מקור: מעבדות של ג'ונאס ט. קפלן ושרה גימבל – אוניברסיטת דרום קליפורניה
מערכת העצבים האוטונומית (ANS) שולטת בפעילות האיברים הפנימיים של הגוף ומווסתת שינ…
1. לגייס 40 משתתפים.
2. הליכים לפני ניסוי

איור 1: מיקום אלקטרודה. מניחים את האלקטרודה החיובית מתחת ללב, ליד כלוב הצלעות בצד ימין של הגוף. מניחים את השלילי מעל הלב, ממש מתחת לעצם הבריח השמאלית. מניחים את האלקטרודה הקרקעית מתחת ללב, ליד כלוב הצלעות בצד שמאל.
3. לספק הוראות למשתתף.
4. בצע את משימת זיהוי הרגשות בפנים.
5. לנתח את הנתונים.
ניתן להשתמש במדידות פיזיולוגיות כדי להבין את התפקוד הפסיכולוגי, ולחשוף קשר אינטראקטיבי בין הגוף לנפש.
כמה מהר פעימות הלב של אדם יכולות להשתנות תלוי בסביבתו, וכתוצאה מכך במצבו הרגשי. לדוגמא, מי שמרגיש דמות צללית עוקבת אחריו בלילה עשוי להפגין דופק מוגבר עקב פחד, כמו גם מאמץ פיזי מבריחה.
לעומת זאת, כאשר אותו אדם נכנס לסביבה נוחה, כמו התכנסות בבית של חבר, לא נתפסת שום סכנה - למעט אולי שפיכת יין על השטיח הלבן.
מעניין לציין שלמרות שמהירות הלב יכולה להשתנות באופן אוטומטי בתגובה לרגשות שלהם, היא יכולה להיות מושפעת גם מהרגשות שהם מבחינים אצל אחרים, כמו אימה אצל אדם שזה עתה שבר את המנורה האהובה על המארח.
כאן, עצם ההתבוננות בסימני אימה מול הצד האשם - עיניים פעורות, שיניים חשופות וגבות מורמות - יכולה להסלים לרגע את קצב הלב של המתבונן. לאורך כל החוויות הללו, האדם הפגין שונות גבוהה של דופק, או HRV, המייצגת ויסות יעיל.
בסרטון זה, אנו בוחנים כיצד ניתן להשתמש בטווחים ביכולת הלב וכלי הדם - HRV נמוך עד גבוה - כדי לחזות את יכולתו של אדם לזהות רגשות אצל אנשים אחרים.
אנו מדגימים כיצד לתכנן ולבצע ניסוי לניתוח נתוני דופק וזיהוי רגשי.
בניסוי זה, המשתתפים מצוידים תחילה באלקטרודות סביב הלב, מתבקשים לנוח בזמן הקלטות בסיסיות, ולאחר מכן מראים להם תמונות של פנים אנושיות המביעות רגשות שונים, שעליהם לזהות כאשר אותות הלב שלהם נרשמים באופן רציף.
במהלך המשימה מוצג צלב קיבוע קטן במרכז מסך מחשב, ואחריו תמונה של פנים אנושיות בודדות.
הטריק הוא שתמונת הפנים הזו יכולה להיות בעלת הבעה רגועה וניטרלית - למשל, מישהו עם פה רגוע, גבות ומצח - או של פחד.
כאשר כל חזותי מוצג, על המשתתפים לציין איזו תחושה הוא מתאר. הרעיון כאן הוא שהדיוק הכולל של תגובותיהם מספק מידה של יכולת זיהוי רגשי.
כל ניסוי מסתיים בהצגת סמל קיבוע סופי כדי להפריד בבירור בין המשתנים התלויים: תגובות רגשיות ולבביות על פני סוגי ניסויים המוצגים באופן שווה אך בסדר אקראי.
בזמן ניטור הדופק, מושם דגש על מרכיב קריטי במחזור הלב הנקרא גל R, המתאים לשיא הגדול בכל פעימה. שונות הדופק?ה-HRV?מחושב, המתאים לזמן שבין כל שיא ולאופן שבו הוא משתנה לאורך פרק זמן.
החישובים מעובדים באמצעות מספר פעולות מתמטיות, כגון התמרת פורייה מהירה, וכתוצאה מכך מידע תדר. בתוך כל ספקטרום ההספק הזה, פס מסוים, טווח התדרים הגבוה, מעניין מכיוון שהוא משקף את מצב הרגולציה האוטונומית.
באופן ספציפי, HRV גבוה פירושו שקצב הלב של המשתתף משתנה ללא הרף, מה שמרמז על מדד של שליטה מוצלחת. לעומת זאת, HRV נמוך שווה לערכים עקביים ולכן קשר עם ויסות לקוי.
חשוב לציין, מדדי ה-HRV מושווים לתוצאות זיהוי הרגשות. בהתבסס על ניסיון קודם, צפוי שדיוק בזיהוי רגשות יהיה בקורלציה עם HRV.
במילים אחרות, משתתף שקצב הלב שלו משתנה כאשר מוצגות תמונות של רגשות שונים נוטה יותר להבחין ביניהם בצורה נכונה, מה שמרמז על כך ש-HRV הוא מתאם פיזיולוגי של תהליך זיהוי זה.
כדי להתחיל, ברכו את המשתתף כשהוא מגיע. ודא שיש להם ראייה תקינה, לא צרכו חומרים כלשהם, כגון קפאין או אלכוהול, ב-6 השעות האחרונות, מה שעלול להשפיע על קצב הלב שלהם, ואין להם היסטוריה של הפרעות פסיכיאטריות או לבביות.
לאחר מכן, כוונו את המשתתף לשבת מול צג מחשב ומקלדת. אספו שלוש אלקטרודות מוכנות מראש, ובדקו שהן לא התייבשו, כדי לוודא שהאותות החשמליים מהלב מוליכים כראוי.
כעת הנחו את המשתתף להצמיד את האלקטרודות הללו על החזה באמצעות תצורה קבועה. חבר את המוליכים וודא שהם מחוברים כהלכה לציוד שיגביר ויעביר מידע למחשב ההקלטה.
בשלב זה, בתוכנה מנטרים את אות הלב כדי לוודא שהוא נטול רעש וחפצים. בנוסף, ודא שפרמטרי הרכישה נכונים, והתחל לאסוף דופק במנוחה למשך 5 דקות.
המשך להסביר שתמונות של פנים אנושיות יוצגו על המוניטור. הדגישו שהמשתתף צריך ללחוץ במהירות על 'F' על המקלדת אם הוא מפרש תמונה כמפחידה. לעומת זאת, אם הפנים נראות ניטרליות ונטולות רגש, הדגישו כי יש להשתמש במקש 'J'.
כמו כן, אשר כי צלב הקיבוע הראשון מופיע על המסך למשך 500 אלפיות השנייה, ועבור כל ניסיון, תמונת הפנים למשך 200 אלפיות השנייה, ואחריה סמל הקיבוע הסופי למשך 2 שניות. כעת, צאו מהחדר והמשיכו להקליט את אות הלב שלהם בזמן שהם מבצעים 120 ניסויים בזיהוי רגשות.
לאחר איסוף כל הנתונים שמקורם בלב, נווט תחילה בממשק המשתמש הגרפי ובודד את גלי ה-R כדי לחשב את הזמן בין הפסגות שזוהו.
לעבד עוד את המדדים הללו כדי ליצור את ספקטרום ההספק של התדרים, ובמיוחד, לרשום את הערכים בטווח התדרים הגבוהים, המייצג את מידת התנודה בטווח של 0.15-0.4 הרץ.
} לבסוף, חשב את יכולת זיהוי הרגשות של כל אדם. לשם כך, ייבא תחילה את הנתונים שנרשמו מלחיצות המקשים, וחשב את האחוז הממוצע של פרצופים מפוחדים שזוהו כהלכה. לאחר מכן, חזור על תהליך זה עבור תמונות ניטרליות.
כדי לנתח את הנתונים, התחל ביצירת תרשים פיזור שבו דיוק זיהוי הפנים המפחיד משורטט על ציר ה-y, וערכי HRV על ציר ה-x. כלול נתונים מכל המשתתפים באיור זה. לאחר מכן, צור תרשים דומה לנתוני פנים ניטרליים.
בכל אחד מהם, קבע את קו ההתאמה הטובה ביותר ואת מקדם המתאם. חשוב לציין, ככל שנקודות הנתונים קרובות יותר לקו זה, כך המתאם הליניארי חזק יותר בין זיהוי רגשות ל-HRV.
שימו לב שנקודות הנתונים היו מקובצות בצורה הדוקה יותר סביב קו ההתאמה הטוב ביותר בגרף זיהוי הפחד, בהשוואה למקבילו הנייטרלי.
זה מצביע על מתאם חיובי בין HRV ליכולתו של הפרט להבחין בפחד; עם זאת, לא היה מתאם בין HRV למשתתפים? יכולת לזהות פרצופים ניטרליים, מה שמצביע על כך שקשר זה הוא ספציפי לרגש.
באופן קולקטיבי, תוצאות אלה מרמזות על קשר בין התופעה הפיזיולוגית של קצב הלב להתנהגות חברתית. באופן ספציפי, אדם עם HRV גבוה עשוי להיות בעל סיכוי גבוה יותר לזהות רגשות אצל אחרים, ובכך להצטיין באינטראקציות חברתיות.
כעת, כשאתם מבינים כיצד לחקור את המתאם בין ויסות עצמי אוטונומי להתנהגות חברתית, בואו נסתכל על האופן שבו חוקרים חוקרים את השונות של עוררות פיזיולוגית בגיל צעיר ובהקשרים אחרים של בריאות קוגניטיבית ונפשית.
עד כה, התמקדנו בזיהוי רגשות אצל מבוגרים. עם זאת, עבודה דומה מתבצעת בילדים כדי לחקור גורמים הקשורים לשונות קרדיווסקולרית מוקדמת שעשויים לנבא מצבים בריאותיים מאוחרים יותר.
לדוגמה, חוקרים מדדו את קצב הלב בזמן שחשפו פעוטות למספר מצבים התנהגותיים, כולל שיר ערש בזמן מנוחה, שקע פעיל, טעימת מיץ לימון חמוץ ושמע של תינוק בוכה.
חוויות כאלה הביאו לתוצאות שונות של קצב הלב, מה שמרמז על כך שניתן לעורר שונות אצל ילדים צעירים. יש צורך במחקר נוסף כדי להעריך את מסלול ההתפתחות של מדדים קרדיווסקולריים ובסופו של דבר לחזות תוצאות בריאותיות עתידיות.
במונחים של הקשר בין HRV לזיכרון עבודה, מחקרים הראו שאדם עם HRV נמוך - שליבו פועם בקצב רציף ואחיד למרות הסביבה המפחידה אפילו - נוטה יותר להפגין זיכרון עבודה ירוד, ולשכוח את הכתובת שנאמרה לו.
מעניין שפעילות אירובית חוזרת ונשנית - כמו ריצה - יכולה למעשה לשפר את HRV ושימור הזיכרון, תוך שימת דגש על הקשר בין גוף לנפש.
לבסוף, עבודות אחרות בדקו אם יש קשר בין HRV להפרעות נפשיות מסוימות, כגון דיכאון.
באופן ספציפי, אדם עם HRV נמוך דומה עשוי להיות בעל סיכוי גבוה יותר להפגין תסמיני דיכאון, כמו חוסר עניין בפעילויות או נסיגה ממסגרות חברתיות. לפיכך, HRV עשוי לשמש כסמן ביולוגי שימושי ולא פולשני להפרעה חברתית זו.
זה עתה צפיתם בסרטון של JoVE על המתאמים הפיזיולוגיים של זיהוי רגשות. בשלב זה, עליכם לדעת כיצד להציג גירויים חזותיים רלוונטיים מבחינה חברתית למטופלים, ולאסוף ולפרש נתונים התנהגותיים ונתוני HRV. נוסף על כך, עליכם להבין כיצד מדענים מיישמים HRV בהקשרים נוספים, כמו למשל כיצד הוא קשור לתהליכים קוגניטיביים אחרים כמו זיכרון.
תודה שצפית!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is heart rate variability and why does it matter for emotion recognition?
Heart rate variability (HRV) measures how much the gap between heartbeats varies over time. High HRV indicates continuous fluctuations in heart rate, reflecting successful autonomic regulation and a calmer state that promotes social interaction. Research shows that individuals with high HRV are more likely to accurately recognize emotions in others' faces, suggesting HRV is a physiological correlate of emotion recognition ability.
Q2: How does the autonomic nervous system regulate heart rate in response to emotions?
The autonomic nervous system controls internal organ activity through the vagus nerve, which acts as a 'brake' on arousal. When danger is sensed, vagal tone is inhibited, increasing heart rate and preparing the body to fight or flee. Conversely, when the vagal system is activated, physiological responses are inhibited, creating a calmer state. This regulatory mechanism directly influences both emotional responses and social behavior.
Q3: What experimental procedure is used to measure the relationship between HRV and emotion recognition?
Participants are fitted with electrodes around the heart to record baseline cardiac signals during rest. They then view pictures of faces expressing either fear or neutral emotions and identify each expression by pressing designated keys. Heart rate is continuously monitored, with emphasis on the R wave peaks. Accuracy of emotional identification is compared to HRV calculations to determine correlation between physiological regulation and emotion recognition ability.
Q4: Why is the high-frequency range of the power spectrum important in HRV analysis?
The high-frequency range (0.15-0.4 Hz) of the power spectrum reflects the state of autonomic regulation. This band reveals how much heart rate fluctuates over time, with greater fluctuation indicating successful control. By analyzing this specific frequency band through mathematical operations like fast Fourier transformation, researchers can quantify autonomic regulation and compare it to behavioral measures like emotion recognition accuracy.
Q5: What do research findings reveal about HRV and cognitive functions beyond emotion recognition?
Research demonstrates that low HRV correlates with poor working memory and increased likelihood of forgetting information. Additionally, individuals with low HRV show higher rates of depressive symptoms, including disinterest in activities and social withdrawal. Importantly, aerobic exercise can improve HRV and memory retention, emphasizing the mind-body connection. HRV may serve as a non-invasive biomarker for assessing cognitive and mental health conditions.
Q6: How does observing emotions in others affect an individual's own heart rate?
Heart rate can be influenced not only by personal emotional states but also by observing emotions in others. For example, witnessing signs of fear or dread in another person's facial expressions—such as wide eyes, bared teeth, or raised eyebrows—can briefly escalate the observer's heart rate. This demonstrates the interactive relationship between body and mind, showing how social perception directly triggers physiological responses.
Q7: What developmental research is being conducted on heart rate variability in young children?
Researchers are measuring heart rate in toddlers across various behavioral conditions, including lullabies during rest, active play with toys, tasting sour substances, and exposure to infant crying sounds. These experiences elicit different heart rate outcomes, demonstrating that cardiovascular variability can be measured early in development. Additional research aims to assess the developmental trajectory of these measures and predict future health outcomes based on early HRV patterns.