Virtual Reality experimenten met fysiologische maatregelen

Inzicht in hoe mensen navigeren heeft belangrijke gevolgen voor de verschillende gebieden, met inbegrip van de cognitive science^1,2,3, neurowetenschappen^4,5, en computer wetenschap^{6 , 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 structuur^{13 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 gezichtsveld^16,17. Echter is minder infrastructuur nodig voor VR-systemen met behulp van desktop displays^18,19. 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 van^21,22, en in combinatie met elektro-encefalografie (EEG) tijdens het opnemen van^23,24. 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.