我们展示了如何在广泛使用的橡胶手错觉范式中采用一种客观测量方法。该测量方法通过对已确立的跨模态一致性任务进行改进而获得。该任务可用于研究多感官整合过程，而这些过程对于身体表征的调制（如橡胶手错觉中的现象）至关重要。
本文内容
摘要
摘要
橡胶手错觉（RHI）是一种常用的实验范式。参与者在观察一个假的人工橡胶手被触碰的同时，其自身隐藏的手也被触碰。如果视觉所见的触碰与身体实际感受到的触碰同时发生，就足以引发一种强烈的错觉体验，即感觉橡胶手就是自己身体的一部分。RHI 可用于深入研究大脑如何构建个体对自身身体的独特表征。这类表征对于个体与外部环境的成功互动至关重要。为了获得 RHI 的主观测量指标，研究人员通常会要求参与者对诸如“我感觉橡胶手就像是我自己的手”之类的陈述进行评分。在此，我们演示如何利用跨模态一致性任务，在该范式中获得一种客观的行为学测量指标。
我们采用的跨模态一致性任务变体会呈现触觉目标刺激和视觉干扰刺激。在某些试验中，目标刺激和干扰刺激在空间上一致（即同一手指），而在其他试验中则不一致（即不同手指）。不一致试验与一致试验之间在行为表现上的差异——即跨模态一致性效应（CCE）——可反映多感官交互作用。重要的是，CCE会受到观察手部图像以及所见触觉与所感触觉之间同步性的影响，而这两种因素对于橡胶手错觉（RHI）均至关重要。
在RHI范式中使用跨模态一致性任务具有多个优势。它是一种简单的行为测量方法，可重复多次，并可在参与者观察假手时于错觉过程中获取数据。此外，该测量方法不受观察者和实验者偏差的影响。将RHI范式与跨模态一致性任务相结合，尤其有助于研究在RHI中对身体表征调节至关重要的多感官加工过程。
引言
我们展示了如何通过将常用的橡胶手错觉范式与成熟的跨模态一致性任务相结合，从而获得该范式中效应的客观测量指标。
在橡胶手错觉（RHI）范式中，参与者会看到一个假的人工橡胶手被触碰，同时其自身隐藏的手也受到触碰。如果所看到的触碰与实际感受到的触碰在时间上同步，则大多数参与者会产生强烈的错觉，认为橡胶手就是自己的手。当视觉与触觉刺激不同步时，橡胶手错觉则会消失或减弱。顾名思义，RHI 范式通常涉及手部，但类似的范式也已应用于全身1-3。利用该范式开展的实验可用于探究调节身体表征的条件。例如，以往的研究表明，观察身体形态以及触觉刺激的同步性，均是影响个体对自身身体表征的重要线索4,5。因此，RHI 作为一种实验范式，有助于揭示大脑如何构建和更新对自身身体的不同表征4-7。此类身体表征在个体与外部环境互动时支持着诸多重要生理与认知过程。此外，身体表征的异常变化与多种临床疾病相关，例如慢性疼痛、进食障碍和精神分裂症8-10。
为了探究构建不同身体表征背后的机制，研究人员采用了多种测量方法，这些方法在橡胶手错觉范式中会受到调节。通常，研究人员会要求参与者对诸如“我感觉那个橡胶手就像是我自己的手”之类的陈述进行评分，评分范围为-3到37,11。另一种更间接的常用测量方法是要求参与者在错觉诱发前后指出自己手的位置12。通常情况下，在橡胶手错觉（RHI）诱发后，手的位置感知会更靠近橡胶手（即“本体感觉漂移”）。
研究人员还采用生理学指标来评估橡胶手错觉（RHI）中实验操控的效果，例如当受试者感知到对橡胶手的突然威胁（如一把逼近的刀）时的皮肤电导反应13,14。RHI 还与可测量的微小皮肤温度变化相关15。这些生理学指标的优势在于其自动发生，因而较少受到潜在实验偏差的影响。这些技术的潜在缺点包括生理反应在实验操作过程中可能出现适应性变化。此外，这些指标所反映的生理过程在某些患者群体中（如慢性疼痛、进食障碍和精神分裂症患者，参见15的补充材料）可能普遍存在调节异常。
我们的具体目标是获得一种客观的行为学指标，用于评估橡胶手错觉（rubber hand illusion, RHI）的效果，该指标不易受到观察者或实验者偏差的影响。为此，我们将RHI与跨模态一致性任务（crossmodal congruency task）相结合。该任务要求被试在一种感觉模态中对目标位置进行快速的强制选择判断，同时在另一种感觉模态中呈现额外的刺激16,17。因此，这一测量方法涉及一个相对简单的任务，与生理学测量不同，可重复多次施测。此外，与“本体感觉漂移”（proprioceptive drift）不同，该指标可在错觉过程中实时获取，即在被试观察假手的同时进行测量。将RHI范式与跨模态一致性任务相结合，尤其有助于研究多感觉整合过程，而这些过程在身体表征的调节中起关键作用，如RHI中所体现的那样4,5,18。我们认为，跨模态一致性效应（CCE）指标适用于研究患者群体中身体表征的变化，尤其适用于研究那些伴随一系列认知、动机或生理改变的障碍性疾病，因为这些改变可能普遍影响RHI中更为主观或生理性的测量指标。
在本研究采用的橡胶手错觉（RHI）变式中，触觉目标刺激（短暂振动）会呈现于一只手的不同手指（例如食指和中指）。参与者只需使用未受限制的手按两个按钮中的一个，来指示是哪根手指接受了触觉刺激。干扰刺激为视觉刺激（安装在被观察的橡胶手手指上方的小灯短暂闪烁），这些视觉刺激在时间上与触觉刺激接近。重要的是，视觉刺激有一半时间出现在与触觉刺激相同的手指上（空间一致），另一半时间则出现在另一根手指上（空间不一致）。空间一致的视觉刺激有助于提高触觉目标位置的定位准确性，而空间不一致的视觉刺激则可能减缓这一过程。不一致与一致试验之间在行为表现上的总体差异，称为跨模态一致性效应（crossmodal congruency effect, CCE），反映了视觉信息对辨别触觉目标位置的影响，从而表征了多感官整合的交互作用。
观察手部形态19-21以及所给触觉刺激的同步性22是决定交叉模态效应（CCE）强度的关键因素。换句话说，CCE的强度反映了靠近橡胶手的视觉刺激对个体自身手部触觉反应的影响程度。当受试者将橡胶手感知为自身手的一部分时，视觉-触觉刺激引发的CCE会增强。研究认为，橡胶手错觉（RHI）会导致多感官处理方式的改变，从而可能增强触觉与视觉刺激之间的相互作用5,18。
我们先前曾结合使用橡胶手错觉（RHI）和跨模态一致性任务来研究RHI中的实验效应 22其他研究者已表明，CCE 幅值可作为衡量整体身体错觉的指标，该错觉涉及身体表征更全局的方面 23在本研究中，参与者需辨别其背部触觉振动刺激的位置。同时，参与者从相当于站在自身后方2米处的位置观察自己的身体。 通过 一个摄像头和一个头戴式显示器。参与者还能看到灯光，这些灯光要么与触觉目标位置相同（一致试验），要么位于不同位置（不一致试验）。除了跨模态一致性任务外，作者还对参与者的背部进行了轻刷刺激。这种轻刷刺激要么与所看到的刷动同步，要么不同步。该操作平均导致了身体所有权体验的变化，同时也影响了跨模态一致性效应（CCE）的强度。因此，CCE的强度可作为橡胶手错觉（RHI）以及“全身错觉”变化的客观衡量指标。将这些范式与跨模态一致性任务相结合，尤其有助于探究产生这些错觉所依赖的多感官整合过程。接下来，我们将详细逐步描述如何在橡胶手错觉范式中实施跨模态一致性任务。
方案
1. 实验设置
- 橡胶手错觉实验的材料与设置
- 使用一个用于橡胶手错觉范式的盒子，盒子上应有遮盖受试者自身手部的盖板。使用实验服同时遮盖受试者的肩部和手臂，以及橡胶手从手腕向上延伸的部分。
- 准备一只人造手。该手不一定必须由橡胶制成（“橡胶手错觉”这一名称源于早期研究中使用了橡胶手7）。例如，可以使用假肢。
- 使用两把软毛刷在橡胶手错觉实验中施加刷拭刺激。
- 使用节拍器、预先录制的声音文件或实验软件，为施加刷拭刺激的实验人员提供计时信号。
- 实验设置——跨模态一致性任务的材料与设置
- 在跨模态一致性任务中，使用触觉刺激器（tactors）传递触觉刺激。例如，可使用小型扬声器、骨导装置（来自助听器）或电磁螺线管型刺激器。在橡胶手上使用“虚拟触觉刺激器”（dummy tactors）。
- 通过计算机音频输出、接口卡或TTL脉冲控制触觉刺激的传递。
- 固定扬声器在盒子中的位置。
- 例如使用发光二极管（LEDs）传递视觉刺激。这些设备可通过计算机并行端口输出的TTL脉冲进行控制，并通过USB端口或电池供电。
- 使用实验软件编程控制刺激呈现。
- 屏蔽触觉刺激传递过程中可能产生的任何声音。例如，使用耳机播放白噪声。
- 使用反应盒、计算机鼠标或键盘等设备记录受试者的反应。
2. 参与者
- 实验的所有方面均符合1964年《赫尔辛基宣言》中规定的伦理标准，并已获得本单位伦理委员会（澳大利亚麦考瑞大学人类研究伦理委员会）的批准。
- 在实验开始前，须获得参与者签署的书面知情同意书。
- 应排除在刺激部位存在视觉或触觉功能障碍的参与者。
3. 实验步骤
- 确保受试者处于舒适的坐姿。
- 确保受试者能看到橡胶手，但看不到自己的手。
- 包含训练阶段，使受试者熟悉跨模态一致性任务。理想情况下，首先使用不包含跨模态视觉刺激的练习试验，使受试者适应触觉目标，然后使用包含视觉刺激呈现和无反应试验（见下文）的练习试验。
- 在每次跨模态一致性试验中，向其中一个位置呈现一个触觉刺激和一个视觉刺激，刺激位置可为空间一致的位置（同一手指）或不一致的位置（不同手指）。
- 指导受试者尽快且准确地做出反应，并辨别触觉目标的位置。
- 在灯光之间设置一个注视点，要求受试者在整个实验过程中始终注视该点。
- 使用无反应试验，以确保受试者正在观察刺激。例如，当两个位置的灯光同时亮起时，要求受试者不做出反应。如果受试者在这些试验中频繁按键，则可能表明其未注视灯光。
- 使用高于感知阈值的刺激，并确保受试者能够看到/感受到刺激。
- 在视觉-触觉跨模态刺激之间引入短暂延迟（150–250 毫秒），以减少这些刺激对橡胶手错觉（RHI）本身的干扰。
- 为每种条件包含足够数量的一致和不一致试验（约 60–100 次试验）。
- 以随机顺序在不同位置呈现一致和不一致的试验。
- 需注意，反应要求和映射方式可能影响跨模态一致性效应（CCE）的幅度 24。
- 为诱发橡胶手错觉（RHI），在跨模态一致性任务开始前使用刷子同步刷拭 1 至 3 分钟，并在每次跨模态一致性试验前再刷拭一次。
- 为诱发橡胶手错觉，使用同步刷拭，即两只手在同一时间和相同位置被触碰。
- 使用异步刷拭作为对照条件，即两只手以时间错位的方式被刷拭。
- 确保实验者能够舒适地完成刷拭操作。
- 也可使用橡胶手错觉评分量表来监测受试者在RHI范式中的主观体验。一些研究者建议在橡胶手错觉范式中同时使用客观和主观测量指标 25。若需将评分结果与CCE效应进行比较，应在任务区块结束后收集评分数据，因为任务本身可能调节RHI的主观体验。
4. 数据分析
- 应从分析中剔除参与者反应过快（例如，在刺激呈现后 200 毫秒内）或过慢（例如，超过 1,500 毫秒）的试验：需检查不同条件下被剔除试验数量是否存在潜在的显著差异。
- 分析无靶刺激试验中的虚报次数：需检查不同条件下虚报次数是否存在潜在的显著差异。
- 计算每位参与者在每种条件下的行为指标平均值或中位数（反应速度用反应时间，准确性用反应错误率）。
- 仅使用正确试验的反应时间数据。
- 也可将反应时间和错误率合并为单一指标：逆效率分数（IE）= 反应时间/错误率17。
- 计算并呈现跨模态一致性效应 = 不一致试次的表现减去一致试次的表现，针对每种试验类型和条件分别进行。
- 采用统计检验方法评估不同条件间差异的统计学显著性（例如，方差分析、t 检验）。
结果
在橡胶手错觉（RHI）中，跨模态一致性效应（CCE）的幅度受到显著调节。图2和图3展示了我们先前一项研究的代表性结果22。在图2中，不同RHI条件下的反应时间与反应错误率的CCE均存在显著差异。当通过同步刷拭诱导RHI时，CCE幅度显著增加；而异步刷拭会减弱或消除RHI，其对应的CCE幅度则较低。在图3中，我们展示了一项实验的数据，该实验中并非在每次跨模态一致性任务前都施加刷拭刺激，而是采用区块化设计，在一组较多次数的试验前集中施加刷拭。在此实验设计下，CCE未表现出显著的调节作用。
图1. 实验装置与流程概述。 实验装置包括用于遮挡受试者真实手部的遮板、橡胶手、触觉刺激器、灯光、刷子和反应装置。受试者被遮挡的手与橡胶手接受同步刷拭，以诱发橡胶手错觉（RHI）。每次跨模态一致性试验前均施加刷拭刺激。不一致试验与一致试验之间的表现差异——即跨模态一致性效应（CCE）——用于评估RHI的变化情况。 点击此处查看大图。
图 2. 显示了反应时间与反应错误率的跨模态一致性效应（CCE）。 同步刷拭（红色）诱发瑞文幻肢感（RHI），而异步刷拭（蓝色）消除瑞文幻肢感。同步与异步刷拭在反应时间与反应错误率上的跨模态一致性效应（CCE）差异具有显著性。改编自 Zopf et al. (2010)，经许可使用（实验 2 中同步与异步刺激的平均值）。
图3. 当在跨模态一致性试验前未进行刷拭刺激，且仅在一组试验前以单个区块方式进行刷拭时，橡胶手错觉（RHI）条件下跨模态一致性效应（CCE）无显著差异。 改编自Zopf et al.（2010），经许可使用（实验1中同步与异步刷拭的平均结果）。
讨论
我们展示了如何通过将常用的橡胶手错觉（RHI）范式与成熟的跨模态一致性任务相结合，来获得该范式中效应的客观测量指标。当诱导产生橡胶手错觉时，跨模态一致性效应的幅度显著增加。
橡胶手错觉范式中所给予的刺激可调节多种与身体相关的体验，例如身体所有权和身体位置感。研究表明，橡胶手错觉（RHI）能够调节一系列与感知、内稳态和动作相关的加工过程14,15,22,26,27。尤为重要的是，将RHI范式与跨模态一致性任务相结合，特别有助于研究对上述各个方面均至关重要的多感官整合过程。
在橡胶手错觉（RHI）以及全身错觉中，观察手部以及触觉刺激的同步性均已被证明能够调节跨模态一致性效应（CCE）的强度20,22,23。跨模态一致性任务提供了一种相对简单的在线测量方法，可重复多次，且不易受到观察者和实验偏差的影响。
使用该任务的潜在缺点是，与其他测量方法相比，它可能更加耗时，且技术上更为复杂。此外，对橡胶手错觉（RHI）效应的测量本身可能会调节错觉的产生。跨模态一致性任务面临的一个重要挑战在于，它涉及多感官的视觉与触觉刺激，这些刺激可能独立于刷子触碰操作而调节身体表征的变化。因此，跨模态一致性任务本身可能会干扰RHI中刷子触碰的效果。我们发现，在每次跨模态一致性试验前进行触碰刺激，比仅在整组试验开始时进行一次触碰更为有效22。此外，Aspell et al.（2009）发现，在执行跨模态一致性任务时，将视觉和触觉刺激呈现的时间间隔稍作拉长（例如延迟150–250毫秒），可增强先前触碰刺激的效果。这种微小的延迟仍允许多感官相互作用的发生28，但能减少视觉-触觉刺激对RHI操控的干扰。此外，我们发现，当使用跨模态一致性任务的同时，将橡胶手放置在真实手附近时，同步触碰的效果会减弱22。这很可能部分归因于相对较长的刺激间隔（长达15分钟），也可能部分是因为异步条件本身包含了跨模态的视触刺激，使得该条件比通常情况“更同步”或“更少异步”。因此，我们建议在实施该方法时，增大双手之间的距离。总体而言，跨模态一致性任务中的多感官刺激本身可通过改变整体同步或异步多感官刺激的强度来调节身体表征。因此，在错觉范式中比较同步与异步刺激时，重要的是确保刷子触碰导致整体视觉-触觉刺激相对更加同步或异步。这一点可通过在每次试验中进行刷子触碰，并在视触跨模态一致性任务刺激之间设置短暂延迟来实现。
我们之前的研究已证实了RHI操控对CCE的影响22。然而，针对其他RHI测量指标所研究的其他方面仍有待探索。例如，研究RHI的程度（如拥有感体验）是否与CCE的强度相关，以及CCE的强度是否会随时间发生变化，将具有重要意义。此外，探讨RHI期间CCE效应是否与在真实手部执行相同任务时所观察到的结果具有可比性，也值得深入研究。
综上所述，我们证明了跨模态一致性任务可用于在橡胶手错觉中获得一种客观的行为学测量指标。该行为学任务相对简单，我们认为其适用于研究一般人群以及患者群体中身体表征及其潜在多感觉加工过程的变化。然而，需要注意的是，该测量指标可能与橡胶手错觉中的主观体验并无直接的因果关系29。客观和主观测量指标可能都依赖于共同或相似的多感觉机制，但也可能涉及各自独立的机制。根据具体的研究问题，建议同时获取客观的行为学测量指标以及使用评分量表获得更为主观的测量结果。
披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
M.A.W. 获得澳大利亚研究理事会伊丽莎白二世女王博士后奖学金（DP 0984919）的资助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 人工手 | Otto Bock Australia Pty. Ltd | 被动式上肢假肢 | 也可使用其他公司产品或定制制作 |
| 画笔 | |||
| 定制盒子 | 例如 纸板或木材 | ||
| 2个触觉刺激器 例如 小型扬声器 | Altronics, 中国 | C0600 (Mylar锥形扬声器) | 也可使用其他类型的触觉刺激器，例如骨传导装置（来自助听器，例如 Oticon）或电磁螺线管式刺激器（例如 dancerdesign.co.uk） |
| 2个发光二极管（LED） | A-Bright Industrial Co., LTD | AL-513YD-004 | |
| 带鼠标计算机 | |||
| 呈现软件 | Neurobehavioural Systems | Presentation | 也可使用其他软件 |
| 耳机及录制的声音文件作为节拍器 |
参考文献
- Ehrsson, H. H. The experimental induction of out-of-body experiences. Science (New York, N.Y.). 317, 1048(2007).
- Lenggenhager, B., Tadi, T., Metzinger, T., Blanke, O. Video ergo sum: manipulating bodily self-consciousness. Science (New York, N.Y.). 317, 1096-1099 (2007).
- Petkova, V. I., Ehrsson, H. H. If I were you: perceptual illusion of body swapping. PloS one. 3, e3832(2008).
- Tsakiris, M. My body in the brain: a neurocognitive model of body-ownership. Neuropsychologia. 48, 703-712 (2010).
- Ehrsson, H. H. The New Handbook of Multisensory Processing. Stein, B. E. , MIT Press. (2012).
- Blanke, O. Multisensory brain mechanisms of bodily self-consciousness. Nature Reviews Neuroscience. , (2012).
- Botvinick, M., Cohen, J. Rubber hands 'feel' touch that eyes see. Nature. 391, 756(1998).
- Eshkevari, E., Rieger, E., Longo, M. R., Haggard, P., Treasure, J. Increased plasticity of the bodily self in eating disorders. Psychol. Med. , 1-10 (2011).
- Moseley, G. L., Gallace, A., Spence, C. Bodily illusions in health and disease: physiological and clinical perspectives and the concept of a cortical 'body matrix'. Neuroscience and Biobehavioral reviews. 36, 34-46 (2012).
- Thakkar, K. N., Nichols, H. S., McIntosh, L. G., Park, S. Disturbances in body ownership in schizophrenia: evidence from the rubber hand illusion and case study of a spontaneous out-of-body experience. PloS one. 6, e27089(2011).
- Longo, M. R., Schuur, F., Kammers, M. P., Tsakiris, M., Haggard, P. What is embodiment? A psychometric approach. Cognition. 107, 978-998 (2008).
- Tsakiris, M., Haggard, P. The rubber hand illusion revisited: Visuotactile integration and self-attribution. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance. 31, 80-91 (2005).
- Armel, K. C., Ramachandran, V. S. Projecting sensations to external objects: evidence from skin conductance response. Proceedings of the Royal Society of London Series B: Biological Sciences. 270, 1499-1506 (2003).
- Ehrsson, H. H., Wiech, K., Weiskopf, N., Dolan, R. J., Passingham, R. E. Threatening a rubber hand that you feel is yours elicits a cortical anxiety response. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104, 9828-9833 (2007).
- Moseley, G. L., et al. Psychologically induced cooling of a specific body part caused by the illusory ownership of an artificial counterpart. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105, 13169-13173 (2008).
- Spence, C., Pavani, F., Maravita, A., Holmes, N. Multisensory contributions to the 3-D representation of visuotactile peripersonal space in humans: evidence from the crossmodal congruency task. Journal of Physiology (Paris). 98, 171-189 (2004).
- Spence, C., Pavani, F., Maravita, A. Haptic rendering: Foundations, algorithms, and applications. Lin, M. C., Otaduy, M. A. , AK Peters. 21-52 (2008).
- Makin, T. R., Holmes, N. P., Ehrsson, H. H. On the other hand: Dummy hands and peripersonal space. Behavioural Brain Research. 191, 1-10 (2008).
- Austen, E. L., Soto-Faraco, S., Enns, J. T., Kingstone, A. Mislocalizations of touch to a fake hand. Cognitive, Affective & Behavioral Neuroscience. 4, 170-181 (2004).
- Pavani, F., Spence, C., Driver, J. Visual capture of touch: out-of-the-body experiences with rubber gloves. Psychological Science. 11, 353-359 (2000).
- Walton, M., Spence, C. Cross-modal congruency and visual capture in a visual elevation-discrimination task. Experimental Brain Research. 154, 113-120 (2004).
- Zopf, R., Savage, G., Williams, M. A. Crossmodal congruency measures of lateral distance effects on the rubber hand illusion. Neuropsychologia. 48, 713-725 (2010).
- Aspell, J. E., Lenggenhager, B., Blanke, O. Keeping in touch with one's self: multisensory mechanisms of self-consciousness. PloS. 4, e6488(2009).
- Gallace, A., Soto-Faraco, S., Dalton, P., Kreukniet, B., Spence, C. Response requirements modulate tactile spatial congruency effects. Experimental Brain Research. Experimentelle Hirnforschung. 191, 171-186 (2008).
- Kalckert, A., Ehrsson, H. H. Moving a Rubber Hand that Feels Like Your Own: A Dissociation of Ownership and Agency. Frontiers in Human Neuroscience. 6, 40(2012).
- Zopf, R., Harris, J. A., Williams, M. A. The influence of body-ownership cues on tactile sensitivity. Cognitive Neuroscience. 2, 147-154 (2011).
- Zopf, R., Truong, S., Finkbeiner, M., Friedman, J., Williams, M. A. Viewing and feeling touch modulates hand position for reaching. Neuropsychologia. 49, 1287-1293 (2011).
- Shore, D. I., Barnes, M. E., Spence, C. Temporal aspects of the visuotactile congruency effect. Neuroscience Letters. 392, 96-100 (2006).
- Rohde, M., Di Luca, M., Ernst, M. O. The Rubber Hand Illusion: feeling of ownership and proprioceptive drift do not go hand in hand. PloS one. 6, e21659(2011).
重印与许可
标签
