Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Virtual Reality eksperimenter med fysiologiske foranstaltninger

Published: August 29, 2018 doi: 10.3791/58318
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2,3, 1, 1, 1
1Chair of Cognitive Science, ETH Zürich, 2Geographic Information Visualization and Analysis, University of Zürich, 3Digital Society Initiative, University of Zürich

Summary

Virtual reality (VR) eksperimenter kan være svært at implementere og kræver omhyggelig planlægning. Denne protokol beskriver en metode til udvikling og implementering af VR eksperimenter, der indsamler fysiologiske data fra menneskelige deltagere. Eksperimenter i virtuelle miljøer (EVE) rammer er ansat til at fremskynde denne proces.

Abstract

Virtual reality (VR) eksperimenter er i stigende grad ansat på grund af deres interne og eksterne validitet i forhold til virkelige verden observation og laboratorieforsøg, henholdsvis. VR er især nyttig for geografiske visualiseringer og undersøgelser af rumlig adfærd. Rumlig adfærd forskning, VR giver en platform til at studere forholdet mellem navigation og fysiologiske foranstaltninger (fx., hud ledningsevne, puls, blod pres). Specifikt, giver fysiologiske foranstaltninger forskere til at stille nye spørgsmål og begrænse foregående teorier af rumlige færdigheder, strategier og ydeevne. For eksempel kan individuelle forskelle i navigation ydeevne forklares med det omfang som ændringer i ophidselse mægle virkningerne af opgave vanskeligheder. Dog kan kompleksiteter i udformningen og gennemførelsen af VR eksperimenter distrahere eksperimentatorer fra deres primære forskningsmål og indføre uregelmæssigheder i dataindsamling og analyse. For at imødegå disse udfordringer, eksperimenter i virtuelle miljøer (EVE) rammer omfatter standardiserede moduler som deltager træning med kontrol interface, dataindsamling ved hjælp af spørgeskemaer, synkronisering af fysiologiske målinger, og datalagring. Eva giver også den nødvendige infrastruktur til dataadministration, visualisering og evaluering. Den nuværende papir beskriver en protokol, der beskæftiger EVE ramme at udføre navigation eksperimenter i VR med fysiologiske sensorer. Protokollen indeholder de trin, der er nødvendige for at rekruttere deltagere, vedhæfter den fysiologiske sensorer, administrere eksperiment ved hjælp af EVE, og vurderingen af de indsamlede data med EVE evalueringsværktøjer. Samlet set vil denne protokol lette fremtidig forskning ved at strømline design og implementering af VR eksperimenter med fysiologiske sensorer.

Introduction

Forstå, hvordan individer navigere har stor betydning for flere felter, herunder kognitiv videnskab1,2,3, neurovidenskab4,5og computer science6 , 7. navigation er blevet undersøgt i både virkelige og virtuelle miljøer. En fordel af virkelige verden forsøg er at navigation kræver ikke mægling af en kontrol interface og således kan producere mere realistiske rumlig adfærd. Derimod virtual reality (VR) eksperimenter giver mulighed for mere præcis måling af adfærdsmæssige (fx., walking baner) og fysiologiske (fx., puls) data, samt mere eksperimenterende kontrol (dvs., interne gyldighed). Igen, kan denne tilgang resultere i enklere fortolkninger af data og dermed mere robuste teorier af navigation. Derudover neurovidenskab kan drage fordel af VR fordi forskere kan undersøge de neurale korrelerer navigation, mens deltagerne er engageret i det virtuelle miljø, men kan ikke fysisk flytte. For dataloger kræver navigation i VR unikke udvikling i processorkraft, hukommelse, og computergrafik for at sikre en fordybende oplevelse. Resultater fra VR eksperimenter kan også anvendes i arkitektur og kartografi ved at informere udformningen af bygningen layouts8 og kort funktioner9 at lette virkelige verden navigation. For nylig, fremskridt i VR teknologi kombineret med et dramatisk fald i kapitalomkostningerne har ført til en stigning i antallet af laboratorier anvender VR for deres eksperimentelle design. På grund af denne stigende popularitet skal forskere overveje hvordan at effektivisere gennemførelsen af VR applikationer og standardisere eksperiment arbejdsproces. Denne tilgang vil hjælpe Skift ressourcer fra implementering til udvikling af teori og udvide de eksisterende kapaciteter af VR.

VR opsætninger kan variere fra mere til mindre realistisk skærme og kontrol. Mere realistisk VR opsætninger tendens til at kræve yderligere infrastruktur såsom store tracking rum og høj opløsning viser10. Disse systemer ansætte ofte omdirigerede omvandrende algoritmer for at injicere umærkelig rotationer og oversættelser til visuel feedback til brugerne og forstørre effektivt det virtuelle miljø, som deltagere kan flytte11 , 12. disse algoritmer kan være generaliseret i, at de ikke kræver viden om miljømæssige struktur13 eller intelligent, idet de antager særlige stier til brugeren14. Selvom de fleste forskning på omdirigerede walking har brugt hoved-monteret displays (HMDs), nogle forskere beskæftiger en version af denne teknik med gå-i-sted som en del af en stor projektion system (fx., huler)15. Mens HMDs kan transporteres på hovedet af deltageren, CAVE skærme tendens til at give en bredere horisontale synsfelt16,17. Dog er mindre infrastruktur nødvendig for VR systemer ved hjælp af desktop viser18,19. Neurovidenskabelige forskning har også ansat VR systemer i kombination med funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI) under scanningen20, i kombination med fMRI efter scanning21,22, og i kombination med electroencefalografi (EEG) under optagelse23,24. Software rammer er nødvendige for at koordinere forskellige displays og kontrolelementer, der bruges til navigation forskning.

Forskning, der inkorporerer VR og fysiologiske data giver ekstra udfordringer såsom dataopsamling og synkronisering. Dog fysiologiske data giver mulighed for undersøgelser af implicitte processer, som kan mægle forholdet mellem navigation potentielle og rumlig adfærd. Faktisk, er blevet undersøgt forholdet mellem stress og navigation ved hjælp af en kombination af forskellige fysiologiske sensorer og desktop VR (dvs., puls, blodtryk, hud ledningsevne, spyt cortisol og alfa-amylase)25 , 26 , 27 , 28. For eksempel van Gerven og kolleger29 undersøgt virkningerne af stress på navigation strategi og ydeevne ved hjælp af en virtuel virkelighed version af en Morris vand labyrint opgave og flere fysiologiske foranstaltninger (fx., hud ledningsevne, puls, blodtryk). Deres resultater viste, at stress forudsagt navigation strategi med hensyn til landmark brug (dvs., egocentrisk versus allocentric), men var ikke relateret til navigation ydeevne. I almindelighed, er resultater fra tidligere undersøgelser noget inkonsekvent med hensyn til effekten af stress på navigation ydeevne og rumlig hukommelse. Dette mønster kan henføres til adskillelsen af stressor (fx., kold pressorstoffer procedure26, Star spejl sporing opgave25) fra den faktiske navigation opgave, brugen af simple labyrint-lignende virtuelle miljøer ( fx., virtuelle Morris vand labyrint26, virtuelle radial arm labyrint28), og forskelle i metodologiske oplysninger (fx., type af stressor, type af fysiologiske data). Forskelle i form af indsamlede fysiologiske data kan også være problematisk for gennemførelsen og analyse af sådanne undersøgelser.

Eksperimenter i virtuelle eksperimenter (EVE) rammer letter design, implementering og analyse af VR eksperimenter, især dem med ekstra eksterne enheder (fx., øjet trackers, fysiologiske enheder)30. EVE rammen er frit tilgængelig som en open source-projekt på GitHub (https://cog-ethz.github.io/EVE/). Denne ramme bygger på den populære Unity 3D spil motor (https://unity3d.com/) og MySQL database management system (https://www.mysql.com/). Forskere kan bruge EVE rammen for at forberede de forskellige stadier af en VR eksperiment, herunder præ- og post undersøgelse spørgeskemaer, grundlæggende målinger for fysiologiske data, uddannelse med kontrol interface, opgaven hovednavigation og test for rumlig hukommelse navigeret miljø (fx., domme af relativ retning). Eksperimentatorer kan også styre synkroniseringen af data fra forskellige kilder og på forskellige niveauer af sammenlægning (fx., på tværs af forsøg, blokke eller sessioner). Datakilder kan være fysiske (dvs., forbundet til brugeren; se Tabel af materialer) eller virtuelle (dvs., afhængig af samspillet mellem deltagerens avatar og det virtuelle miljø). For eksempel, kan et eksperiment kræve registrering af puls og position/orientering fra deltageren når at deltagerens avatar bevæger sig gennem et bestemt område af det virtuelle miljø. Alle disse data er automatisk gemt i en MySQL-database og evalueret med replay funktion og R pakke evertools (https://github.com/cog-ethz/evertools/). Evertools giver eksporterende funktioner, grundlæggende beskrivende statistik, og diagnostiske værktøjer til distributioner af data.

Eva ramme kan sættes ind med en bred vifte af fysiske infrastrukturer og VR systemer. I denne protokol beskriver vi en bestemt gennemførelse på NeuroLab på ETH Zürich (figur 1). NeuroLab er et 12 m af 6 m rum indeholdende en isoleret afdeling udfører EEG eksperimenter, en kabine med VR-system (2,6 m x 2,0 m), og en gardiner område til fastgørelse af fysiologiske sensorer. VR-system omfatter en 55" ultra-høj definition tv-skærm, en high-end gamingcomputer, en joystick kontrol interface og flere fysiologiske sensorer (Se Tabel af materialer). I følgende afsnit skal vi beskrive protokol til at foretage en navigation eksperiment i NeuroLab ved hjælp af EVE rammen og fysiologiske sensorer, nuværende repræsentative resultater fra en undersøgelse på stress og navigation, og diskutere mulighederne og udfordringer forbundet med dette system.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Følgende protokol blev gennemført i overensstemmelse med retningslinjerne vedtaget af etik Kommissionen af ETH Zürich som en del af forslaget EK 2013-N-73.

1. ansætte og forberede deltagerne

  1. Vælg deltagere med særlige demografi (fx., alder, køn, uddannelsesbaggrund) ved hjælp af en deltager rekrutteringssystem eller mailing liste (fx., UAST; http://www.uast.uzh.ch/).
  2. Kontakte udvalgte deltagere via e-mail. I denne e-mail, minde deltagerne om sessionstid og krav. Lad deltagerne ved, de skal bære en løstsiddende top (for blodtryk overvågning), afholde sig fra alkohol i 12 timer før forsøget, og afholde sig fra flere andre aktiviteter (dvs., koffein, ryge, spise og motion) til 3 h før forsøget.

2. klargør eksperiment og fysiologiske enheder ved hjælp af EVE

  1. Før hver eksperimentelle session, start computeren, eksperimentatoren monitoren og test-skærm.
  2. Sikre, at værelse fan, termometeret og fugtighed skærm er på.
  3. Tænd maskinen måle electrodermal aktiviteten (EDA) og Elektrokardiografi (EKG; fx., PowerLab fra ADInstruments). Se tabel over materialer.
  4. Åbn EDA/ECG-softwaren (EVE i øjeblikket understøtter Labchart fra ADInstruments) og oprette en ny fil med indstillinger. Vælg en samplingfrekvens på 1.000 Hz og det relevante antal kanaler (fx., én til EDA og for ECG). Gem denne fil med indstillinger og re-gemme en version med et andet navn for hver eksperimentelle session.
  5. For EDA elektroder, udføre en åbne kredsløb nul (dvs., uden elektroder fastgjort til noget) at opnå en baseline måling af system ledningsevne.
  6. Sikre, at kontrol interface (fx., joystick) er sluttet til computeren.
  7. Åbn filen eksekverbare enhed for eksperimentet på skærmen eksperimentator.
    1. Åbn menuen "Eksperimentere indstillinger" i EVE, og Angiv eksperimentparametre (fx., deltager id-nummer, fysiologiske måling fil, eksperimentelle betingelse, rum temperatur og fugtighed).
    2. Klik på "Start eksperiment".

3. forsøgsmetoden

  1. Introduktion og samtykke procedure
    1. Afhente deltager på den aftalte møde placering og vejlede ham/hende til laboratoriet.
    2. Angiv, at sessionen vil tage ca. 90 min. og spørge deltageren til at lagre watch eller ambulant foretage en opringning.
    3. Spørge deltageren til at sidde i den eksperimentelle stol og forklare forsøgsmetoden ifølge den forberedte verbal script.
    4. Spørge deltageren at læse oplysningsskema og underskrive informeret samtykkeerklæring.
  2. Tilslutning af EDA og ECG sensorer
    1. Ren pegefinger og ringfinger af ikke-dominerende hånd med en våd klud uden sæbe. Sikre, at de er tørre og to EDA elektroderne tilsluttes de mediale phalanges.
    2. Rense huden på brystet hvor EKG-elektroderne placeres med en våd klud.
    3. Placere de hvide, sorte og røde elektroder på deltagerens krop mellem ribbenene i figur 2. Placere den hvide elektrode på den øverste højre del af maven (UR), og den sorte elektrode på den øverste venstre del af maven (UL). Placer den røde elektrode på den nederste venstre del af maven (LL). Sikre, at de tre elektroder ikke er direkte over et ribben.
    4. Forbinde tre farvekodede ECG ledningerne til de tilsvarende elektroder fastgjort til deltagerens krop.
  3. Før eksperimentet spørgeskemaer
    1. Give deltageren med et tastatur og en mus, der skal bruges til at besvare spørgeskemaer (fx., demografiske spørgsmål, den første del af den korte Stress tilstand spørgeskema, Santa Barbara fornemmelse af retning skalaen), og oplyse ham eller hende, at de vil blive bedt om en række spørgsmål på computeren.
    2. Informere deltagerne, at de kan bede eksperimentatoren spørgsmål vedrørende spørgeskemaerne på ethvert tidspunkt.
    3. Luk kontormiljøet to sidevægge, mens deltageren er at udfylde spørgeskemaerne.
  4. Forberedelserne til fysiologiske måling. Disse trin kan udføres, mens deltageren er at udfylde spørgeskemaerne.
    1. Informere deltageren at eksperimentatoren nu vil forberede de fysiologiske enheder.
    2. Kontroller, at elektroderne er knyttet til de korrekte placeringer.
    3. Tillægge ikke-dominerende arm blodtryk manchet.
    4. Give instruktioner til deltageren med hensyn til nøjagtig måling af blodtryk. Fortælle deltager at minimere arm og krop bevægelser, holde blodtryk manchet på hjerte niveau, og opretholde en oprejst stilling med hans eller hendes fødder fladt på gulvet.
    5. Forbinde to EDA ledningerne til elektroder på fingrene.
    6. Slukke lys over skærmen og dim alle andre overhead lys til den laveste indstilling.
    7. Hånd joysticket til deltageren og sikre, at musen er slukket skærmen på den test monitor.
    8. Nul EDA kanal for at opnå et mål for en persons begynder niveau af hud ledningsevne.
    9. Åbn dialogboksen "Bio Amp" i EDA/ECG-software. Vælg det signalområde, hvor hjertet slå signal dækker omkring en tredjedel af vinduet preview (5 mV i de fleste tilfælde).
    10. Starte optagelsen med EDA/ECG-software, og kontrollere, om et signal er synligt i vinduet EDA/ECG software på eksperimentatoren skærm.
    11. Start blodtryk optagelse ved at trykke på den relevante knap i blodtryk maskine.
    12. Skifte til det åbne program, enhed, og tryk på "Start målinger". En fiksering cross skal vises.
  5. Joystick uddannelse og oprindelige video
    1. Spørge deltageren til at se og følge den uddannelse video, der pålægger ham eller hende hvordan du bruger joysticket.
    2. Spørge deltagerne til at gennemføre uddannelse labyrint for at øve med joysticket. I denne uddannelse labyrint, er deltagerne instrueres i at følge de pile, der angiver en rute og indsamle flydende perler.
    3. Hvis forsøget indeholder lyd, skal du placere hovedtelefonerne på deltagerens hoved.
    4. Spørge deltageren at se oprindelige natur video uden at flytte. Denne video bruges til at tegne sig for en baseline måling af deltagerens fysiologiske data under den efterfølgende analyse.
  6. Navigation opgave
    1. Sikre, at deltagerne har læst vejledningen vedrørende opgaven færdig til være navigation. Spørge, om deltageren har spørgsmål før navigation opgaven begynder. Fortælle deltageren at de ikke bør stille spørgsmål under navigation opgave.
    2. Spørge deltageren til at trykke på udløseren på joysticket, når han eller hun er klar til at begynde opgaven navigation.
  7. Endelige fysiologiske foranstaltninger og udstationering af fysiologiske sensorer
    1. Vent, indtil systemet har afsluttet den endelige blodtryksmåling.
    2. Stoppe optagelsen EDA og ECG ved at trykke på stopknappen i EDA/ECG-softwaren.
    3. Fjerne blodtryk manchet.
    4. Fjerne EDA elektroderne fra deltageren.
    5. Spørg deltagerne ikke at fjerne EKG-elektroderne indtil slutningen af forsøget.
    6. Fjern det joystick og hovedtelefoner.
  8. Efter forsøget spørgeskemaer
    1. Give deltageren med et tastatur og en mus til post eksperiment spørgeskemaer (fx., den anden del af den korte Stress tilstand spørgeskema, selvevaluering attrappen, Simulator sygdom spørgeskema).
    2. Informere deltagerne, at de vil blive bedt om en anden række spørgsmål på computeren, og at han eller hun kan stille spørgsmål om nødvendigt.
  9. Eksperimentelle sessionens afslutning
    1. Informere deltageren at den eksperimenterende del er nu færdig. Takke hende eller ham for at deltage i forsøget.
    2. Fortælle deltageren at han/hun nu kan fjerne EKG-elektroderne.
    3. Udbetale deltagerne og bede dem om at underskrive den trykte modtagelse.
    4. Spørg, hvis deltageren har spørgsmål vedrørende formålet med forsøget, og eskortere ham eller hende uden for den eksperimentelle rum.

4. efter hvert eksperimentelle Session

  1. Åbn menuen "evaluering" i Eva for at udføre eksperimentet diagnostik (fx., replay baner), og opspare den fysiologiske måling filer i EDA/ECG-softwaren.
  2. Tryk på knappen "Tilføj begivenhed markør" til at markere begivenheder i den fysiologiske måling filer i menuen "evaluering" i EVE. Dette trin er kritisk analyse af de fysiologiske data i form af især eksperimentel faser.
  3. Gem filen EDA/ECG i filen fysiologiske måling i EDA/ECG-softwaren.
  4. Eksportere forsøgsdata for backup ved hjælp af pakken evertools.
  5. Sluk EDA/ECG maskinen og rense EDA elektroder med alkohol puder.
  6. Mark, at deltageren dukkede op i ordningen deltager rekruttering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Fra hver deltager i NeuroLab, vi typisk indsamle fysiologiske data (fx., ECG), spørgeskema data (fx., Santa Barbara fornemmelse af retning skala eller SBSOD31), og navigationsdata (fx., stier gennem den virtuelt miljø). Ændringer i hjertefrekvens (afledt af EKG-data) har for eksempel været forbundet med ændringer i stress stater i kombination med andre fysiologiske32 og selvrapportering foranstaltninger33. Vores system giver mulighed for forskellige typer af spørgeskemaer skal fremlægges som kort Stress tilstand spørgeskema34 og SBSOD31 . SBSOD er en selvrapportering foranstaltninger af rumlige evne, der ofte er korreleret med navigation adfærd i virkelige og virtuelle, storstilet, miljøer35. Derudover navigationsdata kan bruges til at udlede deltagernes rumlige beslutningstagning (fx., tøven, navigation effektivitet) i forskellige stressende sammenhænge36.

En repræsentant undersøgelse undersøgt virkningerne af stress på erhvervelse af rumlige viden under navigation. Vi testede 60 deltagere (29 kvinder og 31 mænd; betyder alder = 23,3) individuelt under en 90 min session. Under navigation opgave af hver session, deltagerne blev placeret i en af to grupper (dvs., stress og ingen stress) og afsluttet tre læring og test faser, mens EDA og ECG data blev løbende registreres. Læring faser involveret, at finde et sæt af fire lokaliteter (figur 3) ved hjælp af en kort, der kan udløses ved hjælp af en knap på joysticket. De test faser involveret navigere til hver af disse placeringer i en bestemt rækkefølge med en synlig timer. For kun stress gruppen, blev deltagerne også straffet monetarily for den tid skal finde disse steder. Dette monetære pres var den eneste manipulation af stress i den foreliggende undersøgelse.

Som forudsagt, de fysiologiske data fra dette eksperiment viste højere ophidselse for gruppen stress end ingen stress gruppen for puls, t(58) = 2.14, se = 1,03, p =.04, men ikke med hensyn til EDA, t(58) =-0.68, se = 0.02, p =.50 (figur 4). Derudover var der en negativ korrelation mellem SBSOD score og tid at finde de fire mål steder under lærefase, r(58) =-0.40, p =.002, men ikke i testfasen, r(58) =-0.25, p =.057. Ifølge de visualiseret baner syntes deltagerne i gruppen stress at være mindre fordelt i det virtuelle miljø. Sammen, tyder disse resultater på, at højere ophidselse og rumlige evne kan relateres til mere effektiv navigation adfærd.

Figure 1
Figur 1 : Fotografier af NeuroLab på ETH Zürich. (en) Se eksperimentatoren og deltager under testen. Eksperimentatoren kan overvåge deltagerens fremskridt i realtid. (b) Closeup visning af deltageren navigere gennem det virtuelle miljø, mens fysiologiske data er indsamlet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Diagrammet, der repræsenterer placeringen af de tre EKG-elektroderne. Dette tal er blevet modificeret form SKUM (gratis Open Access Meducation)37som er licenseret under en Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International licens. Billedet er blevet ændret for at fremhæve elektroderne nødvendige for en 3-elektrode system. Disse elektroder skal placeres mellem ribbenene på den øvre højre del af maven (UR), den øverste venstre del af maven (UL) og det venstre underlivet (LL) venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Screenshots fra en navigation eksperiment i NeuroLab. (en) Screenshot fra joysticket uddannelse video. Deltagerne blev bedt om at gengive bevægelser af joystick fra video i øverste højre hjørne. (b) Screenshot fra joysticket uddannelse labyrint. Deltagerne flyttes gennem en labyrint af følgende flydende pile og indsamle ædelstene. (c) Screenshot fra lærefase af navigation opgave. Deltagerne kunne trykke på aftrækkeren på joysticket for at kalde et kort over det virtuelle miljø. En liste over målområder blev vist på højre side af skærmen. (d) Screenshot fra den test fase af navigation opgave. Deltagerne blev bedt om at finde de samme steder i en bestemt rækkefølge, mens en bevægelse stueur og bevægelse belønning var synlige. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Repræsentant resultat af en navigation eksperiment i NeuroLab ved hjælp af fysiologiske enheder og Eva rammer. (en) A graf der repræsenterer forholdet mellem gruppe (stress i aquamarine og kontrol gruppe i laks pink) og middelværdi puls (efter rettelser til baseline værdier38). Gennemsnitlig puls er betydeligt højere for gruppen stress end kontrolgruppen. (b) en scatter plot der repræsenterer forholdet mellem SBSOD score og tid brugt læring (i sort) og test (i gråt). Der er en signifikant negativ sammenhæng mellem SBSOD score og tid brugt på at lære og en lignende tendens for tidsforbrug test. (c) et kort over den virtuelle miljø, der viser aggregerede data sti fra stress (aquamarine) og kontrolgrupper (salmon pink). Mørkere farve indikerer, at en større andel af stier taget langs denne rute er fra en bestemt gruppe. For tomme områder var andelen af stier taget ens for de to grupper. Mål steder er også markerede med sorte prikker. Som vist, var gruppen stress mere tilbøjelige end kontrolgruppen at flytte langs mere direkte stier mellem mål lokationer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I det foreliggende papir beskrev vi en protokol til at foretage eksperimenter i VR med fysiologiske enheder ved hjælp af EVE rammen. Disse typer af forsøg er unikke på grund af yderligere hardware overvejelser (fx., fysiologiske enheder og andre enheder), de forberedende skridt til indsamling af fysiologiske data ved hjælp af VR og data management krav. Denne protokol giver de nødvendige skridt for eksperimentatorer, der har til hensigt at indsamle data fra flere enheder samtidigt. For eksempel, brug af fysiologiske enheder kræver rengøring og vedhæfter elektroder til bestemte steder på deltagerens krop (fx., brystet og fingrene) på en måde, der ikke forstyrrer andre enheder (fx., den joystick). Timingen af sådanne skridt skal tage højde for de mulige afdrift i de fysiologiske signaler og passende vinduet, inden for hvilken dataene er pålidelige. Den eksperimentatoren hensyn til timing er også afgørende for forberedende skridt inden for hver eksperimentelle session. For eksempel deltagere skal fuldføre en baseline fase (fx., ser en video, natur) i orden for eksperimentatoren at tage højde for individuelle forskelle i fysiologiske reaktivitet, samt en uddannelse fase med kontrol interface for at eksperimentatoren at adskille deres evne til at manøvrere fra deres rumlige beslutningstagning i VR16,17. Derudover stigning synkronisering og lagring af disse data i kompleksitet med antallet af datakilder. Eva rammer er beskrevet i denne protokol giver en løsning for studier med flere datakilder i VR. Desuden giver fleksibilitet af EVE rammen forskere til at ændre den eksperimentelle design efter deres forskningsspørgsmål og tilføje nye eksterne enheder som eye bane og electroencefalografi.

Der er dog nogle begrænsninger for denne tilgang. Først kræver arbejde med EVE rammer kendskab til datalogi og grundlæggende programmering færdigheder. For det andet er fortolkning af fysiologiske data baseret på en lang tradition for empirisk forskning, der skal overvejes under projektering og analyse af disse typer af undersøgelser. Kendskab til denne litteratur er kritiske fysiologiske data kan være let fejlfortolket (fx., forvirrende stress og ophidselse). For det tredje mange eksperimenter i VR er modtagelige for kritik vedrørende eksterne validitet med hensyn til det virtuelle miljø og kontrol interface. For eksempel, desktop VR ofte beskæftiger håndholdte joystick og giver ikke realistisk proprioceptive feedback under gang. Sammenlignet med undersøgelser i virkelige miljøer, virtuelle miljøer har tendens til at føre til undervurderingen af afstande39 og mindre præcision i fysisk opdatering uden proprioceptive feedback (uden fysisk at dreje)40. Afstand estimation og turn perception i VR kan imidlertid forbedres med eksplicitte visuel feedback41,42.

Tidligere forskning har vist, at eksperimenter i VR stadig kan formere sig realistisk rumlige18,39 og sociale36,43,44 adfærd. Derudover VR giver mulighed for større eksperimentelle kontrol og systematiske variationer, der ville være vanskeligt i virkelige verden scenarier45. Rammer som Eva kan også fremme udviklingen af et forskningsprojekt med VR ved at give muligheder for reproduktion og udvide tidligere arbejde. For eksempel, kan forskere lidt ændre en eksisterende eksperiment for at medtage supplerende spørgeskemaer eller en anden retssag struktur. Et par ekstra fordele af EVE rammen er effektiv dataforvaltning, tilgængeligheden af online tutorials og potentialet for andre at bidrage til dens udvikling. Ja, EVE rammen er tilgængelig gratis som en open source-projekt, der tilskynder til samarbejde.

Igangværende undersøgelser i dette laboratorium er at undersøge virkningen af miljømæssige funktioner på opfattelsen og fysiologiske reaktioner i deltagere med forskellige socioøkonomiske baggrund og indflydelse fra belastede miljøer på de fysiologiske svar af deltagerne nedsænket i et virtuelt publikum. Fremover vil denne protokol kan indarbejde multi-user, netværksteknologi, der giver mulighed for deltagerne på forskellige fysiske lokationer til at interagere næsten. Endelig, EVE rammer er i øjeblikket at blive udvidet til at omfatte data analyse pakker ud over simple diagnose og visualisering af geodata.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Det virtuelle miljø blev venligst leveret af VIS spil (http://www.vis-games.de) til at gennemføre forskning i virtual reality.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gallistel, C. R. The Organization of Learning. , MIT Press. Cambridge, MA. (1990).
  2. Waller, D., Nadel, L. Handbook of Spatial Cognition. , American Psychological Association. Washington D.C. (2013).
  3. Denis, M. Space and Spatial Cognition: A Multidisciplinary Perspective. , Routledge. Abingdon, Oxon. (2017).
  4. 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).
  5. O'Keefe, J., Nadel, L. The Hippocampus as a Cognitive Map. , Clarendon Press. Oxford. (1978).
  6. Kuipers, B. J. Modelling spatial knowledge. Cognitive Science. 2, 129-153 (1978).
  7. Heppenstall, A. J., Crooks, A. T., See, L. M., Batty, M. Agent-Based Models of Geographical Systems. , Springer. Netherlands. Dordrecht. (2012).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Nilsson, N., et al. 15 Years of Research on Redirected Walking in Immersive Virtual Environments. IEEE Computer Graphics and Applications. , 1-19 (2018).
  12. Razzaque, S., Kohn, Z., Whitton, M. C. Redirected walking. Proceedings of EUROGRAPHICS. , 105-106 (2001).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Razzaque, S., Swapp, D., Slater, M., Whitton, M. C., Steed, A. Redirected walking in place. Eurographics workshop on virtual environments. , 123-130 (2002).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Maguire, E. A., Nannery, R., Spiers, H. J. Navigation around London by a taxi driver with bilateral hippocampal lesions. Brain. 129, 2894-2907 (2006).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Richardson, A. E., VanderKaay Tomasulo, M. M. Influence of acute stress on spatial tasks in humans. Physiology & Behavior. 103 (5), 459-466 (2011).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Ziegler, M. G. Psychological Stress and the Autonomic Nervous System. Primer on the Autonomic Nervous System. , 189-190 (2004).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Wolbers, T., Hegarty, M. What determines our navigational abilities. Trends in Cognitive Sciences. 14 (3), 138-146 (2010).
  36. Moussaïd, M., et al. Crowd behaviour during high-stress evacuations in an immersive virtual environment. Journal of The Royal Society Interface. 13 (122), (2016).
  37. Cadogan, M. Lead positioning. , Available from: https://lifeinthefastlane.com/ecg-library/basics/lead-positioning/ (2017).
  38. Wilder, J. The law of initial value in neurology and psychiatry. The Journal of Nervous and Mental Disease. 125 (1), 73-86 (1957).
  39. Loomis, J., Knapp, J. Visual Perception of Egocentric Distance in Real and Virtual Environments. Virtual and Adaptive Environments. , 21-46 (2003).
  40. Richardson, A. R., Waller, D. The effect of feedback training on distance estimation in virtual environments. Applied Cognitive Psychology. 19 (8), 1089-1108 (2005).
  41. 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).
  42. 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).
  43. Thrash, T., et al. Evaluation of control interfaces for desktop virtual environments. Presence. 24 (4), (2015).
  44. Kinateder, M., Warren, W. H. Social Influence on Evacuation Behavior in Real and Virtual Environments. Frontiers in Robotics and AI. 3, 43 (2016).
  45. 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).

Tags

Adfærd spørgsmålet 138 kognitiv videnskab virtual reality virtuelle miljøer fysiologiske sensorer rumlige kognition navigation
Virtual Reality eksperimenter med fysiologiske foranstaltninger
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Weibel, R. P., Grübel, J.,… More

Weibel, R. P., Grübel, J., Zhao, H., Thrash, T., Meloni, D., Hölscher, C., Schinazi, V. R. Virtual Reality Experiments with Physiological Measures. J. Vis. Exp. (138), e58318, doi:10.3791/58318 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter