在完全沉浸式三维虚拟现实中进行的人类恐惧条件反射实验

摘要

在完全沉浸式虚拟现实环境中，采用经典恐惧条件反射范式对人类受试者进行了研究。通过辨别范式，利用皮肤电导反应来测量对动态虚拟蛇和蜘蛛（条件刺激）的条件性恐惧、线索和情境记忆保持以及消退情况，实验在两个不同的虚拟情境中进行。

摘要

恐惧条件反射是动物研究中广泛使用的一种范式，用于探究恐惧和焦虑背后的神经机制。在人类中开展条件反射研究的主要挑战之一，在于难以有效操控或模拟与条件性情绪行为相关的环境背景。在这方面，虚拟现实（VR）技术是一种很有前景的工具。然而，将该技术适应实验限制条件需要特殊的调整。本文讨论了在完全沉浸式六面虚拟现实环境中开展恐惧条件反射实验所涉及的方法学问题，并展示了恐惧条件反射的实验数据。

在现实世界中，创伤性事件发生在复杂的环境中，这些环境由多种线索构成，涉及我们所有的感官模式。例如，构成环境背景的线索不仅包括视觉元素，还包括听觉、嗅觉甚至触觉线索。在啮齿类动物的恐惧条件反射研究中，动物被完全沉浸于一个充满新颖视觉、触觉和嗅觉线索的环境中。然而，目前人类恐惧条件反射的标准实验室测试通常是在一个无明显特征的房间内，面对平板或二维电脑屏幕进行的，无法复制真实世界体验的复杂性。另一方面，旨在减少（消除）恐惧并预防焦虑症复发的临床研究存在一个主要局限：治疗是在参与者已在不受控制且很大程度上未知的背景下形成恐惧之后才开始的。因此，研究者缺乏关于暴露持续时间、刺激物真实性质以及环境中相关背景线索的详细信息¹。由于缺乏这些信息，要真正消除一种既依赖特定线索又依赖环境背景的恐惧反应将十分困难。虚拟现实环境通过提供接近真实世界的复杂性，同时允许研究者精确控制恐惧条件反射与消退的实验参数，从而解决了这些问题，有助于获得可验证的实验数据，进而提出更优的治疗方案和/或分析潜在的作用机制假说。

为了验证恐惧条件反射在完全沉浸式环境中可能被丰富编码并具有情境特异性的假设，我们开发了不同的虚拟现实三维情境，让参与者在这些情境中对虚拟的蛇或蜘蛛产生恐惧条件反射。听觉线索与条件刺激（CS）同时出现，以进一步诱发受试者的定向反应和“在场感”²。皮肤电导反应作为恐惧习得、记忆保持和消退的依赖性测量指标。

方案

A. 刺激材料与任务设计

1. 通用设计。

我们考察了在两天内情境因素对恐惧习得和记忆保持的影响。该设计与啮齿类动物研究相一致，后者考虑了长期记忆形成的神经生物学巩固过程³，以及现实中恐惧学习与治疗及再暴露经历之间存在时间间隔的情况。实验中，参与者在杜克沉浸式虚拟环境（Duke's Immersive Virtual Environment, DiVE）这一完全沉浸式虚拟环境中接触动态条件刺激（CS）（移动的蛇和蜘蛛），并将其与腕部电刺激的呈现进行条件性配对。采用差异性恐惧条件化程序，以皮肤电导反应（SCR）作为恐惧的依赖性测量指标。本文展示了在杜克大学26名年龄为18至30岁的健康男性和女性参与者中，于DiVE环境中进行为期两天的条件性恐惧及其后续记忆保持的实验过程。本研究方案已获杜克大学机构审查委员会（IRB）批准，并符合其标准。

2. 参与者在 DiVE 中的设置。

DiVE 是一个完全封闭的六面体、3米×3米×3米、背投式虚拟现实（VR）环境。DiVE 位于杜克大学跨学科工程、医学与应用科学中心一个专门建造的30英尺立方体空间内（控制室（VisRoom），图1）。在 DiVE 中进行的恐惧条件反射实验按上述方法进行。

参与者被安置在DiVE的中央，面朝前方，佩戴带有头部追踪功能的3D眼镜。在每个学习阶段，参与者会沿着预设环境进行固定的“虚拟行走”，期间会遇到虚拟的蛇和蜘蛛。施加这些姿势限制是为了避免头晕，考虑参与者身高差异，控制参与者之间环境背景和刺激暴露量的变异性，并确保视觉画面能够根据参与者在场景中的移动得到真实更新。

3. 区分性条件反射程序。

采用了一种辨别程序，在习得阶段，其中一个视觉条件刺激（CS）以40%的强化率与一个同时终止的电刺激（即非条件刺激，US）配对呈现。参与者被随机分配至两种条件之一：对虚拟蛇产生恐惧习得，或对虚拟蜘蛛产生恐惧习得。与US配对的强化刺激被称为“CS+”，而另一个视觉刺激“CS-”则明确不与US配对，作为对照。CS+ 和 CS- 在不同组间进行随机分配并交叉平衡。

4. 条件刺激。

刺激材料为动态的蛇和蜘蛛，它们会单独出现在DiVE前方屏幕的中央位置，持续4秒。同时伴随有听觉刺激，提示蛇或蜘蛛的出现，以提醒参与者环境中出现了新的刺激物（分别为 rattlesound 或 tapping sound）。包含蛇和蜘蛛的虚拟场景使用Maya动画软件创建，并导入Virtools软件（Virtool SA, The Behavior Company, Paris, France）中，以便在DiVE中进行呈现。

5. 非条件刺激。

在实验开始前，根据每位受试者的耐受水平调整电刺激参数，以促进组间比较，并消除不同组别间总体觉醒水平差异带来的混杂影响^{4, 5}。刺激强度由每位参与者自行选择，设定为其感知为“高度烦扰但不疼痛”的水平，采用升阶法确定。电压初始设置为较低的30 V，随后以5 V为增量逐步升高，直至参与者表示已达到耐受极限但尚未引起疼痛。刺激参数为200毫秒持续时间，频率30–50 Hz，通过双极表面刺激电极经皮施加于参与者优势手腕处的正中神经（电极间距21 mm：Grass-Telefactor 型号 F-E 10S2，West Warwick，RI）。电极导线用橡胶带固定，并通过屏蔽且经射频滤波器接地的同轴电缆连接至Grass-Telefactor SD-9刺激器。使用基于盐水的凝胶（Sigma Gel：Parker Laboratories，Fairfield，NJ）作为电解质导体（见图2）。所有参与者均被告知，所有脉冲将以相同强度施加。

6. 训练阶段。

本实验分为两个阶段进行，两次之间间隔24小时。在第一阶段中，初始习惯化期包括每种条件刺激（CS）类型在灰色背景下的3D全沉浸环境中呈现4次，但未进行强化，也未使用训练或测试所用的虚拟世界。该阶段旨在使受试者适应DiVE实验环境，并减少对条件刺激的定向反应。习惯化阶段结束后立即进入恐惧习得阶段，该阶段包含每种CS类型混合呈现共16次，其中CS-单独呈现，而16次CS+中有5次伴随无条件刺激（US）强化。约24小时后，进行记忆保持测试和消退训练。该阶段包含每种CS类型各16次试验，均不呈现US，试验在虚拟环境中进行，该环境与恐惧习得阶段相同或不同（在不同被试间进行交叉平衡）。其中一个环境为室内场景（带家具的公寓内部，情境A），另一个为室外场景（街区景象，情境B）。受试者被随机分配至不同实验组，以决定第1天和第2天的情境呈现顺序。他们被分配至“相同情境”条件（AA或BB）或“情境转换”条件（AB或BA）。各虚拟世界之间的路径长度和路线保持一致，不同环境中的物体/刺激数量及其位置也保持一致。

7. 实验参数。

试次间间隔为 14 ± 2 秒。条件刺激（CS）的呈现顺序为伪随机排列，且限制相同条件刺激连续出现不超过两次（以避免状态焦虑和认知预期的诱导产生混淆）。对条件刺激（CS+）采用部分强化（40%），以延缓在人类被试中通常于100%强化后出现的快速消退现象^6,7。此外，部分强化在一定程度上提供了更接近现实的条件化关联，因为厌恶事件并非总是紧随恐惧刺激之后发生。

8. 任务说明。

在每个实验阶段开始前，研究人员会向参与者说明以下实验设计特点：他们将在虚拟环境中遇到动画形式的蛇和蜘蛛；他们将沿着一条固定路径在虚拟环境中进行行走；在实验过程中，他们可能会在手腕处接收到电刺激，刺激强度为条件化前设定的水平。参与者被要求始终直视前方，并注意呈现在前方屏幕中央的蛇和蜘蛛图像，同时被提醒他们在实验过程中无法控制自身的移动或电刺激的发生。此外，参与者还被告知，他们可以在任何时候随时终止实验，且不会因此受到任何处罚。

B. 心理生理学测量

1. 数据收集。

如先前所述^{4, 6}，以皮肤电导反应（SCR）作为恐惧的因变量指标。SCR通过生理监测系统（BIOPAC Systems，Santa Barbara，CA）记录。使用维可牢绑带将银-氯化银电极片固定于非优势手第一和第二指的中节指骨处进行监测。采用基于盐水的导电电解质凝胶（Sigma Gel）。要求受试者保持手部静止，以避免SCR记录电极中出现运动伪迹。导线连接至位于DiVE外部控制室内的BIOPAC生理记录系统。BIOPAC系统与运行Virtools软件的刺激呈现计算机同步。图1展示了受试者处于DiVE中并沉浸于情境A的情形。图2展示了控制计算机（Virtools与脚本生成）、BIOPAC（SCR）及电刺激器的技术设置。

皮肤电导以 200 Hz 采样，经放大后使用 AcqKnowledge 软件（BIOPAC Systems，Santa Barbara，CA）存储，用于离线分析。Virtools 软件控制刺激呈现，并通过 National Instruments DIO-24 数据采集卡（Austin，TX）触发电击发生器。记录的波形采用 Blackman 窗函数进行低通滤波（截止频率 = 31 Hz），并在连续 3 个数据点上进行平滑处理。皮肤电导反应幅度以每个条件刺激（CS）和非条件刺激（US） onset 为时间锁定点，相对于刺激前基线进行计算，分别作为条件性恐惧和非条件性恐惧的因变量指标^{4-6, 8}。为纳入数据分析，设定以下标准：潜伏期 = 1 - 4 s，持续时间 = 0.5 - 5 s，最小幅度 = 0.02 微西门子（μS）。不符合这些标准的反应记为零。

2. SCR 的分析。

由于皮肤电导反应（SCR）数据通常偏向于零值，因此在进行统计分析前对数据进行了平方根转换，以获得正态分布。每种条件刺激类型（虚拟蛇或蜘蛛）的数据被合并为每个阶段的“早期”和“晚期”试验区块，因为学习通常在每个学习阶段内随时间而变化。采用重复测量方差分析（ANOVA）计算不同组间在条件性皮肤电导反应上的差异，其中学习阶段和条件刺激类型作为被试内变量（晚期习得阶段（CS+，CS-）、早期或晚期消退阶段（CS+，CS-）），情境分配（相同或转换）作为被试间变量。为消除个体反应差异并排除无反应者（即表现出极弱或无皮肤电导反应的个体），将每位参与者每次试验的条件反应值除以其自身对腕部刺激（在任意一次试验中）的最大非条件刺激（US）反应值，从而对数据进行标准化处理。在图3的数据可视化中，通过从CS+的反应中减去CS-的反应，计算各试验区块的差异性SCR得分，作为学习的指标。根据该指标，差值为零表示无学习发生，而大于零的差值则反映恐惧反应的学习。然而，为了在统计上确定图3所示的情境性恐惧保持情况，针对第2天早期消退阶段对CS+和CS-的SCR值，依据情境操纵条件（相同情境 vs. 情境转换）进行了独立样本t检验（组间分析）。

C. 硬件系统描述

杜克大学的DiVE系统基于投影式虚拟现实“CAVE”设计⁹。DiVE系统是一个3米×3米×3米的房间，其全部6个“墙面”（4个侧墙、天花板和地板）均通过背投显示立体计算机图像。每个墙面配备一台DLP投影仪（Christie Digital Mirage S+2K，工作于1056×1056分辨率，110 Hz刷新率¹⁰），每台投影仪由一台专用渲染计算机（Windows XP双核2.0 GHz，配备nVidia Quadro 3000FX-G图形显卡）控制。其中一面墙可滑动开启，以便进入或离开DiVE系统。

6台渲染计算机由一台主控计算机控制，该主控计算机与跟踪系统（Intersense IS-900 ¹¹）通信，控制音响系统，并通过并行端口向电击系统发送脉冲。跟踪系统提供受试者头部和手部位置的三维坐标及方向信息。通过液晶快门眼镜（CrystalEyes 3 ¹²）实现主动立体视觉。七台计算机（6台渲染计算机和1台主控计算机）利用nVidia显卡的同步锁相（genlock，G-sync）功能，在图像帧边界上实现同步。

D. 软件说明

本实验的恐惧条件反射及记忆保持测试场景包含两个不同的虚拟世界，参与者将接受引导游览这两个虚拟环境。这些虚拟世界使用3D建模软件Maya¹³构建。所有虚拟世界中的导航均被限制在一条固定的路径上，路径设计完全相同。沿该路径的移动由Virtools¹⁴软件系统控制。Virtools是一种游戏引擎，主要用于桌面端或基于网页的体验。通过Virtools的VRPack扩展模块，可将虚拟世界投射至DiVE环境中。

Virtools 通过虚拟现实外设网络（Virtual Reality Peripheral Network，VRPN ¹⁵）这一开源库与追踪系统进行通信。VRPN 注册参与者头部和手部的位置与朝向，以及按钮按压信息。Virtools 利用头部追踪信息，以适合参与者的视角渲染三维场景。

图1. 控制室（VisRoom）和DiVE立方体的示意图，其中一名人类参与者正在观看虚拟场景。

图2. 参与者左手佩戴皮肤电导电极，用于测量对刺激的紧张性与时相性反应。右侧手腕佩戴电刺激器电极。BIOPAC系统通过笔记本电脑上的AcqKnowledge软件采集生理数据。代码由台式计算机通过OSC发送，该计算机上的Virtools软件生成虚拟现实脚本，并在DiVE系统中进行投影。

图3. 虚拟现实环境（DiVE）与实验室环境中恐惧习得与消退的比较。在实验室或虚拟现实环境（DiVE）中接受条件化处理并在24小时后重新测试的受试者的皮肤电导反应（SCR）差异（± SEM）。该图显示，在DiVE环境与实验室环境中，受试者的恐惧习得与消退程度相当。在DiVE环境中，第2天在同一情境（n=12）下进行测试的受试者，其对条件刺激+（CS+）的皮肤电导反应所反映的恐惧记忆保持更为显著，优于情境转换组（n=14）；此差异在DiVE受试者中具有统计学意义，但在实验室受试者中未见显著差异，* p = .05。

讨论

1. 结果

各组在同一次会话中的恐惧习得与消退程度相当（图3）。这些数据表明，在完全沉浸式环境的限制和能力范围内，可以开展可靠且具有信息量的恐惧条件化研究。此外，我们还证明了在DiVE中进行相同情境恐惧记忆保持的参与者表现出显著的情境性恐惧记忆（即第1天和第2天处于相同情境的参与者，相较于经历情境转换的参与者）。在DiVE中，恐惧记忆的保持程度强于传统实验室匹配范式中所观察到的结果¹⁶（见图3）。借助沉浸式虚拟现实（VR）系统，研究者还可检验并操控丰富的情境环境，以探究人类的陈述性记忆过程，而这一点在传统实验室环境中难以实现，因为后者难以完成逼真的多模态情境操控。最后，这些虚拟现实场景可轻松迁移，结合功能磁共振成像（fMRI）技术，利用立体VR眼镜，在恐惧习得、消退及复发现象的编码或提取过程中进行脑激活分析。该方法可用于连接啮齿类动物研究与临床研究在恐惧与焦虑领域的发现。

2. 在虚拟现实中控制情境和刺激呈现。

利用虚拟现实（VR）进行实验研究的一个主要问题也正是其优势所在。具体而言，完全沉浸式虚拟现实带来了现实世界所具有的复杂性、混杂因素以及自由度。例如，在现实生活中，创伤受害者在某种情境中经历厌恶刺激的时间长短未知，其所暴露的情境、关注的具体特征及其他感官输入也均不明确或无法确认。同理，如果我们允许参与者自由探索虚拟环境，就无法准确控制或记录其对情境或刺激的暴露时间与持续时长。例如，一名参与者可能行走得非常迅速，从而错过四次条件刺激（CS+）中的三次呈现；另一名参与者可能仅探索虚拟公寓中的一个房间。同样，如果刺激未在屏幕中央呈现——即未位于参与者开始实验前视线所注视的位置——参与者可能会回避或错过条件刺激的呈现。为解决这些潜在的混杂因素，我们的方案是让参与者以坐姿接受引导，按设定速度依次游览每个虚拟环境，从而确保特定的刺激间间隔（ISI）和刺激呈现时长。如此，我们便能从所有参与者在相同时间点和相同位置提取可比较的皮肤电导反应（SCR）数据（例如，对CS+、非条件刺激（US）和CS-刺激的反应）。在做出这一决策后遇到的困难包括：需找到一条路径的形状、长度和移动速度，既能避免引发参与者的恶心感或本体感觉失调，又能自然地模拟人在新环境中行走的体验。

3. 将标准的恐惧条件反射参数应用于虚拟现实系统。

为了模拟真实条件刺激，蛇和蜘蛛的建模基于野生动物图像进行设计。首先在Maya（一款计算机图形三维建模与动画软件）中对蛇和蜘蛛进行建模，然后导入虚拟现实（VR）系统。我们采用这一流程的原因是，Virtools 是一个虚拟现实创作系统，而非建模工具，因此更适合用于运行VR系统，并为场景添加交互与导航功能。具体而言，在Maya中为每种条件刺激（CS）类型创建了四种不同的动画（例如，盘绕的蛇、在地面爬行的蜘蛛、张口向前扑咬的蛇），随后将这些动画导入Virtools中。

在将动态的蛇和蜘蛛模型从Maya导入Virtools之前，已在Virtools中创建了一条路径，用于引导参与者以平滑的环形方式在环境中移动，以便在恐惧条件反射过程中经历32次条件刺激呈现，从而实现对环境的采样。该路径的形状在我们的三个虚拟世界中均相同。路径被设定为每次刺激呈现时停留4秒，刺激间间隔为11 ± 4秒，在此期间受试者被缓慢地（受引导）移动通过环境。该间隔参数基于我们先前在实验室中进行的恐惧条件反射实验^{8, 16}确定，因其可使皮肤电导反应在刺激呈现之间得到恢复。随后，刺激物根据时间参数指定的位置被放置在路径的相应点上。此设置形成了特定的刺激与情境组合（例如，一条蛇在餐桌上爬行，一只蜘蛛在沙发腿周围行走），这些组合可在后续用于检测外显记忆。刺激物的出现顺序通过脚本进行伪随机化处理。所有刺激呈现均出现在前方屏幕中央，以避免参与者需要主动寻找刺激物。这使我们能够控制刺激暴露的时间，并明确刺激所处的情境位置。前向视角的一个局限性在于，其未能充分利用沉浸式系统的全部功能（例如，蛇无法从参与者后方进入房间）。此外，刺激物被谨慎地放置在参与者位置周围的一个边界框之外，以确保蛇和蜘蛛始终不会侵入参与者的个人空间。

4. 观察点和头部追踪。

设置DiVE的视角角度，使得受试者在坐姿状态下具有正确的正前方视角。这可以控制受试者身高差异带来的影响，并最大限度减少生理记录中的运动伪影。要求受试者面向正前方并尽可能减少动作，这也控制了受试者的注视方向，从而确保所有受试者接受一致的刺激和环境暴露。我们选择启用参与者所佩戴3D眼镜中的头部追踪装置，以确保他们以正确的视角观看场景。如果未启用头部追踪，则头部向左或向右的移动将无法正确遮挡场景中物体的显示（例如，当参与者在DiVE中行走时，屏幕上的物体会出现弯曲现象）。启用头部追踪后，可确保实验期间环境中各特征保持正常比例，并在DiVE的六个墙面上正确渲染。

5. 数据采集。

在我们实验室标准的恐惧条件反射实验^{8, 16}中，刺激呈现由使用Presentation软件包编写的计算机脚本控制。为了保持实验室环境与虚拟环境之间的一致性，我们将标准的恐惧习得和消退实验脚本以代码形式导入至控制室中用于运行DiVE立方体系统的控制计算机中（见图1）。并行端口代码被设置为发送一组生成的数字编码，以标记不同事件的发生，例如蛇、蜘蛛图像的呈现以及电刺激的开始。在我们的设计中，Virtools会向一个自定义的C++程序发送开放声音控制消息（OSC¹⁷）OSC/UDP消息，该程序负责设置并行端口的数值。我们的C++程序使用了OSCpack¹⁸库。

BIOPAC 的数字输入端连接至计算机的并行端口。通过并行端口，从 BIOPAC 在笔记本电脑上采集皮肤电反应（SCR）数据，随后在特定参数范围内对数据进行归一化处理，并计算 CS+、CS- 和 US 的起始点（详见上文）。除了渲染场景和控制导航外，Virtools 还用于记录用户事件（如按钮按下）。总之，在实验过程中，主计算机通过并行端口向 BIOPAC 系统发送消息。由于 Virtools 无法直接与计算机的并行端口通信，因此一个小型 C++ 程序负责监听来自 Virtools 的 OSC 消息，然后将其传输至并行端口。