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

本视频展示了杜克大学的沉浸式虚拟环境 DIVE 在人类中生成逼真恐惧条件反射数据的应用。通过虚拟软件构建虚拟世界，并编写代码以触发刺激呈现。参与者将连接电极，用于记录皮肤电导反应和腕部刺激，同时在虚拟现实环境中进行按钮按键操作。

在DIVE中呈现动态刺激的同时，采集皮肤电导反应和按钮按压数据，随后分析生理数据和预期测量指标，以验证对条件刺激或情境的恐惧习得、恐惧消退以及恐惧记忆保持。大家好，我是凯文·勒巴尔（Kevin Lebar），杜克大学认知神经科学中心的教授。

我是瑞秋·布雷迪（Rachel Brady），杜克沉浸式虚拟环境中心的主任。你好，我叫妮可·哈夫（Nicole Huff），是拉玛尔博士实验室的博士后研究员。

大家好，我是来自可视化技术组的David Zelensky。今天我们将向您展示一种使用完全沉浸式三维虚拟现实进行人类恐惧条件反射实验的方法。我们使用该方法来研究情境对恐惧习得和记忆保持的影响。

那么，让我们开始吧。为了研究情境对恐惧习得和记忆的影响，研究人员在一种名为杜克沉浸式虚拟环境（Duke's Immersive Virtual Environment）的完全沉浸式虚拟环境中，向人类受试者呈现动态的条件刺激。该DIVE系统由一个3米×3米×3米的房间构成，其四面墙、天花板和地板均通过背投方式显示立体计算机图像。

每面墙都配有独立的 DLP 投影仪，这些投影仪由专用计算机分别控制。其中一面墙可滑动打开，以便参与者进出 DIVE 系统。系统配备有跟踪装置，可提供参与者头部和手部位置的三维定位与方向信息。参与者佩戴液晶快门眼镜，以实现主动立体视觉。

六台安装在墙上的计算机由一台主控计算机控制，该主控计算机与追踪系统通信，并控制音响系统以及用于恐惧条件反射的电刺激系统。这七台计算机通过其 NVIDIA 显卡的同步锁相（genlock）功能，在图像帧边界上实现同步。在虚拟环境中的导航被限制在一条固定路径上，该路径在所有虚拟世界中均相同。移动。

该路径通过虚拟软件系统进行控制。VIRs 通过虚拟现实外设网络和开源库与跟踪系统通信。VRPM 可记录参与者头部和手部的位置与朝向，以及按钮按压信息。

OLS 利用头部追踪信息，为参与者以正确的视角渲染 3D 场景。现在让我们了解如何在 DIVE 系统内为公平的条件化实验设置参与者。在公平条件化实验期间，参与者在进入 DIVE 环境后会遇到由蛇和蜘蛛组成的动态条件刺激，并在开始条件化程序之前，先接受电腕刺激。首先，将每位参与者随机分配至特定条件，即为所有参与者指定条件刺激（CS+），该刺激由蛇的图像或蜘蛛的图像组成。

与条件刺激（CS plus）配对的非条件刺激是对每位参与者的手腕施加电刺激。未被选为CS plus的刺激作为对照，称为CS minus刺激。接下来，随机为参与者分配一个特定的虚拟情境，用于呈现刺激。

一种可能的虚拟现实情境包含室内环境，另一种情境则包含室外环境，用于设置将与CS+刺激配对的电刺激。在电极上涂抹少量导电凝胶，然后将双极表面刺激电极固定在受试者优势手手腕的正中神经处，用橡胶带固定电极导线，并将其连接至Grass Tele Factor SD9刺激器。接下来确定合适的刺激电压，将电压从30伏的低水平开始设置，刺激持续200毫秒。

在30至50赫兹频率下，以5伏为增量逐步增加电压，直至受试者表示已达到耐受限度但尚未引起疼痛。目标是找到一种被感知为极度烦人但不引起疼痛的刺激强度。本实验中人类受试者的恐惧依赖性测量指标为皮肤电导反应。

受试者应首先洗手并擦干，在等待期间至少静坐10分钟，以适应建筑物内的温度环境。在连接皮肤电导反应（SCR）电极之前，使用新的清洁剂对非优势手的第一和第二手指的中节指骨部位进行去角质处理，擦干后在电极内涂抹少量Cigna导电凝胶。为测量皮肤电导反应，请将银/氯化银电极片贴附于非优势手第一和第二手指的中节指骨部位。

导线连接至位于DIVE外部控制室内的一套BioPack生理记录系统。该生理系统与刺激呈现同步，与运行T'S软件的计算机协同工作，并连接电刺激装置及SCR电极设置座椅。受试者位于DIVE中央，面朝前方，头部佩戴3D眼镜并启用头部追踪功能，其优势手放置在一个设备上，该设备用于记录受试者在遇到蛇或蜘蛛时的按钮反应。

现在告知参与者，他们的任务是通过按动手柄上的按钮，表示他们在遇到蛇或蜘蛛时认为自己有多可能受到电刺激。按钮从左到右排列，最左侧表示最不可能受到刺激。提醒他们，按钮的按压不会影响电刺激的实际发生。现在我们来看公平条件实验。

公平性条件反射实验在两个相隔24小时的阶段中进行。第一阶段包括初始适应期，紧接着是恐惧习得阶段。第二阶段在初始适应期内进行记忆、保持、测试以及消退训练。

向参与者呈现每种条件刺激（CS）类型的四个试验，所有刺激均在3D完全沉浸环境中以广阔的背景显示，但不进行强化，也不包含训练或测试所用的虚拟世界。在每次试验中，刺激呈现4秒，并伴随摇晃声或敲击声，以提示蛇或蜘蛛的出现。此阶段旨在使参与者适应DIVE中的实验环境，并减少对条件刺激的朝向反应。习惯化阶段结束后，立即开始恐惧习得阶段。

约24小时后，呈现每种条件刺激（CS）类型的16次混合试验，其中仅单独呈现CS负性刺激，并在16次CS正性刺激试验中的5次中给予电刺激强化。开始第二次实验。在此阶段，向受试者呈现16次H Cs类型试验，不给予电刺激，所处的虚拟情境根据受试者最初被分配的组别，与恐惧习得情境相同或不同。

任务和对参与者的指示与第二次会话相同。现在我们将展示在DIVE等效环境中进行的公平条件反射实验的一些结果。在公平习得和消退的会话中，各组之间均观察到一致的结果，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反射研究。此外，对于在实验第一天和第二天保持在同一情境中的参与者，其情境性恐惧记忆显著强于经历了情境转换的参与者。

在DIVE环境中的恐惧保持程度强于传统实验室匹配范式。我们刚刚向您展示了如何使用完全沉浸式虚拟现实技术进行人类恐惧条件反射实验。该技术有助于研究情境因素对恐惧记忆的影响。

并且请记住，在进行这些实验时，重要的是要限制虚拟现实的功能，以便能够生成可解释的数据。例如，您需要控制参与者移动的程度，以及刺激的呈现位置和持续时间。就这些。

感谢观看，祝您的实验顺利。