Страх человека кондиционирования проведены в полном погружении 3-мерная виртуальная реальность

Краткое содержание

Классическая парадигма кондиционирования страх был адаптирован для человека участникам полностью погрузиться в виртуальную реальность обстановке. Использование дискриминации парадигмы, обусловленная страхом, кием и удержания контекста памяти, и вымирание измерялась проводимость кожи ответ на динамические виртуальные змей и пауков (условные раздражители) в двух разных виртуальных контекстов.

Аннотация

Обусловливание страха представляет собой широко используемую парадигму в исследованиях на животных для изучения нейронных механизмов, лежащих в основе страха и тревоги. Основной проблемой при проведении исследований по обусловливанию у людей является возможность сильного манипулирования или симуляции контекстов окружающей среды, которые связаны с обусловленным эмоциональным поведением. В этом отношении технология виртуальной реальности (VR) является перспективным инструментом. Тем не менее, адаптация этой технологии для соответствия экспериментальным ограничениям требует специальных условий. В данной работе мы рассматриваем методологические вопросы, возникающие при проведении обусловливания страха в полностью иммерсивной 6-сторонней VR-среде, и представляем данные по обусловливанию страха.

В реальном мире травматические события происходят в сложных условиях, состоящих из множества стимулов, которые задействуют все наши сенсорные модальности. Например, стимулы, формирующие конфигурацию окружающей среды, включают не только визуальные элементы, но также слуховые, обонятельные и даже тактильные. В исследованиях обусловливания страха у грызунов животные полностью погружаются в контекст, богатый новыми визуальными, тактильными и обонятельными стимулами. Однако стандартные лабораторные тесты обусловливания страха у людей обычно проводятся в непримечательном помещении перед плоским или 2D-экраном компьютера и не воспроизводят сложность реального опыта. С другой стороны, основным ограничением клинических исследований, направленных на снижение (угашение) страха и предотвращение рецидивов при тревожных расстройствах, является то, что лечение проводится после того, как участники приобрели страх в неконтролируемом и во многом неизвестном контексте. Таким образом, экспериментаторы остаются без информации о продолжительности воздействия, истинной природе стимула и сопутствующих фоновых стимулах в окружающей среде¹. При отсутствии этой информации может быть трудно по-настоящему погасить страх, который зависит как от стимула, так и от контекста. Среды виртуальной реальности решают эти проблемы, обеспечивая сложность реального мира и в то же время позволяя экспериментаторам ограничивать параметры обусловливания и угашения страха для получения эмпирических данных, которые могут помочь в поиске более эффективных вариантов лечения и/или анализе механистических гипотез.

Для проверки гипотезы о том, что формирование условного рефлекса страха может быть детально закодировано и контекстуально специфично при проведении в полностью иммерсивной среде, мы разработали отдельные трехмерные контексты виртуальной реальности, в которых участники проходили процедуру формирования страха перед виртуальными змеями или пауками. Звуковые сигналы подавались одновременно с условным стимулом (CS) для дополнительного вызывания ориентировочных реакций и чувства «присутствия» у испытуемых ². Реакция проводимости кожи служила зависимой переменной для оценки формирования страха, сохранения памяти и угашения рефлекса.

Протокол

А. Стимулы и задания на проектирование

1. Генеральным проектировщиком.

Мы рассмотрели контекстной влияет на приобретение страх и сохранение данных в памяти в течение двух дней. Эта конструкция параллельно с исследованиях на грызунах, на которые приходится нейробиологических процессов консолидации долгосрочной памяти формирование ³ и реальные непредвиденные мир, в котором страх, извлеченные на временное расстояние от лечения и повторного контакта опытом. Динамический условных раздражителей (CS) (перемещение змей и пауков) встречались в полностью погрузиться в виртуальную среду известный как погружения виртуальной среды Герцога (погружение), и были условно в паре с презентация электрической стимуляции запястье. Кондиционирования дифференциальных страх процедура была применена использованием проводимость кожи ответа (SCR) в качестве зависимой мера страха. Здесь мы показываем, обусловленный страх и последующее сохранение памяти, которая была испытана в течение двух дней в DIVE в 26 здоровых мужчин и женщин участников, в возрасте 18-30 лет старых в университете Дьюка. Этот протокол был одобрен, и в соответствии со стандартами Университета Дьюка IRB.

2. Участник создана в DIVE.

Погружение полностью закрытых, шестигранная, 3м х 3м х 3м, бэк-прогнозируемый виртуальной реальности (VR) окружающей среды. DIVE расположен в специально построенном 30ft куб (Control Room (VisRoom), рисунок 1) в Центре междисциплинарных технических наук, медицины и прикладных наук в университете Дьюка. Страх кондиционирования погружение было проведено, как описано выше.

Участники сидели в центре DIVE лицом вперед с головой слежения на 3-D очки. Участники принимаются на фиксированную "виртуальную прогулку по назначенным окружающую среду во время каждой фазы обучения, где виртуальные змей и пауков встречаются. Постуральной Эти ограничения были сделаны, чтобы избежать головокружения, составляют различия в высоте, контроль за количеством условий и стимулов воздействия между участников, и обеспечить, чтобы визуальное отображение реально обновляется в соответствии движение участников посредством сценария.

3. Процедура дискриминации кондиционирования.

Дискриминации процедура была применена, в котором презентация одного визуального CS частично усиленные (40% укрепление курса) по совместной прекращения электрической стимуляции, безусловного раздражителя (США) во время приобретения фазу. Участники были разделены на 2-х условий: страх приобретения на виртуальные змей или на виртуальных пауков. Усиленные стимулы в паре с США называют "CS + в то время как другие визуальные стимулы" CS-"явно непарный в качестве контроля. CS + и CS-были рандомизированы и уравновешенная в разных группах.

4. Условные раздражители.

Раздражителей динамических змей и пауков, которые по отдельности появится в середине и в центре передней экране нырять за продолжительностью 4 сек. Это сотрудничество происходит с звуковой раздражитель сигнализации появления змею или паука, чтобы предупредить участника присутствии романа стимулов в окружающей среде (погремушки или нажав звук, соответственно). Виртуальной сцене вместе с пауками змей объявления были созданы с использованием программного обеспечения Maya анимацию и импортировать в программное обеспечение Virtools (Virtool С.А., поведение компании, Париж, Франция) для просмотра в погружения.

5. Безусловных раздражителей.

Электрическая стимуляция была скорректирована до начала эксперимента в соответствии с уровнем толерантности каждого субъекта в целях содействия группе сравнения и устранить смешанным влиянием общего уровня возбуждения различия между группами ^{4, 5.} Стимуляции уровня был выбран каждого участника, чтобы быть его или ее восприятие "очень раздражает, но совсем не больно использованием восходящего процедуры лестнице. Напряжение было первоначально установлена ​​на низком уровне 30 В и увеличение с шагом в 5 В, пока участники указали, что их уровень толерантности был достигнут, не вызывая болевое раздражение (200 мсек доставлен в 30-50 Гц) вводили транскутанно более срединного нерва запястья доминирующих участников от биполярного поверхностно-раздражающего электрода (21 мм расстояние между электродами. траву Telefactor Модель FE 10S2, West Warwick, RI). электрода приводит были обеспечены каучуковый ремешок и были прикреплены к Трава-Telefactor SD-9 стимулятор по коаксиальному кабелю, что приводит были экранированы и заземлены через фильтр радиочастотных. солевой гель (Sigma Gel: Паркер Laboratories, Fairfield, штат Нью-Джерси) был использован в качестве проводника электролита (см. Рисунок 2) Участники сказали, что все импульсы будут доставлены с той же интенсивностью..

6. Обучение фаз.

Эксперимент, описанный здесь, был проведен в две сессии с 24-часовой задержкой. Во время елит сессии, начальный период привыкания состояла из 4 испытаний каждого типа CS рассматривать в сером фоне в 3-D полное погружение, но представить без арматуры или виртуальный мир, в котором обучение или тестирование произошло. Этот этап позволил акклиматизации к экспериментальной среды в пике и снижение ориентировочно ответы на условные раздражители. Сразу же после привыкания фазы, фазы страха приобретения состояла из 16 перемешаны испытаний каждого типа CS, в котором CS-представлена ​​в одиночку и 5 из 16 CS + испытаний усилены. Около 24 часов спустя, тестирование на сохранение памяти и исчезновения обучение произошло. Этот этап состоял из 16 испытаний для каждого типа CS, не США, в виртуальном контексте, который был либо же или отличаться от страха контексте приобретения (уравновешенный во участников). Один контекст внутренней среды (интерьера квартира, контекст), а другой контекст внешней среды (окрестности сцены, контекст B). Испытуемых случайным образом распределены в экспериментальной группе, которая определила порядок контексте презентации в Дни 1 и 2. Они были либо назначены же состоянии контексте (АА или ВВ) или состояние контекста Shift (AB или BA). Длина пути и конечно были подобраны для соответствия между виртуальными мирами, как и количество и размещение объектов / стимулов в различных средах.

7. Экспериментальные параметры.

Между судом интервал был 14 ± 2 сек. Последовательность КИ был псевдослучайных, при условии соблюдения ограничений, что не более 2 исследования одного и того же CS происходит последовательно (чтобы избежать смешанных индукций тревоги состояние и когнитивные продолжительности). Частичное подкрепление (40%) CS + был использован для задержки быстрое вымирание, которое обычно происходит в человеческом участников следующие 100% CS + армирование ^6,7. Кроме того, частичное укрепление обеспечивает более реалистичные кондиционирования случай в той степени, отвращение события не всегда происходят следующие боялись стимул.

8. Целевая Инструкции.

Перед каждой экспериментальной фазы, участники были проинформированы о следующими конструктивными особенностями: у них могут возникнуть анимированные змей и пауков в виртуальной среде, они будут руководствоваться в окружающей среде в виртуальную прогулку по фиксированной путь, и они могут получить на электрическую стимуляцию запястья на уровне, который был установлен до кондиционирования в любое время на протяжении всего исследования. Они были проинструктированы к лицу прямо вперед и заниматься змеи и пауки изображений, представленных в центре передней экран, и напомнил, что у них не было какого-либо контроля над их собственное движение через мир или возникновения электрической стимуляции. Они также были проинформированы, что они могут прекратить исследования в любое время без штрафных санкций для них.

Б. Психофизиологические Измерения

1. Сбор данных.

ЮКЖД была использована в качестве зависимой меру страха, как описано выше ^{4, 6.} SCR был записан с помощью психофизиологических системы мониторинга (BIOPAC Systems, Санта-Барбара, Калифорния). SCR контролировалась из серебра-хлорида серебра электрода диски, подключенные ремешками на липучке к средней фаланги 1-го и 2-ой цифры не доминантной рукой. Солевой гель (Sigma Gel) был использован в качестве проводящего электролита. Субъекты были проинструктированы, чтобы держать их стороны до сих пор, чтобы избежать артефактов в движение электрода записи SCR. Ведет достигла BIOPAC физиологическая система записи, которая расположена недалеко от погружения в диспетчерской. Система BIOPAC синхронизируется с компьютером стимул презентация работает Virtools программного обеспечения. На рисунке 1 показано участник погружения, погружения в контекст А. техническую настройку управляющего компьютера (Virtools и сценарий поколения), BIOPAC (SCR), а также электрические стимулятор показаны на рисунке 2.

Проводимость кожи был дискретизации 200 Гц, усиливается, и хранить для автономного анализа использования AcqKnowledge программное обеспечение (BIOPAC Systems, Санта-Барбара, Калифорния). Virtools программного обеспечения управления стимулом представления и триггеры шок генератору через National Instruments DIO-24 сбора данных карты (Остин, Техас). Записанных сигналов в нижних фильтруется с помощью окна Блэкман (частота среза = 31 Гц) и уладил 3 последовательных точек данных. Кожа амплитуды проводимости ответ было времени заблокирована для начала каждого относительного CS и США в базовой предварительно стимулом для получения зависимой меру условных и безусловных страх, соответственно, ^{4-6, 8.} Для включения в анализ данных, следующие критерии были созданы: задержка = 1 - 4 с, длительность = 0,5 - 5 с, а минимальная амплитуда = 0,02 микро-Siemens (мкс). Ответы, которые не соответствуют этим критериям оцениваются как нулевые.

2. Analysимеет SCR.

Потому что SCR данные обычно смещена в сторону нуля, данные корневую трансформируется до статистический анализ, чтобы достичь нормального распределения. Данные из каждого типа CS (виртуальный змей или пауков) были рухнул в "ранний" и "поздний" испытание блоков каждого этапа, как правило, обучение варьируется в зависимости от времени, в течение каждой фазы обучения. Повторные Меры Анализ дисперсии (ANOVA) были использованы для расчета групповых различий в условных рефлексов проводимости кожи в зависимости от фазы обучения и CS типа, как в пределах субъектов переменных (поздний Acquisition (CS +, CS-), рано или поздно Вымирание (CS +, CS -) и контекст назначения (тот же или Shift), как между субъектами-переменной Данные были нормированы путем деления условных значений ответ на каждое испытание каждого участника собственную максимальную США ответ на запястье стимуляции (на любой суд) для учета индивидуальных вариаций. в ответ и, чтобы исключить не отвечающих (физические лица, которые проявляют мало или вообще не тиристоров). Для визуализации данных на рисунке 3 дифференциальной оценки SCR были рассчитаны как индекс обучения путем вычитания ответы на CS-от тех, CS + по блокам суда. В соответствии с этой мерой, разница оценки нулевого отражают не обучение, в то время как разница оценки выше нуля отражают изучение реакция страха. Однако, чтобы статистически определить сохранение контекстной страха, как показано на рисунке 3 Стьюдента-тест был рассчитан на ценности ЮКЖД CS + и CS-на ранней Вымирание на 2-й день в зависимости от контекста манипуляции (против же контексте Контекст Shift, как между-групп анализа).

C. Оборудование Описание системы

DIVE Университета Дьюка система базируется на прогнозируемых виртуальной реальности "CAVE" дизайн ^9. DIVE система 3 м х 3 м х 3 м, комната, где все 6 "стены" (4 стены, потолок и пол), показывают, стереографической компьютерные изображения на обратной проекции. Каждая стена DLP-проектор (Christie Digital Мираж S +2 K, работающий на 1056x1056 @ 110 Гц ^10), который, в свою очередь контролируется выделенном компьютере сделать (Windows XP двухъядерный 2,0 ГГц с Nvidia Quadro 3000FX-G видеокарт). Одна стена слайды открытых для доступа в и из погружения.

6 компьютеров оказывают контролирует главный компьютер, который взаимодействует с системой слежения (Intersense IS-900, ^11), управления звуковой системой, и посылает импульс через параллельный порт к электрической системе шок. Системы слежения обеспечивает 3D расположение и ориентацию информацией для головы участника и положение рук. Активная стереографической видение осуществляется через жидкий кристалл затворные очки (CrystalEyes 3 ^12). Семь компьютеров (6 оказывать компьютеров и мастер-компьютер), синхронизируются от границы кадра по внешней синхронизации (G-Sync) возможности для NVidia видеокарт.

Д. Описание программного обеспечения

Кондиционирования страха и контексты сохранения тестирования для этого эксперимента состоит из двух различных виртуальных миров, через которые участники берут на экскурсию. Виртуальные миры были смоделированы с использованием пакета 3D моделирования Maya ^13. Навигация ограничена фиксированным путь, который одинаков для всех виртуальных миров. Движение по этому пути контролируется с помощью Virtools ¹⁴ программного обеспечения системы. Virtools является игровой движок, предназначенный в основном для рабочего стола или веб-опыта. Через VRPack расширение Virtools, виртуальные миры проецируются в погружения.

Virtools общается с системой слежения через Virtual Network реальность периферийных (VRPN ^15), библиотека с открытым исходным кодом. VRPN регистров расположение участников голову и руку и ориентации, а также информацию нажатием кнопки. Virtools использует голову отслеживания информации для визуализации 3D-сцены в правильную перспективу для участника.

Рисунок 1. Схема диспетчерской (VisRoom) и DIVE куб с человека участником просмотра виртуальной сцене.

Рисунок 2. Схема участнику проводимость кожи электродов на левой руке измерения тонизирующее и фазовый ответы на раздражители. Электрический стимулятор электроды на правом запястье. BIOPAC собирает физиологические данные через Признать программное обеспечение на портативный компьютер. Коды передаются посредством OSC от настольного компьютера, где Virtools обеспечение генерирует виртуальной реальности сценарии прогнозируется в погружения.

Рисунок 3. Сравнение Приобретение Страх и вымирание в погружение и лаборатории. Дифференциальная проводимость кожи отклика (SCR) + / - SEM у участников условных и повторно 24 часов позже в трудеatory или Виртуальной Реальности (погружение). Графический иллюстрирует эквивалент приобретения страха и исчезновения в участники погружения и лабораторных исследований. То же контексте (п = 12) тестирование на 2-й день погружений дает более надежные сохранение памяти страх по отношению к сдвигом контексте (п = 14) измеряется SCR для CS +, в наших участников DIVE, но не в наших участников лаборатории, * р = 0,05 .

Обсуждение

1. Результаты

Эквивалентный внутри сессии приобретения страха и исчезновение всех групп была обнаружена (рис. 3). Эти данные показывают, что надежные и информативные исследования страх кондиционирования могут быть выполнены в рамках ограничений и возможностей полностью погрузиться в среду. Кроме того, мы также демонстрируют надежную контекстной памяти страх в том же контексте страха удержания участников погружения (участников, которые остались в том же контексте в течение нескольких дней 1 и 2, по сравнению с теми, кто пережил контексте смены). Сохранение страх сильнее в DIVE, чем это наблюдается в обычных лаборатории соответствует парадигме ¹⁶ (см. Рисунок 3). С погружением установки VR, можно также рассматривать и управлять богатыми контекстной среды для исследования процессов памяти декларативным в организме человека, в отличие от лабораторных условиях, где реалистичные манипуляций контексте мультимодальных которые трудно выполнить. Наконец, VR миров может быть легко перенесен для использования в сочетании с функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ) с использованием стереоскопических очков ВР провести анализ активации мозга при кодировании или извлечения страха приобретение, исчезновения, и рецидив. Эта методика может быть использована для грызунов мост и клинических данных в страхе и тревоге.

2. Управление контекстом и стимулом экспозиции в виртуальной реальности.

Главная проблема с эксплуатации VR для экспериментального использования является также его прочность. В частности, полностью погрузиться в VR обеспечивает сложности, смешивает и свободы реальном мире. Например, в реальной жизни, жертвы травм опыт отвращение стимулом в контекст неизвестное количество времени. Контекстной воздействия, особенностей и других сенсорных сигналов, которые приняли участие также неизвестны, или не confirmable. К тому же, если бы мы, чтобы позволить участникам свободно исследовать виртуальные среды мы не были бы в состоянии объяснить контекст или стимул время экспозиции или продолжительности. Например, один участник может идти очень быстро, и пропустить 3 из 4 CS + презентаций. Другой может исследовать только один номер в виртуальной квартиры. Аналогичным образом, если стимул презентации не указан в центре экрана, где взгляд направлен до старта, участники будут избегать или пропустить CS презентаций. Наше решение, чтобы эти потенциальные смешивает должен был принять участников сидя, экскурсии каждой среде со скоростью, которая позволила бы на определенный промежуток interstimulus (МСИ) и длительности стимула. Мы могли бы извлечь сопоставимых данных SCR от определенных моментов времени и определенных местах для всех участников (например, ответы на CS +, США и CS-раздражителей). Трудности после принятия этого решения включен нахождения пути форму, длину, скорость движения, которые не будут вызывать тошноту или проприоцептивной диссонанс для участника, и все же чувствовать себя соответствующие имитировать природные передвигаться по новой среде.

3. Реализация стандартных параметров кондиционирования страха системы VR.

Для имитации реалистичных условные раздражители змей и пауков были созданы после дикой природы изображений. Змеи и пауки были впервые смоделирована в Maya, компьютерная графика 3D-моделирования и анимации пакет программного обеспечения, а затем импортируется в систему VR. Мы сделали это потому, Virtools является виртуальной системы авторинга реальности, а не моделирования приложений. Поэтому лучше использовать для запуска системы VR и добавить взаимодействия и переход к сцене. В частности, в Maya четырех различных анимаций для каждого типа CS были созданы (например, спиральный змею, паука работает по полу, змея выпад вперед с открытым ртом), а затем импортируется в Virtools.

До импорт динамический змеи и паука моделей в Virtools от майя, путь был создан в Virtools для руководства участника вокруг среды, в гладкой кругу тем чтобы выборка среды в течение 32 условных стимулов во время презентации страха Кондиционирование. Форма Путь является одинаковым для каждой из трех наших виртуальных миров. Путь был создан, чтобы остановить в течение четырех секунд на каждый стимул презентации, интервал interstimulus была 11 + / - 4 секунды, в течение которого эта тема медленно движущихся (руководствуясь) через окружающую среду. Этот интервал определялся из наших предыдущих страх кондиционирования эксперименты в лаборатории ^{8, 16,} поскольку оно позволяет для восстановления ответ проводимость кожи между стимулом презентаций. Стимулы затем помещали на пути в точках, указанных на временные параметры. Эта установка создана особый стимул и контекста союзы (например, змею скользя на обеденный стол, паук ходить дивана ноги), которые впоследствии могут быть проверены явного памяти. Стимулы выступления были псевдо-рандомизированные через скрипты. Все стимул презентации появились в серединеперед экраном, чтобы участник от необходимости поиска стимулов. Это дало нам с контролируемым количеством стимулов время экспозиции, а также определен контекст места. Одним из ограничений вперед считаем, что она не воспользоваться все возможности погружения системы (например, змей, не может войти в комнату из-за участника). Кроме того, стимулы были тщательно разместить за пределами границ рамки вокруг места участников, так что змей и пауков никогда не посягали на участников личного пространства.

4. Посмотреть точки и голова слежения.

Угол погружения был установлен так, чтобы из положения сидя участник должен был правильным углом по направлению движения. Этот управляемый для изменения высоты между участниками, и свести к минимуму артефакты движения на наших физиологических записей. Участники были проинструктированы лицом вперед и двигаться как можно меньше, это также контролировали, где участники искали, и, следовательно, поддерживать последовательную стимула и контекст экспозиции между участниками. Мы решили включить голову устройство слежения в 3D-очки носят участников, чтобы они были просмотре сцены с правильной точки зрения. Если голова отслеживания не был избран для, движения головы влево или вправо не правильно закрывают как объекты появились в мире (например, объекты будут появляться на экранах согнуты в DIVE как участники прошли через). С головой отслеживания избирается, мы могли быть уверены, что особенности в среду сохранили нормальные пропорции и были составлены правильно на каждом из шести стенах нырять за время эксперимента.

5. Сбор данных.

В нашей стандартной версии лаборатории страх кондиционирования ^{8, 16} стимул презентации, управляемые компьютером сценарий запрограммированы в пакет программного обеспечения презентации. Для того, чтобы обеспечить согласованность между лабораторией и виртуальной среде, мы импортировали нашего стандартного страх приобретение и вымирание скриптов в коде формата в управляющий компьютер в диспетчерской, на котором размещена DIVE куба (см. рисунок 1). Параллельного кода порт устанавливается отправить сгенерированный список цифровых кодов для сигнализации различных мероприятий, таких как презентации змею, паука, и электрические натисков стимуляции. В нашей дизайн, Virtools посылает сообщение Открытые управление звуком (OSC ¹⁷⁾ OSC / UDP сообщение для пользовательских C + + программа, которая устанавливает параллельный порт. Наша C + + программа использует OSCpack ¹⁸ библиотеки.

Цифровой вход BIOPAC соединен с параллельным портом компьютера. SCR данные собираются на портативном компьютере с BIOPAC через параллельный порт, а затем нормализуется, и рассчитаны на CS + / CS-натисков и США в рамках определенных параметров (см. выше для подробностей). В дополнение к рендерингу сцены и управления навигацией, Virtools используется также для входа пользовательские события (нажатие кнопок). Таким образом, во время эксперимента, сообщения отправляются от главного компьютера системы BIOPAC через параллельный порт. Потому что Virtools не может общаться с параллельного порта на компьютер непосредственно небольшие C + + программа прослушивает OSC сообщение от Virtools, а затем передает его на параллельный порт.