτός της εκκίνησης της επόμενης δοκιμασίας. Στη δεύτερη φάση, τα λάθη στην ανίχνευση είτε τιμωρούνταν είτε όχι με αφαίρεση πόντων. Ενώ η παραγωγή οπτικοκινητικών μοτίβων εστίασης δεν τιμωρούνταν καθόλη τη διάρκεια του πειράματος, η τιμωρία στον δεύτερο κρίκο της αλυσίδας προξένησε επαναλαμβανόμενη παραγωγή μοτίβων στον πρώτο κρίκο· τα επίπεδα μεταβλητότητας επανήλθαν στα αρχικά επίπεδα, όταν αφαιρέθηκε η τιμωρία από το περιβάλλον στην τρίτη φάση. Αυτή η γενικευμένη επίδραση της τιμωρίας δεν παρατηρήθηκε στο δεύτερο πείραμα, όπου στον πρώτο κρίκο της αλυσίδας οι συμμετέχοντες έπρεπε να παράγουν μοτίβα που διέφεραν από το αμέσως προηγούμενο μοτίβο. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, αντί για στερεοτυπική επανάληψη οπτικοκινητικών μοτίβων εστίασης, η τιμωρία προξένησε την παραγωγή πιο μεταβλητών μοτίβων. Φαίνεται πως ένα τιμωρητικό πλαίσιο τείνει να προξενεί γενικευμένη επανάληψη μοτίβων, τα οποία έχουν εκδηλωθεί πρόσφατα και δεν έχουν τιμωρηθεί, ακόμα και όταν αυτή η στερεοτυπία/μεταβλητότητα δεν είναι με κάποιο τρόπο λειτουργική, ενώ η επίδραση αυτή μπορεί να εμποδιστεί ή ακόμα και να ανατραπεί με τη διαφορική ενίσχυση μεταβλητών μοτίβων στον πρώτο κρίκο της αλυσίδας. Αυτά τα ευρήματα, μαζί με τη θεωρητική ανάλυση των επιδράσεων της τιμωρίας, μπορεί να καταστούν βοηθητικά σε κλινικές περιπτώσεις όπου παρατηρούνται μη-τυπικά επίπεδα οπτικοκινητικών μοτίβων, όπως στη διαταραχή αυτιστικού φάσματος, στη διαταραχή ελλειμματικής προσοχής και υπερκινητικότητας και στη νόσο Alzheimer.