Summary
Virtual reality (VR) experimenten kunnen moeilijk te implementeren en vereist zorgvuldige planning. Dit protocol beschrijft een methode voor het ontwerp en de uitvoering van VR experimenten die fysiologische gegevens van menselijke deelnemers verzamelen. De experimenten in virtuele omgevingen (EVE) kader wordt toegepast om dit proces te versnellen.
Abstract
Virtual reality (VR) experimenten zijn steeds werkzaam vanwege hun geldigheid van het interne en externe vergeleken met levensechte observatie en laboratoriumexperimenten, respectievelijk. VR is vooral handig voor geografische visualisaties en onderzoeken van ruimtelijke gedrag. In het onderzoek van het ruimtelijke gedrag, VR biedt een platform voor de studie van de relatie tussen navigatie en fysiologische maatregelen (bijv., huid geleidingsvermogen, hartslag, bloeddruk). Specifiek, toestaan fysiologische maatregelen onderzoekers roman kwesties worden aangepakt en beperken van eerdere theorieën van ruimtelijke vaardigheden, strategieën en prestaties. Individuele verschillen in de prestaties van de navigatie kunnen bijvoorbeeld worden verklaard door de mate waarin wijzigingen in opwinding de effecten van de moeilijkheidsgraad van de taak bemiddelen. Echter kunnen de complexiteit van het ontwerp en de uitvoering van VR experimenten afleiden van onderzoekers uit hun doelen primair onderzoek en introduceren van onregelmatigheden in de gegevensverzameling en analyse. Om deze uitdagingen, de experimenten in virtuele omgevingen (EVE) framework bevat gestandaardiseerde modules zoals deelnemer training met het besturingselement interface, verzamelen van gegevens met behulp van vragenlijsten, de synchronisatie van fysiologische metingen en gegevensopslag. EVE biedt ook de nodige infrastructuur voor gegevensbeheer, visualisatie en evaluatie. De huidige paper beschrijft een protocol die gebruikmaakt van het EVE-kader uit te voeren van de experimenten van de navigatie in VR met fysiologische sensoren. Het protocol bevat de stappen die nodig zijn voor werven deelnemers, bevestigen de fysiologische sensoren, beheer van het experiment met behulp van EVE, en beoordeling van de verzamelde gegevens met EVE evaluatie-instrumenten. Over het geheel genomen zal dit protocol toekomstig onderzoek vergemakkelijken door het stroomlijnen van het ontwerp en de uitvoering van VR experimenten met fysiologische sensoren.
Introduction
Inzicht in hoe mensen navigeren heeft belangrijke gevolgen voor de verschillende gebieden, met inbegrip van de cognitive science1,2,3, neurowetenschappen4,5, en computer wetenschap6 , 7. navigatie heeft onderzocht in zowel reële en virtuele omgevingen. Een voordeel van levensechte experimenten is dat navigatie geen tussenkomst van een control-interface vereist en dus realistischer ruimtelijke gedrag kan produceren. Daarentegen virtual reality (VR) experimenten mogelijk maken meer nauwkeurige meting van gedrags (bv., lopen gevaar opleverende) en fysiologische (bv., hartslag) gegevens, evenals meer experimentele controle (dwz., interne geldigheid). Op zijn beurt, kan deze aanpak resulteren in eenvoudiger interpretaties van de gegevens en dus meer robuuste theorieën van navigatie. Neurowetenschappen kan bovendien profiteren van VR omdat onderzoekers de neurale correlaten van navigatie onderzoeken kunnen terwijl deelnemers zijn verwikkeld in de virtuele omgeving maar niet fysiek verplaatsen. Navigatie in VR vereist voor informatici, unieke ontwikkelingen bij de verwerking van macht, het geheugen en computergraphics met het oog op een meeslepende ervaring. Bevindingen van VR experimenten kunnen ook worden toegepast in de architectuur en cartografie door het informeren van het ontwerp van het gebouw lay-outs8 en kaart functies9 ter vergemakkelijking van de navigatie van de echte wereld. Onlangs, vooruitgang in de VR-technologie gecombineerd met een dramatische daling van de kosten hebben geleid tot een toename van het aantal laboratoria VR dienst voor hun experimentele designs. Omwille van deze groeiende populariteit moeten onderzoekers nagaan hoe kunnen stroomlijnen de implementatie van VR toepassingen en standaardiseren van de werkstroom experiment. Deze aanpak helpt verschuiving middelen van tenuitvoerlegging aan de ontwikkeling van de theorie en uitbreiden van de bestaande capaciteiten van VR.
VR opstellingen kunnen variëren van meer tot minder realistisch in termen van displays en besturingselementen. Realistischer VR opstellingen neiging om vereisen extra infrastructuur zoals bijhouden van grote ruimtes en hoge resolutie toont10. Deze systemen vaak omgeleide wandelen algoritmen in dienst om te injecteren onwaarneembare rotaties en vertalingen in de visuele feedback dat gebruikers voorziet en effectief uit te breiden de virtuele omgeving waardoor deelnemers11 kunnen verplaatsen , 12. deze algoritmen kunnen, gegeneraliseerde in dat zij niet de kennis van de ecologische structuur13 vereisen of voorspellende, in die zin dat zij bepaalde paden voor de gebruiker14veronderstellen. Hoewel de meeste onderzoek op omgeleide wandelen hanteert head-mounted displays (HMDs), sommige onderzoekers gebruiken een versie van deze techniek met lopen-in-place als onderdeel van een grote projectiesysteem (bv., grotten)15. Terwijl HMDs kan worden uitgevoerd op het hoofd van de deelnemer, neiging grot displays om een bredere horizontale gezichtsveld16,17. Echter is minder infrastructuur nodig voor VR-systemen met behulp van desktop displays18,19. Neurowetenschappelijke onderzoek is ook werkzaam zijn VR-systemen in combinatie met functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) tijdens het scannen van20, in combinatie met fMRI na het scannen van21,22, en in combinatie met elektro-encefalografie (EEG) tijdens het opnemen van23,24. Software kaders zijn nodig om de verscheidenheid van displays en besturingselementen die worden gebruikt voor navigatie onderzoek coördineren.
Onderzoek waarin VR en fysiologische gegevens vormt extra uitdagingen zoals data-acquisitie en synchronisatie. Fysiologische gegevens voorziet echter in de onderzoeken van impliciete processen die de relatie tussen potentiële en ruimtelijke gedrag van de navigatie bemiddelen kunnen. Inderdaad, de relatie tussen stress en navigatie is onderzocht met behulp van desktop VR en een combinatie van verschillende fysiologische sensoren (dwz., hartslag, bloeddruk, huid geleidbaarheid, speeksel cortisol en alpha-amylase)25 , 26 , 27 , 28. bijvoorbeeld van Gerven en collega's29 onderzocht het effect van stress op de strategie van de navigatie en prestaties met behulp van een versie van de virtuele realiteit van een Morris water maze taak en verschillende fysiologische maatregelen (bijv., huid geleidingsvermogen, hartslag, bloeddruk). Hun resultaten is gebleken dat stress voorspeld navigatie strategie in termen van landmark gebruik (dwz., egocentrische versus allocentric) maar was niet gerelateerd aan de prestaties van de navigatie. In het algemeen zijn de bevindingen uit eerdere studies over het effect van stress op de prestaties van de navigatie en het ruimtelijke geheugen enigszins inconsistent. Dit patroon kan worden toegeschreven aan de scheiding van de stressor (bv., de koude pressor procedure26, de Star spiegel Tracing taak25) van de werkelijke navigatie taak, het gebruik van eenvoudige labyrint-als virtuele omgevingen ( bijvoorbeeld., virtuele Morris water maze26, virtuele radiale arm doolhof28), en verschillen in methodologische details (bv., soort stressor, type fysiologische gegevens). Ook kan verschillen in de indeling van fysiologische gegevens problematisch zijn voor de uitvoering en de analyse van dergelijke studies.
De experimenten in het kader van de virtuele experimenten (EVE) vergemakkelijkt het ontwerp, de implementatie en de analyse van VR experimenten, vooral die met extra randapparatuur (bijv., oog trackers, fysiologische apparaten)30. Het EVE-framework is gratis beschikbaar gesteld als een open-source project op GitHub (https://cog-ethz.github.io/EVE/). Dit kader is gebaseerd op de populaire Unity 3D game-engine (https://unity3d.com/) en het hulpprogramma voor het beheer van het MySQL-databasesysteem (https://www.mysql.com/). Onderzoekers kunnen het EVE-raamwerk gebruiken ter voorbereiding van de verschillende fasen van een VR-experiment, met inbegrip van pre- en post studie vragenlijsten, basislijnmetingen voor fysiologische gegevens, met de controle-interface, de taak van de hoofdnavigatie, opleiding en tests voor ruimtelijke geheugen van de bezochte omgeving (bv., arresten van relatieve richting). Onderzoekers kunnen ook het bepalen van de synchronisatie van gegevens uit verschillende bronnen en op verschillende niveaus van aggregatie (bv., over proeven, blokken of sessies). Gegevensbronnen mogelijk fysieke (dwz., verbonden aan de gebruiker; Zie Tabel van materialen) of virtuele (dwz., afhankelijk van de interacties tussen de avatar van de deelnemer en de virtuele omgeving). Een experiment kan bijvoorbeeld, vereisen registratie van hartslag en positie/oriëntatie van de deelnemer, wanneer die deelnemer avatar door middel van een bepaald gebied van de virtuele omgeving beweegt. Al deze gegevens opgeslagen in een MySQL-database automatisch en geëvalueerd met replay functies en de R pakket evertools (https://github.com/cog-ethz/evertools/). Evertools levert uitvoer functies, elementaire beschrijvende statistiek, en diagnostische hulpmiddelen voor distributies van gegevens.
Het EVE-kader kan worden geïmplementeerd met een scala aan fysieke infrastructuren en VR-systemen. In het huidige protocol beschrijven we één bepaalde implementatie op de NeuroLab bij ETH Zürich (Figuur 1). De NeuroLab is een 12 m door 6 m room met een geïsoleerde kamer voor het uitvoeren van EEG experimenten, een kast met het VR-systeem (2.6 m x 2.0 m), en een curtained voor de bevestiging van de fysiologische sensoren. Het VR-systeem omvat een 55" ultra-hoge definitie televisie display, een high-end gaming computer, een joystick-besturingsinterface en verschillende fysiologische sensoren (Zie Tabel van materialen). In de volgende secties, we beschrijven het protocol voor het uitvoeren van een experiment van de navigatie in de NeuroLab met behulp van de VOORAVOND kader en de fysiologische sensoren, de huidige representatieve resultaten van een studie over stress en navigatie, en bespreken van de mogelijkheden en uitdagingen in verband met dit systeem.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Het volgende protocol werd uitgevoerd overeenkomstig de richtsnoeren die zijn goedgekeurd door de ethische commissie van ETH Zürich als deel van het voorstel EK 2013-N-73.
1. werven en bereiden van deelnemers
- Selecteer deelnemers met bepaalde demografische gegevens (bv., leeftijd, geslacht, educatieve achtergrond) met behulp van een deelnemer recruitment systeem of mailing lijst (bijv., UAST; http://www.uast.uzh.ch/).
- Neem contact op met de geselecteerde deelnemers per e-mail. In deze e-mail, wijzen de deelnemers van de sessietijd en behoeften. Laat de deelnemers weten dat ze moeten een wijde top (voor de bloeddruk controle), onthouden van alcohol voor 12u voordat het experiment dragen, en afzien van diverse andere activiteiten (dwz., cafeïne, roken, eten en oefening) voor 3 h voordat het experiment.
2. voorbereiding van het Experiment en de fysiologische apparaten met behulp van EVE
- Start de computer en de experimentator monitor de testen monitor vóór elke experimentele vergadering.
- Zorg ervoor dat de ventilator van de kamer, de thermometer en de vochtigheid monitor op.
- Inschakelen van de machine voor het meten van de electrodermal activiteit (EDA) en het elektrocardiogram (ECG; bijv., PowerLab van ADInstruments). Zie tabel met materialen.
- Open de EDA/ECG-software (EVE momenteel ondersteunt Labchart uit ADInstruments) en maak een nieuw bestand met werkbalkinstellingen. Selecteer een sampling rate van 1000 Hz en het juiste aantal kanalen (bv., één voor EDA en één voor ECG). Deze instellingen opslaan en opnieuw een versie met een andere naam voor elke experimentele sessie op te slaan.
- Voor de EDA elektroden, het uitvoeren van een open-circuit nul (dwz., zonder de elektroden aangesloten op) te verkrijgen van een maatregel van de basislijn van de geleidbaarheid van het systeem.
- Zorgen dat de controle-interface (bv., joystick) op de computer is aangesloten.
-
Open het uitvoerbare bestand van de eenheid voor het experiment op de monitor experimentator.
- Open het menu "Instellingen experimenteren" in de VOORAVOND en voer het experiment parameters (bv., deelnemer id-nummer, fysiologische metingen bestand, experimentele conditie, kamertemperatuur en luchtvochtigheid).
- Klik op "Start Experiment".
3. experimentele Procedure
-
Procedure voor invoering en toestemming
- Halen van de deelnemer op de overeengekomen vergaderlocatie en hem/haar begeleiden naar het laboratorium.
- Geven dat de sessie zal ongeveer 90 min nemen en vragen van de deelnemer om op te slaan van zijn of haar horloge en/of mobiele telefoon.
- Vraag de deelnemer om te zitten in de experimentele stoel en uitleggen van de experimentele procedure volgens het bereid verbale script.
- Vraag de deelnemer om te lezen het inlichtingenblad en de geïnformeerde toestemmingsformulier ondertekenen.
-
Aansluiting van EDA en ECG sensoren
- Reinig de wijsvinger en de ringvinger van de niet-dominante hand met een vochtige tissues zonder zeep. Zorgen dat ze droog en de twee EDA elektroden op de mediale vingerkootjes aansluit.
- Reinig de huid op de borst waar de ECG-elektroden worden geplaatst met een natte doek.
- Plaats de witte, zwarte en rode elektroden op het lichaam van de deelnemer tussen de ribben volgens Figuur 2. Plaats de witte elektrode op de rechter bovenbuik (UR) en de zwarte elektrode op de linker bovenbuik (UL). Plaats de rode elektrode op de linker onderbuik (LL). Ervoor zorgen dat de drie elektroden niet direct boven een rib.
- De drie gekleurde ECG draden verbinden met de corresponderende elektroden aangesloten op het lichaam van de deelnemer.
-
Pre experiment vragenlijsten
- De deelnemer voorzien van een toetsenbord en een muis die worden gebruikt voor het beantwoorden van de vragenlijst (bv., demografische vragen, het eerste deel van de korte Stress staat vragenlijst, het Santa Barbara gevoel van richting schaal), en hem of haar dat kennis zij zal worden gevraagd een aantal vragen op de computer.
- De deelnemers in kennis dat zij de experimentator vragen met betrekking tot de vragenlijsten te allen tijde kunnen vragen.
- Sluit de twee zijkanten van de kast, terwijl de deelnemer is het invullen van de vragenlijsten.
-
Voorbereidingen voor fysiologische metingen. Deze stappen kunnen worden uitgevoerd terwijl de deelnemer is het invullen van de vragenlijsten.
- Informeren van de deelnemer dat de experimentator nu de fysiologische apparaten zal voorbereiden.
- Controleer of de elektroden worden aangesloten op de juiste locaties.
- De manchet van de bloeddruk aan de arm van de niet-dominante koppelen.
- Instructies geven de deelnemer over de nauwkeurige meting van de bloeddruk. Vertellen de deelnemer te minimaliseren van de bewegingen van de arm en lichaam, houden van de bloeddruk manchet op hart-niveau, en een rechtop houding met zijn of haar voeten plat op de vloer.
- De twee draden van de EDA verbinden met de elektroden op de vingers.
- Het licht boven de monitor uitschakelen en alle andere overhead lichten op de laagste instelling dim.
- Hand van de joystick de deelnemer en ervoor te zorgen dat de muis uitgeschakeld het scherm van de testen monitor is.
- Het EDA kanaal nul om het verkrijgen van een maatregel van het starten van iemands niveau van het geleidingsvermogen van de huid.
- In de EDA/ECG-software, open het dialoogvenster "Bio Amp". Kies het signaalbereik waarin het hart beat signaal ongeveer een derde van het voorbeeldvenster beslaat (5 mV in de meeste gevallen).
- Start de opname met de EDA/ECG-software, en controleer of een signaal zichtbaar in het venster software EDA/ECG op de experimentator monitor is.
- Beginnen met opnemen door op de juiste knop te drukken in de bloeddruk machine bloeddruk.
- Ga naar het open programma van de eenheid, en druk op "Start meting". Een fixatie Kruis moet worden weergegeven.
-
Joystick opleiding en basislijn video
- De deelnemer om te bekijken en volgen van de opleidingsvideo die gelast van hem of haar vragen hoe met de joystick.
- Vragen van de deelnemers te vullen de opleiding doolhof om te oefenen met behulp van de joystick. In dit doolhof van opleiding, zijn deelnemers geïnstrueerd om te volg de pijlen die wijzen op een route en verzamel zwevende edelstenen.
- Als het experiment geluid bevat, plaatst u de hoofdtelefoon op de kop van de deelnemer.
- Vraag de deelnemer de basislijn aard om video te bekijken zonder te verplaatsen. Deze video wordt gebruikt voor een nulmeting van de fysiologische gegevens van de deelnemer tijdens de daaropvolgende analyse.
-
Taak van de navigatie
- Ervoor zorgen dat de deelnemers de instructies met betrekking tot de navigatie aan-be-voltooide taak heb gelezen. Informeer u over de vraag of de deelnemer vragen heeft, voordat de navigatie taak begint. Vertellen de deelnemer dat zij niet tijdens de taak van de navigatie vragen moeten.
- Vraag de deelnemer de trigger op de joystick indrukken wanneer hij of zij is klaar om te beginnen van de taak van de navigatie.
-
Definitieve fysiologische maatregelen en onthechting van fysiologische sensoren
- Wacht totdat het systeem heeft de laatste bloeddruk meting voltooid.
- Stop de opname van EDA en ECG door op de stopknop te drukken in de EDA/ECG-software.
- Verwijder de bloeddruk manchet.
- Verwijder de EDA-elektroden van de deelnemer.
- Vraag de deelnemers niet te verwijderen van de ECG-elektroden tot het einde van het experiment.
- Verwijder de joystick en de hoofdtelefoon.
-
Na experiment vragenlijsten
- Voorzien van de deelnemer een toetsenbord en een muis voor de post experiment vragenlijsten (bv., het tweede deel van de korte Stress staat vragenlijst, de zelfbeoordeling PROEFPOP, de Simulator ziekte vragenlijst).
- De deelnemers in kennis dat zij zal worden gevraagd een andere reeks vragen op de computer en dat hij of zij kan vragen vragen indien nodig.
-
Einde van de experimentele sessie
- Informeren van de deelnemer dat de experimentele deel is nu voltooid. Bedankt haar of hem voor deelname aan het experiment.
- Vertellen de deelnemer dat hij/zij nu de ECG-elektroden kunt verwijderen.
- Uitbetalen van de deelnemers en vraag hen om te ondertekenen het afgedrukte ontvangstbewijs.
- Vragen als de deelnemer vragen met betrekking tot het doel van het experiment heeft, en hem of haar escort buiten de laboratoriumruimte.
4. na elke experimentele sessie
- Open het menu "evaluatie" in EVE om te voeren experiment diagnostiek (bv., trajecten replay), en de fysiologische metingen-bestanden opslaan in de EDA/ECG-software.
- Druk op de knop van de "Toevoegen Event Marker" naar aanleiding van de gebeurtenissen in de fysiologische metingen-bestanden in het menu "evaluatie" in de VOORAVOND. Deze stap is essentieel voor de analyse van de fysiologische gegevens in termen van bepaalde experimentele fasen.
- Het EDA/ECG-bestand opslaan in het bestand van de fysiologische metingen in de EDA/ECG-software.
- De experimentele gegevens exporteren voor back-up met het evertools-pakket.
- Schakel de EDA/ECG-machine en schoon de EDA-elektroden met alcohol pads.
- Teken dat de deelnemer kwam in de deelnemer recruitment systeem.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Van iedere deelnemer in de NeuroLab, we meestal fysiologische gegevens verzamelen (bijv., ECG), vragenlijst gegevens (bv., de Santa Barbara gevoel van richting schaal of SBSOD31), en navigatiegegevens (bv., paden door de virtuele omgeving). Bijvoorbeeld, zijn veranderingen in de hartslag (afgeleid van ECG gegevens) gekoppeld aan wijzigingen in stress Staten in combinatie met andere fysiologische32 en zelf-rapport maatregelen33. Ons systeem zorgt voor verschillende soorten vragenlijsten zoals de korte Stress staat vragenlijst34 en de SBSOD31 worden gepresenteerd. De SBSOD is een zelfrapportage maatregelen van ruimtelijke vermogen, dat vaak is gecorreleerd met navigatie gedrag in echte en virtuele, grootschalige, omgevingen35. Daarnaast navigatiegegevens afleiden deelnemers ruimtelijke besluitvorming kan worden gebruikt (bv., aarzelingen, navigatie efficiëntie) in verschillende contexten van de stressvolle36.
Een representatieve studie onderzocht het effect van stress op het verwerven van ruimtelijke kennis tijdens de navigatie. We testten 60 deelnemers (29 vrouwen en 31 mannen; gemiddelde leeftijd = 23,3) individueel tijdens een sessie 90 min. Tijdens de taak van de navigatie van elke sessie, deelnemers werden geplaatst in een van de twee groepen (dwz., stress en geen stress) en behaalde drie leren fasen testen terwijl EDA en ECG gegevens voortdurend werden geregistreerd. De leren fasen betrokken vinden van een set van vier locaties (Figuur 3) met behulp van een kaart die kan worden geactiveerd met behulp van een knop op de joystick. De testende fasen betrokken navigeren naar elk van deze locaties in een bepaalde volgorde met een timer zichtbaar. Voor alleen de stress groep, werden deelnemers ook monetarily bestraft voor de hoeveelheid tijd die nodig is om te vinden van deze locaties. Deze monetaire druk was de enige manipulatie van stress in de huidige studie.
Zoals voorspeld, de fysiologische gegevens uit dit experiment aangegeven hoger opwinding voor de stress groep dan de geen stress groep in termen van de hartslag, t(58) = 2.14, se = 1.03, p =.04, maar niet in termen van EDA, t(58) =-0.68, se = 0,02, p =.50 (Figuur 4). Daarnaast was er een negatieve correlatie tussen de score van de SBSOD en de benodigde tijd voor het vinden van de locaties van de vier doel tijdens de leerfase, r(58) =-0.40, p =.002, maar niet in de testfase, r(58) =-0.25, p =.057. Volgens de gevisualiseerde trajecten bleek de deelnemers aan de combinatie van de stress dat minder verspreid in het virtuele milieu. Samen, suggereren deze resultaten dat hogere opwinding en ruimtelijke vermogen kunnen worden gerelateerd aan een efficiëntere navigatie gedrag.
Figuur 1 : Foto's van de NeuroLab aan de ETH Zürich. (een) uitzicht op de experimentator en deelnemer tijdens het testen. De experimentator kan de deelnemer de voortgang in real-time. (b) Close-up weergave van de deelnemer navigeren door de virtuele omgeving terwijl fysiologische gegevens worden verzameld. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 : Diagram vertegenwoordigt de plaatsing van de elektroden van de drie ECG. Deze figuur geweest gewijzigde vorm schuim (gratis Open Access Meducation)37die is gelicentieerd onder een Creative Commons Naamsvermelding-NietCommercieel-GelijkDelen 4.0 internationaal-licentie. Het beeld is veranderd om te wijzen op de elektroden die nodig zijn voor een 3-elektrode-systeem. Deze elektroden moeten worden geplaatst tussen de ribben op de rechter bovenbuik (UR), linker bovenbuik (UL) en de linker onderbuik (LL) Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 : Screenshots van een navigatie experimenteren in de NeuroLab. (een) Screenshot van de joystick trainingsvideo. Deelnemers werden gevraagd om te reproduceren van de bewegingen van de joystick van de video in de hoogste-juiste hoek. (b) Screenshot van de joystick opleiding doolhof. Deelnemers schoof door een doolhof van volgende drijvende pijlen en het verzamelen van edelstenen. (c) Screenshot van de leerfase van de taak van de navigatie. Deelnemers kunnen druk op de trekker op de joystick om de kaart van de virtuele omgeving. Een lijst met doellocaties werd weergegeven op de rechterkant van het scherm. (d) Screenshot van het testen fase van de taak van de navigatie. Deelnemers werden gevraagd om dezelfde locaties vinden in een bepaalde volgorde, terwijl een bewegende klok en bewegende beloning zichtbaar waren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 : Vertegenwoordiger resultaten van een experiment van de navigatie in de NeuroLab met behulp van fysiologische apparaten en de VOORAVOND kader. (een) A grafiek vertegenwoordigt de relatie tussen groep (stress in aquamarijn en controle groep in zalm roze) en gemiddelde hartslag (na correcties voor baseline waarden38). Gemiddelde hartslag is aanzienlijk hoger is voor de groep stress dan de controlegroep. (b) een scatter perceel vertegenwoordigt de relatie tussen SBSOD score en de tijd doorgebracht leren (in zwart) en testen (in grijs). Er is een significante negatieve relatie tussen SBSOD score en tijd leren en een soortgelijke trend voor het testen van de tijd. (c) een kaart van de virtuele omgeving waarin samengevoegd pad gegevens van de stress (Aquamarijn) en controlegroepen (zalm roze). Donkere kleuren geeft aan dat een hoger percentage van paden langs die weg genomen uit een bepaalde groep. Voor lege gebieden was het aantal paden genomen gelijk voor de twee groepen. Doel locaties zijn ook gemarkeerd met zwarte stippen. Zoals aangetoond, was de stress-groep vaker dan de controlegroep om mee te bewegen meer directe paden tussen de doel locaties. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In het huidige document beschreven we een protocol voor het voeren van de experimenten in VR met fysiologische apparaten met behulp van het EVE-kader. Dit soort experimenten zijn uniek vanwege extra hardware overwegingen (bv., fysiologische apparaten en andere randapparatuur), de voorbereidende stappen voor het verzamelen van fysiologische gegevens met behulp van VR en beheer van de gegevensvereisten. Dit protocol biedt de nodige stappen voor onderzoekers dat van plan is om gegevens te verzamelen van meerdere randapparaten tegelijk. Bijvoorbeeld, vereist het gebruik van fysiologische apparaten schoonmaken en de elektroden te koppelen aan specifieke locaties op de deelnemer lichaam (bv., de borst en vingers) in een zodanige wijze dat niet bemoeien met andere randapparatuur (bijv., de joystick). De timing van dergelijke stappen moet goed zijn voor de potentiële drift in de fysiologische signalen en het juiste venster waarbinnen de gegevens betrouwbaar is. Van de experimentator overweging van timing is ook cruciaal voor voorbereidende stappen binnen elke experimentele sessie. Bijvoorbeeld, de deelnemers moeten voltooien een basislijn fase (bv., kijken naar een video van de natuur) om de experimentator aan account voor individuele verschillen in fysiologische reactiviteit, evenals een fase van de opleiding met de controle-interface om de experimentator te ontwarren van hun vermogen om te manoeuvreren van hun ruimtelijke besluitvorming in VR16,17. Bovendien, toename de synchronisatie en de opslag van deze gegevens van complexiteit met het aantal gegevensbronnen. Het kader van de VOORAVOND beschreven in het huidige protocol biedt een oplossing voor studies met verschillende gegevensbronnen in VR. Verder staat de flexibiliteit van het EVE-kader onderzoekers te wijzigen van de proefopzet volgens hun onderzoeksvragen en toevoegen van nieuwe randapparatuur zoals oog trackers en elektro-encefalografie.
Er zijn echter enkele beperkingen aan deze benadering. Eerst, werken met de VOORAVOND kader vereist enige kennis van informatica en programmeren basisvaardigheden. Ten tweede, de interpretatie van fysiologische gegevens is gebaseerd op een lange traditie van empirisch onderzoek dat moet worden beschouwd tijdens het ontwerp en analyse van deze soorten studies. Kennis van deze literatuur is van cruciaal belang gezien het feit dat fysiologische gegevens gemakkelijk verkeerd kunnen (bv., stress en opwinding verwarrend). Ten derde, veel experimenten in VR zijn vatbaar voor kritiek met betrekking tot de externe validiteit ten opzichte van de virtuele omgeving en controle interface. Bijvoorbeeld, desktop VR vaak werkzaam handheld joysticks en biedt geen realistische Proprioceptieve feedback tijdens het wandelen. Vergeleken met de studies in reële omgevingen, vaak virtuele omgevingen leiden tot de onderschatting van afstanden39 en minder precisie in ruimtelijke bijwerken zonder Proprioceptieve feedback (zonder fysiek draaien)40. Afstand schatting en beurt perceptie in VR kan echter worden verbeterd met expliciete visuele feedback41,42.
Eerder onderzoek heeft aangetoond dat experimenten in VR nog realistische ruimtelijke18,39 en sociale36,43,44 gedrag reproduceren kunnen. VR zorgt bovendien voor meer experimentele controle en systematische variaties die zou moeilijk in realistische scenario's45. Kaders zoals EVE kunnen ook het bevorderen van de ontwikkeling van een onderzoeksprogramma met behulp van VR door het bieden van mogelijkheden voor het reproduceren en uitbreiden van eerdere werk. Bijvoorbeeld, kunnen onderzoekers iets wijzigen een bestaande experiment om aanvullende vragenlijsten of een andere proef structuur. Een paar extra voordelen van het EVE-kader zijn efficiënt gegevensbeheer, de beschikbaarheid van online tutorials en het potentieel voor anderen bij te dragen tot de ontwikkeling. Inderdaad, het EVE-framework is beschikbaar kostenloos als een open-source project dat samenwerking moedigt.
Lopende studies in dit laboratorium onderzoekt de impact van milieu functies op de perceptie en fysiologische reacties van deelnemers met verschillende sociaal-economische achtergronden en de invloed van drukke omgevingen op de fysiologische reacties van deelnemers ondergedompeld in een virtuele menigte. In de toekomst dit protocol kan nemen multi-user, netwerktechnologie waarmee deelnemers op verschillende fysieke locaties om te communiceren vrijwel. Ten slotte, het EVE-kader is momenteel wordt uitgebreid datapakketten analyse verder dan eenvoudige diagnose en de visualisatie van ruimtelijke gegevens.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De virtuele omgeving werd vriendelijk geleverd door VIS spelletjes (http://www.vis-games.de) onderzoek te doen in virtuele werkelijkheid.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alienware Area 51 Base | Dell | 210-ADHC | Computation |
| 138 cm 4K Ultra-HD LED-TV | Samsung | UE55JU6470U | Display |
| SureSigns VS2+ | Philips Healthcare | 863278 | Blood Pressure |
| PowerLab 8/35 | AD Instruments | PL3508 | Skin Conductance |
| PowerLab 26T (LTS) | AD Instruments | ML4856 | Heart Rate |
| Extreme 3D Pro Joystick | Logitech | 963290-0403 | HID |
References
- Gallistel, C. R. The Organization of Learning. , MIT Press. Cambridge, MA. (1990).
- Waller, D., Nadel, L. Handbook of Spatial Cognition. , American Psychological Association. Washington D.C. (2013).
- Denis, M. Space and Spatial Cognition: A Multidisciplinary Perspective. , Routledge. Abingdon, Oxon. (2017).
- Epstein, R. A., Patai, E. Z., Julian, J. B., Spiers, H. J. The cognitive map in humans: spatial navigation and beyond. Nature Neuroscience. 20, 1504 (2017).
- O'Keefe, J., Nadel, L. The Hippocampus as a Cognitive Map. , Clarendon Press. Oxford. (1978).
- Kuipers, B. J. Modelling spatial knowledge. Cognitive Science. 2, 129-153 (1978).
- Heppenstall, A. J., Crooks, A. T., See, L. M., Batty, M. Agent-Based Models of Geographical Systems. , Springer. Netherlands. Dordrecht. (2012).
- Kuliga, S. F., Thrash, T., Dalton, R. C., Hölscher, C. Virtual reality as an empirical research tool - Exploring user experience in a real building and a corresponding virtual model. Computers, Environment and Urban Systems. 54, 363-375 (2015).
- Credé, S., Fabrikant, S. I. Let's Put the Skyscrapers on the Display-Decoupling Spatial Learning from Working Memory. Proceedings of Workshops and Posters at the 13th International Conference on Spatial Information Theory (COSIT 2017). , 163-170 (2018).
- Hodgson, E., Bachmann, E. R., Vincent, D., Zmuda, M., Waller, D., Calusdian, J. WeaVR: a self-contained and wearable immersive virtual environment simulation system). Behavior Research Methods. 47 (1), 296-307 (2015).
- Nilsson, N., et al. 15 Years of Research on Redirected Walking in Immersive Virtual Environments. IEEE Computer Graphics and Applications. , 1-19 (2018).
- Razzaque, S., Kohn, Z., Whitton, M. C. Redirected walking. Proceedings of EUROGRAPHICS. , 105-106 (2001).
- Hodgson, E., Bachmann, E. Comparing Four Approaches to Generalized Redirected Walking: Simulation and Live User Data. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 19 (4), 634-643 (2013).
- Nescher, T., Huang, Y. -Y., Kunz, A. Planning redirection techniques for optimal free walking experience using model predictive control. 2014 IEEE Symposium on 3D User Interfaces (3DUI). , 111-118 (2014).
- Razzaque, S., Swapp, D., Slater, M., Whitton, M. C., Steed, A. Redirected walking in place. Eurographics workshop on virtual environments. , 123-130 (2002).
- Meilinger, T., Knauff, M., Bulthoff, H. Working Memory in Wayfinding-A Dual Task Experiment in a Virtual City. Cognitive Science: A Multidisciplinary Journal. 32 (4), 755-770 (2008).
- Grübel, J., Thrash, T., Hölscher, C., Schinazi, V. R. Evaluation of a conceptual framework for predicting navigation performance in virtual reality. PLOS ONE. 12 (9), 0184682 (2017).
- Weisberg, S. M., Schinazi, V. R., Newcombe, N. S., Shipley, T. F., Epstein, R. A. Variations in Cognitive Maps: Understanding Individual Differences in Navigation. Journal of experimental psychology. Learning, memory, and cognition. , (2014).
- Wiener, J. M., Hölscher, C., Büchner, S., Konieczny, L. Gaze behaviour during space perception and spatial decision making. Psychological research. 76 (6), 713-729 (2012).
- Hassabis, D., Chu, C., Rees, G., Weiskopf, N., Molyneux, P. D., Maguire, E. A. Decoding Neuronal Ensembles in the Human Hippocampus. Current Biology. 19 (7), 546-554 (2009).
- Maguire, E. A., Nannery, R., Spiers, H. J. Navigation around London by a taxi driver with bilateral hippocampal lesions. Brain. 129, 2894-2907 (2006).
- Marchette, S. A., Vass, L. K., Ryan, J., Epstein, R. A. Anchoring the neural compass: coding of local spatial reference frames in human medial parietal lobe. Nature neuroscience. 17 (11), 1598-1606 (2014).
- Vass, L. K., et al. Oscillations Go the Distance: Low-Frequency Human Hippocampal Oscillations Code Spatial Distance in the Absence of Sensory Cues during Teleportation. Neuron. 89 (6), 1180-1186 (2016).
- Sharma, G., Gramann, K., Chandra, S., Singh, V., Mittal, A. P. Brain connectivity during encoding and retrieval of spatial information: individual differences in navigation skills. Brain Informatics. 4 (3), (2017).
- Richardson, A. E., VanderKaay Tomasulo, M. M. Influence of acute stress on spatial tasks in humans. Physiology & Behavior. 103 (5), 459-466 (2011).
- Duncko, R., Cornwell, B., Cui, L., Merikangas, K. R., Grillon, C. Acute exposure to stress improves performance in trace eyeblink conditioning and spatial learning tasks in healthy men. Learning & memory (Cold Spring Harbor, N.Y.). 14 (5), 329-335 (2007).
- Klopp, C., Garcia, C., Schulman, A. H., Ward, C. P., Tartar, J. L. Acute social stress increases biochemical and self report markers of stress without altering spatial learning in humans. Neuro endocrinology letters. 33 (4), 425-430 (2012).
- Guenzel, F. M., Wolf, O. T., Schwabe, L. Sex differences in stress effects on response and spatial memory formation. Neurobiology of Learning and Memory. 109, 46-55 (2014).
- van Gerven, D. J. H., Ferguson, T., Skelton, R. W. Acute stress switches spatial navigation strategy from egocentric to allocentric in a virtual Morris water maze. Neurobiology of Learning and Memory. 132, 29-39 (2016).
- Grübel, J., Weibel, R., Jiang, M. H., Hölscher, C., Hackman, D. A., Schinazi, V. R. EVE: A Framework for Experiments in Virtual Environments. Spatial Cognition X: Lecture Notes in Artificial Intelligence. , 159-176 (2017).
- Hegarty, M., Richardson, A. E., Montello, D. R., Lovelace, K., Subbiah, I. Development of a self-report measure of environmental spatial ability. Intelligence. 30, 425-447 (2002).
- Ziegler, M. G. Psychological Stress and the Autonomic Nervous System. Primer on the Autonomic Nervous System. , 189-190 (2004).
- Michaelis, J. R., Rupp, M. A., Montalvo, F., McConnell, D. S., Smither, J. A. The Effect of Vigil Length on Stress and Cognitive Fatigue. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. 59 (1), 916-920 (2015).
- Helton, W. S. Validation of a Short Stress State Questionnaire. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. 48 (11), 1238-1242 (2004).
- Wolbers, T., Hegarty, M. What determines our navigational abilities. Trends in Cognitive Sciences. 14 (3), 138-146 (2010).
- Moussaïd, M., et al. Crowd behaviour during high-stress evacuations in an immersive virtual environment. Journal of The Royal Society Interface. 13 (122), (2016).
- Cadogan, M. Lead positioning. , Available from: https://lifeinthefastlane.com/ecg-library/basics/lead-positioning/ (2017).
- Wilder, J. The law of initial value in neurology and psychiatry. The Journal of Nervous and Mental Disease. 125 (1), 73-86 (1957).
- Loomis, J., Knapp, J. Visual Perception of Egocentric Distance in Real and Virtual Environments. Virtual and Adaptive Environments. , 21-46 (2003).
- Richardson, A. R., Waller, D. The effect of feedback training on distance estimation in virtual environments. Applied Cognitive Psychology. 19 (8), 1089-1108 (2005).
- Klatzky, R. L., Loomis, J. M., Beall, A. C., Chance, S. S., Golledge, R. G. Spatial updating of self-position and orientation during real, imagined, and virtual locomotion. Psychological Science. 9, 293-298 (1998).
- Bakker, N. H., Werkhoven, P. J., Passenier, P. O. Calibrating Visual Path Integration in VEs. Presence: Teleoperators and Virtual Environments. 10 (2), 216-224 (2001).
- Thrash, T., et al. Evaluation of control interfaces for desktop virtual environments. Presence. 24 (4), (2015).
- Kinateder, M., Warren, W. H. Social Influence on Evacuation Behavior in Real and Virtual Environments. Frontiers in Robotics and AI. 3, 43 (2016).
- Loomis, J. M., Blascovich, J. J., Beall, A. C. Immersive virtual environment technology as basic research tool in psychology. Behavior Research Methods, Instruments & Computers. 31 (4), 557-564 (1999).
