Effect of Alcohol on the Cerebral Function Observed in Eye Movements during Tracking a Visual Target

Effect of Alcohol on the Cerebral Function Observed in Eye Movements during Tracking a Visual Target

著者 Horii Ken, Kasumi Akihiro, Nakamura Jun, Kotani Kentaro

journal or

publication title

関西大学工学研究報告 = Technology reports of the Kansai University

volume 47

page range 57‑64

year 2005‑03‑21

URL http://hdl.handle.net/10112/11823

EFFECT OF  ALCOHOL ON  THE  CEREBRAL FUNCTION  OBSERVED IN EYE MOVEMENTS DURING TRACKING A 

VISUAL TARGET 

Ken H O R I I * ,   A k i h i r o  KASUMI * * ,   Jun NAKAMURA***, K e n t a r o  KOTANI* 

( R e c e i v e d  S e p t e m b e r   1 5 ,  2 0 0 4 )   ( A c c e p t e d  November  3 0 ,  2 0 0 4 )  

A b s t r a c t  

I n  t h i s   s t u d y  we e s p e c i a l l y  a s s o c i a t e  e y e  movements i n   t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t   w i t h  d y s f u n c t i o n s  c a u s e d  by symptoms o f  i n t o x i c a t i o n  i n   b o t h  f r o n t a l  and p a r i e t a l   l o b e s .  V i s u a l  t a r g e t s  u s e d  i n  t h i s  s t u d y  were o f  a p p a r e n t  movements and o f  p e r i o d i c a l   t r i a n g u l a r  wave form on d i s p l a y .   Two moving p a t t e r n s  o f   a  v i s u a l  t a r g e t  were  p r o v i d e d  f o r  t h e  e x p e r i m e n t .  One i s   d e s i g n e d  s o  a s  t o  demand a  p e r c e p t u a l  t a s k ,  and  a n o t h e r  f o r   a  c o g n i t i v e  t a s k .   Each s u b j e c t  c a r r i e d  o u t  t h e  t r a c k i n g  p r o c e s s  under  t h r e e  c o n d i t i o n s :  o f   n o ‑ a l c o h o l ,   o f  low and h i g h  c o n c e n t r a t i o n s .  I n  t h e  c a s e  o f   an  i n t o x i c a t e d  s u b j e c t ,  t h e  l a t e n c y  and t h e  d u r a t i o n  o f  s a c c a d e  a r e  more p r o l o n g e d ,  t h e   mean v e l o c i t y  i s   r e d u c e d ,  and t h e  a m p l i t u d e  i s   e n l a r g e d ,  e s p e c i a l l y  i n   t h e  c a s e  o f   t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t  w i t h  a  moving p a t t e r n  which r e q u i r e s  a  c o g n i t i v e  t a s k .  There  i s   no d i f f e r e n c e  between t h e  two t a s k s  on t h e  n e u r a l  network f o r   s e t t i n g  up  n e c e s s a r y  parameters t o   s t a r t  o f f   a  s a c c a d e ,  but t h e  q

i t y  o f   e y e  t r a c k i n g  i s   d e f i n i t e l y  a f f e c t e d  by h i g h  q u a n t i t i e s  o f  a l c o h o l .  T h i s  c o r r o b o r a t e s  T e r a o ' s  h y p o t h e s i s   t h a t  t h e  n e u r a l  network c a n  c o m p e n s a t e  f o r  t h e  damage o n l y  a t  o n e  a r e a  i n  t h e  b r a i n ,   b u t  d o e s  n o t  c o o p e r a t e  w e l l  i f   damage e x i s t s  i n  m u l t i p l e  a r e a s  o f  t h e  b r a i n .  

Key w o r d s :  a l c o h o l ,  v i s u a l  s e a r c h ,  c e r e b r a l  f u n c t i o n ,  s a c c a d e ,  d r i v i n g  

1 .   Introduction 

D r i n k i n g  i s   one o f  us human beings'most t y p i c a l  h a b i t s  and has a  s t r o n g  i n f l u e n c e   on p e r s o n a l  and s o c i a l   a s p e c t s  o f  our l i f e s t y l e s .   Many researchers have i n v e s t i g a t e d   i n f l u e n c e s  caused by a l c o h o l  on t h e   hu~an b o d y .   I t   i s   well‑known t h a t  d y s f u n c t i o n  o f  t h e   b r a i n  i n d u c e d  by t h e  symptoms o f  i n t o x i c a t i o n  can l e a d  t o  p e r s o n a l  o r  s o c i a l  d i s a s t e r  i n  t h e   form o f  a  d r i v i n g  a c c i d e n t  o r  a  c r i m i n a l  a c t .  

Some r e p o r t s ,  i n d i c a t i n g  r e l a t i o n s  between i n t o x i c a t i o n  and l o c a l i z a t i o n  o f  f u n c t i o n s  i n   t h e  b r a i n ,  show t h a t  i n t o x i c a t i o n  c a u s e s  h y p e s t h e s i s a  i n  t h e  f r o n t a l  l o b e ,  l o c o m o t o r s  a t a x i a  i n   t h e  p a r i e t a l  l o b e ,   v i s u a l   d i s t u r b a n c e  i n   t h e  o c c i p i t a l  l o b e  and b a s a l  g a n g l i a ,   and poor  e q u i l i b r i u m  i n   t h e  c e r e b e l l u m 1 l .  These d y s f u n c t i o n s  were i n v e s t i g a t e d  by a p p l y i n g  such  methods a s  MEG, fMRI o r  PET, which can p i c k  up r e s p o n s e s  caused i n   t h e  b r a i n  w h i l e   c e r t a i n  s t i m u l i  were g i v e n  t o  t h e  human body under symptoms o f  i n t o x i c a t i o n 2 l ‑ 4 l .   Other 

*  F a c u l t y  o f  E n g i n e e r i n g ,  K a n s a i  U n i v e r s i t y  

* *   Omuron C o r p o r a t i o n  

* * *   P a r t ‑ t i m e  L e c t u r e r ,  K a n s a i  U n i v e r s i t y  

5 8   Ken H O R I I ,  A k i h i r o  KASUMI, J u n  NAKAMURA, K e n t a r o  KOT  ANI 

s t u d i e s  demonstrate t h a t  t h e  i n f l u e n c e  o f  a l c o h o l  permeates throughout t h e  b r a i n  i n   p r o p o r t i o n  t o  i t s   q u a n t i t y ,  a s  t h e  d e n s i t y  o f  a l c o h o l  a f f e c t s  t h e  f u n c t i o n  o f  t h e  f r o n t a l  l o b e   w i t h  a  c o n c e n t r a t i o n  o f   b r e a t h  a l c o h o l  ( B . A . )   o f  0 . 5 m g / l ,  t h e  p a r i e t a l  l o b e  w i t h  a  l . O m g / 1   c o n c e n t r a t i o n ,  t h e  o c c i p i t a l  l o b e  and b a s a l  g a n g l i a  w i t h  l . 2 5 m g / l ,  and t h e  c e r e b e l l u m  w i t h   l . 5 m g / 1 5 > .   There have been many r e p o r t s  i n   which t h e s e  d y s f u n c t i o n s  were i n d i r e c t l y   o b s e r v e d  a c t i o n  o f  o r  symptoms s e e n  i n  a n  e f f e c t o r  o f  t h e  human body under a  c o n d i t i o n  o f   i n t o x i c a t i o n .  One i m p o r t a n t  a s p e c t  o f  e f f e c t o r ' s  a c t i o n s  i s   e y e  movement, which i s   i n d u c e d   t h r o u g h  some f u n c t i o n s  o f  t h e  b r a i n  a s  a  r e s u l t  o f  r e s p o n s e  t o  a  s t i m u l u s  6 ' 7 > ̲   I t   i s   c l e a r  t h a t   t h e r e  i s   a  r e l a t i o n s h i p  between t h e  two k i n d s  o f  e y e  movement i n   t r a c k i n g  and l o c a l i z a t i o n   o f  f u n c t i o n  i n   t h e  b r a i n .   For e x a m p l e ,  t h e  most i m p o r t a n t  f e a t u r e  o f  s a c c a d e  " s a c c a d i c   a m p l i t u d e "   i s   o r g a n i z e d  i n  t h e  s u p e r i o r  c o l l i c u l u s

" e y ev e l o c i t y "   o f  smooth e y e  movement  i s   r e g u l a t e d  i n  t h e  f r o n t a l  l o b e s >  and l a t e n c i e s  o f  two k i n d s  o f  e y e  movements a r e  g e n e r a t e d   i n  t h e  o c c i p i t o ‑ p a r i e t a l  a s s o c i a t i o n  a r e a 叫

I n  t h i s   s t u d y ,  we t r y  t o   c o r r o b o r a t e  t h e s e  a b o v e ‑ m e n t i o n e d  d y s f u n c t i o n s  t h r o u g h  t h e   e y e  movement b e h a v i o r  i n  t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t  u n d e r  symptoms o f  i n t o x i c a t i o n .  

2 .   EYE MOVEMENT GENERATION AND THE  INFLUENCE  OF  ALCOHOL IN THE  BRAIN 

2  . 1   Brain and Eye Movement 

We  f i n d  two k i n d s  o f  e y e  movements, s a c c a d e  and smooth e y e  movement, i n  t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t .  S a c c a d e  i s   g e n e r a t e d  by a  n e u r a l  network t h r o u g h  t h e  f r o n t a l  v i s u a l  a r e a ,  t h e   LIP a r e a ,   t h a l a m u s ,  b a s a l  g a n g l i a ,  s u p e r i o r  c o l l i c u l u s ,   c e r e b e l l u m  and t h e  b r a i n  s t e m ,  and  smooth eye movement through MT  and MST i n   t h e  c e r e b r a l  c o r t e x ,  n u c l e i  P o n t i u s ,   c e r e b e l l u m  and t h e  b r a i n  stem

Some a r e a s  i n   t h e s e  n e u r a l  networks have a s p e c i f i e d  f u n c t i o n  f o r   c r e a t i n g  eye  movement. The f r o n t a l  l o b e ,  f o r   e x a m p l e ,  h a s  a  s w i t c h i n g  mechanism f o r  s e l e c t i n g  e i t h e r   s a c c a d e  o r  smooth e y e  movement, a  g e n e r a t o r  f o r  a m p l i f y i n g  e a c h  e y e  v e l o c i t y  o f  t h e  two  k i n d s  o f  e y e  movement 

and a  c o n t r o l l e r  f o r  managing a n  a c c o m m o d a t i o n  o f  a l l   c l a s s e s  o f   v o l u n t a r y  e y e  movement 

The p a r i e t a l  l o b e  i s   c r u c i a l  f o r  r e s p o n s e s  t o  t h e  most s a l i e n t  o r   b e h a v i o r a l l y  r e l e v a n t  v i s u a l  o b j e c t s  

and f o r  e v o k i n g  s a c c a d e  i n  c a t c h i n g  a  v i s u a l  t a r g e t .  

2 .  2  Brain and Alcohol 

I n  g e n e r a l ,  a l c o h o l  s e r v e s  t o  c a u s e  a  l o s s  o f  s e l f ‑ r e s t r a i n t  i n   t h e  n e o  c o r t e x ,  s o  t h a t  t h e   human b e i n g  h a s  a  f e e l i n g  o f  e u p h o r i a ,  o v e r ‑ c o n f i d e n c e ,  and m e n t a l  f l e x i b i l i t y .  The i n f l u e n c e   o f  a l c o h o l  p e r m e a t e s  w i t h  i n c r e a s i n g  amount by t u r n s  t h r o u g h  t h e  s o m a t o s e n s o r y  c o r t e x   and t h e  motor c o r t e x  i n   t h e  p a r i e t a l  l o b e ,  t h r o u g h  t h e  v i s u a l  a r e a  i n  t h e  o c c i p i t a l  l o b e  and  t h e  t h a l a m u s

The r e l a t i o n s h i p  o f  t h e  c o n c e n t r a t i o n  o f  b r e a t h  a l c o h o l  t o  l o c a l i z a t i o n  o f  f u n c t i o n  i n   t h e  

b r a i n  o r  t o   d y s f u n c t i o n  c a u s e d  by symptoms o f  i n t o x i c a t i o n  i s   summarized i n   T a b l e   1 .  

D e c l i n e  i n   t h e  a b i l i t y   t o   make a  d e c i s i o n ,  o r  t o   c o n c e n t r a t e  and l o s s   o f  s e l f ‑ r e s t r a i n t  a r e  

T a b l e  I B r a i n  a r e a  a n d  d y s f u n c t i o n  o n  a l c o h o l  

Concentration of B.A.  Brain Area  Dysfunction  Loss of Self‑Restraint  0.50[mg/l]‑ Frontal lobe  Feeling of Euphoria 

Hypesthesia  Locomotor Ataxia  1.00[mg/1]‑ Parietal lobe  Language Disorder 

Reeling  Occipital lobe  Visual Disturbance  1.25[mg/l]‑ Basal ganglia  ConscDiiosutsunrbeasnsc Vomoting e of 

1 50[mg/l]‑ Cerebellum  Difficulty in  Walking  Difficulty in  Equilibration 

1 75[mg/l]‑ Pons  Coma  Sweating  Inhibition of Respiration  2 OO[mg/1]‑ Medulla  Temperature Fall 

Death 

observed when t h e  i n f l u e n c e  o f  a l c o h o l  permeates through t h e  f r o n t a l  l o b e  with a  c o n c e n t r a t i o n  o f  b r e a t h  a l c o h o l  a t   o r  above 0 . 5 m g / L  Locomotor a t a x i a  a r i s e s  when t h e   i n f l u e n c e  o f  a l c o h o l  p e r m e a t e s  t h r o u g h  t h e  p a r i e t a l  l o b e  w i t h  a  c o n c e n t r a t i o n  o f  b r e a t h   a l c o h o l  a t  o r  a b o v e  1 . 0 m g / 1 .  

We e s p e c i a l l y  a s s o c i a t e  e y e  movements i n   t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t  w i t h  d y s f u n c t i o n s   c a u s e d  by symptoms o f  i n t o x i c a t i o n  i n  t h e  f r o n t a l  and p a r i e t a l  l o b e s .  

3 .   EXPERIMENTAL CONDITIONS  3  . 1   V i s u a l  Target and Task 

The v i s u a l  t a r g e t s  u s e d  i n   t h i s   s t u d y  were o f   a p p a r e n t  movements and o f  p e r i o d i c a l   t r i a n g u l a r  wave f o r m  o n  d i s p l a y .  V e l o c i t y  and a m p l i t u d e  f o r  e a c h  v i s u a l  t a r g e t  were s e t  t o   2 0 d e g / s e c  and 2 0 d e g r e e s  i n   v i s u a l  a n g l e  t h r o u g h o u t  t h e  e x p e r i m e n t .  When a  v i s u a l  t a r g e t   a p p e a r e d ,  t h e  s u b j e c t  was r e q u i r e d  t o  p u r s u e  i t   w i t h  b o t h  e y e s  a s  s m o o t h l y  a s  p o s s i b l e .  

We p r o v i d e d  two moving p a t t e r n s  o f  a  v i s u a l  t a r g e t  f o r  t h e  e x p e r i m e n t .  One moving  p a t t e r n  was d e s i g n e d  t o   i n c l u d e  d i s c o n t i n u o u s  d i s p l a c e m e n t s  ( o f   5 d e g r e e s )  i n   o r d e r  t o   examine p e r c e p t u a l  c h a n g e s  i n   c e r e b r a l  f u n c t i o n  upon e n c o u n t e r i n g  sudden p e r c e p t u a l   g a p s .  Another was d e s i g n e d  t o   g i v e  a  c o g n i t i v e  t a s k  ( c o m p a r i n g  two d i f f e r e n t  numbers  p r e s e n t e d  f o r   300msec a t   e a c h  p o i n t  a l o n g  t h e  l e f t   and r i g h t  s i d e s  ( 5 d e g r e e s )  from t h e   c e n t e r  o f  t h e  d i s p l a y )  w h i l e  t h e  s u b j e c t  was t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t  i n   o r d e r  t o   examine  c o g n i t i v e  c h a n g e s .  As a  r e s u l t ,  s u b j e c t s  c o n t i n u e d  t o  t r a c k  a  v i s u a l  t a r g e t  i n  t h e  d i r e c t i o n  o f   t h e  l a r g e r  o f  t h e  two n u m b e r s .  

3 . 2   S u b j e c t s  and Drinks 

A t o t a l   o f  t h r e e  h e a l t h y  m a l e  u n d e r g r a d u a t e  s t u d e n t s  p a r t i c i p a t e d  i n   t h e  s t u d y .  The 

s u b j e c t s ' a g e s  were 2 2 ‑ 2 4  y e a r s  and t h e y  weighed 6 2 ‑ 7 0  K g f .  D r i n k s  c o n s i s t e d  o f  whisky 

( w i t h  40% a l c o h o l )  and w a t e r .  Amounts o f  whisky i n   e a c h  d r i n k  were e i t h e r  a b o u t  2 0 0 m l  t o  

g i v e  a  c o n c e n t r a t i o n  o f   b r e a t h  a l c o h o l  o f  0 . 5 m g ,  1  Clow a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n " ) ,  o r  a b o u t  

6 0   Ken H O R I I ,  A k i h i r o  KASUMI, J u n  NAKAMURA, K e n t a r o  KOTANI 

4 0 0 m l  t o   g i v e  a  c o n c e n t r a t i o n  o f  b r e a t h  a l c o h o l  o f   l . O m g / 1  ( " h i g h  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n " ) .   The c o n d i t i o n  o f  l o w  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n  was d e s i g n e d  t o  a f f e c t  t h e  c e r e b r a l  f u n c t i o n s  a t   f r o n t a l  l o b e ,  and t h a t  o f  h i g h  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n  would a f f e c t  c e r e b r a l  f u n c t i o n s  a t  b o t h   f r o n t a l  and p a r i e t a l  l o b e s .  

3 .  3 Experimental Method and Procedure 

Each s u b j e c t  p e r f o r m e d  t a s k s  under t h r e e  c o n d i t i o n s :  n o ‑ a l c o h o l ,  l o w  a l c o h o l  and h i g h   a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n s .  The same t a s k  was performed t w i c e  by each s u b j e c t  under  c o n d i t i o n s  o f  l o w  and h i g h  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n s .  Eye movements d u r i n g  t r a c k i n g  a  v i s u a l   t a r g e t  were measured by t h e  Eye L i n k  S y s t e m ,  which s a m p l e s  a t  t h e  r a t e s  o f  2 5 0 H z .  Each  s u b j e c t  d r a n k  2 0 0 m l  w i t h i n  3 0 m i n u t e s  i n  c o n s i d e r a t i o n  o f  t h e  i n t e r n a l  a b s o r p t i o n  v e l o c i t y  o f   a l c o h o l  i n   t h e  b o d y .  The b r e a t h  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n  was measured 3 0 m i n u t e s  from t h e   t i m e  o f  d r i n k i n g  i n   t h e  c a s e  o f  l o w  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n .  A f t e r  c h e c k i n g  t h a t  t h e  b r e a t h   a l c o h o l  v a l u e  was more t h a n  0 . 5 m g / 1 ,  t h e  s u b j e c t  p e r f o r m e d  t h e  t r a c k i n g  p r o c e s s  d e s i g n e d   w i t h  two moving p a t t e r n s .  I m m e d i a t e l y  a f t e r  f i n i s h i n g  t h e s e  e x p e r i m e n t s  f o r   l o w  a l c o h o l   c o n c e n t r a t i o n ,  t h e  s u b j e c t  d r a n k  a n o t h e r  2 0 0 m l  w i t h i n  3 0 m i n u t e s ,  and t h e  b r e a t h  a l c o h o l   c o n c e n t r a t i o n  was measured a g a i n  t o   e n s u r e  a  c o n d i t i o n  o f   h i g h  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n  o f   more t h a n  1 . 0 m g / 1 .  The s u b j e c t  t h e n  performed t h e  t r a c k i n g  p r o c e s s  u s i n g  t h e  same  p r o c e d u r e  a s  b e f o r e .  

4 .   RESULTS 

4  . 1   Moving Pattern Designed t o  Demand a  P e r c e p t u a l  Task 

F i g u r e  1  shows t h e  l o c i   o f  a  moving t a r g e t  ( a   broken l i n e )   and e y e  t r a j e c t o r i e s  i n   t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t  ( a   b l a c k  l i n e  f o r  smooth e y e  movement and a  g r a y  l i n e  f o r  s a c c a d e ) .   I n  t h i s  f i g u r e ,  l a t e n c y ,  a m p l i t u d e ,  d u r a t i o n  and mean v e l o c i t y  o f  a  s a c c a d e  a r e  d e f i n e d ,  and a  d i s c o n t i n u o u s  p o i n t  o f  a  v i s u a l  t a r g e t  i s   named a " s a c c a d i c  p o i n t " .  

F i g u r e  2  shows e x a m p l e s  o f  e y e  t r a j e c t o r y  i n   t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t  w i t h  t h e  moving  p a t t e r n  i n c l u d i n g  d i s c o n t i n u o u s  d i s p l a c e m e n t s  u n d e r  c o n d i t i o n s  o f  n o ‑ a l c o h o l ,  l o w ,  and h i g h   a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n s ,  r e s p e c t i v e l y .  Eye t r a j e c t o r y  u n d e r  n o ‑ a l c o h o l  c o n d i t i o n  a s  shown i n  

一

Saccade 

~ I ……

く

D e f i n i t i o n > 

F i g .   1  S c h e m a t i c  l o c i  o f  a  v i s u a l  m o v i n g  t a r g e t  a n d  o f  e y e  movement i n  t r a c k i n g  i t  

F i g .  2  L o c i  o f  m o v i n g  t a r g e t s  i n c l u d i n g  s u d d e n  p e r c e p t u a l  g a p s  a n d  e y e  t r a j e c t o r i e s   i n  d u a l ‑ m o d e  t r a c k i n g  

i

—•

→ 

!~::~t=----+--::- ‑ ‑ ‑ ‑‑ ‑

信戸二~--,

i llO'  I 100 1 

I  o  o.s  1  1.s 

:  Concentration of breath alcohol[mg/1] 

F i g .  3 L a t e n c y  o f  s a c c a d e  

! 

—•

—•

一←

1 1 6 . S  

i , 6 . 0  

,  s.s  .  : 

，

用

:  < 

! 4.0  : 

i  O  0,S  1  1.S 

i  Conscentration of breath alcohol[mg/1) 

F i g .  5 A m p l i t u d e  o f  s a c c a d e  

—•

→ 

戸

ご

□

, ,  0  0.5  1  I.5 

: i _，  Concentration of breath alcohol(mg/1) 

F i g .  4 Mean v e l o c i t y  o f  s a c c a d e  

F i g . 2 ( a )  c o n s i s t s  o f  p r e c i s e l y  smooth e y e  movements and s a c c a d e s  which a r e  c a u s e d  a t  o n l y   t h r e e  p o i n t s ‑t h e  s t a r t i n g  p o i n t  where a  t a r g e t  b e g i n s  t o  m o v e ,  t h e  t u r n i n g  p o i n t  where a  t a r g e t  b e g i n s  t o   move b a c k  and t h e  s a c c a d i c  p o i n t .  The s u b j e c t  c a n  q u i t e  e a s i l y  p e r c e i v e   t h e  moving t a r g e t  on g r a s p i n g  t h i s   e y e  t r a j e c t o r y .  However, i t   becomes h a r d e r  f o r   t h e   s u b j e c t  t o  p e r c e i v e  t h e  moving t a r g e t  i n   p r o p o r t i o n  t o  t h e  d e n s i t y  o f  a l c o h o l ,  a s  shown i n   F i g s . 2 ( b )   and 2 ( c ) ,   where t h e  f r e q u e n c i e s  o f   saccade and o f  i n s u f f i c i e n t  smooth eye  movement i n c r e a s e .  

We a s s e s s e d  f o u r  f e a t u r e s :  l a t e n c y  ( m s e c ) ,  a m p l i t u d e  ( d e g ) ,   d u r a t i o n  ( m s e c )  and mean 

v e l o c i t y  ( d e g / s e c )  o f  s a c c a d e  on e y e  t r a j e c t o r y  which was i n d u c e d  j u s t  a f t e r  t h e  s a c c a d i c  

p o i n t  on a  l o c u s  o f  a  moving t a r g e t .  These f o u r  f e a t u r e s  o f  s a c c a d e  a r e  summarized a s  a 

f u n c t i o n  o f   b r e a t h  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n  i n   F i g s . 3 ‑ 6 .   Three q u a n t i t i e s  o f  s a c c a d e ;  l a t e n c y ,  

amplitude and d u r a t i o n  i n c r e a s e ,  but t h a t  o f  mean v e l o c i t y  d e c r e a s e s  e s p e c i a l l y  i n  

c o n c e n t r a t i o n  o f  b r e a t h  a l c o h o l  l . O m g / 1 .  

6 2   Ken H O R I I ,  A k i h i r o  KASUMI. J u n  NAKAMURA, K e n t a r o  KOTANI 

4 .  2 Moving Pattern Designed t o  Demand a  C o g n i t i v e  Task 

The s u b j e c t ' s  e y e s  a r e  made t o  s a c c a d e  t h e  moment when a  c o g n i t i v e  t a s k  i s   p r e s e n t e d   d u r i n g  t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t ,   s i n c e   we want t o   know t h e  c o n s e q u e n c e s  o f  a l c o h o l  on  c o g n i t i v e  f u n c t i o n  i n  t h e  n e u r a l  n e t w o r k .  

( a )  N o ‑ a l c o h o l   ( b )  B

o f  0 . 5 m g / I   ( c )   B . A .  o f  l . O m g / 1  

F i g .  7 L o c i  o f  m o v i n g  t a r g e t s  g i v e n  a  c o g n i t i v e  t a s k  a n d  e y e  t r a j e c t o r i e s  i n  d u a l ‑ m o d e  t r a c k i n g  

I‑+‑SubjectA ‑ SubjectB ̲.,.̲ SubujectC ]  800 

700  .; 600 

S

!  

e 

">: 500•---

1 

300  200 

0.00  0.50  1.00  Concentration of breath alcohol[mg/1] 

F i g .  8 L a t e n c i e s  o f  s a c c a d e  when s u b j e c t  t r a c k s  a  m o v i n g  t a r g e t  d e s i g n e d  t o  g i v e  a  c o g n i t i v e  t a s k  

F i g u r e  7  shows e x a m p l e s  o f  e y e  t r a j e c t o r y  i n   t r a c k i n g  a  v i s u a l  t a r g e t  w i t h  a  moving  p a t t e r n  d e s i g n e d  t o   demand a  c o g n i t i v e  t a s k  under t h r e e  c o n d i t i o n s :  n o ‑ a l c o h o l ,  l o w ,  and  h i g h  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n s .  The a m p l i t u d e s  o f  a  s a c c a d e  a r e  e n l a r g e d  i n   p r o p o r t i o n  t o   t h e   c o n c e n t r a t i o n  o f  b r e a t h  a l c o h o l ,  a s  shown i n   F i g s . 7  ( b )   and 7 ( c ) .   The l a t e n c i e s  o f  a  s a c c a d e   a r e  e x h i b i t e d  g r a p h i c a l l y  i n   F i g . 8 .  L a t e n c y  i n c r e a s e s  i n   p r o p o r t i o n  t o   t h e  c o n c e n t r a t i o n  o f   b r e a t h  a l c o h o l .  

5 .   DISCUSSION 

The e x p e r i m e n t s  c o r r o b o r a t e  t h e  r e s u l t s  o f  Wegner 

t h e  l a t e n c y  o f  s a c c a d e  i n   t h i s  

d u a l  mode t r a c k i n g  becomes more and more p r o l o n g e d  and i n t o x i c a t e d  s u b j e c t s  showed a 

more r e d u c e d  mean v e l o c i t y  o f  t h e  s a c c a d e  t h a n  d i d  n o ‑ a l c o h o l  s u b j e c t s .  K a t o  

r e p o r t s  t h a t  

l a t e n c y  o f  v o l u n t a r y  e y e  movement becomes p r o l o n g e d  i n   p r o p o r t i o n  t o   t h e  c o m p l e x i t y  o f  

t h e  t a s k .  We  t o o  f o u n d  t h i s  t o  be t h e  c a s e .  The u p s h o t  i s   t h a t  t h e r e  i s   no d i f f e r e n c e  between  t h e  two t a s k s  on t h e  n e u r a l  network f o r  s e t t i n g  up n e c e s s a r y  p a r a m e t e r s  t o   s t a r t  o f f   a  s a c c a d e .  As shown i n  F i g s . 2  and 

t h e  h i g h e r  t h e  c o n c e n t r a t i o n  o f  b r e a t h  a l c o h o l ,  t h e  more  saccades a r e  found on an eye t r a j e c t o r y ,  because symptoms o f  i n t o x i c a t i o n   c a u s e s   d y s f u n c t i o n  o f  t h e  s w i t c h i n g  mechanism f o r  s e l e c t i n g  s a c c a d e  o r  smooth e y e  movement, and  a l s o  t h e  l o s s   o f   s e l f ‑ r e s t r a i n t  c a u s e s  a  d e c l i n e  i n   t h e  f u n c t i o n  o f  smooth eye movement  g e n e r a t i o n .  F u r t h e r m o r e ,  h y p e s t h e s i a  c a u s e s  a  d e c r e a s e  i n  t h e  mean v e l o c i t y  o f  s a c c a d e  due  t o  d y s f u n c t i o n  i n  t h e  b r a i n ' s  g e n e r a t o r  f o r  a m p l i f y i n g  e y e  m o v e m e n t 8 l .  

I n c r e a s e  i n   a m p l i t u d e ,  d u r a t i o n  and l a t e n c y  o f  s a c c a d e  a r i s e s  from l o c o m o t o r s  a t a x i a  i n   t h e  p a r i e t a l  l o b e  under symptoms o f  i n t o x i c a t i o n ,  a s  i n d i c a t e d  by W. B e c k e r 1 2 l  and S .   K a t o ,   e t .  a l . 1 3 )  

However, t h e  a m p l i t u d e  o f  s a c c a d e  c a u s e d  a t  a  d i s c o n t i n u o u s  d i s p l a c e m e n t  o f  5  d e g r e e s   i n  t h e  v i s u a l  t a r g e t  i s   c l o s e r  t o  a  c o n d i t i o n  o f  low a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n  r a t h e r  t h a n  t o  o n e  o f   n o ‑ a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n ,  because t h e  s u b j e c t s  a r e  c a p a b l e  o f  f o c u s i n g  a t t e n t i o n  on  a c c o m p l i s h i n g  e a c h  t r a c k i n g  p r o c e s s  under l e s s  s e l f  r e s t r a i n t  i n  t h e  f r o n t a l  l o b e

Eye t r a c k i n g  i s   d e f i n i t e l y   a f f e c t e d  by q u a n t i t y  o f  a l c o h o l  i n t a k e ,  f o r  we can s e e  i t s   i n f l u e n c e  on t h e  f r o n t a l  l o b e  i n  t h e  c a s e  o f  low a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n  and on b o t h  t h e  f r o n t a l   and p a r i e t a l  l o b e s  i n  t h e  c a s e  o f  h i g h  a l c o h o l  c o n c e n t r a t i o n 5 l .  T h i s  c o r r o b o r a t e s  T e r a o ' s  work  1 4 l   which shows t h a t  t h e  n e u r a l  network c a n  compensate f o r  t h e  damage o n l y  a t  o n e  a r e a  i n   t h e  b r a i n ,  b u t  d o e s  n o t  c o o p e r a t e  w e l l  i f   damage e x i s t s  i n  m u l t i p l e  a r e a s .  

I t   i s   u n d e r s t o o d  t h a t  d r i v e r ' s  e y e  movement i s   u s u a l l y  i n   a  d u a l ‑ m o d e  when c o l l e c t i n g   v i s u a l  i n f o r m a t i o n  w h i l e  d r i v i n g .  The t e m p o r a l  damage o f  p e r c e p t u a l  o r  c o g n i t i v e  f u n c t i o n s   i n   t h e  b r a i n  must be r e s p o n s i b l e  f o r   a c c i d e n t s  caused by drunken d r i v e r s  ( s e e   H .   M o s k o w i t z ,  e t   a l . 1 5 l   and F .   A n d r i s ,  e t   a l . 1 6 l ) .   Such r e s u l t s  show t h a t  a l c o h o l  c a u s e s  d r i v e r   e r r o r s  when c h e c k i n g  a  d a s h b o a r d  m e t e r ,  r e a d i n g  a  r o a d  s i g n a l ,  w a t c h i n g  a  p e d e s t r i a n  o r   an oncoming c a r  when d r i v i n g  w h i l e  o v e r  t h e  l e g a l  l i m i t  o f  a l c o h o l  ( 0 . 1 5 m g / l  i n   J a p a n  and  0 . 4 m g / l  i n  some f o r e i g n  c o u n t r i e s  1 7 ) ) .  

ACKNOWLEDGEMENTS 

T h i s  work i s   p a r t i a l l y  s u p p o r t e d  by t h e  K a n s a i  U n i v e r s i t y  HRC p r o j e c t ,   "Development  and C h a r a c t e r i z a t i o n  o f  S e n s o r s  and A c t u a t o r s  f o r  Micro R o b o t s " .  

REFERENCES 

1 )  

K o u n o ( E d )  :  S i k a k u

youhouHandbook, p p .  8 8 ‑9 5 .  V i s i o n  S o c i e t y  o f  J a p a n ,  T o k y o ,  2 0 0 0 ( i n   J a p a n e s e ) .  

2 )   T .   S c h u l t e ,  e t   a l .   :  Acute e f f e c t s  o f  a l c o h o l  on d i v i d e  and c o n v e r t  a t t e n t i o n  i n   men,  P s y c h o p h a r m a c o l o g y ,  1 5 4 ( 1 ) ,  6 1 ‑ 6 9 ,  2 0 0 1 .  

3 )   J .  V e r n e r ,  e t   a l .   :  A t t e n t i o n  d e f i c i t s   i n   a l c o h o l i c   b r a i n  s y n d r o m e ,  P r o c e e d i n g s  o f  I E E E ,  1 2 ( 2 ) ,   8 5 5 ‑ 8 5 6 ,  1 9 9 0 .  

4 )   K .   R i d d e r i n k h o f ,  e t   a l .   :  A l c o h o l  c o n s u m p t i o n  i m p a i r s  d e t e c t i o n  o f   p e r f o r m a n c e  e r r o r s  i n  

m e d i o f r o n t a l  c o r t e x ,  S c i e n c e ,  2 9 8 ( 5 6 0 1 ) ,  2 2 0 9 ‑ 2 2 1 1 .  2 0 0 2 .  

6 4   Ken H O R I I ,  A k i h i r o  KASUMI. J u n  NAKAMURA, K e n t a r o  KOTANI 

5 )   S .   H i s h i d  :  K e t t u t y u u  a l c o h o l  n o u d o  t o   m e i t e i d o ,   Gettukan y a k u j i ,  2 9 ( 1 1 ) ,   1 3 5 ‑ 1 4 4 ,   : l 9 8 7 ( i n   J a p a n e s e ) .  

6 )   A ‑ J .  Wegner a n d  M. F a h l e  :  A l c o h o l  a n d  v i s u a l l y  g u i d e d  s a c c a d e  g a p  e f f e c t  a n d  r e d i c t a b i l i t y  o f   t a r g e t  l o c a t i o n ,  P s y c h o p h a r m a c o l o g y ,  1 4 6 ( 1 ) ,  2 4 ‑ 3 2 ,  1 9 9 9 .  

7 )   Z .   K a t o  :  S l o w i n g  e f f e c t s  o f  a l c o h o l  o n  v o l u n t a r y  e y e  m o v e m e n t s ,  A v i a t .  Space E n v i r o n .  Med,  5 9 ( 7 ) ,  6 0 6 ‑ 6 1 0 ,  1 9 9 8 .  

8 )   M.Tanaka a n d  G .   S t e p h a n  :  R e g u l a t i o n  o f   t h e  g a i n  o f   v i s u a l l y  g u i d e d  s m o o t h ‑ p u r s u i t  e y e   movement by f r o n t a l  c o r t e x ,  N a t u r e ,  4 0 9 ( 6 8 1 7 ) ,  1 9 1 ‑ 1 9 4 ,  2 0 0 1 .  

9 )   H .  Takemura a n d  

K o u n o :  K o u t o u  z u t y o u  r e n n g o u y a  n o  gannkyuu u n n d o u s e i g y o ,   B r a i n   M e d i c a l ,  1 3 ( 2 ) ,  1 3 1 ‑ 1 3 8 ,  2 0 0 1  ( i n  J a p a n e s e ) .  

1 0 )   D .   P o u l ,  e t  a l .   :  An a r e a  f o r  vergence e y e  movements i n  p r i m a t e  f r o n t a l  c o r t e x ,  N ' a t u r e ,   4 0 7 ( 6 8 0 7 ) ,  1 0 0 3 ‑ 1 0 0 7 ,  2 0 0 1 .  

1 1 )   J .   G o t t l i e b e t ,  e t   a l .   :  The r e p r e s e n t a t i o n  o f  v i s u a l  s a l i e n c e  i n   monkey p a r i e t a l  c o r t e x ,   N a t u r e ,  3 9 1 ( 6 6 6 6 ) ,  4 8 1 ‑ 4 8 4 ,  1 9 9 8 .  

1 2 )   W.  Becker :  S a c c a d e s ,  I n  V i s i o n  and V i s u a l  D y s f u n c t i o n ,  V o l .  8 ,   Eye movements    e . . d .   R . H .  S .   C a r p e n t e r ,  p p .  9 5 ‑ 1 3 5 ,  London :  M a c m i l l a n ,  1 9 8 8 .  

1 3 )   S .   Kato, e t   a l .   :  Alcohol hukaniyoru gankyuuundoutokusei no henka n i t u i t e ,   Ningenkougaku, 2 3 ,  5 4 ‑5 5 ,  1 9 8 7  ( i n  J a p a n e s e )  

1 4 )   Y .   Terao :  S p a t i o t e m p o r a l  mapping o f  oculomotor c o r t i c a l   r e g i o n s  by t r a n s c r a n i a l   m a g n e t i c  s t i m u l a t i o n ,  Gettukan Y a k u j i ,  4 3 ( 4 ) ,  5 9 6 ‑ 6 0 4 ,  1 9 9 9  ( i n  J a p a n e s e )  

1 5 )   H .  M o s k o w i t z ,  e t  a l .   :  V i s u a l  s e a r c h  b e h a v i o r  w h i l e  v i e w i n g  d r i v i n g  s c e n e s  under t h e   i n f l u e n c e  o f  a l c o h o l  and m a r i j u a n a ,  Human F a c t o r s ,  1 8  ( 5 ) ,   4 1 7 ‑ 4 3 2 ,  1 9 7 6 .  

1 6 )   F .  Andris and K .  H o r i i :  An o c u l o m o t o r  t e s t  t o  measure a l c o h o l  i m p a i r m e n t ,  P e r c e p t u a l   and Motor S k i l l s ,  7 8 ,  6 0 3 ‑ 6 1 0 ,  1 9 9 4 .  

1 7 )   http://homepagel.nifty.com/voice̲of  ̲drivers/index.html :  P u b l i c  Bureau o f  

I n s p e c t i o n ,  J a p a n ,  1 9 9 9 .