Human vreesconditionering Uitgevoerd in Full Immersion 3-Dimensionale Virtual Reality
Summary
Klassieke vreesconditionering paradigma werd aangepast voor de menselijke deelnemers in een volledig immersive virtual reality omgeving. Met behulp van een discriminatie paradigma, geconditioneerde angst, cue en context geheugen retentie, en uitsterven werd gemeten met huidgeleiding respons op dynamische virtuele slangen en spinnen (de geconditioneerde stimuli) in twee verschillende virtuele contexten.
Abstract
Vreesconditionering is een veel gebruikte paradigma in niet-menselijke dier onderzoek naar de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan angst en bezorgdheid te onderzoeken. Een belangrijke uitdaging in het uitvoeren van conditionering studies bij mensen is de mogelijkheid om sterk te manipuleren of te simuleren de milieu-contexten die worden geassocieerd met geconditioneerde emotionele gedrag. In dit verband, virtual reality (VR) technologie is een veelbelovend instrument. Toch is de aanpassing van deze technologie om experimentele beperkingen te ontmoeten vereist speciale accommodaties. Hier hebben we het adres van de methodologische kwesties die bij het uitvoeren van vreesconditionering in een volledig meeslepende 6-zijdige VR-omgeving en presenteren vreesconditionering gegevens.
In de echte wereld, traumatische gebeurtenissen in complexe omgevingen die zijn samengesteld uit een groot aantal signalen, waarbij alle van onze zintuiglijke modaliteiten. Bijvoorbeeld, signalen dat de milieu-configuratie formulier niet alleen visuele elementen, maar auditieve, olfactorische en zelfs tactiele. In knaagdieren studies van vreesconditionering dieren zijn volledig ondergedompeld in een context die rijk is met nieuwe visuele, tactiele en olfactorische cues. Echter, zijn standaard laboratoriumtests van angst conditionering bij mensen meestal uitgevoerd in een onopvallende ruimte in de voorkant van een flat of 2D computerscherm en niet een kopie van de complexiteit van de echte wereld ervaringen. Aan de andere kant, een grote beperking van de klinische studies gericht op het verminderen (blussen) angst en het voorkomen van terugval bij angststoornissen is dat de behandeling optreedt nadat de deelnemers hebben verworven een angst in een ongecontroleerde en grotendeels onbekende context. Dus de onderzoekers worden verlaten zonder informatie over de duur van de blootstelling, de ware aard van de stimulus, en de bijbehorende achtergrond aanwijzingen in het milieu 1. Bij het ontbreken van deze informatie kan het moeilijk zijn om echt blussen een angst die zowel cue en context-afhankelijk. Virtual reality-omgevingen te pakken deze problemen door het verstrekken van de complexiteit van de echte wereld, en tegelijkertijd waardoor onderzoekers om angst conditionering en uitsterven parameters beperkt moet blijven tot empirische gegevens die kunnen wijzen betere behandeling opties en / of analyseren van mechanistische hypotheses opleveren.
Om de hypothese dat angst conditionering kan rijk worden gecodeerd en context specifieke wanneer uitgevoerd in een volledig immersieve omgeving te testen, ontwikkelden we verschillende virtual reality 3-D contexten waarin de deelnemers vreesconditionering ervaren om virtuele slangen of spinnen. Auditieve signalen co-opgetreden met de CS om verder op te roepen oriënteren reacties en een gevoel van "aanwezigheid" in patiënten van 2. Huidgeleiding reactie diende als de afhankelijke maat van angst acquisitie, het geheugen behouden en te sterven.
Protocol
Discussion
1. Resultaten
Equivalent binnen-sessie angst acquisitie en extinctie in groepen was gevonden (figuur 3). Deze gegevens tonen aan dat betrouwbare en informatieve vreesconditionering studies kunnen worden uitgevoerd binnen de beperkingen en mogelijkheden van een volledig immersieve omgeving. Bovendien hebben we ook aantonen robuuste contextuele angst geheugen in dezelfde context angst retentie deelnemers aan de duik (deelnemers die nog steeds in dezelfde context voor dag 1 en 2 ten opzichte van degenen die een ervaren context shift). Het behoud van angst is sterker in de duik dan die waargenomen bij een conventionele laboratorium gekoppeld paradigma van 16 (zie figuur 3). Met de meeslepende VR setup, kan men ook onderzoeken en manipuleren van rijke contextuele omgevingen om declaratieve geheugen processen sonde in de mens, in tegenstelling tot in het laboratorium omgeving waar realistische multimodale context manipulaties zijn moeilijk te bereiken. Ten slotte kan de VR werelden eenvoudig geport worden voor gebruik in combinatie met functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) met behulp van stereoscopische VR bril naar hersenactiviteit analyse uit te voeren tijdens het coderen of ophalen van angst acquisitie, uitsterven en terugval. Deze methodologie kan worden gebruikt te overbruggen knaagdier-en klinische bevindingen in vrees en angst.
2. Controlling context en stimulus exposure in virtual reality.
Een belangrijke kwestie is aan de exploitatie VR voor experimenteel gebruik is ook haar kracht. In het bijzonder, volledig immersieve VR biedt de complexiteit, verwart, en vrijheid van de echte wereld. Bijvoorbeeld, in het echte leven, traumaslachtoffers ervaring een aversieve stimulus in een context voor een onbekende tijd. De contextuele blootstelling, specifieke kenmerken en andere zintuiglijke input die werden bezocht zijn ook onbekend, al dan niet confirmable. Op dezelfde manier, als we de deelnemers in staat om vrij te verkennen van de virtuele omgevingen die we zouden niet in staat zijn om rekening te houden context of stimulus belichtingstijd of duur. Bijvoorbeeld, kan een deelnemer loopt zeer snel, en missen 3 van de 4 CS + presentaties. Een ander kan verkennen slechts een kamer in het virtuele appartement. Evenzo, als stimulus presentatie is niet gespecificeerd in het midden van het scherm, waar de blik is vóór het begin van gericht, zullen de deelnemers te vermijden of te missen CS presentaties. Onze oplossing voor deze potentiële verwart was om de deelnemers mee op een zit, rondleiding in elke omgeving met een snelheid die het mogelijk maken voor een specifieke interstimulus interval (ISI) en de stimulus duur. We zouden dan halen vergelijkbare SCR gegevens uit specifieke tijdstippen en specifieke locaties verspreid over alle deelnemers (bijvoorbeeld reacties op de CS +, de VS en CS-stimuli). Moeilijkheden die zich na het nemen van dit besluit opgenomen het vinden van een pad vorm, lengte en beweging tarief dat niet zou leiden tot misselijkheid of proprioceptieve dissonantie aan de deelnemer, en toch denkt dat de natuurlijke ambulantie na te bootsen door middel van een nieuwe omgeving.
3. De uitvoering standaard vreesconditionering parameters om een VR-systeem.
Te simuleren realistische geconditioneerde stimuli slangen en spinnen werden ontworpen na wild-life beelden. De slangen en spinnen werden voor het eerst gemodelleerd in Maya, een computer graphics 3D-modellering en animatie software pakket en vervolgens geïmporteerd in het VR-systeem. We deden dit omdat Virtools is een virtual reality authoring systeem, niet een modeling applicatie. Het is dus best gebruikt om een VR-systeem te draaien en de interactie en navigatie naar een scène toe te voegen. In het bijzonder, in Maya vier verschillende animaties voor elke CS-type werden gecreëerd (bijvoorbeeld een opgerolde slang, een spin loopt over de vloer, een slang naar voren longeren met open mond) en vervolgens geïmporteerd in Virtools.
Prior het importeren van de dynamische slang en spin-modellen in Virtools van Maya, werd een pad gemaakt in Virtools aan de deelnemer om de omgeving, zodat gids in een vloeiende cirkelvormige wijze als de bemonstering van de omgeving zodat in de loop van 32 geconditioneerde stimulus presentaties tijdens de angst conditionering. De vorm van het pad is hetzelfde voor elk van onze drie virtuele werelden. Het pad is gemaakt om te stoppen voor vier seconden voor elke stimulus presentatie, de interstimulus interval was 11 + / – 4 seconden waarin het onderwerp werd langzaam (geleid) bewegen door de omgeving. Dit interval is bepaald op basis van onze vorige vreesconditionering experimenten in het laboratorium 8, 16, omdat het zorgt voor herstel van de huid geleiding respons tussen de stimulus presentaties. Stimuli werden vervolgens geplaatst op de weg op punten die door de timing parameters. Deze opzet gemaakt specifieke stimulus en context voegwoorden (bijv. een slang glibberen op de eettafel, een spin lopen rond de bank been), die later kunnen worden gesondeerd voor expliciete geheugen. Stimuli verschijningen waren pseudo-gerandomiseerde door de scripts. Alle stimulus presentaties verscheen in het midden van defront scherm om de deelnemer te voorkomen van het moeten zoeken naar de stimulus. Dit leverde ons met een gecontroleerde hoeveelheid van stimulus belichtingstijd, en een bepaalde context plaats. Een beperking van het zicht recht vooruit is dat het niet profiteren van de volledige capaciteiten van deze meeslepende systeem (bijvoorbeeld slangen kan de kamer niet betreden van achter de deelnemer). Bovendien werden stimuli zorgvuldig geplaatste buitenkant van een grens kader rond de deelnemers locatie, zodat de slangen en spinnen nooit aangetast de deelnemers persoonlijke ruimte.
4. Bekijk punt en head tracking.
De hoek van de duik was zo ingesteld dat vanuit een zittende positie de deelnemer een juiste naar voren gerichte hoek had. Dit gecontroleerd voor verschillen in hoogte tussen de deelnemers, en bewegingsartefacten geminimaliseerd op onze fysiologische opnames. De deelnemers kregen de opdracht om de rijrichting wijzen en zo weinig mogelijk bewegen, dit ook geregeld voor, waar de deelnemers op zoek was, en daarom onderhouden consistente stimulus en context blootstelling tussen de deelnemers. We kozen ervoor om op een head-tracking-apparaat te draaien in de 3D-bril gedragen door de deelnemers om te zorgen dat ze waren het toneel kijken met het juiste perspectief. Als head tracking niet was verkozen voor, beweging van het hoofd naar links of rechts zou niet goed af te sluiten hoe de objecten verscheen in de wereld (bijvoorbeeld objecten zou verschijnen gebogen op schermen in de duik als deelnemers liep door). Met head tracking verkozen voor, kunnen we er zeker van zijn dat de functies in de omgeving hun normale proporties behouden en correct werden opgesteld op elk van de zes wanden van de duik voor de duur van het experiment.
5. Data Collection.
In onze standaard laboratorium versie van angst conditionering 8, was 16 stimulus presentatie bestuurd door de computer script geprogrammeerd in de presentatie software pakket. Om de samenhang tussen het laboratorium en de virtuele omgeving te behouden, hebben we onze standaard angst acquisitie en extinctie scripts geïmporteerd in code-formaat om de controle computer in de meldkamer dat de DIVE kubus hosts (zie figuur 1). De parallelle poort-code is ingesteld op een gegenereerde lijst van numerieke codes te sturen naar verschillende evenementen, zoals presentaties van de slang, spin, en elektrische stimulatie aanzetten signaal. In ons ontwerp, Virtools stuurt een Open Sound Control bericht (OSC 17) OSC / UDP-bericht naar een aangepaste C + +-programma dat de parallelle poort waarde stelt. Onze C + +-programma maakt gebruik van de OSCpack 18 bibliotheek.
Digitale ingang van de Biopac is aangesloten op de computer parallelle poort. SCR gegevens worden verzameld op de laptop computer van Biopac via de parallelle poort, dan genormaliseerd, en berekend om CS + / CS-en de Amerikaanse aanzetten binnen specifieke parameters (zie hierboven voor details). In aanvulling op waardoor de scène en de controle van navigatie wordt Virtools ook gebruikt om de gebruiker gebeurtenissen (drukken op een knop) log. Kortom, tijdens een experiment, worden berichten verstuurd vanaf de master computer naar de Biopac systeem via de parallelle poort. Omdat Virtools kan niet met de parallelle poort communiceren op de computer rechtstreeks een kleine C + +-programma luistert naar een OSC bericht van Virtools en stuurt deze vervolgens aan op de parallelle poort.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Holton Thompson voor haar werk in het creëren van de Virtools 3-D werelden in Maya en Eric Monson voor de schematische tekeningen. Onderzoek werd gedeeltelijk gesponsord door postdoctoraal NIH F32 MH078471 aan NCH en NIDA RO1 DA027802 naar KSL. De duik was gefinancierd door NSF BCS-0420632.
References
- Mineka, S., Zinbarg, R. A contemporary learning theory perspective on the etiology of anxiety disorders: It’s not what you thought it was. Amer. Psychol. 61, 10-26 (2006).
- Sanchez-Vives, M. V., Slater, M. From presence to consciousness through virtual reality. Nat. Rev. Neurosci. 6, 332-339 (2005).
- McGaugh, J. L. Memory— a century of consolidation. Science. 287, 248-251 (2000).
- LaBar, K. S., Cook, C. A., Torpey, D. C., Welsh-Bohmer, K. A. Impact of healthy aging on awareness and fear conditioning. Behav Neurosci. 118, 905-915 (2004).
- LaBar, K. S., Phelps, E. A. Reinstatement of conditioned fear in humans in context dependent and impaired in amnesia. Behav Neurosci. 119, 677-686 (2005).
- LaBar, K. S., Gatenby, J. C., Gore, J. C., LeDoux, J. E., Phelps, E. A. Human amygdala activation during conditioned fear acquisition and extinctions: a mixed trial fMRI study. Neuron. 20, 937-945 (1998).
- Phelps, E. A., Delgado, M. R., Nearing, K. I., LeDoux, J. E. Extinction learning in humans: role of the amygdala and mPFC. Neuron. 43, 897-905 (2004).
- Zorawski, M., Cook, C. A., Kuhn, C. M., LaBar, K. S. Sex, stress, and fear: individual differences in conditioned learning. Cogn. Affect. Behav. Neurosci. 5, 191-201 (2005).
- Cruz-Neira, C., Sandin, D., DeFanti, T. Surround-screen projection-based virtual reality: The design and implementation of the CAVE. Acm. Siggraph. Proc. 93, 135-142 (1993).
- Huff, N. C., Hernandez, J. A., Blanding, N. Q., LaBar, K. S. Delayed extinction attenuates fear renewal and spontaneous recovery in humans. Behav. Neurosci. 123, 834-843 (2009).
