L'illusione della mano di gomma

The Rubber Hand Illusion

JoVE Science Education
Sensation and Perception

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JoVE Science Education Sensation and Perception

The Rubber Hand Illusion

6.3: Perspectives on Sensation and Perception

6.11: The Inverted-face Effect

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08:09 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratorio di Jonathan Flombaum—Johns Hopkins University

Raggiungere oggetti, camminare senza colpire ostacoli, atterrare su una sedia mentre ci si siede (invece di cadere a terra), queste e tutte le nostre azioni fisiche dipendono dalla capacità di percepire i nostri corpi nello spazio, di sapere dove sono i nostri arti l’uno rispetto all’altro e rispetto al resto del mondo. Un modo in cui il cervello umano codifica queste informazioni è chiamato propriocezione, il cervello si basa sui propri segnali di controllo e feedback per tenere traccia degli arti. Insieme agli input propriocettivi, il cervello umano incorpora visione, tatto e persino suono per rappresentare le parti del corpo nello spazio. Come combina tutte queste informazioni? Nel 1998, Botvinick e Cohen hanno descritto un’illusione sorprendente, chiamata Rubber Hand Illusion, che è stata utilizzata per indagare su come il cervello umano integra input sensoriali e propriocettivi per rappresentare il corpo nello spazio. ¹ Questo video dimostrerà come indurre l’illusione della mano di gomma e descriverà come è stato utilizzato da studi successivi.

Procedure

1. Materiali

Questo esperimento richiede tre attrezzature critiche: una mano di gomma, due pennelli e una scatola di occlusore.
Per costruire la scatola dell’occlusore, avrai bisogno di un pezzo di cartone alto circa 1 ft e lungo 2 piedi. Disegna una linea retta nel mezzo, e poi nel mezzo di ciascuno dei due quadrati, taglia un tunnel abbastanza grande da far passare una mano e un braccio. La Figura 1 mostra un disegno schematico di questa parte della scatola, come si vede dal punto di vista del partecipante all’attività.

Figura 1: Disegno schematico della scatola dell’occlusore visto dal punto di vista del partecipante. I due fori nella parete di cartone sono abbastanza grandi da essere inseriti comodamente da un braccio da parte del partecipante. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Successivamente, su un lato della scatola di cartone attaccare una parte superiore opaca insieme a un divisore opaco tra le due metà della scatola. Il braccio reale del partecipante andrà in questa parte della scatola, dove sarà visivamente occluso dal partecipante. La Figura 2 mostra un disegno schematico della scatola completata con questo allegato su di esso, come sarebbe visto dal punto di vista della persona che conduce l’esperimento.

Figura 2: Disegno schematico della scatola dell’occlusore visto dal punto di vista dello sperimentatore. I due fori nella parete di cartone sono abbastanza grandi da essere inseriti comodamente da un braccio da parte del partecipante. Il lato con la parte superiore opaca è il lato in cui la partecipante inserirà il suo braccio reale, permettendo allo sperimentatore di spazzolarlo durante l’esperimento. L’altro lato sarà dove il braccio di gomma si siederà durante l’esperimento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Infine, dovrai fare un sondaggio per valutare la misura in cui il tuo partecipante ha sperimentato l’illusione. La Figura 3 è una tale indagine, modellata direttamente sui metodi utilizzati da Botvinick e Cohen. ¹

Figura 3: Domande del sondaggio con scale. Il sondaggio viene utilizzato dopo l’esperimento per valutare la misura in cui il partecipante ha sperimentato l’illusione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Indurre l’illusione

Per indurre l’illusione in un partecipante, siediti a un tavolo di fronte al lato piatto della scatola dell’occlusore. La scatola deve essere posizionata in modo che possa inserire comodamente il braccio sinistro nel foro più lontano dalla spalla sinistra.
Una volta che il partecipante è seduto comodamente e con il braccio inserito, posizionare il braccio di gomma in modo che esca dal foro più vicino al partecipante.
Istruire il partecipante a muovere il braccio sinistro e le dita il meno possibile.
Chiedi al partecipante di guardare oltre il muro dell’occlusore. Il suo braccio non sarà visibile, in quanto sarà all’interno della parte della scatola della scatola dell’occlusore. Ma il braccio di gomma dovrebbe essere completamente visibile a lei.
Ora siediti di fronte al partecipante e spazzola lentamente sia la sua vera mano che la mano di gomma con i pennelli. Prova a spazzolare in sincronia. Continuare a spazzolare per 10 minuti.
La partecipante può reagire durante il periodo di spazzolatura, esclamando che sente che la mano di gomma è sua. Fai sapere al partecipante che tali esperienze sono normali nel contesto dell’esperimento.
Dopo 10 minuti, rimuovere la scatola e il braccio di gomma e chiedere al partecipante di completare il sondaggio.

Le illusioni sono spesso utilizzate in psicologia per testare i processi di percezione; a quanto pare, ingannare il cervello è piuttosto facile.

In circostanze normali, gli individui camminano senza imbattersi in ostacoli, perché sanno dove sono i loro arti rispetto agli oggetti nell’ambiente circostante. Questo concetto di consapevolezza del corpo è indicato come propriocezione.

Tuttavia, anche con questa comprensione, la stessa persona può essere ingannata nel pensare che il braccio di qualcun altro – come quello del manichino situato nelle vicinanze – sia il proprio e reagire di conseguenza.

Questo video dimostrerà come indurre questo trucco di trasferimento del corpo, chiamato Rubber Hand Illusion – in cui un arto falso è percepito come reale – usando metodi originariamente ideati da Botvinick e Cohen. Indagherà anche su come tale esperienza possa essere applicata, ad esempio, al trattamento del dolore dell’arto fantasma.

In questo esperimento, ai partecipanti viene chiesto di appoggiare un braccio su un tavolo e una scatola viene posizionata sopra di esso, impedendo all’arto di essere visibile. Tuttavia, l’altro lato è aperto e una mano di gomma finta è posta in vista diretta.

Mentre i partecipanti fissano il modello a grandezza naturale, entrambe le appendici sono leggermente accarezzate con due pennelli in sincronia per un periodo di 10 minuti.

Successivamente, viene chiesto loro di completare un breve sondaggio sulle loro esperienze, valutando quanto sono d’accordo o in disaccordo con i diversi effetti percettivi. Le loro risposte sulla scala mobile servono come variabile dipendente e alla fine rivelano se l’illusione è stata indotta o meno.

Ci si aspetta che i partecipanti si sentano come se la mano di gomma fosse la loro durante il periodo di spazzolatura. Tuttavia, non ci si aspetta che pensino che sembri simile al loro aspetto. Pertanto, la visione gioca un ruolo importante nel nostro senso del tatto e nella posizione del corpo, ma questi non influenzano le rappresentazioni visive allo stesso modo.

In preparazione per l’esperimento, ottenere i seguenti materiali: una mano di gomma, due pennelli, forbici, nastro adesivo e diversi pezzi di cartone alti 1 ft per 2 ft di lunghezza.

Per prima cosa costruisci la scatola dell’occlusore: prendi un pezzo di cartone e disegna una linea retta lungo il centro del lato più lungo. In basso al centro di ogni metà, taglia un cerchio abbastanza grande da far passare una mano e un braccio. Quindi, usando il nastro, attacca un secondo pezzo nel punto medio per creare un divisore. Infine, aggiungi l’ultima sezione di cartone sulla parte superiore.

Prima di procedere, crea un sondaggio, come quello utilizzato da Botvinick e Cohen, per valutare ampiamente le esperienze soggettive dei partecipanti.

Ora, per iniziare l’esperimento, siediti il partecipante a un tavolo di fronte al lato piatto della scatola dell’occlusore. Chiedi loro di inserire il braccio sinistro nel foro direttamente davanti e chiedi loro di astenersi dal muovere il braccio e le dita il più possibile.

Quindi, posizionare il braccio di gomma attraverso il foro sul lato destro. Istruisci il partecipante a guardare oltre il muro della scatola dell’occlusore e concentrati su questa parte artificiale.

Quindi, siediti di fronte al partecipante e usa i due pennelli per toccare contemporaneamente la loro mano reale e di gomma per 10 minuti. Se reagiscono durante il periodo di spazzolatura, informali che tali esperienze sono normali per questo esperimento.

Dopo la fase tattile, rimuovi la scatola e il braccio di gomma dal tavolo e chiedi loro di completare il sondaggio, valutando nove affermazioni su una scala di “fortemente in disaccordo” per “fortemente d’accordo”.

Per ogni partecipante, determinare se l’illusione è stata indotta o meno. Per raggiungere questo obiettivo, esamina i sondaggi individualmente e inizialmente concentrati sui primi tre elementi.

Si noti che il partecipante mostrato qui era fortemente d’accordo sul fatto che potevano sentire la spazzolatura sulla mano di gomma come se fosse la loro, indicando che il loro cervello era stato ingannato.

Per vedere se la propriocezione è stata influenzata, guarda i prossimi quattro elementi: Domande da 4 a 6 e 8. Si noti che sono state fatte risposte verso “fortemente in disaccordo”, il che suggerisce che erano ancora molto consapevoli delle proprie braccia nello spazio.

Inoltre, dalle risposte alle domande rimanenti – 7 e 9 – il partecipante non era d’accordo sul fatto che la mano di gomma cominciasse ad assomigliare al proprio aspetto. Nel complesso, questi risultati suggeriscono che, sebbene la visione influenzi il nostro senso del tatto e la posizione del corpo, il contrario non è necessariamente vero.

Ora che hai familiarità con come condurre l’illusione della mano di gomma, diamo un’occhiata ad alcuni altri modi in cui i ricercatori la usano per capire meglio come il cervello integra le informazioni relative alla visione, al tatto e alla propriocezione.

Per capire cosa sta succedendo nel cervello durante l’illusione, i ricercatori hanno esposto i partecipanti al compito mentre si sottoponevano a risonanza magnetica funzionale. In questo caso, la corteccia premotoria, un’area utilizzata per controllare le azioni motorie, era la regione di messa a fuoco.

L’attività della condizione sincrona è stata confrontata con una asincrona, in cui la spazzolatura non induce l’illusione. Hanno scoperto che quando il cervello veniva ingannato, c’era una maggiore attivazione rispetto a quando non era ingannato.

Tali osservazioni suggeriscono che l’attività neurale nella corteccia premotoria è associata al senso del proprio corpo. Anatomicamente, questo ha senso: la regione è collegata alle aree visive e somatosensoriali, in particolare la corteccia parietale posteriore, fornendo un’ancora tra informazioni visive, tattili e propriocettive.

Comprendere le basi neurali dell’illusione della mano di gomma può anche aiutare a trattare i disturbi in cui la proprietà del corpo è distorta, come nel caso della schizofrenia. In questi pazienti, l’illusione è più forte, con un’induzione più rapida e un aumento dei rapporti percettivi, anche durante l’asincronia sensoriale.

È interessante notare che questi effetti possono essere imitati in individui sani somministrando farmaci come ketamina o anfetamina, fornendo un altro approccio per studiare i meccanismi neurali alla base della proprietà del corpo.

Infine, in determinate circostanze, l’illusione può essere utilizzata terapeuticamente per trattare gli individui con phantom limb pain, che si verifica quando gli amputati hanno ancora sentimenti nella parte del corpo che non esiste più.

Usando gli specchi, i loro cervelli possono essere indotti a vedere due arti completi. Questo approccio potrebbe in definitiva aiutare a riorganizzare le connessioni all’interno dei relativi percorsi multisensoriali e alleviare il dolore.

Hai appena visto il video di JoVE sulla Rubber Hand Illusion. Ora dovresti avere una buona comprensione di come condurre questo esperimento per indagare la percezione del corpo nello spazio da parte del cervello, nonché come interpretare i risultati del sondaggio dalle esperienze dei partecipanti. Inoltre, dovresti anche saperne di più sulle regioni del cervello legate alla proprietà del corpo e sulla complessità coinvolta nell’integrazione multisensoriale.

Grazie per l’attenzione!

Results

La Figura 4 mostra i risultati tipici del sondaggio per un partecipante. Nei primi tre elementi, un partecipante tende a concordare fortemente sul fatto che la mano di gomma sembrava la sua e che sembrava che potesse sentire la spazzolatura sulla mano di gomma. Questi risultati suggeriscono che la percezione visiva della mano di gomma nel punto in cui la sua mano reale avrebbe dovuto essere indotta il suo cervello ad assimilare la mano di gomma nella sua rappresentazione del suo corpo. Inoltre, ha sperimentato la spazzolatura anche se la mano di gomma ovviamente non ha recettori tattili. Quindi la visione visiva della spazzolatura, in questo contesto, è sufficiente per indurre il cervello a produrre sensazioni di spazzolatura. Questa è una parte importante dell’effetto-tocco può essere sentito senza toccare effettivamente la pelle, almeno in alcune condizioni. Gli input visivi svolgono un ruolo sorprendentemente forte nel nostro senso del nostro corpo.

Figura 4: Risposte tipiche al sondaggio.

I restanti elementi dell’indagine dimostrano che non è vero il contrario. Le persone tendono a non essere d’accordo con le affermazioni che suggeriscono che la loro rappresentazione visiva della mano di gomma ha iniziato a cambiare. In altre parole, sentirlo proprio non lo fa sembrare il loro aspetto. Quindi la visione gioca un ruolo importante nel nostro senso del tatto e nella posizione del corpo, ma il tatto e la posizione del corpo non influenzano la visione allo stesso modo.

Applications and Summary

La mano di gomma è una strana e sorprendente illusione che ha iniziato a svolgere un ruolo importante nella nostra comprensione di come il cervello integra le informazioni provenienti da più sistemi sensoriali. Un importante studio di Ehrsson e colleghi (2004), ad esempio, ha indotto l’illusione della mano di gomma più o meno nello stesso modo appena descritto, ma con partecipanti contemporaneamente sottoposti a fMRI. ² Per un punto di confronto, i ricercatori hanno usato una condizione in cui hanno spazzolato la gomma e le mani reali dei loro partecipanti in modo asincrono. Questo di solito non produce un’esperienza dell’illusione. Potrebbero quindi confrontare l’attività cerebrale in questa condizione con l’attività cerebrale durante la solita condizione di carezza sincrona. Il risultato è stato che la condizione sincrona ha prodotto una maggiore attività nella corteccia premotoria. La corteccia premotoria è una parte del cervello che viene utilizzata per controllare le azioni motorie. L’attività si trova di solito in quest’area prima che qualcuno esegua un’azione. Ciò ha portato gli autori a concludere che, poiché la corteccia premotoria è il sito della pianificazione dell’azione, in un certo senso, è il principale sito di rappresentazione per il proprio senso del proprio corpo. Di conseguenza, è anche il sito in cui vengono integrate le informazioni sul proprio corpo da fonti diverse.

References

Botvinick, M., Cohen, J. Rubber hands 'feel' touch that eyes see. Nature. (1998).
Ehrsson, H.H., Spence, C., Passingham, R.E. That's my hand! Activity in premotor cortex reflects feeling of ownership of a limb. Science. (2004).

Transcript

Illusions are often used in psychology to test processes of perception; as it turns out, tricking the brain is rather easy.

Under normal circumstances, individuals walk around without bumping into any obstacles, because they know where their limbs are relative to items in the surroundings. This concept of body awareness is referred to as proprioception.

However, even with this understanding, the same person can be deceived into thinking that someone else’s arm—like the mannequin’s situated close by—is their own and react accordingly.

This video will demonstrate how to induce this body transfer trick, called the Rubber Hand Illusion—where a fake limb is perceived as being real—using methods originally devised by Botvinick and Cohen. It will also investigate how such an experience can be applied, for instance, to the treatment of phantom limb pain.

In this experiment, participants are asked to rest one arm on a table and a box is placed over it, occluding the limb from being visible. However, the other side is open, and a fake rubber hand is placed in direct sight.

As participants stare at the life-sized model, both appendages are lightly stroked with two paintbrushes in synchrony over a period of 10 min.

Afterwards, they are asked to complete a short survey about their experiences—rating how much they agree or disagree with different perceptual effects. Their responses on the sliding scale serve as the dependent variable and ultimately reveal whether or not the illusion was induced.

Participants are expected to feel like the rubber hand was their own during the brushing period. Yet, they are not expected to think that it looks similar to their own in appearance. Thus, vision plays an important role in our sense of touch and body position, but these do not influence visual representations in the same manner.

In preparation for the experiment, obtain the following materials: a rubber hand, two paint brushes, scissors, tape, and several pieces of cardboard that are 1 ft high by 2 ft long.

First build the occluder box: Take one piece of cardboard and draw a straight line down the middle of the longest side. At the bottom center of each half, cut a circle large enough for a hand and arm to pass through. Then, using tape, attach a second piece at the mid-point to create a divider. Finally, add the last section of cardboard across the top.

Before proceeding, create a survey, like the one used by Botvinick and Cohen, to extensively assess the participants’ subjective experiences.

Now, to begin the experiment, seat the participant at a table in front of the flat side of the occluder box. Have them insert their left arm into the hole directly ahead, and ask them to refrain from moving their arm and fingers as much as possible.

Next, place the rubber arm through the hole on their right side. Instruct the participant to look over the wall of the occluder box and focus on this artificial part.

Then, sit in front of the participant, and use the two paintbrushes to simultaneously touch their real and rubber hand for 10 min. If they react during the brushing period, inform them that such experiences are normal for this experiment.

Following the tactile phase, remove the box and rubber arm from the table, and ask them to complete the survey, rating nine statements on a scale of ‘strongly disagree’ to ‘strongly agree’.

For each participant, determine whether or not the illusion was induced. To accomplish this, examine the surveys individually and initially focus on the first three items.

Notice that the participant shown here strongly agreed that they could feel the brushing on the rubber hand as if it were their own, indicating that their brain was tricked.

To see if proprioception was affected, look at the next four items: Questions 4 through 6 and 8. Note that responses were made towards ‘strongly disagree’, which suggests that they were still very aware of their own arms in space.

Furthermore, from the responses on the remaining questions—7 and 9—the participant also disagreed that the rubber hand began to look like their own in appearance. Overall, these results suggest that although vision influences our sense of touch and body position, the converse does not necessarily hold true.

Now that you are familiar with how to conduct the rubber hand illusion, let’s look at some other ways researchers use it to better understand how the brain integrates information related to vision, touch, and proprioception.

To understand what’s going on in the brain during the illusion, researchers exposed participants to the task while undergoing functional MRI. In this case, the premotor cortex—an area used to control motor actions—was the region of focus.

Activity from the synchronous condition was compared to an asynchronous one—where brushing doesn’t induce the illusion. They found that when the brain was tricked, there was greater activation relative to when it was not deceived.

Such observations suggest that neural activity in the premotor cortex is associated with one’s sense of their own body. Anatomically, this makes sense: the region is connected to visual and somatosensory areas, particularly the posterior parietal cortex, providing an anchor between visual, tactile, and proprioceptive information.

Understanding the neural underpinnings of the rubber hand illusion can also help to treat disorders where body ownership is distorted, as is the case in schizophrenia. In these patients, the illusion is stronger, with faster induction and increased perceptual reports, even during sensory asynchrony.

Interestingly, these effects can be mimicked in healthy individuals by administering drugs like ketamine or amphetamine, providing another approach for studying the neural mechanisms behind body ownership.

Finally, under certain circumstances, the illusion can be used therapeutically to treat individuals with Phantom Limb Pain, which occurs when amputees still have feelings in the body part that no longer exists.

Using mirrors, their brains can be tricked into seeing two complete limbs. This approach could ultimately help to reorganize the connections within the related multi-sensory pathways and alleviate pain.

You’ve just watched JoVE’s video on the Rubber Hand Illusion. Now you should have a good understanding of how to conduct this experiment to investigate the brain’s perception of the body in space, as well as how to interpret survey results from the participants’ experiences. In addition, you should also know more about the brain regions related to body ownership and the complexity involved in multisensory integration.

Thanks for watching!

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